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融合自动化技术的农业机械在玉米生产中的应用

2025-01-12 103 上传者：管理员

摘要：围绕自动化技术在玉米生产机械中的应用，运用机器视觉技术开发农业机械自动控制系统用于玉米种植过程，采用对照试验法比较自动化技术应用后玉米生产状况。研究结果表明，融合自动化技术的农业机械在玉米生产中的应用能显著提升玉米播种质量和收获质量，改善玉米生长状况。建议在玉米生产过程中采用农机自动控制系统，充分发挥自动化技术的优势和作用。

关键词：
农业机械
玉米生产
玉米种植
自动化技术
自动控制系统
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1、融合自动化技术的农业机械的应用思路

1.1总体思路

融合自动化技术的农业机械主要是以机器视觉技术为基础，通过获取生产过程中的相关图像以及农机实时图像，基于数据处理与分析，对农业机械进行参数设置和控制，从而控制机械作业的深松、播种、施肥、灌溉、收获等的运行路径，实现对农机自动导航作业的优化。

1.2自动控制系统硬件设计

1.2.1摄像机

在自动控制系统中，摄像机的主要功能是采集图像，可以设置在农业机械的任何位置，属于系统的图像传感器，通过将光信号转化为电信号，帮助工作人员了解农机状态和农田状况[1]。在设计农业机械自动控制系统时，选用CCD和CMOS两种类型的图像传感器，这两种传感器的灵敏度和动态范围较高，对复杂农田环境具有较高适应性，能清晰、准确地获取图像，为视觉定位及GPS导航提供支持。系统获取不同传感器采集的信息后，可以自动转换数据格式，并采用卡尔曼滤波算法对传感器信息进行处理，建立多传感器信息融合模型。系统图像信息处理流程见图1。

1.2.2数据采集卡

数据采集卡的主要功能是将图像模拟信号转化为数字信号，为计算机处理和存储图像信号提供支持。根据自动控制系统开发需求，选择Radient e VCXP RAD EV 1G 4C6图像采集卡，能够提供可靠性高的图像采集解决方案，支持最多两个或四个通道同时连接摄像机，以及在同一线路实现数据与控制的传输。在数据采集卡的基础上，嵌入数据自动化处理及农机自动化控制的相关图像处理和算法运算，在减轻计算机负担的基础上，提高图像采集与处理的集成效果。

1.2.3通信方式

系统的数据通信主要依靠Modbus总线，经Modbus协议，实现农业机械上各类传感器和执行器与系统之间的通信。控制器与寄存器连接，以发送各类功能码的方式，获取寄存器中保存的相关数据，为采集农业机械的动态参数，以及控制农业机械运动提供支持。控制器经通信协议的支持获取并处理各类数据后，主要面向执行器发送控制农业机械的运行指令，通过调节农业机械的行走路线，实现对自动导航作业的优化。系统通信过程见图2。

1.3功能模块设计

1.3.1信号处理模块

该模块主要负责对采集的图像信号进行处理与分析。

一是将颜色特征作为信息，提取目标的机器视觉信号，采用模糊算法对图像中的要素进行聚类分析。在机器视觉信号处理中，系统通过对图像像素点聚类，在得到中心点后，运用最小平方法拟合该中心点，自动获得农业机械的最佳导航路线。

二是对原始图像进行灰度化处理，将彩色图像转化为灰度图像后，降低处理难度[2]。信号处理模块主要采用中值滤波对灰度图像进行降噪滤波处理，在中值滤波中选择3×3窗口来处理图像，按升序或降序将窗口中的几个像素进行排序后，对各像素点进行处理，其数学表达式如下：

式中，g(i,j)、f(i,j)分别是滤波前后窗口中心像素的灰度值；O表示窗口；med表示中值函数。

信号处理模块在对图像实施预处理后，运用SIFT算法提取图像特征，在此基础上为农机路径控制提供依据，提高农业机械自动导航作业的精度。

图1图像信息处理流程

图2系统通信流程示意图

1.3.2图像分割模块

采用阈值法进行图像分割，在图像分割的基础上对图像灰度信息实施分析，而图像中点的灰度值在阈值条件下完成图像分割任务，其数学表达式如下[3]:

阈值法即利用该函数找出最优阈值，找到农业机械自动导航的最优路径。

2、融合自动化技术的农业机械在玉米生产中的应用效果评估

2.1试验准备

为验证融合自动化技术的农业机械在玉米生产过程中的应用效果，在山东省菏泽市定陶区采用对照试验法，选择鲁丹288玉米品种进行试验。随机选择两块面积为10亩的试验田，分别命名为对照田和实验田，比较两块试验田的玉米种植情况。两块试验田的玉米生产都采用玉米全程机械化生产模式，其中实验田在使用农机的过程中建立了基于机器视觉技术的农业机械自动控制系统。

2.2评估标准

2.2.1播种质量

研究的农机自动化技术重点在于控制农机自动导航作业流程，所以选择播种速度、漏播率、重播率、播深合格率四项指标评估两块试验田的玉米播种质量。

2.2.2玉米生长状况

玉米生长状况除了受玉米播种质量影响外，还受植保阶段的灌溉、施肥等因素影响，与农业机械自动导航作业优化效果有直接关系。因此，在玉米收获前重点调查两块试验田的玉米生长状况，生长状况的评估指标有株高、茎粗、秃顶三项指标。

2.2.3玉米收获质量

玉米收获机械的自动导航作业效果在一定程度上会影响玉米收获质量。选择破碎率、含杂率、落粒损失率、落穗损失率等指标，评估自动化技术赋能下的玉米机械化收获质量，明确融合自动化技术的农业机械在玉米收获环节的应用效果。

2.3评估结果

2.3.1玉米播种质量

根据表1所示，对照田与实验田的玉米播种速度的差异较小，说明自动化技术用于优化农业机械自动导航作业，对提升玉米播种速度的效果不显著；实验田漏播率、重播率显著低于对照田，播深合格率显著高于对照田，说明融合自动化技术的农业机械能显著提高玉米播种质量。

表1玉米播种质量

2.3.2玉米生长状况