CN210719019U - 一种田间玉米棒几何尺寸测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种田间玉米棒几何尺寸测量系统。所述测量系统包括：多相机探头阵列、连接件、无人机和相机遥控器；所述多相机探头阵列通过连接件与所述无人机连接；所述无人机用于改变所述多相机探头阵列的位置状态；所述多相机探头阵列包含多个相机，多个所述相机线性间隔排布；所述相机遥控器分别与多个所述相机无线连接，多个所述相机用于在所述相机遥控器的远程遥控下同步采集待测玉米棒的图像。本实用新型基于无人机平台设计，采用计算机视觉原理，通过多相机阵列对玉米棒一次成像，构建田间玉米棒高精度三维模型，高效准确地测量田间玉米棒的几何尺寸。

Description

一种田间玉米棒几何尺寸测量系统

技术领域

本实用新型涉及计算机视觉领域，特别是涉及一种田间玉米棒几何尺寸测量系统。

背景技术

玉米棒长度和直径田间测量是玉米估产的重要指标，目前玉米棒长度和直径田间测量主要有两种方法：一种是传统的地面人工测量方法，该方法对于大面积高密度玉米大田采样极为不便。另一种是基于计算机视觉(计算机视觉也称机器视觉，利用摄像机和电脑及其他相关设备，对生物视觉进行模拟，通过对采集的图片或视频进行处理，使计算机具有认知三维信息的能力)的被动测量方法，基于计算机视觉的被动测量是一种非接触式测量方法，无需人为设置辐射源，可以简单高效地获取田间玉米棒的实时影像，根据计算机视觉被动测量中视觉传感器的个数，可以将计算机视觉被动测量系统分为单目、双目和多目视觉被动测量系统。单目视觉系统由于摄像机标定精度及难以精确确定摄像机与被测物之间的相对位置等问题，整体测量的精度不如双目视觉和多目视觉。双目立体视觉测量方法中，当基线过长时，需要在相对较大的视觉范围内进行搜索，增加了计算工作量。多目视觉系统利用多基线立体匹配，并利用双目测距算法计算得到玉米棒的长度和直径，可以大幅度减少测量中的盲区，同时避免了双目视觉中由于特征点模糊而产生的误匹配现象，提高了视差测量的准确性。但是多目视觉系统中的单镜头测量需要将相机装在导轨上移动拍摄，且只能拍摄静物，当相机和被摄物存在相对运动时无法采集高质量多视点影像。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种田间玉米棒几何尺寸测量系统，能够高效准确地得到田间玉米棒的几何尺寸。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

一种田间玉米棒几何尺寸测量系统，所述测量系统包括：多相机探头阵列、连接件、无人机和相机遥控器；

所述多相机探头阵列通过连接件与所述无人机连接；

所述无人机用于调整所述多相机探头阵列的拍摄位置；

所述多相机探头阵列包含多个相机，多个所述相机线性间隔排布；

所述相机遥控器分别与多个所述相机无线连接，多个所述相机用于在所述相机遥控器的远程遥控下同步采集待测玉米棒的图像。

可选的，所述多相机探头阵列还包括：视频摄像头和视频信号发射机；

所述视频摄像头设置在所述多相机探头阵列上；所述视频信号发射机设置在所述无人机上；

所述视频摄像头的信号输出端通过信号传输线与所述视频信号发射机连接；所述视频信号发射机与地面控制站连接；所述视频摄像头用于采集所述待测玉米棒的视频信息，并将所述视频信息通过所述视频信号发射机传输至所述地面控制站；所述地面控制站用于根据所述视频信息控制所述无人机的高度或航向，使所述多相机探头阵列与所述待测玉米棒处于同一水平面。

可选的，所述多相机探头阵列还包括：视频摄像头和无人机数据链；

所述视频摄像头设置在所述多相机探头阵列上；所述无人机数据链设置在所述无人机上；

所述视频摄像头的信号输出端通过信号传输线与所述无人机数据链连接；所述无人机数据链与地面控制站连接；所述视频摄像头用于采集所述待测玉米棒的视频信息，并将所述视频信息通过所述无人机数据链传输至所述地面控制站；所述地面控制站用于根据所述视频信息控制所述无人机的高度或航向，使所述多相机探头阵列与所述待测玉米棒处于同一水平面。

可选的，所述多相机探头阵列还包括：凹槽；

多个所述相机均固定在所述凹槽的内部；所述凹槽通过所述连接件与所述无人机连接。

可选的，所述连接件为伸缩式碳纤维杆；

所述伸缩式碳纤维杆的一端与所述多相机探头阵列连接，所述伸缩式碳纤维杆的另一端通过万向节与所述无人机连接。

根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：

本实用新型提供一种田间玉米棒几何尺寸测量系统，将多相机探头阵列连接在无人机上，通过调节无人机的高度或航向灵活改变多相机探头阵列的位置，避免了相机装在导轨上只能沿导轨移动拍摄的缺陷；当相机和待测玉米棒有相对运动时，通过无人机实时调整多相机探头阵列的位置，使多相机探头阵列与待测玉米棒处于同一水平面时，多相机探头阵列的多个相机再同步采像，解决了现有技术中只能拍摄静物的技术问题。

本实用新型还利用相机遥控器远程遥控多相机探头阵列的多个相机对待测玉米棒同步采像，实现了通过单次拍摄成像，构建田间玉米棒的三维模型，高效准确得到田间玉米棒的几何尺寸。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型提供的田间玉米棒几何尺寸测量系统的结构示意图；

图2为本实用新型提供的多相机探头阵列的正视图；

图3为本实用新型提供的多相机探头阵列的左视图；

图4为本发明提供的测量田间玉米棒几何尺寸的结构图；

符号说明：1-多相机探头阵列，2-伸缩式碳纤维杆，3-万向节。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的目的是提供一种田间玉米棒几何尺寸测量系统，能够高效准确地得到田间玉米棒的几何尺寸。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1为本实用新型提供的田间玉米棒几何尺寸测量系统的结构示意图。一种田间玉米棒几何尺寸测量系统，测量系统包括：多相机探头阵列1、连接件、无人机和相机遥控器。

多相机探头阵列1通过连接件与无人机连接。无人机用于调整多相机探头阵列1的拍摄位置。

如图2所示，多相机探头阵列1包含多个相机，多个相机线性间隔排布。多个相机构成矩形格网镜头阵列，相机独立供电或者从无人机采用连接线供电，每个相机带有相应的存储介质。优选地，单个相机均采用具有防抖装置的相机，避免由于外部因素影响飞行过程中画质的清晰与稳定。在布设过程中，保留各相机系统之间一定的视场重叠度，以保证相机安装布置的灵活性以及测量结果的完整性，根据实际测量需求，可适当调整相机间距。

相机遥控器分别与多个相机无线连接，多个相机用于在相机遥控器的远程遥控下同步采集待测玉米棒的图像。

多相机探头阵列1还包括：视频摄像头和视频信号发射机。

视频摄像头设置在多相机探头阵列1上。视频信号发射机设置在无人机上。

视频摄像头的电源输入端与无人机的电源模块连接，视频摄像头的信号输出端通过信号传输线与视频信号发射机连接。视频信号发射机与地面控制站连接。视频摄像头用于采集待测玉米棒的视频信息，并将视频信息通过视频信号发射机传输至地面控制站。

地面控制站用于根据视频信息控制无人机的高度或航向，无人机采用定点悬停的方式完成环视搜索，使多相机探头阵列与待测玉米棒处于同一水平面。当视频摄像头与待测玉米棒处于同一水平面时，探头操作员遥控触发相机遥控器，探头相机阵列的所有相机同步拍照成像，图像存储在相机存储介质上。

多相机探头阵列还包括：视频摄像头和无人机数据链。

视频摄像头设置在多相机探头阵列上；无人机数据链设置在无人机上；

视频摄像头的电源输入端与无人机的电源模块连接，视频摄像头的信号输出端通过信号传输线与无人机数据链连接；无人机数据链与地面控制站连接；视频摄像头用于采集待测玉米棒的视频信息，并将视频信息通过无人机数据链传输至地面控制站；地面控制站用于根据视频信息控制无人机的高度或航向，使多相机探头阵列与待测玉米棒处于同一水平面。

多相机探头阵列1还包括：凹槽。多个相机均固定在凹槽的内部。凹槽通过连接件与无人机连接。

连接件为伸缩式碳纤维杆2。伸缩式碳纤维杆2的一端与多相机探头阵列1连接，伸缩式碳纤维杆2的另一端通过万向节3与无人机连接。万向节3保证了伸缩式碳纤维杆2可以相对无人机在各个方向自由摆动。伸缩式碳纤维杆2内置视频摄像头的供电线和信号传输线。优选地，伸缩式碳纤维杆2的长度大于3.0m。

本实用新型提供的田间玉米棒几何尺寸测量系统的工作过程为：

无人机通过连接件带动多相机探头阵列达到一定的高度，通过多相机探头阵列中的视频摄像头采集田间待测玉米棒的视频图像，地面控制站的探头操作员根据视频图像指挥飞行员调整多相机探头阵列的位置，使多相机探头阵列与待测玉米棒处于同一水平面。当多相机探头阵列和田间玉米棒处于同一水平面上时，探头操作员遥控触发相机遥控器，多相机探头阵列的所有相机同步拍照成像，存储在相机存储介质上。

从相机存储介质上获取相机拍摄的图像后，利用现有技术的双目测距算法，计算得到田间玉米棒的几何尺寸，具体算法过程如下：

如图4所示，假设利用四个相机对田间玉米棒进行拍摄，四个相机在同一时刻观看田间玉米棒的同一待测特征点P(X_p,Y_p,Z_p)，四个相机分别编码为C₁、C₂、C₃和C₄，焦距均为已知量f，C₁到C₂，C₃和C₄的距离分别为d₁、d₂和d₃(如图3所示)。已知待测特征点P在匹配图像的平面坐标分别为P_c1(X_c1,Y_c1)，P_c2(X_c2,Y_c2)，P_c3(X_c3,Y_c3)和P_c4(X_c4,Y_c4)。假定四个相机的匹配图像在同一平面上，因此，待测特征点P对应的匹配图像的平面坐标的Y坐标是相同的，即Y_c1＝Y_c2＝Y_c3＝Y_c4＝Y_c。由三角几何关系可以分别得到如下关系式：

和

定义相机C₂，C₃和C₄分别到C₁的视差分别为S₁＝X_c2-X_c1，S₂＝X_c3-X_c1和S₃＝X_c4-X_c1。由上述公式即可计算出待测特征点P在各相机间的视差S，利用视差可计算出待测特征点P在相机坐标下的三组坐标值分别为(X_p1,Y_p1,Z_p1)，(X_p2,Y_p2,Z_p2)，(X_p3,Y_p3,Z_p3)，即

和

则待测特征点P的坐标为

和

同理可得Q点坐标(X_Q,Y_Q,Z_Q)。因此，玉米棒的长度为P到Q的长度为：

本实用新型实施例提供的田间玉米棒几何尺寸测量系统基于无人机平台设计，将多相机探头阵列连接在无人机上，通过调节无人机的高度或航向灵活改变多相机探头阵列的位置，并且当相机和待测玉米棒有相对运动时，通过无人机实时调整多相机探头阵列的位置，使多相机探头阵列与待测玉米棒处于同一水平面时，多相机探头阵列的多个相机再同步采像，实现了通过单次拍摄，即可测量得到田间玉米棒的几何尺寸。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (5)

1.一种田间玉米棒几何尺寸测量系统，其特征在于，所述测量系统包括：多相机探头阵列、连接件、无人机和相机遥控器；

所述多相机探头阵列通过连接件与所述无人机连接；

所述无人机用于调整所述多相机探头阵列的拍摄位置；

所述多相机探头阵列包含多个相机，多个所述相机线性间隔排布；

所述相机遥控器分别与多个所述相机无线连接，多个所述相机用于在所述相机遥控器的远程遥控下同步采集待测玉米棒的图像。

2.根据权利要求1所述的田间玉米棒几何尺寸测量系统，其特征在于，所述多相机探头阵列还包括：视频摄像头和视频信号发射机；

所述视频摄像头设置在所述多相机探头阵列上；所述视频信号发射机设置在所述无人机上；

所述视频摄像头的信号输出端通过信号传输线与所述视频信号发射机连接；所述视频信号发射机与地面控制站连接；所述视频摄像头用于采集所述待测玉米棒的视频信息，并将所述视频信息通过所述视频信号发射机传输至所述地面控制站；所述地面控制站用于根据所述视频信息控制所述无人机的高度或航向，使所述多相机探头阵列与所述待测玉米棒处于同一水平面。

3.根据权利要求1所述的田间玉米棒几何尺寸测量系统，其特征在于，所述多相机探头阵列还包括：视频摄像头和无人机数据链；

所述视频摄像头设置在所述多相机探头阵列上；所述无人机数据链设置在所述无人机上；

所述视频摄像头的信号输出端通过信号传输线与所述无人机数据链连接；所述无人机数据链与地面控制站连接；所述视频摄像头用于采集所述待测玉米棒的视频信息，并将所述视频信息通过所述无人机数据链传输至所述地面控制站；所述地面控制站用于根据所述视频信息控制所述无人机的高度或航向，使所述多相机探头阵列与所述待测玉米棒处于同一水平面。

4.根据权利要求1所述的田间玉米棒几何尺寸测量系统，其特征在于，所述多相机探头阵列还包括：凹槽；

多个所述相机均固定在所述凹槽的内部；所述凹槽通过所述连接件与所述无人机连接。

5.根据权利要求1所述的田间玉米棒几何尺寸测量系统，其特征在于，所述连接件为伸缩式碳纤维杆；

所述伸缩式碳纤维杆的一端与所述多相机探头阵列连接，所述伸缩式碳纤维杆的另一端通过万向节与所述无人机连接。

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