CN114714418A - 一种智能化甘蔗高效预切种闭环控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种智能化甘蔗高效预切种闭环控制方法及系统，属于农业机械自动化技术领域，所述方法包括如下步骤：1)获取甘蔗蔗节位置；2)根据甘蔗蔗节位置识别可切位置；3)获取切刀位置；4)规划切刀路径；5)调节切刀位置；6)切刀位置调节完成后执行切种动作。本发明通过以神经网络模型为核心的图像识别软件实时检测甘蔗蔗节位置和切刀位置，计算出精准的应切位置，通过光栅尺传感器检测切刀位置，优化切刀路径“回零”方法，设计一种甘蔗高效预切种闭环控制方法，很大程度提高了甘蔗切种机的切种效率和准确性，大大减少了人工劳动强度和蔗种成本。
Description
技术领域
本发明涉及领域，尤其涉及一种智能化甘蔗高效预切种闭环控制方法及系统。
背景技术
食糖作为我国重要的生产原料，90％来源于蔗糖。甘蔗生产能力直接关系到我国糖类的供给能力。传统的甘蔗种植过程由人工完成，自动化程度很低，所耗费的人力物力财力很大，并且种植效率低。在种植过程中，蔗种的供给是极其重要的一部分，若供种不足或者蔗芽破损过大，不仅影响种植阶段，还会影响发芽率和产量。
目前，我国采用的供种方式主要为实时切种方式，其主要方法是在种植时直接将蔗种切成等长段状，该方法容易损伤蔗芽，同时没有对切口进行处理，容易使伤口感染，降低发芽率。而作为发展趋势的预切种方法，是将蔗种预先切割为段状后，用消毒药水浸泡进行消毒杀菌。预切种方法减少了蔗种切口的感染率，大大提高了发芽率，因此具有良好的应用价值。然而目前我国蔗种切种过程基本采用人工或半机械方式，人工切种不精准、速度慢，切口不平整，成本高且效率低；机械化切种的弊端在于采用定长切割，没有识别蔗节和避芽功能，因此伤芽率较高；其中发明专利“一种基于图像识别的横向甘蔗预切种机”(专利号：ZL2017 2 0642807.4)虽然具有蔗节识别功能和定位切割功能，很大程度上提高了预切种的效率，但存在切刀切种后需要回到初始位置的“回零”状态才能进行下一次的切种工作，切种效率仍可进一步提高。对比人工切种，半机械化切种在效率上虽然有一定的提高，但相对于国外全机械化种植，依然不能满足国际竞争要求。因此，提供一种智能化甘蔗高效预切种机器，对降低甘蔗种植成本、减少人工劳动强度、提高切种效率及提高我国蔗糖国际竞争力具有及其重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种智能化甘蔗高效预切种闭环控制方法及系统，解决背景技术中提到的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种智能化甘蔗高效预切种闭环控制方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1：获取甘蔗蔗节位置；
步骤2：根据甘蔗蔗节位置识别可切位置；
步骤3：获取切刀位置；
步骤4：规划切刀路径；
步骤5：调节切刀位置；
步骤6：切刀位置调节完成后执行切种动作。
进一步地，步骤1的具体过程为，通过安装在黑箱内的摄像头采集甘蔗图片信息，将图片信息输送到蔗节识别软件，蔗节识别软件内嵌入智能卷积神经网络模型，经过蔗节识别软件的处理，得出整根甘蔗上所有蔗节位置信息。
进一步地，步骤2的具体过程为，识别可切位置过程中，应根据甘蔗种植农艺要求，识别出切口位置距离蔗芽5mm以上的的可切位置。
进一步地，步骤3的具体过程为，通过光栅尺传感器实时检测切刀所在位置，并在完成一次切种动作后将切刀所在位置反馈到控制单元。
进一步地，步骤4的具体过程为，根据可切位置、切刀所在位置和两切刀之间距离范围限制条件，计算出应切位置，最后规划出各切刀在移动最短距离的情况下到达应切位置的切刀移动路径。
进一步地，步骤5的具体过程为，根据所规划的切刀移动路径，由控制单元发出相应的信号，控制调节机构对6把刀同时调节位置。
进一步地，步骤6的具体过程为，通过对已经完成位置调节的切刀进行控制，将甘蔗进行多刀同时切断，以此达到高效快速的效果。
一种智能化甘蔗高效预切种闭环控制方法的系统，包括：
光栅尺传感器，包括读数头和尺身，读数头一端与尺身连接，另一端与切刀连接，实时检测切刀位置并反馈到控制单元；
光电传感器，用于检测甘蔗是否到达指定位置及切蔗动作是否完成，发出切刀可调节信号及切刀收回信号；
执行机构，用于甘蔗传送、甘蔗图像提取、切刀位置调节及切刀切割动作；
控制单元，用于接收识别软件检测到的蔗节信息、光栅尺传感器反馈的切刀位置信息和光电传感器信号，规划出一种甘蔗移动的最优路径，控制执行机构进行甘蔗传送、蔗节识别、调刀动作和切种动作。
进一步地，所述执行单元包括由黑箱和摄像机组成的图像提取装置，用于采集甘蔗图像，安装于黑箱下方由二级耙、传送带和电机组成的传送机构，用于将甘蔗有序传送至黑箱及切种平台，安装于传送带末端的切种平台，用于调节切刀位置及进行切种工作，安装于切种平台后方的液压动力系统，用于为切刀提供切割动力。
进一步地，所述控制单元根据识别软件识别出的蔗节信息和甘蔗农艺要求，计算出甘蔗应切位置，通过光栅尺传感器反馈的切刀位置和应切位置进行对比，计算对应切刀所需移动距离，通过接受光电传感器信号发出不同频率的PWM波调节切刀位置及控制液压系统动作信号，进行切种动作。
本发明由于采用了上述技术方案，具有以下有益效果：
(1)本发明通过智能识别卷积神经网络模型嵌入到蔗节识别软件中用以识别甘蔗蔗节位置信息，识别出可切位置，结合光栅尺传感器反馈的切刀所在位置，规划出一条切刀最优移动路径，进一步由光电传感器检测甘蔗是否到达指定位置，以此使控制单元发出切刀可调节信号进行切刀位置调节，切刀调节完成后则由控制单元向液压系统发出信号，驱动液压缸使切刀产生推力进行甘蔗切割动作，最后由光电开关检测切割动作是否完成，从而使电磁阀换向收回切刀，用作下一次的切割准备。
(2)本发明的智能化甘蔗高效预切种闭环控制系统，提高了智能化甘蔗切种机的切种速度度，很大程度上提高了甘蔗切种机的切种速度和稳定性，同时减少了人工的工作时间和劳动强度，弥补了当前农业上甘蔗切种机在精度和速度等自动化方面的不足，满足了其在实际应用中的需要。
附图说明
图1为本发明智能化甘蔗高效预切种控制流程图；
图2为本发明自动控制系统结构框图；
图3为本发明执行单元框图；
图4为本发明智能化甘蔗高效预切种控制系统结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。
如图1-4所示，一种智能化甘蔗高效预切种闭环控制方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1：获取甘蔗蔗节位置，通过安装在黑箱内的摄像头采集甘蔗图片信息，将图片信息输送到蔗节识别软件，蔗节识别软件内嵌入智能卷积神经网络模型，经过蔗节识别软件的处理，得出整根甘蔗上所有蔗节位置信息。
步骤2：根据甘蔗蔗节位置识别可切位置，识别可切位置过程中，应根据甘蔗种植农艺要求，识别出切口位置距离蔗芽5mm以上的的可切位置。
步骤3：获取切刀位置，通过光栅尺传感器实时检测切刀所在位置，并在完成一次切种动作后将切刀所在位置反馈到控制单元。
步骤4：规划切刀路径，根据可切位置、切刀所在位置和两切刀之间距离范围限制条件，计算出应切位置，最后规划出各切刀在移动最短距离的情况下到达应切位置的切刀移动路径。
步骤5：调节切刀位置，根据所规划的切刀移动路径，由控制单元发出相应的信号，控制调节机构对6把刀同时调节位置。
步骤6：切刀位置调节完成后执行切种动作，通过对已经完成位置调节的切刀进行控制，将甘蔗进行多刀同时切断，以此达到精准快速的效果。
一种智能化甘蔗高效预切种闭环控制方法的系统，如图2-4所示，包括控制单元、图像提取装置、蔗节识别系统、传感器部分、执行单元、切刀距离检测系统和警报系统。
控制单元，用于获取黑箱2提取图片的蔗节信息和光栅尺传感器5检测的切刀位置信息，并对数据进行处理，传递相应信号给执行机构进行相应操作。本实施例中的控制单元中央处理器采用STM32F407系列微控制芯片，该系列芯片芯片配置144个引脚且大部分I/O口兼容5V电压，具有比STM32F103系列更强大的数据处理能力和稳定性；通过处理器实时获取切刀位置和可切位置信息，规划出一条适合6把刀同时调整的最优路径，传递执行信号给切刀位置调节机构进行切刀，待调节完毕后接受下一步的信号，驱动液压站传递推力给切刀从而完成切割工作及切刀回收动作。
执行单元包括甘蔗传送装置，该部分组成为二级耙1和传送链，用于将整堆甘蔗处理为单根有序甘蔗，为图像处理装置提供有序排列的甘蔗；安装于传送链上方的黑箱2，用于提取甘蔗图片；安装于传送链末端的切种平台4，用于调节切刀位置及进行切种工作；安装于切种平台后方的液压动力系统，为切刀的动力源。
图像提取装置，由黑箱及安装于其内部的摄像头组成，黑箱内部安装了可调控亮度的白炽灯，用于提供最适图像提取的亮度；摄像头用于采集蔗节图像。
蔗节识别系统，以神经网络为核心建立识别的软件，具有更精确的识别能力，用于识别蔗节信息并将其发送至控制单元。
传感器部分包括光栅尺传感器，安装于切种平台后方，其读数头与切刀相连，用来获取切刀实时位置；光电传感器，该实施例中包含两个，分别安装于切种平台前3cm及切种平台上，分别用于检测甘蔗是否到达指定位置和是否完成切割动作。
切刀距离检测系统，该部分主要由程序设计，配合光栅尺传感器反馈的切刀位置信息，判断相邻两把切刀之间的距离是否在指定范围。
警报系统，由声光系统组成，即指示灯和蜂鸣器。主要用于系统检测到相邻切刀距离小于设定范围时发出警报，提示操作人员采取措施。
当系统进行工作时，甘蔗传送装置1将整堆甘蔗分拣为一根根有序的甘蔗，再通过传送链输送到黑箱图像采集系统2，黑箱将提取到的甘蔗图像传送到识别软件进行蔗节识别，进一步通过蔗节信息分析出可切位置；同时，光栅尺传感器5将实时检测到的切刀所在位置反馈给控制单元，规划出移动切刀路径，计算出切刀应调节位置并发出信号给切种平台4用以调节切刀位置；调节完毕后甘蔗输送至切种平台，控制单元发信号至液压站，为切刀提供推力完成切割动作；安装于切种平台的光电传感器检测甘蔗切断后，反馈信息到控制单元发出信号，使切刀收回，完成一个切割动作。
路径规划分析切刀调整位置分析：首先由相机获取甘蔗图像，再由蔗节识别软件识别蔗节信息，在不伤芽的前提下，本实施例中为距离蔗芽5mm以上，判断可切部分。根据农艺要求，甘蔗种一般为2-3节，即长度为25cm至30cm。根据蔗节数量，分配应切位置。同时光栅尺反馈切刀当前位置，根据应切位置计算各切刀应调节位置，从而达到快速切割的目的。切刀应调节距离由应切位置和切刀当前位置确定，其计算公式如下：
其中，i为切刀序号；
为第i把刀应调节距离，如果该值为正，表明应调节方向与设定方向相同，如果为负，则表明应调节方向与设定方向相反；XQi为计算得到的应切位置，XDi为切刀位置。
自动控制系统分析出切刀调节位置后，控制单元通过发出不同信号控制对应的切刀。本实施例中调节方法为控制电机在齿轮带上运动，从而使切刀到达对应位置。控制单元根据应调节位置，发出不同频率和方向的PWM波控制电机按照一定距离和方向进行运动。PWM波数量由控制单元根据调节位置和电机特性决定，与电机脉冲数量成一定比例，比例系数由电机特性决定。电机脉冲数量计算方法如下：
其中，
为电机的脉冲数量，由控制单元发出；
为应调节距离，可根据应切位置和切刀位置计算得到，i为序号；L为电机周长，α为步距角，二者均由厂家提供；β为细分大小，可手动设置。通过公式(2)可以精确计算调刀距离，其方向可由控制单元通过对比应切位置和切刀所在位置控制其他引脚输出。
智能神经网络模型中的anchors数量6个，在正向传播过程中，padding模式中的same模式通过设置卷积步长为1，使得进行卷积操作后的输出与输入尺寸相同，valid表示进行卷积操作时对输入数据不进行填充，通过与卷积操作的步长共同作用，使得运算后特征图维度减半。模型中各卷积层使用L2参数正则化对权重矩阵进行正则化，并在每个批次的训练上对前一层的输出进行规范化，使其数据均值接近0，标准差为1，从而达到加速收敛、控制过拟合、降低网络对初始权重不敏感并允许网络使用较大的学习率的目的，并使用LeakyRelu函数作为激活函数。为了扩大网络对图像特征的提取数量，网络通过跳层将网络早期特征数据与多次降维后采集的特征数据进行连接。数据经过4次步长为2的卷积层降维后，通过卷积运算得到第一个输出，特征图尺寸为26×26，将第一个输出值前的卷积运算结果通过上采样与50层的输出结合，经过卷积运算得到特征图尺寸为52×52的输出，之后将第二个输出值前的卷积运算结果通过上采样与32层的输出结合，经过卷积运算得到第三个输出，特征图尺寸为104×104。网络在最后输出层使用linear函数作为激活函数。
智能神经网络识别结果：经过训练及试验测试，模型对茎节的识别的准确率为96.89％，召回率为90.64％，识别平均精度为90.38％，平均识别时间为28.7ms，与原始网络相比平均精确度提升2.26个百分点，准确率降低0.61个百分点，召回率提高2.33个百分点，识别时间缩短22.8ms，实现了甘蔗蔗种的连续、实时动态识别。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种智能化甘蔗高效预切种闭环控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤1：获取甘蔗蔗节位置；
步骤2：根据甘蔗蔗节位置识别可切位置；
步骤3：获取切刀位置；
步骤4：规划切刀路径；
步骤5：调节切刀位置；
步骤6：切刀位置调节完成后执行切种动作。
2.根据权利要求1所述的一种智能化甘蔗高效预切种闭环控制方法，其特征在于：步骤1的具体过程为，通过安装在黑箱内的摄像头采集甘蔗图片信息，将图片信息输送到蔗节识别软件，蔗节识别软件内嵌入智能卷积神经网络模型，经过蔗节识别软件的处理，得出整根甘蔗上所有蔗节位置信息。
3.根据权利要求1所述的一种智能化甘蔗高效预切种闭环控制方法，其特征在于：步骤2的具体过程为，识别可切位置过程中，应根据甘蔗种植农艺要求，识别出切口位置距离蔗芽5mm以上的的可切位置。
4.根据权利要求1所述的一种智能化甘蔗高效预切种闭环控制方法，其特征在于：步骤3的具体过程为，通过光栅尺传感器实时检测切刀所在位置，并在完成一次切种动作后将切刀所在位置反馈到控制单元。
5.根据权利要求1所述的一种智能化甘蔗高效预切种闭环控制方法，其特征在于：步骤4的具体过程为，根据可切位置、切刀所在位置和两切刀之间距离范围限制条件，计算出应切位置，最后规划出各切刀在移动最短距离的情况下到达应切位置的切刀移动路径。
6.根据权利要求1所述的一种智能化甘蔗高效预切种闭环控制方法，其特征在于：步骤5的具体过程为，根据所规划的切刀移动路径，由控制单元发出相应的信号，控制调节机构对6把刀同时调节位置。
7.根据权利要求1所述的一种智能化甘蔗高效预切种闭环控制方法，其特征在于：步骤6的具体过程为，通过对已经完成位置调节的切刀进行控制，将甘蔗进行多刀同时切断，以此达到高效快速的效果。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的一种智能化甘蔗高效预切种闭环控制方法的系统，其特征在于：包括：
光栅尺传感器，包括读数头和尺身，读数头一端与尺身连接，另一端与切刀连接，实时检测切刀位置并反馈到控制单元；
光电传感器，用于检测甘蔗是否到达指定位置及切蔗动作是否完成，发出切刀可调节信号及切刀收回信号；
执行机构，用于甘蔗传送、甘蔗图像提取、切刀位置调节及切刀切割动作；
控制单元，用于接收识别软件检测到的蔗节信息、光栅尺传感器反馈的切刀位置信息和光电传感器信号，规划出一种甘蔗移动的最优路径，控制执行机构进行甘蔗传送、蔗节识别、调刀动作和切种动作。
9.根据权利要求8所述的一种智能化甘蔗高效预切种闭环控制方法的系统，其特征在于：所述执行单元包括由黑箱和摄像机组成的图像提取装置，用于采集甘蔗图像，安装于黑箱下方由二级耙、传送带和电机组成的传送机构，用于将甘蔗有序传送至黑箱及切种平台，安装于传送带末端的切种平台，用于调节切刀位置及进行切种工作，安装于切种平台后方的液压动力系统，用于为切刀提供切割动力。
10.根据权利要求8所述的一种智能化甘蔗高效预切种闭环控制方法的系统，其特征在于：所述控制单元根据识别软件识别出的蔗节信息和甘蔗农艺要求，计算出甘蔗应切位置，通过光栅尺传感器反馈的切刀位置和应切位置进行对比，计算对应切刀所需移动距离，通过接受光电传感器信号发出不同频率的PWM波调节切刀位置及控制液压系统动作信号，进行切种动作。
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