基于機(jī)器視覺的室內(nèi)農(nóng)藥自動(dòng)精確噴霧系統(tǒng)

1、基于機(jī)器視覺的室內(nèi)農(nóng)藥自動(dòng)精確噴霧系統(tǒng)         09-11-17 15:58:00     編輯：studa090420                             &#

2、160;      作者：葛玉峰周宏平鄭加強(qiáng)張慧春論文關(guān)鍵詞:精確林業(yè)  農(nóng)藥噴霧技術(shù)  機(jī)器視覺論文摘要： 建立了基于機(jī)器視覺的室內(nèi)農(nóng)藥自動(dòng)精確噴霧系統(tǒng),對(duì)信號(hào)采集、圖像處理、施藥決策、數(shù)據(jù)交換等主要問題作了較深入的研究,提出了基于相對(duì)色彩因子的樹木圖像分割算法,和傳統(tǒng)方法相比,在不影響分割效果的同時(shí)大大提高了圖像分割的實(shí)時(shí)性。測(cè)試表明該系統(tǒng)運(yùn)行良好,有很好的戶外應(yīng)用前景。引言當(dāng)前我國(guó)森林病蟲害嚴(yán)重制約了造林綠化和生態(tài)環(huán)境建設(shè),但病蟲害防治效率卻是相當(dāng)?shù)拖?施藥技術(shù)落后,不管有無施藥目標(biāo)都采用均勻恒速的施藥方法,而沒有考慮

3、到林木的栽植密度、株距及樹冠形態(tài)等個(gè)體差別;施藥器械落后,無論是施藥器械的藥液混合裝置、動(dòng)力裝置還是噴霧裝置,其機(jī)械化、自動(dòng)化、精確化程度都相當(dāng)?shù)?。落后的防治手段使農(nóng)藥的利用率低,花費(fèi)大;農(nóng)藥殘留、農(nóng)藥?kù)F滴飄移加重了環(huán)境和生態(tài)問題;直接和頻繁接觸農(nóng)藥危及到操作者的人身安全。精確林業(yè)技術(shù)提供了解決辦法,即在林業(yè)生產(chǎn)過程中運(yùn)用視覺傳感器、衛(wèi)星定位等高新技術(shù),在作業(yè)過程中實(shí)時(shí)測(cè)知工作對(duì)象所需工作的質(zhì)、量和時(shí)機(jī)等時(shí)空數(shù)據(jù),以求獲得最好的施藥效果和最小的環(huán)境代價(jià),從而節(jié)約資源,保護(hù)環(huán)境。從文獻(xiàn)15可以看出,雖然目前已經(jīng)有一些學(xué)者開展了機(jī)器視覺的精確施藥方法研究,但其研究對(duì)象主要為田間作物如棉花、雜草等,

4、還很少有人研究用于林木病蟲害防治的精確施藥系統(tǒng),因此開展針對(duì)林木病蟲害防治的精確施藥系統(tǒng)的研究很有必要。1 室內(nèi)農(nóng)藥自動(dòng)精確噴霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1 設(shè)計(jì)要求根據(jù)研究目標(biāo)要求,本系統(tǒng)需要完成以下功能:模擬施藥過程中施藥器械和施藥目標(biāo)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng);利用機(jī)器視覺技術(shù)采集實(shí)時(shí)樹木圖像,通過圖像處理完成目標(biāo)樹木的分割和識(shí)別;以圖像處理結(jié)果為依據(jù)進(jìn)行施藥決策;上位機(jī)PC和下位機(jī)單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,將決策結(jié)果轉(zhuǎn)化為噴霧指令,并控制噴霧執(zhí)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)精確噴霧。1.2 系統(tǒng)硬件組成室內(nèi)農(nóng)藥自動(dòng)精確噴霧系統(tǒng)的硬件主要包括:運(yùn)動(dòng)模擬試驗(yàn)臺(tái)、彩色CCD攝像頭、真彩色圖像采集卡、PC機(jī)(上位機(jī))、單片機(jī)芯片組(下位機(jī))

5、、智能噴霧臺(tái)(包括若干智能噴頭和安裝噴頭的噴霧臺(tái)架、壓力噴霧系統(tǒng))及若干接口電路(如RS232/TTL電平轉(zhuǎn)換、功率放大和光電耦合電路等),共分為運(yùn)動(dòng)模擬裝置、圖像采集(機(jī)器視覺)裝置、自動(dòng)精確施藥裝置等3部分。設(shè)計(jì)的傳輸帶式模擬運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)用于模擬施藥過程中施藥器械和施藥目標(biāo)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),同時(shí)便于機(jī)器視覺系統(tǒng)采集到連續(xù)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)圖像。根據(jù)樹木自相似原理,在傳輸帶上安裝了樹葉以模擬實(shí)際樹木。工作臺(tái)的啟動(dòng)、調(diào)速由西門子矢量型變頻調(diào)速器6SE3214控制電動(dòng)機(jī)來完成。圖1中電動(dòng)機(jī)1通過聯(lián)軸器2帶動(dòng)主動(dòng)軸3轉(zhuǎn)動(dòng),從而帶動(dòng)傳輸帶7運(yùn)動(dòng),這樣目標(biāo)8就跟著傳輸帶7連續(xù)地運(yùn)動(dòng)起來。通過調(diào)節(jié)張緊裝置4可以調(diào)整

6、傳輸帶7的張緊狀態(tài),以使其運(yùn)行平穩(wěn)。根據(jù)實(shí)際施藥工作情況,以及實(shí)時(shí)圖像采集處理要求,傳輸帶的速度以23 m/s為佳。選用的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為1 440 r/min,由帶輪直徑d=0.12 m得到傳輸帶的速度達(dá)到10 m/s。自動(dòng)精確施藥裝置由單片機(jī)、噴霧臺(tái)架、噴頭系統(tǒng)等組成。將若干個(gè)噴頭布置在噴霧架橫梁上,以此來測(cè)試圖像處理和噴霧決策結(jié)果的正誤。每個(gè)噴頭由一個(gè)二位二通電磁閥來控制其開閉。電磁閥的控制信號(hào)由單片機(jī)的I/O端口提供。電磁閥工作電壓為220V,單片機(jī)發(fā)出的控制指令為5 V,因此在電磁閥和下位機(jī)之間接中間繼電器,噴頭連同電磁閥和繼電器一同安裝在盒子上。圖2為噴頭控制原理圖。1.3 系統(tǒng)軟件

7、組成開發(fā)了兩套軟件系統(tǒng):一套用VC開發(fā),是基于Windows平臺(tái)的應(yīng)用程序,用于控制硬件實(shí)現(xiàn)目標(biāo)圖像采集、圖像分割、智能決策、信息發(fā)送等功能;另一套由匯編語(yǔ)言編寫,運(yùn)行于單片機(jī)上,實(shí)現(xiàn)信息接收、噴霧指令發(fā)送功能。利用Microsoft公司提供的VFW(Video ForWindows)開發(fā)了Capture類,實(shí)現(xiàn)模擬運(yùn)動(dòng)樹木圖像的連續(xù)采集。視頻流中幀圖像的格式由圖像采集卡和PC機(jī)顯示卡決定,本系統(tǒng)中為DIB(設(shè)備無關(guān)位圖)格式。利用Capture類的關(guān)鍵幀提取功能,從視頻流中提取出特定的關(guān)鍵幀進(jìn)行分析處理,從而減輕CPU負(fù)擔(dān)。采集到的圖像要進(jìn)行圖像分割,將目標(biāo)樹木從背景中分割出來。典型的基于顏

8、色的分割算法將獲取的圖像從RGB模型轉(zhuǎn)化為HSI模型,以此來削弱光照強(qiáng)度的影響。但色彩模型的轉(zhuǎn)換非常耗時(shí),對(duì)于實(shí)時(shí)性要求高的場(chǎng)合,這些圖像分割算法根本不適用。文獻(xiàn)6指出,彩色圖像像素的RGB灰度級(jí)在很大程度上依賴于光照強(qiáng)度。在不同的光照條件下,直接用RGB值來進(jìn)行識(shí)別會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果。而利用簡(jiǎn)單的算術(shù)操作來組合RGB分量形成相對(duì)色彩因子(relative color indices)進(jìn)行彩色圖像分割可以大大降低光照強(qiáng)度的影響。在實(shí)驗(yàn)室可控光條件及室外自然光條件下拍攝大量綠色樹木的圖像進(jìn)行RGB各分量的分析發(fā)現(xiàn),綠色樹木圖像的G分量值都相對(duì)較大,而R、B分量值都相對(duì)較小。圖像中的背景則鮮有這種現(xiàn)象。據(jù)此設(shè)計(jì)了2G/(R+B)和(R+B+G)/3這一組