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1、基于机器视觉的室内农药自动精确喷雾系统作者：葛玉峰 周宏平 郑加强 张慧春 论文关键词:精确林业农药喷雾技术机器视觉 论文摘要：建立了基于机器视觉的室内农药自动精确喷雾系统,对信号采集、图像处理、施药决策、数据交换等主要问题作了较深入的研究,提出了基于相对色彩因子的树木图像分割算法,和传统方法相比,在不影响分割效果的同时大大提高了图像分割的实时性。测试表明该系统运行良好,有很好的户外应用前景。 引言 当前我国森林病虫害严重制约了造林绿化和生态环境建设,但病虫害防治效率却是相当低下:施药技术落后,不管
2、有无施药目标都采用均匀恒速的施药方法,而没有考虑到林木的栽植密度、株距及树冠形态等个体差别;施药器械落后,无论是施药器械的药液混合装置、动力装置还是喷雾装置,其机械化、自动化、精确化程度都相当低。 落后的防治手段使农药的利用率低,花费大;农药残留、农药雾滴飘移加重了环境和生态问题;直接和频繁接触农药危及到操作者的人身安全。 精确林业技术提供了解决办法,即在林业生产过程中运用视觉传感器、卫星定位等高新技术,在作业过程中实时测知工作对象所需工作的质、量和时机等时空数据,以求获得最好的施药效果和最小的环境代价
3、,从而节约资源,保护环境。从文献[1~5]可以看出,虽然目前已经有一些学者开展了机器视觉的精确施药方法研究,但其研究对象主要为田间作物如棉花、杂草等,还很少有人研究用于林木病虫害防治的精确施药系统,因此开展针对林木病虫害防治的精确施药系统的研究很有必要。 1室内农药自动精确喷雾系统设计 1.1设计要求 根据研究目标要求,本系统需要完成以下功能:模拟施药过程中施药器械和施药目标之间的相对运动;利用机器视觉技术采集实时树木图像,通过图像处理完成目标树木的分割和识别;以图像处理结果为依据进行施药决策;上位机
4、PC和下位机单片机进行数据交换,将决策结果转化为喷雾指令,并控制喷雾执行系统实现自动精确喷雾。 1.2系统硬件组成6 室内农药自动精确喷雾系统的硬件主要包括:运动模拟试验台、彩色CCD摄像头、真彩色图像采集卡、PC机(上位机)、单片机芯片组(下位机)、智能喷雾台(包括若干智能喷头和安装喷头的喷雾台架、压力喷雾系统)及若干接口电路(如RS232/TTL电平转换、功率放大和光电耦合电路等),共分为运动模拟装置、图像采集(机器视觉)装置、自动精确施药装置等3部分。 1.2.1运动模拟装置 设计的传输带式模
5、拟运动试验台用于模拟施药过程中施药器械和施药目标之间的相对运动,同时便于机器视觉系统采集到连续目标的运动图像。根据树木自相似原理,在传输带上安装了树叶以模拟实际树木。工作台的启动、调速由西门子矢量型变频调速器6SE3214控制电动机来完成。图1中电动机1通过联轴器2带动主动轴3转动,从而带动传输带7运动,这样目标8就跟着传输带7连续地运动起来。通过调节张紧装置4可以调整传输带7的张紧状态,以使其运行平稳。 根据实际施药工作情况,以及实时图像采集处理要求,传输带的速度以2~3m/s为佳。选用的电动机的转
6、速为1440r/min,由带轮直径d=0.12m得到传输带的速度达到10m/s。 1.2.2图像采集(机器视觉)装置图像采集装置由CCD摄像头、图像采集卡、PC机组成。CCD摄像头为PanasonicWV-CP450ColorCCTVCamera,配套镜头为PanasonicAutoIrisLensLA9C3AE。摄像头连同三脚架放置在距传输带1.12m处,镜头与树叶同高,其基线与传输带运动方向垂直。图像采集卡型号为MiroVIDEODC30Plus,支持彩色图像采集,最大分辨率为712×534像素。采集
7、卡插在PC的PCI插槽上,卡上的视频复合端子接收CCD摄像头采集到的模拟视频信号,并将信号数字化,供系统后续使用。当传输带带动树叶转动时,配合开发的软件,机器视觉装置便可采集到连续的树叶运动图像。 1.2.3自动精确施药装置 自动精确施药装置由单片机、喷雾台架、喷头系统等组成。将若干个喷头布置在喷雾架横梁上,以此来测试图像处理和喷雾决策结果的正误。每个喷头由一个二位二通电磁阀来控制其开闭。电磁阀的控制信号由单片机的I/O端口提供。电磁阀工作电压为220V,单片机发出的控制指令为5V,因此在电磁阀和下位机
8、之间接中间继电器,喷头连同电磁阀和继电器一同安装在盒子上。图2为喷头控制原理图。 1.3系统软件组成6 开发了两套软件系统:一套用VC开发,是基于Windows平台的应用程序,用于控制硬件实现目标图像采集、图像分割、智能决策、信息发送等功能;另一套由汇编语言编写,运行于单片机上,实现信息接收、喷雾指令发送功能。 1.3.1图像采集 利用Microsoft公司提供的VFW(VideoForWindows
