基于机器视觉的甘蔗段分选系统的设计

谭浩 林芝 郑英模 陈鹏起

(南京农业大学工学院，江苏南京 210031)お

摘要 甘蔗在我国糖料作物中有着重要的地位，针对目前甘蔗种植的现状及存在的弊端，设计出了基于机器视觉的甘蔗段分选系统，图像采集装置对长60 mm的甘蔗段进行图像采集，通过对采集到的图像进行图像增强、图像边缘检测等处理，得到甘蔗段的边缘灰度图像，再根据边缘灰度图像的纹理特征统计值判断出甘蔗段是否有茎节，同时通过串口通信向分选装置发送信号，分选装置根据接收到的信号对甘蔗段进行区分，实现了对有无茎节甘蔗段的分选。试验证明了设计的可行性，探索了一种新的甘蔗段分选系统，对甘蔗种植业的发展有着重要的作用。

关键词 机器视觉；图像采集；串口通信；分选

中图分类号 SB126文献标识码

A文章编号 0517-6611（2014）19-06462-03お

Design of Sugarcane Visual Separation System Based on Machine Vision

TAN Hao et al(School of Institute, Nanjing Agricultural University, Nanjing, Jiangsu 210031)

AbstractSugarcane has an important position in sugar crops in China, in view of the present status and problems of sugarcane planting, the sugarcane stage separation system was designed based on machine vision. Image acquisition was conducted on the 60 mm length of sugarcane. Image enhancement, image processing such as edge detection was conducted on the acquired image to get an edge of the gray image of cane, and then according to the edge of gray image texture feature statistics tell cane section of the stem section, at the same time, through a serial port communication sends a signal to the sorting device, separating device according to the received signal to distinguish between sugarcane segment, realized with presence of internodes of sugarcane sorting. Experiment proves the feasibility of the design, this thesis explores a new sugarcane stage separation system, which will play an important role in the development of sugar cane plantations.

Key wordsMachine vision; Image acquisition; The serial communication; Sorting

基金项目 国家级大学生创新创业训练计划项目(201310307069)。

ぷ髡呒蚪 谭浩（1993- ），男，吉林四平人，本科生,专业:电子信息科学与技术。

收稿日期 20140604

甘蔗是我国最重要的糖料作物，主要分布在云南、福建、海南、广西及广东等省区，其种植面积占我国常年糖料种植面积的85%以上，产糖量占全国食糖总产的90%以上［1-5］。甘蔗是一种宿根作物,1年收获1次, 普遍留宿根1~2年后因产量急剧下降而淘汰。因此，不少国营农场和种植专业户新植面积逐年提高, 有些新植面积比例甚至高达60%。甘蔗种植属于劳动密集型工序,人工种植工效低, 劳动强度大且很不经济。因此，甘蔗种植机械化显得越来越必要而迫切［6-7］。目前，世界主要产糖国如澳大利亚、巴西、古巴等已基本实现了机械化种植，所用的种植机主要有整秆式、实时切种式和预切种式3种。整秆式甘蔗种植机将蔗种整秆地摆放在由开沟器开出的沟内；实时切种式种植作业机作业时，整秆蔗种被喂入切种器，切成甘蔗段后摆放在开出的沟内；预切种式甘蔗种植机采用预先切好的甘蔗段，喂入摆种机构将蔗段摆放在沟内［8］。无论哪种种植方式，在种植过程中都使用大量的劳动力，同时，将没有茎节的甘蔗段埋入土中，造成资源的浪费。我国从20世纪70年代开始研制甘蔗种植机，所研制机型都是实时切种式［8］，上述切种式种植的弊端依然存在。为减少劳动力使用,合理利用资源，需设计一套系统可智能识别茎节，并自动分选出有茎节甘蔗段和无茎节甘蔗段，将有效蔗种片段用于播种，无效蔗段回收用作榨糖。因此，甘蔗段视觉分选系统的研究对推动农业自动化和机械化发展有重要意义。

1 系统总体结构

该系统主要由切段装置、图像采集装置、分选装置和传送装置（图1）组成。切段装置对喂入的甘蔗进行切段，甘蔗段的长度在60mm左右。切好的甘蔗段从切段装置出口进入传送装置入口。图像采集装置中有1个USB相机，对传送带上的甘蔗段进行图像采集，同时对采集的图像进行处理，识别出甘蔗段是否有茎节，并向分选装置中的单片机发送信号。分选装置由单片机进行控制，单片机控制步进电机转动，从而带动分选板达到分选甘蔗段的目的。

图1 系统总体结构示意

1.1 切段装置 切段装置将从入口送入的长甘蔗切成甘蔗段，采用了对辊切段的方式，即切段装置中对辊和切刀对辊之间设有供甘蔗通过的间隙，切刀设于对辊上，切刀将通过对辊的甘蔗切成甘蔗段。切段装置包括外壳以及甘蔗传送入口和甘蔗段出口，甘蔗段出口设于传送装置的入口处。

1.2 系统图像采集装置

系统图像采集装置长为330 mm、宽为330 mm、高为864 mm，两条钢管之间的距离为290 mm，与传送装置的宽度相符。相机固定在装置中的升降杆上，可调节升降杆使相机与传送带之间的距离为合适的采集高度，升降杆调节的最大距离为30 cm。搭建的图像采集装置是在MATLAB 环境下开发的，采用easyvxin YX0612工业镜头和型号为U130M的CMOS相机［有效像素为1280H*1024V(1.3M)，采集的图像为灰度图像，格式为bmp］，并配合环形光源，进行甘蔗段图像的采集，采集的甘蔗段原始图像如图2、3所示。

图2 有茎节甘蔗段

图3 无茎节甘蔗段

1.3 系统分选装置

系统分选装置长为330 mm、宽为200 mm、高为710 mm，采用循环旋转移推方法进行分选。分选板长为400 mm、宽为100 mm，固定在步进电机的驱动轴上，初始状态与传送带保持平行。步进电机由单片机和驱动器控制，单片机根据接收到MATLAB发送的信号，对步进电机进行控制。当接收到采集的图像为无茎节甘蔗段的信号时，单片机向电机驱动器发送PWM脉冲，驱动器驱动步进电机旋转180°，分选板将甘蔗段推送出去。当接收到采集的图像为有茎节甘蔗段的信号时，单片机不发送脉冲，即步进电机不做任何动作，甘蔗段在传送带末端与其分离。

1.4 系统传送装置

系统传送装置为流水线皮带输送机，具有变频调速和马达调速功能。可根据图像采集和处理的速度调节相应的转速，保证图像处理准确的同时还具有较高的效率。

2 系统软件设计

相机通过USB数据线与笔记本电脑相连，通过用MATLAB软件编写好的上位机软件对相机进行控制并采集甘蔗段图像。步进电机通过单片机进行控制，MATLAB与单片机之间通过串口通信实现信号的发送与接收，单片机根据接收到的不同的信号对步进电机进行控制。图4为系统整体的流程图。

图4 系统整体流程

2.1 上位机软件界面

该上位机界面（图5）可控制相机开始拍照和停止拍照，同时对采集到的甘蔗段图像和处理后的图像特征值进行实时显示，并根据特征值判断出是否为有茎节的甘蔗段。

该上位机界面使用MATLAB软件编写，开始按键下的代码是在while循环中调用MATLAB软件中图像获取工具箱提供的函数对相机进行控制，并通过图像处理得到甘蔗段纹理特征统计值以及甘蔗段是否有茎节显示在界面上。停止按键下的代码是设置停止位变量（stopbit）为0，使得while循环停止，即相机停止拍照。

图5 上位机界面

2.2 甘蔗段图像预处理

2.2.1 图像增强。

为了增强图像各个部分之间的明暗对比度，利用灰度变换的手段增强图像目标与背景间的对比度，以便突出图像的目标部分。

灰度变换增强是在空间域内对图像进行增强的一种简单而有效的方法。灰度变换增强不改变原图像中像素的位置，只改变像素点的灰度值，并逐点进行，和周围的其他像素点无关［9］。

2.2.2 图像分割。

图像分割是图像处理、模式识别和人工智能等多个领域中一个十分重要且又十分困难的问题，是计算机视觉技术中首要的、重要的关键步骤，其中边缘检测是图像分割中的的经典研究课题之一［9］。图像边缘含有形状、方向、阶跃性等有价值的信息，通过它可以描画出目标物体的轮廓，它是图像局部特征间断性在视觉上的刺激。该研究采用高斯拉普拉斯（LOG）算子对甘蔗段图像的边缘进行提取，得到甘蔗段的边缘灰度图像。

拉普拉斯(Laplacian)算子是一种不依赖于边缘方向的二阶微分算子，表达式为：

í2f=躬2f 箈2+躬2f 箉2オ

LOG算子是在经典算子的基础上发展起来的边缘检测算子，根据信噪比求得检测边缘的最优滤波器。首先采用Gaussian函数对图像进行平滑，然后采用Laplacian算子根据二阶导数过零点来检测图像边缘，称为LOG算子。LOG算子有很多的优点，如边界定位精度高，抗干扰能力强，连续性好等。图6为采用LOG算子得到的甘蔗段边缘灰度图像，通过甘蔗段边缘灰度图像的纹理特征统计值，可区分甘蔗段是否有茎节。

2.3 串口通信

根据图像处理判断出甘蔗段是否有茎节，通过MATLAB与单片机之间的串口通信，向单片机发送相应的信号。单片机根据接收到的信号向驱动器发送PWM脉

冲，使得驱动器控制步进电机做出相应的动作，对甘蔗段进

图6 有茎节甘蔗段边缘灰度图像

行分选。MATLAB与单片机之间的串口通信具体实现方式如下：

用serial()函数为指定串口创建一个串口对象。调用格式为：obj=serial(‘port)。

对串口属性进行设置：

obj.BaudRate=9600; 设置波特率为9600

obj.Parity=none; 设置无奇偶校验

obj.DataBits=8; 设置传送数据位数为8位

obj.StopBits=1; 设置数据传送的停止位位数为1位

其他属性采用默认值。

用fopen()函数打开串口，连接串口对象到外围设备。调用格式为：fopen(obj)。

用fwrite()函数写二进制数据到设备中。调用格式为：fwrite(obj,1)。

用fclose()函数断开串口与设备的连接［10-12］。调用格式为：fclose(obj)。

3 结论

该系统结构简单，实用性强，结合了图像处理和串口通信技术，实现了对甘蔗段的视觉分选，该系统主要有以下几个特点：①通过相机采集图像并自动识别出甘蔗段是否有茎节，并通过分选装置进行区分，减少了人力物力投入，提高了工作效率。②将无茎节的甘蔗段筛选出来，送往制糖工厂作为制糖的原料，大大地减少了资源的浪费。

该系统可以有效地识别出甘蔗段是否有茎节并进行区分，解决了农业上运送甘蔗劳动力大和资源浪费的问题，在甘蔗种植业中有着重要的作用，对推动我国农业自动化和机械化发展有重要意义。

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