CN107295818B - 水田除草机自动避苗系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水田除草机自动避苗系统及方法，所述系统包括图像采集模块、控制模块和液压模块，控制模块包括测速传感器和可编程逻辑控制器；图像采集模块，用于实时采集苗带图像，根据苗带图像提取苗带线，判定苗带线的偏转角度，并输出至可编程逻辑控制器；测速传感器，用于测量水田除草机的前进速度，并传输至可编程逻辑控制器；可编程逻辑控制器，用于根据苗带线的偏转角度和水田除草机的前进速度，输出信号控制液压模块；液压模块，用于实现水田除草机的除草轮横向纠偏调节，以及根据可编程逻辑控制器输出的信号，实现水田除草机的除草轮角度纠偏调节。本发明能够使除草轮工作时跟随苗带线轨迹运动，可以使水田除草机进行自动避苗。

Description

水田除草机自动避苗系统及方法

技术领域

本发明涉及一种避苗系统及方法，尤其是一种水田除草机自动避苗系统及方法，属于除草机自动避苗技术领域。

背景技术

现有一种除草机无论是除草部件前置或后置，在工作过程中都需要人为观察除草部件与秧苗的相对位置，调整除草机行进方向使除草部件对行。而一般机插秧行距为30cm左右，属于小行距作物，在实际生产中，机插秧秧苗行并未完全插植成一条直线，一种中耕除草机进行行间除草作业时，人为操控除草机行进方向进行除草部件对行调节，因秧苗行距较小，存在人为调整机具方向不及时，导致伤苗的问题，因此通过使除草装置跟随苗带线运动，可有效减少伤苗，因此首先需精确的提取出苗带线，韩国的Keun Ha Choi等人通过构建水稻立体模型，采用Hough变换求得稻苗叶片边缘直线，以边缘直线交点作为稻苗中线特征点，通过稳定线性回归算法从特征点中提取导航线。江苏大学高国琴等人通过HSI颜色空间，提取出与光照信息无关的H分量图，采用K-means聚类分析算法对图像中的绿色作物信息以及垄道信息进行分类，通过形态学操作去除噪声后，采用Hough算法提取出作物行线。河南理工大学的姜国权等人为提取农田作物行中线，采用2G-R-B、自动阈值等方法分割图像，然后进行左右边缘中间线检测，得到作物行特征点，通过聚类算法区分出作物行特征点，根据已知直线检测算法得到导航线。使除草装置跟随苗带线运动，也需要良好的控制方法。Anderson等人设计了一款基于模糊控制的控制器，实现控制机器实现在未知路径下主动避让障碍物的目的。南京林业大学的郭伟斌等人采用模糊控制方法设计了玉米行间除草机器人。沈阳自动化研究所的白晓平等人提出了一种农业车辆导航的自校正模型控制方法。

分析国内外作物行视觉提取技术及控制技术的研究现状可以发现，国内外虽已有类似农田作物行线提取技术的研究，但研究对象多为旱地作物，作物与背景的颜色空间差异明显，而且作物多为叶菜类作物，作物冠层特征相对简单，导航线提取难度较小，作物行距较宽，对控制系统的控制精度要求不是很高。国内外有关水稻导航机械的研究较少，已存在的多为对水田拖拉机机头进行导航的研究，少见对机头悬挂部件导航控制的研究。水田环境背景复杂、水层反光、类稻苗杂草等因素造成稻苗行识别与行线提取难度较大，且机插秧行距相对旱地作物行较窄，对控制系统精度要求较高。

根据生产经验可以知道，除草机在田间地头时，除草轮相对苗带存在横向偏移，因此需横向纠偏调整。除草机在田间工作时，车轮沿着插秧机轮辙行走，不存在横向偏移，因此不存在横向偏移，初始对行完成后可固定。但因秧苗未插植成直线，除草机行进在苗带弯曲部分时，除草轮相对苗带存在角度偏移，因此需进行角度纠偏调整。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种水田除草机自动避苗系统，该系统能够使水田除草机上的除草轮初始对行，工作时跟随苗带线轨迹运动，可以使水田除草机进行自动避苗。

本发明的另一目的在于提供一种水田除草机自动避苗方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

水田除草机自动避苗系统，包括图像采集模块、控制模块和液压模块，所述控制模块包括测速传感器和可编程逻辑控制器，所述图像采集模块、测速传感器和液压模块分别与可编程逻辑控制器连接；

所述图像采集模块，用于实时采集苗带图像，根据苗带图像提取苗带线，判定苗带线的偏转角度，并输出至可编程逻辑控制器；

所述测速传感器，用于测量水田除草机的前进速度，并传输至可编程逻辑控制器；

所述可编程逻辑控制器，用于根据苗带线的偏转角度和水田除草机的前进速度，输出信号控制液压模块；

所述液压模块，用于实现水田除草机的除草轮横向纠偏调节，以及根据可编程逻辑控制器输出的信号，实现水田除草机的除草轮角度纠偏调节。

进一步的，所述图像采集模块包括相机、相机支架和计算机，所述相机与计算机连接，并通过相机支架安装在一角度纠偏机架上，所述角度纠偏机架上安装有水田除草机的除草轮。

进一步的，所述角度纠偏机架包括支撑板、支撑杆、悬臂梁、横向位移外滑梁、横向位移内滑梁、两根横梁和两根竖杆，所述横向位移内滑梁设置在横向位移外滑梁内，所述悬臂梁的一端与支撑杆的一端固定连接，悬臂梁和支撑杆的另一端固定在支撑板上，所述两根横梁平行设置在悬臂梁的两端，其中一根横梁可相对悬臂梁转动，并通过两根竖杆固定在横向位移外滑梁上，所述相机支架安装在可相对悬臂梁转动的横梁上，所述横向位移内滑梁上安装有水田除草机的除草轮。

进一步的，所述相机支架包括相连接的竖向支杆和横向支杆，所述竖向支杆安装在可相对悬臂梁转动的横梁中线右侧13～17cm处，所述横向支杆向前伸出，所述相机固定在横向支杆向前伸出的28～32mm处，相机距离地面的高度为90～110cm，相机的镜头俯角50～60°，其采集的图像中至少包括4株稻苗，苗带接连，苗带内相邻稻苗遮挡株间区域。

进一步的，所述液压模块包括油箱、油泵、溢流阀、过滤器、手动阀、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第一液压缸、第二液压缸、第一节流阀和第二节流阀，第一电磁阀为二位四通电磁阀，第二电磁阀和第三电磁阀均为三位四通电磁阀；

所述溢流阀的两端分别连接油箱的回油口与油泵的进油口，所述过滤器连接油泵的进油口，所述油泵的出油口与第一电磁阀的第一进油口连接，所述第一电磁阀的与第一进油口对应的第一出油口与手动阀的进油口连接，所述第一电磁阀的第二出油口分别与第二电磁阀、第三电磁阀的进油口连接，所述第一电磁阀的第二进油口分别与第二电磁阀、第三电磁阀一侧的出油口连接；

所述第二电磁阀另一侧的出油口与第一节流阀的一侧连接，第一节流阀的另一侧与第一液压缸的一端油口连接，第一液压缸的另一端油口与第二电磁阀的回油口连接；

所述第三电磁阀另一侧的出油口与第二节流阀的一侧连接，第二节流阀的另一侧与第二液压缸的一端油口连接，第二液压缸的另一端油口与第三电磁阀的回油口连接；

所述第一液压缸的推杆一端安装在角度纠偏机架可相对悬臂梁转动的横梁上，所述第二液压缸的推杆安装在角度纠偏机架的横向位移内滑梁上。

进一步的，所述计算机上的IO板输出端、测速传感器的信号输出端分别与可编程逻辑控制器的输入端连接，可编程逻辑控制器的输出端的Y端连接电源的正极，输出端的COM端与第二电磁阀的正极连接，第二电磁阀的负极连接电源的负极；通过分析苗带与除草轮工作状态模型，得到苗带偏转角度阈值为θ，设置IO板输出通道分别为偏转角-θ≤β≤θ、β≤-θ、θ≤β的信号输出端，所述IO板输出端连接可编程逻辑控制器的输入端，则可编程逻辑控制器的输入端分别为偏转角-θ≤β≤θ、β≤-θ、θ≤β的信号输入端以及系统启动、测速传感器的信号输入端，可编程逻辑控制器的输出端分别为β≤-θ、θ≤β输出端。

进一步的，所述测速传感器安装在水田除草机的车轮驱动轴侧方，车轮驱动轴上安放有若干个磁钢，在车轮驱动轴转动时，磁钢经过测速传感器，测速传感器发出低电平信号传输至可编程逻辑控制器的输入端，可编程逻辑控制器内部的计数器计量一定时间内测速传感器传回的脉冲数换算得到水田除草机的前进速度。

本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：

水田除草机自动避苗方法，所述方法包括：

液压模块实现水田除草机的除草轮横向纠偏调节；

当水田除草机启动后，相机实时采集苗带图像，并传输到计算机；

计算机采用基于Hough变换分区边缘拟合的苗带线提取方法提取出苗带线，判定苗带线偏转角度输出至IO板；

IO板将苗带线偏转角度信号输出至可编程逻辑控制器；

测速传感器测量水田除草机的前进速度，并传输至可编程逻辑控制器；

可编程逻辑控制器根据苗带线的偏转角度和水田除草机的前进速度，输出信号控制液压模块；

液压模块根据可编程逻辑控制器输出的信号，实现水田除草机的除草轮角度纠偏调节。

进一步的，所述计算机采用基于Hough变换分区边缘拟合的苗带线提取方法提取出苗带线，具体包括：

运用彩色图像灰度化、自动阈值、面积滤波、孔洞填充的图像处理方法分割图像，采用Canny算子检测图像苗带边缘；

在图像中部划定苗带提取区间，将提取区间从上到下划分为n个子区间，在每个子区间两侧采用Hough变换算法进行苗带边缘拟合；其中，n≥3；

判定各子区间左右两侧苗带边缘是否存在，若一侧不存在苗带边缘，则该子区间无苗带中点，计算拟合出的苗带边缘线段中点坐标均值作为该子区间苗带中点；

对各个子区间苗带中点采用最小二乘法进行拟合，提取出苗带线。

进一步的，所述可编程逻辑控制器根据苗带线的偏转角度和水田除草机的前进速度，输出信号控制液压模块，具体为：

可编程逻辑控制器根据水田除草机的前进速度，选择延迟触发时间，结合苗带线的偏转角度，输出信号控制液压模块；所述延迟触发时间由理论延迟触发时间与系统处理时间的差值确定，理论延迟触发时间为相机视野边缘和水田除草机的除草轮边缘之间的最短距离与水田除草机前进速度的比值，系统处理时间包括一幅图像处理时间以及信号传输时间。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明的自动避苗系统可以安装在水田除草机中，通过实时采集苗带图像，根据苗带图像提取苗带线，判定苗带线的偏转角度，再通过测量水田除草机的前进速度，结合苗带线的偏转角度和水田除草机的前进速度，输出信号控制液压模块实现水田除草机的除草轮角度纠偏调节，液压模块还可以实现水田除草机的除草轮横向纠偏调节，降低了速度对伤苗率影响的显著性水平，降低了速度与伤苗率的线性关系，降低了较高的速度下伤苗率水平，可以为水田除草机除草提供技术支持。

2、本发明将相机固定在相机支架的横向支杆向前伸出的28～32mm处，距离地面的高度为90～110cm，且其镜头俯角为50～60°，使相机采集的苗带图像中苗带接连，方便后续提取苗带线，同时将相机支架安装在角度纠偏机架上，使相机位置稳固。

3、本发明在采集苗带图像后，采用基于Hough变换分区边缘拟合的苗带线提取方法提取出苗带线，从而准确判定苗带线的偏转角度，使得液压模块可以对水田除草机的除草轮进行合理的角度纠偏，跟随苗带线轨迹运动。

附图说明

图1为本发明实施例1的水田除草机自动避苗系统结构框图。

图2为本发明实施例1的相机安装位置俯视图。

图3为本发明实施例1的相机安装位置立体图。

图4为本发明实施例1的相机倾斜安装示意图。

图5为本发明实施例1的土槽图像采集平台示意图。

图6a为本发明实施例1采用Canny算子进行边缘检测的结果图。

图6b为本发明实施例1划分提取子区间结果图。

图6c为本发明实施例1在各个子区间两侧进行边缘拟合的结果图。

图6d为本发明实施例1提取苗带线的结果图。

图7为本发明实施例1的除草轮运动分析示意图。

图8为本发明实施例1的液压模块原理图。

图9为本发明实施例1的控制模块电路图。

图10为本发明实施例1的相机安装局部示意图。

图11为本发明实施例2的水田除草机自动避苗方法流程图。

其中，1-图像采集模块，2-控制模块，3-液压模块，4-相机，5-计算机，6-测速传感器，7-可编程逻辑控制器，8-相机支架，9-支撑板，10-支撑杆，11-悬臂梁，12-横向位移外滑梁，13-横向位移内滑梁，14-横梁，15-竖杆，16-竖向支杆，17-横向支杆，18-移动台，19-植株培育实验槽，20-油箱，21-油泵，22-溢流阀，23-过滤器，24-手动阀，25-第一电磁阀，26-第二电磁阀，27-第三电磁阀，28-第一液压缸，29-第二液压缸，30-第一节流阀，31-第二节流阀，32-除草轮。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

为了实现水田除草机的除草轮横向纠偏调节和角度纠偏调节，本实施例提供了一种水田除草机自动避苗系统。

如图1所示，本实施例的水田除草机自动避苗系统包括图像采集模块1、控制模块2和液压模块3，所述图像采集模块1包括相机4和计算机5，所述控制模块2包括测速传感器6和可编程逻辑控制器(Programmable logic Controller，简称PLC)7，所述相机4与计算机5连接，所述液压模块3、计算机5和测速传感器6分别与可编程逻辑控制器7连接。

所述图像采集模块1还包括相机支架8，相机4通过相机支架8安装在一角度纠偏机架上，所述角度纠偏机架上安装有水田除草机的除草轮。

如图2和图3所示，所述角度纠偏机架包括支撑板9、支撑杆10、悬臂梁11、横向位移外滑梁12、横向位移内滑梁13、两根横梁14和两根竖杆15，所述横向位移内滑梁13设置在横向位移外滑梁12内，所述悬臂梁11的一端与支撑杆10的一端固定连接，悬臂梁11和支撑杆10的另一端固定在支撑板9上，所述两根横梁14平行设置在悬臂梁11的两端，其中一根横梁14可相对悬臂梁11转动，并通过两根竖杆15固定在横向位移外滑梁12上，所述相机支架8安装在可相对悬臂梁11转动的横梁14上，所述横向位移内滑梁13上安装有水田除草机的除草轮。

进一步的，相机支架8包括相连接的竖向支杆16和横向支杆17，竖向支杆16安装在可相对悬臂梁11转动的横梁14中线右侧S₂约为15cm处，横向支杆17向前伸出S₂₂约为30mm，相机4固定在横向支杆17的该处，相机4距离地面的高度为100cm，为使图像中苗带接连，将相机4安装方式设为倾斜安装，如图4所示，通过调整相机4，使前一株稻苗(B点)遮挡住A点、B点稻苗之间的区域，经计算当角θ为35°时，即相机安装俯角为55°时，恰好实现遮挡AB之间的区域。

所述相机4为智能CCD相机，选用COGNEX公司的智能彩色相机ISM1400C，其镜头选用COMPUTAR公司的M0814-MP2，可以实时采集苗带图像，并将采集的苗带图像传输给计算机5；所述计算机5可以设置在水田除草机上，用于根据苗带图像提取苗带线，判定苗带线的偏转角度，并输出至可编程逻辑控制器7。

本实施例以土槽图像采集平台为例，对相机4和计算机5的功能进行详细说明，所述土槽图像采集平台包括遮阳装置(图中未示出)、相机4、计算机5、移动台18和植株培育实验槽19，所述遮阳装置和相机4安装在移动台18上，所述计算机5中装有In-sight Explorer软件，且放置在移动台18上，所述试验土槽尺寸长×宽×高为160cm×70cm×45cm，内置土壤为稻田土，所述遮阳装置包括遮阳架和遮阳布，遮阳架固定在移动台18上，遮阳布位于遮阳架上方，使用扎带固定。

在相机4采集苗带图像，并传输给计算机5后，计算机5采用基于Hough变换分区边缘拟合的苗带线提取方法提取出苗带线，具体包括：

1)依次选用2G-R-B彩色图像灰度化、Ostu自动阈值、面积滤波、孔洞填充处理图像，然后选用Canny算子进行边缘检测，检测结果如图6a所示

2)在图像中间划定尺寸为320×480pixels的拟合区间(图像宽度的一半)。将划定的提取区间按照由上到下的顺序，划分成5个提取子区间，因此五个提取子区间尺寸分别为320×96pixels，如图6b所示，图中方形区间为划分的稻苗边缘提取区间。

3)采用Hough变换中的直线拟合算法在各个子区间两侧进行边缘拟合，同时计算各子区间两侧拟合出边缘线段的中点，则五个子区间左右两侧均可得到两个苗带边缘线的中点，求各个子区间两侧边缘中点坐标均值，作为该子区间内苗带中点，如图6c所示，图中苗带中间的圆点表示该区间苗带中点，圆点两侧的线条表示拟合出的苗带边缘。

4)在区间边缘拟合完成后，对拟合结果进行判定，若子区间两侧均存在拟合的边缘，则求两侧边缘线段中点坐标均值作为该子区间内苗带的中点；若子区间不存在或仅一侧存在边缘，则认为该子区间无苗带中点；若中点数小于2，则无法进行直线拟合，图像不满足要求。利用子区间存在的苗带中点，结合最小二乘法拟合苗带中线，如图图6d所示，五个小圆点表示各子区间苗带中点，线条表示提出的苗带线。

计算机5根据上述提取出的苗带线，判定苗带线的偏转角度，苗带线的偏转角度的设置为：以图像中心为坐标原点，理想除草装置前进方法(图像的中线)为坐标系Y轴正方向，垂直于Y轴过原点右侧为X轴正方向，建立像素坐标系；定义苗带线与Y轴正方向的夹角为苗带偏转角度，顺时针偏转为正角度偏转，逆时针偏转为负角度偏转。

通过分析苗带与除草轮工作状态模型，得到苗带偏转角度阈值，苗带偏转角度阈值设定为：以单个除草轮构建苗带与除草轮工作状态模型，如图7所示，图中条形区间Q1、Q2为稻苗保护区间，根据生产经验，设置保护区间宽度为4cm，则除草轮可工作区间宽度CG为26cm；中心实线以下为除草轮进入图像视野对应区域前的区间，中心实线以上为除草轮进入图像视野区域后的区间；下方的实线区域为进入视野之前的除草轮工作状态，上方的虚线区域为假设不调整除草轮在行进一定距离后，除草轮工作状态。假设苗带偏转角度为β时，除草轮行进距离AF时，恰好伤苗，设此时AE为相机视野高度的一半，也即30cm。因除草轮宽度为20cm，机插秧秧苗行距为30cm，假设除草轮位于行间，则EF＝CD＝BG＝3cm，则可通过反三角函数求得角β约为5.7°，以5.7°作为除草轮行进时的临界偏转角度，为避苗除草轮在系统运行时间对秧苗造成碾压，设置偏转角阈值为4°。

计算机5在判定苗带线的偏转角度后，将苗带线的偏转角度信号输出至可编程逻辑控制器7，苗带线的偏转角度信号具体是指：已知苗带偏转角度阈值为4°，根据苗带偏转角度阈值设置计算机5的输出通道如下表1所示。

表1苗带偏转角度与通道映射关系

所述液压模块3用于实现水田除草机的除草轮横向纠偏调节，以及根据可编程逻辑控制器输出的信号，实现水田除草机的除草轮角度纠偏调节，如图8所示，其包括油箱20、油泵21、溢流阀22、过滤器23、手动阀24、第一电磁阀25、第二电磁阀26、第三电磁阀27、第一液压缸28、第二液压缸29、第一节流阀30和第二节流阀31，第一电磁阀25为二位四通电磁阀，第二电磁阀26和第三电磁阀27均为三位四通电磁阀。

所述溢流阀22的两端分别连接油箱20的回油口与油泵21的进油口，所述过滤器23连接油泵21的进油口，所述油泵21的出油口与第一电磁阀25的第一进油口连接，所述第一电磁阀25的与第一进油口对应的第一出油口与手动阀24的进油口连接，所述第一电磁阀25的第二出油口分别与第二电磁阀26、第三电磁阀27的进油口连接，所述第一电磁阀25的第二进油口分别与第二电磁阀26、第三电磁阀27一侧的出油口连接。

所述第二电磁阀26另一侧的出油口与第一节流阀30的一侧连接，第一节流阀30的另一侧与第一液压缸28的一端油口连接，第一液压缸28的另一端油口与第二电磁阀26的回油口连接。

所述第三电磁阀27另一侧的出油口与第二节流阀31的一侧连接，第二节流阀31的另一侧与第二液压缸29的一端油口连接，第二液压缸29的另一端油口与第三电磁阀27的回油口连接。

所述第一液压缸28和第二液压缸29均为双作用液压缸，结合图2和图3，所述第一液压缸28的推杆一端安装在角度纠偏机架可相对悬臂梁11转动的横梁14上，通过可编程逻辑控制器7控制第二电磁阀26通断，从而控制第一液压缸28的伸缩推动角度纠偏机架绕中点旋转，即除草轮绕角度纠偏机架中点旋转，实现角度纠偏调节；所述第二液压缸29的推杆安装在角度纠偏机架的横向位移内滑梁13上，通过手动阀24控制第三电磁阀27通断，从而控制第二液压缸29的伸缩推动横向位移内滑梁13左右移动，实现除草轮的初始对行调节，调节好后固定。

本实施例中，二位四通电磁阀选用saintfon公司的DSG-02-2B2-DC12V-DL，三位四通电磁阀选用saintfon公司的DSG-02-3C2-DC12V-DL，第一液压缸28选用ANSHUN的MOBRD-40×20×300LB-Y，第二液压缸29选用ANSHUN的MOBRD-32×16×100LB-Y。

所述测速传感器6用于测量水田除草机的前进速度，并传输至可编程逻辑控制器7，测速传感器6安装在水田除草机的车轮驱动轴侧方，车轮驱动轴两两对立放置四个永久磁性的磁钢，在车轮驱动轴转动时，磁钢经过测速传感器6，测速传感器6发出低电平信号传输至可编程逻辑控制器7的输入端，可编程逻辑控制器7内部的计数器C0计量一定时间内测速传感器6传回的脉冲数换算得到水田除草机的前进速度。

可编程逻辑控制器7内部的定时器定时从0s到2s，然后根据2s内计数器C0中脉冲数进行速度判定，根据产生的脉冲数N，估算出除草机前进速度V：

N＝8.68V (1)

一般条件下，除草机进行水田除草作业时速度可分为三档，分别为0.3m/s、0.6m/s、0.9m/s，由公式(1)可得到N分别为2.6，5.2，7.8。因此计数器C0两个节点分别为4和6，在可编程逻辑控制器7的程序中判定，当计数器中的值小于4时，速度为0.3m/s；当计数器中的值位于4和6之间时，速度为0.6m/s；当计数器中的值大于6时，速度为0.9m/s。

可编程逻辑控制器7的输入输出端口设置如下表2所示。

表2可编程逻辑控制器的输入输出设置

所述控制模块2还可以包括按钮开关、继电器等，如图9所示，计算机5上的IO板输出端、测速传感器6的信号输出端分别与可编程逻辑控制器7的输入端连接，可编程逻辑控制器7的输出端的Y端(Y0端、Y1端)连接电源的正极，输出端的COM端与第二电磁阀26的正极连接，第二电磁阀26的负极连接电源的负极，当Y0发出信号时，电磁阀0闭合，第一液压缸28伸出；当Y1发出信号时，电磁阀1闭合，第一液压缸29收缩；其中，所述电源为24V直流电源，具体采用24V锂电池。

本实施例中，所述计算机5上的IO板选用COGNEX公司的In-Sight CIO-MICRO andCIO-MICRO-CC；所述测速传感器6选用霍尔式测速传感器SN12-8N20H，其为接近开关传感器；所述可编程逻辑控制器7选用三菱公司的FX1S-20MT。

可编程逻辑控制器7根据水田除草机的前进速度，选择延迟触发时间，具体实现方式：除草轮工作状态下，相机视野边缘与除草轮前端距离为L1，如图10所示，相机4采集苗带为一定区间虚线所示苗带为相机视野内的苗带区间，虚线为视野中线，由于图像所采集区域并不是除草装置工作区域，当检测到图像中苗带偏移时，除草轮32并未行进到图像所采集区域，因此需延迟一定时间后发出信号控制第二电磁阀26闭合，这个延迟时间称为延迟触发时间，该延迟触发时间由理论延迟触发时间与系统处理时间的差值确定，理论延迟触发时间为相机视野边缘和除草轮边缘的最短距离L与当前水田除草机的前进速度V的比值，系统处理时间包括一幅图像处理时间以及信号传输时间，经试验测得图像处理时间t_r约为0.4s，从图像处理完成发出信号，到信号传输至第二电磁阀26中，信号以电信号在线路中传输，传输速度较快，因此信号传输时间t_s比较小，假设t_s为零，得到实际延迟触发时间t₁为：

经实际测量，当水田除草机的除草轮入土深度为6cm时，相机安装俯角为55°时，视野边缘与除草轮前端的水平距离L₁约为0.4m，一般水田除草机的前进速度分别为0.3m/s、0.6m/s、0.9m/s，则由公式(2)可得到实际延迟触发时间t₁与水田除草机前进速度关系如下表3。

表3水田除草机前进速度和实际延迟触发时间对应表

当速度为0.9m/s时，实际延迟触发时间约为0.04s，相对较小，因此将该速度下的实际延迟触发时间设为0，即发出信号后直接第二电磁阀26动作，期间无延迟。根据实际延迟触发时间t₁设置可编程逻辑控制器内部的定时器参数。

根据以上所述水田除草机自动避苗系统，进行田间试验，所用的水田除草机样机为井关PZ60-HGR型水田拖拉机，该样机配有与本控制系统配套的液压油路及可通过控制电磁阀来调整偏转角度的除草装置，同时该水田除草机上安装有遮阳装置，在水田除草机上安装上述自动避苗系统。

田间试验测试以除草机前进速度为试验因素，伤苗率为试验指标分别在控制系统安装前后，进行单元线性回归整体正交试验。除草机作业时，速度为0.3m/s-0.9m/s。因此本次试验水平z选择为0.3m/s，0.45m/s，0.6m/s，0.75m/s，0.9m/s，则本次试验的零水平为0.6m/s，水平间隔为0.15；对5个试验水平进行编码，编码公式为：

根据单元线性回归整体正交设计规则，选择0.6m/s为零点，进行3次重复试验。

以伤苗率为试验指标进行单元线性回归试验。试验前依据5种速度设置可编程逻辑控制内部对应的延迟触发时间，试验时根据不同的速度水平手动调节延迟触发时间，试验前统计测试区内秧苗数R，试验后统计测试区内受损的秧苗数R_S，伤苗率R_r的定义，如下式：

根系受损、茎部折断及子叶受损严重不能正常生长的秧苗定义为受损秧苗。测试区为长方形区域，其宽度为单个行间距(0.3m)、长度为5m，每个测试区前设置3m长的缓冲区供除草机加速至稳定状态后再进入测试区测量数据，自动避苗系统安装前的试验结果分别如下表4所示。

表4自动避苗系统安装前的试验结果

自动避苗系统安装后的试验结果分别如表5。

表5自动避苗系统安装后的试验结果

在自动避苗系统安装前，伤苗率平均水平为6.75％，自动避苗系统安装后，伤苗率平均水平为6.03％，可以看出伤苗率平均水平有所降低，表明安装自动避苗系统可减少除草机对秧苗的损伤。

实施例2：

如图11所示，本实施例提供了一种水田除草机自动避苗方法，该方法基于上述实施例1的系统实现，包括以下步骤：

S1、系统启动，液压模块实现水田除草机的除草轮横向纠偏调节，具体为：

第三电磁阀在手动阀的控制下通断，从而控制第二液压缸的伸缩推动横向位移内滑梁左右移动，实现除草轮的初始对行调节，调节好后固定。

S2、水田除草机启动，相机实时采集苗带图像，并传输到计算机；

S3、计算机采用基于Hough变换分区边缘拟合的苗带线提取方法提取出苗带线，判定苗带线偏转角度输出至IO板，IO板将苗带线偏转角度信号输出至可编程逻辑控制器；其中，采用基于Hough变换分区边缘拟合的苗带线提取方法提取出苗带线，具体包括：

S3-1、运用彩色图像灰度化、自动阈值、面积滤波、孔洞填充的图像处理方法分割图像，采用Canny算子检测图像苗带边缘；

S3-2、在图像中部划定苗带提取区间，将提取区间从上到下划分为n个子区间，在每个子区间两侧采用Hough变换算法进行苗带边缘拟合；其中，n≥3；

S3-3、判定各子区间左右两侧苗带边缘是否存在，若一侧不存在苗带边缘，则该子区间无苗带中点，计算拟合出的苗带边缘线段中点坐标均值作为该子区间苗带中点；

S3-4、对各个子区间苗带中点采用最小二乘法进行拟合，提取出苗带线。

S5、测速传感器测量水田除草机的前进速度，并传输至可编程逻辑控制器；

S6、可编程逻辑控制器根据苗带线的偏转角度和水田除草机的前进速度，输出信号控制液压模块，具体为：

可编程逻辑控制器根据水田除草机的前进速度，选择延迟触发时间，结合苗带线的偏转角度，输出信号控制液压模块；所述延迟触发时间由理论延迟触发时间与系统处理时间的差值确定，理论延迟触发时间为相机视野边缘和水田除草机的除草轮边缘之间的最短距离与水田除草机前进速度的比值，系统处理时间包括一幅图像处理时间以及信号传输时间。

S7、液压模块根据可编程逻辑控制器输出的信号，实现水田除草机的除草轮角度纠偏调节，具体为：

第二电磁阀在可编程逻辑控制器的控制下通断，从而控制第一液压缸的伸缩推动角度纠偏机架绕中点旋转，即除草轮绕角度纠偏机架中点旋转，实现角度纠偏调节。

上述某些步骤的具体实现方式可参见实施例1。

综上所述，本发明的自动避苗系统可以安装在水田除草机中，通过实时采集苗带图像，根据苗带图像提取苗带线，判定苗带线的偏转角度，再通过测量水田除草机的前进速度，结合苗带线的偏转角度和水田除草机的前进速度，输出信号控制液压模块实现水田除草机的除草轮角度纠偏调节，液压模块还可以实现水田除草机的除草轮横向纠偏调节，降低了速度对伤苗率影响的显著性水平，降低了速度与伤苗率的线性关系，降低了较高的速度下伤苗率水平，可以为水田除草机除草提供技术支持。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (7)

1.水田除草机自动避苗系统，其特征在于：包括图像采集模块、控制模块和液压模块，所述控制模块包括测速传感器和可编程逻辑控制器，所述图像采集模块、测速传感器和液压模块分别与可编程逻辑控制器连接；

所述图像采集模块，用于实时采集苗带图像，根据苗带图像提取苗带线，判定苗带线的偏转角度，并输出至可编程逻辑控制器；

所述测速传感器，用于测量水田除草机的前进速度，并传输至可编程逻辑控制器；

所述可编程逻辑控制器，用于根据苗带线的偏转角度和水田除草机的前进速度，输出信号控制液压模块；

所述液压模块，用于实现水田除草机的除草轮横向纠偏调节，以及根据可编程逻辑控制器输出的信号，实现水田除草机的除草轮角度纠偏调节；

所述图像采集模块包括相机、相机支架和计算机，所述相机与计算机连接，并通过相机支架安装在一角度纠偏机架上，所述角度纠偏机架上安装有水田除草机的除草轮；

所述角度纠偏机架包括支撑板、支撑杆、悬臂梁、横向位移外滑梁、横向位移内滑梁、两根横梁和两根竖杆，所述横向位移内滑梁设置在横向位移外滑梁内，所述悬臂梁的一端与支撑杆的一端固定连接，悬臂梁和支撑杆的另一端固定在支撑板上，所述两根横梁平行设置在悬臂梁的两端，其中一根横梁可相对悬臂梁转动，并通过两根竖杆固定在横向位移外滑梁上，所述相机支架安装在可相对悬臂梁转动的横梁上，所述横向位移内滑梁上安装有水田除草机的除草轮；

所述相机支架包括相连接的竖向支杆和横向支杆，所述竖向支杆安装在可相对悬臂梁转动的横梁中线右侧15cm处，所述横向支杆向前伸出30mm，所述相机固定在横向支杆向前伸出的30mm处，相机距离地面的高度为100cm，相机倾斜安装，相机的镜头俯角55°，其采集的图像中至少包括4株稻苗，使苗带接连，苗带内相邻稻苗遮挡株间区域；

所述苗带线的偏转角度的定义为：以图像中心为坐标原点，水田除草机前进方向为坐标系Y轴正方向，垂直于Y轴过原点右侧为X轴正方向，建立像素坐标系；定义苗带线与Y轴正方向的夹角为苗带偏转角度，顺时针偏转为正角度偏转，逆时针偏转为负角度偏转；

通过分析苗带与除草轮工作状态模型，得到苗带偏转角度阈值，苗带偏转角度阈值设定为：以单个除草轮构建苗带与除草轮工作状态模型，设置稻苗保护区间宽度为4cm，则除草轮可工作区间宽度为26cm；除草轮宽度为20cm，机插秧秧苗行距为30cm，以5.7°作为除草轮行进时的临界偏转角度，设置偏转角阈值为4°。

2.根据权利要求1所述的水田除草机自动避苗系统，其特征在于：所述液压模块包括油箱、油泵、溢流阀、过滤器、手动阀、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第一液压缸、第二液压缸、第一节流阀和第二节流阀，第一电磁阀为二位四通电磁阀，第二电磁阀和第三电磁阀均为三位四通电磁阀；

所述溢流阀的两端分别连接油箱的回油口与油泵的进油口，所述过滤器连接油泵的进油口，所述油泵的出油口与第一电磁阀的第一进油口连接，所述第一电磁阀的与第一进油口对应的第一出油口与手动阀的进油口连接，所述第一电磁阀的第二出油口分别与第二电磁阀、第三电磁阀的进油口连接，所述第一电磁阀的第二进油口分别与第二电磁阀、第三电磁阀一侧的出油口连接；

所述第二电磁阀另一侧的出油口与第一节流阀的一侧连接，第一节流阀的另一侧与第一液压缸的一端油口连接，第一液压缸的另一端油口与第二电磁阀的回油口连接；

所述第三电磁阀另一侧的出油口与第二节流阀的一侧连接，第二节流阀的另一侧与第二液压缸的一端油口连接，第二液压缸的另一端油口与第三电磁阀的回油口连接；

所述第一液压缸的推杆一端安装在角度纠偏机架可相对悬臂梁转动的横梁上，所述第二液压缸的推杆安装在角度纠偏机架的横向位移内滑梁上。

3.根据权利要求2所述的水田除草机自动避苗系统，其特征在于：所述计算机上的IO板输出端、测速传感器的信号输出端分别与可编程逻辑控制器的输入端连接，可编程逻辑控制器的输出端的Y端连接电源的正极，输出端的COM端与第二电磁阀的正极连接，第二电磁阀的负极连接电源的负极。

4.根据权利要求1-3任一项所述的水田除草机自动避苗系统，其特征在于：所述测速传感器安装在水田除草机的车轮驱动轴侧方，车轮驱动轴上安放有若干个磁钢，在车轮驱动轴转动时，磁钢经过测速传感器，测速传感器发出低电平信号传输至可编程逻辑控制器的输入端，可编程逻辑控制器内部的计数器计量一定时间内测速传感器传回的脉冲数换算得到水田除草机的前进速度。

5.水田除草机自动避苗方法，基于权利要求1-4任一项所述的水田除草机自动避苗系统实现，其特征在于：所述方法包括：

液压模块实现水田除草机的除草轮横向纠偏调节；

当水田除草机启动后，相机实时采集苗带图像，并传输到计算机；

计算机采用基于Hough变换分区边缘拟合的苗带线提取方法提取出苗带线，判定苗带线偏转角度输出至IO板；

IO板将苗带线偏转角度信号输出至可编程逻辑控制器；

测速传感器测量水田除草机的前进速度，并传输至可编程逻辑控制器；

可编程逻辑控制器根据苗带线的偏转角度和水田除草机的前进速度，输出信号控制液压模块；

液压模块根据可编程逻辑控制器输出的信号，实现水田除草机的除草轮角度纠偏调节。

6.根据权利要求5所述的水田除草机自动避苗方法，其特征在于：所述计算机采用基于Hough变换分区边缘拟合的苗带线提取方法提取出苗带线，具体包括：

运用彩色图像灰度化、自动阈值、面积滤波、孔洞填充的图像处理方法分割图像，采用Canny算子检测图像苗带边缘；

在图像中部划定苗带提取区间，将提取区间从上到下划分为n个子区间，在每个子区间两侧采用Hough变换算法进行苗带边缘拟合；其中，n≥3；

判定各子区间左右两侧苗带边缘是否存在，若一侧不存在苗带边缘，则该子区间无苗带中点，计算拟合出的苗带边缘线段中点坐标均值作为该子区间苗带中点；

对各个子区间苗带中点采用最小二乘法进行拟合，提取出苗带线。

7.根据权利要求5或6所述的水田除草机自动避苗方法，其特征在于：所述可编程逻辑控制器根据苗带线的偏转角度和水田除草机的前进速度，输出信号控制液压模块，具体为：

可编程逻辑控制器根据水田除草机的前进速度，选择延迟触发时间，结合苗带线的偏转角度，输出信号控制液压模块；所述延迟触发时间由理论延迟触发时间与系统处理时间的差值确定，理论延迟触发时间为相机视野边缘和水田除草机的除草轮边缘之间的最短距离与水田除草机前进速度的比值，系统处理时间包括一幅图像处理时间以及信号传输时间。

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