基于機器視覺的作物對行噴藥控制系統(tǒng)研究.pdf

1、我國是一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)的技術(shù)裝備事關(guān)國民經(jīng)濟的競爭力和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中的植保領(lǐng)域，對作物的施藥技術(shù)十分粗糙，難于適應(yīng)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的需要?！稗r(nóng)業(yè)的根本出路在于機械化”，早在50多年前毛主席就這樣提出?，F(xiàn)在農(nóng)業(yè)機械化已駛?cè)肟燔嚨?，采用先進設(shè)備使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)實現(xiàn)智能化和自動化已成為主流。鑒于目前農(nóng)業(yè)植保機械大多是手工和半自動化狀況，施藥時大都是粗放式噴灑，這樣不僅浪費了農(nóng)藥，當(dāng)作業(yè)環(huán)境惡劣時容易導(dǎo)致人中毒，而且過量的農(nóng)

2、藥導(dǎo)致作物中農(nóng)藥殘留、土壤酸化和地下水污染。這跟現(xiàn)代農(nóng)業(yè)要求精準高效、綠色環(huán)保的要求是背道而馳的，同時也對人類生存的環(huán)境帶來威脅和挑戰(zhàn)。國內(nèi)外研究表明，如果采用精確對準作物(或雜草)施藥的話，可節(jié)約40％-60％的農(nóng)藥，因此研究噴藥的精確化和自動化很有必要。一方面可以改善人們的作業(yè)環(huán)境，降低勞動強度；另一方面可以提高農(nóng)藥的效率和保護自然環(huán)境。 結(jié)合目前農(nóng)業(yè)中的研究熱點機器視覺技術(shù)，本文研究了基于機器視覺的田間作物噴藥控制系統(tǒng)，設(shè)

3、計了對行噴藥控制的硬件裝置，即通過CCD攝像頭實時采集作物圖像，傳至計算機經(jīng)圖像處理后提取作物行直線，而后控制步進電機移動噴頭進行精確對行噴藥。 本文研究時以菜田作物幼苗為作業(yè)對象，且假設(shè)作物沿行有規(guī)律地種植，呈一株一株間隔生長姿態(tài)，彼此兩株和兩行間沒有交疊或覆蓋。為了使作業(yè)場景簡化和便于研究，這里暫時不考慮作物之間和行間有雜草的情況。在上述前提下，本文做了以下研究工作，并取得了一定的成果。 (1) 作物與背景分割是提取

4、作物行直線的前提，本文研究了綠色作物與背景的分割方法，就改進的分水嶺分割算法與其它兩種分割方法作了對比，發(fā)現(xiàn)分水嶺分割算法簡單，但耗時較多，對實時田問噴藥不適用，最終采用超綠色分割因子(2G-R-B)分割綠色作物與背景。 (2) 提取作物行中心線是對行噴藥的關(guān)鍵。針對田間綠色作物早期生長的特點，本文提出了一種基于標記信息的Hough變換提取作物行中心線方法。即在超綠色分割作物與背景后采用最大類間方差法二值化圖像，對其標記后提取各

5、株作物形心，然后就形心用Hough變換擬合作物行中心線。 (3) 考慮計算機實時處理的需要，本文還研究了另外一種提取作物行中心線的方法，即將采集到的作物圖像從RGB空間轉(zhuǎn)換到HSI空間，提取其色調(diào)分量(H)值后用最大類間方差法二值化，然后經(jīng)數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)腐蝕后再用Hough變換擬合作物行中心線。 (4) 設(shè)計了作物對行噴藥控制裝置。針對當(dāng)前國內(nèi)大多數(shù)研究都采用在移動車輛上固定噴頭的方法，本文提出了移動噴頭對行控制方法。即用步進電機帶

6、動齒輪齒帶，齒帶上安裝噴頭來移動對行的裝置，實驗結(jié)果表明了該方法能較好地對準作物行。 (5) 針對多個噴頭對準多行農(nóng)作物的難題，本文提出了一種新思路。即由CCD攝像頭捕捉作物行后，在水平方向上根據(jù)歐幾里德距離檢測離圖像中心點距離最近的作物行為要對準的作物行。 (6) 為了確定圖像坐標與世界絕對坐標之間的關(guān)系，以便精確控制對行的實施，進行了攝像頭內(nèi)外參數(shù)的標定并推導(dǎo)了單目視覺測距的公式，并且通過實驗驗證了其精度。