基于图像识别的玉米种子初步分拣机器人

张清 崔卓贤 徐越 李保文

1.河北农业大学 2.保定市农业农村局

引言

农业现代化发展迅速，农业中一些费时费力的重复性工作正逐步交由机器来完成，推进农业工业化进程，减少农业上的人工参与，解放生产力。优良的种子对于农业的发展的至关重要，它决定着最终农作物的产量与质量，因此种子需要经过种子公司精挑细选再经过多轮试种才能够售卖给农户用于种植。种子的初步筛选交由智能机器完成迫在眉睫，基于此，本文设计了一款针对种子初步分拣的机器人。

1 概述

通过对工业四轴机械臂系统的结构和特点分析，结合现代控制技术和机器视觉设计理念实现以魔术师机械臂为核心的视觉种子分拣系统。通过视觉部分采集种子的具体位置和形状等特征值，然后将所采集数据与数据库中事先录入的优质种子的外部特征进行对比识别，实现对种子好坏的判断，再由电脑端软件经过运动学逆解，规划机械臂的运动动作，对种子进行分拣操作。

2 系统的整体设计

2.1 设计任务与设计要求

设计任务：

设计一款以视觉系统和机械臂为核心的机器人对玉米种子实现初步分拣，降低人工参与。

设计要求：

（1）通过视觉系统对优质玉米种子进行图像采集并利用电脑端软件将所得图形进行特征值采取，将每个种子的图像特征值进行保存得到优良种子数据库。

（2）使机械臂能够得到种子所在区域的三维坐标。

（3）通过视觉系统得到所需挑选种子的图像特征值并与优良种子数据库进行对比得出结论。

（4）在电脑端软件编写流程令机械臂对优良种子进行抓取并放置到指定区域。

（5）对所挑选的优良种子进行数量统计并通过屏幕进行显示。

2.2 设计方案

3 硬件电路设计

机械臂选自越疆公司的四轴机械臂并搭配其公司的成熟软件实现对机械臂的运动控制；视觉系统选取高清摄像头并搭配优质的补光装置实现对玉米种子的图像采集；将高清摄像头、补光装置、机械臂都通过电源线与220V 电源进行连接实现供电；摄像头和机械臂通过数据线与电脑进行连接；STM32 单片机选择使用STM32103RCT6 型号，使用红外线感应光电开关作为种子计数器与单片机使用杜邦线进行连接；单片机通过实际充电器进行供电；单片机与LCD 屏幕使用多根杜邦线进行连接。以上即为整个系统的硬件连接。

4 机器工作原理与系统控制

4.1 机械臂运动系统

机械臂抓取系统由步进电机、气泵、舵机、特质机械爪组成。步进电机来控制机械臂的转动，气泵、机械爪、舵机来控制机械臂对物体的抓取。为保证机械爪对种子抓取成功，课题组3D 打印了末端为槽状的机械爪，在实际抓取中成效卓著。控制机械臂移动的指令通过电脑端的软件来下达，电脑端软件可以手动控制机械臂运动也可以通过模块化编程来命令机械臂执行特定的动作指令，可以单次执行也可以设定为重复执行一组或一个指令。电脑端软件对机械臂抓取种子所在位置的坐标确定依赖于视觉系统对可视区域的坐标标定，所以需要在开始种子的抓取工作之前在电脑端的软件由人工来利用标定板进行位置标定，使得机械臂能够准确抓取特定位置的种子。在标定时可以手动控制机械臂对九个特定位置的点进行识别保存，这样就可以实现机械臂对可视区域面中的点都有对应的三维坐标，为机械臂对种子的抓取做好了准备为保证抓取位置的准确性需要在机器停止使用的时候令机器进行校准复位，如此就可以一定程度的克服机器工作长时工作所带来的误差，提高抓取准确率。

4.2 视觉系统

视觉系统由高清摄像头和补光装置组成。高清摄像头来实现对可视区域坐标值的标定，玉米种子位置、形状特征值的采集。在对可视区域玉米种子进行图像信息采集之后交由电脑端软件将种子的特征值与优良种子数据库进行比对，在相似率达到一定程度即可认为此玉米种子高概率为优良种子，即可下达指令使机械臂进行抓取并放到指定位置。经过多次试验相似率定为84%最为合理，这样就可以在保证挑选种子优良率较高的情况下尽可能的保证好的种子不会被筛选出去。优良种子数据库由已经人工挑选并且经过试种的优良种子特征值构成，是通过与高等院校农学院合作长期积累得到的数据。这个数据库可以不断的增加优良种子样本，样本的数量越多就越能保证玉米种子的优良率并且降低优良种子被筛选出去的几率。

4.3 计数系统

计数系统由STM32 单片机、红外线感应光电开关和4.3 寸LCD 屏幕组成。通过红外线感应光电开关得到种子的数量再由单片机控制LCD 屏幕进行显示。LCD 屏幕将会显示总的种子数量、优良种子数量、非优良种子数量。程序通过Keil5 进行编写，程序由初始化程序，显示子程序、计数器程序组成。

4.4 工作步骤总结

（1）通过将一些优良种子的图像特征值进行提取并保存到电脑端来构建一个玉米种子数据库。

（2）通过视觉系统与电脑端软件对可视区域进行坐标标定，使得区域内每个位置都有对应的坐标点。

（3）高清摄像头对可视区域内需要挑选的种子进行图像采集并对特征值进行提取，然后经电脑端软件将特征值与优良种子数据库进行对比得出相似率，相似率在84%及以上玉米种子将会被作为优良种子挑选出来放到指定位置。相似度达不到84%的将被认定为非优质种子。

（4）在分拣过程中由红外线感应光电开关实时测量种子数量，单片机进行运算并在LCD 屏幕进行显示。

5 结语

通过将机械臂运动系统、视觉系统、红外线感应光电开关、STM32 单片机、LCD 屏幕等物品进行连接，配合电脑软件对玉米种子进行初步分拣并分区域放置，实现了玉米种子分拣的机械化，智能化。现阶段分拣机器还只能完成初步分拣，虽然最终的分拣仍需人工完成，但是分拣机器的出现将为优良种子的选取降低人工参与度与时间成本，为农业智能化打下一定的基础。