CN105165786B

CN105165786B - 基于图像采集的变量喷药机

Info

Publication number: CN105165786B
Application number: CN201510490043.7A
Authority: CN
Inventors: 贾洪雷; 郭明卓; 徐艳蕾; 包佳林; 冯超; 朱炽阳; 赵佳乐; 姜鑫铭; 郭慧; 王文君
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2015-08-12
Filing date: 2015-08-12
Publication date: 2018-03-09
Anticipated expiration: 2035-08-12
Also published as: CN105165786A

Abstract

本发明公开一种基于图像采集的变量喷药机，包括喷药装置、图像采集***、喷药量决策***、喷药量控制***、喷药状态监测***；喷药装置用于完成喷药的过程；图像采集***采用采集农田图像，发送给喷药量决策***进行处理；喷药量决策***处理采集的农田图像得到喷药量决策信息；喷药量控制***依据喷药量决策***发送的喷药量决策信息，控制喷药装置的喷头开闭组合实现变量喷药；喷药状态监测***实时检测变量喷药机的工作状态信号并发送至喷药量控制***。该喷药机能够实现按需喷药，提高农药的利用率，还能实现喷头堵塞报警并自动显示药箱药量、喷头喷药量、喷药压力等性能指标，对喷药状态全面监测。

Description

基于图像采集的变量喷药机

技术领域

本发明属于植保机械技术领域，具体涉及一种基于图像采集的变量喷药机，适用于精准农业、保护性耕作。

背景技术

目前，普通喷药机在田间工作时普遍采用粗放式喷洒的工作方式，不考虑杂草和作物在空间区域上的分布特点，无论作业地块大小均制定统一的除草剂使用方案，采用均匀投放方式进行除草，这使得植保机械喷洒出的除草剂只有20％～30％量(发达国家50％)起到除草作用，而大部分除草剂流失到周围环境中，增加了农产品生产成本，对生态环境造成了危害，严重制约了我国农业生产的可持续发展。

变量喷药技术在喷药机上的应用是喷药机发展的新方向。国外变量喷药技术研究起步较早，现已有变量喷药***成品出售，实现了喷头喷药量随机具作业速度调整的自动化。但该类***全部配以大型农用机具整体出售，虽然操作简单，但是整机购买价格昂贵，后期使用维护困难。目前国内外很多学者都对基于杂草分布状况的变量喷药进行研究，但是大部分还没有走出实验室，只是实现了变量喷药机的部分功能。

变量喷药决策信息获取是变量喷药机研制的关键技术之一，目前普遍采用基于处方图控制的变量喷药技术，此技术应用GPS(全球定位***)/GIS(地理信息***)技术，依据得到的处方数据，控制喷头喷药量实现变量喷药作业。这种喷药机的优点是整机构造简单，响应速度快。但是，这种喷药机普遍采用提前获取喷药量信息处方图的方法，因此实用性及准确性较差。基于CCD摄像头和图像处理的变量喷药技术是变量喷药机的发展新方向，但是要求实时获取图像并处理得到喷药量决策信息，因此对图像处理的速度要求较高。目前，国内外都只是停留在理论研究阶段，还没有此类变量喷药机实际应用的报道。

变量喷药控制***是变量喷药机的关键部分，目前变量喷药机上普遍采用压力式变量喷嘴，通过调节喷嘴的压力实现变量喷药，这种方式会严重改变喷嘴原有的雾化特性，且流量调节范围窄，而农药喷施质量的好坏与雾化特性密切相关。

目前，国际上的变量喷药机都是根据行进速度进行变量喷药或者是根据处方图和地理信息进行变量喷药。这样的变量喷药机不能实现真正意义上的变量喷药，不能根据大田的实际情况进行准确的变量喷药。而且目前的变量喷药机采用调节喷嘴压力来调节喷药量，这样就改变了喷嘴原有的雾化特性，造成喷洒质量的下降。这些都是目前变量喷药机存在的技术上的缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于图像采集的变量喷药机，该喷药机能够实现按需喷药，提高农药的利用率，降低生产成本，减少农药对生态环境的污染。还能实现喷头堵塞报警并自动显示药箱药量、喷头喷药量、喷药压力等性能指标，对喷药状态全面监测。

本发明的目的是通过以下方案实现的，结合附图：

一种基于图像采集的变量喷药机，包括喷药装置、图像采集***、喷药量决策***3、喷药量控制***4、喷药状态监测***；

喷药装置包括药箱21、药泵7、主喷药管路14、喷头18，药箱21与药泵7管路连接，药泵7出水口处输出分为两路，一路流回药箱21，另外一路注入主喷药管路14，主喷药管路14分支成两路，一路与药箱21连接，另一路通过分配器15连接多个喷头18，每个喷头18上安装有一个电磁阀16；

图像采集***用于采集车辆前方的农田图像，并将采集到的农田图像发送至喷药量决策***3；喷药量决策***3对所述图像采集***采集的农田图像进行处理，得到喷药量决策信息并发送至喷药量控制***4；

喷药量控制***4根据所述喷药量决策***3发送的喷药量决策信息控制喷药装置进行喷药；

喷药状态监测***实时检测变量喷药机的工作状态信号并发送至喷药量控制***4。

所述的一种基于图像采集的变量喷药机，其中，喷药装置还包括溢流阀11、安全阀10、一号过滤器9、蓄能器13，药液从所述药箱21流经进水管22、一号过滤器9进入药泵7进水口，药泵7出水口处输出分出的两路，一路流经安全阀10流回药箱21，另外一路通过溢流阀11、二号过滤器12和蓄能器13注入主喷药管路14，主喷药管路14分支成的两路分别为出水管25和旁路回流管19，旁路回流管19通过安全阀10与药箱21连接，出水管25连接分配器15，每个分配器上连接三个喷头18。

所述的一种基于图像采集的变量喷药机，其中，图像采集***包括安装在车辆前方的摄像机1和与摄像机1连接的图像采集卡2，图像采集卡2采集摄像机拍摄的农田图像后发送至所述喷药量决策***3。

所述的一种基于图像采集的变量喷药机，其中，喷药量控制***4包括无线通信模块30、单片机控制器31和电磁阀控制电路33，单片机控制器31通过无线通信模块30与所述喷药量决策***3连接，单片机控制器31接收喷药量决策***3传输的喷药量决策信号，然后通过电磁阀控制电路33控制安装在每个喷头18上的电磁阀16开闭。

所述的一种基于图像采集的变量喷药机，其中，喷药状态监测***包括传感器、信号采集电路、显示模块32及报警电路34；传感器用于实时监测变量喷药机的工作状态信号，将变量喷药机工作状态信号通过信号采集电路处理后发送至所述喷药量控制***4，经喷药量控制***4处理后，在显示模块32上显示变量喷药机的工作状态，并在发生故障时通过报警电路34及时报警。

所述的一种基于图像采集的变量喷药机，其中，传感器包括流量传感器17、压力传感器24、液位传感器20和速度传感器6，流量传感器17安装在所述多个喷头18中，压力传感器24安装在所述主喷药管路14中，液位传感器20安装在所述药箱21中，速度传感器6安装在车辆地轮上。

所述的一种基于图像采集的变量喷药机，其特征在于，所述喷药量决策***3对所述图像采集***采集的农田图像进行处理，其图像处理方法包括以下步骤：

对所述图像采集***采集到的农田图像进行二值化处理，图像背景的像素值为0，图像上农田绿色植物像素值为1；

统计图像每一列上像素值为1的像素点的个数，得到图像采集位置直方图；

图像采集位置直方图中，横坐标x表示图像的列，纵坐标y表示对应列上像素值为1的像素点的个数，用max(y)表示y的最大值，计算y<＝1/3*max(y)所对应的x点，得到多个x值的区间，[x₁₁x₁₂],[x₂₁x₂₂]....[x_n1x_n2]，这些区间则表示实际的作物行间，每个区间中累加区间([x_n1x_n2])内所有x值对应的y值，得到每个区间内像素值的个数总和，记作sum(1)，sum(2)，sum(3)....sum(n)，定义：

p(n)＝sum(n)/size

size表示图像总的像素点数，p(n)表示每个行间像素点所占整个图像的比率，即农田中行间杂草占地的比率，从而确定杂草分布的多少，决策最终喷药量。

本发明提供的基于图像采集的变量喷药机能够实现喷药的基本功能，还能够根据农田杂草分布情况的不同，实现变量喷药，同时还能监测喷药机的工作状态。本发明的变量决策部分快速准确，变量控制部分结构简单，成本低，还可以实现大范围喷药量的调整。本发明可以节约农药的使用量，减少对生态环境的污染，同时能够降低农业生产成本，提高农产品的品质。

附图说明

图1：本发明基于图像采集的变量喷药机结构示意图；

图2：本发明图像采集位置直方图示意图；

图3：本发明图像采集位置直方图分布曲线；

图4：本发明电路原理框图。

图中：1-摄像机 2-图像采集卡 3-喷药量决策*** 4-喷药量控制*** 5-拖拉机电瓶 6-速度传感器 7-药泵 8-传动带 9-一号过滤器 10-安全阀 11-溢流阀 12-二号过滤器 13-蓄能器 14-主药管 15-分配器 16-电磁阀 17-流量传感器 18-喷头 19-回流管20-液位传感器 21-药箱 22-进水管 23-药泵进水口 24-压力传感器 25-出水管 26-流量信号采集电路 27-压力信号采集电路 28-速度信号采集电路 29-液位信号采集电路 30-无线通信模块 31-单片机控制器 32-显示模块 33-电磁阀控制电路 34-报警电路 35-供电电路

具体实施方式

为了能够进一步理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明的具体内容及其实施方式进行说明。

基于图像采集的变量喷药机，其安装在拖拉机上，由喷药装置、图像采集***、喷药量决策***3、喷药量控制***4、喷药状态监测***、配电***构成。喷药装置用于完成喷药的过程；图像采集***采用CCD摄像机1，其通过支架安装在拖拉机前方采集农田图像，图像采集卡2采集摄像机拍摄的图像，发送给喷药量决策***3进行处理；喷药量决策***3采用PC机作为上位机，处理采集的农田图像，得到喷药量决策信息；喷药量控制***4采用单片机控制器31作为下位机，依据喷药量决策***3发送的喷药量决策信息，控制喷药装置的喷头18开闭组合实现变量喷药；喷药状态监测***采用速度传感器6、压力传感器24、流量传感器17、液位传感器20检测喷药机的各工作状态，对喷药机进行全面的监测。

所述的喷药装置包括药箱21、药泵7、溢流阀11、安全阀10、一号过滤器9、蓄能器13、主喷药管路14、分配器15、喷头18。药泵7由拖拉机输出轴经过传动带8带动，药泵7与药箱21连接，药液从药箱21流经进水管22、一号过滤器9进入药泵7进水口，药泵7出水口处输出分为两路，一路流经安全阀10及安全阀回路流回药箱，另外一路通过溢流阀11、二号过滤器12和蓄能器13注入主喷药管路14。主喷药管路14分支成出水管25和旁路回流管19，旁路回流管19通过安全阀回路与药箱21连接；出水管25连接分配器15，每个分配器上连接三个喷头18。这样，当拖拉机启动运行时，带动药泵开始工作，能够把药液通过喷头喷洒到作物上，完成基本的喷药功能。

图像采集***和喷药量决策***3用来完成农田杂草信息的采集和处理，从而形成喷药量信息。图像采集***包括CCD摄像机1和图像采集卡2，喷药量决策***3包括上位机；CCD摄像机1安装在喷药机前方支架上，图像采集卡2与喷药量决策***3的上位机电路连接并安装在驾驶室内，所述的CCD摄像机1采集农田图像，采集到的信号经过图像采集卡2发送到喷药量决策***3中进行处理和分析，处理和分析包括图像的防抖动处理以及杂草分布信息处理和分析。

本发明采用了快速的图像处理算法，采用基于位置直方图，直接确定杂草分布信息的方法，这也是本发明的一个特点。具体的方法如下：对采集到的图像进行二值化处理，也就是图像背景的像素值为0，而图像上农田绿色植物像素值为1；然后统计图像每一列上像素值为1的像素点的个数，得到图像采集位置直方图，即附图2。图2中横坐标为x表示图像的列，纵坐标y表示对应列上像素值为1的像素点的个数，用max(y)表示y的最大值，通过计算y<＝1/3*max(y)(1/3是根据实际情况进行选取，可以进行相应的调整)所对应的x点可以得到多个x值的区间，[x₁₁x₁₂],[x₂₁x₂₂]....[x_n1x_n2]，这些区间则表示实际的作物行间，每个区间中累加区间([x_n1x_n2])内所有x值对应的y值可以得到区间内像素值的个数总和记作sum(1)，sum(2)，sum(3)....sum(n)，定义

p(n)＝sum(n)/size (1)

size表示这个图像的大小，也就是总的像素点数，p(n)则表示每个行间像素点所占整个图像的比率，即行间杂草占地的比率，从而确定杂草分布的多少，决策最终喷药量。在本发明中，依据农学知识杂草分布程度分为5档，分别为无，较少，中等，较多，严重。

本发明采用的杂草分布信息获取方法具有快速、准确的特点，采用基于位置直方图的方法，直接确定杂草的分布信息方法，附图3是采集的农田图像处理后得到的位置直方图，图中横坐标为图像的列，纵坐标为相应的列上绿色植物分布的像素点数。运用前面所述的公式(1)，可以计算出行间杂草的占地比率：

p1＝12.49％,p2＝24.51％

依据农学知识判断，此比率杂草分布分别为较少和中等程度，单片机通过无线传输接收此信号，控制相应行喷头的喷药量进行合理的喷洒。

图4为喷药量控制***4、喷药量决策***3和喷药状态监测***的电路原理框图，喷药量控制***4主要由无线通信模块30、单片机控制器31和电磁阀控制电路33构成，单片机控制器31作为处理器，用于完成***行进速度、大田杂草分布密度、喷头喷药量等信号处理、流量反馈信号的比较计算以及变量执行器控制信号的输出。单片机控制器31通过无线通信模块30与喷药量决策***3连接，安装在驾驶室内，单片机控制器31接收喷药量决策***3传输的喷药量决策信号，然后通过电磁阀控制电路33控制安装在三个喷头上的电磁阀开闭，从而控制总的喷药量，实现变量喷药作业。

无线通信模块30由USR-C322WIFI通信模块、电平转换电路及复位重置电路构成，可以完成单片机控制器31和喷药量决策***3之间的数据传输，还可以实现单片机控制器31与喷药状态监测***信号采集电路之间的数据传输。采用无线通信方式传输数据，可以避免使用过多的导线，单片机控制器可以安装到方便的位置，不受位置的约束，而且无线通信可以提高单片机与单片机之间组网通信的灵活性，提高***的可靠性。

电磁阀控制电路33由继电器HT4100F及继电器的驱动电路组成，由单片机控制器31控制继电器的通断，进而控制电磁阀16的开闭，从而能够控制3路喷头的开闭。单片机控制器31的***电路由单片机芯片及***电路构成，接收喷药量决策***3发出的喷药量信号，并控制喷头进行变量喷药，同时接收喷药状态监测***传来的喷药流量、压力、速度、液位等喷药机工作状态信号，处理后通过示模块32显示喷药机的工作状态。

喷药状态监测***主要由传感器、信号采集电路、显示模块32及报警电路34构成，能够实现喷头堵塞报警并自动显示药箱药量、喷头喷药量、喷药压力等性能指标，对喷药状态全面监测。传感器包括流量传感器17、压力传感器24、液位传感器20和速度传感器6，各传感器将实时检测的喷药机工作状态信号通过信号采集电路处理后发送至喷药量控制***，经过单片机控制器31处理，在显示模块32上显示喷药机的工作状态，并在发生故障时及时报警。流量传感器17采用霍尔流量传感器，安装在每个喷头18中，其作用是将喷药装置中药液多少及流动的情况变换成电信号，并将其信号经过流量信号采集电路26处理后通过无线通信模块30发送至单片机控制器31，脉冲信号的频率大小表示喷药量的大小，将这种信号经过单片机处理计算，得出喷头的喷药量，并在显示模块32上显示喷药量；根据每个喷头的实时喷药量和喷洒的时间，可以计算出累计喷药量，并在显示模块32显示出来。当电磁阀16打开时，若电脉冲信号消失，此时单片机检测喷头流量为零，说明喷头堵塞发生，单片机控制器31通过报警电路34控制蜂鸣器发出警报信息。压力传感器24采用西门子QBE2002-P10水压传感器，安装在主喷药管路14中，作用是监测主喷药管路的压力，通过将喷药管路中的压力转换为电信号，并将信号经过压力信号采集电路27处理后通过无线通信模块30发送至单片机控制器31，经过单片机控制器31计算处理得出喷药管路的压力，并在显示模块上显示，可以实时监测主喷药管路的压力，防止压力过大和过小，保持压力的稳定。液位传感器20采用美控自动化公司的MIK-P260液位传感器，安装在药箱21中，可以监测药箱的液位，通过将药箱中液位信息转换为电信号，并将信号经过液位信号采集电路29处理后通过无线通信模块30发送至单片机控制器31，经过单片机控制器31计算处理得出药箱的液位值，并在显示模块32上显示，可以实时检测药箱液位，防止药箱缺药或者溢出情况发生。速度传感器6采用创索科技的CS6C-FR1霍尔接近开关，安装在拖拉机地轮上，可以检测机具的行进速度，机具的行进速度由喷药量决策***和控制***的响应时间来决定，通过检测机具的行进速度，可以实时调整机具的行进速度，使其按照指定的速度行驶。显示模块32采用液晶显示模块12864，能够显示机具的运行速度、瞬时喷药量及喷药总量及喷药压力及药箱的液位等信息，能够实时监测喷药机的运行情况；信号采集电路采集喷药机的流量、压力、速度、液位等信号，并通过无线通信模块30发送给单片机控制器31进行处理；供电电路35可以为电路提供直流电源；当单片机控制器31发出喷药指令，而喷头没有检测到有药液流量，这时喷头堵塞发生，单片机控制器31通过报警电路34控制蜂鸣器发出警报信息。

变量喷药机上普遍采用压力式变量喷嘴，通过调节喷嘴的供压实现变量喷药，这种方式会严重改变喷嘴原有的雾化特性，且流量调节范围窄，而农药喷施质量的好坏与雾化特性密切相关。因此，每行采用一个分配器，每个分配器上安装三个喷头18，每个喷头的喷药量都不相同，每个喷头上安装一个电磁阀16，通过控制电磁阀16的开闭，可以组合8种不同的喷药量。表1列出了8种不同组合的喷药量。在本发明中，用到了5种不同的喷药量组合，分别对应前面所述的5种杂草分布情况：无，较少，中等，较多，严重。采用的是表1中的第1、3、2、6、7共5种喷药量。采用这种方式，可以避免使用电动阀和比例阀，可以大大节省成本，而且也避免了控制电路的复杂性，加快处理的速度，同时能够实现大范围喷药量的调整。

表1

序号	开启喷头	流量
			1	无	0L/min
2	1号	0.33L/min
			3	2号	0.12L/min
4	3号	0.15L/min
			5	1号+2号	0.38L/min
6	1号+3号	0.42L/min
			7	2号+3号	0.21L/min
8	1号+2号+3号	0.54L/min

所述的配电***包括5v电源模块、12v电源模块、24v电源模块，它们通过变压器与拖拉机电瓶连接，为喷药决策***和喷药控制***提供电源。

Claims

1.一种基于图像采集的变量喷药机，其特征在于，包括喷药装置、图像采集***、喷药量决策***（3）、喷药量控制***（4）、喷药状态监测***；

喷药装置包括药箱（21）、药泵（7）、主喷药管路（14）、喷头（18），药箱（21）与药泵（7）管路连接，药泵（7）出水口处输出分为两路，一路流回药箱（21），另外一路注入主喷药管路（14），主喷药管路（14）分支成两路，一路与药箱（21）连接，另一路通过分配器（15）连接多个喷头（18），每个喷头（18）上安装有一个电磁阀（16）；

所述喷药装置还包括溢流阀（11）、安全阀（10）、一号过滤器（9）、二号过滤器（12）蓄能器（13），药液从所述药箱（21）流经进水管（22）、一号过滤器（9）进入药泵（7）进水口，药泵（7）出水口处输出分出的两路，一路流经安全阀（10）流回药箱（21），另外一路通过溢流阀（11）、二号过滤器（12）和蓄能器（13）注入主喷药管路（14），主喷药管路（14）分支成的两路分别为出水管（25）和旁路回流管（19），旁路回流管（19）通过安全阀（10）与药箱（21）连接，出水管（25）连接分配器（15），每个分配器上连接三个喷头（18）；

所述图像采集***包括安装在车辆前方的摄像机（1）和与摄像机（1）连接的图像采集卡（2），图像采集卡（2）采集摄像机拍摄的农田图像后发送至所述喷药量决策***（3）；喷药量决策***（3）对所述图像采集***采集的农田图像进行处理，得到喷药量决策信息并发送至喷药量控制***（4）；喷药量控制***（4）根据所述喷药量决策***（3）发送的喷药量决策信息控制喷药装置进行喷药；喷药状态监测***实时检测变量喷药机的工作状态信号并发送至喷药量控制***（4）；

所述喷药量决策***（3）对所述图像采集***采集的农田图像进行处理，其图像处理方法包括以下步骤：

图像采集位置直方图中，横坐标x表示图像的列，纵坐标y表示对应列上像素值为1的像素点的个数，用max(y) 表示y的最大值，计算y<=1/3*max(y)所对应的x 点，得到多个x值的区间，[x₁₁ x₁₂]，[x₂₁ x₂₂]…，[x_n1 x_n2]，这些区间则表示实际的作物行间，每个区间中累加区间（[x_n1 x_n2]）内所有x值对应的y值，得到每个区间内像素值的个数总和，记作sum（1），sum（2），sum（3）…，sum（n），定义：

p(n)=sum（n）/size

式中，size表示图像总的像素点数，p(n)表示每个行间像素点所占整个图像的比率，即农田中行间杂草占地的比率，从而确定杂草分布的多少，决策最终喷药量；

所述喷药量控制***（4）包括无线通信模块（30）、单片机控制器（31）和电磁阀控制电路（33），单片机控制器（31）通过无线通信模块（30）与所述喷药量决策***（3）连接，单片机控制器（31）接收喷药量决策***（3）传输的喷药量决策信号，然后通过电磁阀控制电路（33）控制安装在每个喷头（18）上的电磁阀（16）开闭；

所述喷药状态监测***包括传感器、信号采集电路、显示模块（32）及报警电路（34）；传感器包括流量传感器（17）、压力传感器（24）、液位传感器（20）和速度传感器（6），流量传感器（17）安装在所述多个喷头（18）中，压力传感器（24）安装在所述主喷药管路（14）中，液位传感器（20）安装在所述药箱（21）中，速度传感器（6）安装在车辆地轮上；

传感器用于实时监测变量喷药机的工作状态信号，将变量喷药机工作状态信号通过信号采集电路处理后发送至所述喷药量控制***（4），经喷药量控制***（4）处理后，在显示模块（32）上显示变量喷药机的工作状态，并在发生故障时通过报警电路（34）及时报警。