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柠条平茬机的机器视觉技术研究

任柯  
【摘要】:柠条作为宁夏地区一种重要的生态作物,其不仅仅在防风固沙方面发挥了巨大的生态环境作用,同时还具有优良的饲用价值。但由于其生长环境恶劣、收割作业复杂,导致其目前的平茬方式单一、平茬效果差及收割效率低,没有充分发挥其生态环境效益和经济利用价值。为提高平茬效果,本文利用机器视觉技术解决了平茬机割台的自适应仿地形问题,实现了对柠条平茬的精细化、智能化作业,具有重要的实际工程研究价值。本文基于国内外柠条平茬机的发展现状和机器视觉技术在农业工程应用的基础上,提出了以单目视觉辅助线激光器的机器视觉系统方案。根据该视觉方案,完成了对视觉系统的标定,提出了一种基于测距信息的柠条根部定位算法,并通过实验验证了该定位算法的可行性和合理性,在收割设备机械化的基础上,实现了对柠条的智能化平茬作业。首先,根据柠条平茬的农艺参数和平茬机的性能指标,完成了以单目视觉结合线激光器的机器视觉方案及系统设计,给出了视觉系统的总体方案控制框图,初步搭建了硬件视觉系统,建立了视觉系统在平茬作业时的数学模型,利用三角测距原理,推导得出了激光条纹上任一点的三维空间坐标,为后续的柠条根部定位提供了相应的理论依据。其次,对单目视觉结合线激光器所组成的视觉系统,分别进行了摄像机及视觉系统的标定。在利用数值分析软件中的标定工具箱对相机进行标定的过程中,确定了摄像机内、外参数和其相应的畸变系数。采用精度为0.02mm的高精度螺旋式位移平台,对视觉系统的深度信息和高度信息进行了标定,完成了对视觉系统偏差系数的求解,对推导的根部三维空间坐标的公式进行了进一步的优化,以此提高了视觉系统的定位精度。再次,对柠条根部枝干进行图像识别与定位。根据采集的柠条枝干图像的颜色特征,对其进行了亮度统一化、灰度化、图像滤波等预处理,其后分割处理得到只有激光条纹的二值图像,最终通过骨架细化算法提取单像素的激光条纹。并结合三角测距原理和系统标定的结果,提出了一种基于测距信息的柠条根部坐标定位算法,对柠条根部进行了定位,完成了对柠条根部三维坐标的获取,并通过实验验证了该算法的正确性。最后,搭建硬件实验平台,对图像处理算法和定位算法进行实验验证。通过实际的测量结果与理论的计算值进行比较,分析了相应的误差来源。通过实验验证了提出的基于拐点特征的动态图像处理算法的可行性,为自适应割台的智能控制提供了技术支撑。


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