技術(shù)領(lǐng)域:本發(fā)明涉及噴桿與農(nóng)作物植株之間的距離和農(nóng)作物植株有效面積的檢測(cè)方法及檢測(cè)裝置。
背景技術(shù):
:植保機(jī)作業(yè)需要實(shí)時(shí)檢測(cè)噴桿與農(nóng)作物植株之間的距離和農(nóng)作物植株有效面積,用于調(diào)節(jié)控制噴桿和噴藥量。這樣可以提高噴灑農(nóng)藥的利用率,確保噴霧量分布均勻,保證施藥效果,降低農(nóng)藥殘留和保護(hù)生態(tài)環(huán)境減少污染有重要的意義。
現(xiàn)有同領(lǐng)域類似專利有:
噴霧噴桿地隙自適應(yīng)調(diào)節(jié)裝置(申請(qǐng)?zhí)枺?01520140394.0);
該發(fā)明專利提出采用超聲波和紅外測(cè)距傳感器,實(shí)時(shí)測(cè)量噴桿裝置和作物之間的距離。該方法需要多個(gè)超聲波和紅外測(cè)距傳感器均勻的分布在噴桿的頭部,測(cè)得的數(shù)據(jù)相融合,得到噴桿與作物之間距離。
一種噴桿平衡和高度自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置及方法(申請(qǐng)?zhí)枺?01510079697.0);
該發(fā)明專利提出采用超聲波測(cè)距傳感器監(jiān)測(cè)噴桿左右兩末端離地高度值,控制器將所測(cè)噴桿兩末端離地高度值與設(shè)定的作業(yè)高度值進(jìn)行比較處理后調(diào)節(jié)噴桿的作業(yè)高度。
以上兩專利的操作方法受環(huán)境條件影響很大,測(cè)量精度較低,不能實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物植株有效面積的檢測(cè)。
高地自走噴桿式噴霧機(jī)(申請(qǐng)?zhí)枺?01220382991.0)
該發(fā)明專利提出采用高度傳感器能測(cè)量噴桿距離地面的高度,不檢測(cè)噴桿與農(nóng)作物植株之間的距離和農(nóng)作物植株有效面積。
農(nóng)作物植株高度的檢測(cè)方法(申請(qǐng)?zhí)枺篶n200810059040.8)
該發(fā)明專利提出采用光電掃描系統(tǒng)連續(xù)掃描農(nóng)作物,從而提取當(dāng)前位置植株的邊緣高度數(shù)據(jù),用曲線擬合的方法獲得農(nóng)作物頂部輪廓線,通過計(jì)算農(nóng)作物頂部輪廓線的波峰作為農(nóng)作物的植株高度。
論文:基于圖像處理的株高無損測(cè)量方法的研究。該方法以測(cè)量棉花主要為研究對(duì)象,通過標(biāo)定后的單個(gè)攝像機(jī)獲取棉花植株圖像,在二維空間將棉花株莖簡(jiǎn)化成兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo),然后利用攝像機(jī)參數(shù)矩陣以及兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)約束條件獲得植株在世界坐標(biāo)系中的三維信息,從而獲得植株高度。
以上論文及“農(nóng)作物植株高度的檢測(cè)方法”專利只適用于單株植物,不適應(yīng)噴桿的大面積作業(yè)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
:
發(fā)明目的:本發(fā)明提及一種采用圖像處理技術(shù)和激光掃描的噴桿和農(nóng)作物之間距離的檢測(cè)方法及設(shè)備,和用于控制噴藥量的農(nóng)作物植株有效表面積的檢測(cè)方法及設(shè)備。
技術(shù)方案:
一種噴桿與農(nóng)作物植株之間距離的檢測(cè)設(shè)備,其特征在于:包括植保機(jī)及橫向安裝在植保機(jī)上的噴桿支架;
所述噴桿支架上設(shè)置有噴頭和一字型激光掃描裝置;
所述植保機(jī)設(shè)置有ccd攝像頭;
所述植保機(jī)后輪上設(shè)有與后輪同軸的編碼器。
所述的噴桿與農(nóng)作物植株之間距離的檢測(cè)設(shè)備,其特征在于:所述一字型激光掃描裝置垂直向下投射激光線,在綠色植物上掃描形成一字型激光線陣掃描。
所述的噴桿與農(nóng)作物植株之間距離的檢測(cè)設(shè)備,其特征在于:所述的一字型激光掃描裝置包括由電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的平面鏡和激光發(fā)射器;還包括兩個(gè)光電元件。
所述的噴桿與農(nóng)作物植株之間距離的檢測(cè)設(shè)備,其特征在于:所述兩個(gè)光電元件的位置關(guān)系具有如下特征:
設(shè)第一光電元件和第二光電元件以平面鏡為圓心夾角為α,
噴桿有效長(zhǎng)度為lα,
噴桿與農(nóng)作物植株之間可以達(dá)到的最大距離hmax,
則:
所述的噴桿與農(nóng)作物植株之間距離的檢測(cè)設(shè)備,其特征在于:還包括arm處理器;所述arm處理器輸入端分別連接第一光電元件、第2光電元件、ccd攝像頭及后輪軸編碼器;輸出端連接lcd顯示、鍵盤及can總線接口;所述輸出端通過驅(qū)動(dòng)接口連接電機(jī)和激光發(fā)射器。
一種噴桿與農(nóng)作物植株之間距離的檢測(cè)方法,其特征在于:
該方法是一種在獲取的圖像中,通過提取激光在農(nóng)作物植株表面像素點(diǎn)集,噴桿像素點(diǎn)集,獲取噴桿與農(nóng)作物植株之間的距離的方法;
該方法是一種在獲取的圖像中通過提取激光在農(nóng)作物植株表面像素點(diǎn)集,計(jì)算農(nóng)作物表面光線軌跡長(zhǎng)度,同時(shí)檢測(cè)植保機(jī)的行進(jìn)距離,獲取作物植株有效表面積的計(jì)算方法。
所述的獲取噴桿與農(nóng)作物植株之間的距離的方法,具體如下:
處理采集的圖像,根據(jù)直方圖確定閾值去除噪點(diǎn),將重復(fù)元素折疊編縮,保留水平方向一階導(dǎo)數(shù)不為零點(diǎn),使之成為在垂直方向上的唯一點(diǎn);將噴桿像素?cái)?shù)作為水平坐標(biāo)軸i,k軸,噴桿與農(nóng)作物植株間距離像素?cái)?shù)作為垂直坐標(biāo)軸j,l軸;
通過rgb顏色空間閾值區(qū)分像素點(diǎn),確定圖像中激光點(diǎn)所在的位置,設(shè)定閾值去除離群值,在
其中:
i為水平方向像素點(diǎn)位置,m為水平方向最大像素;
j為垂直方向像素點(diǎn)位置,n為垂直方向最大像素,為偶數(shù)個(gè);
像素像值為0,背景為1;
生成j的行向量:
j=j(luò)(i)|i=1,…m;
噴桿像素點(diǎn)集處理:通過對(duì)圖像的二值化后膨脹腐蝕,去除噪點(diǎn),重復(fù)的元素折疊編縮,在
生成l的行向量:
l=l(k)|k=1,…m;
可得出散點(diǎn)圖中噴桿與農(nóng)作物之間像素點(diǎn)平均個(gè)數(shù)b為:
各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的噴桿與農(nóng)作物之間的實(shí)際平均距離為bavg:
bavg=ab;
則可確定噴桿與農(nóng)作物之間距離的最大值bmax和最小值bmin,bmax和bmin應(yīng)該在噴灑有效行程之內(nèi)。
所述獲取作物植株有效表面積的計(jì)算方法,具體如下:
設(shè)從動(dòng)輪半徑為r,光電編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)p,植保機(jī)的從動(dòng)輪軸和光電編碼器軸傳動(dòng)變比k;
里程光電編碼器一個(gè)脈沖等價(jià)植保機(jī)行駛距離sp為:
則一幀圖像中,第一光電元件兩次接收信號(hào)后所得到編碼器脈沖個(gè)數(shù)為np,
則植保機(jī)行駛距離s10為:
s10=np×sp;
借用積分的概念,分析兩次激光掃描線之間農(nóng)作物植株的等效面積a作為最小面積;
利用激光點(diǎn)點(diǎn)集
像素像值為0,背景為1;生成i的行向量:
j=j(luò)(i)|i=1,…m;
農(nóng)作物表面光線軌跡長(zhǎng)度ln為:
則兩次激光掃描線之間農(nóng)作物植株的等效面積a為:
則植保機(jī)在前進(jìn)過程中累加面積as為:
其中c為累積a的次數(shù)。
該方法中還包括圖像像素對(duì)應(yīng)噴桿和農(nóng)作物植株之間的距離當(dāng)量的標(biāo)定方法,具體為:
保持相機(jī)和噴桿之間距離不變,相機(jī)角度保持不變;
在一字型激光掃描裝置正下方1m處,放置一個(gè)0.1×0.1m2硬紙片,與植保機(jī)前進(jìn)方向,水平45°的硬紙片和立柱固定,啟動(dòng)裝置,得到圖像,噴桿到0.1×0.1m2硬紙片上激光線的圖像像素點(diǎn)數(shù),即單位像素的距離當(dāng)量a。
附圖說明:
圖1是檢測(cè)裝置總體結(jié)構(gòu)3d示意圖;
圖2是檢測(cè)裝置俯視圖;
圖3是激光掃描裝置結(jié)構(gòu)圖;
圖4是一字型激光線形成示意圖;
圖5是獲取圖像示意圖;
圖6是農(nóng)作物植株高度檢測(cè)裝置系統(tǒng)框圖;
圖7是像素當(dāng)量獲取示意圖a;
圖8是像素當(dāng)量獲取示意圖b;
圖9是arm處理器的軟件主流程(左)、中斷服務(wù)程序流程(中、右);
圖10是處理采集的圖像示意圖;
圖11是運(yùn)算結(jié)果圖;
圖中標(biāo)注:
1植保機(jī);2ccd攝像頭;3噴桿支架;4一字型激光掃描裝置;5噴頭;6相機(jī)固定支架;7從動(dòng)輪;8皮帶;9電機(jī);10第一光電元件;11第二光電元件;13平面鏡;14激光發(fā)生器;15獲取有效圖像圖框。
優(yōu)點(diǎn)及效果:本發(fā)明應(yīng)用激光光源發(fā)射激光束照射作物作為輪廓線,通過圖像采集,引入保值機(jī)行進(jìn)位移檢測(cè),利用圖像處理的方法獲得噴桿與農(nóng)作物植株之間的距離和農(nóng)作物植株有效面積。
具體實(shí)施方式:
農(nóng)作物植株高度檢測(cè)裝置總體結(jié)構(gòu)3d示意圖如圖1所示,俯視圖如圖2所示:包括1植保機(jī),安裝在1植保機(jī)上的6相機(jī)支架和3噴桿支架,在6相機(jī)固定支架上安裝2ccd攝像頭,3噴桿上裝有5噴頭和4一字型激光掃描裝置。
所述的4一字型激光掃描裝置可在噴桿垂直向下投影,在綠色植物上掃描形成一字型激光線陣掃描。
與植保機(jī)后輪同軸的光電編碼器提供植保機(jī)行走位移。
掃描線夾角的設(shè)計(jì):
一字型激光掃描線如圖3所示,由7從動(dòng)輪、8皮帶、9電機(jī)、10和11光電元件、12激光掃描裝置底座、13平面鏡和14激光發(fā)生器組成。
為了減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,使平面鏡轉(zhuǎn)動(dòng)更平穩(wěn),采用圖中電機(jī)皮帶輪減速器結(jié)構(gòu)。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)激光經(jīng)過其反射能夠形成穩(wěn)定一字型激光線。
10和11光電元件安裝位置夾角為α。其與噴桿有效長(zhǎng)度lα以及噴桿與作物間可以達(dá)到的最大高度hmax有關(guān),各參數(shù)關(guān)系如圖4所示。
減速輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí),激光光線經(jīng)過鏡面反射到10光電元件,光電元件接收光信號(hào),產(chǎn)生電信號(hào),為激光掃描線左端信號(hào),ccd攝像頭快門開啟;從動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)使激光光線通過平面鏡反射到11光電元件轉(zhuǎn)時(shí),光電元件再次接收光信號(hào),產(chǎn)生電信號(hào),控制ccd攝像頭快門關(guān)閉,得到一幀圖像。ccd攝像頭獲取到的圖像如圖5所示。如圖6所示,為控制系統(tǒng)框圖。
arm微處理器,輸入信號(hào)分別為激光掃描線右端信號(hào)(啟動(dòng)信號(hào))、激光掃描線左端信號(hào)(關(guān)閉信號(hào))、ccd攝像頭接口和光電編碼器計(jì)數(shù)測(cè)距信號(hào),arm接收到輸入信號(hào)后經(jīng)過相應(yīng)的運(yùn)算和處理,進(jìn)而根據(jù)需求,控制電機(jī)和激光的開啟和關(guān)閉,并將結(jié)果送顯。同時(shí),可以達(dá)到與植保機(jī)通訊的目的。
還包括一種利用上述設(shè)備進(jìn)行噴桿與農(nóng)作物植株之間距離的檢測(cè)方法,該方法是一種在獲取的圖像中,通過提取激光在農(nóng)作物植株表面像素點(diǎn)集,噴桿像素點(diǎn)集,獲取噴桿與農(nóng)作物植株之間的距離的方法;
該方法是一種在獲取的圖像中通過提取激光在農(nóng)作物植株表面像素點(diǎn)集,計(jì)算農(nóng)作物表面光線軌跡長(zhǎng)度,同時(shí)檢測(cè)植保機(jī)的行進(jìn)距離,獲取作物植株有效表面積的計(jì)算方法。
圖像像素對(duì)應(yīng)噴桿和農(nóng)作物植株之間的距離當(dāng)量的標(biāo)定方法:
本發(fā)明采用的標(biāo)定方法如下:保持相機(jī)和噴桿之間距離不變,相機(jī)角度保持不變。
在一字型激光掃描裝置正下方1m處,放置一個(gè)0.1×0.1m2硬紙片,與1植保機(jī)前進(jìn)方向,水平45°的硬紙片和立柱固定,如圖7、8所示。
啟動(dòng)裝置,得到圖像,噴桿到0.1×0.1m2硬紙片上激光線的圖像像素點(diǎn)數(shù),即單位像素的距離當(dāng)量a。
圖像獲取方法:
ccd攝像頭通過dcmi接口與arm處理器相連接,獲得采集的圖像,進(jìn)而將圖像數(shù)據(jù)運(yùn)用dma的傳輸方式存儲(chǔ)到sram中。隨后將圖像進(jìn)行編碼操作,以bmp格式存儲(chǔ)在sd卡中,隨后可以對(duì)圖像進(jìn)行處理。
arm處理器的軟件主流程和中斷服務(wù)程序流程,如框圖9所示。
獲取噴桿與農(nóng)作物植株之間的距離的方法:
處理采集的圖像,根據(jù)直方圖確定閾值去除噪點(diǎn),將重復(fù)元素折疊編縮,保留水平方向一階導(dǎo)數(shù)不為零點(diǎn),使之成為在垂直方向上的唯一點(diǎn)。將噴桿像素?cái)?shù)作為坐標(biāo)軸的i,k軸,噴桿與農(nóng)作物植株間距離像素?cái)?shù)作為垂直坐標(biāo)j,l軸。圖像計(jì)算后效果示意圖如圖11所示。
通過rgb顏色空間閾值區(qū)分像素點(diǎn),確定圖像中激光點(diǎn)所在的位置,設(shè)定閾值去除離群值,在
其中:
i為水平方向像素點(diǎn)位置,m為水平方向最大像素。
j為垂直方向像素點(diǎn)位置,n為垂直方向最大像素,為偶數(shù)個(gè)。
像素像值為0,背景為1。生成j的行向量:
j=j(luò)(i)|i=1,…m
噴桿像素點(diǎn)集處理:通過對(duì)圖像的二值化后膨脹腐蝕,去除噪點(diǎn),重復(fù)的元素折疊編縮,在
生成l的行向量:
l=l(k)|k=1,…n
可得出散點(diǎn)圖中噴桿與農(nóng)作物之間像素點(diǎn)平均個(gè)數(shù)b為:
各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的噴桿與農(nóng)作物之間的實(shí)際平均距離為bavg:
bavg=ab
則可確定噴桿與農(nóng)作物之間距離的最大值bmax和最小值bmin,bmax和bmin應(yīng)該在噴灑有效行程之內(nèi)。
獲取作物植株有效表面積的計(jì)算方法:
噴藥作業(yè)中的植保機(jī),為了達(dá)到節(jié)約農(nóng)藥,減少環(huán)境污染的目的,需要對(duì)作業(yè)范圍內(nèi)的噴藥面積進(jìn)行精確的測(cè)量,有利于準(zhǔn)確控制藥物噴灑量,保證施藥效果,提高噴霧質(zhì)量。
本發(fā)明采用光電編碼器,計(jì)算植保機(jī)行駛速度。
為了防止滑轉(zhuǎn),里程光電編碼器連接植保機(jī)的從動(dòng)輪,從動(dòng)輪半徑為r,光電編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)p,植保機(jī)的從動(dòng)輪軸和光電編碼器軸傳動(dòng)變比k(k=植保機(jī)的從動(dòng)輪軸轉(zhuǎn)速:光電編碼器軸轉(zhuǎn)速)。
里程光電編碼器一個(gè)脈沖等價(jià)植保機(jī)行駛距離sp為:
一幀圖像中,10號(hào)光電元件兩次接收信號(hào)后所得到編碼器脈沖個(gè)數(shù)為np,則植保機(jī)行駛距離s10為:
s10=np×sp
借用積分的概念,分析兩次激光掃描線之間農(nóng)作物植株的等效面積a作為最小面積。
在圖10中,利用激光點(diǎn)點(diǎn)集:
像素像值為0,背景為1;生成i的行向量:
j=j(luò)(i)|i=1,…m;
農(nóng)作物表面光線軌跡長(zhǎng)度ln為:
則兩次激光掃描線之間農(nóng)作物植株的等效面積a為:
則植保機(jī)在前進(jìn)過程中累加面積as為:
其中c為累積a的次數(shù)。
實(shí)施例:
裝置參數(shù)
在本實(shí)施例中:
植保機(jī)噴桿有效長(zhǎng)度lα為4m;
一字型激光掃描裝置(噴桿)與農(nóng)作物距離hmax為1m;
激光發(fā)生器采用100mw激光頭,波長(zhǎng)655nm;
植保機(jī)后輪半徑為0.6m;
光電編碼器采用omron公司e6b2型旋轉(zhuǎn)編碼器,每轉(zhuǎn)產(chǎn)生脈沖數(shù)np為1000;
ccd攝像頭采用1024×768分辨率;arm芯片采用stm32f407;
一字型激光掃描裝置,電機(jī):hra300,轉(zhuǎn)速:3000轉(zhuǎn)/分,轉(zhuǎn)速比:1:6.
掃面線夾角設(shè)計(jì):
一字型激光掃描裝置,激光10與11夾角α為:
圖像像素對(duì)應(yīng)噴桿和農(nóng)作物植株之間的距離當(dāng)量
啟動(dòng)裝置,得到圖像,噴桿到0.1×0.1m2硬紙片上激光線,距1m上端的噴桿間的圖像像素點(diǎn)數(shù)為192個(gè),即單位像素的距離當(dāng)量
a=0.0052。
獲取噴桿與農(nóng)作物植株之間的距離
通過對(duì)ccd攝像頭獲取到的圖像的二值化后膨脹腐蝕,去除噪點(diǎn),對(duì)應(yīng)i和j相同的軸坐標(biāo)k和l,重復(fù)的元素折疊編縮,保留在垂直方向上唯一點(diǎn)。并遍歷整幅圖片,保留rgb顏色空間在(i,j,1)>150&(i,j,2)<100&(i,j,3)<100范圍內(nèi)的像素點(diǎn)坐標(biāo)連接得到光滑曲線,確定噴桿與激光點(diǎn)位置如圖11所示。
進(jìn)而可以確定農(nóng)作物距離噴桿的最近點(diǎn)距離bmin為123個(gè)像素點(diǎn)和最遠(yuǎn)點(diǎn)距離bmax為210個(gè)像素點(diǎn),
噴桿與農(nóng)作物之間像素點(diǎn)平均個(gè)數(shù)b為:
單位像素的距離當(dāng)量為:
a=0.0052。
則對(duì)應(yīng)當(dāng)前激光掃描線下,噴桿與農(nóng)作物植株之間的實(shí)際距離平均值bavg為:
bavg=ab=156.5×0.0052m=0.8138m
獲取作物植株有效表面積:
依據(jù)上文,植保機(jī)的從動(dòng)輪軸和光電編碼器軸傳動(dòng)變比k=0.03。
里程光電編碼器一個(gè)脈沖等價(jià)植保機(jī)行駛距離sp為:
則一幀圖像中,10號(hào)光電元件兩次接收信號(hào)后所得到編碼器得到脈沖個(gè)數(shù)為np=6670,則植保機(jī)行駛距離s10為:
s10=np×sp=0.7539
并求得曲線積分長(zhǎng)度1328.06個(gè)像素點(diǎn),則農(nóng)作物表面光線軌跡長(zhǎng)度ln為:
則快門啟動(dòng)一次兩次激光掃描線之間農(nóng)作物植株的等效面積a為: