一种农田图像采集装置的制作方法

本发明属于农业机械技术领域，具体涉及一种为农田机器视觉技术服务的农田图像采集装置。

背景技术：

目前，越来越多的农业机械设备应用到了机器视觉技术，例如使用机器视觉技术获取田间玉米果穗的数量，从而计算玉米产量。凭借玉米收获机收获的玉米果穗数量与田地中全部的玉米果穗数量，获得玉米收获机的果穗损失率等等。获得优质的农田图像是应用机器视觉技术解决实际问题的关键步骤。

农田作业环境下，光线时刻变化、灰尘含量大、地面起伏、农机具行走与引擎振动冲击等实际问题，给农田图像的采集造成了极大的障碍。

技术实现要素：

本发明针对在农田中进行图像采集作业时，光线时刻变化、农田中灰尘含量大、农机具行走与引擎振动冲击等实际问题，发明了一种农田图像采集装置。

本发明由图像光源a、工业相机b、激光雷达扫描器c、位姿调整装置d和仿人体膝关节的减振承托支架e组成，其中工业相机b上设有摄像头36，激光雷达扫描器c上设有扫描窗口37；工业相机b上端固接图像光源a，可沿垂直于工业相机上表面的中心轴旋转，并可以于任意角度位置锁紧，从而调整图像光源方向与工业摄像头主光轴方向之间的夹角，以适应或者补偿自然光线的变化；工业相机b下端与激光雷达扫描器c的上端固接，位姿调整装置d中上支架f的横板8上面正中与激光雷达扫描器c的下端固接，位姿调整装置d中电机ⅲ4的下端与仿人体膝关节的减振承托支架e中上托体i的托盘ⅰ29上面中心固接。

所述的图像光源a由碳化硅led34和反光镜38组成，由于碳化硅led点阵发出黄色的光源，在灰尘含量较高的农田中，具有较好的衍射性能，能够为图像拍摄提供较好的光源；所述反光镜38由平面33和旋转抛物面35组成，旋转抛物面35内陷于平面33中，能够较好地保证光源的方向性；其旋转抛物面35的数量与碳化硅led34的个数相等，以旋转抛物面35的顶点为坐标原点，以每一个碳化硅led34的中心线为z轴，指向碳化硅led34的点阵方向为正方向，建立笛卡尔右手坐标系，每一个碳化硅led34的中心为旋转抛物面35的焦点，旋转抛物面35的方程为：

所述的工业相机b中摄像头36的主光轴与激光雷达扫描器c的扫描角度的角平分线空间平行，从而最大限度地保证工业相机所拍摄到的中心物体恰好为激光雷达扫描器扫描到的中心物体；激光雷达扫描器c的扫描角度分辨率为0.045°，激光雷达扫描器c的扫描频率根据由此刻作为计时标记点之前的一段时间内激光雷达扫描器c在3米范围内所扫描到物体的角度占总扫描角度的比例进行自动调整，其调整规律遵循如下公式：

其中：α为激光雷达扫描器在下1秒的扫描频率；i为激光雷达扫描器自此时作为计时标记点向前计数的扫描时间间隔，单位为秒；pi为激光雷达扫描器在某1秒钟之内，在3米范围内所扫描到物体的角度；p为激光雷达扫描器的总扫描角度；ε为根据农田作物种类而定的权重系数，5000为激光雷达扫描器的基础扫描频率。

所述的位姿调整装置d由上支架f、中支架g、下支架h、陀螺仪1、电机ⅰ2、电机ⅱ3、电机ⅲ4、销钉ⅰ5和销钉ⅱ6组成，其中上支架f为u形结构，包括左立板7、横板8和右立板9，其中左立板7上设有孔ⅱ11，右立板9上设有孔ⅰ10；中支架g为方框结构，包括左板12、后板13、右板15和前板17，其中左板12上设有孔ⅵ19，后板13上设有孔ⅲ14，右板15上设有孔ⅳ16，前板17上设有孔ⅴ18；下支架h为u形结构，包括后立板20、纵板21和前立板22，其中后立板20上设有孔ⅷ24，前立板22上设有孔ⅶ23；陀螺仪1固接于上支架f中横板8的下面中心；电机ⅲ4的输出轴上端与下支架h中纵板21的下面中心固接；电机ⅰ2固接于中支架g中右板15的孔ⅳ16，电机ⅰ2的输出轴端固接于上支架f中右立板9的孔ⅰ10；销钉ⅱ6中部与中支架g中左板12的孔ⅵ19活动连接，销钉ⅱ6右端与上支架f中左立板7的孔ⅱ11固接；电机ⅱ3固接于下支架h中前立板22的孔ⅶ23，电机ⅱ3的输出轴端固接于中支架g中前板17的孔ⅴ18；销钉ⅰ5中部与下支架h中后立板20的孔ⅷ24活动连接，销钉ⅰ5前端与中支架g中后板13的孔ⅲ14固接。

位姿调整装置可以实时检测俯仰、倾斜、摆动的角度变化量，检测精度为0.1°；其中电机ⅰ2、电机ⅱ3、电机ⅲ4分别为俯仰调整电机、倾斜调整电机、摆动调整电机，可以根据陀螺仪检测到的角度变化，逆向调整自身的转角，从而补偿俯仰调整平台、倾斜调整平台、摆动调整平台的角度变化，使工业摄像头回到设定的拍摄方向与拍摄角度，从而减弱由于地面起伏对图像拍摄质量的干扰。

所述的仿人体膝关节的减振承托支架e由上托体i、下托体j、斜柱ⅰ25、立柱ⅰ26、斜柱ⅱ27、立柱ⅱ28组成，其中上托体i由托盘ⅰ29和凹槽ⅰ30组成，凹槽ⅰ30为空心圆柱体，设于托盘ⅰ29的下面；下托体j由托盘ⅱ31和凹槽ⅱ32组成，凹槽ⅱ32为空心圆柱体，设于托盘ⅱ31的上面；凹槽ⅰ30的容积与托盘ⅰ29的体积之比、凹槽ⅱ32的容积与托盘ⅱ31的体积之比相等，均为70％到83％，其圆柱形凹槽的设计仿人体膝关节的关节腔。立柱ⅰ26和立柱ⅱ28的上端固接于上托体i的托盘ⅰ29下表面，且于凹槽ⅰ30直径的两端；立柱ⅰ26和立柱ⅱ28的下端固接于下托体j的托盘ⅱ31上表面，且于凹槽ⅱ32直径的两端；斜柱ⅰ25和斜柱ⅱ27的上端固接于上托体i的托盘ⅰ29下表面，且于立柱ⅰ26和立柱ⅱ28之间；斜柱ⅰ25和斜柱ⅱ27的下端固接于下托体j的托盘ⅱ31上表面，且于立柱ⅰ26和立柱ⅱ28之间；上托体i中托盘ⅰ29的上表面和下托体j中托盘ⅱ31的下表面平行，且托盘ⅰ29和托盘ⅱ31中心在一条垂线上；立柱ⅰ26和立柱ⅱ28与托盘ⅰ29的上表面和托盘ⅱ31的下表面垂直；斜柱ⅰ(25)与托盘ⅰ(29)的夹角等于斜柱ⅰ(25)与托盘ⅱ(31)的夹角，其角度的取值范围是50°到75°；斜柱ⅱ(27)与托盘ⅰ(29)的夹角等于斜柱ⅱ(27)与托盘ⅱ(31)的夹角，其角度的取值范围是也是50°到75；上托体i和下托体j的材料为铝镁合金；斜柱ⅰ25、立柱ⅰ26、斜柱ⅱ27和立柱ⅱ28由橡胶颗粒挤压成型。

由于人体的膝关节具有较强的减振能力，所以本发明，一种农田图像采集装置的减震承托支架仿人体膝关节设计；其中斜柱ⅰ25、立柱ⅰ26、斜柱ⅱ27和立柱ⅱ28分别为前十字阻尼(25)、内侧阻尼(26)、后十字阻尼(27)和外侧阻尼(28)；以下托体的下表面为xoy平面，以下托体的下表面的中心点为坐标原点，以指向上托体的方向为z轴的正方向，建立笛卡尔右手坐标系，前十字阻尼器与后十字阻尼器位于xoz平面两侧，且前十字阻尼器与后十字阻尼器之间的空间夹角范围是50°到75°，内侧阻尼器与外侧阻尼器在前十字阻尼器与后十字阻尼器两侧关于xoz平面对称布置，由内侧阻尼器与外侧阻尼器所确定的平面经过z轴；内侧阻尼器、前十字阻尼器、后十字阻尼器、外侧阻尼器与上托体、下托体之间固接；内侧阻尼器、前十字阻尼器、后十字阻尼器、外侧阻尼器分别仿人体膝关节的内侧副韧带、前十字交叉韧带、后十字交叉韧带与外侧副韧带。四根阻尼器可根据总振动冲击的方位与其自身的位置关系，合理提供阻尼力，不仅能够提高减振响应速率，还可以延长阻尼器的使用寿命。

所述的斜柱ⅰ(25)、立柱ⅰ(26)、斜柱ⅱ(27)、立柱ⅱ(28)分别提供的阻尼力遵循如下公式：

其中：为单根阻尼器所提供的阻尼力，k为斜柱ⅰ(25)、立柱ⅰ(26)、斜柱ⅱ(27)、立柱ⅱ(28)的命名序号；为根据任一阻尼器与振源的空间相对位置关系而得出的权重系数，p为仿人体膝关节的减振承托支架所受到的总冲击力。

本发明可以搭载于任何农业机械设备上，实现对农田图像的采集，同时确定图像中物体的相对位置信息。本发明在农田图像采集的过程中，可以降低环境光线、农田尘土、地面起伏、农机具行走与引擎振动对图像采集质量的不利干扰。

附图说明

图1为农田图像采集装置的结构示意图

图2为转向架组件d的主视图

图3为转向架组件d的后视图

图4为上支架f的结构示意图

图5为中支架g的结构示意图

图6为下支架h的结构示意图

图7为阻尼器组件e的结构示意图

图8为上托体i的结构示意图

图9为下托体j的结构示意图

图10为图像光源a中反光镜的局部放大图

图11为反光镜的旋转抛物面在笛卡尔右手坐标系中的摆放位置示意图

图12为工业相机的结构示意图

图13为激光雷达扫描器的结构示意图

图14为农田图像采集装置的图像光源

其中：a.图像光源b.工业相机c.激光雷达扫描器d.位姿调整装置e.仿人体膝关节的减振承托支架f.上支架g.中支架h.下支架i.上托体j.下托体1.陀螺仪2.电机ⅰ3.电机ⅱ4.电机ⅲ5.销钉ⅰ6.销钉ⅱ7.左立板8.横板9.右立板10.孔ⅰ11.孔ⅱ12.左板13.后板14.孔ⅲ15.右板16.孔ⅳ17.前板18.孔ⅴ19.孔ⅵ20.后立板21.纵板22.前立板23.孔ⅶ24.孔ⅷ25.斜柱ⅰ26.立柱ⅰ27.斜柱ⅱ28.立柱ⅱ29.托盘ⅰ30.凹槽ⅰ31.托盘ⅱ32.凹槽ⅱ33.平面34.碳化硅led35.旋转抛物面36.摄像头37.扫描窗口38.反光镜

具体实施方式

下面结合附图描述本发明。

如图1、图10至图14所示，本发明由图像光源a、工业相机b、激光雷达扫描器c、位姿调整装置d和仿人体膝关节的减振承托支架e组成，其中工业相机b上设有摄像头36，激光雷达扫描器c上设有扫描窗口37；工业相机b上端固接图像光源a，工业相机b下端与激光雷达扫描器c的上端固接，位姿调整装置d中上支架f的横板8上面正中与激光雷达扫描器c的下端固接，位姿调整装置d中电机ⅲ4的下端与仿人体膝关节的减振承托支架e中上托体i的托盘ⅰ29上面中心固接；所述的图像光源a由碳化硅led34和反光镜38组成，所述反光镜38由平面33和旋转抛物面35组成，旋转抛物面35内陷于平面33中，其旋转抛物面35的数量与碳化硅led34的个数相等，以旋转抛物面35的顶点为坐标原点，以每一个碳化硅led34的中心线为z轴，指向碳化硅led34的点阵方向为正方向，建立笛卡尔右手坐标系，每一个碳化硅led34的中心为旋转抛物面35的焦点，旋转抛物面35的方程为：

所述的工业相机b中摄像头36的主光轴与激光雷达扫描器c的扫描角度的角平分线空间平行；激光雷达扫描器c的扫描角度分辨率为0.045°，激光雷达扫描器c的扫描频率根据由此刻作为计时标记点之前的一段时间内激光雷达扫描器c在3米范围内所扫描到物体的角度占总扫描角度的比例进行自动调整，其调整规律遵循如下公式：

其中：α为激光雷达扫描器在下1秒的扫描频率；i为激光雷达扫描器自此时作为计时标记点向前计数的扫描时间间隔，单位为秒；pi为激光雷达扫描器在某1秒钟之内，在3米范围内所扫描到物体的角度；p为激光雷达扫描器的总扫描角度；ε为根据农田作物种类而定的权重系数，5000为激光雷达扫描器的基础扫描频率。

如图2至图6所示，所述的位姿调整装置d由上支架f、中支架g、下支架h、陀螺仪1、电机ⅰ2、电机ⅱ3、电机ⅲ4、销钉ⅰ5和销钉ⅱ6组成，其中上支架f为u形结构，包括左立板7、横板8和右立板9，其中左立板7上设有孔ⅱ11，右立板9上设有孔ⅰ10；中支架g为方框结构，包括左板12、后板13、右板15和前板17，其中左板12上设有孔ⅵ19，后板13上设有孔ⅲ14，右板15上设有孔ⅳ16，前板17上设有孔ⅴ18；下支架h为u形结构，包括后立板20、纵板21和前立板22，其中后立板20上设有孔ⅷ24，前立板22上设有孔ⅶ23；陀螺仪1固接于上支架f中横板8的下面中心；电机ⅲ4的输出轴上端与下支架h中纵板21的下面中心固接；电机ⅰ2固接于中支架g中右板15的孔ⅳ16，电机ⅰ2的输出轴端固接于上支架f中右立板9的孔ⅰ10；销钉ⅱ6中部与中支架g中左板12的孔ⅵ19活动连接，销钉ⅱ6右端与上支架f中左立板7的孔ⅱ11固接；电机ⅱ3固接于下支架h中前立板22的孔ⅶ23，电机ⅱ3的输出轴端固接于中支架g中前板17的孔ⅴ18；销钉ⅰ5中部与下支架h中后立板20的孔ⅷ24活动连接，销钉ⅰ5前端与中支架g中后板13的孔ⅲ14固接。

如图7至图9所示，所述的仿人体膝关节的减振承托支架e由上托体i、下托体j、斜柱ⅰ25、立柱ⅰ26、斜柱ⅱ27、立柱ⅱ28组成，其中上托体i由托盘ⅰ29和凹槽ⅰ30组成，凹槽ⅰ30为空心圆柱体，设于托盘ⅰ29的下面；下托体j由托盘ⅱ31和凹槽ⅱ32组成，凹槽ⅱ32为空心圆柱体，设于托盘ⅱ31的上面；凹槽ⅰ30的容积与托盘ⅰ29的体积之比、凹槽ⅱ32的容积与托盘ⅱ31的体积之比相等，均为70％到83％。立柱ⅰ26和立柱ⅱ28的上端固接于上托体i的托盘ⅰ29下表面，且于凹槽ⅰ30直径的两端；立柱ⅰ26和立柱ⅱ28的下端固接于下托体j的托盘ⅱ31上表面，且于凹槽ⅱ32直径的两端，斜柱ⅰ25和斜柱ⅱ27的上端固接于上托体i的托盘ⅰ29下表面，且于立柱ⅰ26和立柱ⅱ28之间，斜柱ⅰ25和斜柱ⅱ27的下端固接于下托体j的托盘ⅱ31上表面，且于立柱ⅰ26和立柱ⅱ28之间；上托体i中托盘ⅰ29的上表面和下托体j中托盘ⅱ31的下表面平行，且托盘ⅰ29和托盘ⅱ31中心在一条垂线上；立柱ⅰ26和立柱ⅱ28与托盘ⅰ29的上表面和托盘ⅱ31的下表面垂直；斜柱ⅰ(25)与托盘ⅰ(29)的夹角等于斜柱ⅰ(25)与托盘ⅱ(31)的夹角，其角度的取值范围是50°到75°；斜柱ⅱ(27)与托盘ⅰ(29)的夹角等于斜柱ⅱ(27)与托盘ⅱ(31)的夹角，其角度的取值范围是也是50°到75；上托体i和下托体j的材料为铝镁合金；斜柱ⅰ25、立柱ⅰ26、斜柱ⅱ27和立柱ⅱ28由橡胶颗粒挤压成型。

所述斜柱ⅰ25、立柱ⅰ26、斜柱ⅱ27、立柱ⅱ28分别提供的阻尼力遵循如下公式：

fk＝τkp

其中：fk为单根阻尼器所提供的阻尼力，k为斜柱ⅰ(25)、立柱ⅰ(26)、斜柱ⅱ(27)、立柱ⅱ(28)的命名序号；τk为根据任一阻尼器与振源的空间相对位置关系而得出的权重系数，τk∈[0,1]；p为仿人体膝关节的减振承托支架所受到的总冲击力。

本发明可搭载于任何农业机械设备上。

一、图像的采集

本发明在田间工作时，根据农田中的自然光线情况，选择开启或者关闭图像光源；同时根据自然光线的角度情况与作业行进方向，选择调整图像光源的光线方向与工业摄像头主光轴之间的夹角，并且可以于任意角度位置锁紧。作业之前，调整工业相机的自动曝光频率，即可完成自动拍摄，并且将图像储存于预先配置的储存设备中。

二、物体的定位

本发明在田间工作时，其工业摄像头的主光轴与激光雷达扫描器的扫描角度的角平分线空间平行；从而最大限度地保证工业相机所拍摄到的中心物体恰好为激光雷达扫描器扫描到的中心物体；工业相机拍摄到的图像可以用来分辨农田中的物体，而激光雷达扫描器可以实现物体的定位；将图像处理结果与激光雷达扫描器的反馈信号进行融合处理，则可实现农田图像中物体的定位。

三、图像采集装置的姿态调整

本发明在田间工作时，其位姿调整装置能实时检测俯仰调整平台、倾斜调整平台、摆动调整平台的角度变化量；本发明采用直流伺服电机作为俯仰调整电机、倾斜调整电机和摆动调整电机，根据陀螺仪检测到的角度变化，俯仰调整电机、倾斜调整电机和摆动调整电机逆向调整自身的转角，从而补偿俯仰调整平台、倾斜调整平台、摆动调整平台的角度变化，使工业摄像头回到设定的拍摄方向与拍摄角度。

四、图像采集装置的减振

本发明在田间工作时，对于田间路面颠簸、农机具引擎所产生的振动具有减振作用。本发明所述的仿人体膝关节的减振承托支架的上承托体、下承托体由铝镁合金铸造而成，内侧阻尼器、前十字阻尼器、后十字阻尼器、外侧阻尼器由橡胶颗粒挤压成型。内侧阻尼器、前十字阻尼器、后十字阻尼器、外侧阻尼器与上承托体、下承托体之间固接。当有振动向工业相机的方向传播时，与振源的空间位置关系越近的阻尼器提供的阻尼力越大，仿人体膝关节关节腔的圆柱形凹槽也起到吸振的作用。