CN105549486B - 基于机器视觉的烟草打顶抑芽检测控制系统 - Google Patents

基于机器视觉的烟草打顶抑芽检测控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于机器视觉的烟草打顶抑芽机检测控制系统；包括烟株顶端位置检测系统和打顶抑芽控制系统。所述烟株顶端位置检测系统包括图像采集模块、图像处理模块、烟株顶端位置定位模块；所述图像采集模块包括摄像头和背景板，用于采集图像信息；所述图像处理模块用于对图像采集模块得到的图像信息进行分析处理，将信息传送给烟株顶端位置定位模块；所述烟株顶端位置定位模块对烟花信息进行定位，确定打顶装置需要移动的距离。本发明能够快速实时监测烟顶高度，控制打顶装置完成精准打顶作业，降低烟草打顶劳动强度，提升烟草打顶效率，加快烟草作业的智能化进程。

Description

基于机器视觉的烟草打顶抑芽检测控制系统
技术领域
本发明涉及一种基于机器视觉的烟草打顶抑芽机检测控制系统，属于烟草田间管理机械。
背景技术
目前我国烟草打顶抑芽作业基本靠人工完成，而人工打顶工作效率低，劳动强度大，人为干扰因素明显。而利用机器视觉技术，通过结合颜色特征提取和梯度差值判断，可以有效识别烟顶位置，利用工业控制机及单片机控制打顶装置完成打顶抑芽作业，能够提高作业效率和作业效果。
随着机器视觉技术在农业中的不断应用，机器视觉技术在烟草农业以及烟草工业中的应用日益得到关注，在烟叶面积测量、鲜烟叶含水量测定、烟叶分级、烟叶成熟度判断、烟叶除杂等方面不断研究，并随着机器视觉技术的成熟发展，机器视觉技术在质量检测、临控和分拣等生产过程得到大量发展，节省大量人力、物力，提高了生产效率，但目前烟草打顶技术尚不成熟，打顶效率满足不了烟草生产要求，因此，我们将机器视觉技术应用到烟草打顶抑芽作业中，不仅拓展机器视觉在农业上的应用范围，而且对提高烟草生产率，发展烟草智能化生产具有重要意义。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于机器视觉的烟草打顶抑芽机检测控制系统。将本发明安装在现有烟草打顶抑芽机上，能够快速实时监测烟顶高度，控制打顶装置完成精准打顶作业，降低烟草打顶劳动强度，提升烟草打顶效率，加快烟草作业的智能化进程。本发明可完成同时对两行烟草进行烟顶位置检测及打顶抑芽作业，两行作业互不干扰。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于机器视觉的烟草打顶抑芽机检测控制系统，包括烟株顶端位置检测系统和打顶抑芽控制系统。所述烟株顶端位置检测系统具有图像采集，图像处理和烟花顶端位置定位的功能。所述打顶抑芽控制系统主要用于执行工业控制机指令，控制打顶装置移动和控制电磁阀的通电与断开。
所述烟株顶端位置检测系统包括图像采集模块、图像处理模块、烟株顶端位置定位模块；所述图像处理模块、烟株顶端位置定位模块存储在工业控制机内；所述图像采集模块包括摄像头和背景板，用于采集图像信息；所述图像处理模块用于对图像采集模块得到的图像信息进行分析处理，判断确定烟株顶端的烟花位置；若检测到烟花位置，将信息传送给烟株顶端位置定位模块；所述烟株顶端位置定位模块对烟花信息进行定位，确定打顶装置需要移动的距离。
打顶抑芽机前端对称安装两个打顶装置，所述背景板沿烟垄方向竖直固定在两个打顶装置中间，利用背景板消除采集图像信息中其他颜色对烟花识别造成的干扰；两个摄像头对称固定在两个打顶装置外侧；摄像头通过USB接线连接工业控制机；田间作业时，每个打顶装置对应一行烟垄；背景板位于两行烟垄正中间，每个摄像头位于对应一侧烟垄的外侧，摄像头对准烟草植株，摄像头采集图像，并将采集到的图像传输到工业控制机上；所述背景板选取与潘通色卡TCX色卡上17-5430色号颜色一致的绿色印染布制作。
所述图像处理模块对采集到的原始图像中间第240列像素做为数据源进行处理，采用梯度差判别法从上往下计算该列每个像素点R数值与背景板的R数值之间的梯度差值T，该列从上往下符合设定值T>200的第一个像素点判定为检测到烟花信息，即为烟株顶端的烟花位置；若图像中间列每个像素点梯度差值T<200，判定为没有检测到烟花信息。检测到烟花信息后，图像处理模块将烟花位置信息发送给烟株顶端位置定位模块，同时图像处理模块停止对图像进行处理。
所述烟株顶端位置定位模块对收到的烟花位置信息进行计算处理，确定打顶装置到烟花位置进行打顶的移动距离，并将移动信息发送给单片机。
所述打顶抑芽控制系统包括单片机、电源模块、步进电机、步进电机驱动器、继电器和电磁阀；单片机接收到工业控制机发送的打顶装置移动距离，向步进电机驱动器发送脉冲信号，驱动步进电机控制烟草打顶机的打顶装置移动到指定位置完成打顶作业；当电磁阀随打顶抑芽机前行到位于刚完成打顶的烟花上端位置时，单片机向继电器发出信号，继电器通电，控制电磁阀完成喷洒抑芽剂的动作；喷洒动作完成后，单片机向工业控制机发送信号，图像处理模块开始对下一个图像的检测处理，以完成下一个喷洒抑芽剂的动作。
每个打顶装置安装一个打顶抑芽控制系统。所述单片机通过RS232串口通讯与工业控制机相连，单片机内存储有打顶装置控制模块和抑芽剂喷洒控制模块，打顶装置控制模块用于控制打顶装置的升降；抑芽剂喷洒控制模块用于控制电磁阀的通电与断开；作业时可根据打顶机行进速度确定抑芽剂喷洒量及延迟时间。
所述单片机、步进电机驱动器、步进电机、继电器、电源模块固定在烟草打顶抑芽机前端两个打顶装置之间；所述步进电机驱动器一端连接单片机，另一端连接步进电机；步进电机另一端连接打顶装置；所述继电器一端连接电磁阀，另一端连接单片机；所述电磁阀固定在打顶装置后面，电磁阀通过管道连接烟草打顶抑芽机上的药箱，药箱内装有抑芽剂；所述电源模块连接烟草打顶机上的电瓶，给单片机、步进电机驱动器、步进电机、电磁阀和继电器供电。
每个打顶装置的打顶抑芽检测控制系统分别完成该打顶装置对应一垄烟草植株的图像采集、处理、烟花顶端位置定位、控制打顶装置打顶及喷洒抑芽剂工作，两行作业互不干扰。
一种基于机器视觉的烟草打顶抑芽机检测控制方法，包括以下步骤：
1.烟草打顶抑芽机前进时，对称固定在烟草打顶抑芽机前方两端的摄像头将拍摄到的原始图像通过usb接线传输到工业控制机上；
2.工业控制机的图像处理模块读入原始图像；
3.图像处理模块对读入的原始图像进行处理，提取该原始图像中间第240列像素做为数据源进行分析，采用梯度差判别法从上往下计算该列每个像素点R数值与背景板的R数值之间的梯度差值T，该列从上往下符合设定值T>200的第一个像素点判定为检测到烟花信息，即为烟株顶端的烟花位置；若该列某像素点梯度差值T<200，判定为没有检测到烟花信息；检测到烟花信息后，图像处理模块将烟花位置信息发送给烟株顶端位置定位模块；同时图像处理模块停止对图像进行处理。
通过公式(1)计算梯度差值T：
T＝|Ri—R背景板| (1)
其中，T为像素点R数值与背景板的R数值的梯度差，Ri为该列第i行的R数值，R背景板为选取的背景板R数值平均值，R背景板＝40；
4.烟株顶端位置定位模块通过公式(2)和(3)计算出打顶装置打顶时需要移动的距离H，并将打顶装置移动距离信息发送给单片机：
Q＝a/(a+b) (2)
H＝(640-i)×1/16×Q (3)
Q为实际大小与像素点之间的比例关系，a为每个摄像头到烟草植株的水平距离，b为烟草植株到背景板的水平距离；
i为图像第240列从上往下检测到的烟花像素位置(即烟草植株顶端)所在的行数；
H为打顶装置需要移动的距离；
5.工业控制机将打顶装置需要移动的距离信息传输到单片机上，单片机的打顶装置控制模块计算步进电机下降到指定距离需要的脉冲，向步进电机驱动器发送信息，使步进电机带动打顶装置移动到指定距离完成打顶作业；
6.完成打顶后，步进电机反转，打顶装置靠自身重力下降到起始位置；
7.烟草打顶抑芽机向前运动，当电磁阀位于刚完成打顶的烟草上端位置时，抑芽剂喷洒控制模块向继电器发出信号，继电器通电，控制电磁阀完成喷洒抑芽剂的动作；喷洒动作完成后，单片机向工业控制机发送信号，图像处理模块开始对下一个图像的检测处理，以完成先一个喷洒抑芽剂的动作。
本发明提供一种基于机器视觉的烟草打顶机的检控制测系统，其中烟株顶端位置检测系统能够准确检测出烟株的顶端位置，打顶抑芽控制系统能够精确控制打顶装置完成对烟株的顶端打顶抑芽工作，打顶抑芽效果满足烟草打顶农艺要求。本发明对初花期烟苗植株的识别率高，可实现连续、高效、自动化作业，不仅降低了烟草打顶劳动强度，同时提升烟草机械的智能化水平。
附图说明
图1为本发明的系统结构原理图
图2为本发明的工作流程图
图3为烟草图像G分量三维图
图4为烟草图像B分量三维图
图5为烟草图像R分量三维图
图6为本发明的烟草定位方式图
图中：1.工业一体机 2.烟苗 3.摄像头 4.单片机 5.电机驱动器 6.步进电机 7.打顶装置 8.继电器 9.电磁阀 10.背景板
具体实施方式
实施例1
以下具体实施方式用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明所涉及到控制系统硬件部分如工业控制机、摄像头、单片机、步进电机驱动器、步进电机、电磁阀均可市购；如本实施例使用的工业控制机为索奇T1217工控机，摄像头型号为普通民用摄像头，分辨率为640*480，单片机为89C52R单片机，步进电机为86BYGH450C-02步进电机，步进电机驱动器为CF20611D驱动器。本发明所涉及的各种控制模块均可根据现有技术进行编程，利用keil软件完成对相关控制程序的编程，以实现其控制功能。
如图2所示是检测控制系统的工作流程图，本发明的烟草打顶抑芽机检测控制系统，工作时包括两个步骤：烟株顶端位置检测和控制打顶机械完成打顶抑芽作业。使用时，将本发明安装在烟草打顶抑芽机上。具体工作步骤如下：
1.工作前，通过调整摄像头的焦距改变摄像头的视野范围，使普通摄像头(3)在背景板(10)上采集的烟草图像高度为40cm，打顶装置起始位置与摄像头视野范围最低端平行。打开工业控制机(1)内的烟草打顶抑芽检测控制系统，同时打开单片机(4)。
2.烟株图像采集。田间作业时，背景板(10)位于两行烟垄正中间，每个摄像头(3)位于对应一侧烟垄的外侧，当烟草打顶抑芽机前进时，图像采集模块的普通摄像头(3)采集烟草植株的图像信息，并通过usb线将图像传输到工业控制机(1)上。
3.图像处理。工业控制机上的图像处理模块读入原始图像，对原始图像进行处理，抓取原始图像中间第240列像素为数据源进行处理，提取该列数据源的颜色特征中R数值，并从上往下对该列每个像素点R数值与背景板的R数值求得梯度差值T，若该列每个像素点梯度差值T<200，判定为没有检测烟株顶端位置的烟花信息，若当某列中某像素点差值满足T>200时，判定为检测到了烟株顶端烟花位置，且该列满足T>200的第一个像素点为烟株顶端的烟花位置；图像处理模块将烟花位置信息传输到烟株顶端位置定位模块。为防止出现重复检测，当检测到烟花位置时，此时图像处理模块停止图像处理工作；
通过公式(1)计算梯度差值T：
T＝|Ri—R背景板| (1)
其中，T为像素点R数值与背景板的R数值的梯度差值，Ri为该列第i行的R数值，R背景板为选取的背景板R数值平均值，R背景板＝40；
4、烟株顶端位置定位模块接收到烟花位置信息，通过公式(1)、(2)计算出打顶装置打顶时需要移动的距离H，并将打顶装置移动距离信息发送给单片机(4)
Q＝a/(a+b) (1)
H＝(640-i)×1/16×Q (2)
Q为实际大小与像素点之间的比例关系，a为每个摄像头到烟草植株的水平距离，b为烟草植株到背景板的水平距离。
i为图像第240列从上往下检测到的烟花像素位置(即烟草植株顶端)所在的行数。
H为打顶装置需要移动的距离。
单片机(4)接收到工业控制机(1)发送的打顶装置移动距离信息，单片机内的打顶装置控制模块计算步进电机下降到指定距离需要的脉冲，向步进电机驱动器(5)发送脉冲信息，驱动步进电机(6)控制打顶装置(7)上升，打顶装置达指定位置后进行打顶作业，当电磁阀(9)位于到刚完成打顶的烟草上端位置时，抑芽剂喷洒控制模块向继电器(8)发出信号，继电器(8)通电，控制电磁阀(9)完成延时喷洒抑芽剂的动作；打顶装置控制模块控制打顶装置完成复位动作，步进电机反转，打顶装置靠自身重力下降到起始位置，同时单片机向工业控制机发送信号，图像处理模块对图像进行处理，准备进行下一次打顶作业。
在本实施案例中，利用单片机控制步进电机的正传和反转技术以及利用单片机控制电磁阀的通电与断电技术为现有技术，故在此不再对程序进行赘述。
实施例2
选用R通道数值及以T＞200作为判断存在烟花信息的验证依据。
由于初花期烟花与烟叶在色彩上存在差异，并考虑到初花期时烟田的环境，故本发明选取与烟叶颜色差异较小的绿色制作图像采集绿色背景板作为背景颜色。经多次试验验证，在可见光源情况下，选取与潘通色卡TCX色卡上17-5430色号颜色一致的绿色印染布制作背景板，本发明的创新点之一就是使用了该色号绿色制作背景板，使烟花、烟叶、背景板的区别更加明显，提高了识别效果和检测效率。
用Matlab软件对一张带有烟叶、烟花、背景板的图像进行处理，研究图像中烟草顶端目标(即烟花)、烟叶与背景板的R、G、B三个色彩通道的数值分布特点，如图3、4、5所示，对烟草图像的色彩数据进行统计，得到烟花区域、烟叶区域、背景板区域的RGB数值具体分布范围如表1所示：
表1数值分布
Tab.1 Test conditions
由表1看出，在R通道下，烟花与烟叶、背景板之间的差值明显，可以采用R数值对烟草顶端位置检测进行判断；
由于采集图像的像素为640*480，而本发明只需得到烟花顶端高度用于打顶，为提高检测速度，只需选择对图像中间的第240列的640像素作为数据源进行处理即可，这样可以降低处理的复杂程度，提高处理速度，有利于提高打顶的实时控制。
为得到烟花目标区别于烟叶、背景板的数值，分别选取一列经过烟叶但不经过烟花的像素点和一列经过烟花的像素点进行处理，分别对这两列像素点的R数值与背景板的R数值求得梯度差值，分别根据公式(1)计算两列梯度差值T，将烟花位置梯度差值T的数值及其余位置梯度差值T进行对比，得到烟花目标区别于烟叶、背景板的梯度差值。如表2所示：
T＝|Ri—R背景板| (1)
其中，T为像素点R数值与背景板的R数值的梯度差，Ri为该列第i行的R数值，R背景板为选取的背景板R数值平均值，R背景板＝40；
表2中像素位置A为不经过烟草顶部位置的一列像素点数据；像素位置B为经过烟草顶部位置的一列像素点数据。R值为提取图像这一列像素点中RGB通道中R通道的数值；分别根据公式(1)求得像素位置A和像素位置B对应的梯度差值T，见表2。
表2图像梯度差数值
通过计算发现，在烟花附近位置，梯度差值最大，达到200以上，而烟叶附近的梯度差在150以下，通过差值分析可以确定烟花顶端像素点的位置。为保证准确性，确定当梯度差满足T>200时，则认为检测到烟花信息，可将T>200作为检测到烟花的依据。
以上所述及图中所示仅为本发明的优选实施方式。在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出的各种变化和变型、所有等同的技术方案也属于本发明的范畴。

Claims (2)

1.一种基于机器视觉的烟草打顶抑芽机检测控制系统，其特征在于包括烟株顶端位置检测系统和打顶抑芽控制系统；所述烟株顶端位置检测系统具有图像采集，图像处理和烟株顶端位置定位的功能；所述打顶抑芽控制系统主要用于执行工业控制机指令，控制打顶装置移动和控制电磁阀的通电与断开；
所述烟株顶端位置检测系统包括图像采集模块、图像处理模块、烟株顶端位置定位模块；所述图像处理模块和烟株顶端位置定位模块存储在工业控制机内；所述图像采集模块由摄像头和背景板组成，用于采集图像信息；所述图像处理模块用于对图像采集模块得到的图像信息进行分析处理，判断确定烟株顶端的烟花位置；若检测到烟花位置，将信息传送给烟株顶端位置定位模块；所述烟株顶端位置定位模块对烟花信息进行定位，确定打顶装置需要移动的距离；
打顶抑芽机前端两侧对称安装两个打顶装置，所述背景板沿烟垄方向竖直固定在两个打顶装置中间，利用背景板消除采集图像信息中其他颜色对烟花识别造成的干扰；两个摄像头对称固定在两个打顶装置外侧；摄像头通过USB接线连接工业控制机；田间作业时，每个打顶装置对应一行烟垄；背景板位于两行烟垄正中间，每个摄像头位于对应一侧烟垄的外侧，摄像头对准烟草植株，摄像头采集图像，并将采集到的图像传输到工业控制机上；所述背景板选取与潘通色卡TCX色卡上17-5430色号颜色一致的绿色印染布制作；
所述图像处理模块将采集到的原始图像中间第240列像素做为数据源进行处理，采用梯度差判别法从上往下计算该列每个像素点R数值与背景板的R数值之间的梯度差值T，该列从上往下符合设定值T>200的第一个像素点判定为检测到烟花信息，即为烟株顶端的烟花位置；若该列每个像素点梯度差值T<200，判定为没有检测到烟花信息；检测到烟花信息后，图像处理模块将烟花位置信息发送给烟株顶端位置定位模块，同时图像处理模块停止对图像进行处理；
所述烟株顶端位置定位模块对收到的烟花位置信息进行计算处理，确定打顶装置到烟花位置进行打顶的移动距离，并将移动信息发送给单片机；
所述打顶抑芽控制系统包括单片机、电源模块、步进电机、步进电机驱动器、继电器和电磁阀；单片机接收到工业控制机发送的打顶装置移动距离，向步进电机驱动器发送脉冲信号，驱动步进电机控制烟草打顶抑芽机的打顶装置移动到指定位置完成打顶作业；当电磁阀随打顶抑芽机前行到位于刚完成打顶的烟花上端位置时，单片机向继电器发出信号，继电器通电，控制电磁阀完成喷洒抑芽剂的动作；喷洒动作完成后，单片机向工业控制机发送信号，图像处理模块开始对下一个图像的检测处理，以完成下一个喷洒抑芽剂的动作；
每个打顶装置安装一个打顶抑芽控制系统；所述单片机通过RS232串口通讯与工业控制机相连，单片机内存储有打顶装置控制模块和抑芽剂喷洒控制模块，打顶装置控制模块用于控制打顶装置的升降；抑芽剂喷洒控制模块用于控制电磁阀的通电与断开；作业时根据烟草打顶抑芽机行进速度确定抑芽剂喷洒量及延迟时间；
所述单片机、步进电机驱动器、步进电机、继电器、电源模块固定在烟草打顶抑芽机前端两个打顶装置之间；所述步进电机驱动器一端连接单片机，另一端连接步进电机；步进电机另一端连接打顶装置；所述继电器一端连接电磁阀，另一端连接单片机；所述电磁阀固定在打顶装置后面，电磁阀通过管道连接烟草打顶抑芽机上的药箱，药箱内装有抑芽剂；所述电源模块连接烟草打顶抑芽机上的电瓶，给单片机、步进电机驱动器、步进电机、电磁阀和继电器供电。
2.如权利要求1所述的一种基于机器视觉的烟草打顶抑芽机检测控制系统的检测控制方法，其特征在于包括以下步骤：
1）烟草打顶抑芽机前进时，对称固定在烟草打顶抑芽机前方两端的摄像头将拍摄到的原始图像通过usb接线传输到工业控制机上；
2）工业控制机的图像处理模块读入原始图像；
3）图像处理模块对读入的原始图像进行处理，提取该原始图像中间第240列像素做为数据源进行分析，采用梯度差判别法从上往下计算该列每个像素点R数值与背景板的R数值之间的梯度差值T，该列从上往下符合设定值T>200的第一个像素点判定为检测到烟花信息，即为烟株顶端的烟花位置；若该列每个像素点梯度差值T<200，判定为没有检测到烟花信息；检测到烟花信息后，图像处理模块将烟花位置信息发送给烟株顶端位置定位模块；同时图像处理模块停止对图像进行处理；
通过公式（1）计算梯度差值T：
T=|Ri—R背景板| （1）
其中，T为像素点R数值与背景板的R数值的梯度差，Ri为该列第i行的R数值，R背景板为选取的背景板R数值平均值，R背景板=40；
4）烟株顶端位置定位模块通过公式（2）和（3）计算出打顶装置打顶时需要移动的距离H，并将打顶装置移动距离信息发送给单片机：
Q=a/（a+b） （2）
H=（640-i）×1/16×Q （3）
Q 为实际大小与像素点之间的比例关系，a为每个摄像头到烟草植株的水平距离，b为烟草植株到背景板的水平距离；
i为图像第240列从上往下检测到的烟花像素位置即烟草植株顶端所在的行数；
H为打顶装置需要移动的距离；
5）工业控制机将打顶装置需要移动的距离信息传输到单片机上，单片机的打顶装置控制模块计算步进电机下降到指定距离需要的脉冲，向步进电机驱动器发送信息，使步进电机带动打顶装置移动到指定距离完成打顶作业；
6）完成打顶后，步进电机反转，打顶装置靠自身重力下降到起始位置；
7）烟草打顶抑芽机向前运动，当电磁阀位于刚完成打顶的烟草上端位置时，抑芽剂喷洒控制模块向继电器发出信号，继电器通电，控制电磁阀完成喷洒抑芽剂的动作；喷洒动作完成后，单片机向工业控制机发送信号，图像处理模块开始对下一个图像的检测处理，以完成下一个喷洒抑芽剂的动作。
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