CN114711004A - 气动式膜上打穴及基于机器视觉对穴覆土移栽机 - Google Patents

Abstract

本发明是一种气动式膜上打穴及基于机器视觉对穴覆土移栽机，机架的前下部设置地轮轴，地轮轴两端安装行走地轮，机架前下部设有开沟器，开沟器上方设置施肥装置，开沟器后方机架两侧依次设置提土装置、分土装置和覆土装置，提土装置的前端位于开沟器后方，分土装置与设置在机架后部的由机器视觉覆土控制系统控制的覆土装置配合，开沟器后方机架下部依次设置整形器、挂膜装置、展膜装置，展膜装置后方机架上设置气动成穴装置。本发明适应性强，可靠性好，机械化程度高，漏种率低，提高了作业效率，其中覆土装置由机器视觉覆土控制系统控制，便于控制膜面覆土精准度和膜面覆土量。

Description

气动式膜上打穴及基于机器视觉对穴覆土移栽机

技术领域

本发明涉及农业机械技术领域，具体涉及一种气动式膜上打穴及基于机器视觉对穴覆土移栽机。

背景技术

目前药苗移栽已经广泛推广开来，但中药材产业由于缺乏技术支撑、引领尚未形成稳定的规模产业。更严重的是缺乏适合具体的作业环境的中药材药苗移栽农机具，在很大程度上影响了大田生产的产量和质量，进而严重影响了农民的生产效益。目前采用的人工种植药苗模式，劳动强度大，效率低，容易延误农时，而现有的中药材移栽机械很少，且机械可靠性差，机械化程度低，漏播严重，出苗率低，无法满足当前的中药材种植需求。此外，西北旱作区地域环境复杂，大多以梯田，山坡地，小块地，丘陵为主，为此，需要根据相应的农艺要求以及种植环境而设计了适宜具体要求的机械非常有必要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有中药材移栽种植机械的缺点而提供一种具有一次完成开沟、施肥、起垄、垄面整形、覆膜、打穴移栽、精准对穴覆土等多道工序于一体的气动式膜上打穴及基于机器视觉对穴覆土移栽机。

为解决本发明的技术问题采用如下技术方案：

一种气动式膜上打穴及基于机器视觉对穴覆土移栽机，包括机架，所述机架上设有悬挂装置、施肥装置、种箱和变速箱，所述机架的前下部设置地轮轴，所述地轮轴两端安装行走地轮，所述机架前下部设有开沟器，所述开沟器上方设置施肥装置，所述开沟器后方机架两侧依次设置提土装置、分土装置和覆土装置，所述提土装置的前端位于开沟器后方，所述分土装置与设置在机架后部的由机器视觉覆土控制系统控制的覆土装置配合，所述开沟器后方机架下部依次设置整形器、挂膜装置、展膜装置，所述展膜装置后方机架上设置气动成穴装置，所述提土装置与变速箱联动，所述地轮轴联动施肥装置。

所述气动成穴装置包括气动元件、投种杯、成穴器架、成穴器和延迟关闭机构，所述投种杯通过成穴器架与成穴器联通，所述气动成穴装置设置在机架上，所述成穴器架后方机架上设置气动元件，所述气动元件的活塞杆下端与成穴器架连接，所述延迟关闭机构位于成穴器架上方，所述延迟关闭机构包括定滑轮、弹性销、钢丝拉线，钢丝拉线一端连接弹性销头部圆环，另一端连接机架，所述气动元件的活塞杆给成穴器架施加轴向力控制成穴器的启闭，所述活塞杆向下运动时成穴器与机架碰撞并张开，弹性销下落卡在两片成穴器开合处限制成穴器闭合，所述活塞杆向上运动并达到顶点时，所述钢丝拉线受长度限制向上提升弹性销，所述成穴器闭合。

所述覆土装置包括土箱箱体、步进电机、覆土盖、曲柄连杆机构和机器视觉覆土控制系统，所述覆土盖活动设置在土箱箱体下端，所述机器视觉覆土控制系统控制步进电机运动，所述步进电机联动曲柄连杆机构，所述曲柄连杆机构联动覆土盖开闭。

所述整形器包括整形板支杆、整形板调节弹簧、整形板，所述整形板一端与整形板支杆铰接，所述整形板另一端与机架铰接。

所述的提土装置包括提土槽、提土铲、主动轴、提土从动装置、调节杆、提土轴，所述提土槽的前端设置可活动提土铲，所述提土槽前部铰接调节杆，所述调节杆另一端铰接在机架上，所述提土槽上端安装主动轴，所述主动轴与提土轴匹配安装，所述提土轴横向设置在机架上，所述提土轴与变速箱联动，主动轴与提土从动装置之间安装提土链，所述提土从动装置安装于提土铲上，所述提土从动装置包括有提土从动轴、槽轮，所述槽轮套装在提土从动轴上。

所述挂膜装置包括开口架、挂膜杆、弹性顶紧套，所述开口架设置在机架上，所述挂膜杆安装于两个开口架之间，所述挂膜杆两端安装弹性顶紧套。

所述展膜装置设置在挂膜装置的下方，包括展膜架、展膜辊，所述展膜架一端铰接在开口架下端，展膜架另一端铰接展膜辊。

所述分土装置包括两个溜土槽，外侧溜土槽、内侧溜土槽，所述分土装置与提土装置的后端配合，所述外侧溜土槽下端开口位于展膜辊后方，所述内侧溜土槽下端开口位于覆土装置正上方。

所述种箱底部设置有多个通孔。

所述机器视觉覆土控制系统包括：

摄像头，用于服务器模型训练时采集不同场景、光照条件下的中药材穴位图像及大田环境下采集视频图像；

电源，用于提供电能给整个系统；

Jetson TX2图像处理开发板，用于预处理图像；将所述图像根据深度学习后的YOLO模型进行穴位目标检测；

STM32F103处理器，用于接收到图像处理开发板发送信息时控制继电器，继电器控制步进电机运动，步进电机用于驱动曲柄连杆机构。

其中构建穴孔深度检测模型，基于YOLOv3网络框架设计适合边缘设备运行的穴孔检测网络。该算法主要包括三部分：（1）利用轻量化的CSPNet网络结构替换原始Darknet-53骨干网络，用于提取有效的细节特征；（2）深浅层融合模块，设计多尺度融合双注意算法进行特征融合，输出13×13、26×26和52×52三个不同尺度的融合特征图，用于增强特征表示和检测精度；（3）检测分支，基于（2）阶段得到的特征图构建三个不同的检测分支，用于对穴孔目标检测。

Jetson TX2图像处理开发板，用于机器视觉覆土控制平台的上位机系统，并将服务器训练的检测模型移植到此嵌入式平台，统一负责检测模型的运行和控制信息的传输。主要功能包括：(1)在控制系统运行时驱动摄像头实时采集工况视频图像信息；（2）驱动带色彩恢复的多尺度视网膜增强算法进行图像特征增强预处理，提高图像的对比度和细节质量；（3）调用改进的YOLOv3检测模型对采集的当前图像进行推理，决策出穴孔目标信息；（4）将穴孔的控制信息以串口的形式发送之STM32F103控制器，用于下位机和控制系统的驱动。

STM32F103处理器，与搭载在平台上的Jetson TX2进行串口通信，用于接收图像处理开发板发送的各类信息。主要功能包括：（1）集成电压模块和蜂鸣器模块，用于机器视觉覆土控制系统可靠供电和异常检测；（2）利用上位机的决策指令控制继电器，继电器控制步进电机运动，步进电机用于驱动曲柄连杆机构。

工作过程中，所述摄像头将拍摄的视频图像实时传入图像处理开发板Jetson TX2图像处理开发板中，所述图像处理开发板获取图像后进行预处理，根据深度学习后的YOLO模型进行穴位目标检测，当检测存在穴位时，所述图像处理开发板发送信息到单片机处理器STM32F103上，所述处理器通过控制继电器和步进电机驱动曲柄连杆机构完成覆土，所述电源给整个系统供电。

本发明的气动式膜上打穴及基于机器视觉对穴覆土移栽机适应性强，可靠性好，机械化程度高，漏种率低，出苗率高，有效降低了中药材药苗移栽的成本，提高了作业效率，为西北旱作区中药材移栽产业起到了积极推进的作用。本发明集开沟、施肥、起垄、垄面整形、覆膜、膜面覆土、播种多道工序于一体，从而有效提高了中药材药苗移栽机械化程度，有效降低了中药材移栽成本，提高了作业效率。该机采用气动元件打穴播种，有效的增高了打穴深度，增强了打穴效率，其次，覆土装置由采用高光谱成像技术的机器视觉覆土控制系统控制，便于精确控制电推杆活动，便于控制膜面覆土精准度和膜面覆土量的多少。此外，本发明尺寸较小，结构简单精巧，方便灵活，适合在西北中草药种植的山地丘陵上进行作业，大大减轻了工作人员的劳动强度。

附图说明

图1为本发明的原理机构示意图；

图2为本发明的左视示意图；

图3为本发明的整形器原理机构示意图；

图4为本发明的覆土装置结构示意图；

图5为本发明的提土装置原理机构示意图；

图6为本发明的气动成穴装置结构示意图；

图7为本发明的延迟关闭机构示意图；

图8为本发明的局部结构示意图；

图9为本发明的机架结构示意图；

图10为本发明的分土装置结构示意图；

图11为本发明机器视觉覆土控制系统服务器模型训练和边缘设备模型推理的流程图；

图12为本发明机器视觉覆土控制系统示意图。

具体实施方式

以下结合附图所示对本发明做进一步详述：

如图所示，一种气动式膜上打穴及基于机器视觉对穴覆土移栽机，包括机架9，在机架9上部安装有悬挂装置4、施肥装置3、种箱2、气动成穴装置8、座椅1、变速箱16。种箱2底部设置有多个通孔。机架9的前下部安装地轮轴6，地轮轴6两端安装行走地轮5，机架9的前端两侧设有开沟器14，施肥装置3位于开沟器14的上方，开沟器14后方的机架9上依次设置提土装置11、整形器15、挂膜装置12、展膜装置13、分土装置7，提土装置11的前端位于开沟器14后方，提土装置11的后端与分土装置7配合；分土装置7与设置在机架9后部的具备机器视觉覆土控制系统的覆土装置10配合，整形器15包括整形板支杆15-1、整形板调节弹簧15-2、整形板15-3，整形板一端与整形板支杆铰接，整形板另一端与机架铰接，变速箱16联动提土装置11。

传动系统为两大传动系统，包括由地轮轴6通过链传动将动力传至施肥装置3上的排肥轴，带动施肥装置3的排肥盒完成排肥工作。另一传动系统由拖拉机输出轴将动力传至变速箱16上，变速箱16通过链传动将动力传至提土轴11-5上，提土轴11-5与提土装置11上安装的主动轴11-3相互配合，将动力传至主动轴11-3上，主动轴11-3与提土从动轴11-4-1配合工作，带动提土链工作，将提土铲11-2铲起的土壤通过提土链带到分土装置7里面。

提土装置11包括提土槽11-1、提土铲11-2、主动轴11-3、提土从动装置11-4、调节杆、以及提土链，所述提土槽11-1上一端铰接调节杆，所述调节杆另一端铰接在机架9上，所述提土槽11-1上另一端安装的主动轴11-3与提土轴11-5匹配安装，所述提土链安装于主动轴11-3上的链轮与提土从动轴11-4-1之间，所述提土槽11-1前端装有提土铲11-2并且依靠安装在提土槽11-1上的紧定螺丝定位，所述提土从动装置11-4安装于提土铲11-2上，提土从动装置11-4上包括有提土从动轴11-4-1、槽轮11-4-2，所述提土链与提土铲11-2配合工作将土壤带到分土装置7内完成输土工作。

挂膜装置12包括开口架12-1、挂膜杆12-2、弹性顶紧套12-3，所述开口架12-1焊接在机架9上，所述挂膜杆12-2安装于两个开口架12-1之间，所述挂膜杆12-2两端安装弹性顶紧套12-3，防止地膜跑偏且给予地膜转动阻力加上借助展膜辊13-2实现展膜作用。

展膜装置13包括展膜架13-1、展膜辊13-2，所述展膜架13-1一端铰接在开口架12-1下端，另一端铰接展膜辊13-2。

分土装置7包括外侧溜土槽7-1、内侧溜土槽7-2，所述分土装置7与提土装置11的后端配合，所述外侧溜土槽7-1下端开口位于展膜辊13-2后方，所述内侧溜土槽7-2下端开口位于覆土装置10正上方。

覆土装置10包括土箱箱体10-1、步进电机10-2、覆土盖10-3、曲柄连杆机构10-4和机器视觉覆土控制系统，所述覆土盖10-3活动设置在土箱箱体10-1下端，所述机器视觉覆土控制系统控制步进电机10-2运动，所述步进电机10-2联动曲柄连杆机构10-4，所述曲柄连杆机构10-4联动覆土盖10-3开闭。

气动成穴装置8包括气动元件8-1、投种杯8-2、成穴器架8-3、成穴器8-4、延迟关闭机构8-5，所述气动元件8-1通过抱箍固定于机架9上，所述气动元件活塞杆8-1-1联动成穴器8-4，所述成穴器8-4与机架后部安装的轴承碰撞使成穴器张开，所述延迟关闭机构8-5包括定滑轮8-5-1、弹性销8-5-2、钢丝拉线8-5-3，钢丝拉线一端连接弹性销头部圆环，一端连接机架9。

整个工作过程：当拖拉机前进时，在悬挂装置4的牵引下，移栽机也同时前进，地轮轴6转动，地轮轴6上的链轮通过链传动将动力传至施肥装置3上的排肥轴上，带动施肥装置3上的排肥盒完成排肥工作，机具前进时，开沟器14将土推向提土铲前方，拖拉机输出轴将动力传至变速箱16上，变速箱16通过链传动将动力传至提土轴11-5上，提土轴11-5与提土装置11上安装的主动轴11-3相互配合，将动力传至主动轴11-3上，主动轴11-3与提土从动轴11-4-1配合工作，带动提土链工作，将提土铲11-2铲起的土壤通过提土链带到分土装置7里面，整形板15-3通过整形板调节弹簧15-2将开沟器14翻起的土壤整形到适于铺设地膜，分土装置7的外侧溜土槽7-1将土壤覆在地膜两侧，种苗投入投种杯8-2，通过投种杯8-2后进入成穴器8-4中，气动元件8-1通过拖拉机上的气泵供气控制活塞杆8-1-1上下运动在地膜上打穴，活塞杆8-1-1与成穴器架8-3相连，当活塞杆8-1-1向下运动时，成穴器8-4与机架9碰撞并张开，弹性销8-5-2下落，卡在两片成穴器8-4开合处，限制成穴器8-4闭合使种苗有充分时间下落，活塞杆8-1-1向上运动并达到顶点时，钢丝拉线8-5-3受长度限制向上提升弹性销8-5-2，成穴器8-4闭合，分土装置7的内侧溜土槽7-2将土输送至覆土装置10内。同时机器视觉覆土控制系统在大田环境下通过摄像头实时获取视频图像，并传入图像处理开发板，图像处理开发板经过深度学习后利用最优的YOLO模型判断土壤中是否存在穴位目标，当检测到穴位目标后发送信息到处理器，处理器控制步进电机10-2的伸缩，步进电机10-2联动土箱箱体10-1上的曲柄连杆机构10-4，曲柄连杆机构10-4的运动联动覆土盖10-3的开闭，实现对气动成穴装置8打穴后存留穴孔的精确覆土。

图11为本发明提供的机器视觉覆土控制系统的服务器模型训练和边缘设备模型推理的流程图。如图所示，服务器模型训练时采集不同场景、光照条件下的中药材穴位图像数据集，对图像进行裁剪、增强预处理以构建深度网络模型，并利用迁移学习使用ImageNet数据集训练模型，利用穴位图像训练模型并保存其中的最优模型；在边缘设备模型推理阶段，首先部署网络模型，在大田环境下图像处理开发板Jetson TX2实时获取视频图像，并对图像预处理，边缘设备利用最优的YOLO模型判断场景中是否有穴位目标，如果是，图像处理开发板Jetson TX2发送信息到STM32F103处理器，如果否，则继续获取视频图像进行预处理，并继续运用最优的YOLO模型再次判断场景中是否有穴位目标，接收到信息的STM32F103处理器通过控制继电器和电机驱动机械机构完成覆土。

如图12所示，机器视觉覆土控制系统包括摄像头、电源、图像处理开发板、处理器、继电器、步进电机。摄像头用于服务器模型训练时采集不同场景、光照条件下的中药材穴位图像及大田环境下采集视频图像。电源用于给整个系统供电。Jetson TX2图像处理开发板，用于预处理图像，并根据深度学习后最优的YOLO模型进行穴位目标检测。STM32F103处理器，用于接收到信息时控制继电器和步进电机，继电器和步进电机，用于驱动曲柄连杆机构。

Claims (9)

1.一种气动式膜上打穴及基于机器视觉对穴覆土移栽机，包括机架（9），所述机架（9）上设有悬挂装置（4）、施肥装置（3）、种箱（2）和变速箱（16），所述机架（9）的前下部设置地轮轴（6），所述地轮轴（6）两端安装行走地轮（5），其特征在于：所述机架（9）前下部设有开沟器（14），所述开沟器（14）上方设置施肥装置（3），所述开沟器（14）后方机架（9）两侧依次设置提土装置（11）、分土装置（7）和覆土装置（10），所述提土装置（11）的前端位于开沟器（14）后方，所述分土装置（7）与设置在机架（9）后部的由机器视觉覆土控制系统控制的覆土装置（10）配合，所述开沟器（14）后方机架（9）下部依次设置整形器（15）、挂膜装置（12）、展膜装置（13），所述展膜装置（13）后方机架（9）上设置气动成穴装置（8），所述提土装置（11）与变速箱（16）联动，所述地轮轴（6）联动施肥装置（3）；

所述气动成穴装置（8）包括气动元件（8-1）、投种杯（8-2）、成穴器架（8-3）、成穴器（8-4）和延迟关闭机构（8-5），所述投种杯（8-2）通过成穴器架（8-3）与成穴器（8-4）联通，所述气动成穴装置（8）设置在机架（9）上，所述成穴器架（8-3）后方机架（9）上设置气动元件（8-1），所述气动元件（8-1）的活塞杆（8-1-1）下端与成穴器架（8-3）连接，所述延迟关闭机构（8-5）位于成穴器架（8-3）上方，所述延迟关闭机构包括定滑轮（8-5-1）、弹性销（8-5-2）、钢丝拉线（8-5-3），钢丝拉线（8-5-3）一端连接弹性销（8-5-2）头部圆环，另一端连接机架（9），所述气动元件（8-1）的活塞杆（8-1-1）给成穴器架（8-3）施加轴向力控制成穴器（8-4）的启闭，所述活塞杆（8-1-1）向下运动时成穴器（8-4）与机架（9）碰撞并张开，弹性销（8-5-2）下落卡在两片成穴器（8-4）开合处限制成穴器（8-4）闭合，所述活塞杆（8-1-1）向上运动并达到顶点时，所述钢丝拉线（8-5-3）受长度限制向上提升弹性销（8-5-2），所述成穴器（8-4）闭合。

2.根据权利要求1所述的气动式膜上打穴及基于机器视觉对穴覆土移栽机，其特征在于：所述覆土装置（10）包括土箱箱体（10-1）、步进电机（10-2）、覆土盖（10-3）、曲柄连杆机构（10-4）和机器视觉覆土控制系统，所述覆土盖（10-3）活动设置在土箱箱体（10-1）下端，所述机器视觉覆土控制系统控制步进电机（10-2）运动，所述步进电机（10-2）联动曲柄连杆机构（10-4），所述曲柄连杆机构（10-4）联动覆土盖（10-3）开闭。

3.根据权利要求2所述的气动式膜上打穴及基于机器视觉对穴覆土移栽机，其特征在于：所述整形器（15）包括整形板支杆（15-1）、整形板调节弹簧（15-2）、整形板（15-3），所述整形板（15-3）一端与整形板支杆（15-1）铰接，所述整形板（15-3）另一端与机架（9）铰接。

4.根据权利要求1或3所述的气动式膜上打穴及基于机器视觉对穴覆土移栽机，其特征在于：所述提土装置（11）包括提土槽（11-1）、提土铲（11-2）、主动轴（11-3）、提土从动装置（11-4）、调节杆、提土轴（11-5），所述提土槽（11-1）的前端设置可活动提土铲（11-2），所述提土槽（11-1）前部铰接调节杆，所述调节杆另一端铰接在机架（9）上，所述提土槽（11-1）上端安装主动轴（11-3），所述主动轴（11-3）与提土轴（11-5）匹配安装，所述提土轴（11-5）横向设置在机架（9）上，所述提土轴（11-5）与变速箱（16）联动，所述主动轴（11-3）与提土从动装置（11-4）之间安装提土链，所述提土从动装置（11-4）安装于提土铲（11-2）上，所述提土从动装置（11-4）包括有提土从动轴（11-4-1）、槽轮（11-4-2），所述槽轮（11-4-2）套装在提土从动轴（11-4-1）上。

5.根据权利要求4所述的气动式膜上打穴及基于机器视觉对穴覆土移栽机，其特征在于：所述挂膜装置（12）包括开口架（12-1）、挂膜杆（12-2）、弹性顶紧套（12-3），所述开口架（12-1）设置在机架（9）上，所述挂膜杆（12-2）安装于两个开口架（12-1）之间，所述挂膜杆（12-2）两端安装弹性顶紧套（12-3）。

6.根据权利要求5所述的气动式膜上打穴及基于机器视觉对穴覆土移栽机，其特征在于：所述展膜装置（13）设置在挂膜装置（12）的下方，包括展膜架（13-1）、展膜辊（13-2），所述展膜架（13-1）一端铰接在开口架（12-1）下端，展膜架（13-1）另一端铰接展膜辊（13-2）。

7.根据权利要求6所述的气动式膜上打穴及基于机器视觉对穴覆土移栽机，其特征在于：所述分土装置（7）包括两个溜土槽，外侧溜土槽（7-1）、内侧溜土槽（7-2），所述分土装置（7）与提土装置（11）的后端配合，所述外侧溜土槽（7-1）下端开口位于展膜辊（13-2）后方，所述内侧溜土槽（7-2）下端开口位于覆土装置（10）正上方。

8.根据权利要求1所述的气动式膜上打穴及基于机器视觉对穴覆土移栽机，其特征在于：所述种箱（2）底部设置有多个通孔。

9.根据权利要求2所述的气动式膜上打穴及基于机器视觉对穴覆土移栽机，其特征在于所述机器视觉覆土控制系统包括：

摄像头，用于服务器模型训练时采集不同场景、光照条件下的中药材穴位图像及大田环境下采集视频图像；

电源，用于提供电能给整个系统；

Jetson TX2图像处理开发板，用于预处理图像；将所述图像根据深度学习后的YOLO模型进行穴位目标检测；

STM32F103处理器，用于接收到图像处理开发板发送信息时控制继电器，继电器控制步进电机运动，步进电机用于驱动曲柄连杆机构。

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