CN105783990B - 一种用于玉米果穗室内精确考种的全景图像测量系统 - Google Patents
一种用于玉米果穗室内精确考种的全景图像测量系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种用于玉米果穗室内精确考种的全景图像测量系统，通过向直线振动喂料机(1)添加玉米果穗后，系统自动将玉米果穗进行横向排序，然后由气动夹取及推送机构(3)依次将玉米果穗送至玉米果穗的全景图像采集平台(4)和称重平台(5)，由计算机(6)采集玉米果穗全景图像并完成对玉米果穗考种的图像测量，由称重平台(5)完成玉米果穗的重量测量。本发明，将可编程控制器(PLC)技术、气压传动技术、机器人技术、考种技术与图像处理技术相结合；建立了一种新型视觉精确考种系统，可适应于玉米果穗室内精确考种时使用，即：可自动精确测量玉米果穗的穗长、穗粗、颜色、凸尖率、籽粒行数、每行籽粒数和穗重。
Description
技术领域
本发明涉及玉米果穗室内考种领域，具体说是一种用于玉米果穗室内精确考种的全景图像测量系统。
背景技术
玉米是我国主要粮食作物之一，在食品、饲料等行业中备受关注。2010年全国玉米总产量1.8亿吨，随着经济社会发展和耕地面积的逐年萎缩，迫切需求玉米产量进一步提高。
玉米产量由于其品种、栽培条件、产量水平和自然气候的不同，影响产量的构成因素也有很大差异。通过玉米果穗室内考种，用以分析研究在不同条件下的合理产量结构，研究在高产条件下，争取穗大粒多粒重，是进一步促进高产再高产的途径。同时，在玉米育种过程中，从自交系的选育到配制杂交种等过程中也要长时间进行室内考种，以便对其经济性状取得数据，作为评定其优劣，决定取舍的依据。因此，玉米果穗室内考种对育种、田间测产、提高玉米产量具有重要意义。
目前玉米果穗的室内考种主要采用传统的手工考种或者是半人工考种。
传统的手工考种是利用人工测量玉米果穗数据，缺点是：费时费力，容易带来人工误差，生产率低下并且人力成本投入大。
半人工考种为采用人工来完成玉米果穗的摆放，通过单摄像机采集玉米果穗图像并利用图像处理的方法来实现玉米果穗特征参数提取，检测完毕后由人工收集玉米果穗，缺点是：1.半人工，非全自动，检测效率受人工操作时间限制，另摆放时的拍摄面受人为因素影响大；2.采用单摄像机采集图像，是建立在玉米果穗生长均匀的假设下，即以局部估算整体，因玉米果穗是自然生长物，360度面上非均匀体，因此检测精度低。
基于以上，一种精确的、免人工的玉米果穗室内考种设备是当前农业现代化发展的需要。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于玉米果穗室内精确考种的全景图像测量系统，将可编程控制器(PLC)技术、气压传动技术、机器人技术、考种技术与图像处理技术相结合；建立了一种新型视觉精确考种系统，可适应于玉米果穗室内精确考种时使用，即：可自动精确测量玉米果穗的穗长、穗粗、颜色、凸尖率、籽粒行数、每行籽粒数和穗重。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种用于玉米果穗室内精确考种的全景图像测量系统，其特征在于，包括：
可编程控制器7，
直线振动喂料机1，在可编程控制器7的控制下，利用直线振动喂料机1实现玉米果穗的自动喂料，
横向定位传输机构2，在可编程控制器7的控制下，利用横向定位传输机构2将来自直线振动喂料机1的玉米果穗横向定位并传送至该机构末端，并进行光电开关检测，
气动夹取及推送机构3，在可编程控制器7的控制下，利用气动夹取及推送机构3将来自横向定位传输机构2的玉米果穗夹取至全景图像采集平台4的透明玻璃板上，
计算机6，通过USB接口的高速工业相机进行玉米果穗全景图像采集并处理，由计算机通过图像处理来完成玉米果穗的考种参数的测量，
计算机6与可编程控制器7间通过串口通讯，
称重平台5，全景图像采集并处理后，由气动夹取及推送机构3将玉米果穗推送至称重平台5，称重数据通过串口传送至计算机6。
在上述技术方案的基础上，称重后的玉米果穗由设于称重平台5中的推送机构推送至玉米果穗收集箱中。
在上述技术方案的基础上，所述直线振动喂料机1包括：
储料斗8，
储料斗8下部的出口处设有储料斗出口限位10，
储料斗8出口的下方设有条状筛网11，
条状筛网11远离储料斗8的一端设有直线振动喂料机的出口限位12，
条状筛网11下设有带振动电机9的机架，
在出口限位12一侧设有杂质出口40和配套的杂质收集箱41；
储料斗8的水平高度高于出口限位12的水平高度。
在上述技术方案的基础上，所述横向定位传输机构2包括：
两条设于机架上的皮带42，
两条皮带42间留有一定位间隙14，
在皮带42靠近直线振动喂料机1的一端设有导流板13，导流板13共两个，左右对称的设于定位间隙14两侧，
两个导流板13间的间距由大到小，靠近直线振动喂料机1的一端间距最大，
在皮带42远离直线振动喂料机1的一端设有光电开关15，
机架的一侧设有电机16，电机16通过同步带轮43、同步齿形带44驱动皮带42。
在上述技术方案的基础上，所述气动夹取及推送机构3包括：
宽型气爪18，用于夹持横向定位传输机构2送来的玉米果穗，
在宽型气爪18上安装有手指延长片19，用于保证夹持玉米果穗的准确性，
宽型气爪18的上方设有气缸17，气缸17驱动宽型气爪18动作，
气缸17安装在横梁23上，
横梁23上还设有电机20，
电机20的转轴上设有齿轮21，
齿轮21和齿条22啮合，电机20通过驱动齿轮21转动，可使横梁23沿齿条22往复移动，
齿条22平行于横向定位传输机构2，
齿条22的两端分别安装在一个齿条支撑梁46的槽口中，
齿条支撑梁46垂直于横向定位传输机构2，
两个齿条支撑梁46安装在主体框架48上，
导轨支撑梁47，共两个，其上分别设有直线导轨25，
滑块24安装在直线导轨25上，
导轨支撑梁47安装在主体框架48上，且平行于横向定位传输机构2，
横梁23两端分别安装在滑块24上，横梁23移动时，直线导轨25起限位作用，
在靠近齿条22侧的导轨支撑梁47上，沿电机的移动方向分别设有第一接近开关38和第二接近开关39，
在主体框架48上，设有两个推送气缸30，推板31的两端分别安装在推送气缸30的活塞杆上，推板31位于全景图像采集平台4远离称重平台5的一侧。
在上述技术方案的基础上，宽型气爪18开口中心自上而下垂直对应横向定位传输机构2的中心线。
在上述技术方案的基础上，在主体框架48上，还设有与横向定位传输机构2传送末端适配的上滑道32，
在上滑道32一侧侧壁上设有光电开关34，
上滑道32的前侧设有称重平台5，
称重平台5的一侧设有由气缸35驱动的U型推板33，另一侧设有下滑道36，
下滑道36的下方正对玉米果穗收集箱37。
在上述技术方案的基础上，所述称重平台5包括：
称重变送器，其设有用于连接单片机开发板的AD采集接口的信号线，还通过另一信号线连接S型称重传感器，
S型称重传感器上设有托盘45。
在上述技术方案的基础上，所述全景图像采集平台4包括：
透明玻璃板26，以其为圆心，沿周边设有等间隔分布的第一、第二、第三高速工业相机27、28、29，
三台高速工业相机位于同一圆平面，两两相差120度角，其拍照中心处为透明玻璃板26上的玉米果穗。
本发明所述的用于玉米果穗室内精确考种的全景图像测量系统，将可编程控制器(PLC)技术、气压传动技术、机器人技术、考种技术与图像处理技术相结合；建立了一种新型视觉精确考种系统，可适应于玉米果穗室内精确考种时使用，即：可自动精确测量玉米果穗的穗长、穗粗、颜色、凸尖率、籽粒行数、每行籽粒数和穗重。
附图说明
本发明有如下附图：
图1玉米果穗室内精确考种全景图像测量系统组成框图，
图2玉米果穗室内精确考种全景图像测量系统结构图，
图3直线振动喂料机结构图，
图4横向定位传输机构结构图，
图5气动夹取及推送机构结构图视角a，
图6气动夹取及推送机构结构图视角b，
图7称重平台结构图，
图8全景图像采集平台结构图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明所述的用于玉米果穗室内精确考种的全景图像测量系统，主体结构材料优选为铝合金型材，适用于玉米果穗室内精确考种使用，包括：
可编程控制器7，
直线振动喂料机1，在可编程控制器7的控制下，利用直线振动喂料机1实现玉米果穗的自动喂料，
横向定位传输机构2，在可编程控制器7的控制下，利用横向定位传输机构2将来自直线振动喂料机1的玉米果穗横向定位并传送至该机构末端，并进行光电开关检测，
所述玉米果穗横向定位是指：玉米果穗轴线沿着传送带传送方向，
气动夹取及推送机构3，在可编程控制器7的控制下，利用气动夹取及推送机构3将来自横向定位传输机构2的玉米果穗夹取至全景图像采集平台4的透明玻璃板上，
计算机6，通过USB接口的高速工业相机进行玉米果穗全景图像采集并处理，由计算机通过图像处理来完成玉米果穗的考种参数的测量，所述考种参数包括：穗长、穗粗、颜色、凸尖率、籽粒行数和每行籽粒数，
计算机6与可编程控制器7间通过串口通讯，
称重平台5，全景图像采集并处理后，由气动夹取及推送机构3将玉米果穗推送至称重平台5，称重数据通过串口传送至计算机6，
称重后的玉米果穗由设于称重平台5中的推送机构推送至玉米果穗收集箱中。
本发明，通过向直线振动喂料机1添加玉米果穗后，系统自动将玉米果穗进行横向排序，然后由气动夹取及推送机构3依次将玉米果穗送至玉米果穗的全景图像采集平台4和称重平台5，由计算机6采集玉米果穗全景图像并完成对玉米果穗考种的图像测量，由称重平台5完成玉米果穗的重量测量。
在上述技术方案的基础上，如图2所示，直线振动喂料机1、横向定位传输机构2、全景图像采集平台4、称重平台5从左至右依次设置，
气动夹取及推送机构3设于横向定位传输机构2的末端，如图2所示，全景图像采集平台4可设置在气动夹取及推送机构3的主体框架(机架)上，亦可单独设置。
在上述技术方案的基础上，如图2、3所示，所述直线振动喂料机1包括：
储料斗8，可将玉米果穗倒入其中，
储料斗8下部的出口处设有储料斗出口限位10，
储料斗8出口的下方设有条状筛网11，
条状筛网11远离储料斗8的一端设有直线振动喂料机的出口限位12，
条状筛网11下设有带振动电机9的机架，
在出口限位12一侧设有杂质出口40和配套的杂质收集箱41；
储料斗8的水平高度高于出口限位12的水平高度。
所述直线振动喂料机1采用倾斜安装，即左高右低，使储料斗8的水平高度高于出口限位12的水平高度，其角度在14～16度，优选15度；
因玉米果穗直径在6cm左右，储料斗出口限位10高度为8cm；
直线振动喂料机的出口限位12采用梯形出口(前宽后窄，朝向储料斗8一侧为前)，其内径尺寸为：下底长8cm，上底长12cm，高8cm，即仅允许单个玉米果穗延轴向从出口喂料。
在上述技术方案的基础上，如图2、4所示，所述横向定位传输机构2包括：
两条设于机架上的皮带42，
两条皮带42间留有一定位间隙14，定位间隙14即安装间隙，
在皮带42靠近直线振动喂料机1的一端设有导流板13，导流板13共两个，左右对称的设于定位间隙14两侧，
两个导流板13间的间距由大到小，靠近直线振动喂料机1的一端间距最大，
在皮带42远离直线振动喂料机1的一端设有光电开关15，光电开关15垂直的设于定位间隙14下方，用于感应经过其上方的定位间隙14处的玉米果穗，
机架的一侧设有电机16，电机16通过同步带轮43、同步齿形带44驱动皮带42。
所述横向定位传输机构2中，导流板13间的间距最小为6cm；定位间隙14的宽度为15mm。在导流板13的作用下使得玉米轴线固定在定位间隙14中间，防止玉米果穗滚动对后续的夹取精度造成影响。
在上述技术方案的基础上，如图2、5、6所示，所述气动夹取及推送机构3包括：
宽型气爪18，用于夹持横向定位传输机构2送来的玉米果穗，通常，宽型气爪18开口中心自上而下垂直对应横向定位传输机构2的中心线，尤指定位间隙14的中心线，
宽型气爪18为市售成品，通常宽型气爪18的手指过短，为保证夹持玉米果穗的准确性，在宽型气爪18上安装有手指延长片19，
宽型气爪18的上方设有气缸17，气缸17驱动宽型气爪18动作，
气缸17安装在横梁23上，
横梁23上还设有电机20，
电机20的转轴上设有齿轮21，
齿轮21和齿条22啮合，电机20通过驱动齿轮21转动，可使横梁23沿齿条22往复移动，
齿条22平行于横向定位传输机构2，齿条22位于横向定位传输机构2上方，
齿条22的两端分别安装在一个齿条支撑梁46的槽口中，
齿条支撑梁46垂直于横向定位传输机构2，齿条支撑梁46位于横向定位传输机构2上方，
两个齿条支撑梁46安装在主体框架48上，
导轨支撑梁47，共两个，其上分别设有直线导轨25，直线导轨25的高度与齿条22适配，与横梁23适配，
滑块24安装在直线导轨25上，
导轨支撑梁47安装在主体框架48上，且平行于横向定位传输机构2，
横梁23两端分别安装在滑块24上，横梁23移动时，直线导轨25起限位作用，
在靠近齿条22侧的导轨支撑梁47上，沿电机的移动方向分别设有第一接近开关38和第二接近开关39，
在主体框架48上，设有两个推送气缸30，推板31的两端分别安装在推送气缸30的活塞杆上，推板31位于全景图像采集平台4远离称重平台5的一侧。推板31与宽型气爪18在工作时互不影响。
在上述技术方案的基础上，在主体框架48上，还设有与横向定位传输机构2传送末端适配的上滑道32，
在上滑道32一侧侧壁上设有光电开关34，
上滑道32的前侧(即上滑道的出口)设有称重平台5，
称重平台5的一侧设有由气缸35驱动的U型推板33，另一侧设有下滑道36，气缸35和U型推板33即构成前述的设于称重平台5中的推送机构，
下滑道36的下方正对玉米果穗收集箱37。
在上述技术方案的基础上，如图2、7所示，所述称重平台5包括：
称重变送器，其设有用于连接单片机开发板的AD采集接口的信号线，还通过另一信号线连接S型称重传感器，
S型称重传感器上设有托盘45，例如托盘45用螺栓安装在S型称重传感器上。
所述S型称重传感器可选品牌：MEACON，型号：MIK-LCS1，量程：0-1KG；
所述称重变送器可选品牌：MEACON，型号:MIK-BSQD，单路0-5V信号输出；
所述单片机开发板可选品牌：普中科技，型号：HC6800EM V2.2。
在上述技术方案的基础上，如图2、8所示，所述全景图像采集平台4包括：
透明玻璃板26，以其为圆心，沿周边设有等间隔分布的第一、第二、第三高速工业相机27、28、29，
三台高速工业相机位于同一圆平面，两两相差120度角，其拍照中心处为透明玻璃板26上的玉米果穗。
本发明所述的用于玉米果穗室内精确考种的全景图像测量系统，工作过程如下：
将玉米果穗倒入到直线振动喂料机1的储料斗8中，在振动电机9、储料斗出口限位10、条状筛网11和出口限位12的联合作用下，实现多层无序玉米果穗单层化、横向化(玉米果穗轴线沿着传送带传送方向)地向横向定位传输机构2喂料；
横向定位传输机构2中，在导流板13、定位间隙14的精确横向定位和两条皮带42构成的传送带的传输作用下，将玉米果穗传输到其行程末端，并被安装在此的光电开关15检测到；此时，可编程控制器(PLC)7关闭振动电机9和电机16，玉米果穗位于横向定位传输机构2的行程末端不再移动；
可编程控制器(PLC)7控制气缸17，驱动宽型气爪18用手指延长片19向下夹取该玉米果穗并提升，然后控制电机20，移动横梁23将玉米果穗夹取至全景图像采集平台4的透明玻璃板26上，然后由可编程控制器(PLC)7控制气动夹取及推送机构3的宽型气爪18返回至起始位置；
可编程控制器(PLC)7通过串口通信触发计算机6，并通过第一、第二、第三高速工业相机27、28、29对玉米果穗进行全景图像采集，采集到的图像被传输到计算机6中进行图像降噪、图像拼接、图像分割、图像识别等处理，以得到玉米果穗的穗长、穗粗、颜色、凸尖率、籽粒行数和每行籽粒数；
图像采集完成后并且图像处理前，由计算机6通过串口向可编程控制器(PLC)7发送采集完成信息，并由可编程控制器(PLC)7控制推送气缸30，带动推板31将透明玻璃板26上的玉米果穗经上滑道32推送至称重平台5；然后由可编程控制器(PLC)7控制气动夹取及推送机构3的推板31返回至起始位置；
在U型推板33的限位作用下，称重平台5上的玉米果穗快速稳定，玉米果穗从上滑道32下落时经光电开关34检测后，延迟3秒后由称重平台5对其称重，其称重数据通过串口传送至计算机6并存储，然后由计算机6通过串口向可编程控制器(PLC)7发送称重完毕信息，再由可编程控制器(PLC)7控制气缸35带动U型推板33将玉米果穗推送至下滑道36，最后进入玉米果穗收集箱37，至此该玉米果穗测量完毕。
其中，玉米果穗的夹取位置由第一接近开关38检测，玉米果穗的图像采集位置由第二接近开关39检测；最后由可编程控制器(PLC)7开启振动电机9和电机16，如此反复，直至所有玉米果穗测量完毕。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (8)
1.一种用于玉米果穗室内精确考种的全景图像测量系统，其特征在于，包括：
可编程控制器(7)，
直线振动喂料机(1)，在可编程控制器(7)的控制下，利用直线振动喂料机(1)实现玉米果穗的自动喂料，
横向定位传输机构(2)，在可编程控制器(7)的控制下，利用横向定位传输机构(2)将来自直线振动喂料机(1)的玉米果穗横向定位并传送至该机构末端，并进行光电开关检测，
气动夹取及推送机构(3)，在可编程控制器(7)的控制下，利用气动夹取及推送机构(3)将来自横向定位传输机构(2)的玉米果穗夹取至全景图像采集平台(4)的透明玻璃板上，
计算机(6)，通过USB接口的高速工业相机进行玉米果穗全景图像采集并处理，由计算机通过图像处理来完成玉米果穗的考种参数的测量，
计算机(6)与可编程控制器(7)间通过串口通讯，
称重平台(5)，全景图像采集并处理后，由气动夹取及推送机构(3)将玉米果穗推送至称重平台(5)，称重数据通过串口传送至计算机(6)；
所述气动夹取及推送机构(3)包括：
宽型气爪(18)，用于夹持横向定位传输机构(2)送来的玉米果穗，
在宽型气爪(18)上安装有手指延长片(19)，用于保证夹持玉米果穗的准确性，
宽型气爪(18)的上方设有气缸(17)，气缸(17)驱动宽型气爪(18)动作，
气缸(17)安装在横梁(23)上，
横梁(23)上还设有电机(20)，
电机(20)的转轴上设有齿轮(21)，
齿轮(21)和齿条(22)啮合，电机(20)通过驱动齿轮(21)转动，可使横梁(23)沿齿条(22)往复移动，
齿条(22)平行于横向定位传输机构(2)，
齿条(22)的两端分别安装在一个齿条支撑梁(46)的槽口中，
齿条支撑梁(46)垂直于横向定位传输机构(2)，
两个齿条支撑梁(46)安装在主体框架(48)上，
导轨支撑梁(47)，共两个，其上分别设有直线导轨(25)，
滑块(24)安装在直线导轨(25)上，
导轨支撑梁(47)安装在主体框架(48)上，且平行于横向定位传输机构(2)，
横梁(23)两端分别安装在滑块(24)上，横梁(23)移动时，直线导轨(25)起限位作用，
在靠近齿条(22)侧的导轨支撑梁(47)上，沿电机的移动方向分别设有第一接近开关(38)和第二接近开关(39)，
在主体框架(48)上，设有两个推送气缸(30)，推板(31)的两端分别安装在推送气缸(30)的活塞杆上，推板(31)位于全景图像采集平台(4)远离称重平台(5)的一侧。
2.如权利要求1所述的用于玉米果穗室内精确考种的全景图像测量系统，其特征在于：称重后的玉米果穗由设于称重平台(5)中的推送机构推送至玉米果穗收集箱中。
3.如权利要求1所述的用于玉米果穗室内精确考种的全景图像测量系统，其特征在于：所述直线振动喂料机(1)包括：
储料斗(8)，
储料斗(8)下部的出口处设有储料斗出口限位(10)，
储料斗(8)出口的下方设有条状筛网(11)，
条状筛网(11)远离储料斗(8)的一端设有直线振动喂料机的出口限位(12)，
条状筛网(11)下设有带振动电机(9)的机架，
在出口限位(12)一侧设有杂质出口(40)和配套的杂质收集箱(41)；
储料斗(8)的水平高度高于出口限位(12)的水平高度。
4.如权利要求1所述的用于玉米果穗室内精确考种的全景图像测量系统，其特征在于：所述横向定位传输机构(2)包括：
两条设于机架上的皮带(42)，
两条皮带(42)间留有一定位间隙(14)，
在皮带(42)靠近直线振动喂料机(1)的一端设有导流板(13)，导流板(13)共两个，左右对称的设于定位间隙(14)两侧，
两个导流板(13)间的间距由大到小，靠近直线振动喂料机(1)的一端间距最大，
在皮带(42)远离直线振动喂料机(1)的一端设有光电开关(15)，
机架的一侧设有电机(16)，电机(16)通过同步带轮(43)、同步齿形带(44)驱动皮带(42)。
5.如权利要求1所述的用于玉米果穗室内精确考种的全景图像测量系统，其特征在于：宽型气爪(18)开口中心自上而下垂直对应横向定位传输机构(2)的中心线。
6.如权利要求1所述的用于玉米果穗室内精确考种的全景图像测量系统，其特征在于：在主体框架(48)上，还设有与横向定位传输机构(2)传送末端适配的上滑道(32)，
在上滑道(32)一侧侧壁上设有光电开关(34)，
上滑道(32)的前侧设有称重平台(5)，
称重平台(5)的一侧设有由气缸(35)驱动的U型推板(33)，另一侧设有下滑道(36)，
下滑道(36)的下方正对玉米果穗收集箱(37)。
7.如权利要求1所述的用于玉米果穗室内精确考种的全景图像测量系统，其特征在于：所述称重平台(5)包括：
称重变送器，其设有用于连接单片机开发板的AD采集接口的信号线，还通过另一信号线连接S型称重传感器，
S型称重传感器上设有托盘(45)。
8.如权利要求1所述的用于玉米果穗室内精确考种的全景图像测量系统，其特征在于：所述全景图像采集平台(4)包括：
透明玻璃板(26)，以其为圆心，沿周边设有等间隔分布的第一、第二、第三高速工业相机(27、28、29)，
三台高速工业相机位于同一圆平面，两两相差120度角，其拍照中心处为透明玻璃板(26)上的玉米果穗。
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