（农业电气化与自动化专业论文）图像处理与自动控制技术在农药喷洒机中的研究.pdf

中国农业大学硕士学位论文 摘要 i i i i 摘要 本文介绍了应用图像处理技术及自动控制技术完成在自然光条件下对旱田作物( 棉花、小 麦、玉米等) 及果树( 或道路两旁林木) 实时喷药的农药喷洒系统。其最终目标是建立一套适 用于大田作业和果树农药喷施的智能化机器系统，为农药喷施的精准、高教、低耗、减少环境 污染提供有力的理论和技术支持。本文完成了对本系统的初步探索，主要完成对道路两旁树木 的自动识别与喷洒。文中首先介绍了v f w ( v i d e o f o r w i n d o w s ) 和d m a 技术进行视频图像的获取， 前者不依赖于专用硬件，使用灵活，后者速度快。然后，对采集的数字图像利用改进的绿色像 素分割法分割二值化，对二值化后的图像用中值滤波、开运算等图像处理的手段去除噪声。然 后对处理之后的图像，经区域面积的计算，计算出绿色像素所占份额，最后决定喷洒方案。 关键词：数字图像处理，v i d e of o rw i n d o w s ，绿色分割法 a b s t r a c t t h e p a d e ri n t r o d u c e da r e a l - t i m ep e s t i c i d es p r a y i n gs y s t e m t h i ss y s t e mw a sd e s i g n e d t os p r a yd r yf a r m i n g ( c o t t o n w h e a t c o ne t c ) a n df r u i tt r e e ( a n dt r e e sb yt h el o a d ) u n d e r n a t u r a li l l u m i n a t i o n a p p l y i n g t h e d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g a n da u t o m a t i o n t e c t m o i o g y t h e u l t i m a t eg o a lw i l ld e v e l o pd r yf a r m i n ga n df r u i tt r e ef e r t i l i z i n gi n t e l l i g e n tm a c h i n es y s t e m t h e t a s ki sa tt h ei n i t i a ls t a g e so f t h es y s t e m a n da tp r e s e n ti tc a ni d e n t i f ya n d s p r a yt h et r e e sb y t h el o a d f i r s t r e s e a r c ho na u t o m a t i ca c q u i s i t i o no f d i g i t a li m a g e s u s i n gv i d e o f o rw i n d o w s s d ka n dd m a v f wd o e s n tr e q u i r ea n ys p e c i a lh a r d w a r e m a k i n gi ti sm o r e f l e x i b l e d m ai sf a s t e rt h a nt h ef o r m e r s e c o n du s i n gat y p eo fn e w m e a s u r i n g m e t h o d i d e n t i f yg r e e np i x e la n ds e g m e n t t r e ea n d b a c k g r o u n d l a s tc o m p u t i n gg r e e np i x e l c o v e r a g e a st h ec o n t r o it h r e s h o l da n dd e c i d eb wt os p r a y p e s t i c i d e k e y w o r d s ：f e r t i l i z i n gi n t e l l i g e n tm a c h i n es y s t e m ，m a c h i n e v i s i o n ，s p r a y i n gs y s t e m 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：时间：年 月日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名 导师签名 时间：年月日 时间：年月日 中国农业大学硕士学位论文第一章序论 第一章序论 1 1 课题的目的及意义 目前，农业生产中农药的粗放式喷洒是农业生产中效率最低、污染最严重的环节。同时， 各种化学剂的旌放量直接影响农作物的产量、品质，增加农业投入，造成环境污染。 另外现使用的绝大多数喷药机械( 如喷雾机) ，其农药的喷洒过程是由人工操作，由喷药员 根据经验来决定化学药剂的使用时间、地点和剂量，而成熟经验的获得、传播、掌握受到积累 年限、文化水平、传播媒介等因素的制约而难以得到普遍应用。造成农用化学剂的滥用。另外 在整个农药喷洒作业中，操作人员劳动强度大，而且操作人员直接接触农药，人身极易受到农 药的伤害。同时由于人工操作，整个农药喷洒作业效率不高。 研究智能喷雾机系统的目的是以旱田作物( 棉花、小麦、玉米) 、果树( 或道路两旁林木) 为施药目标，实时采集目标状态图像，嗣用图像处理技术对图像进行处理与分析，对何时、何 地施药及施药剂量做出科学决策并自动控制完成旌药作业，最终的目的是设计并建立一套适用 于大田作物和果树农药喷施的智能化机器系统，运用计算机专家决策系统为农药喷式的准确、 高效、低耗、减少污染，提供有力的理论和技术支持。本课题完成的是对智能喷雾机系统的初 步探索。使其基本完成如下功能：通过机器视觉系统完成对道路两旁树木图像的采集及处理， 判断在自然光照射条件下所摄取的图像中是否有绿色植物，若有则根据覆盖面积的多少，做出 喷停的动作。 1 2 图像数字技术的研究内容概况 人类感知外界信息，8 0 以上是通过视觉得到的，而图像实际上正是对这种感知能力的一 种人为增强形式，因此对图像的研究为我们感知外部世界很有帮助。随着图像数字技术的成熟 图像作为更直接更丰富的信息载体，正在成为越来越重要的研究对象。 人类是通过眼睛与大脑来获取、处理与理解视觉信息的，周围环境中的物体在可见光的照 射下，在人眼的视网膜上形成图像，由感光细胞转换成神经脉冲信号，经神经纤维传入大脑皮 屠进行处理与理解。视觉，不仅指对光信号的感受，它包括了对视觉信息的获取、传输、处理、 存储与理解的全过程，信号处理理论与计算机出现阻后，人们试图用摄像机获取环境图像并将 其转换成数字信号，用计算机实现对视觉信息处理的全过程。这样，就形成了门新兴的学科 一计算机视觉。计算机视觉的研究目标是使计算机具有通过一幅或多幅图像认知周围环境信息 的能力，这种能力将不仅使机器能感知环境中物体的集合信息，包括它的形状、位置、姿态和 运动等，而且能够对它们进行描述、存储、识别与理解。由此可知，计算机视觉是与图像数字 技术密切相关的，在很大程度上研究的内容是重叠的。而图像的数字技术和计算机视觉技术正 在锝到越来越多的应用。 中国农业大学硕士学位论文 第一章序论 图像数字技术在广义上是各种于图像有关技术的总称。其研究内容主要包括以下三方面： 1 ) 图像处理 图像处理技术就是把现场获取的图像转换成具有所希望特性的另一幅图像。例如，可通过处 理使输出图像有较高的信噪比或通过增强处理突出图像的细节，以便于操作员的检验。在计算 机视觉研究中经常利用图像处理技术进行预处理和特征抽取。比较狭义的图像处理主要是指对 图像进行各种加工以改善视觉效果，并为图像识别打下基础。 2 ) 模式识别( 图像识别) 模式识别技术就是根据从图像抽取的统计特性或结构信息把图像分成预定的类别。例如， 文字识别或指纹识别。在计算机视觉中，模式识别技术经常用于对图像中的某些部分例如分割 区域的识别和分类。 3 ) 图像理解景物分析 图像理解是在图像识别的基础上，进一步研究图像中各个目标的性质和他们之间的相互关 系，并得出对图像内容含义的理解。一幅图像的图像理解程序不仅描述图像本身，而且描述和 解释图像所代表的景物以便对图像代表的内容做出决定。在人工智能视觉研究的初期经常使用 景物分析这个术语以强调二维图像与三维景物之间的区别。图像理解除了需要复杂的图像处理 以外，还需要具有关于景物成像的物理规则的知识以及与景物内容有关的知识。 1 3 数字图像处理在农业机械中的应用 图像处理技术在农业机械上的研究与应用开始于2 0 世纪7 0 年代末期，主要研究集中于农 产品分选机械中利用机器视觉技术对农产品( 如苹果、桃、香蕉、西红柿、黄瓜等) 进行品质 检测和分级处理等。由于受到当时计算机发展水平的影响，检测速度达不到实时的要求，处于 试验研究阶段。随着电子技术、计算机软硬件技术、图像处理技术及与人类视觉相关的生理技 术的迅速发展，机器视觉技术本身在理论和实践上都取得了重大的发展，在农业机械上的研究 与应用上也有了较大的发展。除农产品分选机械外，目前该技术已渗透到收获、播种、施肥和 植保等机械中，有些已取得了实用性的成果。 1 ) 数字图像处理在农产品分选机械中的应用 农产品分选机械是机器视觉技术在农业机械中应用最早、最多的一个方面。主要是利用该 项技术进行无损检测，即利用农产品表面所反映出的一些基本物理特性对产品按一定的标准进 行质量评估和分级。需要进行检测的物理参数有尺寸、质量、形状、色彩及表面缺损状态等， 机器视觉技术通过采集农产品外观图像，经过图像处理与分析，可一次获得决定农产品品质的 颜色、尺寸、形状及表面缺陷等参数，因此将机器视觉技术应用于农产品检测有若不可比拟的 优越性。 2 中国农业大学硕士学位论文第一章序论 2 0 年来，对农产品检测的研究有：一是水果类，如苹果、桃、柑橘等分级检测；二是蔬菜 类，如西红柿、黄瓜等品质检测；三是谷物，如大米、小麦的检测、分级：四是农副产品，如 鸡蛋的裂纹检测。在我国运用计算机视觉系统进行农产品分选的研究开展较晚，但正在日益得 到重视。中国农业大学刘禾博士( 1 9 9 4 ) ，完成了“计算机视觉在水果自动分级中的应用研究一 苹果自动分级”的博士论文，初步建立了一套根据苹果的形状、大小、表面缺陷进行自动分级的 试验研究系统。籍保平、吴文才在农业机械学报( 2 0 0 0 ) “计算机视觉苹果分级系统文中回 顾了计算机视觉技术在苹果品质检测和分级中应用的进展，提出了计算机视觉苹果高速分级的 系统模型。计算机苹果分级系统可以对苹果的外部缺陷、色泽、尺寸和形状进行全面的检测。 在此基础上，可对苹果进行高速和精确的分级。 2 ) 数字图像处理在农产品加工机械中的应用 农产品加工机械视觉技术的研究工作是在2 0 纪9 0 年代开展的，主要用于在农产品加工过 程中进行品质自动检测及反馈控制。例如在海产品鲜虾、鲇鱼肉产品的加工中，利用机器视觉 技术确定下刀位置，烘烤食品过程中利用机器视觉技术检测颜色来控制烘烤质量。 3 ) 数字图像处理在农业收获机械中的应用 机器视觉技术在收获机械中的应用研究始于2 0 世纪8 0 年代中后期，是近年来最热门的研 究课题之一。主要研究集中在农产品收获自动化( 包括蔬菜、水果的收获) 。其基本原理都是在 收获机械上配备摄像系统，采集田间或果树上作业区域图像，运用图像处理与分析的方法判别 图像中是否有目标( 如水果、蔬菜等) 出现，发现目标后，引导机械手完成采摘。研究的农产 品包括西红柿、卷心菜、西瓜、苹果、柑桔等。研制的机械有柑桔、樱桃和番茄收获机械等。 但是由于田间或果园作业环境较为复杂，使得采集的图像含有大量的背景噪声和干扰。例如植 物或蔬菜的果实常常被茎叶遮挡，田间光照也时常变化。因此，造成目标信息判别速度较慢， 识别的准确率不高。目前，国外已有部分成果应用于实际生产中。 4 ) 数字图像处理在农田作业机械中的应用 由于受计算机图像处理等相关技术发展的影响，机器视觉技术在农田作业机械中的应用研 究起步较晚。直到2 0 世纪9 0 年代中后期，相关研究才见诸于报道，主要是农田作业机械，如 播种、施肥、植保机械中的应用研究。采用机器视觉技术进行农田作业时，需要解决的主要问 题：一是植株秧苗行列的识别；二是作物行与机器相对位置的确定导向；三是杂草与植株的识 别。后一个问题尤其复杂，国外对该项研究工作的重点很多集中于这一问题。 我国的一些农业院校和研究所已开展了利用机器视觉技术进行作业机械田间导向、精密播 种、灌溉和施肥的精密喷施等项目的研究。 1 4 农药自动化喷洒在国内外发展的状况 目前，基于机器视觉的农药喷洒系统的研究主要集中在杂草识别系统，虫害识别等系统从 中国农业大学硕士学位论文第一章序论 二十世纪八十年代至今，经历了从室内到田间、从非实时到实时的发展过程。据资料表明”， 多数的研究是在具有可控光照、没有环境影响因素的实验室( 温室) 内进行的，这有利于采集 高质量的图像；而田间则有机械振动、光照不均、风、阴晴天等许多影响因素。而且，多数研 究是非实时( 静态的) ，也就是，先从室内( 或田间) 采集图像，再用计算机处理图像；而实时 ( 动态) 识别要求机载计算机立即处理采集的图像，确定杂草或虫害的位置或密度，决策系统 据此控制喷嘴的开关。至今，只有少数基于机器视觉的系统实现了田间识别，更少数成果开始 走向实际应用。 1 9 9 7 年，( g i l e s d k ，和s l a u g h t e r d c 等) 研制了一种能对成行作物实旌精量喷雾的装置。 该装置利用机器视觉导向系统使喷头直接位于每行作物的上方，并能根据目标作物的宽度自动 调节扇形喷头相对于前进方向的偏转角度，从而保证雾滴分布宽度与目标作物宽度相一致，以 减少农药浪费。经测定，与传统的喷雾方式相比，该系统的用药量减少6 6 8 0 ，目标作物上 的雾滴沉降效率提高2 5 3 7 倍，周围土壤的沉降量和空中漂移将分别减少7 2 - 9 0 和 6 2 9 3 ，该设备不仅节约了农药，提高了施药效率，而且还可以大大减少对环境的污染。后 来，l e e 等人在s l a u g h t e rdc 等人的基础上，研制了由机器视觉系统、精准喷施系统等组成的 智能杂草控制系统，该系统能根据植物形状特征的差异，识别作物和杂草并确定其位置，喷施 杂草和细小的作物植株。 目前，发达国家的研究主要集中在如何利用3s ( g p s ，g i s ，r s ) 空间信息技术和作物生产管 理决策支持技术( d s s ) ，对大田农作物生产进行精耕细作。这些国家之所以大力开展精细农业的 研究，是因为精细农业的实施可节约农业生产成本，提高土地的利用率，提高农产品的市场竞 争力，精细农业还可以减少生产资源的浪费，净化农业生产的生态环境，是实现农业可持续发 展的重要保障。国内外化学剂精细施放的研究概况在大田农作物的田间管理过程中，各种化学 剂的施放量直接影响农作物的产量、品质和农业生态环境，因此科学地施用化学剂是精细农业 研究中一个十分活跃的研究领域。在美国伊里诺大学，研究人员的研究主要集中在大田农作物 的杂草区域的图像识别及除草剂的智能化施用。为了在较大范围内确定杂草生长位置，他们将 低空飞机摄像与g p s 定位系统加以综合利用，但由于目前民用g p s 定位精度有限，为了在局 部区域更精确地判别杂草的生长状况，他们仍然采用在除草剂施放机械行走牵引装置前方装 c c d 摄像机以更精确地获取地面杂草图像信息。瑞士的一种旨在根据田间杂草及病虫害分布实 现精确喷药，减少成本和环境污染的c o m p u t e r a i d e d p e s t i c i d e a p p l i c a t i o n 系统已在试验使用。 在化学剂精细施放的研究中，人们主要是利用全球卫星定位技术( g p s ) 获取田间位置信息，利 用g p s 为定位处方施肥、喷药等农田作业提供位置信息和为变量作业机械提供田问引导信息。 人们主要利用地理信息系统技术( o i s ) 来进行作物苗情、作物病虫害、作物产量的空间分布等 的空间信息数据库的建立和进行空间信息的地理统计、图形转换与表达。 目前中国农民主要是凭借经验来决定化学剂的施用时间、地点和剂量，而成熟经验的获得、 传播、掌握受到积累年限、文化水准、传播媒介等因素的制约而难以得到普遍应用，其结果是 这些农用化学剂的滥用，从而从多方面制约我国农业生产的可持续发展。 1 5 小结 本章首先介绍了图像数字技术的研究内容概况，以及它在农业机械中的应用。接下来讨论 了农药喷洒自动化在国内外的发展情况。最后提出了将要的农药喷洒机的要实现的目标。 4 第二章智能喷洒机系统结构 2 1 系统总要求 以旱田作物( 棉花、小麦、玉米等) 、果树( 或道路两旁树木) 为施药目标，实旅采集目标 颁布状态图像，运用计算机专家决策系统，对何时、何地施药剂量做出科学决策并自动控制完 成施药作业，最终设计并建立一套适用于大田作物和果树农药喷施的智能化机器系统，为农药 喷施的精准、高效、低耗，减少环境污染提供有力的理论和技术支持。 2 2 系统的具体要求 ( 1 ) 系统可实现自动和人工手动农药喷施作业； ( 2 ) 机组行进速度在2 - 8 k m h 范围内，系统智能化喷施农药； ( 3 ) 系统可对不同喷药目标( 杂草、果树、作物上的害虫) 智能化喷洒： ( 4 ) 系统可以速度传感器信号实施大田作物农药的均匀喷施，避免机组行进速度变化、滑 转或滑移而导致的喷雾不均匀性； ( 5 ) 系统实现定位、定时、变计量精确喷施，要求图像采集、识别、决策、执行等动作迅 速准确： ( 6 ) 准确率达到8 0 一9 0 ； ( 7 ) 可靠性好，要排除环境、地形起伏、光照、露雨水等干扰 2 3 拟采取的技术措施 ( 1 ) 综合考虑该机器作业对象的不同和c c d 图像采集及处理等因素，大田作业摄像镜头朝 下，果园作业需朝向两侧，本机在拖拉机前方距地面约1 2 5 m 处，对称安装视角9 0 0 的彩色摄 像机，两机间距和高度及偏转角度可调。在田间为摄取作物叶面下部害虫的图像，安装相应的 反光镜装置。 ( 2 ) 两c c d 摄取的图像由同一图像采集卡和计算机处理分别控制左、右喷杆电磁阀的开关。 药泵的流量控制阀分别控制左、右喷杆的药量，实现多喷与少喷。 ( 3 ) c c d 安装在拖拉机的前方，喷洒机械安装在拖拉机的后方，其间距不少于3 m 。这样， 当前方冻结一帧图像后，喷洒机械行至此段时间完成图像识别及专家系统决策和实施农药的精 确喷施。 ( 4 ) 采用神经网络技术对杂草、果树、作物上的害虫分布图像进行识别处理。 中国农业大学硕士学位论文 第二章智能唼雾机系统结构 i i ( 5 ) 将杂草、果树害虫图像基础样本进行合理分类，并分别用子样本集训练多个较为简单 的神经网络，用相应的神经网络对图像处理，以有利于更快和更有效的进行实时识别。 ( 6 ) 在拖拉机尾部安装一个五轮仪或者在拖拉机前轮安装一个速度传感器用于实时测取拖 拉机行驶距离。c c d 每冻结一帧图像，计算机开始测距，当测得的行驶距离达到规定值，实施 农药喷施操作，避免因拖拉机行驶速度和滑转、滑移而导致喷施位置发生偏差。 ( 7 ) 当大田作物病虫害程度基本一致时，可只用速度传感器信号，通过计算机控制农药 喷施，保证在拖拉机速度变化时，喷施农药均匀。 ( 8 ) 键盘可手动操作让其停喷或工作，以利于地头转弯或转移地块。 ( 9 ) 采用正交实验技术，建立杂草分布密度、果树分布状态、病虫分布状态、图像样本与 农药使用量数据库。 步骤： ( 1 ) 搭建试验平台，完成单一绿色和单一动作的喷洒任务。 ( 2 ) 完成变量喷洒动作的设计。 ( 3 ) 针对虫害的喷洒设计。 4 智能喷洒机系统总体组成 2 4 1 智能喷洒机系统总体结构 智能喷洒机系统由机器视觉系统、数据采集系统、控制系统组成。我们将在下一章对机器 视觉系统作详细的介绍，这一节主要介绍数据采集系统和控制系统。数据采集系统和控制系统 主要包括数据采集卡、调理电路、储液槽、液体泵、流量传感器、压力传感器、速度传感器、 液体泵 圈2 - 1 智能哦洒机系统结构圈 6 喷头 中国农业大学硕士学位论文 第二章智能喷雾机系统结构 溢流阀、l t f f j 减压阀、喷杆、喷头等。系统如图2 一l 所示。储液槽内装有药液，泵启动后，液 体通过溢流调压阀、压力传感器、比例减压阀和流量传感器由喷头喷出。流量传感器和速度传 感器经数据采集卡将药液流量、拖拉机行驶速度传送给计算机，然后由计算机调节比例减压阀， 确定合适的压力值。计算机根据压力传感器的输入调节溢流调压阀保证管路中压力保持恒定。 本系统涉及到的输入主要包括流量传感器和压力传感器，输出为溢流调压阀、比例减压阀 和喷杆电磁阀。下面对数据采集卡和所用的各传感器和液压阀，及针对它们的调理电路做一简 单介绍。 2 4 2 数据采集卡 数据采集卡采用的是盛博公司的p c 1 0 4 总线的a d t 2 0 0 a d t 6 0 0 。该模块为中速模拟输入 模块可将与i b mp c 兼容的p c 10 4c p u 模块系统构成一个高性能的数据采集与控制系统。 a d t 2 0 0 a d t 6 0 0 具有以下特点： 8 1 6 个单端模拟输入通道；1 2 位，2 0 微秒a d 转换器；5 v ，1 0 v ，或0 u + 1 0 v 模拟 输入量程；可用电阻配置增益；2 4 通道基于t t l c m o s7 1 0 5 5 芯片的可编程数字量i 0 ；三个独 立的1 6 位，8 m h z 定时器计数器( 或5 m h z ) 。 数据采集卡的原理：模数转换部分经1 6 路选择器控制将模拟信号传给卡上的a d 5 7 1 模数转 换器，所以可以接受最多十六个通道的单端模拟输入，并将这些输入变换成12 位的数字信号， 然后可读出传送到p c 存储器中。板上的7 1 0 5 4 可编程的定时器是一个与8 2 5 3 定时器完全兼容 的芯片，包含三个l6 位的定时器计数器，支持很宽的定时与计数的功能。三个定时器计 数器中所有的时钟信号，门控信号及输出管脚均在i 0 的连接器上。a d t 2 0 0 a d t 6 0 0 有24 通道t t l c m o s 兼容的数字量i o ，由模块上的7 1 0 5 5 可编程外围接口( p p i ) 芯片提供的。7 1 0 5 5 与8 2 5 5 芯片完全兼容，能按3 种方式之一工作，可由软件设定。该数据采集卡与主板相连采用 i s a 总线。 2 4 3 电液比例阀 电液比例阀是一种按输入的电信号连续地、按比 例地对油液的压力、流量和方向进行控制的阀类。比 例阎具有压力补偿性能，所以它的输出压力和流量可 以不受负载变化影响。它由两部分组成，即比例电磁 铁和液压阀本体。前者将电控制器输入的电信号转换 成力或位移输出去操纵液压阀，液压阀又将输入的机 械信号转换为压力。优点是：能采用电信号对液压执 行元件的力进行连续、成比例地控制；能实现远距离 控制、程序控制和自动控制；成本低，抗污染能力强。 图2 - 2 缺点是：和电液伺服控制相比，控制精度低，响应速度较慢。 本系统使用的比例减压阀是由华德液压集团公司液压阀分公司提供的4 w e 6 0 5 0 a g l 2 n z 4 中国农业大学硕士学位论文第二章智能喷雾机系统结构 型，比例电磁铁规格为：m f z 6 2 2 y c ，1 2 v ，d c 3 0 w 。其工作压力整定为实际需要压力范围：01 05 m p a 。其工作电流范围为：l o o m a 到8 0 0 m a 。图2 2 为所使用电液阀图片 本系统采用了北京液压技术研究所提供的v t - 2 0 0 0 b s 4 0 g 型比例减压阀控制器作为电液阀 圈2 - 2v t - 2 0 0 0 b s 4 0 g 比倒硅压阿控制器蜃理图 功率放大。输入0 到9 v ，输出1 0 0 到8 0 0 毫安电流线性可调。其原理方框图见图2 - 2 所示 差动电压信号从2 8 ，3 0 两端输入，其中2 8 端接高电平，3 0 端接低电平，差动信号的幅度 从0 - 1 0 v 变化时比例电磁铁中相应的产生1 0 0 8 0 0 m a 电流，实现远程控制。当系统所需电流不 到8 0 0 m a 时，通过调节电位器p 2 限定电流最大僵。电位器p 4 、p 5 分别用来调节输出电流的 上升斜坡时间和下降斜坡时间。v t - 2 0 0 0 b s 4 0 g 型比例减压阀的主要技术参数如下： 电源：全桥整流2 4 v 士l o ；功率：3 0 w ：负载电阻：1 9 6 q ；先导电流：1 0 0 m a ；最大 输出电流：8 0 0 m a ；控制电压：士9 v 士1 ；温度漂移：o 5 ( 最大电流值) ；平均无故障时 间：大于2 0 0 0 小时 在设计中根据植物的多少将喷出的药液的多少分成几个等级进行控制。采用电阻分压，用 4 0 5 1 作为多路开关，将比例减压阀的输入设为8 个级别来控制输出药液的流量。 2 4 3 压力传感器 压力传感器主要用来测量管路中的压力，从 而控制溢流调压阀使管路中的压力保持恒定。压 力传感器选用的为s p r a y i n gs y s t e m s c o 的 4 6 1 0 4 1 0 型( 如右图) 。其主要参数： 压力范围为：0 - 1 5 0f 0 - 1 0b a r p s i 最小激励电压：1 0 v d c 输出信号：4 - 2 0 m a 8 中国农业大学硕士学位论文 第二章智能喷雾机系统结构 最小误差：1 数据采集板上模拟量的输入范围设定为0 1 0 v 。为此在电路中串一个o 5 k 的精密电阻， 得到2 i o v 的电压信号，经过两级功率放大电路传送给数据采集卡。 帛二谁 姻黝的输人 2 , 4 4 流量传感器 圈2 - 4 压力测量电路 流量传感器用来测量管路的工作情况。计算机通过流量传感器测量管路中实际流量情况和 速度传感器反馈回来的拖拉机行进速度去控制比例减压阀调节压力和流量。流量传感器选用的 为s p r a y i n gs y s t e m sc o 的3 8 4 1 0 - 3 4 型脉冲型流量传感器。脉冲型流量传感器具有较高的测量 准确度和可靠性。其主要参数为： 1 激励电压：1 2 v d c w cn m 2 最小流量：1 9 加仑分钟 7 升秒】 3 摄大流量：精度为1 时为 18 5 加仑分钟 7 0 升秒 ；精度 为3 时为3 7 0 加仑分钟 f 1 4 0 升秒】 流量传感器输出为脉冲信号，经图2 4 电路输入系 统计数器。流量的表达式为： 1 1 12 - 4 脉冲输入隔离 q = k q f q ( l s ) ( 式2 - 1 ) 式中：k q 流量系数( l 脉冲数) f q 流量测量信号脉冲的脉冲频率 2 4 5 速度传感器 肌， 拖拉机行进速度的快慢影响着喷药量的大小。行进速度越快，单位时间内需要喷药的植物 也就越多，因此需要的药量也就越大。需用速度传感器来测量拖拉机的行进速度，根据它来控 制比例降压阀将压力控制在一个合适的位置，这样才能满足随着行进速度的提高对药量的需求。 9 中国农业大学硕士学位论文 第二章智能喷雾机系统结构 选用的为雷达速度传感器，输出为脉冲信号。其主要技术参数为： 速度范围：o5 - 2 50 英里，j 、时( o 8 - - 4 0 2 千米d , 时) 激励电压：1 0 - 1 6v d c 温度范围：3 0 c + 8 5 c 输出频率：5 7 4 2 赫兹英里小时 对于速度的测量同对流量的测量相似，采用计数器对脉冲技术确定速度，调理电路也一样。 2 4 。6 溢流阀 溢流阀的主要功能是维持系统的压力近于恒定，同时也起到安全保护的作用，防止液压系 统过载。我们选择的是s p r a y i n gs y s t e m s 公司的3 8 5 5 0 3 4 4 a e - 2 r l 型三线直流电动球阀作为远 控溢流阀。其从开启到闭合响应时间为6 秒钟，最大操作压力为3 0 0 p s i ，安装方便，功耗低。 2 5 小结 本章主要介绍了智能喷洒机系统的总体设计。包括系统的设计总要求，要做到精准、高效、 低耗，减少环境污染。并从9 个方面提出了较为具体的要求，目的是实现整个系统原理不落后 实现过程简单且经济适用。并对拟采取的措施作了具体的介绍。最后对智能喷洒机的部分硬件 及其功能作了简单的介绍。 1 0 中国农业大学硕士学位论文 第三章计算机视觉系统构成 第三章计算机视觉系统的构成 计算机视觉系统( 图像处理系统) 一般包括图像输入设备，图像输出设备，计算机，以及 软件系统。本系统用c c d 作为图像摄入设备。因为在田间作业，因此选择了体积小、功耗低、 可靠性高、抗震能力强的p c 1 0 4 总线嵌入式计算机搭建系统平台，配有p c 1 0 4 总线图像采集 卡、电源模块、数据采集模块构成嵌入式计算机系统。 3 1 嵌入式系统介绍 嵌入式计算机是8 0 年代末9 0 年代初出现的一种新型的工业控制计算机”，它的英文名 称是e m b e d d e dc o m p u t e r ，因其符合p c 1 0 4 嵌入式控制国际标准，故嵌入式计算机又称为 p c 1 0 4 计算机，它的出现和发展是计算机技术及工业飞速发展的产物，有着广泛的应用前景。 p c 1 0 4 是嵌入式p c 的机械电气标准。自9 0 年代以来，p c 总线成为最为普及的总线标准 之一，其应用已从台式个人计算机扩展到工业控制、仪器仪表等领域。采用p c 总线标准进行 嵌入式系统的开发虽然可以获得大量的软件支持，但存在产品体积庞大、功耗高、可靠性低等 缺点。为解决这一矛盾，1 9 8 7 年有关厂家推出了p c 1 0 4 总线模式。p c 1 0 4 提供的是一个非常 紧凑的与标准台式p c 或p c a t 结构完全兼容的层叠栈接模块。它重新包装台式p c 机的全部 功能于一个统一格式标准、稳定可靠、灵活以及符合嵌入式系统尺寸的标准模块中。p c 1 0 4 与 p c 兼容，用于嵌入式系统设计以替代传统的嵌入式微处理器。p c 1 0 4 与p c 之间的主要不同是 机械性能。p c 1 0 4 模块是3 5 5 0 1 n 3 ，7 7 5 i n ( 1 i n = 2 5 4 蛳) 层叠栈接模块结构，取代p c 或p c a t 母板或扩展板的形状模式( 12 5 i n 4 8 i n ) 。p c 1 0 4 模块的层叠栈接总线连接结构使pc 在其复 杂性、价格和母板的尺寸、底板或插板( 扩展板) 定位支架等方面都得到改善。每个模块用4 个公母尼龙( 金属) 托架支撑，层叠模块之间有0 6 i n c h 的安全空间。p c 1 0 4 采用加固的6 4 芯和4 0 芯公f i t 直立式总线连接器，取代了标准pc 的6 2 芯和36 芯边缘总线( 金手指) 连接器。p c 1 0 4 的总线信号定义与p c a t 总线相对应，被分配到6 4 芯和4 0 芯两个插头的10 4 个引脚。 在低功耗方面，每个p c 1 0 4 模块是1 w 2 w 。因为减少了芯片数量，总线驱动从普通p c 的24 m a 降低到4 m a 。这就允许hct 逻辑和许多v lsi 集成电路( ic ) 器件直接驱 动总线而不需附加缓冲芯片。在以p c 1 0 4 为基础的系统中，可以容许接4 个模块以及安装必 要的总线终端。由于减小了源出吸收电流，p c 1 0 4 标准还定义了一种特殊的a c 终端方式， 它能够在无静态电流延伸期间提供一种良好的阻抗匹配。另外，8 位的p c 总线系统一般包括6 条中断线，适合用于典型的pc 接口。因为pc 总线中断信号是高电平有效，而不允许一条总 线中断信号线上有多个中断源线与。所以p c 1 0 4 标准定义了一种轮流分享中断方式。随着基 于p c 1 0 4 总线的嵌入式系统的推广应用，p c 1 0 4 逐渐成为一个事实的标准。1 9 9 2 年，i e e e 根 据这一标准制定有关标准化，并推出了“i e e e p 9 9 6 1 嵌入式p c 模块标准”。 p c 1 0 4 总线模块具有如下特点： ( 1 )与p c 机软件、硬件完全兼容，因此可以利用现有的较丰富和成熟的软件硬件开 发方法、工具、设计知识等资源，为技术人员提供良好的开发环境，缩短产品开 发周期，降低开发成本。 中国农业大学硕士学位论文第三章计算机视觉系统构成 ( 2 ) p c 1 0 4 模块体积超小( 9 0 m r n x 9 0 m m x l 5 m m ) 、功耗低( 1 2 w ) 、无需散热、可 层叠，完全可作为特殊的芯片嵌入到各种设备中。 ( 3 ) 模块之间采用独特的纵向层叠或侧向接插的接台方式，将通常的印刷板边缘接插 改为插针插座结构，省去了总线扩展底板和插座，抗震动，冲击能力强，可靠性 高。 ( 4 ) 可靠的“插头一插座”总线连接器，包括6 4 针的p 1 ( 8 位基本总线) 和4 0 针的p 2 ( 8 位扩展总线。 ( 5 ) c p u 模块可以提供从p c 到4 8 6 等不同档次的标准化产品。 ( 6 ) 外围模块安全，可以提供显示控制、磁盘控制、通讯控制、网络控制、数据采集 及控制等各种不同功能的模块。 ( 7 ) 绝大多数p c 1 4 0 4 模块均采用单+ 5 v 电源，从而降低了系统对电源的要求。 ( 8 ) 工作温度范围宽，最大可达4 5 c 8 5 c 其中，6 4 针的总线连接器p 1 除第6 3 、6 4 引脚为增加的地线外，其余与8 位p c a t 总线 ( 6 2 个引脚) 完全兼容：4 0 针的p 2 则仅比p c a t 扩展总线增加了第2 和第4 0 两个地线引脚。 p c 1 0 4 系统往往包括不同功能的多个模块，如c p u 模块、l c d 、软驱模块、c r t 、硬盘 模块等，这些模块通过总线连接器p 1 、p 2 连接，并利用标准的固定孔进行固定，形成栈接式 的紧凑结构。 p c 1 0 4 的出现为嵌入式应用提供了标准的系统平台，它秉承了p c 开放式总线结构的特点， 与i b m - p c1 0 0 兼容，具有嵌入式系统的自身特点。它的超小尺寸、超低功耗、宽温特性、单 + 5 v 供电，以及一系列针对嵌入式应用的功能扩展为设计应用系统提供了标准的、可靠的、功 能强大的、方便开发的系统主件，也为系统日后的维护升级带来了巨大的方便。目前嵌入式计 算机己应用于医疗器械、航空导航系统、数据采集系统、通讯设备、工业控制、安全警戒系统、 自动售货机及便携移动式应用系统等领域。本课题为嵌入式系统在农业工程方面的应用作了初 步的探索。 l p c 1 0 4s p e c i f i c a t i o nv e r s i o n2 3 j u n e1 9 9 6 3 3 2 处理单元 处理单元采用的是盛博公司生产的s c m s p t 模块。它是一款真正的“a 1 1 i n o n e ”的c p u 模 块，它在板集成了1 0 1 0 0 b a s e t 以太网接口及高性能图形处理器。c p u 是一片x 8 6 兼容的6 4 位第六代处理器，最高运行速度可达3 0 0 m h z ，在板内支持最大1 2 8 m3 3 vs d r a m ，其图形处 理器可支持各种l c d 及t f t 显示屏，2 m 内置显存支持至1 2 8 0 x 1 0 2 4 种颜色，同时在板上除支 持p s 2 键盘、p s 2 鼠标、e 1 d e 接口、f l o p p y 接口、两串一并接口、c f 卡插座、u s b 、i r d a 、 w a t c h d o g 外还支持p a n e ll i n k ( 可选) 、声卡功能及t v 输出( 可选) 。 s c m s p t 模块遵从p c 1 0 4 + 标准，提供p c 1 0 4 总线及p c 1 0 4 + 总线( 可选) 。 中目农业大学硕士学位论文 第三章计算机视觉系统构成 3 3 图像采集卡 系统中所采用的图像采集卡是基于p c i 总线的高速图像采集卡s y s e x p a n m o d u l e v c m 。输 入的视频信号，经数字解码器，模，数转换器。比例缩放，裁剪，色室变换等处理，通过p c i 总线传到v g a 卡实时显示后传到计算机内存实时存储。数据的传送过程是由图像卡控制的， 无需c p u 参与。数据的实时传送是s e m v c m 卡的突出特点。s e m v c m 图像采集卡的p c i 接口是严格按照p c i 规范2 2 版( 向下兼容) 自行设计的，传输速率最高可达1 3 2 m h z 。它的 性能和主要技术指标如下： 标准p a l 、n t s c 、s e c a m 制彩色黑白视频信号输入： 软件选择四路c v b s 输入，或两路y c 输入； 一路c c i r 6 5 6 格式的数字视频输入； 即插即用的硬件配置( p c i 2 1 兼容) ； 高达2 5 帧秒( p a l ) 和3 0 帧秒( n t s c ) ； 亮度、色度、对比度等软件可调： 硬件完成输入图像的比例缩放( s c a l e ) 和裁剪( c h i p ) ，采集图像的大小，位置可灵 活设置； 图像采集最大分辨率：p a l 一- 7 6 8 5 7 6 2 4 b i t ；n t s c 一6 4 0 4 8 0 2 4 b i t ： 硬件完成输入图像的色度空间变换( c o l o rs p a c ec o n v e r t i o n g ) ，支持y v u4 ：2 ：2 ，r g b 2 4 ，r g b l 5 ，r g b l 6 等多种图像格式的显示和存储； 图像覆盖( o v e r l a y ) 功能。通过填写屏蔽( 煳k ) 模板，可实时显示和存储任意形状 的输入图像； 可按单场( 奇场或偶场) ，单帧，连续场，连续帧，间隔几场或几帧等多种方式灵活的 采集图像； 机械尺寸：90 l03 24 衄； 3 4 电源模块 为了配合田间作业，电源模块采用专为移动交通工具和嵌入应用设计的p c 1 0 4 总线 j u p i t e r m i d 电源模块。d c d c 转换电路提供最大的功率，最小的功耗。性能和可靠性通过精密 的表贴组件得到优化。温度范围为一4 0 到+ 8 5 ，使其更适用于交通工具和恶劣环境。 j u p i t e r 一删电源模块的技术规范如下： 输入电压： 输出电压电流 输出功率 + 5 v1 0 a 一5 vo 2 a 5 0 w + 1 2 v2 a ： 一1 2 vo 7 5 a 中国农业大学硕士学位论文第三章计算机视觉系统构成 3 5 嵌入式计算机系统 圈3 , 4嵌入式幕境的样机 基于p c i 0 4 总线的嵌入式计算机系统如图3 4 所示 由图可见，该嵌入式计算机系统结构紧凑。四层模块由上置下依次为图像采集模块、c p u 处理单元、电源模块和数据采集模块。 3 6 开发平台 本系统选用了v i s u a lc + + 作为图像处理和喷洒控制算法的开发工具。图像数据采用的是b m p 格式，它是m i c r o s o f t 公司在w i n d o w s 下定义的格式。图像数据的大小为3 6 0 x3 0 0 2 4 b i t 图2 1 为智能喷洒机部分硬件简图。各部分的作用如下： ( i ) c c d 摄像头、图像采集卡、计算机构成了机器视觉系统，完成对图像的摄取，将模拟 信号转换为数字信号，并通过计算机完成对图像的处理及刹断，并控制唼药过程。本系统综合 考虑了该机器作业对象的不同和c c d 图像采集及处理等因素，大田作业摄像机朝下，果园作业 需朝向两侧。因此本系统采用两个视角9 0 。摄像头。两个c c d 摄取的图像由同一图像采集卡和 计算机进行处理。 ( 2 ) 工业控制卡主要包括数据采集卡和信号调理电路。数据采集卡包括模拟量输入通道和 数字量输入、输出通道。其作用为采集模拟信号和数字信号供给处理器单元由其进行判断、处 理，并且输出控制信号去控制相应的设各动作。调理电路是对信号进行电的隔离、阻抗的变换、 电平的转换、放大以及各种各样的计算( 模拟的或数字的) 。 ( 3 ) 压力传感器和流量传感器主要是显示管路的工作情况。 ( 4 ) 溢流调压阀分别控制水泵、药泵的工作压力和卸压，使二者压力值相同，从而控制喷 头工作压力。 ( 5 ) 左右喷杆电磁阀根别控制左、右喷杆，实现喷、停。 3 7 小结 本章首先从数学模型上论述了图像的两种表示方法，接着推导出图像平面和显示几何空间 的几何关系。本机器视觉系统是由嵌入式系统构成，所以先介绍了基于p c 1 0 4 总线的嵌入式系 统的概念及特点。然后对本系统所采用的各个硬件组成部分包括处理单元、图像采集卡、电源 模块和数据采集模块作了简单的阐述。最后对系统与外部电路的接口电路的设计作了简要的