CN110771591B - 一种基于图像识别自动变量喷药装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于图像识别自动变量喷药装置，属于农业智能机械设备领域，针对目前采用人工喷洒除草剂不能准确控制喷药量的问题，本发明装置包括图像采集单元、数据处理单元和喷药量控制单元，图像采集单元采集地面图像，数据处理通过图像处理，结合统计方法对杂草量进行分级决策，根据生成的决策信息，控制不同管路电池阀的开启，从而实现不同喷药量的喷洒，变量喷药不仅降低了农药对环境和农作物的危害，更提高了农业的生产效率，降低了喷药过程中的农药成本，具有较好的发展前景。

Description

一种基于图像识别自动变量喷药装置

技术领域

本发明属于农业智能机械设备领域，尤其是涉及一种基于图像识别自动变量喷药装置。

背景技术

我国是一个幅源辽阔，人口众多的农业大国，同时是一个粮食消费大国。目前,我国农业正面临着从传统农业向现代农业转变的历史时期,现代农业发展的核心是高效、低耗、精确,只有加快高科技含量的农业机械化发展,才能实现农业现代化和农业的可持续发展,实现农业综合生产能力的提高。

农作物是人类必不可少的再生资源，它不但为人类提供必需的基本生活品，而且能改善土壤肥力，控制水土流失，还可以改善人类的生存环境。然而，作物在生长和发育过程中，经常受到各种不良环境生物和非生物因子的影响，导致农作物发生病害。农作物病害造成的直接损失是减少农作物的产量。然而，农药、除草剂的大量施用，不但造成生产成本的提高和资金的浪费，而且直接危害人畜健康、污染农产品，污染环境和水质。因此需要能够根据田间杂草及病虫害分布实现精确顶点喷药、减少成本和环境污染的自动控制施药机械与技术。随着科学技术的迅速发展和国家对农业可持续发展的重视，我国施药技术落后的状况已经不能适应21世纪精准农业发展的要求。精准施药技术应运而生。它可以减少农药的危害、节约资源、保持生态平衡，从而促进农业的可持续发展。

传统变量喷药采用压力控制流量的方式，往往在施药过程中农民为了更好的去除杂草，不断的加大喷药量，这样不但造成了农药的浪费，同时也严重的污染了农田及周过的水环境。在大量使用农药的同时也使杂草及病虫害产生了一定的抗药性，这样就在喷药量与杂草之间产生了恶性循环。

发明内容

本发明为克服上述情况不足，旨在提供一种能够准确控制除草剂施药量的装置，本发明所采用的技术方案具体如下：

一种基于图像识别自动变量喷药装置，主要由图像采集单元、数据处理单元和喷药量控制单元组成。

所述的图像采集单元三路独立的相机，采用等间距方式安装在喷药机车前方，安装位置距地面800mm到1500mm，作业幅面(1884mm×1380mm)～(3532mm×2587mm)，帧频为4帧，像元分辨率0.46mm～0.86mm；

喷药量控制单元，由无线通信接口模块、四路继电器和四路电磁阀依次连接组成；四路不同管径电磁阀对应的喷药量分别是10％、20％、40％和60％；

所述的数据处理单元主要由图像工作站和图像采集卡组成，图像采集卡安装在图像工作站上，图像采集卡与图像采集单元连接，用于将图像采集单元采集到的图像数据格式进行转换，将其转换成图像工作站所需的RGB24位真彩色格式，并将该格式数据文件传输给图像工作站，所述图像工作站用于执行以下步骤：

1)根据RGB24位真彩色格式中的RGB分量，增加绿色权重，并将图像转换为灰度值，具体算法如下：

(x,y)表示在原始图像中，像素横纵坐标位置；R、G、B分别代表红色、绿色、蓝色三种颜色的分量值；

2)将获得的灰度值信息进行二值化处理，具体如下：

式中，I_min为灰度图像中最小灰度值、I_max为灰度图像中最大灰度值，n_i表示处在灰度值i的像素数，

图像以

为分割点，划分A、B两个区域，A、B两个区域内的平均灰度值分别为

和

从I_min到I_max遍历计算所有灰度值；

根据类间方差

选取σ²值最大时的分割阈值

为最佳分割阈值；

和

为灰度值i时的A、B两个区域内平均灰度值；

将小于分割阈值

的赋值为0，将大于分割阈值

的赋值为1，转换为二值图像；

3)依次采用腐蚀操作和膨胀操作对图像去噪处理；

4)根据秧苗的不同成长阶段和苗田的规划尺寸对图像的宽度方向对图像进行等分；

5)对划分后的区域中值为1的像素点数量进行统计；

6)根据统计结果对应的杂草数量将其分为10个等级，分别对应10％到100％所需的喷药量，根据所需喷药量向喷药量控制单元发送控制指令，所述控制指令用于控制喷药量控制单元控制四路继电器的开关，四路继电器控制所对应的四路电磁阀开关，完成喷药量控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明利用图像识别和统计方法，能够根据杂草量准确控制喷药装置的开度，进而达到准确控制喷药量的目的，避免除草剂过量使用对环境造成的影响。

附图说明

图1本发明中数据处理单元执行步骤流程图；

图2图像采集单元采集图像原图；

图3增加绿色权重并将图像转换为灰度值后的图像；

图4转换为二值图后的图像；

图5经过腐蚀处理后的图像；

图6经过膨胀处理后的图像；

图7二值图中像素亮点(即赋值为1的像素点)数量统计结果；

图8喷药量控制单元示意图。

图9本发明中喷药设备、喷药区域与拍摄区域示意图。

具体实施方式

下面将以实施例的形式结合附图对本发明技术方案做进一步解释和说明。

本实施例中一种基于图像识别自动变量喷药装置，主要由图像采集单元、数据处理单元和喷药量控制单元组成。

所述的图像采集单元三路独立的相机，采用等间距方式安装在喷药机车前方，

下表为单路相机的技术指标，通过12V-2A的电源供电，通过网线与数据处理单元连接

数据采集单元安装位置距地面800mm到1500mm，作业幅面(1884mm×1380mm)～(3532mm×2587mm)，帧频为4帧，像元分辨率0.46mm～0.86mm；

喷药量控制单元，由无线通信接口模块、四路继电器和四路电磁阀依次连接组成(如图8所示)；数据处理单元和喷药量控制单元采用RS485总线方式对阀门进行远程控制。四路不同管径电磁阀对应的喷药量分别是10％、20％、40％和60％；

所述的数据处理单元主要由图像工作站和图像采集卡组成，图像采集卡安装在图像工作站上，图像采集卡与图像采集单元连接，用于将图像采集单元采集到的图像数据格式进行转换，将其转换成图像工作站所需的RGB24位真彩色格式，并将该格式数据文件传输给图像工作站，所述图像工作站用于执行以下步骤：

1)根据RGB24位真彩色格式中的RGB分量，增加绿色权重，并将图像转换为灰度值，具体算法如下：

(x,y)表示在原始图像中，像素横纵坐标位置；R、G、B分别代表红色、绿色、蓝色三种颜色的分量值；

2)将获得的灰度值信息进行二值化处理，具体如下：

式中，I_min为灰度图像中最小灰度值、I_max为灰度图像中最大灰度值，n_i表示处在灰度值i的像素数，

图像以

为分割点，划分A、B两个区域，A、B两个区域内的平均灰度值分别为

和

从I_min到I_max遍历计算所有灰度值；

根据类间方差

选取σ²值最大时的分割阈值

为最佳分割阈值；

和

为灰度值i时的A、B两个区域内平均灰度值；

将小于分割阈值

的赋值为0，将大于分割阈值

的赋值为1，转换为二值图像；

3)图像二值化处理之后，图像中会又一些细小的噪声数据(细小的白色点、块)，为了不影响后续的图像处理，需要去除这些细小的噪声数据，去噪算法主要分两步实现，第一步是对图像数据进行腐蚀操作，使细小的噪声数据与背景融合为一体，然后对图像进行膨胀操作，恢复图像中的有效数据区域，本步骤中采用OpenCV软件中的相应处理模块进行操作。

4)根据秧苗的不同成长阶段和苗田的规划尺寸对图像的宽度方向对图像进行等分；

5)对划分后的区域中值为1的像素点数量进行统计；

6)根据统计结果对应的杂草数量将其分为10个等级，分别对应10％到100％所需的喷药量，根据所需喷药量向喷药量控制单元发送控制指令，所述控制指令用于控制喷药量控制单元控制四路继电器的开关，四路继电器控制所对应的四路电磁阀开关，完成喷药量控制。

等级和喷药量比例关系如下：

序号	等级	比例
			1	Z01	10％
2	Z02	20％
			3	Z03	30％
4	Z04	40％
			5	Z05	50％
6	Z06	60％
			7	Z07	70％
8	Z08	80％
			9	Z09	90％
10	Z10	100％

喷药量的调节采用10个级别，10个级别按照10％递增，从10％到100％共10个级别。各级别调节流量对应电磁阀开关状态如下表所示：

序号

决策等级

流量等级

百分比

阀1-10％

阀2-20％

阀3-40％

阀4-60％

1

Z01

F01

10％

开

关

关

关

2

Z02

F02

20％

关

开

关

关

3

Z03

F03

30％

开

开

关

关

4

Z04

F04

40％

关

关

开

关

5

Z05

F05

50％

开

关

开

关

6

Z06

F06

60％

关

开

开

关

7

Z07

F07

70％

开

开

开

关

8

Z08

F08

80％

关

开

关

开

9

Z09

F09

90％

开

开

关

开

10

Z10

F10

100％

关

关

开

开

由于图像采集模块的最小拍照周期为T＝0.56s，同理机车最快会在0.56s内行驶拍照区域，那么该时刻对应的喷药策略执行的最小周期就为0.56s，那么喷药量调节的时间取喷药执行最小时间的十分之一，所以喷药量调节时间为ZT＝0.56s/10＝0.056S＝56ms。因此决策信息传输+控制+阀门开合执行时间要小于56ms；

显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种基于图像识别自动变量喷药装置，其特征在于，该装置主要由图像采集单元、数据处理单元和喷药量控制单元组成；

所述的图像采集单元三路独立的相机，采用等间距方式安装在喷药机车前方，安装位置距地面800mm到1500mm，作业幅面(1884mm×1380mm)～(3532mm×2587mm)，帧频为4帧，像元分辨率0.46mm～0.86mm；

喷药量控制单元，由无线通信接口模块、四路继电器和四路电磁阀依次连接组成；四路不同管径电磁阀对应的喷药量分别是10％、20％、40％和60％；

所述的数据处理单元主要由图像工作站和图像采集卡组成，图像采集卡安装在图像工作站上，图像采集卡与图像采集单元连接，用于将图像采集单元采集到的图像数据格式进行转换，将其转换成图像工作站所需的RGB24位真彩色格式，并将该格式数据文件传输给图像工作站，所述图像工作站用于执行以下步骤：

1)根据RGB24位真彩色格式中的RGB分量，增加绿色权重，并将图像转换为灰度值，具体算法如下：

(x,y)表示在原始图像中，像素横纵坐标位置；R、G、B分别代表红色、绿色、蓝色三种颜色的分量值；

2)将获得的灰度值信息进行二值化处理，具体如下：

式中，I_min为灰度图像中最小灰度值、I_max为灰度图像中最大灰度值，n_i表示处在灰度值i的像素数，

图像以

为分割点，划分A、B两个区域，A、B两个区域内的平均灰度值分别为

和

从I_min到I_max遍历计算所有灰度值；

根据类间方差

选取σ²值最大时的分割阈值

为最佳分割阈值；

和

为灰度值i时的A、B两个区域内平均灰度值；

将小于分割阈值

的赋值为0，将大于分割阈值

的赋值为1，转换为二值图像；

3)依次采用腐蚀操作和膨胀操作对图像去噪处理；

4)根据秧苗的不同成长阶段和苗田的规划尺寸对图像的宽度方向对图像进行等分；

5)对划分后的区域中值为1的像素点数量进行统计；

6)根据统计结果对应的杂草数量将其分为10个等级，分别对应10％到100％所需的喷药量，根据所需喷药量向喷药量控制单元发送控制指令，所述控制指令用于控制喷药量控制单元控制四路继电器的开关，四路继电器控制所对应的四路电磁阀开关，完成喷药量控制。

2.一种基于图像识别自动变量喷药方法，该方法具体如如下：

1)采用三路独立的相机，采用等间距方式安装在喷药机车前方，安装位置距地面800mm到1500mm，作业幅面(1884mm×1380mm)～(3532mm×2587mm)，帧频为4帧，像元分辨率0.46mm～0.86mm采集图像；

2)将所采集的图像转换成RGB24位真彩色格式；

3)根据RGB24位真彩色格式中的RGB分量，增加绿色权重，并将图像转换为灰度值，具体算法如下：

(x,y)表示在原始图像中，像素横纵坐标位置；R、G、B分别代表红色、绿色、蓝色三种颜色的分量值；

4)将获得的灰度值信息进行二值化处理，具体如下：

式中，I_min为灰度图像中最小灰度值、I_max为灰度图像中最大灰度值，n_i表示处在灰度值i的像素数，

图像以

为分割点，划分A、B两个区域，A、B两个区域内的平均灰度值分别为

和

从I_min到I_max遍历计算所有灰度值；

根据类间方差

选取σ²值最大时的分割阈值

为最佳分割阈值；

和

为灰度值i时的A、B两个区域内平均灰度值；

将小于分割阈值

的赋值为0，将大于分割阈值

的赋值为1，转换为二值图像；

5)依次采用腐蚀操作和膨胀操作对图像去噪处理；

6)根据秧苗的不同成长阶段和苗田的规划尺寸对图像的宽度方向对图像进行等分；

7)对划分后的区域中值为1的像素点数量进行统计；

8)根据统计结果对应的杂草数量将其分为10个等级，分别对应10％到100％所需的喷药量，

9)按照杂草数量等级确定喷药量。

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