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1  引言

    棉花生產作為我國北方一些地區主要經濟支柱之一，種植面積較大，農民在棉花作物的種植過程中廣泛使用地膜覆蓋技術，即播種棉花種籽的同時，在下種土壤的表面上敷設地膜，在地膜的保護下，棉籽發芽、生長。地膜覆蓋技術可以提高土壤溫度、保蓄土壤水分、穩定土壤環境、提高光熱利用效率和促進作物根系發育，增加植物的生長期，抑制雜草生長，可增產、增收。然而，使用地膜覆蓋技術重要的環節之一是在棉苗生長中要對所敷設的地膜適時、適當切破，讓棉苗破膜而出繼續生長。目前，解決這一問題主要采用季節性雇傭民工，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，不適合規模生產，而且易劃傷棉花幼苗造成減產。因此，研制具有高效率的機械切破裝備，機械化實現地膜適時、適當切破，讓棉苗及時破膜而出茁壯生長亟待解決。

2 自動切破棉苗上方地膜相關問題
2.1  棉苗的識別及位置確定
    地膜切破裝備必須首先識別并確定棉苗的位置，依據識別出的棉苗及其位置信息控制切破刀具對其上方地膜切破。

    由于棉苗上面覆蓋一層地膜、棉苗較小，而且對棉苗識別及位置確定是裝備在行進中完成，這就要求克服地膜影響，快速、準確地將棉苗從背景（土壤、沙石和雜草）中識別及定位。同時，在識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雜草，尤其是存在棉苗與雜草交織在一起的復雜情況，因此需要解決雜草對識別棉苗帶來影響。

2.3  切破設備行進狀態
    ①  盡管裝備的牽引速度可標定恒速，但是牽引機車和裝備行進在棉田中，行駛速度由于棉田中各種因素不能保證它是絕對勻速前進。裝備的瞬時速度對地膜的準確切破有一定的影響。因此，控制單元對每株棉苗上方地膜切破進行控制時，需要將裝備的行進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。但是，裝備在行進中的左右搖擺是無法避免的。當左右搖擺的幅度比較大時，將影響準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有上下跳動發生。如果跳動方向向下，切破瞬間則可能傷及棉苗，如果跳動方向向上，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測量設備準確測量出棉苗位置有一定的影響，尤其是我國西北地區近幾年來沙塵暴在春季時有出現，消除灰塵影響是一個必須考慮的問題。

2.5  地膜表面凹凸問題
    由于天氣、敷設技術、棉田地表平整程度以及地膜本身等因素，所敷設的地膜不可能像鏡面一樣平直，即所敷設的地膜局部上有凹凸，這種凹凸會導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到切破目的。在一些地段讓電壓升高，使地膜的殘渣溶掉，保證切口質量。

3  自動切破棉苗上方地膜裝備結構

    針對上述問題，考慮技術和成本的因素以及方案必須避免影響棉花的生長，采用機器視覺技術來識別棉苗及其位置信息。即通過攝像設備采集棉田中棉苗的圖像信息，然后由圖像處理系統對采集到的圖像進行特征分析以識別棉苗、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、裝備行進狀態，產生對伺服機構的驅動完成對地膜恰當切破。裝備由檢測單元與控制單元兩部分組成，其結構框圖如圖1所示。

圖1  自動切破棉苗上方地膜裝備結構圖

    對于裝備在行進中的上下跳動問題通過對裝備的適當配重加以解決。對地膜表面上凹凸問題，通過裝備上的負壓將工作面上的地膜上吸5~10mm，切破后自動釋放地膜。在裝備上設置光源，利用光源可以增強捕獲棉苗圖像的特征信息，避免采集時光線不夠造成的圖像模糊。

    系統選用813D彩色攝像機與8mm自動光圈鏡頭，鏡頭規格為1/3