1  引言

    棉花生產(chǎn)作為我國北方一些地區(qū)主要經(jīng)濟(jì)支柱之一，種植面積較大，農(nóng)民在棉花作物的種植過程中廣泛使用地膜覆蓋技術(shù)，即播種棉花種籽的同時(shí)，在下種土壤的表面上敷設(shè)地膜，在地膜的保護(hù)下，棉籽發(fā)芽、生長(zhǎng)。地膜覆蓋技術(shù)可以提高土壤溫度、保蓄土壤水分、穩(wěn)定土壤環(huán)境、提高光熱利用效率和促進(jìn)作物根系發(fā)育，增加植物的生長(zhǎng)期，抑制雜草生長(zhǎng)，可增產(chǎn)、增收。然而，使用地膜覆蓋技術(shù)重要的環(huán)節(jié)之一是在棉苗生長(zhǎng)中要對(duì)所敷設(shè)的地膜適時(shí)、適當(dāng)切破，讓棉苗破膜而出繼續(xù)生長(zhǎng)。目前，解決這一問題主要采用季節(jié)性雇傭民工，讓民工手持刀具，將棉苗上方的地膜劃破。這種做法效率極低，不適合規(guī)模生產(chǎn)，而且易劃傷棉花幼苗造成減產(chǎn)。因此，研制具有高效率的機(jī)械切破裝備，機(jī)械化實(shí)現(xiàn)地膜適時(shí)、適當(dāng)切破，讓棉苗及時(shí)破膜而出茁壯生長(zhǎng)亟待解決。

2 自動(dòng)切破棉苗上方地膜相關(guān)問題
2.1  棉苗的識(shí)別及位置確定
    地膜切破裝備必須首先識(shí)別并確定棉苗的位置，依據(jù)識(shí)別出的棉苗及其位置信息控制切破刀具對(duì)其上方地膜切破。

    由于棉苗上面覆蓋一層地膜、棉苗較小，而且對(duì)棉苗識(shí)別及位置確定是裝備在行進(jìn)中完成，這就要求克服地膜影響，快速、準(zhǔn)確地將棉苗從背景（土壤、沙石和雜草）中識(shí)別及定位。同時(shí)，在識(shí)別棉苗并確定其位置信息的過程中不能損傷棉苗。

2.2  雜草問題
    由于棉田中不可避免地生長(zhǎng)雜草，尤其是存在棉苗與雜草交織在一起的復(fù)雜情況，因此需要解決雜草對(duì)識(shí)別棉苗帶來影響。

2.3  切破設(shè)備行進(jìn)狀態(tài)
    ①  盡管裝備的牽引速度可標(biāo)定恒速，但是牽引機(jī)車和裝備行進(jìn)在棉田中，行駛速度由于棉田中各種因素不能保證它是絕對(duì)勻速前進(jìn)。裝備的瞬時(shí)速度對(duì)地膜的準(zhǔn)確切破有一定的影響。因此，控制單元對(duì)每株棉苗上方地膜切破進(jìn)行控制時(shí)，需要將裝備的行進(jìn)速度變化因素加以考慮。
    ②  切破刀具恰好切破棉苗上方地膜為追求目標(biāo)。但是，裝備在行進(jìn)中的左右搖擺是無法避免的。當(dāng)左右搖擺的幅度比較大時(shí)，將影響準(zhǔn)確切破棉苗上方地膜。因此，裝備左右搖擺因素要加以處理。
    ③  切破刀具隨著裝備行進(jìn)有上下跳動(dòng)發(fā)生。如果跳動(dòng)方向向下，切破瞬間則可能傷及棉苗，如果跳動(dòng)方向向上，切破瞬間則可能沒有切破地膜。

2.4  地膜上面灰塵問題
    地膜上散落的灰塵對(duì)測(cè)量設(shè)備準(zhǔn)確測(cè)量出棉苗位置有一定的影響，尤其是我國西北地區(qū)近幾年來沙塵暴在春季時(shí)有出現(xiàn)，消除灰塵影響是一個(gè)必須考慮的問題。

2.5  地膜表面凹凸問題
    由于天氣、敷設(shè)技術(shù)、棉田地表平整程度以及地膜本身等因素，所敷設(shè)的地膜不可能像鏡面一樣平直，即所敷設(shè)的地膜局部上有凹凸，這種凹凸會(huì)導(dǎo)致切破刀具切不著地膜。

2.6  切破工具
    切破地膜的刀具有多種，考慮到成本和工作速度，采用高溫燙的方案。即通過一定的電壓加熱電阻絲，使它恰好達(dá)到能燙破地膜的溫度，在需要切破的位置，讓電阻絲快速接觸地膜而達(dá)到切破目的。在一些地段讓電壓升高，使地膜的殘?jiān)艿簦ＷC切口質(zhì)量。

3  自動(dòng)切破棉苗上方地膜裝備結(jié)構(gòu)

    針對(duì)上述問題，考慮技術(shù)和成本的因素以及方案必須避免影響棉花的生長(zhǎng)，采用機(jī)器視覺技術(shù)來識(shí)別棉苗及其位置信息。即通過攝像設(shè)備采集棉田中棉苗的圖像信息，然后由圖像處理系統(tǒng)對(duì)采集到的圖像進(jìn)行特征分析以識(shí)別棉苗、棉苗位置并將這些信息傳遞給的控制單元，控制單元綜合棉苗位置、裝備行進(jìn)狀態(tài)，產(chǎn)生對(duì)伺服機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)完成對(duì)地膜恰當(dāng)切破。裝備由檢測(cè)單元與控制單元兩部分組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1  自動(dòng)切破棉苗上方地膜裝備結(jié)構(gòu)圖

    對(duì)于裝備在行進(jìn)中的上下跳動(dòng)問題通過對(duì)裝備的適當(dāng)配重加以解決。對(duì)地膜表面上凹凸問題，通過裝備上的負(fù)壓將工作面上的地膜上吸5~10mm，切破后自動(dòng)釋放地膜。在裝備上設(shè)置光源，利用光源可以增強(qiáng)捕獲棉苗圖像的特征信息，避免采集時(shí)光線不夠造成的圖像模糊。

    系統(tǒng)選用813D彩色攝像機(jī)與8mm自動(dòng)光圈鏡頭，鏡頭規(guī)格為1/3