基于機(jī)器視覺的室內(nèi)農(nóng)藥自動(dòng)精確噴霧系統(tǒng)

1、基于機(jī)器視覺的室內(nèi)農(nóng)藥自動(dòng)精確噴霧系統(tǒng)    引言當(dāng)前我國(guó)森林病蟲害嚴(yán)重制約了造林綠化和生態(tài) 環(huán)境 建設(shè),但病蟲害防治效率卻是相當(dāng)?shù)拖?施藥技術(shù)落后,不管有無施藥目標(biāo)都采用均勻恒速的施藥方法,而沒有考慮到林木的栽植密度、株距及樹冠形態(tài)等個(gè)體差別;施藥器械落后,無論是施藥器械的藥液混合裝置、動(dòng)力裝置還是噴霧裝置,其 機(jī)械 化、自動(dòng)化、精確化程度都相當(dāng)?shù)?。落后的防治手段使農(nóng)藥的利用率低,花費(fèi)大;農(nóng)藥殘留、農(nóng)藥霧滴飄移加重了環(huán)境和生態(tài)問題;直接和頻繁接觸農(nóng)藥危及到操作者的人身安全。精確林業(yè)技術(shù)提供了解決辦法,即在林業(yè)生產(chǎn)過程中運(yùn)用視覺傳感器、衛(wèi)星定位等高新技術(shù)

2、,在作業(yè)過程中實(shí)時(shí)測(cè)知 工作 對(duì)象所需工作的質(zhì)、量和時(shí)機(jī)等時(shí)空數(shù)據(jù),以求獲得最好的施藥效果和最小的環(huán)境代價(jià),從而節(jié)約資源,保護(hù)環(huán)境。從 文獻(xiàn) 15可以看出,雖然目前已經(jīng)有一些學(xué)者開展了機(jī)器視覺的精確施藥方法研究,但其研究對(duì)象主要為田間作物如棉花、雜草等,還很少有人研究用于林木病蟲害防治的精確施藥系統(tǒng),因此開展針對(duì)林木病蟲害防治的精確施藥系統(tǒng)的研究很有必要。1 室內(nèi)農(nóng)藥自動(dòng)精確噴霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1 設(shè)計(jì)要求根據(jù)研究目標(biāo)要求,本系統(tǒng)需要完成以下功能:模擬施藥過程中施藥器械和施藥目標(biāo)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng);利用機(jī)器視覺技術(shù)采集實(shí)時(shí)樹木圖像,通過圖像處理完成目標(biāo)樹木的分割和識(shí)別;以圖像處理結(jié)果為依據(jù)進(jìn)行施藥決策

3、;上位機(jī)PC和下位機(jī)單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,將決策結(jié)果轉(zhuǎn)化為噴霧指令,并控制噴霧執(zhí)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)精確噴霧。1.2 系統(tǒng)硬件組成室內(nèi)農(nóng)藥自動(dòng)精確噴霧系統(tǒng)的硬件主要包括:運(yùn)動(dòng)模擬試驗(yàn)臺(tái)、彩色CCD攝像頭、真彩色圖像采集卡、PC機(jī)(上位機(jī))、單片機(jī)芯片組(下位機(jī))、智能噴霧臺(tái)(包括若干智能噴頭和安裝噴頭的噴霧臺(tái)架、壓力噴霧系統(tǒng))及若干接口電路(如RS232/TTL電平轉(zhuǎn)換、功率放大和光電耦合電路等),共分為運(yùn)動(dòng)模擬裝置、圖像采集(機(jī)器視覺)裝置、自動(dòng)精確施藥裝置等3部分。設(shè)計(jì)的傳輸帶式模擬運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)用于模擬施藥過程中施藥器械和施藥目標(biāo)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),同時(shí)便于機(jī)器視覺系統(tǒng)采集到連續(xù)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)圖像。根據(jù)樹木

4、自相似原理,在傳輸帶上安裝了樹葉以模擬實(shí)際樹木。工作臺(tái)的啟動(dòng)、調(diào)速由西門子矢量型變頻調(diào)速器6SE3214控制電動(dòng)機(jī)來完成。圖1中電動(dòng)機(jī)1通過聯(lián)軸器2帶動(dòng)主動(dòng)軸3轉(zhuǎn)動(dòng),從而帶動(dòng)傳輸帶7運(yùn)動(dòng),這樣目標(biāo)8就跟著傳輸帶7連續(xù)地運(yùn)動(dòng)起來。通過調(diào)節(jié)張緊裝置4可以調(diào)整傳輸帶7的張緊狀態(tài),以使其運(yùn)行平穩(wěn)。 根據(jù)實(shí)際施藥工作情況,以及實(shí)時(shí)圖像采集處理要求,傳輸帶的速度以23 m/s為佳。選用的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為1 440 r/min,由帶輪直徑d=0.12 m得到傳輸帶的速度達(dá)到10 m/s。自動(dòng)精確施藥裝置由單片機(jī)、噴霧臺(tái)架、噴頭系統(tǒng)等組成。將若干個(gè)噴頭布置在噴霧架橫梁上,以此來測(cè)試圖像處理和噴霧決策結(jié)果的正誤。

5、每個(gè)噴頭由一個(gè)二位二通電磁閥來控制其開閉。電磁閥的控制信號(hào)由單片機(jī)的I/O端口提供。電磁閥工作電壓為220V,單片機(jī)發(fā)出的控制指令為5 V,因此在電磁閥和下位機(jī)之間接中間繼電器,噴頭連同電磁閥和繼電器一同安裝在盒子上。圖2為噴頭控制原理圖。 1.3 系統(tǒng)軟件組成開發(fā)了兩套軟件系統(tǒng):一套用VC開發(fā),是基于Windows平臺(tái)的應(yīng)用程序,用于控制硬件實(shí)現(xiàn)目標(biāo)圖像采集、圖像分割、智能決策、信息發(fā)送等功能;另一套由匯編 語言 編寫,運(yùn)行于單片機(jī)上,實(shí)現(xiàn)信息接收、噴霧指令發(fā)送功能。利用Microsoft公司提供的VFW(Video ForWindows)開發(fā)了Capture類,實(shí)現(xiàn)模擬運(yùn)動(dòng)樹木圖像的連續(xù)采

6、集。視頻流中幀圖像的格式由圖像采集卡和PC機(jī)顯示卡決定,本系統(tǒng)中為DIB(設(shè)備無關(guān)位圖)格式。利用Capture類的關(guān)鍵幀提取功能,從視頻流中提取出特定的關(guān)鍵幀進(jìn)行分析處理,從而減輕CPU負(fù)擔(dān)。采集到的圖像要進(jìn)行圖像分割,將目標(biāo)樹木從背景中分割出來。典型的基于顏色的分割算法將獲取的圖像從RGB模型轉(zhuǎn)化為HSI模型,以此來削弱光照強(qiáng)度的影響。但色彩模型的轉(zhuǎn)換非常耗時(shí),對(duì)于實(shí)時(shí)性要求高的場(chǎng)合,這些圖像分割算法根本不適用。文獻(xiàn)6指出,彩色圖像像素的RGB灰度級(jí)在很大程度上依賴于光照強(qiáng)度。在不同的光照條件下,直接用RGB值來進(jìn)行識(shí)別會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果。而利用簡(jiǎn)單的算術(shù)操作來組合RGB分量形成相對(duì)色彩因子

7、(relative color indices)進(jìn)行彩色圖像分割可以大大降低光照強(qiáng)度的影響。在實(shí)驗(yàn)室可控光條件及室外 自然 光條件下拍攝大量綠色樹木的圖像進(jìn)行RGB各分量的分析發(fā)現(xiàn),綠色樹木圖像的G分量值都相對(duì)較大,而R、B分量值都相對(duì)較小。圖像中的背景則鮮有這種現(xiàn)象。據(jù)此設(shè)計(jì)了2G/(R+B)和(R+B+G)/3這一組相對(duì)色彩因子來實(shí)現(xiàn)樹木圖像與其背景的分割,其中加入(R+B+G)/3是為了保證圖像有足夠的光照強(qiáng)度,避免圖像中的暗區(qū)引起錯(cuò)誤分割。為了排除隨機(jī)噪聲的干擾,對(duì)分割后的圖像進(jìn)行中值濾波,得到最后的分割結(jié)果。由圖3可見,當(dāng)閾值取得合理時(shí),能獲得良好的分割效果。由單片機(jī)的I/O口輸出信

8、號(hào)來進(jìn)行繼電器的控制存在以下問題:繼電器的工作電壓較高,因此從單片機(jī)輸出的信號(hào)需要經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換,使輸出的驅(qū)動(dòng)電壓能夠適應(yīng)繼電器線圈的要求;繼電器動(dòng)作時(shí),對(duì)電源有一定的干擾。為了提高系統(tǒng)的可靠性,在單片機(jī)和繼電器之間用光電耦合器隔離。2 系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試在實(shí)驗(yàn)室內(nèi),將變頻器工作頻率設(shè)定在220 Hz范圍內(nèi)可變,即目標(biāo)和攝像頭相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度為1.313 km/h。采集到的視頻流幀速率為10 f/s,關(guān)鍵幀采樣間隔為0.3 s,即在視頻流中每3幀抽取一幀進(jìn)行圖像分割。為了更加清楚地在不同運(yùn)行速度上觀察系統(tǒng)施藥決策和精確施藥的效果,在測(cè)試時(shí)僅控制一個(gè)噴頭的開閉。運(yùn)行測(cè)試表明,當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行于低速狀態(tài)(1

9、.35 km/h)時(shí),系統(tǒng)各環(huán)節(jié)協(xié)同較好。采集到的圖像較清晰,圖像分割結(jié)果和靜止?fàn)顟B(tài)下分割結(jié)果基本一致,電磁閥工作穩(wěn)定可靠,噴頭的開閉和預(yù)期的完全一致。不考慮霧滴飄移等因素,有80%左右的液體擊中目標(biāo),自動(dòng)精確施藥實(shí)現(xiàn)的效果較好。但當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行速度增大時(shí),出現(xiàn)了以下問題:由于運(yùn)動(dòng)速度較大,采集到的圖像開始出現(xiàn)模糊和拖尾,當(dāng)速度大于7.8 km/h時(shí),這種現(xiàn)象相當(dāng)明顯,圖像噪聲也有所增加,圖像分割正確性下降。在0.3 s的采樣間隔下,由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度過大,CCD系統(tǒng)來不及采樣,造成無目標(biāo)的錯(cuò)誤決策。由于電磁閥的 機(jī)械 響應(yīng)特性,電磁閥需要足夠長(zhǎng)時(shí)間的高電平(或低電平)來開啟(或閉合)閥門,系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)

10、速度過大,使得目標(biāo)在控制區(qū)中的時(shí)間縮短,決策程序不能在此期間生成足夠長(zhǎng)的高電平來開啟閥門時(shí),會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。為解決以上問題,提高視頻流的幀速率,同時(shí)縮短關(guān)鍵幀的采樣間隔。在5.27.8 km/h的運(yùn)行速度上,將系統(tǒng)幀速率提高到15 f/s,關(guān)鍵幀采樣間隔為0.133 s(即每?jī)蓭槿∫粠M(jìn)行圖像分割)。經(jīng)過以上調(diào)整,系統(tǒng)的可靠性有較大改善。但關(guān)鍵幀的采樣間隔不能無限制縮短,關(guān)鍵幀的采樣間隔必須比分割一幀圖像所需的時(shí)間長(zhǎng),否則系統(tǒng)不能正常工作,因此當(dāng)系統(tǒng)的運(yùn)行速度更大時(shí),由于受到圖像處理速度的限制,不能再通過縮短關(guān)鍵幀采樣間隔的方法來提高系統(tǒng)性能,從而可看出,圖像處理算法的效率直接影響系統(tǒng)精確施藥性

11、能和效率。在本系統(tǒng)中,傳輸帶的運(yùn)動(dòng)速度(相當(dāng)于施藥目標(biāo)和施藥器械之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度)是至關(guān)重要參數(shù),因?yàn)樗苯記Q定了本系統(tǒng)是否有 經(jīng)濟(jì) 實(shí)用價(jià)值。在實(shí)際林木病蟲害防治過程中,一般要求施藥速度達(dá)到810 km/h。從系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果來看,在低速狀態(tài)下系統(tǒng)運(yùn)行是可靠的,在中速狀態(tài)下,也可以用調(diào)整狀態(tài)參數(shù)的方法(主要是縮短關(guān)鍵幀采樣間隔)使之可靠運(yùn)行,由于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)所用的模擬目標(biāo)遠(yuǎn)比實(shí)際樹木小,模擬目標(biāo)間的間隔也要比行道樹間的實(shí)際株距小,因此,通過相似原理可以推斷出進(jìn)行戶外工作時(shí),系統(tǒng)運(yùn)行速度可以進(jìn)一步提高,達(dá)到10 km/h以上,但仍需進(jìn)行戶外測(cè)試加以證實(shí)。3 結(jié)束語研究的室內(nèi)農(nóng)藥實(shí)時(shí)精確噴霧系統(tǒng)

12、以實(shí)驗(yàn)室 環(huán)境 中的試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑檠芯繉?duì)象,模擬林木病蟲害防治農(nóng)藥噴霧的真實(shí)情況,分析和探索了在 自然 環(huán)境中基于實(shí)時(shí)視覺傳感技術(shù)的農(nóng)藥精確噴霧的可行性和效果。建立了一套圖像處理算法,并以此為依據(jù)做出決策來控制噴頭實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥的精確噴霧。對(duì)施藥過程中的運(yùn)動(dòng)模擬、樹木圖像采集、圖像分割、施藥決策、噴霧執(zhí)行等方面作了深入的探討和研究。 參考 文獻(xiàn) 1  Steward B L, Tian L F. Machine-vision weed density estimation for real time, outdoor lighting conditions.Transaction of ASA

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