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王拓 孫天成 蔣志雄 王穎初
1 引言
棉花生產(chǎn)作為我國(guó)北方一些地區(qū)主要經(jīng)濟(jì)支柱之一，種植面積較大，農(nóng)民在棉花作物的種植過(guò)程中廣泛使用地膜覆蓋技術(shù)，即播種棉花種籽的同時(shí)，在下種土壤的表面上敷設(shè)地膜，在地膜的保護(hù)下，棉籽發(fā)芽、生長(zhǎng)。地膜覆蓋技術(shù)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(jìn)作物根系發(fā)育，增加植物的生長(zhǎng)期，抑制雜草生長(zhǎng)，可增產(chǎn)、增收。然而，使用地膜覆蓋技術(shù)重要的環(huán)節(jié)之一是在棉苗生長(zhǎng)中要對(duì)所敷設(shè)的地膜適時(shí)、適當(dāng)切破，讓棉苗破膜而出繼續(xù)生長(zhǎng)。目前，解決這一問(wèn)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(chǎn)，而且易劃傷棉花幼苗造成減產(chǎn)。因此，研制具有高效率的機(jī)械切破裝備，機(jī)械化實(shí)現(xiàn)地膜適時(shí)、適當(dāng)切破，讓棉苗及時(shí)破膜而出茁壯生長(zhǎng)亟待解決。
2 自動(dòng)切破棉苗上方地膜相關(guān)問(wèn)題
2.1 棉苗的識(shí)別及位置確定
地膜切破裝備必須首先識(shí)別并確定棉苗的位置，依據(jù)識(shí)別出的棉苗及其位置信息控制切破刀具對(duì)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(duì)棉苗識(shí)別及位置確定是裝備在行進(jìn)中完成，這就要求克服地膜影響，快速、準(zhǔn)確地將棉苗從背景（土壤、沙石和雜草）中識(shí)別及定位。同時(shí)，在識(shí)別棉苗并確定其位置信息的過(guò)程中不能損傷棉苗。
2.2 雜草問(wèn)題
由于棉田中不可避免地生長(zhǎng)雜草，尤其是存在棉苗與雜草交織在一起的復(fù)雜情況，因此需要解決雜草對(duì)識(shí)別棉苗帶來(lái)影響。
2.3 切破設(shè)備行進(jìn)狀態(tài)
① 盡管裝備的牽引速度可標(biāo)定恒速，但是牽引機(jī)車(chē)和裝備行進(jìn)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(duì)勻速前進(jìn)。裝備的瞬時(shí)速度對(duì)地膜的準(zhǔn)確切破有一定的影響。因此，控制單元對(duì)每株棉苗上方地膜切破進(jìn)行控制時(shí)，需要將裝備的行進(jìn)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(biāo)。但是，裝備在行進(jìn)中的左右搖擺是無(wú)法避免的。當(dāng)左右搖擺的幅度比較大時(shí)，將影響準(zhǔn)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(jìn)有上下跳動(dòng)發(fā)生。如果跳動(dòng)方向向下，切破瞬間則可能傷及棉苗，如果跳動(dòng)方向向上，切破瞬間則可能沒(méi)有切破地膜。
2.4 地膜上面灰塵問(wèn)題
地膜上散落的灰塵對(duì)測(cè)量設(shè)備準(zhǔn)確測(cè)量出棉苗位置有一定的影響，尤其是我國(guó)西北地區(qū)近幾年來(lái)沙塵暴在春季時(shí)有出現(xiàn)，消除灰塵影響是一個(gè)必須考慮的問(wèn)題。
2.5 地膜表面凹凸問(wèn)題
由于天氣、敷設(shè)技術(shù)、棉田地表平整程度以及地膜本身等因素，所敷設(shè)的地膜不可能像鏡面一樣平直，即所敷設(shè)的地膜局部上有凹凸，這種凹凸會(huì)導(dǎo)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(guò)一定的電壓加熱電阻絲，使它恰好達(dá)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(dá)到切破目的。在一些地段讓電壓升高，使地膜的殘?jiān)艿簦ＷC切口質(zhì)量。
3 自動(dòng)切破棉苗上方地膜裝備結(jié)構(gòu)
針對(duì)上述問(wèn)題，考慮技術(shù)和成本的因素以及方案必須避免影響棉花的生長(zhǎng)，采用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)來(lái)識(shí)別棉苗及其位置信息。即通過(guò)攝像設(shè)備采集棉田中棉苗的圖像信息，然后由圖像處理系統(tǒng)對(duì)采集到的圖像進(jìn)行特征分析以識(shí)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(jìn)狀態(tài)，產(chǎn)生對(duì)伺服機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)完成對(duì)地膜恰當(dāng)切破。裝備由檢測(cè)單元與控制單元兩部分組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
圖1 自動(dòng)切破棉苗上方地膜裝備結(jié)構(gòu)圖
對(duì)于裝備在行進(jìn)中的上下跳動(dòng)問(wèn)題通過(guò)對(duì)裝備的適當(dāng)配重加以解決。對(duì)地膜表面上凹凸問(wèn)題，通過(guò)裝備上的負(fù)壓將工作面上的地膜上吸5~10mm，切破后自動(dòng)釋放地膜。在裝備上設(shè)置光源，利用光源可以增強(qiáng)捕獲棉苗圖像的特征信息，避免采集時(shí)光線不夠造成的圖像模糊。
系統(tǒng)選用813D彩色攝像機(jī)與8mm自動(dòng)光圈鏡頭，鏡頭規(guī)格為1/3”，光闌指數(shù)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(cè)識(shí)別和定位子系統(tǒng)
棉田視頻信息通過(guò)圖像采集卡輸入DSP后通過(guò)圖像處理軟件對(duì)棉苗進(jìn)行識(shí)別定位。對(duì)棉苗識(shí)別的準(zhǔn)確度與效率將直接影響到裝備對(duì)地膜切破的精確度和工作效率。
4.1 棉苗檢測(cè)識(shí)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(shè)置模塊
該模塊利用采集卡提供的二次開(kāi)發(fā)庫(kù)對(duì)采集卡視頻輸入的制式、亮度、對(duì)比度、通道進(jìn)行初始化設(shè)置。根據(jù)算法需要的時(shí)間來(lái)選擇視頻輸入制式。
(2) 圖像獲取模塊
在采集卡參數(shù)設(shè)置后對(duì)輸入的視頻進(jìn)行單幀圖像數(shù)據(jù)獲取，CG300圖像采集卡可以軟件設(shè)置單幀圖像對(duì)應(yīng)的真實(shí)場(chǎng)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(zhǔn)確的從圖像土壤背景中分離出棉苗，分割算法必須簡(jiǎn)單高效，同時(shí)需要考慮實(shí)際情況下光照與雜草的影響。國(guó)內(nèi)外的研究成果表明，進(jìn)行綠色植物與土壤背景的分離時(shí)，直接利用顏色信息是簡(jiǎn)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(jìn)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(jiǎn)單算術(shù)操作來(lái)組合R、G、B分量形成相對(duì)色彩因子也可以獲得很好的分割效果。
通過(guò)對(duì)地膜覆蓋下的棉苗在不同光照下拍攝的50幅圖像進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)：在RGB空間中利用2G―R―B相對(duì)色彩因子比在色度空間中利用2r-g-b分割更為準(zhǔn)確有效，由于無(wú)須轉(zhuǎn)換至色度空間，算法簡(jiǎn)單快速，滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求。
對(duì)彩色圖像實(shí)現(xiàn)圖像分割后，二值圖像中會(huì)出現(xiàn)一些離散無(wú)規(guī)律的噪聲，經(jīng)分析其產(chǎn)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(guò)圖像腐蝕的辦法降低干擾。
(4) 特征提取模塊
系統(tǒng)對(duì)分割后的圖像提取出重心 和矩L兩個(gè)特征參數(shù)，通過(guò)對(duì)矩參數(shù)L乘以系數(shù)k進(jìn)行修正可以得到覆蓋圖像中目標(biāo)的最小外接圓半徑R。
(5) 圖像識(shí)別模塊
圖像識(shí)別模塊根據(jù)圖像分割和提取的目標(biāo)特征進(jìn)行圖像識(shí)別。由于系統(tǒng)只需檢測(cè)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(jìn)行判斷，具體方法是計(jì)算圖像某一區(qū)域A中黑色目標(biāo)點(diǎn)占區(qū)域總點(diǎn)數(shù)的百分比P，若P大于P0則有棉苗存在，P0的值可以通過(guò)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)得到。
(6) 攝像機(jī)標(biāo)定模塊
要實(shí)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(shí)世界信息。空間物體表面某點(diǎn)的三維幾何位置與其在圖像中對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的相互關(guān)系由攝像機(jī)成像的幾何模型決定，構(gòu)成這一幾何模型的參數(shù)就是攝像機(jī)參數(shù)，確定這些參數(shù)的過(guò)程就是攝像機(jī)標(biāo)定。系統(tǒng)將攝像機(jī)離棉田的高度固定，并認(rèn)為其鏡頭中心線與棉田垂直。由于機(jī)車(chē)在行駛過(guò)程中，所以將棉苗的位置信息以相對(duì)坐標(biāo)系表示，即將世界坐標(biāo)系（表示棉苗真實(shí)位置的坐標(biāo)系）與攝像機(jī)坐標(biāo)系重合，世界坐標(biāo)系原點(diǎn)為鏡頭中心在地面上的投影點(diǎn)。
(7) 真實(shí)場(chǎng)景恢復(fù)模塊
當(dāng)圖像識(shí)別模塊判斷出圖像中包含棉苗目標(biāo)后，該模塊恢復(fù)棉苗在世界坐標(biāo)系中的特征信息。
4.2 棉苗檢測(cè)識(shí)別定位子系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)時(shí)采用4個(gè)攝像機(jī)同時(shí)處理4行棉苗，調(diào)整攝像鏡頭離棉田高度H使每幀圖像對(duì)應(yīng)的棉田面積為a*b平方厘米，機(jī)車(chē)以1m/s的速度牽引裝備作業(yè)，攝像機(jī)設(shè)置為PAL制式，每幀圖像的大小設(shè)置為w*h像素，DSP單元每秒并行處理各路攝像機(jī)輸入的25幀圖像。試驗(yàn)田中棉苗的株距為8~12cm，行距為25~30cm。
分析可知攝像機(jī)每拍一幀圖像時(shí)裝備前進(jìn)4cm，當(dāng)棉苗株距大于4cm時(shí)攝像機(jī)不會(huì)遺漏棉苗圖像幀。分別調(diào)整高度H以及攝像機(jī)的輸入、輸出窗口大小，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。
從表1中可以看出，在高度H設(shè)為30cm時(shí)，通過(guò)調(diào)整攝像機(jī)輸入窗口既不會(huì)遺漏棉苗圖像幀，每幀圖像也不會(huì)出現(xiàn)兩株棉苗。同時(shí)通過(guò)調(diào)整攝像機(jī)輸出窗口使h減少為300像素后每幀圖像處理的平均時(shí)間約為26ms，準(zhǔn)確率為98.2％，達(dá)到系統(tǒng)單幀處理時(shí)限及誤判率要求。
表1 攝像機(jī)距地面高度為30時(shí)有關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
5 切破刀具控制子系統(tǒng)
5.1 切破刀具控制相關(guān)問(wèn)題
(1) 切割時(shí)間的控制
裝備的攝像機(jī)鏡頭中心距切割刀具之間距離為s cm，檢測(cè)系統(tǒng)識(shí)別定位棉苗平均需要t*秒，假定牽引裝備的機(jī)車(chē)行進(jìn)的平均速度為v m/s，則t時(shí)刻攝取某株棉苗后，滯后s/v-t*秒對(duì)該株棉苗上方的地膜進(jìn)行切割。由于機(jī)車(chē)瞬時(shí)速度的變化會(huì)給切割時(shí)間造成影響，裝備在s/v-t*-△t時(shí)刻通過(guò)傳感器檢測(cè)機(jī)車(chē)行進(jìn)的瞬時(shí)加速度a，依據(jù)加速度確定實(shí)際切割時(shí)間。其中△t的選擇不能過(guò)大或過(guò)小。
(2) 刀具編號(hào)的確定
棉苗嚴(yán)格的講不會(huì)在一條直線上，以及裝備行進(jìn)中的左右搖擺都決定一把刀具完成對(duì)地膜切割的困難。對(duì)每行棉苗設(shè)置一組共5把刀具，依次編號(hào)為1、2、3、4、5，刀具之間間距設(shè)置為2cm。控制單元根據(jù)棉苗的位置與搖擺量確定刀具編號(hào)。
(3) 控制單元的結(jié)構(gòu)
據(jù)上述控制策略分析可知，控制單元的輸入量為棉苗的坐標(biāo)、裝備瞬時(shí)加速度a、裝備行進(jìn)中的左右搖擺量l，輸出為切割的時(shí)間與切割的刀具編號(hào)。切割刀具編號(hào)的選擇由棉苗坐標(biāo)與左右搖擺量確定，切割時(shí)間由一確定時(shí)間和裝備瞬時(shí)加速度a的影響來(lái)確定。控制單元總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 控制單元總體結(jié)構(gòu)
5.2 控制單元仿真結(jié)果
對(duì)控制單元的研究過(guò)程中，利用Matlab的模糊控制工具箱設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)模糊控制器，并利用Simulink構(gòu)建結(jié)構(gòu)圖對(duì)控制單元進(jìn)行仿真。計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果表明模糊控制器設(shè)計(jì)合理，滿足控制單元的要求。較好地解決機(jī)車(chē)非勻速與裝備行進(jìn)中的左右搖擺給控制系統(tǒng)帶來(lái)的影響，從而使得裝備能夠準(zhǔn)確地控制切割時(shí)間與切割刀具的正確選擇。
6 結(jié)語(yǔ)
本文利用機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)、識(shí)別和定位棉田地膜下面的幼小棉苗，所識(shí)別和確定的棉苗及棉苗位置信息傳輸?shù)降啬で衅蒲b備的控制單元，在控制單元的控制下完成對(duì)棉苗上方地膜的自動(dòng)切割。并對(duì)地膜下方棉苗準(zhǔn)確的檢測(cè)、識(shí)別和定位方法和基于模糊推理的控制單元進(jìn)行討論，實(shí)驗(yàn)表明棉苗的檢測(cè)、識(shí)別準(zhǔn)確率在98%以上，對(duì)每株棉苗的檢測(cè)、識(shí)別和定位需要約30ms。計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果表明裝備能夠準(zhǔn)確地控制切割時(shí)間與正確地選擇切割刀具。
我國(guó)在使用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)解決精細(xì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面與國(guó)外相比有較大差距。筆者在這方面的研究旨在將高新技術(shù)用于我國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，為這個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國(guó)服務(wù)。
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)