一种棉田杂草实时识别对靶喷施的方法技术

本发明专利技术涉及一种棉田杂草实时识别对靶喷施的方法。视觉系统硬件包括外加光源、CCD彩色摄像机、A/D转换、DSP图像处理器、D/A转换、LCD显示器，外加光源可以改善自然条件下光线不均匀或亮度不合适的情况。识别方法采用以下步骤：安装在除草机械前部的摄像机实时获取棉田图像；经过A/D转换放到片外存储器中供DSP处理器调用，DSP从视频流中抽取帧图像进行处理；利用Cr特征法进行绿色作物和土壤背景的分割；根据喷头布置情况，将图像平均划分为四行，每个喷头对应一行；利用位置特征识别行间杂草；利用叶片面积、形状特征识别株间杂草；将得到的杂草位置信息发送微控制器，控制喷头打开，实现除草剂精确对靶喷施，以节省农药和减少污染。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于农业机械装备自动化控制
，涉及一种应用于棉田除草的嵌入式机器视觉系统，尤其涉及。
技术介绍
农田杂草控制主要是以使用化学除草剂为主。现在除草剂的使用方式主要是大面积喷洒，喷洒在非杂草区域的除草剂不仅造成了浪费，而且还带来严重的空气污染、水污染、土壤污染、农产品污染等危害；此外，农业生产劳动力也在不断减少，为降低杂草危害， 减轻环境污染，提高农药利用率，解放除草劳动力，实现杂草控制的自动化、科学化的课题值得探究。田间杂草是农业生产的大敌。在我国农田杂草约有1500多种，其中恶性杂草有38 种，区域性杂草94种，常见的杂草有364种；田间杂草对农作物的危害主要有与农作物争水、争肥、争光，影响作物的产量和质量；增加管理用工和生产成本，杂草混入农产品中还会降低农产品的品质；此外，杂草还会助长病虫害的滋生和蔓延；据估计，我国2000年因草害损失粮食239万多吨，棉花两万多吨，油料作物近20万吨，其他作物137万多吨；全球15亿公顷耕地每年仅杂草危害就造成约763亿美元的损失。目前，世界上最主要的除草方法是化学除草，在发达国家除草剂的使用量占农药施用量的近一半；在我国，近几年除草剂的施用量迅速增加，已占农药施用量的20%，每年消耗总量近47万吨，而现在除草剂的使用方式主要是大面积喷洒，喷洒在非杂草区域的除草剂不仅造成了浪费，而且还带来严重的空气污染、水污染、土壤污染、农产品污染等危害， 残留在土壤中的药物还会对轮种的后茬作物产生影响，使根部肿瘤等，造成药害，此外，中国的农业生产劳动力也在不断减少，逐渐不能满足国内落后的生产方式需要，鉴于此，为降低杂草危害，减轻环境污染，提高农药利用率，解放除草劳动力，实现杂草控制的自动化、科学化的课题值得探究。
技术实现思路
随着计算机技术的不断发展，特别是图像处理和人工智能等技术的逐渐成熟，通过机器视觉开发自动精确除草设备成为当前的研究热点，实时识别技术又是实现精确除草设备的关键技术，本专利技术利用机器视觉技术准确、实时的识别出杂草，并将杂草的位置传递给喷药控制系统，从而实现对杂草精确对靶喷施的目的，这样，既可以有效的控制草害，又可以最大幅度的减少生态环境污染。为实现上述目的，本专利技术提供了一种应用于除草机器人的基于嵌入式机器视觉系统的实时识别对靶喷施棉田杂草的方法。包括如下步骤步骤一，除草移动平台沿着作物行行走，安装在其前端的摄像机在作物行正上方实时获取包含作物和杂草的棉田彩色图像，并将待处理的田间图像经过A/D 转换后，传输到外部SDRAM中，供处理器调用；步骤二，DSP处理器从外部存储器中获取帧图像，利用Cr特征值法，根据阈值指标分割绿色植物和土壤背景，并进行二值化处理；步骤三，根据喷头的布置，把二值图像平均分成4行，每个喷头对应一行，当杂草出现在其所在行对应的喷头的正下方时，微控制器控制喷头打开，实施喷施任务；步骤四，如果一个区域中像素点的个数小于设定的阈值thresholdl，则认为该区域代表微量杂草，在一定时期内不会对作物的生长造成影响，不予施药，根据图像区域的划分，棉花作物位于中间两行，对行间杂草和株间杂草采取不同的识别方法，将图像第一行和最后一行中出现的前景部分， 只要像素点的个数大于之前设定的阈值thresholdl，都定义为行间杂草；步骤五，根据棉花叶片和杂草叶片大小、形状的不同，利用形状特征识别株间杂草，由于棉花的株距一般为 20cnT30Cm，一幅图像中包含2 3株棉花，对于图像中间两行出现的前景部分，如果前景区域的个数不大于2，则认为两个前景点都是棉花，无需进行下面的识别操作，如果区域个数大于2，先根据区域大小特征判定棉花与杂草，把面积明显小于棉花叶片面积的区域定义为杂草，若有区域面积与棉花叶片面积相当甚至更大，再根据区域的形状特征(圆形度)是否与棉花叶片相符做进一步判定；步骤六，将杂草的位置信息通过串口发送给喷药控制系统， 控制喷头适时打开，以达到精确对靶喷施的目的。在步骤一中，当外界光线不满足图像采集要求时，会影响图像采集的质量以及影响图像处理的结果，所以在摄像机拍摄区域上方提供人工光源。在步骤二中，由于A/D转换器将摄像机采集的模拟信号转换成了数字色差信号， 所以选用YCbCr空间提取绿色植物，不需要做复杂的数学运算，分割速度快实时性好，绿色作物的分割效果也较好。在步骤五中，对于株间杂草的识别过程中前景区域个数大于2的情况，可以按照以下两个步骤做进一步识别A)如果thresholdlCKthreshold〗，则认为该作物叶片面积较小，所以将其定义为杂草，其中thresholdl为判定微量杂草阈值，为100，threshold〗为判定棉花最小叶片阈值， 为 15000 ；B)如果T>threshold2，说明叶片面积较大，这时需要结合叶片的形状特征进行识别； 圆形度用来描述物体形状接近圆形的程度，其计算公式为下式R = At^UL2其中，S为图形面积，L为图形周长，R值越大则越接近圆形，对棉花叶片统计得其圆形度为0. 862，取阈值为0. 8，圆形度小于阈值的判定为杂草。本专利技术的技术效果在于本专利技术采用DSP处理器，提出了一种基于嵌入式系统的棉田杂草实时识别定位方法， 利用棉花和杂草的位置和形状特征，从作物中识别出棉田杂草，并获取杂草的位置信息，通过串口把杂草的位置信息发送给微控制器，使其控制喷头动作，实现精确对靶喷施。既可以缩小图像处理系统的体积，便于携带，又可以降低系统功耗，节约成本；同时，提高了农药利用率，减少了环境污染，实现了杂草控制的自动化。附图说明图1是本专利技术杂草实时识别方法的流程框图； 图2是本专利技术的机器视觉系统原理框图；图3是本专利技术中杂草自动识别算法的流程图； 图4是本专利技术的智能除草装置工作原理示意图。具体实施例方式本专利技术是针对农业自动化除草装置，提出一种基于DSP嵌入式系统的棉田杂草实时识别方法，将获取的田间图像经过处理，从绿色作物中识别出杂草，并将杂草信息发送给控制喷头打开的微控制器，实现精确对靶喷施，以节约农药减少环境污染。如图1、图2所示，除草移动平台沿着作物行行走，安装在其前端的摄像机在作物行正上方实时获取棉田彩色图像，然后经过视频解码器TVP5150PBS解码，将PAL视频信号转换成数字色差信号(YUV4:2:2),存储在片外的SDRAM中，供DSP芯片调用。对于DSP处理器获取的帧图像，根据杂草的位置特征识别行间杂草，根据棉花的种植信息以及叶片的大小、形状特征识别株间杂草，具体的实施方式如下1、对待处理的田间彩色图像，在YCbCr空间中采用Cr色差作为特征值进行图像分割， 绿色作物置为前景(白色)，土壤置为背景(黑色)；2、采用高斯模板对二值图像进行平滑处理，去除噪声提高图像质量，便于后续的图像处理；3、由于除草机器人的施药系统采用4个喷头喷施药液，喷头安装在移动平台后方的喷施架上，根据喷头的布置，把二值图像平均分成4行，每个喷头对应一行，当杂草出现在其所在行对应的喷头的正下方时，微控制器控制喷头打开，实施喷施任务；4、如果一个区域中像素点的个数小于设定的阈值thresholdl，则认为该区域代表微量杂草，在一定时期内不会对作物的生长造成影响，不予施药，为了简化杂草识别过程、节约时间，对行间杂本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种棉田杂草实时识别对靶喷施的方法，包括如下步骤：步骤一，除草移动平台沿着作物行行走，安装在其前端的摄像机在作物行正上方实时获取包含作物和杂草的棉田彩色图像，并将待处理的田间图像经过Ａ／Ｄ转换后，传输到外部ＳＤＲＡＭ中，供ＤＳＰ处理器调用；步骤二，ＤＳＰ处理器从外部存储器中获取帧图像，利用Ｃｒ特征值法，根据阈值指标分割绿色植物和土壤背景，并进行二值化处理；步骤三，根据喷头的布置，把二值图像平均分成４行，每个喷头对应一行，当杂草出现在其所在行对应的喷头的正下方时，微控制器控制喷头打开，实施喷施任务；步骤四，如果一个区域中像素点的个数小于设定的阈值ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ１，则认为该区域代表微量杂草，在一定时期内不会对作物的生长造成影响，不予施药，根据图像区域的划分，棉花作物位于中间两行，对行间杂草和株间杂草采取不同的识别方法，将图像第一行和最后一行中出现的前景部分，只要像素点的个数大于之前设定的阈值ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ１，都定义为行间杂草；步骤五，根据棉花叶片和杂草叶片大小、形状的不同，利用形状特征识别株间杂草，由于棉花的株距一般为２０ｃｍ～３０ｃｍ，一幅图像中包含２～３株棉花，对于图像中间两行出现的前景部分，如果前景区域的个数不大于２，则认为两个前景点都是棉花，如果区域个数大于２，先根据区域大小特征判定棉花与杂草，把面积明显小于棉花叶片面积的区域定义为杂草，若有区域面积与棉花叶片面积相当甚至更大，再根据区域的形状特征是否与棉花叶片相符做进一步判定；步骤六，将杂草的位置信息通过串口发送给喷药控制系统，控制喷头适时打开，以达到精确对靶喷施的目的。...

【技术特征摘要】
1.一种棉田杂草实时识别对靶喷施的方法，包括如下步骤步骤一，除草移动平台沿着作物行行走，安装在其前端的摄像机在作物行正上方实时获取包含作物和杂草的棉田彩色图像，并将待处理的田间图像经过A/D转换后，传输到外部SDRAM中，供DSP处理器调用； 步骤二，DSP处理器从外部存储器中获取帧图像，利用Cr特征值法，根据阈值指标分割绿色植物和土壤背景，并进行二值化处理；步骤三，根据喷头的布置，把二值图像平均分成4 行，每个喷头对应一行，当杂草出现在其所在行对应的喷头的正下方时，微控制器控制喷头打开，实施喷施任务；步骤四，如果一个区域中像素点的个数小于设定的阈值thresholdl， 则认为该区域代表微量杂草，在一定时期内不会对作物的生长造成影响，不予施药，根据图像区域的划分，棉花作物位于中间两行，对行间杂草和株间杂草采取不同的识别方法， 将图像第一行和最后一行中出现的前景部分，只要像素点的个数大于之前设定的阈值 thresholdl，都定义为行间杂草；步骤五，根据棉花叶片和杂草叶片大小、形状的不同，利用形状特征识别株间杂草，由于棉花的株距一般为20cnT30Cm，一幅图像中包含2 3株棉花， 对于图像中间两行出现的前景部分，如果前景区域的个数不大于2，则认为两个前景点都是棉花，如果区域个数大于2，先根据区域大小特征判定棉花与杂草，把面积明显小于棉花叶片面积的区域定义为杂草，若有区域面积与棉花叶片面积相当...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈树人，裴文超，尹东富，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：32