一种旱地栽植作业质量实时检测系统和检测方法技术方案

本发明专利技术公开一种旱地栽植作业质量实时检测系统和检测方法，工业相机和距离传感器固定于移栽机栽植行机架上并始终保持与地面垂直，工业相机实时采集田间移栽的秧苗样本图像，并结合距离传感器获取的相机相对地面的距离，对样本图像处理分析，利用距离传感器获取的相机与地面实时距离，计算出秧苗叶片几何形心间的精确株距，通过对比秧苗叶片几何形心距离理论株距中心距的距离，从而判断出秧苗空穴、倒伏和露苗等栽植质量指标。本发明专利技术降低成本和检测判断难度，提高处理速度和精度，为旱地移栽机移栽作业质量提供实时的露苗、倒苗和漏苗情况的实时检测，提高移栽机的作业效率降低人工使用成本。

【技术实现步骤摘要】
一种旱地栽植作业质量实时检测系统和检测方法
本专利技术属于农机设备领域，具体涉及一种旱地栽植机移栽作业质量实时检测系统和检测方法。
技术介绍
作物育苗移栽种植方式具有出苗率高、用种量少，便于苗期精细管理以及解决茬口衔接紧张等优势，但移栽机作业过程中由于土壤条件、秧苗质量等因素影响易出现漏栽、倒苗和露苗等栽植质量问题，目前现有的旱地移栽机普遍缺乏栽植质量检测功能，导致移栽作业过程中需依靠人工不断的对栽植效果进行实时观察，严重影响了作业效率的提高且增加了人工成本。目前已有主要针对水稻插秧的移栽作业质量监测专利公开，但由于水田作业土壤经处理后，田间畦面平整，移栽条件一致性好，与旱地移栽土壤和作业条件明显不同。国内外的研究中，已有通过一个相机从垂直地面方向进行拍摄，但该方法目前只能实现缺苗的判断，也有提出使用多个工业相机从多个角度对栽植秧苗的状态进行检测，从而判断秧苗是否倒伏或露苗，但该方法算法复杂且对系统硬件要求高，系统运算处理时间长目前不适于移栽作业实时在线检测。因此，如何设计一种成本低能满足旱地田间移栽作业复杂工况条件下的露苗、倒伏、缺苗等栽植质量检测系统和方法是提升现有旱地移栽机移栽作业质量和效率的一个重要研究课题。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术要解决的技术问题为：现有移栽机作业质量检测多采用人工观测的方法，影响作业效率提升、增加人工成本，目前已有研究单一相机只能检测空穴，多相机成本高、算法复杂系统运算分析处理时间长。针对现有技术中存在的不足，本专利技术基于图像采集处理进行移栽机田间作业质量实时在线检测，能够适用于大田作业情况下的旱地移栽作物的移栽作业质量实时在线监测。技术方案：本专利技术的一种旱地栽植作业质量实时检测系统，包括移栽机、工业相机、工控机和距离传感器，工业相机和距离传感器均安装于移栽机的栽植行机架，工业相机和距离传感器均与地面垂直，所述工业相机采集移栽的秧苗图像并传输至工控机，距离传感器实时采集工业相机与地面的垂直距离并传输给工控机，工控机收到图像信息和距离数据后，进行秧苗栽植状态检测判断。工控机的显示器显示检测判断后的秧苗栽植质量信息，当秧苗的栽植质量不符合预设质量要求时，工控机进行警报提醒，及时便捷地提醒用户进行故障原因排查和机具参数调整。为适应不同环境需要以及有多种参数采集工具的选择性，距离传感器包括红外传感器、激光传感器和超声波传感器的任意一种或者组合使用。为便于提高检测精度，所述工业相机和距离传感器两者位于同一水平高度，且均位于栽植行后方，移栽机工作过程中工业相机和距离传感器一起随着栽植作物单元移动。本专利技术还公开一种旱地栽植作业质量实时检测系统的检测方法，包括以下步骤：S1、建立工业相机动态标定系数，即：根据工业相机像素、工业相机距离地面高度H等参数建立工业相机像素和实际秧苗几何长度之间的标定系数：采用一标准靶块，在不改变工业相机和秧苗几何长度等参数前提下，只改变工业相机相对地面垂直高度H，建立标准靶块与拍摄的各个图像像素点个数之间的对应关系，得到标定系数k＝L/L0；其中L为标准靶块的图像像素点个数，L0为标准靶块的标准尺寸，单位为mm。)S2、获取秧苗样本数据，即：移栽秧苗过程中，通过工业相机实时采集栽植行的秧苗栽植图像，通过距离传感器实时采集拍摄某一栽植行秧苗图像时工业相机距离地面的高度；S3、对移栽的秧苗图像预处理；S4、对秧苗进行位置识别，即：将预处理后的秧苗图像结合步骤S1所得标定系数来确定图像中秧苗实际几何形状尺寸；然后采用图像分割和边缘检测方法来识别图像中每株秧苗叶片的面积，通过面积计算该栽植行中每株秧苗的几何形心位置；S5、进行秧苗的状态检测识别，秧苗的状态包括空穴、倒伏和露苗；①空穴判断：根据步骤S4获取的每株秧苗的叶片几何形心位置，计算相邻两株的欧式距离Sa，然后以相邻两株的欧式距离Sa和移栽机设定的移栽株距S进行比较：当Sa满足S+σ<Sa<nS+σ时，则判断相邻两株秧苗之间空穴有(n-1)株或穴苗，其中σ为秧苗田间实际株距的标准偏差；n是倍数关系，具体是指实际株距与理论株距比值；②倒伏判断：假定秧苗的茎秆轴心线与垂直于地面的夹角为θ(依据移栽机作业质量标准确定不为倒伏时的θ的具体值)，秧苗高度为P，秧苗倾斜后的实际叶片几何形心位置与该秧苗的理论中心位置之间的距离为d，d≤Psinθ；在预处理后秧苗图像中，秧苗若倾斜则有投影，然后以理论秧苗栽植位置为圆心且Psinθ为半径作圆A，以理论秧苗栽植位置为圆心且P为半径作圆B；在秧苗栽植倒伏判断标准中，秧苗的实际茎秆轴心线与垂直于地面的夹角为θ≤θ1时(θ1为依据移栽机栽植质量标准确定的不倒伏的具体倾角值)，秧苗即为不倒伏，若秧苗实际略微倾斜时，在二值化后秧苗图像上，秧苗的实际叶片形心则必然不会与其栽植位置重合，因此在处理后的秧苗图像上，可根据秧苗倾斜后实际叶片几何形心位置和理论秧苗栽植位置进行比较。即：如果栽植的秧苗实际叶片形心位置落入圆A的区域内，则判断秧苗未倒伏；并且秧苗实际叶片形心位置距离且理论中心位置越远，其倾斜得约越严重。在秧苗实际栽植中，当秧苗完全倒伏时，根据苗高高度可知秧苗的实际叶片几何形心位置与其理论栽植中心位置之间的距离没有超过秧苗高度，秧苗的根部还是栽植在理论栽植位置处，秧苗并没有离开土壤。即：如果栽植的秧苗实际叶片形心位置超出圆A的区域但未超出圆B的区域时，则判断秧苗为倒伏状态。③露苗判断：在秧苗的实际栽植过程中，当移栽后的秧苗脱离栽植位置时，该秧苗即为露苗状态，此时，秧苗的实际叶片形心位置与理论株距中心之间的距离不小于秧苗高度。即：在预处理后的二值化秧苗图像上，当栽植的秧苗实际叶片形心位置超出圆B的区域时，判断为该秧苗处于露苗状态。进一步的，所述步骤S3中秧苗图像预处理的具体方法为：步骤S3.3、先对步骤S2所采集的移栽秧苗图像依次进行灰度化处理、图像降噪处理以及图像增强处理；步骤S3.4、通过自适应阈值分割算法对步骤S3.3处理后的图像进行二值化处理，然后将利用二值化后的图像结合工业相机像素与实际长度的标定系数确定秧苗的实际几何尺寸。进一步的，采用超绿算法进行图像灰度处理和大津阀值法自适应选取二值化阀值；采用小波阀值降噪法对图片进行图像降噪，采用小波变换对图像进行图像增强。有益效果：本专利技术解决了现有技术中无法进行旱地移栽作业质量(空穴、倒伏、露苗)检测的问题，通过工业相机高度传感器获得精确的秧苗栽植状态信息，根据移栽机的确定株距，通过栽植秧苗的形心位置与理论株距中心的对比，基于秧苗形态特征，判断秧苗是否露苗、倒伏和漏苗。本专利技术大大降低了硬件条件、成本和检测判断难度，提高了系统处理速度，可为旱地移栽机移栽作业质量提高实时的露苗、倒苗和漏苗情况的实时检测，提高移栽机的作业效率降低人工使用成本。附图说明图1为本专利技术一实施例中系统结构示意图；图2为本专利技术一实施例中检测流程示意图；图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种旱地栽植作业质量实时检测系统，其特征在于：包括移栽机、工业相机、工控机和距离传感器，工业相机和距离传感器均安装于移栽机的栽植行机架，工业相机和距离传感器均与地面垂直，所述工业相机采集移栽的秧苗图像并传输至工控机，距离传感器实时采集工业相机与地面的垂直距离并传输给工控机，工控机收到图像信息和距离数据后，进行秧苗栽植状态检测判断，工控机的显示器显示检测判断后的秧苗栽植质量信息，当秧苗的栽植质量不符合预设质量要求时，工控机提醒用户。/n

【技术特征摘要】
1.一种旱地栽植作业质量实时检测系统，其特征在于：包括移栽机、工业相机、工控机和距离传感器，工业相机和距离传感器均安装于移栽机的栽植行机架，工业相机和距离传感器均与地面垂直，所述工业相机采集移栽的秧苗图像并传输至工控机，距离传感器实时采集工业相机与地面的垂直距离并传输给工控机，工控机收到图像信息和距离数据后，进行秧苗栽植状态检测判断，工控机的显示器显示检测判断后的秧苗栽植质量信息，当秧苗的栽植质量不符合预设质量要求时，工控机提醒用户。


2.根据权利要求1所述的旱地栽植作业质量实时检测系统，其特征在于：所述距离传感器包括红外传感器、激光传感器和超声波传感器。


3.根据权利要求1所述的旱地栽植作业质量实时检测系统，其特征在于：所述工业相机和距离传感器两者位于同一水平高度，且均位于栽植行后方，移栽机工作过程中工业相机和距离传感器一起随着栽植作物单元移动。


4.一种根据权利要求1至3任意一项所述的旱地栽植作业质量实时检测系统的检测方法，其特征在于；包括以下步骤：
S1、建立工业相机动态标定系数，即：根据工业相机像素、工业相机距离地面高度H参数建立工业相机像素和实际秧苗几何长度之间的标定系数k；
S2、获取秧苗样本数据，即：移栽秧苗过程中，通过工业相机实时采集栽植行的秧苗栽植图像，通过距离传感器实时采集拍摄某一栽植行秧苗图像时工业相机距离地面的高度；
S3、对移栽的秧苗图像预处理；
S4、对秧苗进行位置识别，即：将预处理后的秧苗图像结合步骤S1所得标定系数k来确定图像中秧苗投影后的实际几何形状尺寸；然后采用图像分割和边缘检测方法来识别图像中每株秧苗叶片的面积，通过面积计算该栽植行中每株秧苗的几何形心位置；
S5、进行秧苗的状态检测识别，秧苗的状态包括空穴、倒伏和露苗；
①空穴判断：根据步骤S4获取的每株秧苗的叶片几何形心位置，计算相邻两株的欧式距离Sa，然后以相邻两株的欧式距离Sa和移栽机设定的移栽株距S进行比较：
当Sa满足S+σ&...

【专利技术属性】
技术研发人员：张敏，吴崇友，蒋展，蒋兰，吴俊，汤庆，
申请(专利权)人：农业农村部南京农业机械化研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32