張 波，翟長遠(yuǎn)，蔡吉晨，楊 碩，王 秀

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097；3.國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100097；4.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100097；5.農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100097)

噴桿式施藥機(jī)對行噴霧控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

張 波1,2，翟長遠(yuǎn)1,2，蔡吉晨2,5，楊 碩1,2，王 秀2,3,4

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097；3.國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100097；4.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100097；5.農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100097)

針對現(xiàn)有大田噴桿式施藥機(jī)噴霧過程中噴頭無法精準(zhǔn)對行噴施造成農(nóng)藥浪費(fèi)的問題，基于機(jī)器視覺技術(shù)設(shè)計(jì)了噴桿式施藥機(jī)對行噴霧控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括作物行中心線位置提取上位機(jī)軟件和電動(dòng)噴桿控制系統(tǒng)，利用工業(yè)相機(jī)獲取作物行RGB圖像，采用G-R>T&G-B>T算法及形態(tài)學(xué)處理實(shí)現(xiàn)作物行分割，基于改進(jìn)的垂直投影法獲取作物行中心線，利用坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)將作物行中心線位置信息轉(zhuǎn)化為噴桿橫向偏移量，并經(jīng)RS232串口傳輸至ATMega16控制器，控制推桿電機(jī)帶動(dòng)噴桿在滑軌上左右移動(dòng)，借助位移傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測噴桿移動(dòng)距離，以實(shí)現(xiàn)作物行追蹤和對行噴霧控制。實(shí)驗(yàn)室和田間試驗(yàn)表明:改進(jìn)的作物行中心線提取算法平均耗時(shí)12.51ms，噴桿橫向偏移量計(jì)算誤差小于0.44cm；電動(dòng)噴桿右移最大誤差0.3cm，左移最大誤差0.5cm；小車速度為0.26m/s時(shí)，對傾角為5°、10°、15°模擬作物行的最大對行誤差分別為3.22、2.86、2.51cm；小車速度為0.24m/s，最大偏移14.02cm時(shí)，對田間玉米幼苗的對行噴霧最大誤差為4.86cm，為實(shí)現(xiàn)作物行追蹤和對行噴霧控制提供了一種有效的解決方案。

噴桿式噴霧機(jī)；對行噴霧；機(jī)器視覺；中心線提?。幌鄼C(jī)標(biāo)定

0 引言

農(nóng)藥的使用是防治病蟲草害、提高糧食產(chǎn)量的重要手段，而噴桿式噴霧已成為大田施藥作業(yè)的主要方式[1-3]。作物封田后普遍采用寬角度噴頭對大田進(jìn)行全覆蓋噴霧，針對厚冠層作物增加風(fēng)幕系統(tǒng)輔助以穿透作物冠層[4-6]，降低了藥液飄移，提高了農(nóng)藥利用率。但幼苗期寬行距作物，采用全覆蓋式噴霧大量藥液會噴施到行間土壤中，造成巨大農(nóng)藥浪費(fèi)和環(huán)境污染，如果根據(jù)行距手動(dòng)安裝低流量噴頭則無法保證作物位于噴霧范圍之內(nèi)。

針對目前噴霧機(jī)靶標(biāo)外噴施問題，學(xué)者通過增加對靶控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)噴霧以降低田間靶標(biāo)外藥液沉積。劉雪美等設(shè)計(jì)了噴桿噴霧精確對靶施藥系統(tǒng)，通過沿噴桿方向安裝超聲波測距傳感器探測有效靶標(biāo)，控制電磁閥開關(guān)進(jìn)行精確對靶施藥，有效節(jié)省藥液30%左右[7]；宋淑然等將類似的控制系統(tǒng)應(yīng)用于果園對靶噴霧中以提高靶標(biāo)上霧滴沉積率[8]。但這些控制系統(tǒng)只通過電磁閥開閉控制噴霧時(shí)間，沒有追蹤噴霧對象。大田寬行距作物實(shí)施精準(zhǔn)對靶噴霧還需要實(shí)時(shí)調(diào)控噴桿的位置以追蹤作物行對象，實(shí)現(xiàn)對行噴霧作業(yè)。

近年來，國外內(nèi)研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)利用機(jī)器視覺技術(shù)對早期幼苗作物實(shí)施對行噴霧作業(yè)可有效提高農(nóng)藥使用率，減少環(huán)境污染。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)張漫等研究了GPS與視覺導(dǎo)航相結(jié)合的多傳感器組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)，并將粒子群、遺傳等算法用于導(dǎo)航基準(zhǔn)線提取，取得了良好的效果[9-13]；Hossein Behfar等利用灰度直方圖和Hough直線檢測實(shí)現(xiàn)對作物行中心線的提取[14]；N.D.Tillett等與農(nóng)機(jī)公司Ganford合作設(shè)計(jì)了基于機(jī)器視覺的對行控制系統(tǒng)，通過提取作物行中心線控制液壓回路移動(dòng)作業(yè)機(jī)具實(shí)現(xiàn)除草、噴霧作業(yè)等，具有較高的準(zhǔn)確性[15]；Bjorn Astrand等為農(nóng)田作業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)了對行控制系統(tǒng)，利用Hough變換識別作物行，并將該系統(tǒng)應(yīng)用于除草機(jī)械與作業(yè)機(jī)器人上，證明該系統(tǒng)能適用于不同寬度作物[16]。目前，國內(nèi)農(nóng)場采用精量播種機(jī)進(jìn)行大田播種，苗期作物行平且行距相等，使對行窄角度精準(zhǔn)噴霧成為可能。

本文基于機(jī)器視覺技術(shù)設(shè)計(jì)一種噴桿式噴霧機(jī)對行噴霧控制系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)作物行實(shí)時(shí)追蹤和對行噴霧控制提供一種解決方案。

1 對行噴霧控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 電動(dòng)噴桿機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電動(dòng)噴桿機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。噴桿總長度為140cm，下方可安裝噴頭，它的伸展和收攏可以通過伸縮推桿電機(jī)進(jìn)行控制；滑塊與噴桿連接，使其可以在對行推桿電機(jī)帶動(dòng)下在滑軌上左右移動(dòng)；位移傳感器可以實(shí)時(shí)采集對行推桿電機(jī)的伸縮長度。

1.噴桿 2.滑軌 3.對行推桿電機(jī) 4.滑塊 5.位移傳感器 6.伸縮推桿電機(jī)

1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于機(jī)器視覺的噴桿式施藥機(jī)對行噴霧控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

工作時(shí)，由MV-VD030SC工業(yè)相機(jī)(維視圖像公司)采集的作物行RGB圖像經(jīng)USB傳輸至筆記本電腦，上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)計(jì)算噴桿橫向偏移量并經(jīng)RS232串口傳輸至下位機(jī)控制器(ATMega16控制板)；下位機(jī)控制器通過AQMH2403ND電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(成都愛控電子科技有限公司)控制推桿電機(jī)左右移動(dòng)，WXY15M-400-R1N位移傳感器(臺州市椒江西域電子廠)實(shí)時(shí)地將推桿電機(jī)伸縮長度反饋給下位機(jī)控制器，從而精確控制噴桿移動(dòng)位置；速度傳感器(E6B2-CWZ6C1000P相對式編碼器，歐姆龍公司)實(shí)時(shí)采集作業(yè)行駛速度，從而計(jì)算噴桿橫向偏移延時(shí)時(shí)間。工業(yè)相機(jī)采集圖像尺寸為640×480；推桿電機(jī)最大行程為30cm，最大伸縮速度為9cm/s。

系統(tǒng)程序流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)程序流程圖

系統(tǒng)開啟后，首先由相機(jī)檢測是否存在作物行，如果存在則對作物行進(jìn)行中心線提取及噴桿橫向偏移量計(jì)算，為避免頻繁啟停損壞直流推桿電機(jī)，對計(jì)算得出的噴桿橫移量進(jìn)行一次條件判斷，如果滿足當(dāng)前計(jì)算偏移量大于之前傳輸偏移量+0.5cm或小于之前傳輸偏移量-0.5cm則滿足傳輸條件；偏移量經(jīng)RS232串口傳輸至下位機(jī)，進(jìn)入偏移延時(shí)控制算法，當(dāng)延時(shí)到達(dá)時(shí)取出偏移量，將偏移量接收標(biāo)志位Flag置1；在Flag置1的情況下判斷對行推桿電機(jī)當(dāng)前位置，如果當(dāng)前位置小于目標(biāo)位置，則將右移標(biāo)志位rFlag置1，偏移量接收標(biāo)志位Flag=0，噴桿開始右移；如果當(dāng)前位置大于目標(biāo)位置，則將左移標(biāo)志位lFlag置1，偏移量接收標(biāo)志位Flag=0，噴桿開始左移。這樣既不會進(jìn)行重復(fù)判斷，也可以在有新的偏移量傳輸時(shí)立即開始新的橫移判斷。位移傳感器對推桿電機(jī)的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，當(dāng)推桿電機(jī)實(shí)際位置與目標(biāo)位置相等時(shí)，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)板使推桿電機(jī)剎車。

上位機(jī)軟件界面如圖4所示。利用MFC與Opencv相結(jié)合進(jìn)行界面設(shè)計(jì)和算法實(shí)現(xiàn)，開發(fā)環(huán)境為Visual Studio 2012，操作系統(tǒng)為Windows7。上位機(jī)軟件使用過程如下：首先設(shè)置相機(jī)內(nèi)外參數(shù)，然后點(diǎn)擊“打開”相機(jī)，左側(cè)顯示RGB圖像，根據(jù)作物行位置設(shè)置ROI左邊界和右邊界值；右側(cè)顯示二值化的分割圖像，根據(jù)實(shí)際作業(yè)時(shí)的光照條件，修改分割閾值達(dá)到最佳分割效果。以上設(shè)置完成后選擇并打開下位機(jī)串口，點(diǎn)擊“處理”，左側(cè)顯示原RGB圖像，右側(cè)顯示作物行中心線提取結(jié)果，同時(shí)計(jì)算噴桿橫向偏移量，并通過RS232串口進(jìn)行發(fā)送。

圖4 上位機(jī)軟件界面

2 作物行中心線提取

用于進(jìn)行作物行中心線提取算法試驗(yàn)的圖像取自國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心試驗(yàn)田，如圖5所示。

2.1 圖像預(yù)處理方法

由相機(jī)直接獲取的作物圖像背景較復(fù)雜，主要包括土壤、雜草和枯枝等，圖像預(yù)處理的目的是將作物行和背景進(jìn)行分割。針對綠色作物，常用的圖像預(yù)處理方法有以下兩種[25-30]：

1)基于超綠特征法(2G-R-B)的圖像預(yù)處理方法。首先采用超綠特征法對獲取的作物圖像進(jìn)行灰度化，其算法為

(1)

其中，GRAY為圖像某點(diǎn)灰度值；r、g、b分別為該點(diǎn)紅色、綠色和藍(lán)色分量。然后，利用最大類間方差法自動(dòng)獲取最佳分割閾值實(shí)現(xiàn)圖像二值化處理，最后利用形態(tài)學(xué)處理方法去除細(xì)小對象物以及孔洞填充，分割效果如圖6(a)、(b)所示。

2)基于G-R>T&G-B>T算法的圖像預(yù)處理方法。首先采用如下方法對圖像直接進(jìn)行二值化處理，有

(2)

其中，T為分割閾值，然后利用形態(tài)學(xué)處理對二值圖像進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，分割效果如圖6(c)、(d)所示。

(a) 小麥田 (b) 玉米田

(a) 小麥行預(yù)處理(方法1) (b) 玉米行預(yù)處理(方法1)

(c) 小麥行預(yù)處理(方法2) (d) 玉米行預(yù)處理(方法2)

由圖6可以看出：兩種圖像預(yù)處理方法均達(dá)到很好的分割效果，但在CPU主頻2.4 GHz，內(nèi)存4 G電腦上運(yùn)行結(jié)果顯示，方法1平均耗時(shí)31.96ms，方法2平均耗時(shí)12.06ms，同時(shí)方法2中分割閾值T可根據(jù)不同光照條件進(jìn)行調(diào)節(jié)，方法2具有更好的實(shí)時(shí)性以及對復(fù)雜作業(yè)環(huán)境的適應(yīng)性。因此，本文中圖像預(yù)處理方法選擇方法2，分割閾值T選擇范圍-10～10，默認(rèn)值為0。

2.2 中心線提取算法

以上圖像預(yù)處理對作物行和背景進(jìn)行了很好的分割，但噴桿橫向偏移量提取還需要在其基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對作物中心線的提取。許多學(xué)者針對作物行中心線提取進(jìn)行了研究，其過程可大致概括為首先對作物行進(jìn)行特征點(diǎn)提取，然后利用Hough直線檢測或最小二乘法擬合作物行中心線[25-33]。

對作物行特征點(diǎn)提取方法有：垂直投影法、邊緣檢測法和骨架提取法等，如刁智華等采用骨架提取算法對作物行進(jìn)行細(xì)化處理，然后采用Hough變換進(jìn)行直線檢測，實(shí)現(xiàn)多行作物的中心線提取[19]，但該算法對一副圖像的處理時(shí)間較長，使系統(tǒng)出現(xiàn)較大滯后性。另外，該方法在對類似如圖5(b)葉子散開，單株間隙較大的作物細(xì)化之后直線檢測效果不理想。曹倩等通過逐行掃描判斷作物行邊界并求取中心點(diǎn)的方法提取作物行若干特征點(diǎn)，利用Hough變換進(jìn)行直線檢測，同樣實(shí)現(xiàn)對多行作物中心線提取[32]，并且具有較快的處理速度；但該方法同樣在針對單株間隙較大的作物時(shí)利用邊界點(diǎn)求取的中心線準(zhǔn)確性不高，進(jìn)而使中心線提取效果較差，也容易受細(xì)小對象物的干擾。相比以上方法，垂直投影法在擁有較快處理速度的基礎(chǔ)上對作物行特征點(diǎn)提取具有較高的準(zhǔn)確性[30-31]，本文采用垂直投影法進(jìn)行作物行中心線檢測，并對傳統(tǒng)方法做出如下改進(jìn)：

1)感興趣區(qū)域ROI提取。在作業(yè)過程中利用相機(jī)拍攝的圖像往往是多行作物，而用于對行控制的基準(zhǔn)線僅需要一行，一般處理方法是以距圖像中心最近的中心線為基準(zhǔn)，這樣的處理方法容易在作物行距較小和相機(jī)擺動(dòng)過程中判斷出錯(cuò)。為了進(jìn)一步提高導(dǎo)航線提取處理速度和準(zhǔn)確性，本文采用首先根據(jù)行距對拍攝圖像進(jìn)行感興趣區(qū)域提取的方法，如圖7(a)、(b)所示。

2)作物行特征點(diǎn)提取。為減小運(yùn)算量，首先將圖像感興趣區(qū)域劃分為N個(gè)圖像條，N可根據(jù)作物形態(tài)進(jìn)行選擇，文本N默認(rèn)值取10。從左往右掃描，對圖像條每一列有效像素點(diǎn)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，即

(3)

其中，I(j)為第h個(gè)圖像條中第j列有效像素點(diǎn)數(shù)；H為每個(gè)圖像條行數(shù)；s(i,j)為圖像第i行第j列像素點(diǎn)灰度值。為避免細(xì)小對象物干擾，規(guī)定當(dāng)I(j)>M或j等于ROI左邊界時(shí)，為作物行左邊界，本文M取15，此時(shí)得到該圖像條內(nèi)作物行左邊界點(diǎn)P1；在獲得左邊界的基礎(chǔ)上，當(dāng)I(j)=0或j等于ROI右邊界時(shí)，得到該圖像條內(nèi)作物行右邊界點(diǎn)P2，該圖像條內(nèi)作物行中心點(diǎn)P3坐標(biāo)為

(4)

3)特征點(diǎn)直線擬合。利用Hough變換進(jìn)行作物行直線檢測時(shí)，容易出現(xiàn)一行作物多條檢測直線的情況[33]，本文利用最小二乘法進(jìn)行特征點(diǎn)直線擬合，并得出作物行中心線在圖像中的直線方程，如圖7(c)、(d)所示。

(a) 小麥行感興趣區(qū)域提取 (b) 玉米行感興趣區(qū)域提取

(c) 小麥行中心線提取 (d) 玉米行中心線提取

將改進(jìn)的垂直投影法與其他幾種常用的作物行中心線提取算法處理效果進(jìn)行比較，比較結(jié)果如表1所示。運(yùn)行計(jì)算機(jī)配置為：CPU主頻2.4 GHz，內(nèi)存4G；平均處理時(shí)間為10次處理耗時(shí)平均值，識別效果評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為提取中心線與實(shí)際作物行中心線的偏離程度，規(guī)定：好、較好、較差、差4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)分別表示提取中心線與實(shí)際中心線所成角度為0°～5°、5°～10°、10°～15°，以及大于15°。

由表1可以看出：改進(jìn)的垂直投影法較其他幾種算法提高了圖像處理時(shí)間，并在針對如圖5(b)這種單株間隙較大的作物也具有好的提取效果。

表1 不同算法處理效果對比

3 電動(dòng)噴桿橫移控制算法

3.1 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

機(jī)器視覺應(yīng)用中包括4種坐標(biāo)系：圖像坐標(biāo)系UO0V、圖像物理坐標(biāo)系XOY、相機(jī)坐標(biāo)系XcOcYc和世界坐標(biāo)系XwOwYw，如圖8所示。圖像坐標(biāo)系下任意一點(diǎn)坐標(biāo)與其在世界坐標(biāo)系下對應(yīng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系為

(5)

其中，(u,v)為圖像坐標(biāo)系下一點(diǎn)的坐標(biāo)；(Xw,Yw,Zw)為該點(diǎn)在世界坐標(biāo)系下對應(yīng)坐標(biāo)；M1為內(nèi)參數(shù)矩陣；fx和fy分別表示以X軸與Y軸方向上的像素為單位表示的等效焦距；(u0,v0)為圖像物理坐標(biāo)系原點(diǎn)坐標(biāo)；M2為外參數(shù)矩陣包括旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T。

圖8 4種坐標(biāo)系相對位置關(guān)系

相機(jī)標(biāo)定的目的是確定內(nèi)參數(shù)矩陣和外參數(shù)矩陣，本文采用張正友標(biāo)定法，利用MatLab下的Calibration工具箱實(shí)現(xiàn)對相機(jī)的標(biāo)定。通過calib_gui命令調(diào)用標(biāo)定工具箱，首先導(dǎo)入3張以上(本文采用9張)在不同角度下拍攝的棋盤標(biāo)定板照片，要包括至少一張攝像頭在實(shí)際工作位置拍攝的標(biāo)定照片，如圖9所示。通過該工具箱下的標(biāo)定函數(shù)可自動(dòng)獲取相機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣及實(shí)際工作時(shí)的外參數(shù)矩陣。

圖9 標(biāo)定圖片

實(shí)際作業(yè)過程中相機(jī)坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系選取如圖10所示[29-30]。以相機(jī)光心在地面投影為世界坐標(biāo)系的原點(diǎn)，世界坐標(biāo)系Zw軸與運(yùn)動(dòng)方向相反，Xw軸垂直于運(yùn)動(dòng)方向向里，相機(jī)坐標(biāo)系繞Xw軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)α角，再沿Yw軸負(fù)方向平移h得到世界坐標(biāo)系，由式(5)得

(6)

圖10 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

由Yw=0，可以計(jì)算圖像上任意一點(diǎn)坐標(biāo)(u,v)對應(yīng)的世界坐標(biāo)Xw和Zw

(7)

(8)

3.2 噴桿橫移延時(shí)控制算法

噴桿與作物行中心線位置關(guān)系如圖11所示。其中，lw為作物行中心線在世界坐標(biāo)系下所在的直線，已知作物行中心線在圖像坐標(biāo)系下的方程可由該直線上的任意兩點(diǎn)求出其在世界坐標(biāo)系下對應(yīng)的直線方程，直線lw與Xw軸截距λw即噴桿橫向偏移量，當(dāng)λw>0時(shí)噴桿左移，λw<0時(shí)噴桿右移。噴桿安裝在作業(yè)車輛的后面，與相機(jī)存在一定距離D，由上位機(jī)計(jì)算的橫移量需要一定延時(shí)才能控制噴桿開始移動(dòng)。設(shè)計(jì)延時(shí)控制策略如下：利用下位機(jī)控制器ATMega16產(chǎn)生定時(shí)中斷，定時(shí)時(shí)間為10ms，則延時(shí)需要的定時(shí)器中斷數(shù)計(jì)算式為

Delay_Count=(D/v)×100

(9)

其中，v為作業(yè)行駛速度。定義兩個(gè)數(shù)組Delay_Time[i]和Shift_Buffer[i]分別暫存第i個(gè)偏移量需要的延時(shí)定時(shí)器中斷數(shù)和偏移值。上位機(jī)計(jì)算的橫移量經(jīng)RS232串口傳輸至下位機(jī)ATMega16控制器，每300ms傳輸一次，下位機(jī)接收橫移量后，暫存到橫移數(shù)組Shift_Buffer[i]中，同時(shí)讓延時(shí)數(shù)組Delay_Time[i]等于需要的定時(shí)器中斷數(shù)Delay_Count，Delay_Time[i]初始值為-1。在定時(shí)中斷函數(shù)中，對數(shù)組Delay_Time[i]進(jìn)行循環(huán)減1操作，當(dāng)Delay_Time[i]<0時(shí)，使Delay_Time[i]初始化為-1，不做任何操作；當(dāng)Delay_Time [i]=0時(shí)，取出橫移數(shù)組Shift_Buffer[i]中相應(yīng)的橫移值，控制直流推桿電機(jī)開始橫移。

圖11 噴桿與作物行中心線位置關(guān)系

4 試驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 噴桿橫向偏移量計(jì)算試驗(yàn)

為驗(yàn)證噴桿橫向偏移量計(jì)算準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)噴桿橫向偏移量計(jì)算試驗(yàn)如圖12所示。

1.棋盤標(biāo)定板 2.筆記本電腦 3.綠色膠帶 4.固定支架 5.工業(yè)相機(jī)

將工業(yè)相機(jī)安裝在支架上，固定于某一高度并調(diào)整好俯仰角；利用鉛錘確定相機(jī)光心在地面上的投影得到(見圖11)Ow；將棋盤標(biāo)定板平放在相機(jī)視野內(nèi)，得到一張標(biāo)定照片，利用Matlab工具箱及先前得到的8張不同角度的標(biāo)定照片得出相機(jī)內(nèi)參數(shù)：fx=1 426.24、fy=1 424.43、u0=368.44、v0=266.95以及外參數(shù)：安裝高度h=59.39cm、俯仰角α=39.65°。將一截綠色膠帶貼在相機(jī)視野中模擬綠色作物行，打開上位機(jī)軟件提取模擬作物行中心線同時(shí)得到噴桿橫向偏移量；用直尺測量綠色膠帶中心線所在直線與Xw軸的交點(diǎn)M到相機(jī)光心投影Ow的實(shí)際距離λw，改變綠色膠帶與相機(jī)的相對位置，重復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，用該方法得出的噴桿橫向偏移量最大誤差為0.44cm。

表2 噴桿橫向偏移量計(jì)算試驗(yàn)結(jié)果

Table 1 Results of movement spray boom parameter calculation

cm

續(xù)表2 cm

4.2 電動(dòng)噴桿移動(dòng)位置測試試驗(yàn)

為驗(yàn)證電動(dòng)噴桿位移距離準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)了電動(dòng)噴桿移動(dòng)位置測試試驗(yàn)，首先將電動(dòng)噴桿平放在地面上，下位機(jī)串口與筆記本電腦相連，打開串口調(diào)試助手，手動(dòng)輸入位移字符串使推桿電機(jī)移動(dòng)到相應(yīng)位置，用直尺測量噴桿移動(dòng)距離。輸入不同橫移距離進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。從結(jié)果可以看出：右移時(shí)電動(dòng)噴桿移動(dòng)距離最大誤差0.3cm，左移時(shí)電動(dòng)噴桿移動(dòng)距離最大誤差0.5cm，電動(dòng)噴桿控制系統(tǒng)符合試驗(yàn)要求。

表3 電動(dòng)噴桿移動(dòng)位置測試試驗(yàn)結(jié)果

4.3 對行控制實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

為驗(yàn)證系統(tǒng)對作物行的追蹤控制精度，設(shè)計(jì)了對行控制實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，將電動(dòng)噴桿和相機(jī)安裝在四輪驅(qū)動(dòng)農(nóng)用試驗(yàn)小車上，噴桿中間噴頭位置和相機(jī)光心在同一直線上，如圖13所示。利用綠色膠帶模擬作物行，將一端固定有粉筆的直桿垂直固定于中間噴頭位置，直桿隨著電動(dòng)噴桿左右移動(dòng)，粉筆會在地面上畫出中心噴頭移動(dòng)軌跡即噴桿移動(dòng)軌跡。對行噴霧控制實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法如圖14所示。其中，Ds為噴桿最大移動(dòng)距離30cm；De為視場寬度80cm；L1、L2、L3為綠色膠帶模擬作物行，與豎直方向分別呈5°、10°、15°夾角。為了保證噴桿橫向偏移量小于噴桿移動(dòng)最大行程30cm，將模擬作物行L1、L2、L3長度分別設(shè)置為170、90、60cm。遙控小車沿直線lv行駛，電動(dòng)噴桿控制電路通過相對式編碼器采集小車速度，每隔5cm測量粉筆繪制軌跡與綠色膠帶實(shí)際中心線偏差，試驗(yàn)結(jié)果如圖15所示。小車平均速度為0.26m/s，對L1、L2、L3的最大橫移誤差分別為3.22、2.86、2.51cm。

1.農(nóng)用試驗(yàn)小車 2.工業(yè)相機(jī) 3.綠色膠帶 4.相對式編碼器 5.粉筆固定桿 6.電動(dòng)噴桿 7.電動(dòng)噴桿控制電路 8.筆記本電腦

圖14 對行控制實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法

圖15 對行控制實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果

4.4 對行噴霧控制田間試驗(yàn)

為驗(yàn)證系統(tǒng)在田間作業(yè)時(shí)的對行噴霧控制精度，設(shè)計(jì)了對行噴霧控制田間試驗(yàn)，試驗(yàn)地點(diǎn)為北京市小湯山國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究示范基地玉米地，追蹤對象為玉米幼苗行，單株高度約10cm，如圖16所示。選用12V直流泵搭建噴霧系統(tǒng)，調(diào)節(jié)回流量和噴頭壓力使中間噴頭形成垂直細(xì)水柱，噴桿左右移動(dòng)在泥土上會形成水跡，從而記錄噴桿移動(dòng)軌跡。遙控小車跨行呈“S”形行駛，由兩邊輪子在泥土上壓出的軌跡取中點(diǎn)求出小車中心行進(jìn)軌跡，每隔20cm分別記錄小車軌跡和水跡與作物行實(shí)際中心線的橫向偏差。試驗(yàn)結(jié)果如圖17所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示：小車平均速度0.24m/s，最大偏移14.05cm，最大對田間玉米幼苗的最大對行誤差為4.86cm。

1.12V直流電機(jī)泵 2.相機(jī)固定桿 3.回流調(diào)節(jié)閥 4.藥箱 5.玉米幼苗 6.噴頭

從試驗(yàn)結(jié)果圖15和圖17可以看出：噴桿對作物行進(jìn)行了良好的追蹤，但由于直流推桿電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度有限，同時(shí)上位機(jī)為避免頻繁啟停推桿電機(jī)存在對計(jì)算橫移是否滿足小于之前發(fā)送偏移量-0.5cm或大于之前發(fā)送偏移量+0.5cm的條件判斷，使噴桿追蹤存在一定滯后。

5 結(jié)論

1)基于機(jī)器視覺技術(shù)設(shè)計(jì)了噴桿式施藥機(jī)對行噴霧控制系統(tǒng)，通過相機(jī)獲取作物行RGB圖像，提取作物行中心線并轉(zhuǎn)換為噴桿橫向偏移量，使噴頭始終處于作物行正上方，實(shí)現(xiàn)了作物行實(shí)時(shí)追蹤。

2)優(yōu)化了以垂直投影法為基礎(chǔ)的作物行中心線提取算法，提高了處理時(shí)間和識別準(zhǔn)確性。試驗(yàn)表明：改進(jìn)的垂直投影法平均耗時(shí)12.51ms，噴桿橫向偏移量計(jì)算誤差小于0.44cm。

3)基于AVR系列單片機(jī)ATMega16設(shè)計(jì)了電動(dòng)噴桿控制系統(tǒng)，通過RS232串行接收上位機(jī)發(fā)送的噴桿橫向偏移量，設(shè)計(jì)了延時(shí)策略和基于位移傳感器的直流推桿電機(jī)位置控制方法，實(shí)現(xiàn)了對電動(dòng)噴桿位置的精確控制。試驗(yàn)表明：電動(dòng)噴桿右移最大誤差0.3cm，左移最大誤差0.5cm。

4)以四輪驅(qū)動(dòng)農(nóng)用小車為平臺開展了對行噴霧控制實(shí)驗(yàn)室和田間試驗(yàn)，試驗(yàn)表明：小車平均速度為0.26m/s時(shí)，對傾角為5°、10°、15°的模擬作物行最大對行誤差分別為3.22、2.86、2.51cm；小車平均速度為0.24m/s、最大偏移14.05cm時(shí)，對田間玉米幼苗的對行最大誤差為4.86cm。

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Design and Experiment of Row-follow Control System for Boom Sprayer

Zhang Bo1,2， Zhai Changyuan1,2， Cai Jichen2,5， Yang Shuo1,2， Wang Xiu2,3,4

(1.Collage of Mechanical and Electronic Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 2.Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing 100097, China; 3.National Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing 100097, China; 4.Key Laboratory of Agri-informatics, Ministry of Agriculture, Beijing 100097, China; 5.Beijing Key Laboratory of Intelligent Equipment Technology for Agriculture, Beijing 100097, China)

Spraying in fields using a boom sprayer whose nozzles couldn’t follow crop rows precisely always causes environmental pollution and much waste of pesticides. In order to solve that problem, a row-follow control system for boom sprayer was designed based on machine vision, which included a upper computer software for crop rows centerline position extracting and an electric boom control system. Crop rows RGB images acquired by a CCD camera were analyzed by G-R>T&G-B>T algorithm, morphology processing and centerline extracting based on a modified vertical projection method. Then the line of the crop row was obtained, and the electric boom adjustment parameters were calculated by means of axes transfer. An ATMega16 controller received the parameters through an RS232 serial port form upper computer, and adjusted the electric boom to the left or right with movement monitoring by a displacement sensor. Experiments were conducted in the lab and field. The results showed that the modified algorithm of crop row centerline extracting cost 12.51ms in average with calculation errors of 0.44 cm. The electric boom adjustment error was less than 0.3 cm when shifting right, and less than 0.5 when shifting left. The row-follow control error was less than 3.22cm, 2.86cm and 2.51cm under the speed of 0.26m/s, when following simulated crop rows with obliquity of 5°, 10° and 15°, while less than 4.86cm when following the rows of corn seedings with the speed of 0.24m/s and the shifting of 14.02cm. It provided an effective solution for crop rows tracting and row-follow spraying.

boom sprayer； row-follow spraying； machine vision； centerline extracting； camera calibration

2016-09-11

北京市農(nóng)林科學(xué)院科技創(chuàng)新能力建設(shè)專項(xiàng)(KJCX2015141 0)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31201128)

張 波(1992-)，男，四川樂山人，碩士研究生，(E-mail) zhangbo_609@163.com。

翟長遠(yuǎn)(1982-)，男，河南駐馬店人，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)zhaichangyuan@163.com。

S491；TP242.6

A

1003-188X(2017)11-0049-10