CN109931998A - 一种基于图像的谷物流量测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于图像的谷物流量测量装置，包括：控制组件和设置于谷物升运器的旁侧的激光发射组件、激光接收组件、光发生组件和图像采集组件；激光接收组件与激光发射组件设置在谷物升运器相对的两侧，当激光接收组件未接收到激光时，发送图像采集信号至图像采集组件；光发生组件用于发射光束，当谷物移动至与图像采集组件对应的位置处形成标识光束；图像采集组件用于在接收到图像采集信号时，获取谷物图像；控制组件，用于将标识光束的长度输入谷物质量模型，得到谷物的体积和/或质量。本发明通过采集升运器上谷物侧面的图像，使用谷物质量模型得到谷物的质量，具有结构简单，计量准确，使用方便，实现了对升运器运送谷物的快速计量。

Description

一种基于图像的谷物流量测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及农业机械测量技术领域，特别涉及一种基于图像的谷物流量测量装置。

背景技术

精准农业的思想是通过分析每一块农田的空间差异性，根据农作物特点和土壤性质来最合理地优化肥料、种子、灌溉水等农业资源的投入，实现定时、定量、定位的现代化农田管理，进而获得最大的环境效益和经济效益。作物产量是精准农业中需要获取的重要信息，它集中反映了农田土壤特性、化肥利用、地形结构、气象因素、灌溉情况以及虫草侵害等因素对产量的影响。谷物收获时实时获取的流量信息和据此得到的产量图是“处方农作”中不可缺少的信息，而在谷物联合收割机上安装谷物流量传感器是实现此环节的关键部分。根据联合收割机谷物流量传感器测得的数据计算出各地块的产量，进而绘出的产量分布图是下一季度变量作业决策依据，同时又可以来评价前一季精准管理的效果，进而修正相关决策模型，使精准农业成为完整的闭环调节系统。所以，谷物流量传感器测得的数据是实现科学分配资源、处方施肥、增加粮食产量和减少环境污染的基础和关键，对我国农业的可持续发展具有长远和现实意义。

目前已经研制出来的谷物流量传感器主要有冲量式传感器，基于γ射线谷物流量传感器和光电式谷物流量传感器等。冲量式的传感器是基于冲量定理，当谷物冲击挡板时将会导致速度变化，同时挡板上会感受到力的变化，测量出力的变化即可推算出谷物的流量。冲量式谷物流量传感器使用安全，应用广泛，但是存在安装调试困难和精度差的缺点，不利于在我国农业结构调整技术中的推广和应用。基于γ射线谷物流量传感器虽然测量精度高，但是其造价昂贵，且γ射线对人体有潜在的危害，这些缺点限制了这种传感器的推广。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种基于图像的谷物流量测量装置，通过采集升运器上谷物侧面的图像，使用谷物质量模型得到谷物的质量，具有结构简单，计量准确，使用方便，实现了对升运器运送谷物的快速计量。

为解决上述技术问题，本发明实施例的第一方面提供了一种基于图像的谷物流量测量装置，包括：控制组件和设置于谷物升运器的旁侧的激光发射组件、激光接收组件、光发生组件和图像采集组件；所述激光发射组件，用于发射激光；所述激光接收组件，与所述激光发射组件设置在所述谷物升运器相对的两侧，且与所述激光发射组件的位置对应，用于接收所述激光发射组件发射的激光，以及当所述激光接收组件未接收到发射的激光时，发送图像采集信号至所述图像采集组件；所述光发生组件，用于发射光束，且当所述谷物升运器上的谷物移动至与所述图像采集组件对应的位置处，沿所述谷物底边的中心点至所述谷物顶边的中心点在所述谷物上形成标识光束；所述图像采集组件，与所述光发生组件设置在所述谷物升运器的同一侧，用于在接收到所述图像采集信号时，获取谷物图像，所述谷物图像包括谷物的侧面图像和所述标识光束；所述控制组件，用于将所述标识光束的长度输入所述谷物质量模型，得到所述谷物的质量。

进一步地，所述光发生组件位于所述图像采集组件的下方，且与所述图像采集组件保持预设距离。

进一步地，所述光发生组件为线激光发生器。

进一步地，基于图像的谷物流量测量装置还包括第一基座和第二基座；所述激光发射组件、所述光发生组件和所述图像采集组件均设置在所述第一基座上，所述激光发射组件被设置为可沿所述第一基座的X轴方向和Z轴方向移动；所述激光接收组件设置在所述第二基座上，被设置为可沿所述第二基座的X轴方向和Z轴方向移动。

进一步地，基于图像的谷物流量测量装置还包括：第一安装部件和第二安装部件；所述第一安装部件，设置在所述第一基座上，用于安装所述激光发射组件；所述第二安装部件，设置在所述第二基座上，用于安装所述激光接收组件。

进一步地，所述第一安装部件包括：相互垂直连接的第一连接板和第二连接板；所述第一连接板上设置有至少一个第一腰型孔，所述第一连接板通过所述至少一个第一腰型孔可沿所述第一基座的Z轴方向移动；所述第二连接板上设置有第二腰型孔，所述第二连接板通过所述至少一个第二腰型孔可沿所述第一基座的X轴方向移动。

进一步地，所述第二安装部件包括：相互垂直连接的第三连接板和第四连接板；所述第三连接板上设置有至少一个第三腰型孔，所述第三连接板通过所述至少一个第三腰型孔可沿所述第二基座的Z轴方向移动；所述第四连接板上设置有第四腰型孔，所述第四连接板通过所述至少一个第四腰型孔可沿所述第二基座的X轴方向移动。

本发明实施例的第二方面提供了一种基于图像的谷物流量测量方法，包括如下步骤：

激光发射组件发射激光；

当谷物升运器上的谷物移动至与所述图像采集组件对应的位置处，光发生组件发射的光束沿所述谷物底边的中心点至所述谷物顶边的中心点，形成标识光束；

当激光接收组件未接收到发射的激光时，发送图像采集信号至图像采集组件；

在接收到所述图像采集信号时，所述图像采集组件获取谷物图像，所述谷物图像包括所述谷物的侧面图像和所述标识光束；

控制组件将所述标识光束的长度输入谷物质量模型，得到所述谷物的质量。

进一步地，所述谷物质量模型根据以下方程式计算得到谷物质量：

mi＝ρV；

式中，mi为第i个刮板上的谷物的质量，ρ为谷物的容重，V为谷物的体积。

进一步地，所述谷物的体积根据以下方程式计算：

V＝ax+b；

其中，a为刮板的面积，b为补偿系数，a＝LB，L为刮板的长度，B为刮板的宽度，x是标识光束的长度，x＝||P₀P₁||，P₀是线结构光打在谷物顶边中心点的坐标，P₁是线结构光打在谷物底边的中心点的坐标。

本发明实施例的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

通过采集升运器上谷物侧面的图像，使用谷物质量模型得到谷物的质量，具有结构简单，计量准确，使用方便，实现了对升运器运送谷物的快速计量，解决现有技术中存在的谷物流量测量的误差大、精确度不高或者价格昂贵的技术问题，符合精准农业需求，推动了农业现代化智能化。

附图说明

图1是本发明实施例提供的第一基座的结构立体图；

图2是本发明实施例提供的第一基座的结构侧视图；

图3是本发明实施例提供的第二基座的结构立体图；

图4是本发明实施例提供的第一基座与第一安装部件的连接示意图；

图5是本发明实施例提供的第二基座与第一安装部件的连接示意图；

图6是本发明实施例提供的基于图像的谷物流量测量方法的流程图。

图7是本发明实施例提供的谷物质量模型的示意图。

附图标记：

1、激光发射组件，2、激光接收组件，3、光发生组件，4、图像采集组件，51、第一基座，52、第二基座，61、第一安装部件，611、第一连接板，6111、第一腰型孔，612、第二连接板，6121、第二腰型孔，62、第二安装部件，621、第三连接板，6211、第三腰型孔，622、第四连接板，6221、第四腰型孔。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

图1是本发明实施例提供的第一基座的结构立体图。

图2是本发明实施例提供的第一基座的结构侧视图。

图3是本发明实施例提供的第二基座的结构立体图。

请参照图1、图2和图3，本发明实施例的第一方面提供一种基于图像的谷物流量测量装置，包括：控制组件和设置于谷物升运器的旁侧的激光发射组件1、激光接收组件2、光发生组件3和图像采集组件4。激光发射组件1，用于发射激光。激光接收组件2，与激光发射组件1设置在谷物升运器相对的两侧，且与激光发射组件1的位置对应，用于接收激光发射组件1发射的激光，以及当激光接收组件1未接收到发射的激光时，发送图像采集信号至图像采集组件4。光发生组件3用于发射光束，且当谷物升运器上的谷物移动至与图像采集组件4对应的位置处，沿谷物底边的中心点至谷物顶边的中心点在谷物上形成标识光束。图像采集组件4，与光发生组件3设置在谷物升运器的同一侧，用于在接收到图像采集信号时，获取谷物图像，谷物图像包括谷物的侧面图像和标识光束。控制组件，用于将标识光束的长度输入谷物质量模型，得到谷物的质量。本发明通过采集升运器上谷物侧面的图像，使用谷物质量模型得到谷物的质量，具有结构简单，计量准确，使用方便，实现了对升运器运送谷物的快速计量，解决现有技术中存在的谷物流量测量的误差大、精确度不高或者价格昂贵的技术问题，符合精准农业需求，推动了农业现代化智能化。

在本发明实施例的一个实施方式中，光发生组件3位于图像采集组件4的下方，且与图像采集组件4保持预设距离。光发生组件3与图像采集组件4的预设距离，依据升运器运动的速度进行设置，如升运器的速度恒定，则光发生组件3和图像采集组件4的预设距离可设为固定值，即二者位置可保持固定。

可选的，光发生组件3向上倾斜预设角度，预设角度的范围为10°-50°。优选的，预设角度为30°，所产生的标识光束具有亮度高、完整型性好等优点。

预设角度值的选择也与光发生组件3和图像采集组件4的预设距离相关。预设距离值增大，则预设角度值也相应增大；预设距离减小，则预设角度也相应减小。

可选的，光发生组件3为线激光发生器。

在本发明实施例的一个实施方式中，基于图像的谷物流量测量装置还包括第一基座51和第二基座52。激光发射组件1、光发生组件3和图像采集组件4均设置在第一基座51上，激光发射组件1被设置为可沿第一基座51的X轴方向和Z轴方向移动。激光接收组件2设置在第二基座52上，被设置为可沿第二基座52的X轴方向和Z轴方向移动。

可选的，激光发射组件1、光发生组件3和/或图像采集组件4分别与第一基座51螺栓连接。激光接收组件2和第二基座52螺栓连接。

其中，第一基座51的X轴方向和Z轴方向如图1中所示坐标轴方向；第二基座52的X轴方向和Z轴方向如图3中所示坐标轴方向。

可选的，第一基座51上设有与光发生组件3相对应的安装槽，光发生组件3设置于安装槽中，可以提高光发生组件3抗震性能，避免了光发生组件3在升运器工作时受震动干扰而造成位置偏移，提高了光发生组件3所形成的标识光束的位置精度。

图4是本发明实施例提供的第一基座与第一安装部件的连接示意图。

图5是本发明实施例提供的第二基座与第一安装部件的连接示意图。

请参照图4和图5，在本发明实施例的一个实施方式中，基于图像的谷物流量测量装置还包括：第一安装部件61和第二安装部件62。第一安装部件61，设置在第一基座51上，用于安装激光发射组件1。第二安装部件62，设置在第二基座52上，用于安装激光接收组件2。

第一安装部件61包括：相互垂直连接的第一连接板611和第二连接板612。第一连接板611上设置有至少一个第一腰型孔6111，第一连接板611通过至少一个第一腰型孔6111可沿第一基座51的Z轴方向移动。第二连接板612上设置有第二腰型孔6121，第二连接板612通过至少一个第二腰型孔6121可沿第一基座51的X轴方向移动。

第二安装部件62包括：相互垂直连接的第三连接板621和第四连接板622。第三连接板621上设置有至少一个第三腰型孔6211，第三连接板621通过至少一个第三腰型孔6211可沿第二基座52的Z轴方向移动。第四连接板622上设置有第四腰型孔6221，第四连接板622通过至少一个第四腰型孔6221可沿第二基座52的X轴方向移动。

激光发射组件1和第一基座51通过第一安装部件61实现连接，激光发射组件1相对于第一基座51可以在X轴和Z轴两个实现位置调整。激光接受组件2和第二基座52通过第二安装部件62实现连接。激光接受组件2相对于第二基座52可以在X轴和Z轴两个实现位置调整。上述结构是激光发射组件1和激光接收组件2可以实现进行位置的精确校准，在升运器工作时，激光发射组件1和激光接收组件2受升运器震动影响会出现位置偏移，导致激光接收组件2无法收到激光发射组件1发射的激光，而使激光接收组件2一直给图像采集组件4发送图像采集信号及图像采集组件4一直进行拍照。

可选的，第一基座51和/或第二基座52分别设有基座外壳。第一基座51的基座外壳朝向第二基座52的一侧为激光可穿透的钢化玻璃。和/或，第二基座52的基座外壳朝向第一基座51的一侧为激光可穿透的钢化玻璃。

上述基于图像的谷物流量测量装置，采用激光发射组件1和激光接收组件2，仅为说明本发明技术方案的具体实施方式。本发明也可以采用类似地激光反射装置实现上述功能。

图6是本发明实施例提供的基于图像的谷物流量测量方法的流程图。

请参照图6，本发明实施例的第二方面提供一种基于图像的谷物流量测量方法，包括如下步骤：

激光发射组件1发射激光。

当谷物升运器上的谷物移动至与图像采集组件4对应的位置处，光发生组件3发射的光束沿谷物底边的中心点至谷物顶边的中心点，形成标识光束。

当激光接收组件2未接收到发射的激光时，发送图像采集信号至图像采集组件4。

在接收到图像采集信号时，图像采集组件4获取谷物图像，谷物图像包括谷物的侧面图像和标识光束。

控制组件将标识光束的长度输入谷物质量模型，得到谷物的质量。

图7是本发明实施例提供的谷物质量模型的示意图。

请参照图7，在本发明实施例的一个实施方式中，谷物的质量模型根据以下方程式计算得到谷物质量：

mi＝ρV；

式中，mi为第i个刮板上的谷物的质量，ρ为谷物的容重，V为谷物的体积。

可选的，谷物的体积根据以下方程式计算：

V＝aX+b；

其中，a为刮板的面积，b为补偿系数，a＝LB，L为刮板的长度，B为刮板的宽度，X是标识光束的长度，X＝||P₀P₁||，P₀是线结构光打在谷物顶边中心点的坐标，P₁是线结构光打在谷物底边的中心点的坐标，H是刮板的厚度。

本发明实施例的第一方面旨在保护一种基于图像的谷物流量测量装置，包括：控制组件和设置于谷物升运器的旁侧的激光发射组件、激光接收组件、光发生组件和图像采集组件；激光发射组件，用于发射激光；激光接收组件，与激光发射组件设置在谷物升运器相对的两侧，且与激光发射组件的位置对应，用于接收激光发射组件发射的激光，以及当激光接收组件未接收到发射的激光时，发送图像采集信号至图像采集组件；光发生组件，用于发射光束，且当谷物升运器上的谷物移动至与图像采集组件对应的位置处，沿谷物底边的中心点至谷物顶边的中心点在谷物上形成标识光束；图像采集组件，与光发生组件设置在谷物升运器的同一侧，用于在接收到图像采集信号时，获取谷物图像，谷物图像包括谷物的侧面图像和标识光束；控制组件，用于将标识光束的长度输入谷物质量模型，得到谷物的质量。本发明的第二方面旨在保护一种基于图像的谷物流量测量方法。上述技术方案具备如下有益的技术效果：

通过采集升运器上谷物侧面的图像，使用谷物质量模型得到谷物的质量，具有结构简单，计量准确，使用方便，实现了对升运器运送谷物的快速计量，解决现有技术中存在的谷物流量测量的误差大、精确度不高或者价格昂贵的技术问题，符合精准农业需求，推动了农业现代化智能化。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种基于图像的谷物流量测量装置，其特征在于，包括：控制组件和设置于谷物升运器的旁侧的激光发射组件(1)、激光接收组件(2)、光发生组件(3)和图像采集组件(4)；

所述激光发射组件(1)，用于发射激光；

所述激光接收组件(2)，与所述激光发射组件(1)设置在所述谷物升运器相对的两侧，且与所述激光发射组件(1)的位置对应，用于接收所述激光发射组件(1)发射的激光，以及当所述激光接收组件(1)未接收到发射的激光时，发送图像采集信号至所述图像采集组件(4)；

所述光发生组件(3)，用于发射光束，且当所述谷物升运器上的谷物移动至与所述图像采集组件(4)对应的位置处，沿所述谷物底边的中心点至所述谷物顶边的中心点在所述谷物上形成标识光束；

所述图像采集组件(4)，与所述光发生组件(3)设置在所述谷物升运器的同一侧，用于在接收到所述图像采集信号时，获取谷物图像，所述谷物图像包括谷物的侧面图像和所述标识光束；

所述控制组件，用于将所述标识光束的长度输入谷物质量模型，得到所述谷物的质量。

2.根据权利要求1所述的谷物流量测量装置，其特征在于，

所述光发生组件(3)位于所述图像采集组件(4)的下方，且与所述图像采集组件(4)保持预设距离。

3.根据权利要求1所述的谷物流量测量装置，其特征在于，

所述光发生组件(3)为线激光发生器。

4.根据权利要求1所述的谷物流量测量装置，其特征在于，还包括第一基座(51)和第二基座(52)；

所述激光发射组件(1)、所述光发生组件(3)和所述图像采集组件(4)均设置在所述第一基座(51)上，所述激光发射组件(1)被设置为可沿所述第一基座(51)的X轴方向和Z轴方向移动；

所述激光接收组件(2)设置在所述第二基座(52)上，被设置为可沿所述第二基座(52)的X轴方向和Z轴方向移动。

5.根据权利要求4所述的谷物流量测量装置，其特征在于，还包括：第一安装部件(61)和第二安装部件(62)；

所述第一安装部件(61)，设置在所述第一基座(51)上，用于安装所述激光发射组件(1)；

所述第二安装部件(62)，设置在所述第二基座(52)上，用于安装所述激光接收组件(2)。

6.根据权利要求5所述的谷物流量测量装置，其特征在于，所述第一安装部件(61)包括：相互垂直连接的第一连接板(611)和第二连接板(612)；

所述第一连接板(611)上设置有至少一个第一腰型孔(6111)，所述第一连接板(611)通过所述至少一个第一腰型孔(6111)可沿所述第一基座(51)的Z轴方向移动；

所述第二连接板(612)上设置有第二腰型孔(6121)，所述第二连接板(612)通过所述至少一个第二腰型孔(6121)可沿所述第一基座(51)的X轴方向移动。

7.根据权利要求5所述的谷物流量测量装置，其特征在于，所述第二安装部件(62)包括：相互垂直连接的第三连接板(621)和第四连接板(622)；

所述第三连接板(621)上设置有至少一个第三腰型孔(6211)，所述第三连接板(621)通过所述至少一个第三腰型孔(6211)可沿所述第二基座(52)的Z轴方向移动；

所述第四连接板(622)上设置有第四腰型孔(6221)，所述第四连接板(622)通过所述至少一个第四腰型孔(6221)可沿所述第二基座(52)的X轴方向移动。

8.一种基于图像的谷物流量测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

激光发射组件(1)发射激光；

当谷物升运器上的谷物移动至与所述图像采集组件(4)对应的位置处，光发生组件(3)发射的光束沿所述谷物底边的中心点至所述谷物顶边的中心点，形成标识光束；

当激光接收组件(2)未接收到发射的激光时，发送图像采集信号至图像采集组件(4)；

在接收到所述图像采集信号时，所述图像采集组件(4)获取谷物图像，所述谷物图像包括所述谷物的侧面图像和所述标识光束；

控制组件将所述标识光束的长度输入谷物质量模型，得到所述谷物的质量。

9.根据权利要求8所述的谷物测量方法，其特征在于，所述谷物质量模型根据以下方程式计算得到谷物质量：

mi＝ρV；

式中，mi为第i个刮板上的谷物的质量，ρ为谷物的容重，V为谷物的体积。

10.根据权利要求9所述的谷物测量方法，其特征在于，

所述谷物的体积根据以下方程式计算：

V＝ax+b；

其中，a为刮板的面积，b为补偿系数，a＝LB，L为刮板的长度，B为刮板的宽度，x是标识光束的长度，x＝||P₀P₁||，P₀是线结构光打在谷物顶边中心点的坐标，P₁是线结构光打在谷物底边的中心点的坐标。