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      基于機(jī)器視覺的水稻秧盤育秧智能補(bǔ)種裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

      2018-08-10 07:10:16王桂蓮劉偉超柏凱凱周海波
      關(guān)鍵詞:補(bǔ)種秧盤空穴

      王桂蓮,劉偉超,王 安,柏凱凱,周海波,3

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      基于機(jī)器視覺的水稻秧盤育秧智能補(bǔ)種裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

      王桂蓮1,劉偉超1,王 安2,柏凱凱1,周海波1,3※

      (1. 天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,機(jī)電工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(天津理工大學(xué)),天津 300384;2. 佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院,佳木斯 154007; 3. 佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,佳木斯 154007)

      對(duì)于工廠化育秧作業(yè)的水稻、蔬菜、花卉等,尤其是超級(jí)雜交稻,其機(jī)械化秧盤育秧播種的理想目標(biāo)為2~3粒/穴,且普遍存在空穴和單粒穴的情況,為了保證秧盤育秧成秧率,提高精密播種合格率就顯得非常重要。該文基于機(jī)器視覺技術(shù),提出了一種智能補(bǔ)種方法,設(shè)計(jì)并研制了智能補(bǔ)種裝置,主要用于超級(jí)雜交稻缽體秧盤育秧播種質(zhì)量檢測(cè)與補(bǔ)種過程。首先利用CCD攝像頭采集秧盤圖像,對(duì)圖像處理與分析后得到空穴和1粒穴位置坐標(biāo),再利用定位機(jī)構(gòu)和補(bǔ)種機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)從種槽取種和對(duì)秧盤指定位置動(dòng)態(tài)補(bǔ)種等功能。應(yīng)用LabVIEW圖形化編程軟件,針對(duì)空穴和單粒穴的補(bǔ)種方案,開發(fā)出秧盤播種質(zhì)量在線檢測(cè)與補(bǔ)種運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了智能補(bǔ)種任務(wù)。由試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)可知,當(dāng)補(bǔ)種率小于2%時(shí),雙補(bǔ)種器能夠滿足450盤/h的生產(chǎn)需求。

      農(nóng)作物;設(shè)計(jì);機(jī)器視覺;水稻;精密播種;智能補(bǔ)種;智能補(bǔ)種裝置;質(zhì)量檢測(cè)

      0 引 言

      為延長(zhǎng)生長(zhǎng)期、提高產(chǎn)量,水稻、蔬菜、花卉等作物經(jīng)常采用育秧移栽種植方式,增加了工廠化育秧環(huán)節(jié)。為了保證秧盤育秧成秧率,如何提高精密播種合格率就顯得非常重要。水稻是重要的糧食作物[1-2],尤其是超級(jí)雜交稻是一種品質(zhì)優(yōu)良、產(chǎn)量高的水稻品種,在其機(jī)械化育秧播種過程中,要求播種精度高、空穴率低?,F(xiàn)有的排種器播種性能可以達(dá)1~4 粒/穴,但存在空穴(1%~5%左右)和單粒率偏高(20%以上)的情況[3-8],受發(fā)芽率(80%~90%)、成苗率(76%~81%)、成毯特性(單粒和空穴使效果變差)以及外加插秧的傷秧率(10%左右)等影響[9-13],造成“穴株數(shù)”嚴(yán)重不足,結(jié)果達(dá)不到1~2株/穴的種植要求,因此根據(jù)中國(guó)水稻研究所朱德峰、徐一成等人提出的“低播量壯秧成毯”的育秧要求[9-10],由此總結(jié)出理想的播種目標(biāo)是2~3粒/穴,且單粒率少、無空穴。于是需要對(duì)播種后的秧盤進(jìn)行播種質(zhì)量檢測(cè),然后對(duì)空穴和對(duì)單粒穴進(jìn)行補(bǔ)種,達(dá)到消除空穴并減少單粒穴的效果。精密播種作為一種先進(jìn)的種植技術(shù),在國(guó)外已有60多年的發(fā)展進(jìn)程,初期主要研究機(jī)械式精密排種器,從20世紀(jì)50年代末開始研究氣力式精密排種器,如氣吸、氣吹和氣壓式,其中氣吸式精密排種器因具有對(duì)種子形狀和尺寸適應(yīng)性強(qiáng),傷種率低等特點(diǎn),盡管它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高,但多年來國(guó)外學(xué)者如Singh等[14-22]一直進(jìn)行玉米、大豆、甜菜、棉花、芹菜等作物的氣吸式精密播種部件的理論與試驗(yàn)研究。目前發(fā)達(dá)國(guó)家的精密播種機(jī)少數(shù)采用機(jī)械式(如指夾式精播玉米),主體是氣力式[23]。目前針對(duì)精密播種機(jī)的播種質(zhì)量監(jiān)測(cè)和漏播后補(bǔ)種設(shè)備的研究正在逐步展開,夏俊芳等[24]設(shè)計(jì)一種大豆水平型孔拉桿式補(bǔ)種機(jī)構(gòu),進(jìn)行了種子運(yùn)動(dòng)軌跡動(dòng)態(tài)模擬和最優(yōu)化參數(shù)仿真;張曉輝等[25]設(shè)計(jì)了一種小麥播種機(jī)自動(dòng)補(bǔ)播式監(jiān)控系統(tǒng),解決“斷條性”漏播問題;金衡模等[26]針對(duì)玉米免耕播種機(jī)的播種質(zhì)量低的問題,設(shè)計(jì)了玉米精播機(jī)漏播補(bǔ)償系統(tǒng),補(bǔ)種成功率可達(dá)90%以上;王關(guān)平等[27]針對(duì)現(xiàn)有的鏈勺式排種器馬鈴薯播種機(jī)作業(yè)過程中普遍存在的漏播現(xiàn)象,提出了一種測(cè)補(bǔ)償方案,該系統(tǒng)漏播檢測(cè)的準(zhǔn)確率>99.8%,補(bǔ)種成功率>75%;Mganilwa等[28]日本研究學(xué)者應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)對(duì)黃瓜、生菜、綠辣椒等蔬菜大缽體秧盤育秧播種質(zhì)量進(jìn)行了動(dòng)態(tài)檢測(cè),檢測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)到99.93%以上,同時(shí)采取了補(bǔ)種策略,補(bǔ)種準(zhǔn)確率達(dá)99%,播種速度為1.67穴/s。由此可見,大多數(shù)研究對(duì)單粒精密播種機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控和補(bǔ)種比較有效,而對(duì)不規(guī)則種子形狀的水稻條播或者缽體穴播實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)相對(duì)比較困難[29-30]。

      為了降低超級(jí)稻播種時(shí)的空穴和單粒率,本文基于機(jī)器視覺技術(shù),提出一種智能補(bǔ)種方法,設(shè)計(jì)并研制了智能補(bǔ)種裝置,以期實(shí)現(xiàn)超級(jí)雜交稻缽體秧盤育秧播種質(zhì)量檢測(cè)與補(bǔ)種任務(wù)。

      1 水稻秧盤育秧智能補(bǔ)種裝置總體設(shè)計(jì)

      智能補(bǔ)種裝置主要由秧盤圖像采集與檢測(cè)系統(tǒng)、補(bǔ)種器(定位機(jī)構(gòu)和補(bǔ)種機(jī)構(gòu))及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)等部分組成,如圖1所示,其工作原理為:利用圖像采集系統(tǒng)對(duì)秧盤圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,由檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行圖像處理與分析,獲得并提取秧盤中空穴和1粒穴坐標(biāo)位置,然后由運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)控制補(bǔ)種器的定位機(jī)構(gòu)和補(bǔ)種機(jī)構(gòu)完成定位、取種和補(bǔ)種過程。該智能補(bǔ)種器還可以安裝在水稻秧盤育秧播種流水線的播種工序之后,覆表土工序之前,不僅可以用于播種質(zhì)量檢測(cè),同時(shí)還能進(jìn)行補(bǔ)種作業(yè),可以進(jìn)一步提高超級(jí)稻、蔬菜等秧盤育秧精密播種質(zhì)量。

      圖1 水稻秧盤育秧智能補(bǔ)種裝置結(jié)構(gòu)示意圖

      秧盤圖像采集與檢測(cè)系統(tǒng)主要由CCD攝像頭、光箱、光電式傳感器、光源、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)等部件組成(如圖2)。當(dāng)秧盤進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域指定位置,由圖像(光電)傳感器產(chǎn)生高電平信號(hào),并通過數(shù)據(jù)采集卡傳送到計(jì)算機(jī),控制CCD攝像頭進(jìn)行秧盤圖像采集,采集的數(shù)據(jù)經(jīng)千兆以太網(wǎng)(GigE)輸入計(jì)算機(jī),檢測(cè)系統(tǒng)軟件對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理與分析,識(shí)別到秧盤各個(gè)穴位的播種數(shù)量,然后根據(jù)補(bǔ)種要求對(duì)圖像中的空穴和1粒穴的坐標(biāo)位置進(jìn)行提取,為后續(xù)補(bǔ)種作業(yè)提供定位信息。

      圖2 圖像采集與檢測(cè)系統(tǒng)

      定位機(jī)構(gòu)主要由步進(jìn)電機(jī)、同步帶及同步帶輪、滑塊、導(dǎo)軌和復(fù)位接近開關(guān)以及補(bǔ)種(光電)傳感器等組成。設(shè)秧盤前進(jìn)方向與軸導(dǎo)軌相同,與軸導(dǎo)軌垂直,而且在軸導(dǎo)軌的滑塊下部固定有軸導(dǎo)軌,在軸導(dǎo)軌的滑塊下方安裝有補(bǔ)種機(jī)構(gòu),補(bǔ)種傳感器安裝在機(jī)架上(如圖1)。兩導(dǎo)軌上的滑塊分別由同步帶帶動(dòng)并在、軸導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng),其中軸導(dǎo)軌長(zhǎng)度為400 mm,可滿足寬度小于400 mm秧盤的補(bǔ)種需要。兩軸分別由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng),其運(yùn)動(dòng)控制通過美國(guó)NI公司的NI PCI-7334運(yùn)動(dòng)控制卡來實(shí)現(xiàn),設(shè)計(jì)選用的電機(jī)為日本信濃SST58D4830兩相混合步進(jìn)電機(jī),固有步距角為1.8°、電壓2.4 V、電流3.0 A、靜力矩10.8 N·m及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量330 g/cm2,驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為Q2BYG403MD,細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)置為4。

      補(bǔ)種器由3個(gè)氣缸和吸針組成(如圖3),氣缸1為日本SMC生產(chǎn)的13-MXQ8-75A型雙活塞桿氣缸,引導(dǎo)活塞進(jìn)行直線往復(fù)運(yùn)動(dòng);氣缸2與氣缸3均為小型氣動(dòng)滑臺(tái),分別為日本SMC生產(chǎn)的MXH6-60型和CDQMB12-10型直線導(dǎo)軌,具有優(yōu)良的線性度,工作連貫,穩(wěn)定性好。在補(bǔ)種機(jī)構(gòu)連續(xù)作業(yè)中,吸針從取種到投種是一個(gè)循環(huán)的過程,即氣缸1垂直收縮,氣缸2水平伸出,氣缸3垂直伸出,吸針到種盒取種;然后氣缸3垂直收縮,氣缸2水平收縮,氣缸1垂直伸出,吸針到秧盤投種。吸針采用天弘點(diǎn)膠15G-6.5雙孔針頭[31],內(nèi)徑1.45 mm,孔間距2.5 mm,可以實(shí)現(xiàn)單次吸取1~2粒種子的作用。智能補(bǔ)種裝置主要工作參數(shù)見表1。

      圖3 補(bǔ)種器三維模型

      表1 智能補(bǔ)種裝置主要工作參數(shù)

      2 圖像采集與檢測(cè)系統(tǒng)

      2.1 圖像采集與檢測(cè)

      秧盤圖像采集和穴粒數(shù)檢測(cè)是智能補(bǔ)種技術(shù)的基礎(chǔ),為后面補(bǔ)種工序提供穴位信息。該部分主要采用LabVIEW的視覺模塊進(jìn)行開發(fā),秧盤圖像采集、處理與穴位檢測(cè)的具體處理過程為:1)圖像傳感器控制圖像采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集秧盤圖像(vision acquisition),對(duì)采集到的彩色RGB圖像(圖4a)分別提取R、G、B 3個(gè)色盤圖像(IMAQ extract single color plane),利用加權(quán)公式得到灰度化圖像,并采用Otsu分割閾值算法進(jìn)行二值化處理(IMAQ autobthreshold),利用形態(tài)學(xué)方式(IMAQ particle filter 2)和面積剔除法去除圖像中的細(xì)小顆粒噪聲;2)按照缽體秧盤上穴位實(shí)際大小和間距轉(zhuǎn)換成像素尺寸,在秧盤圖像上建立6×12個(gè)(單次檢測(cè)的穴位數(shù))感興趣區(qū)域(roidescriptor),并轉(zhuǎn)換成為掩膜(IMAQ roito mask),如圖4b所示;3)利用掩膜定位技術(shù)提取秧盤中每個(gè)穴位內(nèi)的種子圖像并進(jìn)行連通域檢測(cè),測(cè)量單個(gè)連通域的面積、周長(zhǎng)、最小外接多邊形面積等參數(shù),計(jì)算出改進(jìn)后的形狀因子,結(jié)合單連通域面積大小,完成單個(gè)連通域種子0粒(含雜質(zhì))、1粒、2粒、3粒、4粒及以上情況的檢測(cè),并通過累加實(shí)現(xiàn)穴粒數(shù)的檢測(cè),由文獻(xiàn)[28]知,圖像平均處理時(shí)間約為0.518 s,識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)95%以上;4)將檢測(cè)結(jié)果存儲(chǔ)進(jìn)數(shù)組,并保存在穴盤數(shù)據(jù)庫(kù)中。

      圖4 圖像采集與檢測(cè)

      2.2 穴盤數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

      穴盤數(shù)據(jù)信息采用三維數(shù)組進(jìn)行存取。穴粒數(shù)存儲(chǔ)時(shí),首先按掩膜個(gè)數(shù)和每個(gè)掩膜在圖像中的位置建立二維數(shù)組,將每個(gè)掩膜內(nèi)種子粒數(shù)的檢測(cè)結(jié)果保存到相對(duì)應(yīng)的數(shù)組元素中(圖4c),再按檢測(cè)順序?qū)ρ肀P進(jìn)行編號(hào),該編號(hào)作為第三維。補(bǔ)種時(shí)首先提取秧盤編號(hào),再提取穴位為空穴和1粒穴的坐標(biāo),提供給后續(xù)定位機(jī)構(gòu)。三維存取數(shù)組模型如式(1)所示。

      式中為檢測(cè)秧盤編號(hào);為穴位在秧盤圖像中的行數(shù);為穴位在秧盤圖像中的列數(shù);為穴盤信息存儲(chǔ)三維矩陣;r為第個(gè)秧盤第行第列的種子粒數(shù)。

      3 控制系統(tǒng)

      補(bǔ)種器運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)控制方式進(jìn)行定位和補(bǔ)種運(yùn)動(dòng)控制,即當(dāng)秧盤被傳送到指定位置時(shí)觸發(fā)補(bǔ)種傳感器(高電平1),補(bǔ)種器開始按秧盤穴盤數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息依次按行進(jìn)行補(bǔ)種,完成后系統(tǒng)復(fù)位,等待下一個(gè)秧盤。該補(bǔ)種器的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是應(yīng)用LabVIEW中的運(yùn)動(dòng)控制助手和數(shù)據(jù)采集助手相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)的。

      3.1 主控制流程

      在得到穴盤數(shù)據(jù)庫(kù)中的秧盤穴粒數(shù)組后,通過算法找出0粒穴和1粒穴,并計(jì)算0粒穴和1粒穴的坐標(biāo),依據(jù)時(shí)效性對(duì)0粒穴和1粒穴進(jìn)行整合排序(當(dāng)時(shí)間或生產(chǎn)效率受限時(shí)會(huì)對(duì)1粒穴進(jìn)行合理的舍棄)成一個(gè)新數(shù)組,按行索引當(dāng)前行(共23行)的待補(bǔ)穴(新數(shù)組)的坐標(biāo),進(jìn)而計(jì)算每個(gè)步進(jìn)電機(jī)所需的脈沖數(shù),并對(duì)當(dāng)前行的各個(gè)穴位進(jìn)行路徑規(guī)劃,然后利用運(yùn)動(dòng)控制助手中的Initialize Controller flx 對(duì)運(yùn)動(dòng)控制卡進(jìn)行初始化設(shè)置,然后利用Configure Vector Space flx對(duì)2個(gè)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行速度設(shè)置和、軸電機(jī)選擇,分別將2個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)所需脈沖數(shù)送入驅(qū)動(dòng)器,啟動(dòng)電機(jī)為當(dāng)前行補(bǔ)種,之后進(jìn)行下一行的補(bǔ)種,直至完成每行各個(gè)穴位播補(bǔ)種任務(wù)時(shí),會(huì)檢測(cè)到補(bǔ)種傳感器信號(hào)(低電平0),補(bǔ)種器復(fù)位,控制流程如圖5所示。

      圖5 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)流程圖

      3.2 定位計(jì)算

      1)基準(zhǔn)點(diǎn)確定

      為減少運(yùn)動(dòng)累計(jì)誤差對(duì)定位精度的影響,補(bǔ)種器需要設(shè)定基準(zhǔn)點(diǎn),當(dāng)整個(gè)秧盤補(bǔ)種任務(wù)完成后,補(bǔ)種器必須復(fù)位。為此,在定位機(jī)構(gòu)中設(shè)計(jì)了、軸滑塊復(fù)位開關(guān)(圖3),當(dāng)定位機(jī)構(gòu)的滑塊和補(bǔ)種機(jī)構(gòu)的氣動(dòng)元件均復(fù)位到初始位置(見圖1),此時(shí)吸針頭部位置為基準(zhǔn)點(diǎn),即L坐標(biāo)系的原點(diǎn)處,如圖6所示。

      圖6 基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)系

      2)穴位定位

      對(duì)穴盤數(shù)據(jù)庫(kù)中0粒和1粒穴信息進(jìn)行篩選、排序,并按行索引。當(dāng)補(bǔ)種傳感器被秧盤觸發(fā)時(shí),系統(tǒng)根據(jù)秧盤規(guī)格可以在L坐標(biāo)系中計(jì)算出每個(gè)穴位位置,其公式為

      式中為到達(dá)(,)穴位中心點(diǎn)位置沿軸方向滑塊移動(dòng)的距離;為到達(dá)(,)穴位中心點(diǎn)位置沿軸方向滑塊移動(dòng)的距離;0為基準(zhǔn)點(diǎn)距離秧盤(0,0)穴位中心點(diǎn)沿軸方向的距離;0為基準(zhǔn)點(diǎn)距離秧盤(0,0)穴位中心點(diǎn)沿軸方向的距離(表1);為軸方向相鄰穴位之間的距離;為軸方向相鄰穴位之間的距離。

      根據(jù)補(bǔ)種傳感器被觸發(fā)時(shí)的穴位坐標(biāo)位置,可以得到步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù),其公式為

      式中為滑塊運(yùn)動(dòng)距離;為脈沖數(shù);為同步帶輪半徑;為細(xì)分?jǐn)?shù);為步距角。

      由式(3)可得出每個(gè)補(bǔ)種穴位在觸發(fā)補(bǔ)種傳感器時(shí)的脈沖坐標(biāo)位置。

      3.3 補(bǔ)種時(shí)間以及動(dòng)態(tài)坐標(biāo)位置計(jì)算

      假設(shè)秧盤(0,0)穴位坐標(biāo)為(0,0),則任意已完成穴位坐標(biāo)為(1,1),當(dāng)前下一待補(bǔ)穴位坐標(biāo)為(2,2),如圖7所示,則穴位坐標(biāo)(1,1)和(2,2)的位置為(L1,L1),(L2,L2);、軸滑塊最大速度max,、軸滑塊最大加速度為,輸送機(jī)構(gòu)輸送秧盤的速度為0;取種時(shí)間為1,攜種氣缸動(dòng)作時(shí)間為2,補(bǔ)種時(shí)間為3,延遲時(shí)間為0(初值為0),補(bǔ)種(2,2)穴位之前所用的累計(jì)時(shí)間為T,則完成單次補(bǔ)種總時(shí)間的計(jì)算公式如下。

      圖7 秧盤穴位坐標(biāo)系

      1)設(shè)由當(dāng)前穴位到達(dá)下一穴位取種位置所用時(shí)間為1,則有

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