基于机器视觉的精密自动除草机控制系统研究

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实现农业机械装备的现代化是迈向农业现代化社会的首要前提条件。为了加速农业现代化的发展进程,就必须着力推进智能化农机装备的研发。本文将当前热门的机器视觉技术、传感器技术以及液压控制技术与除草机相结合,致力于实现农业除草装备的自动化、智能化。为了实现在除草机工作过程中对其精准有效地控制,本文集中在以下几个方面进行了研究:(1)深入分析本课题控制系统的结构组成,将控制系统从宏观上分为三大部分:输入(视觉图像处理系统)、控制器处理(基于模糊PID控制算法实现系统在线实时控制)、执行机构(液压系统和除草刀具),并对各部分的实现方法进行了研究。(2)提出了一种能够同时清除农田作物行内、行间杂草的除草方案。该方案首先利用机器视觉技术对农田植株进行定位,然后控制除草刀具在除草机行进过程中避让植株,清除杂草。设计该方案的目的在于实现农田作物行内、行间全方位连续除草。(3)设计了用于判别农田植株种植情况与确定农田植株根部位置的图像处理算法程序。该程序不仅使除草机能够应用于多种场景,而且执行效率较高,经多次测试,处理一张480x640分辨率的图片平均耗时为0.25秒,完全可以达到本课题中对图像处理效率的要求。(4)基于C/S分布式模式开发了网络通信模块,并借助数据库技术实现了服务器(嵌入式开发板)与客户端(PC主机)之间的数据通信。而且为了保证服务器与客户端之间网络连接的稳定性,在服务器与客户端的程序实现中都加入了心跳检测机制以及异常处理机制。另外,为了保证通信的及时性,利用多线程的编程思想实现了服务器与客户端之间的异步通信。(5)利用传感器技术、数据采集技术以及液压控制技术对除草机执行机构的动作进行控制。采用拉绳位移传感器对除草刀盘的位置信息进行反馈,编码器对除草刀盘的旋转速度进行测定。数据采集卡提供控制系统控制信号与反馈信号的输入输出通道。刀盘的位置偏移选用基于模糊PID算法的闭环控制方法实现,而刀盘的转速采用开环控制。(6)依托实验室环境对该课题的最终成果进行了实验验证分析。实验结果表明经图像处理后的数据能及时的被液压伺服控制系统接收,控制信号发出后系统的响应速度以及精度都基本满足课题要求。
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