基于机器视觉的免耕播种机对行避茬技术研究

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所属分类:AGV设计资料
摘要

在华北小麦-玉米两熟区,玉米留茬收获后免耕播种小麦时存在开沟器易堵塞、播种质量差的问题,成为制约华北一年两熟地区全程机械化保护性耕作体系实施的一个关键技术难点。据文献报导,通过对行播种的方式使开沟器避开玉米根茬,可有效减少机组堵塞、提高播种质量。为此,本文开展了基于机器视觉的免耕播种机对行避茬技术研究,以期提高对行作业的效率和准确性。主要研究成果如下:(1)研究了基于普通彩色图像的玉米根茬行图像分割方法。在多个色彩通道下进行样本图像分析,结果表明在RGB色彩空间下提取根茬切口特征可提高根茬行图像分割效率;利用遗传算法对灰度化算子系数进行优化,并通过对灰度图列向投影选取感兴趣区域(Region of Intrest,R0I),降低了图像分割难度;在最大类间方差分割结合腐蚀操作的基础上,提出了一种基于阈值的二值图噪声滤除方法,可有效消除根茬行两侧噪声,提高导航线提取精度。(2)研究了基于高光谱图像的玉米根茬行图像分割方法。在强光照条件下采集了玉米根茬地在VIR-NIR和SWIR光谱区间的高光谱图像,通过差谱分析和主成分分析分别在上述两个光谱区间内各选取了三个特征波段,得到的两个特征波段子集均可在强光照条件下实现较为准确的玉米根茬行图像分割。(3)研究了免耕播种机对行作业导航线的提取方法。基于玉米根茬行图像分割结果,分别利用标准Hough变换和最小二乘法进行导航线检测,对比分析后选择耗时较短的最小二乘法提取对行作业导航线;并在此基础上提出了一种改进的最小二乘算法以提高检测精度,通过对图像中所有待拟合的特征点进行评价,剔除其中噪声点后进行最小二乘拟合,取得了较好的检测效果。(4)研制了一种针对开沟入土作业的对行控制系统。设计了通过电机结合蜗轮蜗杆减速器带动开沟器转向,电动缸推动机具横移的免耕播种对行试验装置;基于视觉系统处理结果,搭建了以上位机进行视觉处理与运动决策、下位机负责电机电动缸运动参数计算与控制的架构;并设计了上下位机软件系统的结构与功能,建立了上下位机间的通讯协议。(5)研究了免耕播种对行控制方法。根据免耕播种对行试验装置的结构特点,确定了预瞄准偏距控制流程,设计了负责开沟器偏转量决策的模糊控制器,并建立了电机与电动缸协同运动模型,可有效降低开沟器移动阻力。对免耕播种对行控制系统的对行控制过程进行了仿真分析,结果表明在1.2s的预瞄时间下,拖拉机前进速度小于等于1.2m/s时,开沟器实际运行轨迹与预期路径之间的平均偏差小于3cm,满足对行避茬精度要求。(6)集成视觉系统和对行控制系统后进行了对行避茬开沟田间试验,试验结果与仿真结果一致:当拖拉机前进速度小于等于1.2m/s时,可使开沟器有效避开根茬,能够满足对行避茬作业要求。

论文目录

摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 研究背景与意义
1.2 国内外研究现状
1.3 主要研究内容
1.4 技术路线
1.5 本章小结
第二章 基于普通彩色图像的玉米根茬行图像分割方法研究
2.1 玉米根茬地样本图像分析
2.2 基于遗传算法的玉米根茬图像灰度化
2.3 基于感兴趣区域的玉米根茬行图像分割
2.4 本章小结
第三章 基于高光谱图像的玉米根茬行图像分割方法研究
3.1 高光谱图像技术概述
3.2 玉米根茬地高光谱图像采集及预处理
3.3 基于特征波段的玉米根茬行图像分割
3.4 本章小结
第四章 免耕播种机对行作业导航线提取方法研究
4.1 基于传统作物行检测的对行作业导航线提取
4.2 基于改进最小二乘法的对行作业导航线提取
4.3 视觉系统标定
4.4 导航参数求解
4.5 本章小结
第五章 免耕播种机对行控制系统的研制与试验
5.1 免耕播种对行试验装置设计
5.2 免耕播种对行控制系统硬件构成
5.3 免耕播种对行控制系统软件设计
5.4 免耕播种对行控制方法研究
5.5 免耕播种机对行控制系统田间试验
5.6 本章小结
第六章 结论与建议
6.1 主要研究结论
6.2 创新点
6.3 存在的问题和建议
参考文献
致谢
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