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王拓 孫天成 蔣志雄 王穎初
1 引言
棉花生產作為我國北方一些地區(qū)主要經濟支柱之一，種植面積較大，農民在棉花作物的種植過程中廣泛使用地膜覆蓋技術，即播種棉花種籽的同時，在下種土壤的表面上敷設地膜，在地膜的保護下，棉籽發(fā)芽、生長。地膜覆蓋技術可以提高土壤溫度、保蓄土壤水分、穩(wěn)定土壤環(huán)境、提高光熱利用效率和促進作物根系發(fā)育，增加植物的生長期，抑制雜草生長，可增產、增收。然而，使用地膜覆蓋技術重要的環(huán)節(jié)之一是在棉苗生長中要對所敷設的地膜適時、適當切破，讓棉苗破膜而出繼續(xù)生長。目前，解決這一問題主要采用季節(jié)性雇傭民工，讓民工手持刀具，將棉苗上方的地膜劃破。這種做法效率極低，不適合規(guī)模生產，而且易劃傷棉花幼苗造成減產。因此，研制具有高效率的機械切破裝備，機械化實現(xiàn)地膜適時、適當切破，讓棉苗及時破膜而出茁壯生長亟待解決。
2 自動切破棉苗上方地膜相關問題
2.1 棉苗的識別及位置確定
地膜切破裝備必須首先識別并確定棉苗的位置，依據識別出的棉苗及其位置信息控制切破刀具對其上方地膜切破。
由于棉苗上面覆蓋一層地膜、棉苗較小，而且對棉苗識別及位置確定是裝備在行進中完成，這就要求克服地膜影響，快速、準確地將棉苗從背景（土壤、沙石和雜草）中識別及定位。同時，在識別棉苗并確定其位置信息的過程中不能損傷棉苗。
2.2 雜草問題
由于棉田中不可避免地生長雜草，尤其是存在棉苗與雜草交織在一起的復雜情況，因此需要解決雜草對識別棉苗帶來影響。
2.3 切破設備行進狀態(tài)
① 盡管裝備的牽引速度可標定恒速，但是牽引機車和裝備行進在棉田中，行駛速度由于棉田中各種因素不能保證它是絕對勻速前進。裝備的瞬時速度對地膜的準確切破有一定的影響。因此，控制單元對每株棉苗上方地膜切破進行控制時，需要將裝備的行進速度變化因素加以考慮。
② 切破刀具恰好切破棉苗上方地膜為追求目標。但是，裝備在行進中的左右搖擺是無法避免的。當左右搖擺的幅度比較大時，將影響準確切破棉苗上方地膜。因此，裝備左右搖擺因素要加以處理。
③ 切破刀具隨著裝備行進有上下跳動發(fā)生。如果跳動方向向下，切破瞬間則可能傷及棉苗，如果跳動方向向上，切破瞬間則可能沒有切破地膜。
2.4 地膜上面灰塵問題
地膜上散落的灰塵對測量設備準確測量出棉苗位置有一定的影響，尤其是我國西北地區(qū)近幾年來沙塵暴在春季時有出現(xiàn)，消除灰塵影響是一個必須考慮的問題。
2.5 地膜表面凹凸問題
由于天氣、敷設技術、棉田地表平整程度以及地膜本身等因素，所敷設的地膜不可能像鏡面一樣平直，即所敷設的地膜局部上有凹凸，這種凹凸會導致切破刀具切不著地膜。
2.6 切破工具
切破地膜的刀具有多種，考慮到成本和工作速度，采用高溫燙的方案。即通過一定的電壓加熱電阻絲，使它恰好達到能燙破地膜的溫度，在需要切破的位置，讓電阻絲快速接觸地膜而達到切破目的。在一些地段讓電壓升高，使地膜的殘渣溶掉，保證切口質量。
3 自動切破棉苗上方地膜裝備結構
針對上述問題，考慮技術和成本的因素以及方案必須避免影響棉花的生長，采用機器視覺技術來識別棉苗及其位置信息。即通過攝像設備采集棉田中棉苗的圖像信息，然后由圖像處理系統(tǒng)對采集到的圖像進行特征分析以識別棉苗、棉苗位置并將這些信息傳遞給的控制單元，控制單元綜合棉苗位置、裝備行進狀態(tài)，產生對伺服機構的驅動完成對地膜恰當切破。裝備由檢測單元與控制單元兩部分組成，其結構框圖如圖1所示。
圖1 自動切破棉苗上方地膜裝備結構圖
對于裝備在行進中的上下跳動問題通過對裝備的適當配重加以解決。對地膜表面上凹凸問題，通過裝備上的負壓將工作面上的地膜上吸5~10mm，切破后自動釋放地膜。在裝備上設置光源，利用光源可以增強捕獲棉苗圖像的特征信息，避免采集時光線不夠造成的圖像模糊。
系統(tǒng)選用813D彩色攝像機與8mm自動光圈鏡頭，鏡頭規(guī)格為1/3”，光闌指數F1.2；采用CG300圖像采集卡，該卡有4路輸入，支持PAL、NTSC彩色/黑色視頻輸入。圖像分辨率PAL制最高為768*576*24位，NTSC制最高為640*480*24位。
4 棉苗的檢測識別和定位子系統(tǒng)
棉田視頻信息通過圖像采集卡輸入DSP后通過圖像處理軟件對棉苗進行識別定位。對棉苗識別的準確度與效率將直接影響到裝備對地膜切破的精確度和工作效率。
4.1 棉苗檢測識別定位
圖像處理軟件模塊框圖如圖2所示。
圖2 圖像處理軟件模塊框圖
(1) 采集卡設置模塊
該模塊利用采集卡提供的二次開發(fā)庫對采集卡視頻輸入的制式、亮度、對比度、通道進行初始化設置。根據算法需要的時間來選擇視頻輸入制式。
(2) 圖像獲取模塊
在采集卡參數設置后對輸入的視頻進行單幀圖像數據獲取，CG300圖像采集卡可以軟件設置單幀圖像對應的真實場景的范圍以及獲取圖像的像素大小。
(3) 圖像分割模塊
為了快速、準確的從圖像土壤背景中分離出棉苗，分割算法必須簡單高效，同時需要考慮實際情況下光照與雜草的影響。國內外的研究成果表明，進行綠色植物與土壤背景的分離時，直接利用顏色信息是簡單有效的方法。D.M.Woebbecke等人發(fā)現(xiàn)將彩色圖像從RGB空間變換至rgb色度空間后利用2g-r-b進行圖像分割可以有效地分離出綠色植物與土壤。M.S.El-Faki等人指出，在RGB空間中利用簡單算術操作來組合R、G、B分量形成相對色彩因子也可以獲得很好的分割效果。
通過對地膜覆蓋下的棉苗在不同光照下拍攝的50幅圖像進行分析后發(fā)現(xiàn)：在RGB空間中利用2G―R―B相對色彩因子比在色度空間中利用2r-g-b分割更為準確有效，由于無須轉換至色度空間，算法簡單快速，滿足系統(tǒng)實時性的要求。
對彩色圖像實現(xiàn)圖像分割后，二值圖像中會出現(xiàn)一些離散無規(guī)律的噪聲，經分析其產生的原因是由于土壤中的沙石、泥塊及雜草的影響，可以通過圖像腐蝕的辦法降低干擾。
(4) 特征提取模塊
系統(tǒng)對分割后的圖像提取出重心 和矩L兩個特征參數，通過對矩參數L乘以系數k進行修正可以得到覆蓋圖像中目標的最小外接圓半徑R。
(5) 圖像識別模塊
圖像識別模塊根據圖像分割和提取的目標特征進行圖像識別。由于系統(tǒng)只需檢測出圖像中是否有棉苗，所以可以直接從分割出的二值圖像進行判斷，具體方法是計算圖像某一區(qū)域A中黑色目標點占區(qū)域總點數的百分比P，若P大于P0則有棉苗存在，P0的值可以通過試驗統(tǒng)計得到。
(6) 攝像機標定模塊
要實現(xiàn)棉苗上方地膜的精確定位切割，必須將圖像中棉苗的特征信息還原成真實世界信息。空間物體表面某點的三維幾何位置與其在圖像中對應點之間的相互關系由攝像機成像的幾何模型決定，構成這一幾何模型的參數就是攝像機參數，確定這些參數的過程就是攝像機標定。系統(tǒng)將攝像機離棉田的高度固定，并認為其鏡頭中心線與棉田垂直。由于機車在行駛過程中，所以將棉苗的位置信息以相對坐標系表示，即將世界坐標系（表示棉苗真實位置的坐標系）與攝像機坐標系重合，世界坐標系原點為鏡頭中心在地面上的投影點。
(7) 真實場景恢復模塊
當圖像識別模塊判斷出圖像中包含棉苗目標后，該模塊恢復棉苗在世界坐標系中的特征信息。
4.2 棉苗檢測識別定位子系統(tǒng)的實驗
實驗時采用4個攝像機同時處理4行棉苗，調整攝像鏡頭離棉田高度H使每幀圖像對應的棉田面積為a*b平方厘米，機車以1m/s的速度牽引裝備作業(yè)，攝像機設置為PAL制式，每幀圖像的大小設置為w*h像素，DSP單元每秒并行處理各路攝像機輸入的25幀圖像。試驗田中棉苗的株距為8~12cm，行距為25~30cm。
分析可知攝像機每拍一幀圖像時裝備前進4cm，當棉苗株距大于4cm時攝像機不會遺漏棉苗圖像幀。分別調整高度H以及攝像機的輸入、輸出窗口大小，實驗數據如表1所示。
從表1中可以看出，在高度H設為30cm時，通過調整攝像機輸入窗口既不會遺漏棉苗圖像幀，每幀圖像也不會出現(xiàn)兩株棉苗。同時通過調整攝像機輸出窗口使h減少為300像素后每幀圖像處理的平均時間約為26ms，準確率為98.2％，達到系統(tǒng)單幀處理時限及誤判率要求。
表1 攝像機距地面高度為30時有關實驗數據
5 切破刀具控制子系統(tǒng)
5.1 切破刀具控制相關問題
(1) 切割時間的控制
裝備的攝像機鏡頭中心距切割刀具之間距離為s cm，檢測系統(tǒng)識別定位棉苗平均需要t*秒，假定牽引裝備的機車行進的平均速度為v m/s，則t時刻攝取某株棉苗后，滯后s/v-t*秒對該株棉苗上方的地膜進行切割。由于機車瞬時速度的變化會給切割時間造成影響，裝備在s/v-t*-△t時刻通過傳感器檢測機車行進的瞬時加速度a，依據加速度確定實際切割時間。其中△t的選擇不能過大或過小。
(2) 刀具編號的確定
棉苗嚴格的講不會在一條直線上，以及裝備行進中的左右搖擺都決定一把刀具完成對地膜切割的困難。對每行棉苗設置一組共5把刀具，依次編號為1、2、3、4、5，刀具之間間距設置為2cm。控制單元根據棉苗的位置與搖擺量確定刀具編號。
(3) 控制單元的結構
據上述控制策略分析可知，控制單元的輸入量為棉苗的坐標、裝備瞬時加速度a、裝備行進中的左右搖擺量l，輸出為切割的時間與切割的刀具編號。切割刀具編號的選擇由棉苗坐標與左右搖擺量確定，切割時間由一確定時間和裝備瞬時加速度a的影響來確定。控制單元總體結構如圖3所示。
圖3 控制單元總體結構
5.2 控制單元仿真結果
對控制單元的研究過程中，利用Matlab的模糊控制工具箱設計、實現(xiàn)模糊控制器，并利用Simulink構建結構圖對控制單元進行仿真。計算機仿真結果表明模糊控制器設計合理，滿足控制單元的要求。較好地解決機車非勻速與裝備行進中的左右搖擺給控制系統(tǒng)帶來的影響，從而使得裝備能夠準確地控制切割時間與切割刀具的正確選擇。
6 結語
本文利用機器視覺檢測、識別和定位棉田地膜下面的幼小棉苗，所識別和確定的棉苗及棉苗位置信息傳輸到地膜切破裝備的控制單元，在控制單元的控制下完成對棉苗上方地膜的自動切割。并對地膜下方棉苗準確的檢測、識別和定位方法和基于模糊推理的控制單元進行討論，實驗表明棉苗的檢測、識別準確率在98%以上，對每株棉苗的檢測、識別和定位需要約30ms。計算機仿真結果表明裝備能夠準確地控制切割時間與正確地選擇切割刀具。
我國在使用機器視覺技術解決精細農業(yè)生產方面與國外相比有較大差距。筆者在這方面的研究旨在將高新技術用于我國的農業(yè)生產，為這個農業(yè)生產大國服務。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號