基于阈值识别的温室黄瓜整体自动落蔓装置研究_郎秀丹.pdf

nullnullnullnull 中国农机化学报 nullnullnullnull年 nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 郎秀丹 史宇亮 李天华 等 null基于阈值识别的温室黄瓜整体自动落蔓装置研究 null null中国农机化学报 nullnullnullnull nullnull null nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull null nullnullnullnullnullnullnull 基于阈值识别的温室黄瓜整体自动落蔓装置研究 null 郎秀丹 null 史宇亮 null 李天华 null 陈明东 null nullnull 青岛农业大学机电工程学院 青岛市 nullnullnullnullnullnull nullnull 青岛农业大学园艺学院 青岛市 nullnullnullnullnullnull nullnull 山东农业大学机械与电子工程学院 山东泰安 nullnullnullnullnullnull 摘要 针对长季节黄瓜作物人工落蔓强度大 成本高和效率低等问题 设计一种基于冠层高度阈值识别的温室黄瓜整体自动 落蔓装置 为保证黄瓜冠层特征提取的正确率 对 null nullnull nullnull nullnull和 nullnull nullnull实时采集的黄瓜冠层图像进行预处理 基于 nullnullnullnull算 法获得平滑黄瓜冠层二值图像 采用霍夫变换算法识别黄瓜冠层顶端绳束 并利用统计学方法归纳出感兴趣区域中 nullnullnull 色彩空间绿色部分各分量取值范围 研究感兴趣区域中绿色像素点占总像素点的比值变化规律 为防止黄瓜卷须缠绕秧蔓 冠层顶端水平绳束 以黄瓜植株高度 nullnullnull nullnullnullnullnullnull 为落蔓控制目标 确定感兴趣区域绿色像素占比的平均值 nullnullnullnullnull null nullnullnullnullnull为整体落蔓装置的落蔓阈值范围 结果表明 植株高度 nullnullnullnullnullnullnullnullnull和高于 nullnullnullnullnull落蔓次数占总试验次数比例分别 为 nullnullnull和 nullnullnull 高于 nullnullnullnullnull落蔓组中 最高植株距离顶端绳束 nullnullnullnullnull 的距离为 nullnullnullnullnull 无黄瓜卷须缠绕黄瓜秧蔓冠层顶 端水平绳束现象 采用感兴趣区域绿色像素点占比确定黄瓜落蔓阈值方法 能够满足黄瓜生产实际要求 关键词 落蔓 图像处理 黄瓜秧蔓冠层 霍夫变换 nullnullnull色彩空间 中图分类号 nullnullnullnullnullnull nullnull 文献标识码 null nullnull 文章编号 nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 收稿日期 nullnullnullnull年 nullnull月 nullnull日 nullnull 修回日期 nullnullnullnull年 null月 nullnull日 null 基金项目 山东省农业重大应用技术创新项目 nullnullnull nullnullnullnull 第一作者 郎秀丹 女 nullnullnullnull年生 河北馆陶人 硕士研究生 研究方向为设施机械与环境调控 null nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull 通讯作者 陈明东 男 nullnullnullnull年生 吉林扶余人 博士 副教授 研究方向为设施机械与环境调控 null nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null null null null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 第 nullnull卷 null 第 null期 null 年 null月 中国农机化学报 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull 第 null期 郎秀丹 等 基于阈值识别的温室黄瓜整体自动落蔓装置研究 nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null 引言 黄瓜是我国重要的蔬菜作物之一 目前黄瓜的温室 种植逐年增大 null 黄瓜在温室中主要是以绳子吊蔓的 种植方式 黄瓜秧蔓攀附于绳子不断升高 为了保证黄 瓜在生长过程中维持正常的通风透光率 黄瓜秧蔓生长 到一定高度后应进行落蔓 以保证其正常直立生长 null null 目前 温室机械化程度较高的荷兰 日本尚未解决 黄瓜落蔓的机械化问题 null null 随着我国设施园艺的不 断发展 温室落蔓装置的研究已获得一定的进展 例如 彭嘉舜 null 研制了一垄两行落蔓装置 通过链条机构驱 动绕线板实现秧蔓下降 山东农业大学提出了一种单 株吊蔓高度可调的多垄落蔓装置 null 侯永等 null 采用圆 形带传动吊蔓轴转动放线落蔓方式与闭环钢丝双向拉 动吊蔓轴疏蔓方式结合 通过吊蔓轴的水平移动和原 位转动实现自动落蔓疏蔓 上述落蔓器装置传动系统 复杂 体积较大 遮光率高 尤其是智能化程度低 限制 了推广应用 目前黄瓜的落蔓仍以人工为主 工作效率 低 成本高 因此 研究智能高效落蔓装置已经成为当 前亟待解决的问题 近年来 随着智慧农业的深入发展 机器视觉技术 在农业领域得到了较好的应用 null nullnullnullnull 等 nullnull 提出了 一种黄瓜叶片病害检测与分类方法 并进行了试验验 证 nullnull 等 nullnull 提出了一种基于扩展协同表示的黄瓜叶 片病虫害分类识别模型 nullnullnullnullnullnull 等 nullnull 提出了一种基 于特征融合和选择技术的黄瓜病害分类框架 提高了 黄瓜病虫害的识别准确性 nullnullnull 等 nullnull 比较了经典机 器学习与深度学习方法在番茄病害分类问题上的分类 性能 为病虫害分类识别方法选取提供了参考 王志 彬等 nullnull 提出一种基于动态集成的作物叶部病害种类 的识别方法 实现了黄瓜叶部病害种类的准确识别 赵春江等 nullnull 提出一种基于级联卷积神经网络的番茄 花期识别检测方法 实现番茄花朵不同花期的精准辨 识检测 雷旺雄等 nullnull 提出了一种基于分水岭果梗图 像分割和最小角度约束的采摘点定位方法 为葡萄采 摘机器人提供准确的采摘点坐标信息 刘丽娟等 nullnull 利用改进的多通道全局阈值分割算法获得苹果目标二 值图像 为了实现复杂田间作业环境下病虫害防治 大田农作物叶部病虫害视觉识别方法的探索工作也取 得了一定进展 nullnull nullnull 将机器视觉技术应用于自动落 蔓装置的研究中 是目前实现落蔓装置机械化和智能 化的重要组成部分 对实现智慧农业具有重大意义 针对黄瓜人工落蔓强度大 成本高等问题 本文设计 一种基于冠层阈值识别的温室黄瓜整体落蔓装置 利用 nullnullnullnullnullnull 识别黄瓜秧蔓冠层生长过程中的表型信息 结合 黄瓜实际生产作业要求 确定黄瓜秧蔓冠层的落蔓阈值 以实现基于落蔓阈值控制的黄瓜自动整体落蔓 null 黄瓜整体落蔓装置结构原理 由于温室内每行黄瓜种植方式相同 落蔓装置中仅 给出 null 行黄瓜秧蔓与落蔓装置的传动关系 结构如图 null 所 示 吊滑轮钢丝两端固定于温室支撑结构 每株黄瓜的 吊秧滑轮固定在吊滑轮钢丝上 每株黄瓜秧蔓的吊秧绳 绕过吊秧滑轮接至落蔓装置主传动轴 图中右侧虚线区 域为每株作物通过吊秧滑轮接至绕绳器的放大图 图 null null 温室整体落蔓装置 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull直流无刷电机 nullnullnull弹性联轴器 nullnullnull扭矩转速传感器 nullnull行星减速机 nullnullnull固定轴承支座 nullnullnull主传动轴 nullnullnull绕绳器 nullnull一行植物吊蔓绳束 nullnullnull吊滑轮钢丝 nullnullnullnull吊秧滑轮 nullnullnullnull吊秧绳 为实现温室黄瓜整体智能落蔓 在温室黄瓜斜上 方安装工业摄像头 采集黄瓜秧蔓冠层图像 黄瓜植株 冠层图像识别信号传送至树莓派 nullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnull 通过 nullnullnullnullnullnull 视觉库进行图像处理 根据黄瓜长势判断是 否落蔓 当作物需要落蔓时 树莓派发送落蔓电动机启 动信号 电动机驱动行星减速机带动主传动轴旋转 固 定于主传动轴上的绕绳器将吊秧绳释放 实现温室作 物整体均匀落蔓 落蔓过程中 主传动轴安装的转速 扭矩传感器实时监测落蔓装置工作过程中转速和扭矩 变化 实现秧蔓下降速度闭环控制 null 黄瓜整体落蔓装置设计 整体落蔓装置电动机轴系上的力矩平衡方程如 式 null 所示 null nullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null 式中 null 落蔓装置主传动轴总转动惯量 nullnull null null null 电动机角速度 nullnullnull null nullnullnullnull 中国农机化学报 nullnullnullnull年 nullnull 电动机电磁转矩 null null nullnull 落蔓装置主传动轴负载转矩 null null null null 阻尼转矩系数 nullnull 落蔓装置主传动轴摩擦阻力矩 null null nullnullnullnullnullnullnull null 式中 null 作物植株数量 null 每个植株的平均重量 nullnull null 重力加速度 null null null null 主传动轴半径 null 实际黄瓜生产中 每个温室内黄瓜种植行数较多 从式 null 可知 当黄瓜负载大于落蔓装置系统摩擦阻力 时 系统将处于发电状态 由于黄瓜每次落蔓高度约 为 nullnullnullnull 发电量较小 且落蔓停止后 秧蔓侧负载较 大 落蔓装置静止需要较大锁止转矩 为了提高落蔓 装置稳定性 本设计采用配重平衡黄瓜秧蔓负载方法 即配重在落蔓装置主传动轴缠绕方向与秧蔓负载吊绳 缠绕方向相反 落蔓装置停车时 黄瓜负载与配重对主 传动轴产生的转矩相平衡 即 null nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null 式中 null null 配重对主传动轴产生的转矩 null null null 配重质量 nullnull nullnull 配重盘半径 null 试验温室中种植了 nullnullnull 株黄瓜 选取 nullnull 株黄瓜秧 蔓称重后取平均值计算得到每株秧蔓平均重量为 nullnullnullnullnullnullnull 黄瓜负载的总质量为 nullnullnullnullnullnullnull 因试验温室 黄瓜种植规模不大 总负载较小 将配重吊绳直接缠绕 于主传动轴上 配重质量与黄瓜侧总质量相等 配重质 量为 nullnullnullnull 落蔓装置电动机转速与黄瓜落蔓速度关系如 式 null 所示 nullnull nullnullnullnull nullnull null 式中 null 电机转速 null nullnullnull null 秧蔓下降速度 null null null 行星减速机传动比 nullnullnullnull 采用配重平衡黄瓜秧蔓负载方法 落蔓装置主传 动轴承受扭矩较小 主传动轴选用 nullnullnullnull 钢管 外径 测量值为 nullnullnullnullnullnullnullnull 黄瓜秧蔓每次下降高度每次为 nullnul