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莱阳农学院硕士学位论文摘要 对靶变量施药系统控制软件的研究 摘要 对靶变量施药喷雾机能够根据施药靶标的有无和靶标特征的变化选择性地对靶变 量施药，这对提高农药的利用率，减少药液的浪费和环境污染，使资源得到更合理的利 用和降低生产成本，减少化学药剂对环境的破坏等具有重要意义。目前对靶变量施药机 器系统的性能主要受上位机单元图像处理的速度和下位机单元控制协调能力的影响。在 总结国内外研究的基础上，本文对这两部分进行了详细的理论研究和设计。完成的工作 i 要南： 1 在导师史岩教授研究设计的自动对靶压力式变量施药喷雾机的基础上，结合后 续的图像处理的实际情况细化了结构设计实现了单个喷头的独立控制，使系统在硬件上 实现了对靶变量工作性能的基本要求。 2 针对上位机单元设计并开发了基于机器视觉的杂草识别软件系统。软件系统的 设计主要采用了模块化和类的思想。系统包含三个模块：植物与背景分割模块、杂草与 作物分类模块及上位机智能决策模块。植物与背景分割模块包括超绿色法闭值分割、h 色调阉值分割和分割后处理等；杂草与作物分类模块包括图像特征提取模块、两种作物 与杂草的分类模块和杂草量计算模块；上位机智能决策模块包括上位机信息的发送与下 位机信号的接收两部分。 3 杂草与作物的分类，对于小麦等务播作物采用位置特征法分离出杂草。对于玉 米等点播作物，采用距离闽值法进行区域合并，提取区域形状特征，然后通过神经网络 分类器进行杂草的分离。 4 采用v c 编程实现了人工神经网络识别玉米和杂草的方法。 5 上下位机的串行通信直接采用了m u m e g at e c l l n o i o g i e s 公司提供的v c + + 中的 c s e 血l 类实现。 6 完成了下位机部分的整体规划和设计。在设计中采用8 9 c 5 2 做主体实现数据采 集和主机通信及控制，这样避免了采用独立的数据采集卡采集数据时所必需占用的上位 机资源，从一定程度上提高了系统的整体速度。 关键词：施药系统对靶施药图像处理人工神经网络 莱阳农学院硕士学位论文 摘要 s t u d yo nt h es o f t w a r eo fc o n t r o ls y s t e mo ft a r g e t i n g s p r a y e rs y s t e mw i t hv a r i a b l es p r a yr a t e s a b s t r a c t a u t o m a t i ct a 喀e t i a c t i v a t e dh e r b i c i d es p r a y e c a l ls e l e c t i v e l ys p r a ya c c o r d j n gt ot h ea l l o c a t i o na n d t h ec h a r a c t e r i s t i cc h a n g eo f t h et 踟瞥t 1 tc a ni n c r e a s et h ee 箭c i e n c yo fc h e m i c a lu s e ，r e d u c e 血ep e s t i c i d e w a s t ea n de n v i m n m e n tp o l l u “o n ，m a l ( et 1 1 ef h l lu s eo fr e s o u r c ea n dr e d u c et h ec o s to fp r o d u c t i o n i tc 柚 a l s dh l c r e a s et h ea g r i c u l t i l r a ls u s t a i n a b l ed c v e l o p m e ma n dr e d u c et h ec h e m j c a lt h r e a tt ot h ee n v i r o n m e n t a tp r e s e n t ，t i l ec 印a b j l j t yo f s y s t e mo f a u t o m a t i ct a 唱e t _ a c t i v a t e dh e r b i c i d es p r a y e ri sm a i n l yi n 丑u e n c e db y t h es p e e do fp ci ni m a g ep m c e s s i n ga n dt h eh a m o n yc a p a b i l j t yo ft h es c m r e v i e w i n go fr e l a t j v e r e s e a r c ha th o m ea n da b r o a d ，m ea b o v et 、v oa s p e c t sw e r es t u d i e dt h ec o n t e n t so f t h es t u d yc o u l db eb r i e 玎y s u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 a im eb a s e0 ft h es y s t e mo fs p r a y i n gr a t ev a r i e db yp r c s s u r eo fj i q u i dc h e m j c a la p p i i c a t i o n d e s i g n e db ym yt l i t o rp r o f e s s o rs h i ，u n i t i n gt h e1 a t e rj m a g ep m c e s s j n g ，c o n t r i v et h ed e t a i l so ft h es t r u c t u r e a n dr e a j j z et h ei n d e p e n d e n c ec o n 仃o lo ft h es i n g l es p r a y e tt h e nt h es y s t e mc o u l di m p 【e m e n tt h e p e r f b m l a n c eo f t h ev a r i a b l et a 曙e ts p r a y i n go nt h eh a r d w a r e 2 as y s t e mo fw e e dd e t e c t i o nb a s e d0 nm a c h i n ev i s i o nw a sd e s i g l l e da n dd e v e l o p e d t h es y s t e m w a sd e s i g n e di nm o d u l a r i z a i i o na n dc i a s sm e t h o d si tc o n t a i n e dt | l r em o d u l e s ：o n ew a ss e 粤n e n t a t i o n0 f p l a n ta n db a c k g m u n d ，t h eo t h e rw a sc l a s s i f l c a t i o no f c m pa n dw e e d ，山el a s tw a sd e c i s i o n m a l ( i n gm o d u i e - t h e 矗r s tm o d u l ei n c l u d e se x c e e d i n g - g r e e nt h r e s h 0 1 ds e g m e n t a t i o nm e t h o d ，h u et h r e s h o l ds e g m e n t a t i o n m e t h o da n dt h es e g m e n t e dp r o c e s s i n ge t ct h es e c o n di n c i u d e st h ee x t r a c t i o no ft h e ；m a g ec h a r a c t e ra n d t h es e g m e n t a t i o no fc m pa 1 1 dw e e d t h ei a s to n ei n c 】u d e sl h ei n f o r m a t i o ns e n d i n go ft h ep ca n dt h e r e c e i v i n go f t h es c m 3 t nt h ec i a s s 讯c a t i o no fd j 1c r o p s ，f o re x 枷p i e ，w h e a ta n dw e e d ，w eu s e dl o c a t i o n 凫a m r e f o r d i b b i i n gc r o p ， c o ma n dw e e d ，矗r s t l yd i s t a n c ei h r e s h o l dw a sb r o u g h tt om e 曙en e a rr e g i o n st os o l v et h e p r o b l e mo fs e g m e n t e d - r e g i o n sf h g m e n i a t i o n ；w eg o tt h er e g i o n ss h a p ef e a t u r e ，t h e nc l a s s i n e dc o ma n d w e e db ya r t i 厅c j a ln e u m 】n e t w o r k 4 t h ea n i 疗c i a ln e u r a ln e t 、v o r kw a sr ea i i z e db yv c + + p r o g m mi nt | l ec l a s s 讯c a t l o no f c o ma n dw e e d i i 莱阳农学院硕士学位论文摘要 5 t h ec o m m u n i c a t i o no f p ca n ds c mw a si m p l e m e n t e db yt h ec s er i a lc l a s so f v c + + b e i o n g e dl o m u m e g at e c h n o l o g i e s 6 t oc o m p l e t et h ew h o l ep r o g r a m m i n ga n dd e s i g no f t h es c mw eu s e d8 9 c 5 2t or e a l j z et h e c o i i e c t i o no f t h ed a t a ，t h ec o m m u n i c 8 t i o nw i t hp ca n dt h ec o n t r 0 1o f n o z z l e s ，t h e nc o m p a r i n gw j t ht h a lw e u s es i n g l ed a 诅c o i i e c t i o nc a w ec o u i ds a v em o r et i m ea n dr e s o u r c ef o ri m a g ep r o c e s s i n ga 1 di m p r o v et h e e f f i c i e n c yo fw h o l es y s t e m k e y w o r d s ：s p r a y i n gs y s t e m ，k l r g e ts p r a y i n i m a g ep r o c e s s i n g ，a r t m c i a ln e u r a ln e t w o r k i i 莱阳农学院硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 研究的目的和意义 农田杂草是指那些生长在农田、分布广、危害农作物、非人工有意栽培的草本植物。 它是长期适应当地作物、耕作、气候、土壤等生态条件和其它因素而生存下来的，是农 业生态系统中的一个组成部分，是自然环境中适应性最强、最繁茂的植物。根据联合 国粮农组织报道，全世界共有杂草近5 万种，其中农田杂草8 0 0 0 多种，危害粮食作物 的杂草约2 5 0 多种。我国农田杂革约1 5 0 0 多种，其中恶性杂草有3 8 种，区域性杂草 有9 4 种，常见杂草有3 6 4 种1 2 j 。 田间杂草同作物竞争水分和养分，侵占地上和地下空间，影响作物光合作用，干扰 作物生长：如不及时控制，会导致作物产量下降、质量受损。据估计，全球1 5 亿公顷 耕地每年仅杂草危害就造成约7 6 3 亿美元的损失。我国农田杂草危害面积大约为4 0 0 0 万公顷，主要发生在水稻、小麦、玉米、大豆、棉花五大作物农田，造成严重减产。小 麦田草害面积l o o o 万公顷，产量损失4 0 亿公斤；玉米田草害面积6 6 0 万公顷，产量损 失2 5 亿公斤既 农田杂草防除的方法主要有机械除草、化学除草、人力除草、静电除草、生物除草 和综合治草等【4 1 。机械除草虽然效率较高，对环境污染少：但需消耗大量的动力，造成 土壤压实，抑制下茬作物生长。静电除草在除掉部分杂草的同时也能造成作物烧伤，甚 至影响土壤结构，降低土壤的生产能力。生物除草是从分子生物学角度进行研究，还没 有真正应用于生产。综合治草主要着眼于减少环境污染，通过轮作和复种等手段来抑制 杂草生长，但除草效果不明显，只有配合其它除草方法才能更有效地控制杂草。人力除 草由于其劳动强度高而逐渐被其它除草方法所代替。化学除草由于高效的除草能力而备 受广大农民的青睐，已成为主要的除草方式 5 i 。化学除草剂对有效的控制杂草危害，增 加作物产量，提高生产率起了非常大的作用。但是，除草剂的大量使用，也产生了许多 不良影响，如对水资源、土壤和空气的污染，对当茬或后茬作物的药害，除草剂在作物 中的残留对人类的影响等，还能诱导杂草群落迅速发生演变，以及使杂草产生抗药性 m ，”。在我国，每年使用的除草剂达4 5 种，消耗总量近4 7 万吨，使用方式普遍为粗放 式的大面积喷洒，喷洒到作物和土壤等无杂草区域的除草剂不仅造成了浪费，还造成了 潜在的生态环境危害川。 因此，在发挥化学除草防除杂草节省劳力、除草及时、经济效益高等优点的同时， 还应尽可能的减少除草剂的施用量，以保护环境、节约成本。所以针对我国的实际情况， 莱阳农学院硕士学位论文 l 绪论 研制用于化学除草的智能化的变量喷药机是十分必要的。变量喷药技术属于精确农业的 范畴，主要是指借助于计算机视觉技术，识别出杂草覆盖率并确定杂草的位置。据此实 施适量、定位喷洒除草剂，而对没有杂草的区域则不喷洒除草剂。这不仅能有效的减少 革害，提高农产品的产量和质量，而且能大大节约除草剂的使用量，降低投入，还能保 护生态环境，可见有着重要的经济意义和生态意义。随着计算机软硬件性能价格比的提 高，特别是近十年来计算机技术在各个领域的渗透，利用计算机视觉技术来识别田问的 杂草，从而实现智能化除草的思路已经变得切实可行。计算机杂草识别技术的研制与应 用，将有力地推动除草自动化的实施，对于促进我国农业现代化的发展，特别是“精准 农业研究与示范工程”在我国的发展有着十分重要的意义。 1 2 国内外研究现状分析 1 2 1 国内外施药系统的研究现状与分析 从上个世纪9 0 年代开始，以美国、日本为代表的发达国家已经开始研究面向农业 生产的农药可变量应用。t h o m p s o n 等提出，要针对杂草区有选择地准确喷洒除草剂f s p o t s p r a y i n g ) ，而不是大面积喷洒除草剂的思想”j 。为了实现根据靶标的有无和靶标特 征的变化选择性地对靶施药，提高农药在靶标上的附着率，减少农药在非处理区地面的 沉降，使资源得到更合理的利用和降低生产成本。国外许多学者在自动对靶喷雾机器系 统方面进行了大量的研究工作。 d - k g i l e se ta l 【1 5 j ，研制了一种能对成行作物进行对靶带状喷雾的机器系统，系统 的机器视觉导向装置控制喷头直接位于带状作物的上方，电力操纵的机械式杆件使扇形 喷头绕其中心轴转动，以改变扇形喷头相对前进方向的偏转角，从而保证雾滴分布宽度 与作物宽度相一致，使喷幅恰好覆盖目标，实现精确喷洒，减少了农药的浪费和对作物 周围土壤的污染。机器视觉系统使用了s l a u 旦h t e re ta l 描述的幼苗识别算法来分析行作 物图像，保持喷嘴在作物行上方位置。喷嘴位置由机器视觉系统以1 0 h z 速率通过电气 接口对移动杆上的液压马达进行调整。经测定，与传统大面积喷洒相比，该系统可使用 药量减少6 6c 扣8 0 ，目标作物上雾滴沉积率提高了2 5 3 7 倍。目标周围土壤沉积率减 少7 2 9 0 ，漂移量减少了6 2 9 3 。 l t i a n ，j f r e i d ，j w h 咖e l 研制了一种基于机器视觉的精准对靶喷雾系统，实 时识别杂草密度和尺寸，实现对靶施药，有效减少了玉米、大豆等田地除草剂的使用量。 该喷雾机视觉系统的多个摄像头，在计算机处理前，多路图像画面形成一个画面 ( 5 1 2 4 8 0 p i x e i s ) ，摄像头安置在喷杆前方l 米处。系统采用美国b o r l a n 公司c c + + 4 5 莱阳农学院硕士学位论文1 绪论 编译器进行图像处理和控制算法开发，解析图像4 8 0 像素行51 2 像素栏。每幅图像由4 个象限( 各是2 4 0 像素2 5 6 像素) 构成，每幅图像覆盖总面积6 1 m o 4 3 m 。在实时图 像处理中，只对每幅图像的上部区域( 5 1 2 像素x 5 6 像素) 处理，处理部分代表在喷雾 机喷杆前方一个宽3 0 5 m ( 4 行) 和长o 4 3 m 的区域。在喷杆上布置有1 2 个喷嘴，所以 每个喷嘴代表一个4 2 像素x 5 6 像素的图像控制带。 s a d j a d i ；f i r o o z a 等【1 7 发明了一种杂草快速识别对靶施药机器系统，通过叶绿素传 感器探测植物并与存贮的图像比较、判断，通过执行机构控制喷头进行选择性喷雾。 d o m c h o w s j ( i ，g r a e o r z 等研制了一种用于果园和田间除草的间歇喷雾机器系统，该装置 由光学探测系统和喷雾系统组成。每个喷雾单元上配置了一套光学探测器，探测器发出 两柬不同波长的光( 6 7 0 和7 5 0m ) ，利用叶绿素的反射光差异判别目标的有、无，从 而通过电磁阀控制喷雾单元进行喷雾和停喷，该系统能分辨出果树的大小或杂草密度。 美国p a t c h e n 公司研制的w e e d s e e k e r 对靶喷雾系统，主要由叶色素光学传感器、 控制电路和阀等组成。当传感器通过检测叶色素判定有草存在时，即控制喷头对准目标 喷洒除草剂。该机具主要用于行间、沟旁、道路两测喷洒除草剂，可节省农药6 0 8 0 ( 陆 泳平，2 0 0 1 ) 。s l a u 曲t e rd c 等也研制了一种用于公路两侧地带对靶喷洒除草剂的机 器系统，该系统主要由一个机器视觉系统和个快速响应间歇喷雾系统组成，实时采集 施药区域图像并根据杂草的有、无进行间歇的喷洒除草剂机器，可明显减少除草剂的用 量。 m a v ，k e n z e l 【2 0 】发明了一种能自动调整喷杆高度，自动对靶喷洒除草剂的机器系统。 其中一个光电传感器置于作物行的上方，当探测到有杂草时将信号传送至逻辑计算机 ( p l c ) ，由计算机根据拖拉机行走速度，发出指令给喷雾装置的执行机构。另一个传 感器用于探测作物与喷杆的高度差并发出信号给控制机构以自动调节喷杆的高度，从而 使喷杆与作物之间始终保持有合适的高度，以确保农药准确覆盖。 美国f m c 公司研制了一种果园对靶喷雾风送喷雾机，通过超声波传感器确定果树 的形状，机载的计算机使喷出的药液精确地与果树形状相一致。计算机可调节总喷量， 使喷量与喷雾机作业速度相匹配。无论作业时流量如何变化，控制系统保持管道内的压 力不变，精确地、瞬时地补偿喷雾所需要的流量变化，保证了精确的农药分布。俄罗斯 也研制了一种具有间歇喷雾装置的果园风送喷雾机，采用超声波测定树冠的位置，实现 对果树树冠喷雾，而在果树之间的区则自动停止喷雾。该机可节省农药约5 0 ，提高生 产率2 0 。 我国在智能化施药技术的研究应用方面还处于起步阶段。南京林业大学赵茂程等【2 2 】 设计了一种基于树木特征图像的农药实时精确对靶的可变量喷雾控制系统。该系统利用 莱阳农学院硕士学位论文 1 绪论 c c d 摄像头、图像采集卡和图像处理软件获取树冠形态图像，根据不同树种的生长特 征和栽植密度以及对树冠形态图像的处理结果，由计算机控制喷头进行精确对靶喷雾。 系统包括树木特征图像采集系统、图像处理单元( 将农药施用目标从背景中分离出来) 和农药施用系统( 包括流量控制与反馈系统以及喷雾控制与反馈系统等) 。中国农业大 学的何雄奎等j 进行了果园自动对靶静电喷雾机设计与试验研究。为适应果园病虫害防 治的需要，研制了一种轻便、高效、省药、能减少对环境的污染、与国产小中型拖拉机 配套的果园自动对靶静电喷雾机。通过多次结构改进和各种试验，采用基于红外传感探 测技术，探测靶标的有无，将传统的连续喷雾改变为自动对靶控制喷雾，与风送式果园 喷雾机连续喷雾相比，可以节省药液5 0 7 5 以上，同时还解决了风送式低量与静电 喷雾等关键技术问题。莱阳农学院的史岩教授等开发设计了一种变量喷头，该喷头能基 本满足喷量与压力成线性变化，并且在较大流量变化范围内雾滴的尺寸和分布变化较 小，喷雾质量基本不变。在此基础上设计了一种压力式变量施药系统。该系统由并联的 多个喷雾单元组成，每个喷雾单元由比例减压阀、电磁阀、喷杆、压力式变量喷头、压 力传感器和流量传感器等构成。比例溢流阀根据计算机的设定值调定药泵的出口压力， 电磁阀实现各喷雾单元喷雾和停喷，比例减压阀调节各喷雾单元的工作压力并通过压力 式变量喷头实现变量喷雾。由于各喷雾单元采用了由比例减压阀构成的二次压力回路， 各喷雾单元压力互不干扰，因此能够实现各喷雾单元喷雾压力的独立调节，压力式变量 喷头根据不同的压力信号变量喷雾。该系统能较好的完成自动对靶变量施药系统的要 求。 归纳起来目前国内外开发研究的自动对靶施药系统实施对靶施药的方法主要有三 种：一种能对成行作物进行带状对靶施药，系统的机器视觉导向装置控制喷头直接位于 带状作物的上方使喷幅恰好覆盖目标，实现对靶喷洒，减少农药的浪费和对作物周围土 壤的污染；另一种是根据施药目标的有、无间歇刺靶施药：第三种足根据施药目标的特 征和机组行走速度变化变量对靶施药。 前两种施药方法与传统大面积喷洒方法相比，可有效减少用药量，提高目标作物上 雾滴沉积率。但由于其施药系统的流量恒定，这种施药系统在施药目标特征和机组行走 速度变化较小的情况下，能获得比较好的防治效果。在施药目标的特征和机组行走速度 变化较大的情况下，难以保证施药的效果。变量施药系统在施药目标的特征和机组行走 速度变化较大的情况下能获得比较好的防治效果。而变量对靶施药系统的技术难题在于 研制快速、准确的田间杂草识别算法。 莱阳农学院硕士学位论文 1 绪论 1 2 2 国内外杂草识别算法研究的现状与分析 田间杂草识别算法是自动对靶施药系统性能好坏的关键，杂草识别算法能否快速、 实时、准确的处理采集到的图像，将直接影响到整个机器系统的性能。基于机器视觉的 田问杂草识别技术利用了植物本身的一些特性进行识别，如：形状特征、纹理特征、多 光谱特征和颜色特征。 1 2 2 1 国外杂草识别算法研究的现状与分析 利用形状特征识别田间杂草的技术始于1 9 8 6 年，g u y e r 等人就研究了利用叶片的形 状特征参数( 复杂度、伸长度、中心矩和主轴矩) 识别不同植物的可行性，并在1 9 9 3 年开 发和构建了基于植物形状特征的知识库 2 4 】。w o e b b e c k e 等人利用整株植物冠层的形状 特征参数( 圆度、朝向比、周长厚度、伸长度和初始不变中心矩) ，识别了2 种单子叶 杂草和8 种双子叶杂草，结果发现：在出苗1 4 2 3 天之间，运用形状特征因子区分单 子叶植物和双子叶植物的效果最好，分类准确率为6 0 8 0 ，识别这些植物最好的形 状特征是朝向比和初始不变中心矩”。y 0 n c k a w a 等人对紧密度、圆度、伸长度、叶状 度和粗糙度这5 个简单的无量纲的形状因子进行了评价，认为这些形状因子对识别植物 非常有效，且无需高速计算机和大的存贮容量 2 。形状特征识别方法的关键点在于寻找 到具有r s t 不变性的形状特征因子( 即对于图像的旋转、比例、平移变化都是恒定的) 。 另外，植物叶片的遮挡问题也是形状特征识别中的主要问题。f r a n z 等人曾利用 f o u r i e r - m e l l i n 的相关性，计算对部分被遮挡的叶片重新抽取叶片边缘的弯曲率函数的比 例因子，从而识别部分被遮挡的叶片【2 “。但是，该算法的正确识别率随着遮挡程度的增 强而降低：另外，弯曲率函数并不适用于具有不定锯齿数的叶片的识别；所以，该算法 并不能完全解决植物叶片的遮挡对分类率的影响问题。 s h e a r e r 等人在1 9 9 0 年在基于植物颜色纹理特性的基础上，对7 种人工培育的植物 进行了识别，分别由色调、饱和度、亮度得出一个颜色共生矩阵，从每个颜色共生矩阵 中计算出1 1 个纹理特征，共产生3 3 个颜色纹理特征，用于植物识别的准确率可达9 1 。 m e y e r 等人利用植物的纹理信息对两种禾本科杂草和两种阔叶杂草进行了识别，发现利 用由灰度共生矩阵获得的纹理特征量均匀度、惯性和角二次积率把植物分为草类和宽叶 类时，准确率分别为9 3 和8 5 ，但要将这4 种草完全分开时，准确率在3 0 7 7 之 间，并且指出，将来的植物识别方法应该把纹理和形状信息结合起来用。b u r k s 利用颜 色共生法对土壤和5 种杂草进行了识别。使用色调和饱和度的1 1 个纹理特征参数区分 土壤和5 种杂草，准确率为9 3 ，这种方法的准确率比m e y e r 等的方法有提高，该方 法没有用到亮度的纹理特征参数，减少了颜色共生矩阵的运算量，而且由于亮度易受光 莱阳农学院硕士学位论文 绪论 照变化的影响，所以使用该方法可以减少光照变化造成的影响【2 7 】。g 等人利用g 曲o r 小波变换提取植物的纹理信息，利用人工神经网络分类器将所研究的植物分为禾本和阔 叶两类，准确率达到了1 0 0 。虽然纹理特征识别法的正确识别率很高，甚至达1 0 0 ， 但是，纹理分析的分割算法需要进行大量的计算和比较，因此识别速度较慢，不利于实 时性的实现。因此，快速提取纹理特征方法是纹理特征识别方法的关键。 为了获取光谱信息，研究人员专门设计了各种独特的光电传感器。v j s s e r 等人利用 所开发的一种独特的传感器，通过感知场景反射光的荧光性来识别作物和杂草( 所有杂 草归为一类”) 例。b i l l e r 利用一套光电传感系统“d e t e c t s p r a y ”来识别土壤中的植物，另 一套系统“s p r a yv i s i o n ”，通过感知场景在4 种不同的波长( 蓝、绿、红和近红外光) 下的 反射光来识别杂草1 2 。b o r r e g a a r d 等人运用成像光谱仪测定了马铃薯和甜菜以及几种 杂草在6 7 0 1 0 7 0n r n 范围内的反射率，选定6 4 9 、9 7 0 、8 5 6 、6 8 6 、7 2 6 、8 7 9 、9 7 8n m 作为特征波长点，田间试验中马铃薯和杂草的识别率达到了9 4 ，甜菜和杂草的识别率 达到了8 7 【3 0 】。利用多光谱特征识别田间杂草的技术的算法比较简单，在实时性方面具 有明显的优势。但是，光谱成像设备是由光谱仪和摄像机组成，成本费用较高。而且， 绿色叶子对光的反射受到含水量、含氮量、植物病虫害和生长期等诸多附加因素的影响， 而且有些杂草和作物表面的反射波长十分相近。因此，在实际的田间环境下，只利用几 个较窄的波长范围识别较多植物种类具有一定的困难，对传感器的分辨率提出了较高的 要求。 i h g 等人还研究了在室外自然光照条件下，以人工分割的结果为导师信号，在h s i 颜色空间利用遗传算法分割植物和背景。该算法有效克服了田问光照的巨大变化对分割 性能的影响。z h a i l g 等人评价了颜色特征在杂草识别中的效力，观察了3 8 种主要杂草， 发现其中2 8 种有淡红的茎。他们指出利用颜色特征能识别堪萨斯州麦地和大豆地里8 0 的杂草。据此，e l 蹦研究了利用作物和杂草的颜色特征识别的杂草方法，采用4 个颜 色特征参数，并有选择地进行组合，然后把这些组合作为输入变量分别输入一个统计分 类器和两个人工神经网络分类器。结果表明，统计分类器的效果最好，对大豆和小麦的 正确分类率为5 4 、6 2 ，2 。较之基于植物形状和纹理的识别方法，基于颜色特征的方 法对叶片重叠、叶方位、摄像机聚焦和风的影n 向不敏感，增加了田间执行的可行性。但 该方法只适于识别有红色茎的杂草，杂草的正确识别率较低。另外，e 1 f a k i 等的研究表 明土壤含水率、光照条件和摄像头的焦距是影响颜色特征识别方法的3 个主要因素。 1 2 2 - 2 国内杂草识别算法研究的现状与分析 我国的机器视觉技术起步较晚，在杂草识别中的应用尚处于探索阶段。相阿荣等人 3 ”研究了利用颜色特征从土壤背景中识别杂草的方法以及形状特征识别杂草的方法。龙 莱阳农学院硕士学位论文l 绪论 满生等人 3 2 】以玉米苗期杂草为研究对象，分析了不同的颜色指标分割背景的可行性以及 应用形状因子识别玉米和杂草的方法。刘敏等人口3 i 把分形维数引入自然光照条件下田间 杂草图像纹理的分析中，用分形维数来表征微观杂草叶子纹理和宏观杂草丛纹理的粗糙 程度，取得了一定的区分识别效果，与传统的纹理分析方法相比，该方法在时间复杂度 和识别效果上具有明显的优势。张健钦等人【”】应用机器视觉理论和方法开发了一套包含 测量叶面积的图像采集模块、图像处理模块、叶面积数据库模块等的系统软件，设计实 现了既可用于采摘的叶片也可用于活体原位叶面积测量的系统硬件。 纪寿文等人【j 那在光照明亮充足的条件下，利用开发的机器视觉系统实地采集了玉米 苗期的田间图像，提取了投影面积、最大叶长和最大叶宽3 个形状特征来识别玉米苗 中的杂草，试验结果表明：此方法可有效地识别出玉米苗期( 五叶期) 田间细长的单子叶 杂草，根据田间杂草的投影面积可较有效地判定田间杂草的生长情况：但是，本算法不 适用于玉米的植株比杂草矮小的情况和田旋花等叶片比较宽大的双子叶杂草的识别，识 别准确性受太阳光光照强度和土壤种类及其含水量的影响。尚卓等人口6 】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初步探索。首先通过v f w ( v i d e of o r 、m n d o w s l 技术进行图像和视频的获取，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，通过计算出绿色像素占整个采集面积的百分比决定是否喷洒农药。吕俊伟等人 【37 j 利用颜色、形状、区域边界率、小区域骨架端点数等特征，运用多种图像分割和图像 识别方法，对不同时期的洋葱和杂草，采取了不同的处理方法。王月青等人【j 叫用超绿色 方法对图像进行灰度化，然后对灰度图像选择合适的闽值进行二值化，实现绿色植物和 土壤背景的分割。然后利用位鼍特征法对杂草和作物进行快速分割，同时统计出杂草的 密度。毛文华等人【3 9 】研究了位置特征识别行间杂草的方法。根据杂草多数分布于作物行 之间的裸土区的位置特征，引入图形学中的种子填充算法识别行间杂草，并且针对传统 种子填充算法比较费时的缺点，研究改进的扫描线种子填充算法，显著提高了填充速度。 总之，形状、纹理、光谱和颜色特征各有优缺点。z h a l l g 等人在识别小麦地里的杂 草时，采用了形状、纹理和颜色分析3 种方法，研究表明：颜色分析法能识别田间带红 色茎的杂草：形状分析法能非常有效地把阔叶杂草从小麦叶中分离出来，但对阔叶杂草 之间的分离作用很小：傅里叶频谱分析表明小麦具有单方向的纹理模式，而阔叶杂草表 现为多方向纹理，可用该方法描述纹理的粗细，以检测一些杂草的类别。早期研究，侧 重单一信息提取，以检验利用该信息的可行性。如今，则侧重于多种信息的综合利用， 以便更准确、快捷的识别杂草。我国学者的研究大都是针对如何从土壤背景中分割杂草 以及如何识别单株杂草的种类等问题，而针对田间作物和杂草并存的现象，把杂草从田 莱阳农学院硕士学位论文 1 绪论 间作物中识别出来的研究还较少，而对整个控制系统研究就更少了。因此，从实际应用 角度出发，基于机器视觉的田间杂草识别技术及整个控制系统的研究还有许多工作要 做。精确施药技术是提高农药的有效利用率，减少农药超量使用的有效措施，是植保机 械的发展方向。精确施药是根据施药目标的实际需要按需准确施药，要实现按需准确施 药，机器系统必须具备对施药目标的识别能力、分析判断能力和准确施药能力，也就是 要智能化。智能化施药机器系统主要由两大部分构成：1 ) 图像采集与识别系统2 ) 药 液精准施放系统。图像采集与识别是前提，精准自动施放是关键，这两个问题也是智能化 施药的系统研究的两个难点。 1 3 研究存在的问题 从2 0 世纪8 0 年代至今，基于机器视觉的自动对靶喷雾机系统的研究经历了从室内 到田间，从非实时到实时的发展过程随着机器视觉等技术的不断发展，再结合功能强 大，成本低廉的计算机，能精确地识别田问杂草的智能喷雾机技术也会越来越成熟。就 目前来看，仍有一些技术难题还须迸一步研究解决，如： ( 1 ) 在图像识别中，已作过的杂草识别研究，大多数研究还是在室内静态可控光条 件下进行的，但在实际应用中要求识别算法能够适应户外动态的条件。虽然一些动态算 法已获得了成功，但分类精度仍不是很高，而且很难达到实时性的要求。 ( 2 ) 变量施药系统很难实现喷量在大范围内保持雾化效果不变的变流量喷雾。 f 3 ) 整个喷雾系统协调的实时性存在一定的难度，精准农业体系中的变量喷药机要求 识别程序的动态算法不仅能选择喷洒量，而且要求能将识别的结果实时的传送给后续的 变量控制从而实现完全实用化的精准喷药。 1 4 研究内容及技术路线 1 4 1 研究的内容 本文以大田中点播的玉米和条播的小麦为研究对象，以实现玉米和小麦苗期杂草智 能防除为研究目的，在总结国内外研究成果的基础上，研究自动对靶变量喷雾机控制系 统，包括上位机的杂草汉别系统和下位机的实时控制系统。编制上下位枧控制软件，使 上位机的杂草识别系统在一定的正确识别率的前提下，提高处理速度，下位机能够实时 准确地采集和发送相关信息，使研究的成果具有实用性和产业化前景。 本文主要对以下几个方面进行研究： ( 1 ) 精确对靶变量喷药系统总体的研究和改进。 莱阳农学院硕士学位论文1 绪论 ( 2 ) 上位机单元的控制研究设计分为三个模块：植物与背景分割模块；杂草与作物分 类模块：智能决策功能模块。 ( 3 ) 下位机单元的控制研究设计，主要是实时数据采集、上下位机间的通讯和执行部 件的协调。 ( 4 ) 开发图像识别软件检测所用算法的合理性。 1 4 2 技术路线和研究方法 本课题的技术路线和研究方法： ( 1 ) 研究精确对靶喷药系统的整体结构，使之满足自动对靶变量的性能要求。 ( 2 ) 上位机控制单元的设计研究主要通过获取田问自然光照条件下的图像进行识别 处理，根据处理结果，形成决策信息，同时研究信息的发送 ( 3 ) 对下位机控制单元的设计研究主要是实时通讯控制方法的研究，引用决策结果对 喷雾系统进行实时控制，为进一步的农药精确对靶施用提供参考。 ( 4 ) 基于v c + + 开发出一套图像识别软件检测所用算法的正确性和合理性，并进行相 关算法的对比试验。 9 莱阳农学院硕士学位论文 2 精准对靶喷药系统概述 2 对靶变量喷药系统概述 2 1 喷药系统的性能要求介绍 常规大、中型机动喷雾机的施药系统所有喷雾单元在喷幅内全面积定量连续喷洒， 不能根据施药目标的有、无和施药目标的特征变化以及机组行走速度的变化自动调节喷 施药量。这种施药方式不仅造成了农药浪费，还造成环境污染；自动对靶间歇喷雾系统 能根据施药目标的有、无选择性的施药，有效减少药剂的用量，但这种喷雾机施药系统 在施药目标特征和机组行走速度变化时，难以保证施药均匀性；而自动对靶变量施药喷 雾机器系统能根据施药目标的有、无和施药目标的特征变化以及机组行走速度的变化自 动调节喷施药量。本论文研究的施药系统是建立在国内专家史岩教授研究的自动对靶压 力式变量施药喷雾机的基础上的。该系统以大田作物幼苗期的杂草作物为施药目标，机 器视觉系统实时获取、处理施药靶标图像信号和机组速度信号，施药系统快速地响应并 实施对靶旆药：根据施药靶标的特征变化和机组行走速度的变化变量施药，保证喷雾雾 滴尺寸和分布雾型不随机组实际前进速度的变化而改变【4 。j 。 2 2 喷药系统组成 2 2 1 总体结构的介绍和改进 为了在局部区域更精确地识别憨药目标的特征，在喷雾机前方安装有e c d 摄像 机，以实时获取施药目标的图像信息，采用雷达传感器实时获取喷雾机组行走速度信号 的信息，采用嵌入式计算机实时处理采集的信号。变量施药系统的各喷雾单元分别采用 比例减压阀控制其工作压力，通过压力式变量喷雾装置实施变量喷雾。c c d 摄像机实 时采集施药目标的图像信息，以模拟量的形式传入嵌入在计算机内部的图像采集卡转变 成数字信号，计算机将实时获取的图像信号和速度信号实时处理，处理结果以数字量的 形式传到喷洒控制器，控制器分别控制施药系统各喷雾单元的比例减压阀和电磁阀，实 现各喷雾单元的对靶变量施药。下面的示意框图，只采用了一个摄像头，结合下一章后 续的图像处理过程，我们将一c c d 所拍摄的图像，分成平行的四个区域，而这个区域的 喷药有四个独立的喷头来刑应。为了实现各个喷头的独立控制，在原来总体方案上作了 进一步的改进，细化了结构设汁，满足了对靶变量喷雾的要求。压力式无级变量施药喷 雾机总体方案框图如上图2 一l 所示。 莱阳农学院硕士学位论文2 精准对靶喷药系统概述 图2 1 无级变量施药系统总体方案框图 f i g 2 1s c h e m ec h a r to ft a r g e t i n gs p r a yr a t es y s t e m 莱阳农学院硕士学位论文 2 精准对靶喷药系统概述 2 2 2 施药系统组成与原理 根据上面的改进，压力式无级变量施药喷雾机器总体结构如图2 2 所示。主要由药 箱l 、药箱开关2 、过滤器3 、药泵4 、搅拌阀5 、溢流阀6 、雷达传感器7 、c c d 摄像 机8 、下位机9 、电源1 0 、比例减压阀1 1 、流量传感器t 2 、压力传感器1 3 、电磁阀1 4 、 喷杆1 5 、压力式变量喷头1 6 、p c 机1 7 等组成。 图2 2 压力式无级变量施药喷雾机总体结构示意图 f i g 2 - 2s k e t c ho ft b ea u t ot a r g e t i n gv a r y i n gs p r a yr a t es y s t e m 旌药系统主要由药箱、药泵、比例溢流阀和通过管路相互并联的多个喷雾单元组成。 每个喷雾单元由比例减压阀、电磁阀、喷杆、压力式变量喷头、压力传感器和流量传感 器等构成。比例溢流阀根据计算机的设定值调定药泵的出口压力，电磁阀实现各喷雾单 元喷雾和停喷，比例减压阀调节各喷雾单元的工作压力并通过压力式变量喷头实现变量 喷雾。由于各喷雾单元采用了由比例减压阀构成的二次压力回路，各喷雾单元压力互不 干扰，因此能够实现各喷雾单元喷雾压力的独立调节，压力式变量喷头根据不同的压力 信号变量喷雾。 为了使药液均匀，在药箱和给药泵的出口之间设有搅拌回路，搅拌回路中设有在喷 雾单元停止工作时开启并用于通过药液循环达到搅拌药箱中药液的搅拌阀，搅拌阀与控 莱阳农学院硕士学位论文 2 精准对靶喷药系统概述 制装置的输入输出单元电连接。当不进行喷施药液工作时，可以开启搅拌阀，通过给药 泵的作用，产生一个药液循环，使药液不会发生沉淀等现象，保持药液均匀。当开启喷 雾单元时，将搅拌阀关闭，药液进入各个喷雾单元。 2 2 3 控制系统的组成与原理 控制系统由计算机、输入输出单元和图像采集卡构成。图像采集卡和单片机控制单 元分别通过相应的数据信号和控制信号以总线的形式与计算机连接，其原理图如2 3 所 示。在作业过程中，c c d 摄像机将实时采 集的图像信号通过图像采集卡送入嵌入式 计算机进行处理。单片机控制模块采集压 力传感器、流量传感器、雷达传感器的辅 助信号送入嵌入式计算机进行处理，嵌入 式计算机将处理结果通过单片机控制模块 把信号发送到各喷雾单元上的比例减压 阀，比例减压阀调节各喷雾单元的工作压 力并通过压力式变量喷头实现变量喷雾。 整个压力式无级变量施药喷雾机器控制 系统较为庞大，实现的功能也很多，为了 顺利完成任务，将整个系统分为若干个子 单元，每个单元又包括若干个模块，每个 模块实现特定的功能或任务，最后再将这 些模块通过特定的硬件或者软件接口连接 起来，组成一个完整的系统。这样做使得 我们在某一时间内能集中精力解决某一关 键问题，待解决了所有的关键性问题后再 进行系统整体协调。同时在系统更新和开 发时可以运用局部修改、移植及模块重组 等方式，提高系统可靠性和工作效率。本 系统的组成结构如图2 4 所示。按其工作 过程和完成的功能分为上位机和下位机。 上位机主要进行图像的识别处理，下位机 主要进行具体指令的执行。其结构图如2 - 4 图2 3 电控部分原理图 f i 晷2 _ 3s c h e m eo