費(fèi)煥強(qiáng) 龔征絳 陳 武 查 楊 喻擎蒼

（浙江理工大學(xué)信息學(xué)院 浙江杭州310000）

嫁接是當(dāng)今農(nóng)業(yè)最常用的手段，傳統(tǒng)的手工嫁接效率低下，質(zhì)量難以保證，已經(jīng)不能滿足大規(guī)模的大棚育苗需求，發(fā)展研制全自動(dòng)嫁接機(jī)是農(nóng)業(yè)走向現(xiàn)代化的大勢所趨［1-4］。目前，自動(dòng)嫁接機(jī)終端裝置都是固定間隔種植幼苗，每個(gè)穴盤格種植一顆幼苗，但接穗苗不需要根部，固定間隔種植勢必造成資源浪費(fèi)，采用高密度種植方式育苗不僅方便管理，還能節(jié)省設(shè)施資源投入［5-9］。

姜?jiǎng)P等［10］設(shè)計(jì)了一種柔性上苗定位裝置，利用氣吹壓苗塊通過正壓氣流對秧苗子葉下壓處理，以使秧苗子葉貼附于子葉吸附部，子葉吸附部通過負(fù)壓氣流實(shí)現(xiàn)秧苗子葉的吸附定位，氣吹壓苗塊和子葉吸附塊的正負(fù)壓氣流交替作用，使秧苗子葉柔性安全固定于子葉吸附塊的作業(yè)面上，完成秧苗柔性上苗作業(yè)。楊安等［11］研究設(shè)計(jì)了一種定位夾持裝置，由滑塊收攏機(jī)構(gòu)和夾取斷根機(jī)構(gòu)兩部分構(gòu)成，工作原理為雙桿氣缸伸出，推動(dòng)T形支撐板向前移動(dòng)，帶動(dòng)定位桿、運(yùn)動(dòng)桿擺動(dòng)和Y形氣缸向前運(yùn)動(dòng)。定位桿下部運(yùn)動(dòng)為包絡(luò)軌跡，與弧形擋板同時(shí)作用固定嫁接苗于指定范圍，Y形氣缸工作時(shí)，兩側(cè)的手爪封閉，帶動(dòng)前端的刀刃閉合并剪斷幼苗，實(shí)現(xiàn)嫁接苗的夾取，當(dāng)雙桿氣缸停止工作，推桿縮回，完成嫁接苗的夾持輸送。

據(jù)前期研究發(fā)現(xiàn)［12-16］，現(xiàn)有裝置只能用于固定間隔的穴盤苗尋苗，無法應(yīng)用于高密度種植的穴盤苗。因此，基于高密度種植的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種基于機(jī)器視覺高密度穴盤苗的尋苗及夾切的裝置系統(tǒng)，利用圖像處理技術(shù)，研究激光線的水平調(diào)整方案，在不同距離下標(biāo)定出了目標(biāo)苗莖斑點(diǎn)位置，得出攝像頭到苗莖距離與苗莖光斑高度之間的關(guān)系，完成穴盤苗的尋苗及目標(biāo)苗莖的定位，控制夾具、刀具，剪切夾持目標(biāo)苗莖。

1 尋苗及夾切裝置設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)裝置是利用激光發(fā)射器照射苗莖，在苗莖上出現(xiàn)一道亮斑，攝像頭采集這些亮斑像素。由于攝像頭距離苗莖的位置有遠(yuǎn)有近，因而會(huì)在圖像中出現(xiàn)高低不同的光斑像素。像素最低點(diǎn)亮斑所在苗莖距離攝像頭最近且靠近視覺中間，因此，將光斑像素最低點(diǎn)所在苗莖作為尋找目標(biāo)進(jìn)行夾切。如圖1～2所示。

圖1 系統(tǒng)裝置示意圖

裝置主要由攝像頭、步進(jìn)電機(jī)，激光器，夾具和刀具等部件組成。裝置頂部的孔用于固定上苗機(jī)械手末端，攝像頭中心線與水平面呈35°，兩片夾具分別固定在凸臺(tái)齒輪上，兩凸臺(tái)齒輪相互嚙合，其中一凸臺(tái)齒輪與電機(jī)軸齒輪相互嚙合，電機(jī)齒輪與夾具齒輪減速比為1∶2，激光燈位于凸臺(tái)齒輪平面上3.5 mm；刀具固定在夾具底部，刀刃凸出夾具面3 mm，夾具內(nèi)側(cè)貼海綿泡沫，當(dāng)兩片夾具收緊夾持苗莖時(shí)，底部刀具完成苗莖斷根，海綿泡沫可防止苗莖被夾傷。

圖2 系統(tǒng)裝置實(shí)物圖

整個(gè)尋苗夾切裝置高為168 mm，夾具長為59 mm，寬為10 mm，厚度為2 mm。由于瓜科接穗苗適合嫁接時(shí)，其苗徑約為2 mm，夾苗時(shí)如圖3所示。

圖3 夾苗示意圖

為使夾具夾取目標(biāo)苗莖時(shí)，不影響到其他苗莖，需滿足（L+r）2≤（L-r）2+D2

取L＝59 mm，r＝1 mm，求得D≥15.36 mm。說明該裝置適合于苗莖間距大于或等于15.36 mm。

采用42步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)扭矩為0.3 N.m，根據(jù)扭矩公式：T=F·L，夾具末端的力為10.17 N，足以剪切且夾持西瓜等葫蘆科嫁接苗［17］。

2 視覺檢測原理與采集范圍分析

2.1 原理

激光發(fā)射器與水平面平行，將一字型激光束調(diào)整到與水平面平行，攝像頭鏡頭與水平面夾角為θ，攝像頭的視覺范圍設(shè)為2β。當(dāng)激光束照射在攝像頭視角范圍內(nèi)苗莖時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一道亮斑，攝像頭捕獲亮斑，利用視覺圖像處理技術(shù)確定在圖像的位置。如圖4所示，在攝像頭采集范圍內(nèi)，當(dāng)苗莖距離攝像頭越近，光斑線就越靠近底部，當(dāng)苗莖距離攝像頭越遠(yuǎn)，光斑就越靠上部。

圖4 視覺檢測原理圖

當(dāng)θ＝35°，攝 像 頭 的 視 場 角 為60°，即β=30o，h1=113.85 mm。

可知d1=1 308.62 mm，d2=53.10 mm，d1、d2表示激光束照射在被測目標(biāo)時(shí)，攝像頭均可以捕獲到此激光線條的物理范圍，因此，被采集的對象位置需在53.10～1 308.62 mm。

系統(tǒng)采集模塊不僅對工作距離有一定的要求，對工作最佳范圍也有一定的要求，工作范圍可從攝像頭景深、激光發(fā)射器可用光斑范圍、工作垂直高度進(jìn)行考慮分析，確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最佳范圍。

2.2 采集范圍

采用樹莓派3b+OV5647可調(diào)焦攝像頭分辨率為640*480，景深為63～94 mm，當(dāng)一字型激光發(fā)射器在距離小于58 mm、大于91 mm時(shí)，照射在被測物體上的線條會(huì)明顯加粗，影響實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性。

54～100 mm，每隔2 mm采集一次圖像，激光線條會(huì)在一定工作范圍內(nèi)清晰出現(xiàn)在圖像區(qū)域內(nèi)，找出這個(gè)工作范圍。

系統(tǒng)終端結(jié)構(gòu)（包括激光器、攝像頭等設(shè)備）、上苗機(jī)械手、幼苗盤、格狀平面板、游標(biāo)卡尺以及圖像采集系統(tǒng)樹莓派（樹莓派3b+OV5647可調(diào)焦攝像頭，分辨率為640×480，景深63～94 mm）等。

實(shí)驗(yàn)步驟：將系統(tǒng)終端結(jié)構(gòu)固定在上苗機(jī)械手末端，對上苗機(jī)械手上電使之鎖定，使系統(tǒng)終端結(jié)構(gòu)處于靜止?fàn)顟B(tài)，將格狀平面板放置系統(tǒng)終端底部，幼苗盤放置格狀平面板上，從距攝像頭水平位置54 mm處，每隔2 mm移動(dòng)一次，觀察圖像中激光線條清晰度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)距離64～90 mm時(shí)，出現(xiàn)在圖像中的激光線條最為清晰，說明最佳工作的水平距離范圍為64～90 mm。

根據(jù)上示的幾何關(guān)系，可得：

圖5 實(shí)驗(yàn)過程圖

當(dāng)h2＝18.5 mm，h1＝1138.5，d1＝1 308.62 mm，d2＝53.10 mm，θ＝35°，β=30o。d3表示苗莖到攝像頭的距離，當(dāng)d3最小時(shí)，即d3=64 mm，得到的H為最大值，h3表示攝像頭在最大H下，采集到苗莖的最高點(diǎn)。根據(jù)嫁接需求，培育接穗苗可供嫁接時(shí)苗莖高度大約為H′=62mm，橢圓葉子長軸約為a=21 mm，由h3＝H′-α×tan（θ），可知H＝47.29 mm，即該裝置垂直工作范圍為0～47.29。

為使裝置底部不接觸到穴盤面，設(shè)定系統(tǒng)裝置工作高度為為底部高于穴盤面3 mm，水平工作范圍為64～90 mm。

3 尋苗及夾切裝置調(diào)整

視覺中，若直線與水平線的角度小于0.3°時(shí)，可視為水平線［18］。采用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，提取激光線條骨架后，根據(jù)圖像中像素點(diǎn)數(shù)，通過直線擬合求得斜率。具體處理步驟如下。

利用攝像頭采集激光線條，如圖6所示，經(jīng)過OTSU圖像分割方法，得到二值圖，如圖7所示。由于得到的激光線條邊界存在著噪聲且不平滑，不利于中心線提取。在圖像處理技術(shù)中，膨脹可以將目標(biāo)點(diǎn)融合到背景中，合并裂開目標(biāo)物，便于整體提取.腐蝕可以消除邊界，使邊界向內(nèi)收縮，并可以將小的顆粒噪聲去除［19-20］。為了對激光線條邊緣進(jìn)行平滑處理，采用膨脹腐蝕方法對條線進(jìn)行處理，如圖8所示。

圖6 采集激光線條圖

圖7 提取激光線條二值圖

圖8 膨脹與腐蝕

將圖像進(jìn)行閾值分割并提取骨架，如圖9所示，再通過霍夫直線擬合［21-23］，得到直線斜率，求傾斜角度，如圖10所示。此時(shí)，擬合到的激光線條直線斜率為0.003 2，傾斜角為0.181 9°，說明一字型激光線條已達(dá)到水平標(biāo)準(zhǔn)。如果傾斜角超過0.3°，則手動(dòng)微調(diào)激光器調(diào)節(jié)頭，直至激光線條的擬合直線傾斜角小于0.3°。

圖9 骨架提取

圖10 獲取擬合直線的斜率和傾斜角

4 尋苗及夾切裝置標(biāo)定

為探討苗莖到攝像頭距離與激光線高度間關(guān)系，須保證激光線水平照射苗莖，在有效工作范圍內(nèi)，每隔1 mm采集1次圖像，通過計(jì)算視覺技術(shù)，標(biāo)定出圖像中最低像素點(diǎn)的位置。

當(dāng)一字型激光燈照射在高密度種植的穴盤苗上時(shí)，攝像頭捕獲外側(cè)苗莖光斑，距離攝像頭中心線越近的苗莖，在圖像中的光斑位置越低；距離攝像頭中心線越遠(yuǎn)的苗莖，在圖像中的光斑越高，整條光斑呈凹狀曲線。通過在不同的距離下采集的大量光斑圖片作為數(shù)據(jù)，記錄每張采集圖片中光斑像素點(diǎn)縱坐標(biāo)的最大值，即高度最低的點(diǎn)，獲取不同測試距離下對應(yīng)光斑最低點(diǎn)位置，擬合出最低點(diǎn)高度與距離的關(guān)系。

將系統(tǒng)裝置固定在上苗機(jī)械手末端，機(jī)械手上電鎖定，整個(gè)上苗系統(tǒng)保持穩(wěn)定，將高密度種植的穴盤苗放置在格狀平面板上，置于工作距離最小處，用游標(biāo)卡尺以及格狀平面板小方格測量距離，每隔1 mm采集一次圖像，如圖11所示，記錄標(biāo)定數(shù)據(jù)。

圖11 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)圖

4.1 標(biāo)定位置提取

在工作范圍內(nèi)，激光發(fā)射器水平照射苗莖，在苗莖上形成一道亮斑，攝像頭采集圖像，如圖12所示.

圖12 采集苗莖光斑

4.2 目標(biāo)顏色空間的提取

光斑像素值與顏色空間有緊密聯(lián)系，顏色空間分為RGB模型與HSV模型［24-25］。

RGB模型每個(gè)原色可以采用從0（最低）到1（最高）表示強(qiáng)度值。將紅（R），綠（G），藍(lán)（B）3種顏色通道參數(shù)值相互疊加可得到各種各樣顏色，所有顏色的集合形成了一個(gè)RGB顏色空間的三維立方體。如圖13所示：

圖13 RGB模型與HSV模型圖

RGB顏色空間模型下提取的像素分量易受到光照、遮擋和陰影等影響，如果亮度改變，3個(gè)分量都會(huì)相應(yīng)改變，三者間相關(guān)性很高，進(jìn)而會(huì)影響目標(biāo)像素提取，不適合視覺圖形分析與分割［26-28］。

與RGB顏色空間模型不同的是，HSV顏色由3個(gè)參量組成，分別是色澤（H），飽和度（S）和亮度（V），H的每一個(gè)值代表一個(gè)顏色，取值為0～360；S為0～1（0表示灰度圖，1表示純顏色）；V為0～1（0表示黑色，1表示特定飽和度顏色）。RGB色彩空間與HSV色彩轉(zhuǎn)化如下：

若H＜0，則H=H+360。

兩顏色模型提取采集圖像中的激光線條，處理后效果圖如圖14所示。

圖14 RGB模型與HSV模型圖提取目標(biāo)像素

4.3 激光線條連通域提取

利用HSV顏色空間模型對目標(biāo)圖像進(jìn)行多值化操作，提取目標(biāo)像素。找出像素值相同的像素點(diǎn)進(jìn)行合并連接，形成連通域［29-30］。對取得的像素點(diǎn)連通域去除無光部分即噪聲塊（圖15）。

圖15 提取光斑像素二值圖

通過計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)，遍歷圖像中每個(gè)像素點(diǎn)，找出輪廓鏈像素點(diǎn)縱坐標(biāo)最大點(diǎn)的位置，也就是圖像中最低點(diǎn)的坐標(biāo)，此像素點(diǎn)的高度即所需標(biāo)定的高度。

圖16 提取光斑最低點(diǎn)像素坐標(biāo)

4.3 標(biāo)定數(shù)據(jù)分析

距激光器64～90 mm，每隔1 mm采集1次圖像，計(jì)算圖像中縱坐標(biāo)像素點(diǎn)最大值的位置，標(biāo)定數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 標(biāo)定數(shù)據(jù)

通過標(biāo)定有限個(gè)點(diǎn)得到高度值與距離值，為探討兩者間模擬關(guān)系，利用插值與逼近的方法，根據(jù)有限個(gè)點(diǎn)取值，估算出其他點(diǎn)值。插值法是數(shù)據(jù)處理與編制函數(shù)的常用方法，當(dāng)給定數(shù)據(jù)點(diǎn)誤差過大，并存在多余數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)，插值法不適用，為此提出了逼近法，給定條件下構(gòu)造曲線與原有數(shù)據(jù)點(diǎn)誤差值最小，稱為逼近曲線［31-32］。

使用曲線擬合二維散點(diǎn)圖發(fā)現(xiàn)，隨著距離增大，激光燈光斑高度整體呈上升趨勢，選擇多項(xiàng)式曲線擬合，根據(jù)散點(diǎn)圖分布特點(diǎn)分別進(jìn)行4、5、6、7次曲線擬合對比，如圖17所示。

圖17 曲線擬合圖

通過圖17觀察可發(fā)現(xiàn)，5次擬合最接近散點(diǎn)圖變化規(guī)律。擬合后的函數(shù)關(guān)系式如下。

y=p1*x5+p2*x4+p3*x3+p4*x2+p5*x+p6

其中，p1＝5.091 9×10-11，p2＝-5.973 5×10-8，p3＝2.458 2×10-5，p4＝-0.004 416 9，p5＝0.469 39，p6＝48.308，x表示激光線照射在苗莖上的光斑高度，y表示視覺采集裝置至苗莖的距離。

5 穴盤苗尋苗與定位

打開夾具，使之呈30°夾角，打開攝像頭、激光器，旋轉(zhuǎn)裝置夾口方向，使之正對被夾切的幼苗側(cè)面。降低系統(tǒng)裝置，使裝置底面高于穴盤面3 mm，移動(dòng)系統(tǒng)裝置至工作范圍內(nèi)。通過采集激光燈光斑高度h，根據(jù)曲線擬合多項(xiàng)式計(jì)算出攝像頭到目標(biāo)苗莖的距離d，控制夾苗機(jī)械手將系統(tǒng)裝置向穴盤苗方向移動(dòng)，定位到夾切的目標(biāo)苗莖。再次控制系統(tǒng)裝置上的步進(jìn)電機(jī)，使得夾具閉合，同時(shí)夾具底部刀具完成對苗莖的剪切，夾具完成了對苗莖的夾持。為了防止直接上苗對周圍子葉傷害，控制機(jī)械手向后退10 mm，再抬高上苗至嫁接臺(tái)。至此完成幼苗的尋苗定位及剪切。

6 討論與結(jié)論

為驗(yàn)證上述視覺采集裝置至苗莖的距離（y）與激光線照射在苗莖上的光斑高度（x）之間的函數(shù)關(guān)系，利用系統(tǒng)裝置進(jìn)行200次測距實(shí)驗(yàn)，比較手工測量實(shí)際值與系統(tǒng)測量結(jié)果，隨機(jī)取20組測量值，如表2所示。

表2 裝置測量值與手工測量值的數(shù)據(jù)對比

幼苗苗徑為2 mm，斷根時(shí)，若未完全切除表皮層而夾持上苗，則不影響苗莖的后續(xù)生命以及上苗續(xù)動(dòng)作，因此，裝置測量值與手工測量值誤差在0.1 mm內(nèi)，對后續(xù)系統(tǒng)裝置夾苗不會(huì)產(chǎn)生太大影響。結(jié)果顯示，191幅圖像測得距離值與手工測得距離值誤差在0.1 mm內(nèi)，誤差允許范圍內(nèi)的準(zhǔn)確性為95.5%。這可能是由于光源對測量結(jié)果影響較大，采集到激光線條圖像有一定的光暈現(xiàn)象，影響最低像素點(diǎn)的準(zhǔn)確提取。

針對高密度種植穴盤苗，設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)器視覺高密度穴盤苗的尋苗剪切裝置，主要包括攝像頭、激光器、電機(jī)、刀具以及夾具。得出裝置的工作范圍為64～90 mm；利用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，完成了尋苗及夾切裝置激光線的調(diào)整方法；采用HSV顏色空間模型標(biāo)定出照射在苗莖上的光斑位置，運(yùn)用曲線擬合方法，得出5次擬合最接近散點(diǎn)的位置變化，計(jì)算苗莖上光斑高度與攝像頭之間的距離，為裝置的自動(dòng)剪苗提供了理論基礎(chǔ)；驗(yàn)證了裝置測距與實(shí)際測試之間的誤差在0.1 mm內(nèi)的準(zhǔn)確性達(dá)到了95.5%。本研究設(shè)計(jì)填補(bǔ)了高密度種植穴盤苗自動(dòng)尋苗及夾切領(lǐng)域的空缺，為全自動(dòng)嫁接尋苗及剪切幼苗提供了的理論指導(dǎo)。