王　偉，張　剛，劉九慶，褚凌慧，郭志越

(東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱　150040)

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農(nóng)業(yè)信息采集機(jī)器人設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

王偉，張剛，劉九慶，褚凌慧，郭志越

(東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱150040)

摘要：隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的不斷發(fā)展，人們對(duì)于精細(xì)農(nóng)田各方面的要求也達(dá)到了新的高度，需要將自動(dòng)化、智能化的設(shè)備應(yīng)用于農(nóng)業(yè)信息采集中。為此，提出一款新型的農(nóng)業(yè)信息采集機(jī)器人，主要在農(nóng)業(yè)信息采集機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)圖像采集、溫濕度檢測(cè)及圖像處理進(jìn)行了試驗(yàn)分析與驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明：該機(jī)器人可通過自行走的方式來精準(zhǔn)探測(cè)農(nóng)田的溫濕度，并根據(jù)獲取的圖像了解作物的生長狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)了在減少人力消耗、提高效率的前提下，仍得到可靠的數(shù)據(jù)與圖像，為更好的管理農(nóng)田作業(yè)提供了可靠依據(jù)。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機(jī)器人；信息采集；溫濕度檢測(cè)；圖像處理

0引言

在農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究方面，國外起步相對(duì)較早。美國的迪爾公司 T·D·皮克特發(fā)明了用于土壤測(cè)試的機(jī)器人車輛[1]。伊利諾伊大學(xué)開發(fā)的四足螞蟻機(jī)器人群(Agant)，用于田間巡視，并通過無線藍(lán)牙技術(shù)傳遞信息。英國Silsoe研究所研制的蘑菇采摘機(jī)器人[2]，能判斷哪些是可摘的蘑菇及屬于哪個(gè)等級(jí)，并能高速地進(jìn)行采摘。丹麥奧爾堡大學(xué)的API自主農(nóng)業(yè)機(jī)器人[3]用于采集作物信息，通過對(duì)采集信息的分析來決定農(nóng)藥、化肥和水的施用量，以及對(duì)農(nóng)田各植株和地塊的管理。

國內(nèi)大多采用定點(diǎn)架設(shè)傳感器、便攜式手持傳感器或?qū)鞲衅餮b載在拖拉機(jī)等大型農(nóng)業(yè)設(shè)備上的方法，或者是用人力資源進(jìn)行農(nóng)業(yè)信息的采集，通過在固定的時(shí)間段對(duì)農(nóng)田進(jìn)行信息采集，并將采集到的信息回復(fù)給中央控制平臺(tái)。國內(nèi)對(duì)于農(nóng)業(yè)信息采集機(jī)器人的研究還處于理論與試驗(yàn)階段，目前只有南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的胡娜等人進(jìn)行了農(nóng)田信息采集機(jī)器人方面的研究[4]，為我國農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)的研究奠定了一定的理論基礎(chǔ)。

雖然機(jī)器人在農(nóng)田作業(yè)方面已經(jīng)有了很多智能化、自動(dòng)化的應(yīng)用，但在滿足精細(xì)農(nóng)田信息數(shù)據(jù)獲取的問題中，這些設(shè)備仍是比較片面的，存在很多人力所不能直觀解決的全方位問題。為此，本文研究一種新型的農(nóng)業(yè)信息采集機(jī)器人，使其通過攝像和各種傳感設(shè)備等將采集的信息及時(shí)反饋，并可通過檢測(cè)到的農(nóng)作物長勢(shì)的情況來判斷作物的成熟度等方面的信息，可全方位地完成農(nóng)田信息采集的任務(wù)。

1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)信息采集機(jī)器人主要是通過車體上搭載各種傳感器及攝像設(shè)備，利用控制系統(tǒng)來操控車體的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)時(shí)監(jiān)控農(nóng)田植被信息及環(huán)境狀況，如圖1所示?？傮w說來，農(nóng)業(yè)信息采集機(jī)器人的主要核心部分為圖像采集模塊和傳感系統(tǒng)兩大模塊。

圖1　機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)

2農(nóng)田信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1　溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)

傳感模塊是機(jī)器人信息實(shí)時(shí)反饋的重要核心。對(duì)于溫室及農(nóng)田來說，溫濕度傳感設(shè)備在農(nóng)田信息反饋中起到重要作用。為了檢測(cè)更為精準(zhǔn)，本研究采用溫濕度檢測(cè)傳感器DHT11檢測(cè)智能大棚溫度、濕度。如圖2所示，該傳感器的濕度測(cè)量范圍：20%~95%(0°~50°范圍)；誤差：±5%；溫度測(cè)量范圍：0°~50°；溫度測(cè)量誤差：±2°，足以滿足智能溫室大棚的溫、濕度測(cè)量要求。

圖2　溫濕度傳感器

2.2　作物圖像采集模塊

該模塊主要是通過攝像機(jī)采集作物生長信息，并對(duì)所采集的信息進(jìn)行處理。為了能夠讓信息采集機(jī)器人有更寬闊的視覺范圍 ，在本課題中采用將攝像頭安裝在云臺(tái)上，通過云臺(tái)的360°旋轉(zhuǎn)來無死角地觀測(cè)農(nóng)田作物。在綜合考慮了可靠性、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性之后，視頻采集CCD攝像頭選用HD720P高清攝像頭,如圖3所示。該攝像頭即插即用免驅(qū)，支持實(shí)地視頻拍攝：1 280X720(默認(rèn))，拍照像素尺寸為1 200萬像素(軟件增強(qiáng))，適應(yīng)接口USB2.0，顯示幀率：最快60幀/s，成像距離7cm(支持微距)；并內(nèi)置降噪功能的智能數(shù)字麥克風(fēng)，可完成對(duì)智能大棚作物生長情況拍照、錄像任務(wù)。

圖3　CCD攝像頭

3試驗(yàn)研究

為驗(yàn)證本試驗(yàn)所設(shè)計(jì)機(jī)器人的適用性，將機(jī)器人小車應(yīng)用在農(nóng)田環(huán)境下進(jìn)行實(shí)地的行走，來檢測(cè)該機(jī)器人能否適應(yīng)復(fù)雜的地形。對(duì)于溫濕度信息采集及后續(xù)的圖像處理試驗(yàn)，本研究進(jìn)行了重點(diǎn)試驗(yàn)：①將可實(shí)地行走的機(jī)器人放置大棚中，對(duì)溫室內(nèi)不同地點(diǎn)、不同時(shí)間的溫濕度進(jìn)行測(cè)量，以檢測(cè)機(jī)器人的傳感性能；②在作物圖像采集方面，通過高清攝像設(shè)備對(duì)農(nóng)田機(jī)器人采集的圖像進(jìn)行邊緣處理，比較在不同噪聲方差下邊緣處理圖像的效果，從而選用合適的邊緣處理算法來準(zhǔn)確地觀察作物的大小及長勢(shì)狀況。

3.1　溫濕度檢測(cè)性能試驗(yàn)研究

首先，從大棚入口一側(cè)開始到窗面的直線范圍內(nèi)，選取10個(gè)測(cè)量點(diǎn)(見圖4)，將農(nóng)業(yè)信息采集機(jī)器人測(cè)得的數(shù)據(jù)傳送給接收點(diǎn)，測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

圖4　溫室大棚環(huán)境模擬

測(cè)試點(diǎn)溫度/℃9:0012:0015:00濕度/%RH9:0012:0015:00129.333.831.250.131.156.7229.533.931.550.532.057.2330.034.032.051.832.156.9430.133.931.952.532.357.5530.834.032.453.132.957.9630.734.233.349.533.058.1730.434.932.946.732.557.4830.534.631.948.331.756.3929.934.831.348.831.457.21029.734.930.851.831.257.0

室外溫度的變化必會(huì)使大棚內(nèi)的溫度隨之進(jìn)行改變。從圖5中可以看到：從起止點(diǎn)兩端起，隨著距離中心點(diǎn)的增大溫度呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，在大棚中間部位可達(dá)到最高溫度；隨著時(shí)間的變化，在中午近12：00范圍內(nèi)，溫度可達(dá)到峰值狀態(tài)。

從濕度變化曲線圖6可看出：在溫度較高的12:00時(shí)，大棚內(nèi)的濕度較低；而9：00和15:00時(shí)刻的濕度會(huì)較高。這是因?yàn)榇笈飪?nèi)早上和下午會(huì)對(duì)大棚進(jìn)行澆灌，且中午溫度較高，大棚會(huì)打開排風(fēng)扇降溫，因此導(dǎo)致大棚內(nèi)濕度較低。因植物在強(qiáng)烈的陽光照射時(shí)，葉片上的氣孔會(huì)關(guān)閉，導(dǎo)致光合作用降低，因此在光照強(qiáng)烈的12:00時(shí)的光合作用反而沒有在9:00和15:00時(shí)高。因此,適當(dāng)?shù)慕档完柟獾恼丈?，增加大棚?nèi)濕度，可使植物更好的進(jìn)行光合作用。

試驗(yàn)結(jié)果表明：該試驗(yàn)機(jī)器人采集的信息數(shù)據(jù)可達(dá)到精度要求，符合農(nóng)業(yè)大棚信息多點(diǎn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的要求，具有操作簡便、抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，可對(duì)溫室大棚作物信息進(jìn)行可靠、穩(wěn)定地監(jiān)測(cè)。

圖5　溫度變化曲線

圖6　濕度變化曲線

3.2　圖像邊緣檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究

本研究所選用視頻采集CCD高清攝像頭HD720P，內(nèi)置降噪功能的智能數(shù)字麥克風(fēng)。利用邊緣檢測(cè)算法，對(duì)農(nóng)業(yè)信息采集機(jī)器人攝像頭提取的西紅柿圖像進(jìn)行處理，以了解西紅柿生長狀況，如大小、數(shù)量等。

試驗(yàn)中采用的是256像素×256像素，大小為9.03cm×9.03cm西紅柿圖片，如圖7所示。

圖7　西紅柿邊緣檢測(cè)原圖

對(duì)圖7進(jìn)行邊緣檢測(cè)處理，處理圖如圖8所示。

(a)　sobel算法

(b)　LOG算法

通過對(duì)上述處理圖像進(jìn)行比較后，可以看出LOG算法所得出的圖像輪廓更加的清楚詳細(xì)，能夠?qū)εc葉片重疊部分進(jìn)行較好地邊緣輪廓提取，但是也會(huì)受到葉片干擾。因此，在后續(xù)的圖像處理當(dāng)中，選取LOG算法對(duì)農(nóng)業(yè)信息采集機(jī)器人采集回來的圖像進(jìn)行邊緣處理。

4結(jié)論

本文主要介紹了農(nóng)業(yè)信息采集機(jī)器人控制系統(tǒng)、圖象采集系統(tǒng)模塊、溫濕度傳感模塊，對(duì)信息采集機(jī)器人信息采集功能進(jìn)行了試驗(yàn)，并對(duì)攝像頭采集回來的圖像進(jìn)行了邊緣檢測(cè)試驗(yàn)。試驗(yàn)表明：機(jī)器人具備較好的溫、濕度檢測(cè)性能，能夠快速、精準(zhǔn)地完成農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的溫濕度采集，直觀地看出大棚內(nèi)溫度的變化；農(nóng)業(yè)信息采集機(jī)器人能夠通過攝像頭對(duì)農(nóng)作物生長狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，且能夠通過對(duì)攝像頭采集回來的圖像進(jìn)行邊緣處理，了解大棚內(nèi)西紅柿生長狀態(tài)和數(shù)量等信息。

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Design and Testing of Agricultural Information Collection Robot

Wang Wei, Zhang Gang, Liu Jiuqing， Chu Linghui， Guo Zhiyue

(Mechanical and Electrical Engineering,Northeast Forestry University,Harbin 150040,China)

Abstract：With the continuous development of agricultural modernization，people of all aspects of the requirements for fine farmland has reached a new height.For these factors,contemplate automation,intelligent information acquisition device used in agriculture.This study proposeed a new type of agricultural information collection robot,on the basis of the overall structure of the agricultural information collection on robot design,its visual acquisition、sensor detection and image processing was tested analysis and verification.The experimental results show that the robot can detect the temperature and humidity of the farmland by way of self-propelled and access to the growth of crops according to the image. To achieve a reduction in human consumption and improve the efficiency of the premise, still obtain reliable data and images, in order to better manage agricultural operations provide a reliable basis.

Key words：agricultural robot; information collection; vision system; image processing

中圖分類號(hào)：S24;TP242.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)09-0206-04

作者簡介：王偉(1976-)，男，黑龍江綏棱人，副教授，(E-mail)2259032796@qq.com。通訊作者：劉九慶(1971-)，男，遼寧葫蘆島人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)nefujdljq@163.com。

基金項(xiàng)目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(25722015CB08)

收稿日期：2015-08-30