1  引言

    棉花生产作为我国北方一些地区主要经济支柱之一，种植面积较大，农民在棉花作物的种植过程中广泛使用地膜覆盖技术，即播种棉花种籽的同时，在下种土壤的表面上敷设地膜，在地膜的保护下，棉籽发芽、生长。地膜覆盖技术可以提高土壤温度、保蓄土壤水分、稳定土壤环境、提高光热利用效率和促进作物根系发育，增加植物的生长期，抑制杂草生长，可增产、增收。然而，使用地膜覆盖技术重要的环节之一是在棉苗生长中要对所敷设的地膜适时、适当切破，让棉苗破膜而出继续生长。目前，解决这一问题主要采用季节性雇佣民工，让民工手持刀具，将棉苗上方的地膜划破。这种做法效率极低，不适合规模生产，而且易划伤棉花幼苗造成减产。因此，研制具有高效率的机械切破装备，机械化实现地膜适时、适当切破，让棉苗及时破膜而出茁壮生长亟待解决。

2 自动切破棉苗上方地膜相关问题
2.1  棉苗的识别及位置确定
    地膜切破装备必须首先识别并确定棉苗的位置，依据识别出的棉苗及其位置信息控制切破刀具对其上方地膜切破。

    由于棉苗上面覆盖一层地膜、棉苗较小，而且对棉苗识别及位置确定是装备在行进中完成，这就要求克服地膜影响，快速、准确地将棉苗从背景（土壤、沙石和杂草）中识别及定位。同时，在识别棉苗并确定其位置信息的过程中不能损伤棉苗。

2.2  杂草问题
    由于棉田中不可避免地生长杂草，尤其是存在棉苗与杂草交织在一起的复杂情况，因此需要解决杂草对识别棉苗带来影响。

2.3  切破设备行进状态
    ①  尽管装备的牵引速度可标定恒速，但是牵引机车和装备行进在棉田中，行驶速度由于棉田中各种因素不能保证它是绝对匀速前进。装备的瞬时速度对地膜的准确切破有一定的影响。因此，控制单元对每株棉苗上方地膜切破进行控制时，需要将装备的行进速度变化因素加以考虑。
    ②  切破刀具恰好切破棉苗上方地膜为追求目标。但是，装备在行进中的左右摇摆是无法避免的。当左右摇摆的幅度比较大时，将影响准确切破棉苗上方地膜。因此，装备左右摇摆因素要加以处理。
    ③  切破刀具随着装备行进有上下跳动发生。如果跳动方向向下，切破瞬间则可能伤及棉苗，如果跳动方向向上，切破瞬间则可能没有切破地膜。

2.4  地膜上面灰尘问题
    地膜上散落的灰尘对测量设备准确测量出棉苗位置有一定的影响，尤其是我国西北地区近几年来沙尘暴在春季时有出现，消除灰尘影响是一个必须考虑的问题。

2.5  地膜表面凹凸问题
    由于天气、敷设技术、棉田地表平整程度以及地膜本身等因素，所敷设的地膜不可能像镜面一样平直，即所敷设的地膜局部上有凹凸，这种凹凸会导致切破刀具切不着地膜。

2.6  切破工具
    切破地膜的刀具有多种，考虑到成本和工作速度，采用高温烫的方案。即通过一定的电压加热电阻丝，使它恰好达到能烫破地膜的温度，在需要切破的位置，让电阻丝快速接触地膜而达到切破目的。在一些地段让电压升高，使地膜的残渣溶掉，保证切口质量。

3  自动切破棉苗上方地膜装备结构

    针对上述问题，考虑技术和成本的因素以及方案必须避免影响棉花的生长，采用机器视觉技术来识别棉苗及其位置信息。即通过摄像设备采集棉田中棉苗的图像信息，然后由图像处理系统对采集到的图像进行特征分析以识别棉苗、棉苗位置并将这些信息传递给的控制单元，控制单元综合棉苗位置、装备行进状态，产生对伺服机构的驱动完成对地膜恰当切破。装备由检测单元与控制单元两部分组成，其结构框图如图1所示。

图1  自动切破棉苗上方地膜装备结构图

    对于装备在行进中的上下跳动问题通过对装备的适当配重加以解决。对地膜表面上凹凸问题，通过装备上的负压将工作面上的地膜上吸5~10mm，切破后自动释放地膜。在装备上设置光源，利用光源可以增强捕获棉苗图像的特征信息，避免采集时光线不够造成的图像模糊。

    系统选用813D彩色摄像机与8mm自动光圈镜头，镜头规格为1/3