基于機器視覺的蔬菜嫁接機自動上苗控制系統設計

王哲祿，程向嬌，尤文生

(溫州職業技術學院，浙江溫州 325035)

蔬菜嫁接機是由機電工程技術、自動化技術、蔬菜農藝技術相結合而產生的設施農業裝置。自動嫁接機能取代人的手工作業，用機械臂快速地完成夾取、切削和接合動作，實現砧木和接穗的嫁接動作，而且嫁接速度快、成活率高。在農業設施比較發達的地區和國家，自動嫁接機具有廣闊的市場應用前景[1-4]。

日本、韓國較早開發了嫁接機，嫁接自動化程度較高，相應的裝備已經在企業得到了推廣應用。在中國自動嫁接機的研究主要是由中國農業大學、華南農業大學等高校率先進行，目前已先后開發出了2JSZ-600、2JC-350等樣機，但是主要還是半自動化狀態，靠人工上苗。筆者以蔬菜嫁接機自動上苗為研究對象，采用機器視覺采集、提取嫁接苗的參數特征，引導機械臂進行嫁接苗的抓取實現自動上苗，有利于提高蔬菜嫁接自動化水平[5-8]。

1 系統構成工作原理

典型的蔬菜嫁接機自動上苗裝置的工作過程如圖1所示，假設穴盤有3株苗，如a、b和c，依次按照順序進行自動取苗和上苗[9-10]。基于視覺的自動上苗控制系統的要求是在滿足嫁接苗木農藝參數的條件下，進行篩選配對取苗和上苗。系統設計要求如下：依靠視覺進行嫁接苗定位、子葉方向識別等，并通過視覺軟件分析測量嫁接苗苗徑，實現配對上苗嫁接，提高嫁接效率和成活率。

圖1 典型自動上苗工作路徑Fig.1 Typical automatic seedling working path

蔬菜嫁接機自動上苗控制系統由視覺采集模塊、圖像處理模塊和運動控制模塊組成，系統總體框架如圖2所示。視覺采集模塊包括光源控制、工業相機、鏡頭和光源；圖像處理模塊包括PC工控機、圖像處理軟件；運動控制模塊包括主控軟件、PLC、機械臂和取苗手爪等。其主要的工作原理是工業相機分別采集砧木和接穗穴盤苗的參數信息，將圖像數據傳遞給PC工控機中圖像軟件進行圖像處理，計算機將圖像處理的數據結果傳遞給PLC，經過數據處理引導機械臂進行嫁接苗的配對篩選和劣質苗的篩選剔除。

圖2 系統總體框架Fig.2 General framework of the system

2 自動上苗控制系統設計

2.1機器視覺采集系統的構建控制系統中機器視覺采集系統主要采用雙目視覺，即穴盤苗上端和前端采集，如圖3所示分別對砧木和接穗進行視覺采集，嫁接苗上端相機主要采集苗木俯視圖像進行嫁接苗有無及子葉方向的判別，前端相機主要采集嫁接苗株高和苗徑信息。

圖3 機器視覺采集系統構建Fig.3 The construction of machine vision acquisition system

由于葫蘆苗和西瓜苗的截面形狀并非圓形而是橢圓形，如圖4所示，因此攝像頭采集實測投影(A)和子葉角度(β)，將測得的數據進行分析求得長軸(Dl)和短軸(DS)的值，為此需建立數學模型還原嫁接苗長軸和短軸的真實值。

F(x，y)為橢圓逆時針轉過角β后苗莖橢圓曲線上任意一點，F′(x′,y′)為F點在原X0Y坐標中的值，于是F′(x′,y′)和F(x，y)可建立以下參數關系

圖4 嫁接苗截面輪廓Fig.4 Grafted seedling cross-section profile

(1)

設橢圓方程為：

(2)

(3)

將式(1)代入式(2)，同時由圖4所示的幾何關系映射出的值A是橢圓輪廓的2條切線，因此x的解唯一，求得：

(4)

根據橢圓長軸、短軸和橢圓率之間的關系得到長軸(Dl)和短軸(DS)的數值。

Dl=

(5)

DS=ρDl

(6)

式(5)、(6)即為已知量實測投影距離(A)、子葉旋轉角(β)和苗莖橢圓率(ρ)與未知量長軸(Dl)和短軸(DS)之間的數學模型，通過以上數據構建視覺采集系統的參數，同時西瓜苗與葫蘆苗檢測時只需改變預置的橢圓率值即可求得苗莖長軸(Dl)和短軸(DS)的數值。

2.2PLC控制系統的設計自動上苗控制系統硬件的組成主要包括LED光源、工業相機、鏡頭、PC工控機、FX3U系列PLC、機械臂、末端執行器和位置傳感器等。其中視覺和PLC主要的硬件選型：恒新科技公司HX-U300系列的CMOS彩色相機、鏡頭焦距6～10 mm；PLC選擇三菱FX3U-48MT PLC帶晶體管進行伺服機械手控制。

PLC控制系統是蔬菜嫁接機自動上苗裝置控制系統的核心，首先按照自動上苗的動作任務分解和農藝要求，制定自動上苗系統的控制方案和控制方式，并進行相關參數的設定，按照視覺檢測和農藝要求完成控制任務。整個PLC系統控制包括圖像采集和PLC機械手取苗動作，控制流程如圖5所示。首先，機器視覺攝影頭采集嫁接苗前視圖和俯視圖，然后進行圖像處理，獲取前視直徑(D)和旋轉角(β)，計算砧木和接穗橢圓長短軸值。經過計算機進行砧木和接穗匹配，獲取配對苗木位置信息，發出信息進行取苗，機械手完成取苗動作，對不合格苗木進行篩選處理。

圖5 PLC系統控制流程Fig.5 PLC system control flow chart

2.3人機界面的設計為了使嫁接機自動上苗的操作更為直觀、方便，控制系統的人機界面采用VS2016環境下設計的機器視覺軟件系統界面，該系統主要包括圖像的采集、圖像處理和計算結果3個功能。系統界面包括接穗砧木2個實時畫面窗口，以及采集的砧木和接穗經計算處理得到的2組苗徑參數窗口，并創建采集、確定、配對和上苗4個功能(圖6)。主視圖攝像頭實時顯示接穗和砧木的前視圖監控畫面，計算機根據前方信號采集圖片進行處理，根據實測投影(A)和子葉角度(β)進行苗徑的計算，并進行配對上苗給下位機PLC指導機械手進行取苗。同時軟件以.txt文本的格式保留處理結果，如苗莖數據、植株高度、子葉展開角等信息，以便試驗后的統計分析。

圖6 機器視覺苗徑采集系統Fig.6 Machine vision seedling diameter acquisition system

3 系統驗證試驗

為了測試視覺系統和上苗控制系統的功能特性，選用5×10穴盤對接穗和砧木進行培育，其中接穗采用京欣1號，砧木采用浙蒲2號，并對穴盤苗人工尺寸參數進行測量(圖7)和自動上苗控制系統進行上苗的控制(圖8)。

圖7 嫁接苗參數的測量Fig.7 Measurement of grafting seedling parameters

圖8 自動取苗機械手Fig.8 Automatic seedling extraction manipulator

4 結論

該系統以VS2016環境下設計的機器視覺軟件系統界面為上位機、三菱FX3U-48MT PLC為下位機，利用機器視覺采集嫁接苗的參數信息進行圖像處理，引導PLC完成機械手進行取苗控制。研究結果證明，該系統視覺檢測能引導機械進行上苗動作，且砧木、接穗橢圓長軸和人工檢測長軸的誤差率大概在6.9%和6.6%，自動上苗控制系統工作速度穩定，可滿足農藝設計的要求。