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　　变量喷药技术是精确农业的重要组成部分，其核心是采用全球定位系统（GPS）、地理信息技术（GIS）或实时传感器技术获取农田小区域内病虫草害分布的差异性信息，采用压力控制方式、流量控制方式或药液浓度调节控制方式控制植保机械喷头喷药量，使其按照农田病虫草害分布的差异性，精确、快速地进行喷药作业[1 5].它不仅可以提高农药利用率[6 7],提高农业增产率达20%~40%,而且可以在减少农药使用量的同时增加或维持农产品产量、降低农产品生产成本、减少环境污染、保护生态平衡[8 10].

　　1 对靶变量控制系统设计

　　按照模块化的设计思想，可以将对靶变量控制系统按照功能分为目标识别系统、自动对靶控制系统、变量喷雾子系统三个模块[11].其中目标识别系统由摄像头和K60微控制器完成，自动对靶控制系统由单片机控制电液比例方向阀完成，变量喷雾控制系统由单片机控制继电器和电磁阀的运行完成。下位机和上位机之间通过RS232实现通讯，具体过程：上位机通过分析摄像头采集到的图像信息检测到目标物，通过串口发送喷雾指令到下位机，下位机通过控制喷头运动实时对靶变量喷雾。

　　目标识别系统通过机器视觉采集作物的现场图像，并根据预先制定的图像处理算法对图像进行处理[12],进而确定喷雾方案，并把喷雾方案传输给单片机，完成对靶和变量喷雾。如图2所示，目标识别系统先由摄像机获取图像，并对图像进行处理获得作物信息。作物信息包括两部分内容，一是作物的有无，二是作物面积的大小。果树的有无用来确定是否喷雾，果树树冠轮廓用来确定喷雾量的多少及喷雾路径。由此，确定具体的喷雾方案，并通过单片机控制完成。

　　系统由摄像头采集图像，经单片机处理后将喷雾控制等指令下发给下位机。由下位机实现具体的控制过程。下位机喷雾控制器是基于上位机图像识别及处理软件已完成的基础上进行的。上位机将是否喷雾动作以及树冠轮廓以代码的形式发给下位机。下位机结合车速传感器及车与果树之间的距离，运算出树冠高度及喷雾装置的仰角，并进行反馈控制。上位机软件进行图像采集、处理、识别后，生成喷雾信息后与下位机进行通信，下位机控制执行机构对靶喷雾。

　　1）上位机主要实现的功能。上位机需实时对采集的果树图像信息进行处理。果树图像信息采集采用ov7620摄像头，果树植株信息经摄像头传给上位机（计算机或其他图像处理芯片），上位机对图像信息进行数据处理，得到果树的轮廓信息，并将数据发送给下位机（单片机）并实现对其控制。

　　2）下位机主要实现的功能。对上位机发送的信号进行解码，并根据果树图像信息对喷药液压回路进行实时控制，从而实现自动对靶喷药。

　　2 目标识别方法

　　目标识别系统主要包括图像采集模块，图像处理模块，图像识别与传输模块。

　　2.1图像采集。

　　所采用的OV7620摄像头模块是1/3"CMOS彩色/黑白图像传感器。它支持连续和隔行两种扫描方式，VGA与QVGA两种图像格式；最高像素为664×492,帧速率为30fps;摄像头工作在被动模式，并以30fps的帧率采集图像。

　　2.2果树图像的预处理。

　　2.2.1图像二值化。

　　对图像二值化处理，可以使用动态阈值法、全局阈值法、局部阈值法、"最优"阈值法这四种方法[13 14].以上方法的二值化处理都是基于灰度图像变换，而本文将采取彩色变换的方法对图像进行二值化处理。一幅彩色图像可表示为一个MXNX3的3维矩阵。其中每一个彩色像素都在特定空间位置的彩色图像中对应红、绿、蓝3个分量。分量图像的数据类型决定了它们的取值范围。

　　2.2.2平滑图像边缘。

　　1）闭操作。闭操作可使轮廓更光滑，但与开操作相反的是，闭操作消弥狭窄的间断和长细的鸿沟，消除小的空洞，并填补轮廓线中的断裂。闭操作的集合解释为小球在边界外部转动。Matlab用imclose函数进行闭操作，结构如I=imclose（IM,SE），IM为待处理图像，SE为结构元素。本文结构元素采用20×20的真值矩阵处理图像。

　　2）填充"空洞".图6显示，二值图像经过闭操作之后，在边界内部出现了局部黑色点块，即"空洞".使用imfill（BW,'holes'）函数可填充二值图像中的空洞区域，BW为被操作的二值图像，holes'为结构单元。

　　2.3图像轮廓提取。

　　在二值图像中提取物体的边界，容易想到的一个方法是将所有物体内部的点删除（置为背景色）。具体地说，可以逐行扫描原图像，如果发现一个黑点的8个领域都是黑点，则该点为内部点，在目标图像中将它删除。实际上相当于采用一个3×3的结构元素对原图像进行腐蚀，使得只有那些8个领域都有黑点的内部点被保留，再用原图像减去腐蚀后的图像，恰好删除了这些内部点，留下边界像素。

　　2.4图像识别与传输模块。

　　提取图像轮廓后，在轮廓边缘填充0,其余部分全为1,中间部分两个0之间的部分为树冠，需要喷施药液。上位机将此信息通过串口传输给下位机，下位机通过传感器采集车行速度V车，喷头的上下纵向喷施速度V喷，喷头与树冠的垂直距离L,由于喷头的喷药覆盖半径为r以及喷头的扩散角为θ故划分轮廓时以一定像素m×n为区块单位。

　　m=k1×s×V车n=k2×s×V喷式中：k1,k2---比例系数；s=π（r+Ltanθ）2.

　　3 结果与分析

　　将该对靶变量喷药系统装载到原有传统的喷药车后，对核桃树（株行距3×4,栽植密度50株）进行喷药试验，在同样时速下，使用同样的药液配比，喷施250m长的一行桃树。用药量通过药液箱上的刻度大致估读，偏差z正负1~2L,漏喷率通过人工实际检验未喷施面积大致估计，偏差正负1%,药液漂移量通过距离5m、6m、7m、8m各插纸面旗帜，在果树上喷施药液后，看是否在纸面上有药液颗粒来判定漂移距离。

　　从结果可知，与原有喷药机相比，对靶变量喷药在用药量和环保性上都有所进步，节约了22.2%的药液量，药液漂移距离缩短了17%,但漏喷率提高了5%,分析其原因为图像采集、分析、处理后控制喷药的延时导致的漏喷，这也是接下来要继续提高的方向。

　　4 结论

　　本文搭建了对靶变量喷药控制系统实验平台，侧重目标识别方法的研究，在硬件设计基础上重点介绍了图像采集、图像处理、图像识别以及图像传输模块的软件设计。并通过计算机串口控制电磁阀进行了果树区块喷雾设计，通过实验证明了对靶变量喷药在环保和节省药液用量上的优势，但漏喷需要继续研究提高。

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