農業信息采集機器人設計及試驗研究

王　偉，張　剛，劉九慶，褚凌慧，郭志越

(東北林業大學 機電工程學院，哈爾濱　150040)

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農業信息采集機器人設計及試驗研究

王偉，張剛，劉九慶，褚凌慧，郭志越

(東北林業大學 機電工程學院，哈爾濱150040)

摘要：隨著農業現代化的不斷發展，人們對于精細農田各方面的要求也達到了新的高度，需要將自動化、智能化的設備應用于農業信息采集中。為此，提出一款新型的農業信息采集機器人，主要在農業信息采集機器人的總體結構設計的基礎上，對圖像采集、溫濕度檢測及圖像處理進行了試驗分析與驗證。試驗結果表明：該機器人可通過自行走的方式來精準探測農田的溫濕度，并根據獲取的圖像了解作物的生長狀態。實現了在減少人力消耗、提高效率的前提下，仍得到可靠的數據與圖像，為更好的管理農田作業提供了可靠依據。

關鍵詞：農業機器人；信息采集；溫濕度檢測；圖像處理

0引言

在農業機器人的研究方面，國外起步相對較早。美國的迪爾公司 T·D·皮克特發明了用于土壤測試的機器人車輛[1]。伊利諾伊大學開發的四足螞蟻機器人群(Agant)，用于田間巡視，并通過無線藍牙技術傳遞信息。英國Silsoe研究所研制的蘑菇采摘機器人[2]，能判斷哪些是可摘的蘑菇及屬于哪個等級，并能高速地進行采摘。丹麥奧爾堡大學的API自主農業機器人[3]用于采集作物信息，通過對采集信息的分析來決定農藥、化肥和水的施用量，以及對農田各植株和地塊的管理。

國內大多采用定點架設傳感器、便攜式手持傳感器或將傳感器裝載在拖拉機等大型農業設備上的方法，或者是用人力資源進行農業信息的采集，通過在固定的時間段對農田進行信息采集，并將采集到的信息回復給中央控制平臺。國內對于農業信息采集機器人的研究還處于理論與試驗階段，目前只有南京農業大學的胡娜等人進行了農田信息采集機器人方面的研究[4]，為我國農業信息采集系統的研究奠定了一定的理論基礎。

雖然機器人在農田作業方面已經有了很多智能化、自動化的應用，但在滿足精細農田信息數據獲取的問題中，這些設備仍是比較片面的，存在很多人力所不能直觀解決的全方位問題。為此，本文研究一種新型的農業信息采集機器人，使其通過攝像和各種傳感設備等將采集的信息及時反饋，并可通過檢測到的農作物長勢的情況來判斷作物的成熟度等方面的信息，可全方位地完成農田信息采集的任務。

1總體結構設計

本文所設計的農業信息采集機器人主要是通過車體上搭載各種傳感器及攝像設備，利用控制系統來操控車體的運動，從而實時監控農田植被信息及環境狀況，如圖1所示。總體說來，農業信息采集機器人的主要核心部分為圖像采集模塊和傳感系統兩大模塊。

圖1　機器人整體結構

2農田信息采集系統設計

2.1　溫濕度檢測系統

傳感模塊是機器人信息實時反饋的重要核心。對于溫室及農田來說，溫濕度傳感設備在農田信息反饋中起到重要作用。為了檢測更為精準，本研究采用溫濕度檢測傳感器DHT11檢測智能大棚溫度、濕度。如圖2所示，該傳感器的濕度測量范圍：20%~95%(0°~50°范圍)；誤差：±5%；溫度測量范圍：0°~50°；溫度測量誤差：±2°，足以滿足智能溫室大棚的溫、濕度測量要求。

圖2　溫濕度傳感器

2.2　作物圖像采集模塊

該模塊主要是通過攝像機采集作物生長信息，并對所采集的信息進行處理。為了能夠讓信息采集機器人有更寬闊的視覺范圍 ，在本課題中采用將攝像頭安裝在云臺上，通過云臺的360°旋轉來無死角地觀測農田作物。在綜合考慮了可靠性、經濟性和實用性之后，視頻采集CCD攝像頭選用HD720P高清攝像頭,如圖3所示。該攝像頭即插即用免驅，支持實地視頻拍攝：1 280X720(默認)，拍照像素尺寸為1 200萬像素(軟件增強)，適應接口USB2.0，顯示幀率：最快60幀/s，成像距離7cm(支持微距)；并內置降噪功能的智能數字麥克風，可完成對智能大棚作物生長情況拍照、錄像任務。

圖3　CCD攝像頭

3試驗研究

為驗證本試驗所設計機器人的適用性，將機器人小車應用在農田環境下進行實地的行走，來檢測該機器人能否適應復雜的地形。對于溫濕度信息采集及后續的圖像處理試驗，本研究進行了重點試驗：①將可實地行走的機器人放置大棚中，對溫室內不同地點、不同時間的溫濕度進行測量，以檢測機器人的傳感性能；②在作物圖像采集方面，通過高清攝像設備對農田機器人采集的圖像進行邊緣處理，比較在不同噪聲方差下邊緣處理圖像的效果，從而選用合適的邊緣處理算法來準確地觀察作物的大小及長勢狀況。

3.1　溫濕度檢測性能試驗研究

首先，從大棚入口一側開始到窗面的直線范圍內，選取10個測量點(見圖4)，將農業信息采集機器人測得的數據傳送給接收點，測量數據如表1所示。

圖4　溫室大棚環境模擬

測試點溫度/℃9:0012:0015:00濕度/%RH9:0012:0015:00129.333.831.250.131.156.7229.533.931.550.532.057.2330.034.032.051.832.156.9430.133.931.952.532.357.5530.834.032.453.132.957.9630.734.233.349.533.058.1730.434.932.946.732.557.4830.534.631.948.331.756.3929.934.831.348.831.457.21029.734.930.851.831.257.0

室外溫度的變化必會使大棚內的溫度隨之進行改變。從圖5中可以看到：從起止點兩端起，隨著距離中心點的增大溫度呈現降低的趨勢，在大棚中間部位可達到最高溫度；隨著時間的變化，在中午近12：00范圍內，溫度可達到峰值狀態。

從濕度變化曲線圖6可看出：在溫度較高的12:00時，大棚內的濕度較低；而9：00和15:00時刻的濕度會較高。這是因為大棚內早上和下午會對大棚進行澆灌，且中午溫度較高，大棚會打開排風扇降溫，因此導致大棚內濕度較低。因植物在強烈的陽光照射時，葉片上的氣孔會關閉，導致光合作用降低，因此在光照強烈的12:00時的光合作用反而沒有在9:00和15:00時高。因此,適當的降低陽光的照射，增加大棚內濕度，可使植物更好的進行光合作用。

試驗結果表明：該試驗機器人采集的信息數據可達到精度要求，符合農業大棚信息多點動態監測的要求，具有操作簡便、抗干擾能力強等諸多優點，可對溫室大棚作物信息進行可靠、穩定地監測。

圖5　溫度變化曲線

圖6　濕度變化曲線

3.2　圖像邊緣檢測實驗研究

本研究所選用視頻采集CCD高清攝像頭HD720P，內置降噪功能的智能數字麥克風。利用邊緣檢測算法，對農業信息采集機器人攝像頭提取的西紅柿圖像進行處理，以了解西紅柿生長狀況，如大小、數量等。

試驗中采用的是256像素×256像素，大小為9.03cm×9.03cm西紅柿圖片，如圖7所示。

圖7　西紅柿邊緣檢測原圖

對圖7進行邊緣檢測處理，處理圖如圖8所示。

(a)　sobel算法

(b)　LOG算法

通過對上述處理圖像進行比較后，可以看出LOG算法所得出的圖像輪廓更加的清楚詳細，能夠對與葉片重疊部分進行較好地邊緣輪廓提取，但是也會受到葉片干擾。因此，在后續的圖像處理當中，選取LOG算法對農業信息采集機器人采集回來的圖像進行邊緣處理。

4結論

本文主要介紹了農業信息采集機器人控制系統、圖象采集系統模塊、溫濕度傳感模塊，對信息采集機器人信息采集功能進行了試驗，并對攝像頭采集回來的圖像進行了邊緣檢測試驗。試驗表明：機器人具備較好的溫、濕度檢測性能，能夠快速、精準地完成農業大棚內的溫濕度采集，直觀地看出大棚內溫度的變化；農業信息采集機器人能夠通過攝像頭對農作物生長狀況進行實時監測，且能夠通過對攝像頭采集回來的圖像進行邊緣處理，了解大棚內西紅柿生長狀態和數量等信息。

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Design and Testing of Agricultural Information Collection Robot

Wang Wei, Zhang Gang, Liu Jiuqing， Chu Linghui， Guo Zhiyue

(Mechanical and Electrical Engineering,Northeast Forestry University,Harbin 150040,China)

Abstract：With the continuous development of agricultural modernization，people of all aspects of the requirements for fine farmland has reached a new height.For these factors,contemplate automation,intelligent information acquisition device used in agriculture.This study proposeed a new type of agricultural information collection robot,on the basis of the overall structure of the agricultural information collection on robot design,its visual acquisition、sensor detection and image processing was tested analysis and verification.The experimental results show that the robot can detect the temperature and humidity of the farmland by way of self-propelled and access to the growth of crops according to the image. To achieve a reduction in human consumption and improve the efficiency of the premise, still obtain reliable data and images, in order to better manage agricultural operations provide a reliable basis.

Key words：agricultural robot; information collection; vision system; image processing

中圖分類號：S24;TP242.6

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)09-0206-04

作者簡介：王偉(1976-)，男，黑龍江綏棱人，副教授，(E-mail)2259032796@qq.com。通訊作者：劉九慶(1971-)，男，遼寧葫蘆島人，教授，碩士生導師，(E-mail)nefujdljq@163.com。

基金項目：中央高校基本科研業務費專項資金項目(25722015CB08)

收稿日期：2015-08-30