棉花打顶机的设计及参数变化.doc

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，S前巾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。H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。本课题运用双目立体视觉技术，研宄、搭建一套棉株立体动态 识别系统。课题研宄所做工作及运用的技术方法存: 通过对0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。 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。 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 依据课题任务计划，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。 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。 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预测模型。 运用 Microsoft Visual Studio 2010 开发工具、MFC (Microsoft Foundation Classes)库以及 OpenCV (Open Source Computer Vision Library)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Y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Y理论基础。 关键词：立体视觉技术，摄像机定标，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0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25亿人民币，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 阁1-2棉花种植面积及总产量 新疆“三…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 同时，机械打顶相比人工打顶，每亩棉花增产多达10.25