图像处理技术对采棉机器人的影响范文

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《农业工程杂志》2014年第五期

1图像处理过程

在图像处理过程中首先用工业相机采集图像信息，将得到的数字图像经过灰度处理，阈值分割，区域标记，边缘检测，线性滤波等操作，提取目标信息。使机器视觉不能识别的信息转变为可被机器读取的信号，从而指导采棉机器人进行工作。图像处理流程如图3所示。图像采集传感器有CMOS和CCD两种，基于采集的速度和采集质量，一般选用CCD传感器。摄像机采集的图像都是基于RGB颜色空间模型的，由于RGB模型种种弊端不能使图像的某些特征信息突出，要进行色彩空间转换。现在已有多种空间模型根据实际要提取的目标信息选取合适的模型。经过初步的图像处理一般都不能突出所要的信息，还要进行特殊化处理，提取区域的特征参数以及根据特征参数提取原始图像的目标信息。

2图像处理在棉花采摘中的应用

2.1棉絮的识别及提取对于采棉机器人来说主要的难点是对棉絮的识别及确定棉絮的三维空间位置，然后指导机械手进行采摘。要准确识别棉花的棉絮需要对棉花图像进行分割处理，图像处理一直受到学者们的重视。棉絮的识别就是从复杂的背景中分割出目标物。自然场景中棉花田中棉絮是白色的，背景几乎都是绿色的枝叶和处于绿色和黄色之间的枯萎枝叶，将这一重要特征信息作为棉花分割的依据。在图像处理空间模型中算法是多种多样的，目前常用的颜色空间有RGB、HSI、YCb-Cr、YUV、HSV和CMY等。彩色图像处理过程中没有一种颜色空间和算法适合于所有彩色图像的处理。研究中选用不同的颜色空间将会影响到棉花图像的分割效果。自然环境下棉花的生长千态万化，存在相互遮挡、枝叶遮挡等问题，这就需要用特定的处理模式处理棉絮与棉叶的边界、棉絮与棉叶的遮挡、棉花的成熟度等问题。

2.2棉絮的空间定位确定棉絮的三维空间位置是进行棉花采摘的前提。获取待采摘棉絮三维坐标的方法有以下4种。(1)双目立体视觉系统:由两个摄像机从不同角度同时采集同一目标物分别获得目标特征，进行特征点匹配再结合相机的内外参数得到目标物三维坐标。(2)时差法:利用同一台摄像机获得多幅连续图像，实现“从运动得到结构”，由特征点的匹配计算得到特征点的三维坐标。(3)传感器融合:首先由视觉传感器获得目标物的平面图像，计算其质心坐标，再利用测距传感器测得目标的坐标［6］。(4)结构光法:选择激光作为光源，利用光栅法、移动投光法获取距离图像和反色图像，联合得到目标物的形状和三维坐标［7］。目前通常利用双目立体视觉系统进行目标定位，此种方法模拟人眼的构造，利用左右目标物特征点的匹配进行，定位目标准确。定位流程如图4所示。

3图像处理在视觉导航中的应用

视觉导航是采棉机器人中自动导航的一个重要部分，对以后复杂环境下自主行走平台的研究具有重要意义［8］。在采棉机器人的视觉导航中，首先由摄像机采集场景图像并进行处理分析识别出导航路径，然后确定采棉机器人相对于导航路径的位姿，最后由控制电机根据位姿实时调节地轮的导向角实现采棉机器人的自主导航。获取导航路径的方法有以下两种:①单目视觉系统:用一个相机采集场景图像，可以识别出简单的直线行走路线，对于复杂的路线不能达到理想的效果。②双目视觉系统:用两个相机同时采集场景图像，基于视差，匹配特征点可以实时调节路径，此种方法可以实现曲线路径的实时调控。在路径识别过程中，关键的问题还是导航路径的算法和实际运用。虽然现在图像处理技术发展迅速，但是视觉导航中算法的耗时对实际的影响还是不能忽视的，而且新疆棉花的种植模式以及棉花的生长状态都增加了对导航路径的判断难度，最终导致不能快速地获取路径信号以及对电机发出指令进行位姿调节，从而影响采棉机器人的工作效率。国外视觉导航的研究开始于20世纪60年代并取得了一定的成就［9］。最初的研究应用于军事上，随着技术的日益成熟，视觉导航逐渐运用到了农业领域。美国纽荷兰农业机械公司基于视觉导航系统发明了一种自主行走的自动化联合收割机器人。由于社会老龄化的日益严重，农业劳动力不足，日本基于视觉导航发明了喷雾机器人、收割机器人和除草机器人等。我国在农业机器人的视觉导航领域研究起步较晚，但发展迅速也取得许多研究成果。蔡健荣等［10］通过恢复障碍物的三维信息，对于采摘机器人的路径进行了研究;刘兆祥等［11］对苹果采摘机器人三维视觉传感器设计方面进行了研究。

4主要问题和关键技术

4.1主要问题虽然图像处理的研究已经取得了很大的进展，但是在农业上的应用还有很大的差距。目前图像处理在采棉机中的应用主要存在以下几个问题:①棉絮的识别率不高和识别精度较低，目前，主要采用灰度处理、阈值分割和形态等方法;②棉絮的空间定位计算速度较慢及误差较大;③行走路线确定复杂度较大，主要因为新疆棉花的种植模式比较密集，行间较小，相邻绵株的棉叶交叉生长。

4.2关键技术关键技术主要是改进图像处理的算法。目前普遍的图像处理都不能精确、快速地提取棉花图像边缘信息，通过改进算法消除干扰，提高识别能力。采用主动光源的多维视觉系统。为了改变外界环境，精确快速定位棉絮，可以采用外部光源在一定程度上提高图像的采集质量。

5结束语

目前图像处理技术在农业中的应用还处在研究阶段，距离实际的生产运用还有一定的距离。农田中非结构化的种植模式极大地增加了图像处理技术在农业上的应用。本文从图像处理技术在采棉机器人中的目标物的识别定位、视觉导航等方面得出:①棉絮与棉叶的相互遮挡，目标物的数量相对较多，严重影响了目标物提取的效率和精确度;②棉株的种植较密，行距较小，使导航路径的确定增加了难度。随着科技的快速发展和工业化经营模式的推广，相信在不久的将来采棉机器人将走向棉田代替人力劳动，提高棉花质量降低劳动成本，使我国的农业装备向着智能化和自动化的方向发展。

作者：张豪郭辉韩长杰张静杨宛章单位：新疆农业大学机械交通学院新疆农业工程装备创新设计重点实验室