CN113170632B - 基于图像处理与变种播种技术的自走式田间图案播种机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于图像处理与变种播种技术的自走式田间图案播种机，包括：上车架结构、若干播种模块、中央控制模块、下车架结构、车轮、车体驱动模块、定位模块和中车架结构；播种模块安装于上车架结构上。中央控制模块安装于中车架结构上。上车架结构、下车架结构和中车架结构的拐角处由角件连接固定。四个车轮位于下车架结构的四个角上，且每个车轮都由一个车体驱动模块驱动。本发明播种流程简单，播种效率高，采用两个舵机和两个排种轮，实现一个排种器可以排出两种种子，结构紧凑，能够灵活满足小面积地块的图案播种需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于图象处理技术、变种播种技术和精确定位技术的自走式田间图案播种机，尤其适用于观光农业中的田间图案播种。
背景技术
随着社会经济快速发展,城市化进程加速,人们对长期的快节奏城市生活感到厌倦,想体验幽静的田园生活,感受乡村田野宁静。因此,以回归田园、体验农耕为特色的景观农业应运而生。目前国内外专门用于景观农业中田间图案造型的农业机械较少，大多田间图案造型都是由人工手工作业完成的，劳动力消耗大。
在国内，东北农场、山东省东营市垦利区永安镇等地都有种植巨型稻田画的案例。稻田画的呈现需要先设计好要展示的图形，利用3D技术和透视规律调画，再根据设计种植不同品种、有着不同颜色的水稻，以展现立体透视效果相结合的稻田图画。其中涉及到变量播种、图形软件开发、实时精准定位等技术，但其栽种方式目前仍然以插秧车行进中人频繁手动更换秧苗种类或以完全纯人力插秧为主。这样的种植方式主要存在以下几个问题：
(1)播种效率低，耗费巨大人力物力；
(2)播种流程复杂，推广性不强；
(3)不能灵活适应小面积的图案播种需求。
由于目前田间图案播种中存在的上述问题，本发明提出一种自走式田间图案播种机，该播种机可以提高农业生产的机械化水平，加快田间图案种植规模化、规范化的进程，对景观农业的发展具有重要意义。
发明内容
为解决上述传统图案种植方式问题，本发明提出一种基于图像处理和变种播种技术的田间图案播种机，该播种机能够将输入的图像转变为变种播种器的控制信号，使得该播种机能够在田间播种出与输入图案相同的种子分布图案。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种基于图像处理与变种播种技术的自走式田间图案播种机，包括：上车架结构1、若干播种模块3、中央控制模块4、下车架结构6、车轮7、车体驱动模块8、定位模块和中车架结构9；
若干播种模块3安装于上车架结构1上。中央控制模块4安装于中车架结构9上。上车架结构1、下车架结构6和中车架结构9的拐角处由角件5连接固定。四个车轮7位于下车架结构6的四个角上，且每个车轮7都由一个车体驱动模块8驱动。
播种模块3包括：种箱10、连接件12、排种器13、舵机14、隔板15和排种轮25；排种器13安装于种箱10下方，二者使用螺栓连接，并保持水平。种箱10依靠隔板15分成两个小种箱，每个小种箱用于装不同种类的种子。排种器13内装有两个排种轮25，分别与两个小种箱对应。排种器13的两边各连接一个舵机14，舵机(14)通过连接件(12)与上车架结构(1)连接；舵机的轴与排种器13中的排种轮25通过顶丝连接，两个舵机14分别用于驱动种箱10的两个小种箱中的排种轮25，以排出不同种类的种子，进而实现单行内变种播种。
中央控制模块4主要包括STM32微控制器、图像处理模块、电源和外围电路，中央控制模块4用于控制车体驱动模块8和舵机14，以及与定位模块进行通讯，以获得播种机的位置信息，并根据播种机的位置信息对播种机进行方向控制和播种调节。图像处理模块用于对图像进行图像分割、轮廓提取、腐蚀、去噪、二值化、填充处理，得到图像轮廓区域的二值图像。该自走式播种机可以实现变种式田间图案播种的目标。
播种机整机长1.0-1.2m，宽0.7-1.0m，高0.5-0.6m。
上车架结构1、下车架结构6、中车架结构9为铝型材。
播种模块之间的距离可以根据实际行距在30-40cm范围内进行调节。
车体驱动模块包括：连接板16、联轴器20和驱动电机21；车轮7通过联轴器20与驱动电机21连接，且通过螺丝与螺母固定在连接板16的下方，连接板16通过角件5固接在下车架结构6的四个拐角处，下车架结构6由四根铝型材铰接组成。四个车轮可以进行差速运转，以进行车体前进方向调整和转弯。
车轮7的直径为15-18cm，厚度为5-7cm，
定位模块包括：定位基站22和定位标签24；四个定位基站22分布于一个矩形的四个角上，四个定位基站22覆盖范围可以达到长为1-50m、宽为1-50m的矩形，覆盖的面积由实际工作条件进行调节。定位标签24固定在播种机23的机体上。
定位模块工作时，以其中一个基站为坐标原点(0,0)并建立相对坐标系xoy，四个定位基站接上电源后持续发送信号，定位标签24收到信号后，通过三角定位算法确定播种机所在的位置，并将该位置信息转换为相对原点(0,0)的坐标值(x，y)，以此实现车辆的精准定位。
本发明的有益效果：
(1)播种流程简单。结合图像处理技术、高精度定位技术、变种播种技术、自动控制技术等，提出一种自走式田间图案播种机，能够解决目前田间图案播种作业中人工消耗大，规划工作复杂等问题，为景观农业的发展提供支持。
(2)本机器提出一种同行内播种两种种子的方法，采用两个舵机和两个排种轮，实现一个排种器可以排出两种种子，提高了变种播种的效率，简化了变种播种机构。
(3)该播种机采用自走式的驱动方式，结构紧凑，能够灵活满足小面积地块的图案播种需求。
附图说明
本发明有如下附图：
图1本发明一实施例播种机的结构示意图。
图2本发明一实施例播种模块的结构示意图；
图3本发明一实施例播种模块的内部结构示意图；
图4电机驱动模块的结构示意图；
图5定位模块的结构示意图；
图6播种机控制系统的结构示意图。
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1-6所示，本发明所述的基于图像处理与变种播种技术的自走式田间图案播种机，包括：上车架结构1、若干播种模块3、中央控制模块4、下车架结构6、车轮7、车体驱动模块8、定位模块和中车架结构9；
播种机整机长1.0-1.2m，宽0.7-1.0m，高0.5-0.6m。播种模块3安装于上车架结构1上。中央控制模块4位于中车架结构9的正中央。上车架结构1、下车架结构6和中车架结构9的拐角处由角件5连接固定。四个车轮7位于下车架结构6的四个角上，且每个车轮7都由一个车体驱动模块8驱动。
中央控制模块4主要包括STM32微控制器、图像处理模块、电源和外围电路，中央控制模块4用于控制车体驱动模块8和舵机14，以及与定位模块进行通讯，以获得播种机的位置信息，并根据播种机的位置信息对播种机进行方向控制和播种调节。图像处理模块用于对图像进行图像分割、轮廓提取、腐蚀、去噪、二值化、填充处理，得到图像轮廓区域的二值图像。该自走式播种机可以实现变种式田间图案播种的目标。
上车架结构1、下车架结构6、中车架结构9为铝型材。
播种模块3包括：种箱10、连接件12、排种器13、舵机14、隔板15和排种轮25；
排种器13安装于种箱10下方，二者使用螺栓连接，并保持水平。种箱10依靠隔板15分成两个小种箱，每个小种箱用于装不同种类的种子。排种器13内装有两个排种轮25，分别与两个小种箱对应。排种器13的两边各连接一个舵机14，舵机(14)通过连接件(12)与上车架结构(1)连接；舵机的轴与排种器13中的排种轮25通过顶丝连接，两个舵机14分别用于驱动种箱10的两个小种箱中的排种轮25，以排出不同种类的种子，进而实现单行内变种播种。由于本播种机的工作方式为一次播多行虚线框为第二个播种模块，所以多个个播种模块之间的距离可以根据实际行距在30-40cm范围内进行调节。
车体驱动模块包括：连接板16、联轴器20和驱动电机21；
车轮7的直径为15-18cm，厚度为5-7cm，通过联轴器20与驱动电机21连接，且通过螺丝与螺母固定在连接板16的下方，连接板16通过角件5固接在下车架结构6的四个拐角处，下车架结构6由四根铝型材铰接组成。四个车轮可以进行差速运转，以进行车体前进方向调整和转弯。
定位模块包括：定位基站22和定位标签24；
如图5所示，四个定位基站22大致分布于待播种田地中一个矩形的四个角上，四个定位基站22覆盖范围可以达到长为1-50m、宽为1-50m的矩形，覆盖的面积由实际工作条件进行调节；在播种机工作过程中，四个定位基站22位置保持不变。定位标签24固定在播种机23的机体上。定位模块工作时，以其中一个基站为坐标原点(0,0)并建立相对坐标系xoy，四个定位基站接上电源后持续发送信号，定位标签24收到信号后，通过三角定位算法确定播种机所在的位置，并将该位置信息转换为相对原点(0,0)的坐标值(x，y)，以此实现车辆的精准定位。
通过中央控制模块4内部的控制器实现对舵机14以及驱动电机21转速和方向的控制。同时中央控制模块4与定位标签24之间可以通讯，以获得播种机的位置信息，并根据播种机的位置信息对播种机进行方向控制和播种调节(图6)。
首先将需要播种的图案信息导入中央控制模块4，由内部图像处理模块对图像进行图像分割、轮廓提取、腐蚀、去噪、二值化、填充等处理，得到图像轮廓区域的二值图像，此时图像的像素值只有1和0。播种机的每个种箱内部分为两个小种箱，分别存放不同的种子，每个小种箱下面是一个排种轮，每个排种轮都依靠舵机驱动，两个排种轮排出的种子从同一个排种口排出，以此实现单行内播种两种种子。而像素值1和0正是分别对应种箱中两种种子。将图像的尺寸与实际播种的区域进行换算，即图像的像素点所表示的实际播种长度由图像尺寸与实际播种面积的比例相等。
播种机开始工作时，中央控制模块4控制驱动电机21启动，播种机开始运动。接着中央控制模块21读取定位标签22提供的定位信息，获取播种机的位置信息，如果播种机已经在播种区域内，此时中央控制模块4读取图像中的一个像素值，并根据该像素值是1还是0控制舵机14，进而驱动排种轮以排出对应种类的种子。播种过程中，由于路面或车轮转速差异，导致播种机出现偏离既定播种路线的问题，该问题同样根据定位信息进行四轮间差速校正。当播种机完成一行播种任务需要掉头时，通过中央控制模块4控制驱动电机21进行变向。
播种机按照图像的行列进行实际播种面积内播种，播种完成时，实际播种行数与图像行数相等，所以播种机完成播种后，播种区域的不同种子分布于图像中的1和0像素值分布对应，以此实现田间图案播种。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的实质和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范围。
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 (6)
1.一种基于图像处理与变种播种技术的自走式田间图案播种机，其特征在于，包括：上车架结构(1)、若干播种模块(3)、中央控制模块(4)、下车架结构(6)、车轮(7)、车体驱动模块(8)、定位模块和中车架结构(9)；
若干播种模块(3)安装于上车架结构(1)上；中央控制模块(4)安装于中车架结构(9)上；四个车轮(7)位于下车架结构(6)的四个角上，且每个车轮(7)都由一个车体驱动模块(8)驱动；
播种模块(3)包括：种箱(10)、连接件(12)、排种器(13)、舵机(14)、隔板(15)和排种轮(25)；排种器(13)安装于种箱(10)下方，并保持水平；种箱(10)被隔板(15)分成两个小种箱，每个小种箱用于装不同种类的种子；排种器(13)内装有两个排种轮(25)，分别与两个小种箱对应；排种器(13)的两边各连接一个舵机(14)，舵机(14)通过连接件(12)与上车架结构(1)连接；舵机的轴与排种器(13)中的排种轮(25)通过顶丝连接，两个舵机(14)分别用于驱动种箱(10)的两个小种箱中的排种轮(25)，以排出不同种类的种子，进而实现单行内变种播种；
中央控制模块(4)包括STM32微控制器、图像处理模块、电源和外围电路，中央控制模块(4)用于控制车体驱动模块(8)和舵机(14)，并用于与定位模块进行通讯，以获得播种机的位置信息，并根据播种机的位置信息对播种机进行方向控制和播种调节；
图像处理模块用于对图像进行图像分割、轮廓提取、腐蚀、去噪、二值化、填充处理，得到图像轮廓区域的二值图像；
定位模块包括：四个定位基站(22)和定位标签(24)，定位标签(24)固定在播种机的机体上；四个定位基站(22)分布于一个矩形的四个角上，四个定位基站(22)覆盖范围能够达到长为1-50m、宽为1-50m的矩形，覆盖的面积由实际工作条件进行调节；
定位模块工作时，以其中一个定位基站为坐标原点(0,0)并建立相对坐标系xoy，四个定位基站接上电源后持续发送信号，定位标签(24)收到信号后，通过三角定位算法确定播种机所在的位置，并将该位置信息转换为相对原点(0,0)的坐标值(x，y)，以此实现车辆的精准定位。
2.如权利要求1所述的基于图像处理与变种播种技术的自走式田间图案播种机，其特征在于，车体驱动模块包括：连接板(16)、联轴器(20)和驱动电机(21)；车轮(7)通过联轴器(20)与驱动电机(21)连接，且通过螺丝与螺母固定在连接板(16)的下方，连接板(16)通过角件(5)固接在下车架结构(6)的四个拐角处；四个车轮能够进行差速运转，以进行车体前进方向调整和转弯。
3.如权利要求1所述的基于图像处理与变种播种技术的自走式田间图案播种机，其特征在于：上车架结构(1)、下车架结构(6)和中车架结构(9)的拐角处由角件(5)连接固定；上车架结构(1)、下车架结构(6)和中车架结构(9)为铝型材；下车架结构(6)由四根铝型材铰接组成。
4.如权利要求1所述的基于图像处理与变种播种技术的自走式田间图案播种机，其特征在于：播种机整机长1.0-1.2m，宽0.7-1.0m，高0.5-0.6m。
5.如权利要求1所述的基于图像处理与变种播种技术的自走式田间图案播种机，其特征在于：各播种模块(3)之间的距离能够根据实际行距在30-40cm范围内进行调节。
6.如权利要求1所述的基于图像处理与变种播种技术的自走式田间图案播种机，其特征在于：车轮(7)的直径为15-18cm，厚度为5-7cm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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