CN107389683A - 基于图像处理技术的旋耕机碎土率实时检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

基于图像处理技术的旋耕机碎土率实时检测装置，设置在旋耕机的机架上，检测装置包括控制装置、图像处理装置、图像采集器和用于调节图像采集器位置的调节机构，其中控制装置、图像处理装置和图像采集器两两之间均电连接。本发明提供一种基于图像处理技术的旋耕机碎土率实时检测装置及方法，通过对土壤表层进行拍照，并根据土壤颗粒阴影大小来判断土壤颗粒的大小，进而计算旋耕机的碎土率，自动化程度和精确度都比较高。

Description

基于图像处理技术的旋耕机碎土率实时检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种旋耕机，具体的说是基于图像处理技术的旋耕机碎土率实时检测装置及方法。

背景技术

旋耕法是利用和拖拉机配套的旋耕机具进行耕地，通过旋耕机刀片的高速旋转，达到切削土壤、松碎耕层，平整地面的目的。具有耕作深度较浅、碎土性能较强、旱耕时土块细碎、耕后地面平整等特点。由于旋耕1次就可收到翻、耙、平等几种作业的效果,也有利于减少工序、降低成本和保证作业及时，随着沙尘暴越来越多，人们的环境意识越来越强，作为一种少耕法技术，旋耕法逐年得到越来越广泛的应用。

除旋耕深度、地表平整度植被覆盖率、土壤蓬松度、拖拉机功耗外，衡量旋耕机工作性能的一个重要指标是旋耕后土壤的碎土率。决定了该类旋耕机能否投入实际生产应用。

迄今为止，还没有很好的针对旋耕后土壤碎土率的测试装置及方法，现有的对旋耕机的改进与创新均为对土壤的其他性能如旋耕深度的检测。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明提供一种基于图像处理技术的旋耕机碎土率实时检测装置及方法，通过对土壤表层进行拍照，并根据土壤颗粒阴影大小来判断土壤颗粒的大小，进而计算旋耕机的碎土率，自动化程度和精确度都比较高。

为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：

基于图像处理技术的旋耕机碎土率实时检测装置，设置在旋耕机的机架上，检测装置包括控制装置、图像处理装置、图像采集器和用于调节图像采集器位置的调节机构，其中控制装置、图像处理装置和图像采集器两两之间均电连接；

所述调节机构包括与机架固定连接的辅助台架和固定设置在辅助台架上的两个机械云台，在旋耕机的行走方向上，辅助台架从机架的后方伸出，辅助台架由两个并列设置的长梁和三个固定设置在两个长梁之间的短梁组成，长梁的延伸方向与旋耕机的行走方向垂直，机械云台包括两个固定设置在两个短梁下部的伸缩组件，伸缩组件包括与短梁固定连接的固定杆，固定杆上设置有固定块和移动块，其中固定块与固定杆的靠近辅助台架的一端固定连接，在固定块上转动设置有丝杠，丝杠穿通移动块之后固定连接有手柄，在丝杠上套设有滚珠螺母，滚珠螺母与移动块固定连接，固定块的下端转动连接有第四连杆，移动块的下端转动连接有第一连杆，第一连杆的中部与第四连杆的中部转动连接，第一连杆的下端还转动连接有第二连杆，第四连杆的下端还转动连接有第三连杆，第三连杆的中部与第二连杆的中部转动连接，两个伸缩组件的第三连杆的下端之间固定连接有安装梁，安装梁的中部固定设置有安装架，安装架呈垂直设置的圆筒状结构，所述图像采集器固定设置在安装架内，在安装架的周侧还套设有保护罩，保护罩与安装梁固定连接。

两个所述长梁中靠近所述机架的一个长梁通过若干个U形螺栓与机架固定连接。

所述固定杆的下部开设有沿长度方向延伸的燕尾槽，所述移动块的上部一体连接有与燕尾槽相匹配的燕尾凸起。

所述保护罩呈圆筒状结构，保护罩上一体连接有两个耳板，且两个耳板关于保护罩的轴线对称，两个耳板通过两个固定螺栓与所述安装梁固定连接。

所述安装架上开设有沿轴向延伸的开口，且开口贯通安装架的两端，开口的两边各一体连接有一个连接板，两个连接板通过紧固螺栓相连接。

所述丝杠上还套设有锁紧螺母，锁紧螺母用于将丝杠与所述滚珠螺母锁紧。

基于图像处理技术的旋耕机碎土率实时检测装置的检测方法，包括如下步骤：

步骤一、通过调节机构将所述图像采集装置驱动至土壤上方，并且使图像采集装置的感应端垂直向下设置；

步骤二、图像采集装置对土壤进行拍照，并且将拍摄到的照片传输给图像处理装置；

步骤三、图像处理装置对接受到的图像进行处理并计算碎土率；

步骤四、图像处理装置存储并转发碎土率。

所述步骤三中，图像处理装置对接受到的图像的处理过程包括：

步骤S1、图像处理装置对图像进行去色处理，得到一步处理图像；

步骤S2、图像处理装置调整一步处理图像的亮度和对比度，得到二步处理图像；

步骤S3、图像处理装置对二步处理图像进行色彩筛选，保留二步处理图像中的黑色部分，得到三步处理图像；

步骤S4、图像处理装置将三步处理图像转化为位图，得到四步处理图像，并计算四步处理图像中黑色像素的数量m；

步骤S5、图像处理装置将四步处理图像中若干个相连的黑色像素划分成一个区块，共生成多个区块；

步骤S6、图像处理装置计算每个区块中的像素数量，若像素数量小于k，则将该区块中的像素调整为白色，若像素数量大于或者等于k，则该区块不变，对所有区块处理完毕后，得到五步处理图像，并计算五步处理图像中黑色像素的数量n。

所述步骤三中，图像处理装置计算碎土率的方法为碎土率x=(m-n)/m。

所述步骤四中图像处理装置转发碎土率的方法为无线传输。

有益效果：

1、本发明通过对土壤表层进行拍照，并根据土壤颗粒阴影大小来判断土壤颗粒的大小，进而计算旋耕机的碎土率，自动化程度和精确度都比较高；

2、能够在旋耕机工作过程中实时地对旋耕机的工作状态进行检测，从而能够及时对旋耕机进行调整；

3、图像采集器的高度能够灵活调整，从而对照片涵盖的土壤面积进行调整，能够满足不同土地的使用需求，当照片涵盖的土壤面积比较大时，计算效率高但是会牺牲一定精度，当照片涵盖的土壤面积比较小时，精度更高；

4、图像采集器外设置保护罩，能够防止旋耕机扬起的尘土损坏图像采集器。

附图说明

图1是本发明检测装置的整体结构示意图；

图2是机械云台结构示意图；

图3是图2的仰视图；

图4是辅助台架结构示意图；

图5是图像采集器安装架结构示意图；

图6是具体实施方式中一步处理图像；

图7是具体实施方式中二步处理图像；

图8是具体实施方式中三步处理图像；

图9是具体实施方式中五步处理图像。

附图标记：1、拖拉机，2、三点悬挂机构，3、传动轴，4、机械云台，5、图像处理装置，6、控制装置，7、图像采集器，8、辅助台架，9、旋耕器，10、机架，11、固定杆，12、丝杠，13、滚珠螺母，14、锁紧螺母，15、手柄，16、移动块，17、第一连杆，18、安装架，19、第二连杆，20、第三连杆，21、第四连杆，22、固定块，23、长梁，24、短梁，25、U形螺栓，26、安装梁，27、固定螺栓，28、紧固螺栓，29、保护罩。

具体实施方式

下面根据附图具体说明本发明的实施方式。

如图1至5所示，一种旋耕机碎土率实时检测装置，设置在旋耕机的机架10上，检测装置包括控制装置6、图像处理装置5、图像采集器7和用于调节图像采集器7位置的调节机构，其中控制装置6、图像处理装置5和图像采集器7两两之间均电连接，图像处理装置5优选为微型计算机，控制装置6优选为摄像头驱动板，图像采集器7优选为高速摄像头。使用时，旋耕机的设置方式为现有的常规方式，即旋耕机通过三点悬挂机构2与拖拉机1固定连接，拖拉机1通过传动轴3驱动旋耕机的旋耕器9转动实现耕地的目的。

如图2至5所示，调节机构包括与机架10固定连接的辅助台架8和固定设置在辅助台架8上的两个机械云台4。

在旋耕机的行走方向上，辅助台架8从机架10的后方伸出，辅助台架8由两个并列设置的长梁23和三个固定设置在两个长梁23之间的短梁24组成，长梁23的延伸方向与旋耕机的行走方向垂直，两个长梁23中靠近机架10的一个长梁23通过若干个U形螺栓25与机架10固定连接。

机械云台4包括两个固定设置在两个短梁24下部的伸缩组件，伸缩组件包括与短梁24固定连接的固定杆11，固定杆11上设置有固定块22和移动块16，其中固定块22与固定杆11的靠近辅助台架8的一端固定连接，在固定杆11的下部开设有沿长度方向延伸的燕尾槽，移动块16的上部一体连接有与燕尾槽相匹配的燕尾凸起，通过燕尾槽与燕尾凸起的配合使移动块16能够沿固定杆11滑动。在固定块22上转动设置有丝杠12，丝杠12穿通移动块16之后固定连接有手柄15，在丝杠12上套设有滚珠螺母13，滚珠螺母13与移动块16固定连接，通过转动手柄15带动丝杠12转动，进而使滚珠螺母13沿丝杠12移动，并带动移动块16移动。丝杠12上还套设有锁紧螺母14，锁紧螺母14用于将丝杠12与滚珠螺母13锁紧。

固定块22的下端转动连接有第四连杆21，移动块16的下端转动连接有第一连杆17，第一连杆17的中部与第四连杆21的中部转动连接，第一连杆17的下端还转动连接有第二连杆19，第四连杆21的下端还转动连接有第三连杆20，第三连杆20的中部与第二连杆19的中部转动连接，两个伸缩组件的第三连杆20的下端之间固定连接有安装梁26，安装梁26的中部固定设置有安装架18，安装架18呈垂直设置的圆筒状结构，图像采集器7固定设置在安装架18内，且图像采集器7的感应端垂直向下，安装架18上开设有沿轴向延伸的开口，且开口贯通安装架18的两端，开口的两边各一体连接有一个连接板，两个连接板通过紧固螺栓28相连接。在安装架18的周侧还套设有保护罩29，保护罩29与安装梁26固定连接。保护罩29呈圆筒状结构，保护罩29上一体连接有两个耳板，且两个耳板关于保护罩29的轴线对称，两个耳板通过两个固定螺栓27与安装梁26固定连接。保护罩29用于防止旋耕机扬起的尘土对图像采集器7造成损坏。

一种基于图像处理技术的旋耕机碎土率实时检测装置的检测方法，包括如下步骤。

步骤一、通过调节机构将所述图像采集装置驱动至土壤上方，并且使图像采集装置的感应端垂直向下设置，调节的具体方法为：首先通过转动手柄15，进而带动滚珠螺母13和移动块16移动，通过移动块16与固定块12之间的距离变化，来调整第一连杆17和第四连杆21的倾斜角度，进而调整第二连杆19与第三连杆20的倾斜角度，第三连杆20的倾斜角度发生变化时，会调整第三连杆20下端的高度，进而调整安装梁26和安装架18的高度，从而对图像采集器7的高度进行调整，最终实现调整图像采集器7有效拍照面积的目的；

步骤二、图像采集装置对土壤进行拍照，并且将拍摄到的照片传输给图像处理装置，拍照时，最好是在阳光与地面之间有一定夹角的时候，必要时可以采用补光灯，从而使土壤颗粒的大小在图像中表现为阴影部分的大小；

步骤三、图像处理装置对接受到的图像进行处理并计算碎土率；

步骤四、图像处理装置存储并转发碎土率。

所述步骤三中，图像处理装置对接受到的图像的处理过程包括：

步骤S1、图像处理装置对图像进行去色处理，得到一步处理图像，如图2所示；

步骤S2、图像处理装置调整一步处理图像的亮度和对比度，得到二步处理图像，如图3所示；

步骤S3、图像处理装置对二步处理图像进行色彩筛选，保留二步处理图像中的黑色部分，得到三步处理图像，如图4所示，四步处理图像中黑色像素为土壤颗粒的阴影；

步骤S4、图像处理装置将三步处理图像转化为位图，得到四步处理图像，并计算四步处理图像中黑色像素的数量m；

步骤S5、图像处理装置将四步处理图像中若干个相连的黑色像素划分成一个区块，共生成多个区块，区块的大小表征出土壤颗粒的大小。区块划分的方法为，对任一个像素进行判定，如果该像素为白色，则不做处理，然后对其相邻像素进行判定，如果该像素为黑色，则对齐相邻的并且有公共边缘的像素进行判定，此类像素共有四个，如果这四个像素中有黑色像素，则将该像素与相邻的黑色像素合并为一个小区块，并对相邻的黑色像素继续进行前述判定，直到一个区块的边缘处没有相邻的黑色像素，则完成该区块的划分，在实际应用过程中，对于一张照片，从第一行第一列的像素开始进行判定；

步骤S6、图像处理装置计算每个区块中的像素数量，若像素数量小于k，则将该区块中的像素调整为白色，若像素数量大于或者等于k，则该区块不变，对所有区块处理完毕后，得到五步处理图像，如图5所示，并计算五步处理图像中黑色像素的数量n。

所述步骤三中，图像处理装置计算碎土率的方法为碎土率x=(m-n)/m，通过计算阴影面积较大的土壤颗粒占所有土壤颗粒的比例，来得到旋耕机的碎土率。

因为旋耕机的耕出的土壤上下层的碎土率是基本相同的，因此通过计算表层碎土里即可近似得出旋耕机整体的碎土率。此外，因为旋耕机在工作过程中，碎土率通常不会发生很大的变化，因此对碎土率的检测也无需不断进行，在进行了一次检测之后，等待旋耕机行进了一定距离后再进行第二次检测即可。

所述步骤四中图像处理装置转发碎土率的方法为无线传输，通过将碎土率实时传输给操作人员，能够对旋耕机的工作状况进行实时监测，便于对旋耕机进行调整。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.基于图像处理技术的旋耕机碎土率实时检测装置，设置在旋耕机的机架（10）上，其特征在于：检测装置包括控制装置（6）、图像处理装置（5）、图像采集器（7）和用于调节图像采集器（7）位置的调节机构，其中控制装置（6）、图像处理装置（5）和图像采集器（7）两两之间均电连接；

所述调节机构包括与机架（10）固定连接的辅助台架（8）和固定设置在辅助台架（8）上的两个机械云台（4），在旋耕机的行走方向上，辅助台架（8）从机架（10）的后方伸出，辅助台架（8）由两个并列设置的长梁（23）和三个固定设置在两个长梁（23）之间的短梁（24）组成，长梁（23）的延伸方向与旋耕机的行走方向垂直，机械云台（4）包括两个固定设置在两个短梁（24）下部的伸缩组件，伸缩组件包括与短梁（24）固定连接的固定杆（11），固定杆（11）上设置有固定块（22）和移动块（16），其中固定块（22）与固定杆（11）的靠近辅助台架（8）的一端固定连接，在固定块（22）上转动设置有丝杠（12），丝杠（12）穿通移动块（16）之后固定连接有手柄（15），在丝杠（12）上套设有滚珠螺母（13），滚珠螺母（13）与移动块（16）固定连接，固定块（22）的下端转动连接有第四连杆（21），移动块（16）的下端转动连接有第一连杆（17），第一连杆（17）的中部与第四连杆（21）的中部转动连接，第一连杆（17）的下端还转动连接有第二连杆（19），第四连杆（21）的下端还转动连接有第三连杆（20），第三连杆（20）的中部与第二连杆（19）的中部转动连接，两个伸缩组件的第三连杆（20）的下端之间固定连接有安装梁（26），安装梁（26）的中部固定设置有安装架（18），安装架（18）呈垂直设置的圆筒状结构，所述图像采集器（7）固定设置在安装架（18）内，在安装架（18）的周侧还套设有保护罩（29），保护罩（29）与安装梁（26）固定连接。

2.如权利要求1所述的基于图像处理技术的旋耕机碎土率实时检测装置，其特征在于：两个所述长梁（23）中靠近所述机架（10）的一个长梁（23）通过若干个U形螺栓（25）与机架（10）固定连接。

3.如权利要求1所述的基于图像处理技术的旋耕机碎土率实时检测装置，其特征在于：所述固定杆（11）的下部开设有沿长度方向延伸的燕尾槽，所述移动块（16）的上部一体连接有与燕尾槽相匹配的燕尾凸起。

4.如权利要求1所述的基于图像处理技术的旋耕机碎土率实时检测装置，其特征在于：所述保护罩（29）呈圆筒状结构，保护罩（29）上一体连接有两个耳板，且两个耳板关于保护罩（29）的轴线对称，两个耳板通过两个固定螺栓（27）与所述安装梁（26）固定连接。

5.如权利要求1所述的基于图像处理技术的旋耕机碎土率实时检测装置，其特征在于：所述安装架（18）上开设有沿轴向延伸的开口，且开口贯通安装架（18）的两端，开口的两边各一体连接有一个连接板，两个连接板通过紧固螺栓（28）相连接。

6.如权利要求1所述的基于图像处理技术的旋耕机碎土率实时检测装置，其特征在于：所述丝杠（12）上还套设有锁紧螺母（14），锁紧螺母（14）用于将丝杠（12）与所述滚珠螺母（13）锁紧。

7.如权利要求1所述的基于图像处理技术的旋耕机碎土率实时检测装置的检测方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、通过调节机构将所述图像采集装置驱动至土壤上方，并且使图像采集装置的感应端垂直向下设置；

步骤二、图像采集装置对土壤进行拍照，并且将拍摄到的照片传输给图像处理装置；

步骤三、图像处理装置对接受到的图像进行处理并计算碎土率；

步骤四、图像处理装置存储并转发碎土率。

8.如权利要求7所述的基于图像处理技术的旋耕机碎土率实时检测装置的检测方法，其特征在于：

所述步骤三中，图像处理装置对接受到的图像的处理过程包括：

步骤S1、图像处理装置对图像进行去色处理，得到一步处理图像；

步骤S2、图像处理装置调整一步处理图像的亮度和对比度，得到二步处理图像；

步骤S3、图像处理装置对二步处理图像进行色彩筛选，保留二步处理图像中的黑色部分，得到三步处理图像；

步骤S4、图像处理装置将三步处理图像转化为位图，得到四步处理图像，并计算四步处理图像中黑色像素的数量m；

步骤S5、图像处理装置将四步处理图像中若干个相连的黑色像素划分成一个区块，共生成多个区块；

步骤S6、图像处理装置计算每个区块中的像素数量，若像素数量小于k，则将该区块中的像素调整为白色，若像素数量大于或者等于k，则该区块不变，对所有区块处理完毕后，得到五步处理图像，并计算五步处理图像中黑色像素的数量n。

9.如权利要求8所述的基于图像处理技术的旋耕机碎土率实时检测装置的检测方法，其特征在于：

所述步骤三中，图像处理装置计算碎土率的方法为碎土率x=(m-n)/m。

10.如权利要求7所述的基于图像处理技术的旋耕机碎土率实时检测装置的检测方法，其特征在于：所述步骤四中图像处理装置转发碎土率的方法为无线传输。