棉花打顶机的设计及参数变化

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1、棉花打顶机的设计及参数变化新疆棉区作为我国三大棉区之一。新疆棉花基地棉花的安全生产对全国棉花市场有巨大的影响。棉花打顶调控是保证其增产增收的主要环节，但是，目前由于国产棉花打顶机没有棉株实时检测识别定位系统，以至于无法依据棉花长势实时精确的调整切刀高度，导致棉花打顶机在打顶作业时出现严重的误打、漏打、撞桃以及损坏棉叶等不良现象。目前国内棉花打打顶调控依旧以人工打顶和药物控制为主。因此，随着全国棉花生产全程机械化、智能化的逐步提高。通过研究棉花顶尖精确的检测识别及定位技术，实现棉花机械打顶作业“一顶一芯”的作业要求，是我国棉花生产种植全程机械化、智能化的主要环节。本课题运

2、用双目立体视觉技术，研究、搭建一套棉株立体动态识别系统。课题研究所做工作及运用的技术方法有：1.通过对目前国内外棉花机械打顶现状以及计算机视觉技术的发展现状的系统性分析，提出本科题的研究内容、目标及研究的技术路线。2.结合双目立体视觉理论、机械设计理论以及新疆棉花种植实际状况，研究搭建静态视觉系统和立体视觉系统各一套。完成系统平台所需设备装置的选型、搭建以及调试工作。3.分析研究相机定标基本原理，利用自制的黑板棋盘格标定板，运用张正友标定法结合Opencv提供的API编写开发标定工具箱，最终完成相机的立体标定，求得课题所需的左右相机的内部参数和外部参数。4.依据课题任务

3、计划，完成棉株的静态、动态采集实验。以Adaboost训练算法为理论依据提出Adaboost棉株顶尖检测算法，设计多层级联分类器，实现棉株顶尖的检测识别，其中检测率达到83.41%，误检率仅为8.25%，检测速度达到3帧/s，基本达到课题要求。5.运用数字图像处理技术，在YCbCr颜色模型下，利用Cr颜色分量实现顶尖图像的分割；运用SIFT匹配法完成棉株顶尖立体匹配；结合相机参数以及立体视觉距离计算函数完成棉株顶尖距摄像机距离的计算。6.利用特征点匹配的方法，实现棉株左右图像立体匹配，运用标定参数实现棉株深度信息的预测，分析误差产生的原因，最终建立基于图像的棉株深度信息

4、预测模型。7.运用MicrosoftVisualStudio2010开发工具、MFC(MicrosoftFoundationClasses)库以及OpenCV（OpenSourceputerVisionLibrary）计算机视觉库实现了立体视觉系统各模块的相关算法，开发设计了具有人机交互界面的棉株动态识别立体视觉系统。课题针对棉花打顶机打顶作业时存在的棉株识别、定位等问题，分析提出了基于双目立体视觉技术的棉株动态识别方法，研究搭建了棉株立体视觉系统，最终实现了棉株顶尖的检测识别及棉株的定位。为后续棉花打顶机的精确打顶研究奠定了理论基础。关键词：立体视觉技术，摄像机定标，

5、级联分类器，棉株顶尖，立体视觉系统.第1章绪论1.1研究背景及意义棉花素称白色石油，棉花的种植在我国历史悠久，棉花产业在我国农业经济结构中占有绝对的主导地位，属于基础和核心支柱产业。新疆棉区是我国三大棉花生产区之一，其棉花种植以及总产量一直稳居全国首位[1]。自我国加入世贸组织以来，特别是“九五”、“十五”以及“十一五”这十几年中，新疆棉区在我国农业经济结构的调整和国家级棉花种植基地的建设中，种植规模不断壮大、生产能力不断提高、原棉质量得到明显改善，棉花生产的优势更加突显。在国家的这三个五年计划中新疆棉花基地一直是国家级重点农业项目，期间中央总共累计投入基本建设基金达2

6、5亿人民币，而且地方自筹及银行借贷也高达78亿人民币[2]。2011年新疆棉花基地种植棉花面积总共达到1630.29千公顷，棉花总产量高达289.8万吨[3]。随着我国西部大开发政策的不断实施以及国家经济结构的调整，新疆棉花基地在我国原棉重点生产基地的地位以及对中国棉花战略安全的保护作用将更加稳固和凸显。图1-1是1990年以来新疆棉花种植面积占占全国棉花种植面积的比值，图1-2是1990年以来新疆棉花的种植面积以及棉花总产量。图1-1棉花种植面积所占比值图1-2棉花种植面积及总产量新疆“三山夹两盆”的独特地理位置特征和亚热带-温暖带的气候条件，形成了新疆棉花早、密、矮

7、的栽培模式[4,5,6]。棉花打顶（摘芯）可以抑制顶端优势，增强株间的通风性和中底部棉叶的采光效果，是棉花增产增收的关键环节。然而，目前新疆棉区的棉花打顶工作基本是靠人工完成的（图1-3），人工打顶存在诸多弊端，首先劳动力需求量大，费用成本较高，经试验对比计算，人工打顶成本是机械打顶的50倍；其次人工打顶作业效率低，不及机械打顶效率的百分之一；同时，机械打顶相比人工打顶，每亩棉花增产多达10.25千克，增产率也高达2.94%[7,8,9]。因此随着我国农业机械化技术的不断发展，在新疆棉区棉花精准化、高效化、智能化的种植、管理、收获的过程中