CN104062298B - 基于图像处理的联合收获机粮箱籽粒含杂率自动监测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种联合收获机粮箱籽粒含杂率自动监测装置及方法，所述装置包括粮样抽取机构、粮样传送机构、机器视觉部分及处理器，粮样抽取机构把采取的粮样输送到粮样传送机构一侧上方,粮样传送机构控制粮食样本按一定速度单层传入设定好光照条件的机器视觉部分中；粮样途经机器视觉部分的可见光CCD摄像机视区时,可见光CCD摄像机实时获取杂余样本图像、并送入处理器中进行图像处理、分割、计算杂余含量。本发明简单、快速，实现了杂余的在线监测，使驾驶员能及时了解当前粮箱内籽粒含杂情况并调节联合收获机的相关工作参数，使粮箱内的籽粒含杂率保持在合理水平，并可为联合收获机智能控制系统提供信号。

Description

基于图像处理的联合收获机粮箱籽粒含杂率自动监测装置和 方法

技术领域

本发明属于联合收获机工作性能自动监测装置设计领域，具体涉及一种基于图像处理的联合收获机粮箱籽粒含杂率自动监测装置和方法。

背景技术

清选装置是联合收获机的“消化系统”，是影响整机作业质量、效率和适应性的核心工作部件。我国市场上保有量最大的水稻联合收获机大多采用传统的风筛式清选装置(单风道离心风机+双层振动筛，单风道离心风机用于产生清选气流，利用脱出物中各组分(包括籽粒、短茎秆、颖壳和少量轻杂余等漂浮特性的不同，配合双层振动编织筛或鱼鳞筛，共同完成籽粒与茎秆、杂余等的分离清选。研究表明，传统风筛式清选装置目前已成为制约大喂入量水稻联合收获机发展的最主要瓶颈，其中一个突出的表现为：传统清选装置部分结构与运动参数只能通过手工方式、依照经验进行有级调节，无法根据作业对象和环境的变化，自动调整清选装置的作业状态参数来保证作业性能，其收获适应性较差。

联合收获机作业对象差异显著、作业工况千变万化、作业环境异常复杂均对清选装置的性能造成了显著影响，在保障清选性能的条件下，工作参数可根据作业条件进行自适应调整是清选技术发展的必然趋势。纵观国外先进联合收获机，电子信息技术在其上得到了广泛运用，联合收获机能根据作业过程中的作业质量自动调整各种工作参数，在提高生产效率的同时，将故障率控制在一定范围内，同时大大提高了整机的无故障工作时间。与欧美跨国公司先进的联合收获机相比，我国谷物联合收获机大都仅安装有堵塞、粮箱满等少量报警装置，普遍缺乏工作参数与作业性能监测、工作参数电动/自动调节等智能化监控装置，使得机器作业性能不稳定，作业效率依赖机手的熟练程度，且操纵强度大，堵塞故障频发，其无故障工作时间不到国外机型的五分之一，无法适应满足我国水稻规模化生产及稻油(麦轮作区抢收抢种等作业要求。近年来，国内外学者在联合收获机智能化技术方面开展了大量的研究工作，但大多数研究仅是针对单一工作参数和作业性能参数的监测或预测模型的研究，没有根据监测到的当前作业参数值对相关部件进行反馈控制而且对多作业参数融合控制的研究也相对较少。

对清选装置作业性能的监测而言，相关智能化技术研究主要集中在籽粒清选损失的监测上，而没有考虑另一个重要的性能指标——籽粒含杂率。因此性能良好的联合收获机粮箱籽粒含杂率自动监测装置是实现清选装置作业参数自适应控制的前提，经文献检索发现，迄今为止，我国尚未见有联合收获机粮箱籽粒含杂率自动监测装置的报道。

发明内容

为实现上联合收获机粮箱籽粒含杂率自动监测，本发明提供了一种联合收获机粮箱籽粒含杂率自动监测装置和方法。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

联合收获机粮箱籽粒含杂率自动监测装置，包括粮样抽取机构、粮样传送机构、机器视觉部分及处理器，所述粮样抽取机构包括导流槽、支架、取样滚筒、料斗、直流步进电动机、联轴器、连接架，所述导流槽连接在联合收获机粮箱出粮口上，所述料斗位于导流槽的下方，所述导流槽的底面上、且位于料斗正上方的位置设有一矩形孔，所述取样滚筒两端由支架支撑、位于料斗内，且所述取样滚筒表面至少有一个凹槽，所述凹槽的开口与矩形孔相同，取样滚筒在转动时与矩形孔相切，所述取样滚筒的一端通过联轴器与直流步进电动机相连；所述粮样传送机构至少包括承载粮样的传送平台、能够使传送平台传送粮样的传动装置；所述机器视觉部分由支撑板、光照箱、光源、可见光CCD摄像机组成；所述支撑板焊接在支架上，所述支撑板具有垂直于传送平台的竖直板，所述竖直板下边缘与传送平台之间的间隙稍大于所述收获机收货粮食籽粒的高度，所述光照箱吊装在支撑板上、且位于所述传送平台上方，光源、可见光CCD摄像机位于光照箱内；所述处理器包括电流控制器、步进电动控制器、图像预处理单元、图像分割单元、杂余计数单元；所述可见光CCD摄像机经数据线与图像预处理单元相连，所述光源与电流控制器相连，所述直流步进电动机与步进电动控制器相连，所述图像预处理单元用于将可见光CCD摄像机拍摄的待测图像转化灰度图像并进行均值滤波、中值滤波、采用Hough变换检测圆的方法去除边缘图像、对比度增强等预处理，以进一步去除噪声，增强图像，最后将灰度图像转换成二值化图像，所述图像分割单元用于在所述二值化图像中通过距离变换极小值合并法并结合分水岭算法来迭代分割杂余特征图像、提取杂余的形态特征及颜色特征并通过形态学方法对杂余与籽粒进行分离，所述杂余计数单元用于利用“先对杂余连通区域进行八邻域边缘跟踪，再对连通区域内部进行像素填充标号”的方法对图像中的杂余进行计数，进而计算得到当前检测样本中的杂余含量。

优选地，还包括挡板，所述挡板固定在传送平台的尾部下方。

优选地，所述粮样传送机构的传送平台为送料台，所述传动装置包括板弹簧、衔铁、铁芯线圈、底座，所述送料台通过板弹簧固定在底座上，所述衔铁、铁芯线圈分别固定在送料台的下表面、底座上，所述铁芯线圈与电流控制器相连。

优选地，所述粮样抽取机构还包括仓壁激振器，所述仓壁激振器设在料斗的底面外侧、且与电流控制器相连。

优选地，所述料斗的出口位于一侧。

优选地，所述料斗的宽度与送料台的宽度相一致。

联合收获机粮箱籽粒含杂率自动监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)所述粮样抽取机构通过直流步进电动机控制器，利用直流步进电机带动取样滚筒转动，取样滚筒上的凹槽刮取联合收获机粮箱出粮口的排出物，并在直流步进电机的带动下，将刮取物经料斗内传输到粮样传送机构的传送平台上；

(2)粮样所述传送平台移动，进入所述可见光CCD摄像机视区时，可见光CCD摄像机实时获取杂余样本图像序列并送入处理器中；

(3)图像预处理单元把待测图像转化成灰度图像并进行均值滤波、中值滤波、采用Hough变换检测圆的方法去除边缘图像、对比度增强等预处理，以进一步去除噪声，增强图像，最后将灰度图像转换成二值化图像；

(4)图像分割单元通过距离变换极小值合并法并结合分水岭算法来迭代分割杂余特征图像，以提取杂余的形态特征及颜色特征并通过形态学方法对杂余与籽粒进行分离；

(5)杂余计数单元利用“先对杂余连通区域进行八邻域边缘跟踪，再对连通区域内部进行像素填充标号”的方法对图像中的杂余进行计数，进而计算得到当前检测样本中的杂余含量。

工作过程中，粮样抽取机构利用直流步进电机带动取样滚筒转动，取样滚筒利用本身的凹槽刮取联合收获机粮箱出量口的排出物，并在直流步进电机的不断带动下，使取样滚筒的一次刮取物逐渐落到料斗的斜壁上，并在仓壁激振器的不断振动下使刮取物到达粮样传送机构一侧的上方。然后粮样传送机构控制粮食样本按一定速度单层传送入设定好光照条件下的机器视觉部分中；粮样途经机器视觉部分的可见光CCD摄像机视区时,可见光CCD摄像机实时获取杂余样本黑白图像序列并送入处理器中；处理器经过图像分析与运算得到含有杂余的二值化图像，并提取出杂余形态特征参数、尺寸特征参数，然后将处理和分析结果显示并运用杂余识别软件确定出当前杂余含量。粮样抽取机构在光照箱图像采集完毕之后,从送料台上落下的排出物在挡板的引导下并经由排出口排出，直流步进电机在处理器中步进电动机控制器的控制下旋转半周，自动进入下一个采样循环。

有益效果：基于图像处理的杂余监测方法简单、快速，实现了杂余的在线监测，省去了传统的人工取样、过筛等大工作量，使驾驶员能够及时了解当前粮箱内籽粒含杂情况并调节联合收获机的相关工作参数，使粮箱内的籽粒含杂率保持在合理水平，并可为联合收获机智能控制系统提供信号。

附图说明

图1是联合收获机粮箱籽粒含杂率自动监测装置左视图。

图2是联合收获机粮箱籽粒含杂率自动监测装置主视图。

图中：

1-导流槽，2-支架，3-取样滚筒，4-料斗，5-支撑板，6-送料台，7-板弹簧，8-铁芯线圈片，9-衔铁，10-底座，11-挡板，12-排出口，13-光照箱，14-光源，15-可见光CCD摄像机，16-仓壁激振器，17-处理器，18-直流步进电动机，19-联轴器，20-连接架，21-安装孔。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1、图2所示，本发明所述的联合收获机粮箱籽粒含杂率自动监测装置，包括粮样抽取机构、粮样传送机构、机器视觉部分及处理器17。

所述粮样抽取机构包括导流槽1、支架2、取样滚筒3、料斗4、直流步进电动机18、联轴器19、连接架20，所述导流槽1连接在联合收获机粮箱出粮口上，所述料斗4位于导流槽1的下方，所述导流槽1的底面上、且位于料斗4正上方的位置设有一矩形孔。所述取样滚筒3两端由支架2支撑、位于料斗4内，且所述取样滚筒3表面至少有一个凹槽，所述凹槽的开口与矩形孔相同。取样滚筒3在转动时与矩形孔相切，所述取样滚筒3的一端通过联轴器19与直流步进电动机18相连。所述料斗4的出口位于一侧，所述仓壁激振器16设在料斗4的底面外侧，利用所述仓壁激振器16振动料斗4的底面，使料样顺利的从料斗4中滑落。

所述粮样传送机构至少包括送料台6，板弹簧7、铁芯线圈8、衔铁9、底座10，所述送料台6通过板弹簧7固定在底座10上，所述铁芯线圈8、衔铁9分别固定在底座10、送料台6的下表面上。

在传送平台的尾部下方固定挡板11，对料样进行导流。为了防止料样散落，较佳地，使所述料斗4的宽度与送料台6的宽度相一致。

所述机器视觉部分由支撑板5、光照箱13、光源14、可见光CCD摄像机15组成；所述支撑板5焊接在支架2上，所述支撑板5具有垂直于传送平台的竖直板，所述竖直板下边缘与传送平台之间的间隙稍大于所述收获机收货粮食籽粒的高度，所述光照箱13吊装在支撑板5上、且位于所述传送平台上方，光源14、可见光CCD摄像机15位于光照箱13内。

所述处理器17包括电流控制器、直流步进电动机控制器、图像预处理单元、图像分割单元、杂余计数单元。所述直流步进电动机18与步进电动控制器相连，所述铁芯线圈8通过信号线与嵌入在处理器中的控制铁芯线圈8中电流的电流控制器相连，通过控制线圈中的电流通断来控制所述铁芯线圈8与衔铁9的吸合频率，进而控制粮样传送机构上粮样的传输速度。所述仓壁激振器16设在料斗4的底面外侧、且与电流控制器相连。光源14与电流控制器相连，可见光CCD摄像机15经数据线与图像预处理单元相连。所述图像预处理单元用于将可见光CCD摄像机15拍摄的待测图像转化转换成二值化图像，所述图像分割单元用于在所述二值化图像中分割杂余特征图像、提取杂余的形态特征及颜色特征并对杂余与籽粒进行分离，所述杂余计数单元用于对图像中的杂余进行计数。

工作过程中，本发明所述联合收获机粮箱籽粒含杂率自动监测装置检测籽粒含杂率自动监测方法，包括以下步骤：

(1)所述粮样抽取机构通过直流步进电动机控制器，利用直流步进电机18带动取样滚筒3转动，取样滚筒3上的凹槽刮取联合收获机粮箱出粮口的排出物，并在直流步进电机18的带动下，将刮取物经料斗4内传输到粮样传送机构的传送平台上；

(2)粮样所述传送平台移动，进入所述可见光CCD摄像机15视区时，可见光CCD摄像机15实时获取杂余样本图像序列并送入处理器17中；

(3)图像预处理单元把待测图像转化成灰度图像并进行均值滤波、中值滤波、采用Hough变换检测圆的方法去除边缘图像、对比度增强等预处理，以进一步去除噪声，增强图像，最后将灰度图像转换成二值化图像；

(4)图像分割单元通过距离变换极小值合并法并结合分水岭算法来迭代分割杂余特征图像，以提取杂余的形态特征及颜色特征并通过形态学方法对杂余与籽粒进行分离；

(5)杂余计数单元利用“先对杂余连通区域进行八邻域边缘跟踪，再对连通区域内部进行像素填充标号”的方法对图像中的杂余进行计数，进而计算得到当前检测样本中的杂余含量。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.联合收获机粮箱籽粒含杂率自动监测装置，其特征在于，包括粮样抽取机构、粮样传送机构、机器视觉部分及处理器(17)，所述粮样抽取机构包括导流槽(1)、支架(2)、取样滚筒(3)、料斗(4)、直流步进电动机(18)、联轴器(19)、连接架(20)，所述导流槽(1)连接在联合收获机粮箱出粮口上，所述料斗(4)位于导流槽(1)的下方，所述导流槽(1)的底面上、且位于料斗(4)正上方的位置设有一矩形孔，所述取样滚筒(3)两端由支架(2)支撑、位于料斗(4)内，且所述取样滚筒(3)表面至少有一个凹槽，所述凹槽的开口与矩形孔相同，取样滚筒(3)在转动时与矩形孔相切，所述取样滚筒(3)的一端通过联轴器(19)与直流步进电动机(18)相连；所述粮样传送机构至少包括承载粮样的传送平台、能够使传送平台传送粮样的传动装置；所述机器视觉部分由支撑板(5)、光照箱(13)、光源(14)、可见光CCD摄像机(15)组成；所述支撑板(5)焊接在支架(2)上，所述支撑板(5)具有垂直于传送平台的竖直板，所述竖直板下边缘与传送平台之间的间隙稍大于所述收获机收货粮食籽粒的高度，所述光照箱(13)吊装在支撑板(5)上、且位于所述传送平台上方，光源(14)、可见光CCD摄像机(15)位于光照箱(13)内；所述处理器(17)包括电流控制器、直流步进电动机控制器、图像预处理单元、图像分割单元、杂余计数单元；所述可见光CCD摄像机(15)经数据线与图像预处理单元相连，所述光源(14)与电流控制器相连，所述图像预处理单元用于将可见光CCD摄像机(15)拍摄的待测图像转化灰度图像并进行均值滤波、中值滤波、采用Hough变换检测圆的方法去除边缘图像、对比度增强等预处理，以进一步去除噪声，增强图像，最后将灰度图像转换成二值化图像，所述图像分割单元用于在所述二值化图像中通过距离变换极小值合并法并结合分水岭算法来迭代分割杂余特征图像、提取杂余的形态特征及颜色特征并通过形态学方法对杂余与籽粒进行分离，所述杂余计数单元用于利用“先对杂余连通区域进行八邻域边缘跟踪，再对连通区域内部进行像素填充标号”的方法对图像中的杂余进行计数，进而计算得到当前检测样本中的杂余含量。

2.根据权利要求1所述的联合收获机粮箱籽粒含杂率自动监测装置，其特征在于，还包括挡板(11)，所述挡板(11)固定在传送平台的尾部下方。

3.根据权利要求1所述的联合收获机粮箱籽粒含杂率自动监测装置，其特征在于，所述粮样传送机构的传送平台为送料台(6)，所述传动装置包括板弹簧(7)、铁芯线圈(8)、衔铁(9)、底座(10)，所述送料台(6)通过板弹簧(7)固定在底座(10)上，所述铁芯线圈(8)、衔铁(9)分别固定在底座(10)、送料台(6)的下表面上，所述铁芯线圈(8)与电流控制器相连。

4.根据权利要求1所述的联合收获机粮箱籽粒含杂率自动监测装置，其特征在于，所述粮样抽取机构还包括仓壁激振器(16)，所述仓壁激振器(16)设在料斗(4)的底面外侧、且与电流控制器相连。

5.根据权利要求1所述的联合收获机粮箱籽粒含杂率自动监测装置，其特征在于，所述料斗(4)的出口位于一侧。

6.根据权利要求1所述的联合收获机粮箱籽粒含杂率自动监测装置，其特征在于，所述料斗(4)的宽度与送料台(6)的宽度相一致。

7.根据权利要求1所述的联合收获机粮箱籽粒含杂率自动检测装置的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)所述粮样抽取机构通过直流步进电动机控制器，利用直流步进电机(18)带动取样滚筒(3)转动，取样滚筒(3)上的凹槽刮取联合收获机粮箱出粮口的排出物，并在直流步进电机(18)的带动下，将刮取物经料斗(4)内传输到粮样传送机构的传送平台上；

(2)所述粮样传送平台移动，进入所述可见光CCD摄像机(15)视区时，可见光CCD摄像机(15)实时获取杂余样本图像序列并送入处理器(17)中；

(3)图像预处理单元把待测图像转化成灰度图像并进行均值滤波、中值滤波、采用Hough变换检测圆的方法去除边缘图像、对比度增强等预处理，以进一步去除噪声，增强图像，最后将灰度图像转换成二值化图像；

(4)图像分割单元通过距离变换极小值合并法并结合分水岭算法来迭代分割杂余特征图像，以提取杂余的形态特征及颜色特征并通过形态学方法对杂余与籽粒进行分离；

(5)杂余计数单元利用“先对杂余连通区域进行八邻域边缘跟踪，再对连通区域内部进行像素填充标号”的方法对图像中的杂余进行计数，进而计算得到当前检测样本中的杂余含量。