棉花打顶机棉株高度识别技术的研究.pdf

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1、TheheightofthecottonplantidentificationtechnologyforCottontop-cuttingmachineADissertationSubmittedtoShiheziUniversityInPartialFulfillmentoftheRequirementsFortheDegreeofMasterofEngineeringByShenXiaochen(MechanicalDesignanditsTheory)DissertationSupervisor:A.P.L

2、iXiaMay,2018摘要棉花是我国重要的农业经济作物，对农业经济的发展至关重要。在棉花种植收获的过程中，只有打顶过程未实现机械化作业，仍然需要依靠人工打顶。人工打顶的效率及成本，严重制约了棉花的种植规模，影响了棉农的种植的积极性。为了提高棉花打顶的作业效率，降低打顶成本，必须大力推行高效率、低成本的机械方式进行打顶。分析国内外棉花打顶机研究进展以及现状，可知制约着机械打顶推广的主要因素主要有两个：一是棉株打顶高度识别精确度低，影响了打顶效果。二是棉株打顶高度识别的速度较慢，预留棉花打顶刀具的升降响应时间较少，

3、使得升降控制的精准性较低。本文针对该问题，基于双目立体机器视觉技术及图像处理相关理论，利用棉株的生长种植特征，设计、搭建了棉花打顶机棉株株高识别的视觉系统，对棉株打顶的株高识别这一难点展开研究。本文具体研究成果以及所做的工作如下：（1）通过棉花田间的生长种植实地调查，统计研究棉花植株在打顶时期的生长形态特性。基于双目立体机器视觉理论，选择合适的相机镜头及型材部件，设计并搭建棉花打顶机的棉株株高识别视觉平台。分析了视觉成像原理，建立相机畸变相关的非线性成像模型，利用模型反推标定公式，然后进行标定板相机标定试验，得出

4、相机内外参数。（2）为提高棉株打顶高度的识别速度及效果，研究了颜色模型空间，并采用了Lab空间模型a单通道选型，分层处理等一系列降低图像数据量的降维处理手段；然后基于整体图像阈值采用了均值化处理，在不增加图像数据量的条件下对图像进行了增强；利用自适应阈值法基于棉株整体与背景的颜色特征进行了自适应阈值分割；为识别出棉株主茎杆，采用了Sobel算子，对分割后的灰度图进行边界提取，并利用霍夫变换拟合主茎杆所在位置的直线段；运用数学形态闭运算优化主茎杆斜率修正后的棉株灰度图，去除大叶片的干扰，然后使用垂直投影算法，识别出

5、棉株主茎杆特征，利用水平投影法识别出打顶位置。在完成对棉株株高特征的识别后，基于双目立体定位原理，利用双目左、右相机的株高识别点，进行匹配，计算出株高点的世界坐标；考虑田间复杂条件，棉株密植会出现严重遮挡，基于棉株识别任务改进VGG深度学习模型框架，完成参数优化，探索性研究了深度架构在复杂田间实现棉株顶尖识别的可能性。（3）基于棉花种植生长特征，设计加工了棉花打顶机打顶单体硬件。以大华相机SDK为基础，利用VisualStudio2010(企业版)设计了棉株高度视觉识别及切刀打顶升降控制系统软件。利用棉株、传送带

6、、打顶单体等在实验室模拟棉花打顶的田间试验，然后对得到的实验数据进行分析探讨。综上所述，针对棉株株高的识别技术的研究，打顶效果明显，具备一定的研究价值，为棉花株高自适应打顶的进一步的研究提供了参考。关键词：双目立体视觉，相机标定，霍夫变换，数学形态学，识别与定位系统。AbstractCottonisthedomesticessentialagriculturalcashcropandisofgreatimportancetoagriculturaleconomy.Accordingtothedata,Sinkia

7、nghasbeenregardedasthewidest-plantingandthehighestharvestingoutputperacrebaseofcommoditycotton.Sinkianghasalsofulfilledthewhole-processmechanizationinitsplantingandproducing.Howeverduringtheannualcrucialtoppingperiod,fromearlyJulytothemideveryyear,thereliance

8、ofmanualtoppingdecreasestheefficiencyandincreasesthelaborcostandasaresultlimitingthescaleandtheactivityofcottonfarmers.Toincreasetheefficiencyofmanufacturingandlowerproducingcost,itisurge