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        基于Open CV和激光點云的黑皮雞樅菌生長監(jiān)控系統(tǒng)

        2023-11-20 22:41:37王歡趙鑫鑫商飛黃健
        山東農(nóng)機(jī)化 2023年5期

        王歡 趙鑫鑫 商飛 黃健

        一、前言

        隨著人們健康意識的不斷提高和食品消費的不斷升級,食用菌作為一種營養(yǎng)豐富、健康美味的食品,越來越受到人們的青睞。黑皮雞樅菌屬擔(dān)子亞門菌,層菌綱,傘菌目,白蘑科,又名長根菇。它不僅含有豐富的氨基酸、維生素和醇類物質(zhì)及多種生物酶,還含有多酚、多糖、黃酮等多種生物活性成分,是食用菌中的優(yōu)良品種。然而黑皮雞樅菌菇的采摘是一個勞動密集型工作,需要人力不斷重復(fù)檢查菌菇的生長情況,不及時采摘的菌菇會失去食用價值。通過對黑皮雞樅菌生長過程的研究和管理,可以為其產(chǎn)量和質(zhì)量提供更加可靠的保證,為消費者提供更加安全和健康的食品。

        二、研究背景

        近年來,計算機(jī)視覺和激光雷達(dá)技術(shù)在多個領(lǐng)域中都得到了廣泛應(yīng)用。在工業(yè)自動化領(lǐng)域,這些技術(shù)被用于生產(chǎn)線上的質(zhì)量檢測和定位控制等任務(wù)。在醫(yī)療診斷領(lǐng)域,計算機(jī)視覺技術(shù)可以幫助醫(yī)生進(jìn)行更精確的疾病診斷和治療方案制定。在智能交通領(lǐng)域,激光雷達(dá)技術(shù)被用于實現(xiàn)自動駕駛和交通擁堵分析等功能。

        然而,盡管計算機(jī)視覺和激光雷達(dá)技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)得到了廣泛的研究和關(guān)注,但在黑皮雞樅菌生長監(jiān)控方面的應(yīng)用和研究還相對較少。傳統(tǒng)的生長監(jiān)控方法主要是通過人工觀察和測量,這種方法不僅效率低下,而且難以實現(xiàn)準(zhǔn)確的監(jiān)測和預(yù)測。

        通過對黑皮雞樅菌生長監(jiān)控自動化技術(shù)的研究,也可以為其他食用菌的種植和管理提供有益的參考和借鑒。

        三、創(chuàng)新設(shè)計生長監(jiān)控系統(tǒng)

        Open CV視覺處理技術(shù)發(fā)展迅速,激光雷達(dá)精度不斷提高,多種電子器件組合可以做到低功耗和微型化,實現(xiàn)很多自動化的智能產(chǎn)品。如圖1結(jié)構(gòu)監(jiān)控系統(tǒng)底視圖所示,本系統(tǒng)通過廣角深度鏡頭和激光雷達(dá),采集種植平面的深度圖像數(shù)據(jù)和激光點云數(shù)據(jù),經(jīng)過數(shù)據(jù)融合、測距和目標(biāo)識別,實現(xiàn)對各黑皮雞樅菌個體實時定位和判定是否成熟,為種植者實現(xiàn)菌菇采摘自動化提供精準(zhǔn)的決策數(shù)據(jù)。用戶將監(jiān)控系統(tǒng)置于需要監(jiān)控的菌菇種植平面正上方,監(jiān)控系統(tǒng)將根據(jù)用戶設(shè)置的時間間隔對目標(biāo)種植平面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;使用多個廣角鏡頭配合Open CV深度和拼接算法,采集種植平面的頂視深度圖像數(shù)據(jù)并對圖像中的菌菇進(jìn)行識別和定位;使用激光雷達(dá)采集種植平面的激光點云數(shù)據(jù);RISC-V處理器模塊運行多種程序完成對前述采集數(shù)據(jù)的處理,進(jìn)而形成目標(biāo)種植平面中各菌菇高度的實時數(shù)據(jù)和隨時間變化的數(shù)據(jù)庫;根據(jù)用戶需求,通過揚聲器發(fā)出菌菇生長緩慢或菌菇生長成熟等提示音,并可以將數(shù)據(jù)庫通過無線Wi-Fi傳輸給后臺供用戶進(jìn)一步使用。本監(jiān)控系統(tǒng)由結(jié)構(gòu)體、廣角攝像頭、帶觸摸屏LED顯示屏、揚聲器模組,RISC-V處理器、激光雷達(dá)、無線Wi-Fi模塊、電源等部分組成,其電路系統(tǒng)架構(gòu)如圖2。

        (一) 結(jié)構(gòu)體。負(fù)責(zé)為各組成模塊提供安裝和固定的結(jié)構(gòu)空間,根據(jù)用戶需求提供多種外接固定方式,如螺釘、吊架等,采用ABS工程塑料或金屬材料制作。

        (二) 廣角攝像頭。負(fù)責(zé)采集目標(biāo)種植平面的深度圖像信息,采用2個鏡頭組成一個模組,采用2個模組拼接組成360°深度視野,通過使用Open CV函數(shù)進(jìn)行圖像拼接和深度估計。

        (三) 帶觸摸屏LED顯示屏。負(fù)責(zé)與用戶進(jìn)行信息交換,用戶可通過屏幕設(shè)置監(jiān)控模塊工作間隔時間、揚聲器模塊聲音類型和音量、設(shè)置該模塊用戶自定義編號、設(shè)置模塊Wi-Fi名稱和密碼等。

        (四) 揚聲器模塊。負(fù)責(zé)根據(jù)RISC-V處理器的指令以用戶設(shè)置的音量播放用戶預(yù)存的各種提示語音,如編號xx菌菇生長過慢、編號xx菌菇生產(chǎn)成熟等。

        (五) RISC-V處理器。本模塊包含一顆RISC-V處理器芯片、一顆揚聲器驅(qū)動芯片及附屬多種外圍芯片;RISC-V處理器芯片采用全志公司的D1芯片,RISC-V處理器芯片運行經(jīng)過裁剪的嵌入式Linux操作系統(tǒng),操作系統(tǒng)上運行Open CV目標(biāo)檢測程序、激光點云生成程序和數(shù)據(jù)融合程序等;揚聲器驅(qū)動芯片采用宇音天下科技公司的OSYNO6188語音合成芯片,負(fù)責(zé)根據(jù)RISC-V處理器的指令驅(qū)動揚聲器發(fā)出特定的語音信息;Open CV程序基于Stitching模塊實現(xiàn)圖像拼接,基于Semi-global block matching(SGBM)立體匹配算法和視差處理算法完成目標(biāo)種植平面的深度信息估計,負(fù)責(zé)識別并定位出圖像中的菌菇位置;激光點云生成程序負(fù)責(zé)根據(jù)激光雷達(dá)采集的數(shù)據(jù)實時生成目標(biāo)種植平面的三維點云數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)融合程序負(fù)責(zé)根據(jù)深度圖像識別和定位結(jié)果在三維點云數(shù)據(jù)中找出目標(biāo)種植平面中各菌菇高度的數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)存檔,進(jìn)而形成各菌菇高度隨時間變化的數(shù)據(jù)庫。

        (六) 激光雷達(dá)。負(fù)責(zé)根據(jù)RISC-V處理器指令采集目標(biāo)種植平面的激光點云數(shù)據(jù)。

        (七) 無線Wi-Fi模塊。負(fù)責(zé)監(jiān)控模塊無線通信,為RISC-V處理器模塊提供網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互。

        (八) 電源。本部分包含一個電源芯片模組,負(fù)責(zé)完成220V交流電源轉(zhuǎn)換為12V直流電源,為監(jiān)控模塊提供電源。

        四、結(jié)論

        本文介紹了一種新穎而實用的黑皮雞樅菌生長監(jiān)控系統(tǒng),通過使用Open CV圖像處理技術(shù)和激光點云數(shù)據(jù),實現(xiàn)自動化定時監(jiān)控黑皮雞樅菌生長情況,極大的提高了生產(chǎn)效率。該系統(tǒng)具有完全自有知識產(chǎn)權(quán)。

        (作者單位:王歡 ?商飛 黃健 山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)推廣站;趙鑫鑫 山東浪潮科學(xué)研究院)

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