基于閾值識別的溫室黃瓜整體自動落蔓裝置研究_郎秀丹.pdf

nullnullnullnull 中國農機化學報 nullnullnullnull年 nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 郎秀丹 史宇亮 李天華 等 null基于閾值識別的溫室黃瓜整體自動落蔓裝置研究 null null中國農機化學報 nullnullnullnull nullnull null nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull null nullnullnullnullnullnullnull 基于閾值識別的溫室黃瓜整體自動落蔓裝置研究 null 郎秀丹 null 史宇亮 null 李天華 null 陳明東 null nullnull 青島農業(yè)大學機電工程學院 青島市 nullnullnullnullnullnull nullnull 青島農業(yè)大學園藝學院 青島市 nullnullnullnullnullnull nullnull 山東農業(yè)大學機械與電子工程學院 山東泰安 nullnullnullnullnullnull 摘要 針對長季節(jié)黃瓜作物人工落蔓強度大 成本高和效率低等問題 設計一種基于冠層高度閾值識別的溫室黃瓜整體自動 落蔓裝置 為保證黃瓜冠層特征提取的正確率 對 null nullnull nullnull nullnull和 nullnull nullnull實時采集的黃瓜冠層圖像進行預處理 基于 nullnullnullnull算 法獲得平滑黃瓜冠層二值圖像 采用霍夫變換算法識別黃瓜冠層頂端繩束 并利用統(tǒng)計學方法歸納出感興趣區(qū)域中 nullnullnull 色彩空間綠色部分各分量取值范圍 研究感興趣區(qū)域中綠色像素點占總像素點的比值變化規(guī)律 為防止黃瓜卷須纏繞秧蔓 冠層頂端水平繩束 以黃瓜植株高度 nullnullnull nullnullnullnullnullnull 為落蔓控制目標 確定感興趣區(qū)域綠色像素占比的平均值 nullnullnullnullnull null nullnullnullnullnull為整體落蔓裝置的落蔓閾值范圍 結果表明 植株高度 nullnullnullnullnullnullnullnullnull和高于 nullnullnullnullnull落蔓次數(shù)占總試驗次數(shù)比例分別 為 nullnullnull和 nullnullnull 高于 nullnullnullnullnull落蔓組中 最高植株距離頂端繩束 nullnullnullnullnull 的距離為 nullnullnullnullnull 無黃瓜卷須纏繞黃瓜秧蔓冠層頂 端水平繩束現(xiàn)象 采用感興趣區(qū)域綠色像素點占比確定黃瓜落蔓閾值方法 能夠滿足黃瓜生產實際要求 關鍵詞 落蔓 圖像處理 黃瓜秧蔓冠層 霍夫變換 nullnullnull色彩空間 中圖分類號 nullnullnullnullnullnull nullnull 文獻標識碼 null nullnull 文章編號 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 基金項目 山東省農業(yè)重大應用技術創(chuàng)新項目 nullnullnull nullnullnullnull 第一作者 郎秀丹 女 nullnullnullnull年生 河北館陶人 碩士研究生 研究方向為設施機械與環(huán)境調控 null nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull 通訊作者 陳明東 男 nullnullnullnull年生 吉林扶余人 博士 副教授 研究方向為設施機械與環(huán)境調控 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 中國農機化學報 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull 第 null期 郎秀丹 等 基于閾值識別的溫室黃瓜整體自動落蔓裝置研究 nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null 引言 黃瓜是我國重要的蔬菜作物之一 目前黃瓜的溫室 種植逐年增大 null 黃瓜在溫室中主要是以繩子吊蔓的 種植方式 黃瓜秧蔓攀附于繩子不斷升高 為了保證黃 瓜在生長過程中維持正常的通風透光率 黃瓜秧蔓生長 到一定高度后應進行落蔓 以保證其正常直立生長 null null 目前 溫室機械化程度較高的荷蘭 日本尚未解決 黃瓜落蔓的機械化問題 null null 隨著我國設施園藝的不 斷發(fā)展 溫室落蔓裝置的研究已獲得一定的進展 例如 彭嘉舜 null 研制了一壟兩行落蔓裝置 通過鏈條機構驅 動繞線板實現(xiàn)秧蔓下降 山東農業(yè)大學提出了一種單 株吊蔓高度可調的多壟落蔓裝置 null 侯永等 null 采用圓 形帶傳動吊蔓軸轉動放線落蔓方式與閉環(huán)鋼絲雙向拉 動吊蔓軸疏蔓方式結合 通過吊蔓軸的水平移動和原 位轉動實現(xiàn)自動落蔓疏蔓 上述落蔓器裝置傳動系統(tǒng) 復雜 體積較大 遮光率高 尤其是智能化程度低 限制 了推廣應用 目前黃瓜的落蔓仍以人工為主 工作效率 低 成本高 因此 研究智能高效落蔓裝置已經(jīng)成為當 前亟待解決的問題 近年來 隨著智慧農業(yè)的深入發(fā)展 機器視覺技術 在農業(yè)領域得到了較好的應用 null nullnullnullnull 等 nullnull 提出了 一種黃瓜葉片病害檢測與分類方法 并進行了試驗驗 證 nullnull 等 nullnull 提出了一種基于擴展協(xié)同表示的黃瓜葉 片病蟲害分類識別模型 nullnullnullnullnullnull 等 nullnull 提出了一種基 于特征融合和選擇技術的黃瓜病害分類框架 提高了 黃瓜病蟲害的識別準確性 nullnullnull 等 nullnull 比較了經(jīng)典機 器學習與深度學習方法在番茄病害分類問題上的分類 性能 為病蟲害分類識別方法選取提供了參考 王志 彬等 nullnull 提出一種基于動態(tài)集成的作物葉部病害種類 的識別方法 實現(xiàn)了黃瓜葉部病害種類的準確識別 趙春江等 nullnull 提出一種基于級聯(lián)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡的番茄 花期識別檢測方法 實現(xiàn)番茄花朵不同花期的精準辨 識檢測 雷旺雄等 nullnull 提出了一種基于分水嶺果梗圖 像分割和最小角度約束的采摘點定位方法 為葡萄采 摘機器人提供準確的采摘點坐標信息 劉麗娟等 nullnull 利用改進的多通道全局閾值分割算法獲得蘋果目標二 值圖像 為了實現(xiàn)復雜田間作業(yè)環(huán)境下病蟲害防治 大田農作物葉部病蟲害視覺識別方法的探索工作也取 得了一定進展 nullnull nullnull 將機器視覺技術應用于自動落 蔓裝置的研究中 是目前實現(xiàn)落蔓裝置機械化和智能 化的重要組成部分 對實現(xiàn)智慧農業(yè)具有重大意義 針對黃瓜人工落蔓強度大 成本高等問題 本文設計 一種基于冠層閾值識別的溫室黃瓜整體落蔓裝置 利用 nullnullnullnullnullnull 識別黃瓜秧蔓冠層生長過程中的表型信息 結合 黃瓜實際生產作業(yè)要求 確定黃瓜秧蔓冠層的落蔓閾值 以實現(xiàn)基于落蔓閾值控制的黃瓜自動整體落蔓 null 黃瓜整體落蔓裝置結構原理 由于溫室內每行黃瓜種植方式相同 落蔓裝置中僅 給出 null 行黃瓜秧蔓與落蔓裝置的傳動關系 結構如圖 null 所 示 吊滑輪鋼絲兩端固定于溫室支撐結構 每株黃瓜的 吊秧滑輪固定在吊滑輪鋼絲上 每株黃瓜秧蔓的吊秧繩 繞過吊秧滑輪接至落蔓裝置主傳動軸 圖中右側虛線區(qū) 域為每株作物通過吊秧滑輪接至繞繩器的放大圖 圖 null null 溫室整體落蔓裝置 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull直流無刷電機 nullnullnull彈性聯(lián)軸器 nullnullnull扭矩轉速傳感器 nullnull行星減速機 nullnullnull固定軸承支座 nullnullnull主傳動軸 nullnullnull繞繩器 nullnull一行植物吊蔓繩束 nullnullnull吊滑輪鋼絲 nullnullnullnull吊秧滑輪 nullnullnullnull吊秧繩 為實現(xiàn)溫室黃瓜整體智能落蔓 在溫室黃瓜斜上 方安裝工業(yè)攝像頭 采集黃瓜秧蔓冠層圖像 黃瓜植株 冠層圖像識別信號傳送至樹莓派 nullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnull 通過 nullnullnullnullnullnull 視覺庫進行圖像處理 根據(jù)黃瓜長勢判斷是 否落蔓 當作物需要落蔓時 樹莓派發(fā)送落蔓電動機啟 動信號 電動機驅動行星減速機帶動主傳動軸旋轉 固 定于主傳動軸上的繞繩器將吊秧繩釋放 實現(xiàn)溫室作 物整體均勻落蔓 落蔓過程中 主傳動軸安裝的轉速 扭矩傳感器實時監(jiān)測落蔓裝置工作過程中轉速和扭矩 變化 實現(xiàn)秧蔓下降速度閉環(huán)控制 null 黃瓜整體落蔓裝置設計 整體落蔓裝置電動機軸系上的力矩平衡方程如 式 null 所示 null nullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null 式中 null 落蔓裝置主傳動軸總轉動慣量 nullnull null null null 電動機角速度 nullnullnull null nullnullnullnull 中國農機化學報 nullnullnullnull年 nullnull 電動機電磁轉矩 null null nullnull 落蔓裝置主傳動軸負載轉矩 null null null null 阻尼轉矩系數(shù) nullnull 落蔓裝置主傳動軸摩擦阻力矩 null null nullnullnullnullnullnullnull null 式中 null 作物植株數(shù)量 null 每個植株的平均重量 nullnull null 重力加速度 null null null null 主傳動軸半徑 null 實際黃瓜生產中 每個溫室內黃瓜種植行數(shù)較多 從式 null 可知 當黃瓜負載大于落蔓裝置系統(tǒng)摩擦阻力 時 系統(tǒng)將處于發(fā)電狀態(tài) 由于黃瓜每次落蔓高度約 為 nullnullnullnull 發(fā)電量較小 且落蔓停止后 秧蔓側負載較 大 落蔓裝置靜止需要較大鎖止轉矩 為了提高落蔓 裝置穩(wěn)定性 本設計采用配重平衡黃瓜秧蔓負載方法 即配重在落蔓裝置主傳動軸纏繞方向與秧蔓負載吊繩 纏繞方向相反 落蔓裝置停車時 黃瓜負載與配重對主 傳動軸產生的轉矩相平衡 即 null nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null 式中 null null 配重對主傳動軸產生的轉矩 null null null 配重質量 nullnull nullnull 配重盤半徑 null 試驗溫室中種植了 nullnullnull 株黃瓜 選取 nullnull 株黃瓜秧 蔓稱重后取平均值計算得到每株秧蔓平均重量為 nullnullnullnullnullnullnull 黃瓜負載的總質量為 nullnullnullnullnullnullnull 因試驗溫室 黃瓜種植規(guī)模不大 總負載較小 將配重吊繩直接纏繞 于主傳動軸上 配重質量與黃瓜側總質量相等 配重質 量為 nullnullnullnull 落蔓裝置電動機轉速與黃瓜落蔓速度關系如 式 null 所示 nullnull nullnullnullnull nullnull null 式中 null 電機轉速 null nullnullnull null 秧蔓下降速度 null null null 行星減速機傳動比 nullnullnullnull 采用配重平衡黃瓜秧蔓負載方法 落蔓裝置主傳 動軸承受扭矩較小 主傳動軸選用 nullnullnullnull 鋼管 外徑 測量值為 nullnullnullnullnullnullnullnull 黃瓜秧蔓每次下降高度每次為 nullnul