專利名稱：果樹根蘗精準(zhǔn)對(duì)靶施藥裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種農(nóng)業(yè)施藥作業(yè)裝置，尤其涉及一種果樹根蘗精準(zhǔn)對(duì)靶施藥裝置。
背景技術(shù)：
果樹根蘗是從果樹根部滋生的不能結(jié)果的嫩枝、藤蔓或枝條，一般從果樹樹干根部的潛伏芽發(fā)出，會(huì)將植株的一部分重要營(yíng)養(yǎng)轉(zhuǎn)化為無(wú)用生長(zhǎng)。為保證果樹有用生長(zhǎng)獲得足夠營(yíng)養(yǎng)，并且避免影響其它果園作業(yè)，出去根蘗是十分必要的。在果樹整個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)里，根蘗會(huì)不斷滋生，因此還要求多次清除根蘗。傳統(tǒng)根蘗去除方法是人工去除，利用小刀等鋒利工具將根蘗從樹干上整枝清除。此方法雖然可完全去除根蘗，且不對(duì)樹體造成任何損傷，但是比較耗時(shí)、勞動(dòng)強(qiáng)度大、成本高，無(wú)法滿足規(guī)?；a(chǎn)的需要；另一種方法是機(jī)械去除，比人工方式效率高，但由于采用旋轉(zhuǎn)頭上安裝類似于鞭子的工具來(lái)刮除根蘗，對(duì)年幼的植株損傷很大，會(huì)把樹干上的樹皮 刮掉，甚至將細(xì)小的樹干打斷。另外，部分根蘗無(wú)法完全去除，會(huì)有斷根殘留在樹桿根部，根蘗還會(huì)從斷根處繼續(xù)生長(zhǎng)出來(lái)。目前，利用化學(xué)藥劑控制根蘗已成為一種有效手段，并逐步替代人工和機(jī)械方法，通常采用帶狀施藥方式在樹干根部持續(xù)噴灑化學(xué)藥劑。由于根蘗只能從果樹根部發(fā)出，在植株間不會(huì)出現(xiàn)，且每個(gè)植株滋生根蘗的數(shù)量和大小各不相同，利用上述方法噴施藥劑會(huì)導(dǎo)致植株間空檔過度施藥、成本增加、污染環(huán)境。采用精準(zhǔn)對(duì)靶施藥技術(shù)，根據(jù)單棵植株根蘗生長(zhǎng)的具體情況(大小和位置)來(lái)決定施藥時(shí)機(jī)和施藥量，不僅可減小農(nóng)藥使用量、降低環(huán)境污染，還可解放勞動(dòng)力、提高生產(chǎn)效率。目前，針對(duì)農(nóng)田雜草的精準(zhǔn)施藥技術(shù)相關(guān)研究很多，但果樹根蘗并不是田間雜草，而是果樹樹干的雜枝，其從生長(zhǎng)特性、形態(tài)和分布都與雜草截然不同，對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)對(duì)靶施藥的技術(shù)要求也不同。因此，需要對(duì)果樹根蘗定位識(shí)別技術(shù)和對(duì)靶施藥技術(shù)進(jìn)行專門性的研究。此外，為了提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，我國(guó)經(jīng)濟(jì)林的經(jīng)營(yíng)模式正朝著規(guī)模化、系統(tǒng)化、數(shù)字化方向發(fā)展。在這種經(jīng)營(yíng)模式下，果農(nóng)需要獲得準(zhǔn)確的多樣性果樹生長(zhǎng)信息，如實(shí)際生長(zhǎng)位置、樹干尺寸、滋生根蘗的大小和位置以及在一個(gè)生長(zhǎng)季里反復(fù)滋生根蘗的次數(shù)等，據(jù)此得到果樹根蘗的分布規(guī)律并制定合理的果園作業(yè)計(jì)劃，如施藥去除根蘗等。以往果農(nóng)利用人工方式獲取此類信息，該方式勞動(dòng)量大、效率極其低下，信息準(zhǔn)確度不高，甚至一些果農(nóng)因此而放棄獲取這些信息，從而導(dǎo)致我國(guó)經(jīng)濟(jì)林規(guī)?；l(fā)展緩慢。目前，不少國(guó)內(nèi)外學(xué)者和研究人員利用機(jī)載測(cè)繪系統(tǒng)來(lái)繪制農(nóng)林信息地圖，該方法效率高，適合大面積的林區(qū)和農(nóng)田，但測(cè)量精度不高，且無(wú)法得到較細(xì)節(jié)的信息(如果樹根蘗的生長(zhǎng)大小和位置等)。因此，開發(fā)適合經(jīng)濟(jì)林作業(yè)的地面車載測(cè)繪系統(tǒng)，可有效、準(zhǔn)確地獲得上述果樹的多樣性生長(zhǎng)信息，有助于果農(nóng)安排合理科學(xué)的果園作業(yè)，還為未來(lái)果園數(shù)字化管理提供了科學(xué)技術(shù)手段。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有較高自動(dòng)化水平的果樹根蘗精準(zhǔn)對(duì)靶施藥裝置，尤其用于實(shí)時(shí)獲取果樹、根蘗及其施藥量分布信息，并創(chuàng)建相應(yīng)的分布地圖，為未來(lái)果園數(shù)字化管理提供技術(shù)手段。本發(fā)明所提供的技術(shù)方案是提出一種果樹根蘗精準(zhǔn)對(duì)靶施藥裝置，其包括系統(tǒng)搭載平臺(tái)包括龍門架平臺(tái)和移動(dòng)車載平臺(tái)，龍門架平臺(tái)裝有左右兩個(gè)龍門架；定位識(shí)別子系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)對(duì)果樹及其根蘗進(jìn)行定位和識(shí)別，包括中央計(jì)算單元、GPS天線、掃描式激光測(cè)距儀和CXD彩色攝像頭，掃描式激光測(cè)距儀用以定位和識(shí)別樹干，并獲得圖像深度信息；CCD彩色攝像頭在軟件觸發(fā)的方式下采集根蘗圖像；GPS天線實(shí)時(shí)獲得初始系統(tǒng)時(shí)間、經(jīng)緯度信息、移動(dòng)速度和航向角；中央計(jì)算單元同時(shí)采集掃描式激光測(cè)距儀、CCD彩色攝像頭和GPS天線的數(shù)據(jù)信息，通過相應(yīng)算法和控制策略對(duì)果樹及其根蘗進(jìn)行定位和識(shí)別，并控制對(duì)靶施藥子系統(tǒng)動(dòng)作；對(duì)靶施藥子系統(tǒng)由多路閥控制器、高速電磁閥、噴頭、藥箱、隔膜泵和泵調(diào)節(jié)器組成； 分布地圖生成子系統(tǒng)在施藥作業(yè)過程中，根據(jù)GPS定位信息、掃描式激光測(cè)距儀與GPS天線的相對(duì)位置關(guān)系以及根蘗與對(duì)應(yīng)樹干中心位置的相對(duì)位置，將果樹樹干、根蘗的定位信息以及對(duì)應(yīng)的施藥量同步存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中；對(duì)靶施藥作業(yè)完成后，最終生成實(shí)際的果樹樹干、根蘗以及施藥量分布地圖；此外，本發(fā)明還提出了應(yīng)用上述精準(zhǔn)對(duì)靶施藥裝置進(jìn)行精準(zhǔn)對(duì)靶施藥和生成果樹、根蘗及其施藥量分布地圖的方法。本發(fā)明的有益效果為根據(jù)果樹根蘗的生長(zhǎng)特點(diǎn)，采用龍門架式移動(dòng)平臺(tái)，將掃描式激光測(cè)距儀、機(jī)器視覺和GPS定位系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)果樹根蘗的快速、有效定位和識(shí)另O，從而控制多噴頭施藥系統(tǒng)完成對(duì)靶施藥作業(yè)，并同步獲取果樹、根蘗及其施藥量的分布信息，創(chuàng)建果樹、根蘗及其施藥量分布地圖，實(shí)現(xiàn)針對(duì)果樹根蘗的精準(zhǔn)對(duì)靶施藥，能有效降低農(nóng)藥使用量，提高藥液利用率，降低環(huán)境污染，解放勞動(dòng)力，還為未來(lái)果園數(shù)字化管理提供了科學(xué)技術(shù)手段。


下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明圖I (a)和圖I (b)分別為本發(fā)明果樹根蘗精準(zhǔn)對(duì)靶施藥系統(tǒng)的整體布局正視圖和側(cè)視圖；圖2為本發(fā)明的一側(cè)龍門架沿A-A方向的局部俯視圖；圖3為本發(fā)明的電控箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；圖4為本發(fā)明的果樹根蘗精準(zhǔn)對(duì)靶施藥方法流程圖；圖5為本發(fā)明的果樹、根蘗及施藥量分布地圖生成方法流程圖。附圖標(biāo)記I-龍門架平臺(tái)；2_龍門架；3-支架；4_背景白板；5_電控箱；6_掃描式激光測(cè)距儀；7-CCD彩色攝像頭；8_噴頭；9-GPS天線；10_移動(dòng)車載平臺(tái)；11_中央計(jì)算單元；12_果樹；13_根蘗；14_液晶觸摸屏；15_泵調(diào)節(jié)器；16_隔膜泵；17_藥箱；18_USB轉(zhuǎn)CAN總線；19-USB接口 ；20-RS232串口 ；21_千兆以太網(wǎng)；22_施藥方向;23_中心線；24_正中線。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的果樹根蘗精準(zhǔn)對(duì)靶施藥裝置，其較佳的具體實(shí)施方式
如圖I至圖5所示如圖I和圖2所示，本發(fā)明的果樹根蘗精準(zhǔn)對(duì)靶施藥裝置的系統(tǒng)搭載平臺(tái)為一個(gè)龍門架平臺(tái)1，其共有左右兩個(gè)龍門架2，在施藥作業(yè)過程中，果樹12可從龍門架2中間穿過，操作人員可以根據(jù)果樹行位置，通過龍門架平臺(tái)I上的液壓系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)龍門架2的平移位置，以保持果樹從龍門架2正中間穿過。龍門架平臺(tái)I通過三點(diǎn)懸掛安裝在移動(dòng)車載平臺(tái)10前部，移動(dòng)車載平臺(tái)10為可在果樹行間行走的輪式拖拉機(jī)。本發(fā)明中，龍門架平臺(tái)I的兩個(gè)龍門架2上均設(shè)置有掃描式激光測(cè)距儀6、CXD(電荷耦合器件)彩色攝像頭7和噴頭8，兩個(gè)龍門架2上述部件的布局以車載平臺(tái)10的中心線23左右對(duì)稱。以圖1(a)中右側(cè)龍門架為例具體說(shuō)明掃描式激光測(cè)距儀6、CCD彩色攝像 頭7和噴頭8的布局方式龍門架2靠近移動(dòng)車載平臺(tái)10的一側(cè)距離地面60cm處水平安裝了一臺(tái)掃描式激光測(cè)距儀6，面對(duì)果樹作物行，水平二維掃描果樹12的樹干，掃描角度分辨率為O. 36°，掃描區(qū)域設(shè)置成100°。掃描式激光測(cè)距儀6與中央計(jì)算單元11通過USB接口 19進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊(圖1(b));本發(fā)明中，采用一臺(tái)CXD彩色攝像頭7來(lái)采集根蘗13的圖像，其在龍門架2上的安裝位置在掃描式激光測(cè)距儀6同側(cè)垂直正下方18cm處，CXD彩色攝像頭7的分辨率為1280X960，幀速率為32.8 fps，安裝的鏡頭為3. 5mm鏡頭，場(chǎng)景的縱向與橫向角度分別為52.7°和66. 9°，成像模式設(shè)置為軟件觸發(fā)模式，其他參數(shù)保持默認(rèn)設(shè)置。C⑶彩色攝像頭7與中央計(jì)算單元11組成圖像采集和處理系統(tǒng)，相互之間通過千兆以太網(wǎng)21進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊；本發(fā)明中，在龍門架2的另一側(cè)與C⑶彩色攝像頭7正對(duì)面處加裝了一個(gè)背景白板4，用來(lái)阻擋背景中樹冠、雜草或其它噪聲。本發(fā)明中，在龍門架平臺(tái)I頂部中間位置安裝了一個(gè)GPS(全球定位系統(tǒng))天線9，與中央計(jì)算單元11通過RS232串口 20進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。本發(fā)明中，龍門架2兩側(cè)分別安裝有噴頭8，每側(cè)的噴頭可以是一個(gè)或多個(gè)，由高速電磁閥控制其開閉，噴頭8通過橡膠軟管與泵調(diào)節(jié)器15、隔膜泵16、藥箱17相連構(gòu)成噴藥系統(tǒng)。中央計(jì)算單元11通過USB轉(zhuǎn)CAN(控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò))總線18與一個(gè)多路閥控制器進(jìn)行通訊，控制相應(yīng)噴頭的高速電磁閥進(jìn)行獨(dú)立動(dòng)作。泵調(diào)節(jié)器15根據(jù)施藥系統(tǒng)流量來(lái)控制隔膜泵16以保持工作壓力穩(wěn)定。如圖2所示，掃描式激光測(cè)距儀6、CXD彩色攝像頭7和噴頭8都是通過支架3安裝在龍門架2上，其相互之間的位置可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，支架3亦可在龍門架上上下滑動(dòng)。C⑶彩色攝像頭7(圖2中未示出)設(shè)置在掃描式激光測(cè)距儀6的正下方，且與背景白板4相對(duì)。圖2中掃描式激光測(cè)距儀6的相對(duì)坐標(biāo)系的y軸方向表不移動(dòng)車載平臺(tái)10的前進(jìn)方向，龍門架2兩側(cè)的噴頭8相對(duì)于前進(jìn)方向分別放置在掃描式激光測(cè)距儀6、CCD彩色攝像頭7和背景白板4的后面，且兩噴頭相對(duì)。本發(fā)明中，中央計(jì)算單元11采用適用于惡劣環(huán)境下使用的軍用型筆記本電腦，CPU主頻為2. 4GHz雙核處理器，內(nèi)存為3GB，硬盤為250GB，可在潮濕、灰塵、污染、震動(dòng)等惡劣環(huán)境中，滿足作業(yè)的要求。中央計(jì)算單元11外接了一臺(tái)液晶觸摸屏14，方便操作人員對(duì)對(duì)靶施藥系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和設(shè)置，兩者之間通過USB傳輸數(shù)據(jù)。中央計(jì)算單元11和液晶觸摸屏14安裝在移動(dòng)車載平臺(tái)10的駕駛室內(nèi)。如圖3所示，為了避免霧滴和灰塵對(duì)設(shè)備的影響，多路閥控制器安裝在防水的電控箱5內(nèi)，中央計(jì)算單元11通過USB轉(zhuǎn)CAN總線18與多路閥控制器進(jìn)行通訊，多路閥控制器根據(jù)中央計(jì)算單元11的控制決策向第1、2、3、4繼電器單獨(dú)發(fā)出控制信號(hào)，由繼電器控制相應(yīng)高速電磁閥動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)靶施藥；此外，與左右兩個(gè)龍門架2上的掃描式激光測(cè)距儀6通訊的USB接口 19，經(jīng)由一個(gè)USB集線器匯總后與中央計(jì)算單元11接口 ；移動(dòng)車載平臺(tái)10上的12VDC車載蓄電池經(jīng)過保險(xiǎn)絲組分別給多路閥控制器、掃描式激光測(cè)距儀6、CXD彩色攝像頭7、GPS天線9和高速電磁閥供電；與電控箱連接的所有接頭均為防水接頭。兩個(gè)龍門架2上的掃描式激光測(cè)距儀6、CXD彩色攝像頭7的采集、分析以及對(duì)靶施藥控制策略完全相同，并分別在獨(dú)立的線程中完成，即使其中一側(cè)龍門架2上的設(shè)備出現(xiàn)故障，另一側(cè)龍門架2上的設(shè)備仍可繼續(xù)工作。下面結(jié)合圖4，對(duì)一側(cè)龍門架2的果樹根蘗精準(zhǔn)對(duì)靶施藥方法做具體描述
(I)掃描式激光測(cè)距儀6完成一次掃描后，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，根據(jù)龍門架2的形狀尺寸，將測(cè)量距離大于龍門架寬度尺寸的數(shù)據(jù)點(diǎn)剔除，然后分析掃描數(shù)據(jù)點(diǎn)間距離，利用閾值A(chǔ)來(lái)判斷掃描數(shù)據(jù)點(diǎn)是否屬于同一樹干，只有當(dāng)數(shù)據(jù)點(diǎn)間距離小于閾值A(chǔ)，則為同一樹干上的數(shù)據(jù)點(diǎn)；反之，屬于不同樹干上的數(shù)據(jù)點(diǎn)；閾值A(chǔ)由掃描式激光測(cè)距儀6的掃描角度分辨率、掃描時(shí)間、與樹干間的距離和作業(yè)速度確定。(2)利用樹干定位識(shí)別算法估算樹干的尺寸和位置計(jì)算同一樹干上的首末數(shù)據(jù)點(diǎn)間的距離視為樹干的尺寸，首末數(shù)據(jù)點(diǎn)連線的中點(diǎn)視為樹干中心位置；(3)計(jì)算樹干中心位置到掃描式激光測(cè)距儀6的正中線24的垂直距離，由于該垂直距離為零時(shí)，即樹干中心位置正好在掃描式激光測(cè)距儀6的正中線24上的這一時(shí)刻很難捕捉，因此當(dāng)上述垂直距離最小時(shí)，認(rèn)為掃描式激光測(cè)距儀6正直面對(duì)樹干中心位置，軟件觸發(fā)CCD彩色攝像頭7采集一張根蘗圖像，同時(shí)將此刻樹干中心位置到掃描式激光測(cè)距儀6的距離，即圖像深度信息記錄下來(lái)。(4)在進(jìn)行對(duì)靶施藥作業(yè)之前，首先采集一幀圖像用以確定圖像中的ROI (感興趣區(qū)域)。通過在該幀圖像中搜索背景白板4的左右和上側(cè)邊緣來(lái)確定R0I，其目的是為了限定圖像的搜索范圍，縮短圖像處理的耗時(shí)。在ROI中，利用超綠分割算法對(duì)根蘗圖像進(jìn)行分割和提取，將根蘗區(qū)域分割出來(lái)；根據(jù)根蘗13與雜草在形態(tài)和紋理上的不同，設(shè)定20mmX20mm的葉片面積為實(shí)際分割閾值以分割雜草噪聲，根蘗圖像中與實(shí)際分割閾值對(duì)應(yīng)的是像素閾值B，當(dāng)分割出來(lái)的根蘗區(qū)域像素值小于像素閾值B，認(rèn)為是雜草噪聲并剔除，然后得到根蘗區(qū)域的邊界形成一個(gè)根蘗窗，并獲得根蘗窗的像素尺寸；(5)結(jié)合掃描式激光測(cè)距儀6獲得的圖像深度信息，將根蘗窗的實(shí)際二維尺寸計(jì)算出來(lái)，并根據(jù)CXD彩色攝像頭7和掃描式激光測(cè)距儀6的安裝位置，可知掃描式激光測(cè)距儀6的二維掃描激光束在根蘗圖像中所在位置，確定掃描式激光測(cè)距儀6探測(cè)到的樹干中心線在根蘗圖像中所處位置，從而得到根蘗窗左右邊界與樹干中心位置的相對(duì)關(guān)系；(6)當(dāng)根蘗窗的邊界與噴頭8的施藥方向22相切時(shí)，中央計(jì)算單元11向多路閥控制器發(fā)出控制指令，控制相應(yīng)噴頭開啟進(jìn)行對(duì)靶施藥，施藥持續(xù)時(shí)間由根蘗窗的寬度和作業(yè)速度決定，根據(jù)施藥時(shí)間和工作壓力計(jì)算出施藥量。
果樹、根蘗及其施藥量信息的獲取以及分布地圖的生成是在獨(dú)立的線程中，與根蘗精準(zhǔn)對(duì)靶施藥同時(shí)進(jìn)行。結(jié)合圖5，對(duì)果樹、根蘗及其施藥量分布地圖生成方法做具體描述(I)掃描式激光測(cè)距儀6完成一次掃描后，由掃描式激光測(cè)距儀6得到樹干尺寸和樹干中心位置，中央計(jì)算單元11同步讀取GPS數(shù)據(jù)，包括初始系統(tǒng)時(shí)間、經(jīng)緯度信息、移動(dòng)速度和航向角；所得到的樹干中心位置是在掃描式激光測(cè)距儀6的相對(duì)坐標(biāo)系中的位置，相對(duì)坐標(biāo)系的X軸為正中線24，y軸為移動(dòng)車載平臺(tái)10的前進(jìn)方向，原點(diǎn)為掃描式激光測(cè)距儀6的中心；GPS數(shù)據(jù)中經(jīng)緯度信息是GPS天線9在大地坐標(biāo)系中的位置；根據(jù)GPS天線9和掃描式激光測(cè)距儀6相互之間的位置關(guān)系，將相對(duì)坐標(biāo)中的樹干中心位置轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系中，從而獲得當(dāng)前樹干實(shí)際位置；(2)掃描式激光測(cè)距儀6提供的樹干尺寸和中心位置數(shù)據(jù)更新頻率為30Hz，GPS數(shù)據(jù)更新頻率為5Hz。為進(jìn)一步提高定位精度，直到上述數(shù)據(jù)更新之前，根據(jù)當(dāng)前樹干實(shí)際位置、移動(dòng)速度和航向角，以IOms的間隔預(yù)測(cè)樹干的移動(dòng)趨勢(shì)，即在大地坐標(biāo)系中的樹干預(yù) 測(cè)位置,每預(yù)測(cè)一次初始系統(tǒng)時(shí)間增加IOms ；(3)計(jì)算由步驟(2)得到的若干樹干預(yù)測(cè)位置到掃描式激光測(cè)距儀6的正中線24的垂直距離，由于樹干預(yù)測(cè)位置正好在掃描式激光測(cè)距儀6的正中線24上的這一時(shí)刻很難捕捉，因此取其中距離最短的樹干預(yù)測(cè)位置作為正對(duì)掃描式激光測(cè)距儀6的位置，將此刻樹干定位信息，包括樹干尺寸和大地坐標(biāo)系中的樹干預(yù)測(cè)位置以及GPS數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中；(4)當(dāng)獲得根蘗窗實(shí)際二維尺寸及根蘗窗邊界與樹干中心位置相對(duì)關(guān)系以及施藥量后，將上述根蘗定位信息和施藥量信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)的樹干定位信息處；(5)當(dāng)施藥作業(yè)結(jié)束后，操作人員手動(dòng)點(diǎn)擊生成地圖，由分布地圖生成子系統(tǒng)通過與Matlab的接口程序，把數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的樹干定位信息、根蘗定位信息和施藥量信息傳輸?shù)組atlab中，并將上述三類信息對(duì)應(yīng)疊加在一起，生成果樹、根蘗及其施藥量分布地圖；若操作人員并不想立即生成地圖，本次施藥作業(yè)的上述信息將按照日期和時(shí)間存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，方便日后操作人員進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和地圖生成。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明公開的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或者替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種果樹根蘗精準(zhǔn)對(duì)靶施藥裝置，其特征在于包括 系統(tǒng)搭載平臺(tái)包括龍門架平臺(tái)和移動(dòng)車載平臺(tái)，龍門架平臺(tái)裝有左右兩個(gè)龍門架； 定位識(shí)別子系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)對(duì)果樹及其根蘗進(jìn)行定位和識(shí)別，包括中央計(jì)算單元、GPS天線、掃描式激光測(cè)距儀和CCD彩色攝像頭，掃描式激光測(cè)距儀用以定位和識(shí)別樹干，并獲得圖像深度信息；CCD彩色攝像頭在軟件觸發(fā)的方式下采集根蘗圖像；GPS天線實(shí)時(shí)獲得初始系統(tǒng)時(shí)間、經(jīng)緯度信息、移動(dòng)速度和航向角；中央計(jì)算單元同時(shí)采集掃描式激光測(cè)距儀、CCD彩色攝像頭和GPS天線的數(shù)據(jù)信息，通過相應(yīng)算法和控制策略對(duì)果樹及其根蘗進(jìn)行定位和識(shí)別，并控制對(duì)靶施藥子系統(tǒng)動(dòng)作； 對(duì)靶施藥子系統(tǒng)由多路閥控制器、高速電磁閥、噴頭、藥箱、隔膜泵和泵調(diào)節(jié)器組成； 分布地圖生成子系統(tǒng)在施藥作業(yè)過程中，根據(jù)GPS定位信息、掃描式激光測(cè)距儀與GPS天線的相對(duì)位置關(guān)系以及根蘗與對(duì)應(yīng)樹干中心位置的相對(duì)位置，將果樹樹干、根蘗的實(shí)際定位信息以及對(duì)應(yīng)的施藥量同步存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中；對(duì)靶施藥作業(yè)完成后，最終生成實(shí)際的果樹樹干、根蘗以及施藥量分布地圖。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的果樹根蘗精準(zhǔn)對(duì)靶施藥裝置，其特征在于中央計(jì)算單元與多路閥控制器通過USB轉(zhuǎn)CAN總線進(jìn)行通訊；兩個(gè)掃描式激光測(cè)距儀的USB接口通過一個(gè)USB集線器匯總后與中央計(jì)算單元相連；兩個(gè)CXD彩色攝像頭通過千兆以太網(wǎng)與中央計(jì)算單元通訊；GPS天線通過RS232串口與中央計(jì)算單元通訊；中央計(jì)算單元外接一個(gè)液晶觸摸屏，通過USB進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的果樹根蘗精準(zhǔn)對(duì)靶施藥裝置，其特征在于多路閥控制器、USB集線器、繼電器和保險(xiǎn)絲組都安裝在防水的電控箱內(nèi)；移動(dòng)車載平臺(tái)上的12V DC車載蓄電池經(jīng)過保險(xiǎn)絲組分別給多路閥控制器、掃描式激光測(cè)距儀、CCD彩色攝像頭、GPS天線和高速電磁閥供電；與電控箱連接的所有接頭均為防水接頭。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的果樹根蘗精準(zhǔn)對(duì)靶施藥裝置，其特征在于左右兩個(gè)龍門架上的掃描式激光測(cè)距儀、CCD彩色攝像頭與噴頭的布局以移動(dòng)車載平臺(tái)的中心線左右對(duì)稱。
5.一種應(yīng)用權(quán)利要求I所述的果樹根蘗精準(zhǔn)對(duì)靶施藥裝置進(jìn)行精準(zhǔn)對(duì)靶施藥的方法，其特征在于 (1)掃描式激光測(cè)距儀完成一次掃描后，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，確定所得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)中哪些是屬于同一樹干； (2)根據(jù)所得到的屬于同一樹干上的數(shù)據(jù)點(diǎn)估算樹干的尺寸和位置； (3)當(dāng)樹干中心位置到掃描式激光測(cè)距儀的正中線的垂直距離最小時(shí)，軟件觸發(fā)CCD彩色攝像頭采集一張根蘗圖像，同時(shí)將此刻樹干中心位置到掃描式激光測(cè)距儀的距離，即圖像深度信息記錄下來(lái)。
(4)對(duì)采集的根蘗圖像進(jìn)行分割和提取，將根蘗區(qū)域分割出來(lái)形成一個(gè)根蘗窗，并獲得根蘗窗的像素尺寸； (5)結(jié)合掃描式激光測(cè)距儀獲得的圖像深度信息，將根蘗窗的實(shí)際二維尺寸計(jì)算出來(lái)，并根據(jù)CCD彩色攝像頭和掃描式激光測(cè)距儀的安裝位置，可得到根蘗窗左右邊界與樹干中心位置的相對(duì)關(guān)系； (6)當(dāng)根蘗窗的邊界與噴頭的施藥方向相切時(shí)，中央計(jì)算單元向多路閥控制器發(fā)出控制指令，控制相應(yīng)噴頭開啟進(jìn)行對(duì)靶施藥，施藥持續(xù)時(shí)間由根蘗窗的寬度和作業(yè)速度決定。
6.一種應(yīng)用權(quán)利要求I所述的果樹根蘗精準(zhǔn)對(duì)靶施藥裝置生成果樹、根蘗及其施藥量分布地圖的方法，其特征在于 (1)由掃描式激光測(cè)距儀得到樹干尺寸和樹干中心位置后，中央計(jì)算單元同步讀取GPS數(shù)據(jù)，包括初始系統(tǒng)時(shí)間、經(jīng)緯度信息、移動(dòng)速度和航向角；由掃描式激光測(cè)距儀得到的樹干中心位置是在掃描式激光測(cè)距儀的相對(duì)坐標(biāo)系中的位置，GPS數(shù)據(jù)中經(jīng)緯度信息是GPS天線在大地坐標(biāo)系中的位置；根據(jù)GPS天線和掃描式激光測(cè)距儀相互之間的位置關(guān)系，將相對(duì)坐標(biāo)中的樹干中心位置轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系中，從而獲得當(dāng)前樹干實(shí)際位置； (2)GPS數(shù)據(jù)更新頻率慢于掃描式激光測(cè)距儀的數(shù)據(jù)更新頻率，為進(jìn)一步提高定位精度，在上述數(shù)據(jù)更新之前，根據(jù)當(dāng)前樹干實(shí)際位置、移動(dòng)速度和航向角，插值預(yù)測(cè)樹干在大地坐標(biāo)中的移動(dòng)趨勢(shì)，得到若干樹干預(yù)測(cè)位置； (3)計(jì)算由步驟(2)所得的若干樹干預(yù)測(cè)位置到掃描式激光測(cè)距儀的正中線的垂直距離，取其中距離最短的樹干預(yù)測(cè)位置，將此刻樹干定位信息，包括樹干尺寸和樹干預(yù)測(cè)位置存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中； (4)由掃描式激光測(cè)距儀和CCD彩色攝像頭測(cè)得的數(shù)據(jù)獲得根蘗窗實(shí)際二維尺寸及根蘗窗邊界與樹干中心位置相對(duì)關(guān)系，并結(jié)合作業(yè)速度和施藥的工作壓力獲得施藥量后，將上述根蘗定位信息和施藥量信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)的樹干定位信息處； (5)將數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的樹干定位信息、根蘗定位信息和施藥量信息對(duì)應(yīng)疊加在一起，生成果樹、根蘗及其施藥量分布地圖。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種農(nóng)業(yè)施藥作業(yè)裝置，尤其涉及一種果樹根蘗精準(zhǔn)對(duì)靶施藥裝置，包括系統(tǒng)搭載平臺(tái)、定位識(shí)別子系統(tǒng)、對(duì)靶施藥子系統(tǒng)和分布地圖生成子系統(tǒng)。根據(jù)果樹根蘗的生長(zhǎng)特點(diǎn)，采用龍門架式移動(dòng)平臺(tái)，將掃描式激光測(cè)距儀、機(jī)器視覺和GPS相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)果樹根蘗的快速、有效定位和識(shí)別，從而控制多噴頭施藥系統(tǒng)完成對(duì)靶施藥作業(yè)，同時(shí)生成果樹、根蘗及其施藥量分布地圖，實(shí)現(xiàn)針對(duì)果樹根蘗的精準(zhǔn)對(duì)靶施藥，能有效降低農(nóng)藥使用量，提高藥液利用率，降低環(huán)境污染，還為未來(lái)果園數(shù)字化管理提供了科學(xué)手段。
文檔編號(hào)G06K9/00GK102907406SQ201210350648
公開日2013年2月6日 申請(qǐng)日期2012年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月20日
發(fā)明者康峰, 李文彬, 鄭永軍 申請(qǐng)人:北京林業(yè)大學(xué)