机器视觉排种试验台的研制

1、2005年7月农机化研究第4期机器视觉排种试验台的研制蔡晓华，吴泽全，程睿（黑龙江省农业机械工程科学研究院，黑龙江哈尔滨150040）摘 要：系统介绍了黑龙江省农机院研制的新型排种器试验台。该试验台包括可模拟机械和气力两种精密 排种器高速作业，并具有实现稳定承种的机械装置和控制系统。基于试验台的工作原理，给岀了机械结构 简图、监控系统电气原理图，并简述了机器视觉方法测量排种粒距的原理和程序流程。该方法具有精确、 直观、实时的优点。关键词：农业工程；排种器；设计；试验台；机器视觉；传感器；可编程控制器中图分类号：S126文献标识码：A文章编号：1003 188X（2005）04 0131 03-

2、131 -© 19Q4-2007 China Academic Journal Electronic Publijihing House. All rights reserved, http:/'/ki.iidt2005年7月农机化研究第4期-# -© 19Q4-2007 China Academic Journal Electronic Publijihing House. All rights reserved, http:/'/ki.iidt2005年7月农机化研究第4期1 概述播种是农业栽培生产的首要环节。排种器是播 种机械的

3、核心部件，其技术水平和性能直接影响播 种机的播种质量。 近年来，我国播种机械发展迅速， 需求量不断增加，适宜高速作业的气力式排种器等 各种新型排种器得到了日益广泛的应用。为了高效 率地研制和改进排种器，应用排种器试验台进行室 内台架试验十分必要，其可以不受田间条件的限制，模拟各种工况。因此，对其性能进行深入的试验研 究或鉴定，探索排种技术规律，并为科研人员提供 可靠的设计依据，具有重要意义。笔者综合国内外排种器试验台的研究经验，针 对播种机械的发展现状，在当前国际先进的测控技 术和计算机技术基础上，探索应用了C+语言图像数据处理、精密电测、可编程控制器（PLC）控制、变频控制和组态监控等技术，

4、研制成功排种器机器 视觉监控试验台，可完成排种器结构研究和性能试 验（GB 6973-86单粒（精密）播种机试验方法）两项任务，解决了应用工业摄像机自动精确测量粒 距和真实模拟播种状态等技术关键。2 试验台的功能及特点2.1 机器视觉系统此系统可以直接测量方式精确测得精播排种器 试验种子粒距，较传统光电方式测量（间接测量） 更为准确、迅速、直观。同时，可自动计算处理得收稿日期：2004-11-11基金项目：黑龙江省种植业机械工程技术研究中心项目（2001-17）作者简介：蔡晓华（1968-）,男，浙江德清人，高级工程师，硕士，（E-mail）hrbbona 。出有关均匀性、稳定性、一致性等播种

5、精度指标（粒 距的平均值、标准差、变异系数等），打印输出试验数据、报表和频率直方图。2.2 喷油黏种方式承种系统以喷油泵喷油、黏种、刮油、油种分离过滤和 回油的连续承种为工作方式，摒弃了传统的塑料带 上手工涂抹黄油承接种子的繁琐落后方式，可以长 时间稳定、可靠地反复工作。2.3 高速种床带装置采用滚筒驱动无缝精密传送带，替代了传统的 链传动帆布种床带，运行平稳，振动小，噪音低， 既能满足排种器的高速试验要求（试验标准要求 1.510.8km/h ），又能使机器视觉系统获得可处理 的、清晰的、稳定的图像。2.4 无级变速装置采用变频器、定制专用变频电机驱动种床、排 种轴和气力系统风机，可无级变速

6、且调速精确，运 行速度稳定、均匀。2.5 高精度转速编码传感器通过配装高精度转速编码传感器，可在计算机 上自动监视种床前进速度和排种盘转速，并与视觉 系统进行数据交换和传感器信息融合。同时，可设 置数字气压传感变送器测量工作风压。3试验台的结构与组成3.1 机械结构种床带采用双滚筒（表面压纹和刻制导槽）驱 动，配置可调张紧结构；带下安置托辊（测试架处 加密）、刮油刮种板、双层过滤筛和集油箱；带上安 置有喷油装置与篦油刷子组合架（皆可调升降）、排种器安装调节架（可调上下10400mm和前后左右倾斜11°)、摄像机安装调节架。3.2 监控系统测量与监控系统的电气原理见图1所示。(1) P

7、LC控制和电源分配柜。柜内有包括 PLC控制器、变频器、数字温控器、直流开关电源以及(2) 计算机综合操作台。以奔W电脑作监控主机，组态软件测量和显示种床速度、排种轴转速； 视觉系统软件采集处理粒距参数，打印输出排种器 性能试验报告。操作面板上有对PLC及变频器进行控制的按钮、旋钮和状态显示灯等。-133 -© 19Q4-2007 China Academic Journal Electronic Publijihing House. All rights reserved, http:/'/ki.iidt2005年7月农机化研究第4期-# -© 19Q

8、4-2007 China Academic Journal Electronic Publijihing House. All rights reserved, http:/'/ki.iidt2005年7月农机化研究第4期空气开关、接触器、热保护器等电气控制器件。-# -© 19Q4-2007 China Academic Journal Electronic Publijihing House. All rights reserved, http:/'/ki.iidt2005年7月农机化研究第4期粒距测定工业摄像r*打印机控制面板工业黑白图像

9、PCI采集PLC控制器接触器 热过载继电器变频电机3打印接口气吹式风机或RS232串口斗机器视觉系统图像采集处理程序屏上组态监控模块变频器1变频器2变频电机1变频电机2+减速器D/AD/A数字油温监控器*气吸式喷油齿轮泵风机数字风压显示器气力式排种器的正负压力控制对象图1 测量与监控系统的电气原理油温传感器增量型转 速编码器1增量型转 速编码器2*电加热装置11种床带排种轴喷油量11,滚筒转数转数油温-# -© 19Q4-2007 China Academic Journal Electronic Publijihing House. All rights reserved, htt

10、p:/'/ki.iidt2005年7月农机化研究第4期4.1粒距测量方法4 机器视觉系统粒距测量原理视觉系统软件的主程序简要流程见图2所示,图像模式识别处理子程序简要流程见图3所示。开始，戸.载入第N帧图像噪声处理，对比度加强图像有效范围Lo像素处理子程序N=N+1种间距离测量，落种数统 计单位时间落种数生成报表及性能曲线结束图2 主程序流程试验台的机器视觉系统由低照度高感度工业摄 像机、在监控主机上安装的运动黑白图像工业采集卡(1300 X 1030 PCI )和自行研制的C+语言图像采集处理软件组成。N当前帧内是否有种子YNY结束逐行像素处理N=N+1特征提取匹配计算种

11、子中心坐标载入第N帧图像N=N+1图3 子程序流程通过连续拍摄种床带上承种情况图像，得到相 邻两粒种子中心像素点在播行中心线上的轴坐标差 值，进一步处理得到粒距。把摄像机固定在可调节架上垂直于种床带进行 拍录，当摄像机在种床带上的高度（即物距）固定 且摄像头焦距确定时，那么每帧图像都将反映种床 带上一个长宽固定的面积上的情况。该摄像机单帧 图像分辨率为 647 X 485像素，使长边平行于种床带 前进方向（即播行中心线），则像素间距计算式为? = D/N 0.186（mm）式中 D 种床带上固定面积图像长边的长度，假 设为120mm（这时短边为 90mm较合适）；N 长边的像素个数，N=647

12、。4.2 图像有效面积的截取摄像机以60帧/s的固定图像采集速度进行拍 录，当种床带以最高速度14km/h （即约3889mm/s）运行时，若使各帧图像正好连续拼接而不发生重叠， 那么这时单帧图像长边长度L为L = vm / f 64.8mm（2）式中Vm 种床带最高运行速度，Vm =3889mm/s;f 图像采集速度，f =60帧/s。从公式（2）中可以分析得出，当使单帧图像的长 边长度（取120130mm较合适）大于 L时，那么各 帧图像必将发生重叠；同理，当种床带运行速度v小于最高速度vm时，图像也将发生重叠。为去掉所获得各帧图像的重叠部分，从而得到种床带不同运行速度下的连续拼接图像，真

13、实反映 承种情况，测得粒距，按式（3）对图像进行有效长边 长度L0（有效面积只与长边长度有关）的计算，则Lo = v/ f（3）式中v 种床带运行速度（mm/s）;f 图像采集速度，f =60帧/s。4.3 图像模式识别处理C+语言图像数据处理软件除了对各图像的有 效面积部分进行拼接外，还要采用最佳阈值化、特 征提取和选择等多种有效的方法进行处理，最终得 到相邻两粒种子中心像素点的精确坐标差值。5 结论该项研究为黑龙江省科技厅的“省种植业机械 工程技术中心”建设项目子课题。试验表明，该试 验台采用机器视觉方法测量粒距，使粒距测量精确 度达到w± 1mm整个系统能够满足各型式精密排种

14、器的各项试验要求。参考文献：1 Kenneth.R.Castleman.数字图像处理M.北京：电子工业出版社,1998.2 张宏林.Visual C+ 数字图像模式识别技术及工程 实践M.北京：人民邮电出版社，2003.3 贾云得.机器视觉M.北京：科学出版社,2000.杨士元.可编程序控制器（PC）编程？应用和维修M. 北京：清华大学出版社,1995.-# -© 19Q4-2007 China Academic Journal Electronic Publijihing House. All rights reserved, http:/'/ki.iidt20

15、05年7月农机化研究第4期-135 -© 19Q4-2007 China Academic Journal Electronic Publijihing House. All rights reserved, http:/'/ki.iidt2005年7月农机化研究第4期The Research of Machine Visual Drilling Experiment TableCAI Xiao-hua, WU Ze-qua n, CHENG Rui(Heil on gjia ng In stitute Agricultural Mecha ni cal Engi

16、n eeri ng Scien ce,Harb in 150040, China)Abstract : The article in troduces the new drilli ng experime nt table manu factured by Heil on gjia ng In stitute of Agricultural Mecha nical Engin eeri ng Science in a systematic way. The desig ns of experime nt table also con ta in the mechanical device an

17、d monitor system which can realize holding seeds stably and simulate that two kinds of seed feedi ng device mecha nical and air power work at a high speed .It shows the diagram of mecha nical structure and the electrical principle diagram of monitorial system. The article illustrated the principle and programmed process of measuri ng the seed spac ing of drilli ng by mach ine visual method which has the adva ntage