阅读说明：本技术 一种草莓开花期喷施系统及方法 (Strawberry flowering phase spraying system and method ) 是由 崔明 陈仕雄 蒋其友 严方 于 2019-09-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种草莓开花期喷施系统及方法,所述喷施系统包括喷施装置、视觉检测装置和控制装置,喷施装置、视觉检测装置和控制装置固定在悬吊平台运动装置上；所述喷施方法包括：在离线状态下标定草莓开花状态类型参数；采集图像经校正后提取R颜色空间图像分量进行高斯滤波处理；利用改进K均值聚类分割算法对图像进行分割；利用形态学处理和连通区域面积特征分析方法提取草莓开花像素区域；计算草莓开花区域与总像素区域的像素比,并根据标定参数确定草莓开花期状态类型；根据草莓开花期状态类型确定喷施等级,自动调整单位面积喷施量。本发明喷施方法提高了草莓开花期施肥的精准性和可靠性,有利于提高草莓的产量和质量。(the invention discloses a spraying system and a spraying method for strawberries in a flowering period, wherein the spraying system comprises a spraying device, a visual detection device and a control device, and the spraying device, the visual detection device and the control device are fixed on a suspension platform movement device; the spraying method comprises the following steps: calibrating strawberry flowering state type parameters in an off-line state; after the collected image is corrected, extracting R color space image components and carrying out Gaussian filtering processing; segmenting the image by utilizing an improved K-means clustering segmentation algorithm; extracting a strawberry flowering pixel region by using a morphological processing and connected region area characteristic analysis method; calculating the pixel ratio of the strawberry flowering area to the total pixel area, and determining the type of the strawberry flowering period state according to the calibration parameters; and determining the spraying grade according to the type of the flowering phase state of the strawberries, and automatically adjusting the spraying amount per unit area. The spraying method improves the precision and the reliability of the strawberry fertilization in the flowering phase, and is beneficial to improving the yield and the quality of the strawberries.)

一种草莓开花期喷施系统及方法

技术领域

本发明涉及喷施系统及图像处理方法，特别涉及一种草莓开花期喷施系统及方法。

背景技术

近年来，随着草莓产业的快速发展，草莓大棚的设施化程度不断提高，草莓产业已经由规模拓展阶段向设施提升阶段转型，草莓在开花期间，离不开施肥，当出现缺肥情况时，会导致抗寒能力降低、着花少、花蕾弱、坐果率低；当过度施肥时，会造成草莓生长过程中营养元素分布不均，致使肥料过度残留，因此，草莓开花期间施肥需要一个合理的标准，盲目施肥会影响草莓的生长。

目前草莓开花期施肥主要采取的是人工叶面喷施的方法，这种施肥方式人工成本高、效率低，且不能根据不同开花状况调整施肥量，喷施精准度受人为主观影响较大，根据草莓开花期的实际情况进行精准施肥，成为影响草莓产量和质量的重要因素。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明目的是提供一种草莓开花期喷施系统及方法，实时检测草莓开花期状态，在不同开花期实时调整施肥量，提高施肥精准度和效率。

技术方案：本发明提出了一种草莓开花期喷施系统，包括喷施装置、视觉检测装置和控制装置，所述喷施装置、视觉检测装置和控制装置固定在悬吊平台运动装置上，悬吊平台运动装置固定在大棚支架上；

所述悬吊平台运动装置：利用移动驱动组件实现匀速运动；

所述视觉检测装置：负责图像采集与处理，并将处理结果上传给控制装置；

所述控制装置：是系统主控制器，用来控制悬吊平台运动装置运行状态，触发相机拍照，根据视觉检测装置的检测结果来控制喷施装置喷施量。

所述喷施装置包括肥料箱，肥料箱通过输送泵连接到输液管，输送泵的压力调控端和控制装置连接，给肥料箱输出肥料提供动力，输液管下方连接喷杆，喷杆上安装雾化喷头，输液管管道上安装有流量调节阀，流量调节阀的调控端与控制装置连接，用来调节施肥量大小，输液管出口处安装流量传感器，用于检测肥料流量并反馈给控制装置实现流量实时控制，肥料箱内装有液位传感器，液位传感器输出端连接控制装置，实现肥料箱中容量信息的判断与预警。

所述视觉检测装置包括相机和图像处理控制器，相机固定在丝杠上，丝杠通过丝杠连接座安装在肥料箱下面，相机负责图像采集，将采集到图像传输给图像处理控制器，图像处理控制器通过图像处理算法提取待测图像区域中开花状态参数，与样本标定参数进行比较，实现草莓开花期准确判断，并检测结果传输给控制装置。

所述悬吊平台运动装置包括齿轮，齿轮与固定在大棚支架上的齿条啮合，齿轮上有驱动电机和减速器，利用驱动轴控制齿轮按指定速度匀速运行，支撑轨道固定在大棚支架上，支撑轨道上安装有支撑滚轮，支撑滚轮根据固定在大棚支架上的导杆方向沿着支撑轨道运动，支撑平台设置在导杆上方，平台连接座设置在支撑平台上，驱动轴固定在平台连接座。

所述相机选择依据如下：相机参数包括分辨率、镜头焦距和感光芯片类型，其中分辨率和镜头焦距是主要参数，相机分辨率选择主要依据检测精度δ、视野尺寸W×H和检测速度进行判断，如下式：

RW＝W/δ (1)

RH＝H/δ (2)

式中W和H分别为视野横向和纵向物理尺寸，RW和RH分别为相机横向和纵向分辨率，实际选择相机分辨率要大于理论值；

镜头焦距选型主要考虑相机焦距f、感光芯片尺寸w×h和工作距离L参数，表示为：

f＝wL/W (3)

式中w和h分别为芯片横向和纵向物理尺寸。

本发明所述一种基于上述喷施系统的喷施方法，包括以下步骤：

a：标定参数：采集草莓生长图像，然后进行图像处理，将处理结果与人工判断结果进行对比标定，将标定参数写入控制器中；

b：启动悬吊平台运动装置：控制装置根据相机参数与实际工作距离确定悬吊平台运动装置运行速度，上述喷施系统启动后悬吊平台运动装置按指定速度匀速运行；

c：采集图像：控制装置控制视觉检测装置按照固定时间间隔采集图像，并传输到图像处理控制器进行数据处理，将数据处理结果反馈至控制装置；

d：开启喷施装置：控制装置将处理结果与之前标定好的参数进行对比，确定单位时间喷施量，控制流量调节阀精准喷施。

所述步骤a标定参数具体方法如下：将草莓开花情况根据单位面积花朵数分为四类，根据花朵数和花朵像素之间近似线性比例关系，利用花朵像素面积与图像总像素面积之比作为标定等级判定依据，为了避免相机畸变带来的边缘模糊效应，相机视野应略大于实际草莓检测区域宽度，并保持左右两端的宽度冗余的对称性，在实际图像处理过程中，通过设置图像掩模的方法对区域图像进行处理，相机在采集图像之前需要进行标定，具体图像处理过程如下：

a1：采集图像并进行图像畸变校正，根据图像掩模提取感兴趣区域图像的R空间颜色特征分量，进行高斯滤波处理；

a2：利用改进K均值聚类分割算法对图像进行分割，形成分割区域；

a3：利用形态学处理算法对分割区域进行处理；

a4：利用连通区域面积特征方法分析提取草莓开花区域；

a5：统计图像感兴趣区域内的花朵像素总数，计算其与感兴趣区域总像素数之比；

a6：对比实际像素比与标定像素比参数，确定草莓开花状态类型。

所述步骤a2算法采用改进K均值聚类分割算法，具体算法如下：

a21：初始化：

Step1：将样本图像转换为尺寸大小为N的一维样本数据集C，其中N为样本图像像素个数，设迭代运算次数为I且聚类类型为j时的聚类中心为Z_j(I)，从数据集C中随机选取一个样本对象作为初始聚类中心Z₁(1)；

Step2：计算每个样本x_m与已有聚类中心的最短距离d(x_m),m＝1,2...N，其中x_m为数据集中的第m个样本，计算每个样本对象被选为下一个聚类中心的概率p(x_m)：

Step3：按照轮盘法选择下一个聚类中心；

Step4：重复步骤Step2和Step3直到选择出k个对象组成初始聚类中心Z_j(1),j＝1,2,3,...k；

a22：迭代计算：根据相似度准则计算样本数据集C中每个样本x_m与初始聚类中的距离D(x_m,Z_j(I)),m＝1,2,3,...N,j＝1,2,3,...k，并将各个数据对象划分到距离最小的聚类聚合簇S_j中，距离表示为：

式中x_m∈S_j；

a23：聚类中心更新：按照聚类中心更新公式计算各聚类集合中的均值作为该集合新的聚类中心，更新得到新的聚类集合中心，设为聚类j的元素，聚类j的元素个数为n_j，聚类中心更新公式为：

a24：终止条件：循环更新聚类集合中心，直到各聚类中心不再发生变化或者误差平方和局部最小为止，聚类准则函数计算方法为：

精度误差为ξ，若|J(I+1)-J(I)|<ξ，则算法结束，终止迭代，否则反复执行迭代计算和聚类中心直至满足终止条件。

所述步骤a3中利用形态学闭运算进行处理，其中A表示图像矩阵，B表示结构元素，形态学处理方法为：

所述步骤a4中将灰度一致，将满足8邻接的像素判定为相同区域，通过连通区域面积特征，过滤噪声干扰区域，根据如下公式提取出像素面积在(S_Min，S_Ma)_x范围的区域

其中S_Min和S_Max分别为面积像素的参数下限值和上限值

所述步骤b中悬吊平台运动装置运行速度的确定方法如下：根据相机焦距、感光芯片尺寸和工作距离计算相机实际视野纵向物理尺寸大小H和运行速度v，分别表示为：

H＝hL/f (10)

v＝hL/fΔT (11)

式中ΔT为相机拍照时间间隔，ΔT要大于单张图像处理时间；

相机拍照采用软触发方式进行控制，拍照间隔时间由软件程序延时进行控制，相机固定在滑杆上，手动调节相机与喷竿的距离L，表示为：

L＝H/2+vt (12)

其中t为图像采集与处理时间。

所述步骤d中喷施具体方法如下：对比实际像素比与标定类型像素比，利用欧式几何距离判断草莓开花状态类型；控制装置根据喷施等级采用PWM间歇喷雾流量调试方法进行喷施，在固定压力下，主控制器输出占空比与喷施量呈近似线性关系，单位面积喷施量与系统运行速度和工作距离有关，在标准速度V_b和标准高度H_b下，占空比τ与单位面积喷施量Q的线性函数关系为τ＝f(Q)，通过喷施装置完成喷施，如下式所示：

τ(i)＝(H_i/H_b)*(V_i/V_b)*f(Q) (13)

式中τ(i)为草莓开花类型i时的输出占空比，H_i为系统实际工作高度，V_i为系统实际运行速度。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：

1、草莓开花期施肥过程采用全自动检测喷施，只需通过控制器设置相应的施肥速率，降低了施肥的劳动强度；

2、设有视觉检测装置，对草莓开花期的具体状态针对性地喷施，提高了草莓开花期的喷施效率与喷施精细度；

3、采用悬吊移动方式，能够克服大棚内部的复杂地形环境，提高系统运行精度；同时本系统采取装置主体和大棚支架分离的结构形式，装置主体自由装卸于有固定支架的不同大棚之中，降低了设备的成本，便于系统的推广应用。

附图说明

图1为本发明草莓开花期喷施系统的整体结构框图；

图2为检测与喷施控制柜结构侧面框图；

图3为草莓开花期精准喷施系统硬件结构框图；

图4为草莓开花期图像处理算法流程图；

图5为提取得到的R通道图像；

图6为改进K均值聚类分割结果；

图7为形态学处理结果；

图8位连通区域特征分析处理结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

如图1-2，本发明的一种草莓开花期喷施系统，包括喷施装置、视觉检测装置和控制装置，喷施装置、视觉检测装置和控制装置固定在悬吊平台运动装置上，悬吊平台运动装置固定在大棚支架5上。

喷施装置包括肥料箱12，肥料箱12在检测与喷施控制柜19内，肥料箱12通过输送泵22连接到输液管18，输送泵22的压力调控端和控制装置连接，给肥料箱12输出肥料提供动力，输液管18下方连接喷杆16，喷杆16上安装雾化喷头17，输液管18管道上安装有流量调节阀23，流量调节阀23的调控端与控制装置连接，用来调节施肥量大小，输液管18出口处安装流量传感器24，用于检测肥料流量并反馈给控制装置实现流量实时控制，肥料箱12内装有液位传感器20，液位传感器20输出端连接控制装置，实现肥料箱12中容量信息的判断与预警。

视觉检测装置包括相机15和图像处理控制器21，相机15固定在丝杠14上，丝杠14通过丝杠连接座13安装在肥料箱12下面，相机15负责图像采集，将采集到图像传输给图像处理控制器21，图像处理控制器21通过算法提取待测图像区域中开花状态，与样本标定参数进行比较，实现草莓开花期准确判断，将检测结果传输给控制装置。

悬吊平台运动装置包括齿轮2，齿轮2与固定在大棚支架5上的齿条1啮合，齿轮2上有驱动电机3和减速器4，利用驱动轴6控制齿轮2按指定速度匀速运行，支撑轨道9固定在大棚支架5上，支撑轨道9上安装有支撑滚轮11，支撑滚轮11根据固定在大棚支架5上的导杆10方向沿着支撑轨道9运动，支撑平台7设置在导杆10上方，平台连接座8设置在支撑平台7上，驱动轴6固定在平台连接座8。

驱动电机3可以选择57BYG250系列混合式步进电机型号作为动力单元，步进电机驱动芯片选用THB6128，通过拨码开关设定脉冲细分数并选择相应的电流控制，STM32通过推挽输出PWM控制信号，控制信号经过光耦隔离输出到驱动器的方向和脉冲信号接收端，驱动器通过共阳或共阴极接法实现电机的驱动，采用S型加减速算法实现电机的平稳启停。

如图3所述，主控制器选择STM32F103ZET6，流量传感器24采用LWGY－15，输出端连接到STM32的A/D端口；流量调节阀23选用德国BURKERT直动式电磁比例调节阀6021；液位传感器20选择虹润OHR-L2Y型号，两线制输出端连接到STM32的A/D端口。

图像处理控制器21选用树莓派RasperryPi 3B+，相机15采用USB高清摄像头OV7120，其分辨率为1920×1080，焦距为2.9mm；树莓派可通过4G无线WIFI将采集图像与处理结果实时上传至云平台进行显示与数据保存。

控制装置与图像处理控制器21、步进电机、输出泵压力调控端、流量调节阀控制端、流量传感器24和液位传感器20相连，是系统的主控制器，STM32F103ZET6控制器与图像处理控制器21之间采用串口协议进行通讯；STM32F103ZET6控制器通过RS485通讯方式与触摸屏相连，实现参数的设置与结果显示。

为了校正相机15畸变，相机15在采集图像之前需要进行标定，标定板采用8×8的黑白棋盘格标定板，标定过程采用Opencv中的张正友标定法：首先，利用相机15采集不同位置、不同角度和不同姿态的标定板图像；然后分别调用Opencv中的findChessboardCorners和cornerSubPix函数获取亚像素角点位置信息；最后利用calibrateCamera函数获取相机15的标定参数。相机15标定结束后，利用undistort函数对采集图像进行畸变矫正。

参考理想开花情况，草莓开花状态按照像素比分为极少、微少、正常和过多四种类型，通过液晶屏幕显示标定图像并将人工判断类型写入图像控制器21中。在保证每种类型样本不少于3张的情况下启动标定过程。根据人工判定得到的四类草莓开花状态类型所对应的参数范围，当不同类型参数范围出现重合情况时，重合部分参考喷施量较多的类型，否则，利用欧式几何距离计算喷施类型。

为了避免相机15畸变带来的边缘模糊效应，相机15视野应略大于实际草莓检测区域宽度，并保持左右两端的宽度冗余的对称性，在实际图像处理中，通过设置图像掩模的方法针对感兴趣区域图像进行处理。

感兴趣区域像素面积范围占图像总像素范围的3/4，不应少于2/3；图像掩模尺寸大小采集图像尺寸一致，且感兴趣区域部分像素灰度值设置为1，其他区域灰度值设置为0。

图4为草莓开花期图像处理算法流程图，具体图像处理过程如下：

a1：采集图像并进行图像畸变校正，根据图像掩模提取感兴趣区域图像的R空间颜色特征分量，进行高斯滤波处理，如图5所示。

具体的，高斯模板通过对二维高斯函数的离散化表示，对于一个大小为(2u+1)×(2u+1)的矩阵M，其(a,b)位置的元素表示为：

其中σ为高斯函数标准差，高斯滤波模板大小为5×5。

a2：利用改进K均值聚类分割算法对图像进行分割，形成分割区域，图像分割结果如图6所示，具体聚类分割算法如下：

a21：初始化：

Step1：首先将样本图像灰度值转换为尺寸大小为N的一维样本数据集C，其中N样本图像像素个数，设迭代运算次数为I且聚类类型为j时的聚类中心为Z_j(I)，从数据集C中随机选取一个样本对象作为初始聚类中心Z₁(1)。

Step2：计算每个样本x_m与已有聚类中心的最短距离d(x_m),m＝1,2...N，其中x_m为数据集中的第m个样本；接着计算每个样本对象被选为下一个聚类中心的概率p(x_m)：

Step3：按照轮盘法选择下一个聚类中心

Step4：重复步骤Step2和Step3直到选择出k个对象组成初始聚类中心Z_j(1),j＝1,2,3,..k；

具体的，聚类中心个数k＝4。

a22：迭代计算：根据相似度准则计算样本数据集C中每个样本x_m与初始聚类中的距离D(x_m,Z_j(I)),m＝1,2,3,...N,j＝1,2,3,..k.，如下式(5)所示，将各个数据对象划分到距离最小的聚类集合簇S_j中，则x_m∈S_j:

a23：聚类中心更新：按照聚类中心更新公式计算各聚类集合中的均值作为该集合新的聚类中心，更新得到新的聚类集合中心，设为聚类j的元素，聚类j的元素个数为n_j，聚类中心更新公式如式(6)所示：

a24：终止条件：循环更新聚类集合中心，直到各聚类中心不再发生变化或者误差平方和局部最小为止，聚类准则函数J_c计算方法为：

精度误差为ξ，若|J(I+1)-J(I)|<ξ，则算法结束，终止迭代，否则反复执行迭代计算和聚类中心直至满足终止条件。

a3：利用形态学处理算法对分割区域进行处理，设A表示图像矩阵，B表示结构元素，形态学处理方法如下式所示，图像处理结果如图7所示：

具体的，采用尺寸为10×10的矩形结构元素对聚类分割区域进行开操作。

a4：利用连通区域面积特征方法分析提取草莓开花区域；将灰度一致，且满足8邻接的像素判定为相同区域，通过连通区域面积特征，过滤噪声干扰区域，根据如下公式提取出像素面积在(S_Min，S_Max)的区域处理结果如图8所示。

其中S_Min和S_Max分别为面积像素的参数下限值和上限值。

具体的，根据草莓单个花朵的像素面积S_f设置连通区域面积特征参数，考虑到草莓花朵存在角度偏斜情况，与多花朵毗邻情况，特征参数参数设置如下

S_Min＝0.2S_f (15)

S_Max＝5S_f (16)

a5：统计图像感兴趣区域内的花朵像素总数，计算其与感兴趣区域总像素数之比；

a6：对比实际像素比与标定像素比参数，确定草莓开花状态类型。

步骤b控制装置根据相机15参数与实际工作距离确定系统运行速度，控制悬吊装置在系统启动后电机按指定速度匀速运行。

具体的，控制装置根据相机15参数与实际工作距离确定运行速度，具体方法如下：

根据相机15焦距、感光芯片尺寸和工作距离计算相机实际视野大小与装置运行速度v，表达式为：

H＝hL/f (10)

v＝hL/fΔT (11)

其中ΔT为相机15拍照时间间隔，ΔT要大于单张图像处理时间。。

具体的，相机15拍照采用软触发方式进行控制，拍照间隔时间由软件程序延时进行控制，相机15固定在丝杠14的螺母座上，手动调节相机15与喷竿的距离L，如式(12)所示：

L＝H/2+vt (12)

其中t为图像采集与处理时间。

具体的，控制装置stm32f103zet6通过PA6口输出PWM信号，与驱动芯片THB6128连接。

步骤d启动喷施系统，控制装置控制视觉采集装置按照固定时间间隔采集图像并传输到图像处理控制器21进行数据处理；图像处理控制器21将实际处理结果与预先标定参数进行对比，确定单位时间的喷施量，根据确定的单位时间喷施量进行喷施。

具体的，喷施装置喷施具体方法如下：

对比实际像素比与标定类型像素比，利用欧式几何距离判断草莓开花状态类型；控制装置根据喷施等级采用PWM间歇喷雾流量调试方法进行喷施，在固定压力下，主控制器输出占空比与喷施量呈近似线性关系，单位面积喷施量与系统运行速度和工作距离有关，在标准速度V_b和标准高度H_b下，占空比τ与单位面积喷施量Q的线性函数关系为τ＝f(Q)，通过喷施装置完成喷施，如下式所示：

τ(i)＝(H_i/H_b)*(V_i/V_b)*f(Q) (13)

其中τ(i)为草莓开花类型i时的输出占空比，H_i为草莓开花类型i时的系统实际工作高度，V_i为系统实际运行速度。

具体的，根据开花状态类型设置四种类型的喷施量，流量传感器24测定实际流量，并与目标流量值进行比较，控制装置stm32f103zet6根据比较结果通过PA7口调节PWM信号输出到流量调节阀23，实现喷施量的精确控制。