护坡植被根系监测分析仪CCD运动控制系统的研究与实现

摘要

植被护坡是近年来逐渐兴起的一种边坡加固技术,它是利用植被根系涵水固土的原理稳定边坡。目前关于植被护坡研究的一个重点是对不同种类植物的边坡加固效果进行监测评价,并且要在获取根系及其微观环境图像信息的基础上进行。由于根系生长在地下,准确取样、测定、观察存在一定困难,而目前现有的采样方法破坏性大、工作量大,阻碍了根系研究的深入开展。护坡植被根系监测分析系统可以很好的解决这个问题。
　　 本设计的根系监测分析系统采用内窥型图像获取方法,首先通过向根系土壤中插入透明管,将面阵CCD(摄像机)安装在管内,对管壁与土壤间界面根系图像进行摄取,并驱动CCD旋转和直线运动以实现整个管壁柱面形视场的全景扫描。根据图像预处理技术和分形理论去除土壤环境噪声、提取根系图像,建立根系形态的空间分布模型和时间-生长模型,实现对根系形态的原位无损监测和分析,进而可以采取相应的措施改善护坡效果。如何采集到根系图像的全景是监测系统要解决的一个难题,需要驱动CCD运动来采集多幅图片实现全景扫描,所以CCD运动控制系统是本论文的研究重点,本论文结合国家自然科学基金“基于根际微结构动态模型分析的植被固破作用机理研究”设计了基于步进电机的CCD运动控制系统,所做的工作包括:
　　 (1)介绍了根系监测系统的结构组成,分析系统的原理。
　　 (2)结合一般运动控制系统的组成原理,分析了根系监测仪运动控制系统的构成,包括运动控制器、步进电机和机械传动系统。分析步进电机的驱动控制方法和机械传动系统的设计。
　　 (3)介绍了该运动控制器的硬件构成,主要由主控制部分、显示按键部分、电机驱动部分三部分构成。结合各个部分的原理进行电路设计,绘制相应的原理图和PCB。
　　 (4)根据控制方案设计了总体软件流程图和各个子模块的流程图,分析CCD的运动规律,对运动控制算法进行研究。
　　 (5)对系统进行硬件调试、软件调试、联机实验,排查硬件软件设计中的错误并加以修改,联机采集根系的图片,观察实验效果。
　　 实验证明本系统设计的CCD运动控制系统可以实现CCD的两自由度的运动采集不同位置的根系图像,解决了以前检测仪采集画片单一狭小的缺点,基本满足性能要求,具有一定的应用价值。