一種基于霧滴云模擬的噴霧仿真方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于霧滴云模擬的噴霧仿真方法。該方法的步驟如下：應(yīng)用三維立體相機(jī)獲取植株體三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并通過點(diǎn)云刪減方法及坐標(biāo)變換處理，模擬實(shí)際作物植株；在確定噴頭型號(hào)、噴頭坐標(biāo)及噴霧技術(shù)參數(shù)條件下，通過拉格朗日軌跡描述算子描述噴霧霧滴粒子運(yùn)動(dòng)軌跡；設(shè)計(jì)一種噴霧霧滴粒子運(yùn)動(dòng)軌跡與植株點(diǎn)云相交算法，判別霧滴落在植株體上與否并計(jì)算其落點(diǎn)位置；依據(jù)噴霧作業(yè)速度要求，不斷變化噴頭空間坐標(biāo)完成動(dòng)態(tài)模擬，直至達(dá)到停止條件后輸出霧滴沉積率并優(yōu)化噴霧高度。本發(fā)明能提供噴霧作業(yè)可視化作業(yè)指標(biāo)分析，并以霧滴有效沉積率為目標(biāo)函數(shù)，獲得的了最優(yōu)噴霧作業(yè)高度，從而為減少實(shí)際植保作業(yè)過程中農(nóng)藥使用量提供一定參考。
【專利說明】一種基于霧滴云模擬的噴霧仿真方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及噴霧方法，尤其ー種基于霧滴云模擬的噴霧仿真方法。
【背景技術(shù)】
[0002]為了保障糧食的穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)，務(wù)農(nóng)人員在田間往往采用粗獷式植保噴霧作業(yè)方式，使大量的化學(xué)藥劑不能準(zhǔn)確的施用于作物靶標(biāo)上，過量的化學(xué)藥劑帶來嚴(yán)重的環(huán)境及食品安全問題。
[0003]中國農(nóng)業(yè)大學(xué)何雄奎等人就“測定噴霧技術(shù)參數(shù)對(duì)噴霧效果的影響”這一問題在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下做過大量研究，實(shí)驗(yàn)證明了扇形噴頭的噴霧技術(shù)參數(shù)對(duì)噴霧效果的影響，特別是對(duì)霧滴的抗漂移性具有顯著的影響。
[0004]大型行業(yè)軟件Ansys Fluent包含了粒子仿真模擬系統(tǒng)，國內(nèi)外都有學(xué)者運(yùn)用該軟件經(jīng)行霧滴的仿真以輔助噴霧機(jī)設(shè)計(jì)，但是由于該系統(tǒng)的局限性不能夠結(jié)合實(shí)際作業(yè)對(duì)象及作業(yè)環(huán)境，因此應(yīng)用往往受到限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種基于霧滴云模擬的噴霧仿真方法，通過模擬實(shí)際農(nóng)田作業(yè)復(fù)雜環(huán)境，建立虛擬噴霧仿真系統(tǒng)，能提供噴霧作業(yè)多項(xiàng)可視化作業(yè)指標(biāo)分析，并以霧滴有效沉積率為目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化噴霧系統(tǒng)中各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，從而為實(shí)際植保作業(yè)過程提供
一定的參考。
[0006]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0007]本發(fā)明方法的步驟如下:
[0008]I)應(yīng)用三維立體相機(jī)獲取植株體三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并通過點(diǎn)云刪減方法及坐標(biāo)變換處理，模擬實(shí)際作物植株；
[0009]2)在確定噴頭型號(hào)、噴頭坐標(biāo)及噴霧技術(shù)參數(shù)條件下，通過拉格朝日軌跡描述算子描述噴霧霧滴粒子運(yùn)動(dòng)軌跡；
[0010]3)設(shè)計(jì)ー種噴霧霧滴粒子運(yùn)動(dòng)軌跡與植株點(diǎn)云相交算法，判別霧滴落在植株體上與否并計(jì)算其落點(diǎn)位置；
[0011]4)依據(jù)噴霧作業(yè)速度要求，不斷變化噴頭空間坐標(biāo)完成動(dòng)態(tài)模擬，直至達(dá)到停止條件后輸出霧滴沉積率并優(yōu)化噴霧高度。
[0012]AB+AC-BC < 2AD
[0013]所述不斷變化噴頭空間坐標(biāo)完成動(dòng)態(tài)模擬，能夠模擬動(dòng)態(tài)噴霧過程，對(duì)噴頭位置依據(jù)噴霧作業(yè)速度要求進(jìn)行變化，達(dá)到停止條件即完成要求的仿真步數(shù)Maxstep后，計(jì)算該作業(yè)高度條件下噴頭的噴霧沉積率，通過多次模擬結(jié)果比較，實(shí)現(xiàn)噴霧高度參數(shù)的優(yōu)化，霧滴乘積率的計(jì)算公式如下:
【權(quán)利要求】
1.一種基于霧滴云模擬的噴霧仿真方法，其特征在于，該方法的步驟如下: 1)應(yīng)用三維立體相機(jī)獲取植株體三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并通過點(diǎn)云刪減方法及坐標(biāo)變換處理，模擬實(shí)際作物植株； 2)在確定噴頭型號(hào)、噴頭坐標(biāo)及噴霧技術(shù)參數(shù)條件下，通過拉格朝日軌跡描述算子描述噴霧霧滴粒子運(yùn)動(dòng)軌跡； 3)設(shè)計(jì)ー種噴霧霧滴粒子運(yùn)動(dòng)軌跡與植株點(diǎn)云相交算法，判別霧滴落在植株體上與否并計(jì)算其落點(diǎn)位置； 4)依據(jù)噴霧作業(yè)速度要求，不斷變化噴頭空間坐標(biāo)完成動(dòng)態(tài)模擬，直至達(dá)到停止條件后輸出霧滴沉積率并優(yōu)化噴霧高度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種基于霧滴云模擬的噴霧仿真方法，其特征在于:所述使用三維立體相機(jī)取獲取植株點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用距離采樣法完成點(diǎn)云刪減，采樣距離為r，對(duì)刪減后的點(diǎn)云進(jìn)行坐標(biāo)變換，坐標(biāo)變換算法描述如下: 選取植株模型根部一點(diǎn)為N，選取向上生長的莖部一點(diǎn)為M，則向量]^為平面n的法向量，N為n平面內(nèi)的一點(diǎn)，設(shè)n的公式為Ax+By+Cz+D=0，= = -^，則
即干=上=二，帶入N點(diǎn)坐標(biāo)即得到XOY平面公式，在XOY平面上選擇二個(gè)IA Ln<?,S ///? I m n不干ィf的向量，并通過Schmidt正交化進(jìn)行正交化并單位化，Schmidt正交化過程如下: 若Ct17Ct2,…，a s線性無關(guān)，則構(gòu)造@ @ 2，--?，P s使其兩兩正交,且P i僅是a 17





B.a 2，…，a i的線性組合，i=l，2, -“，s,再把@丨單位化,記ア,=|^| ’貝丨』Y1, Y 2, --?，Ys是規(guī)范正交向量組， 其中
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種基于霧滴云模擬的噴霧仿真方法，其特征在于:所述在確定噴頭型號(hào)、噴頭坐標(biāo)及噴霧技術(shù)參數(shù)條件下，以粒子系統(tǒng)為基本描述手段，通過拉格朗日方法計(jì)算霧滴粒子運(yùn)動(dòng)軌跡，拉格朗日描述粒子運(yùn)動(dòng)方程如下:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種基于霧滴云模擬的噴霧仿真方法，其特征在于:所述的一種霧滴軌跡與植株點(diǎn)云相交算法是利用植株點(diǎn)與有向線段空間位置關(guān)系，設(shè)置ー項(xiàng)判斷條件實(shí)現(xiàn)霧滴是否落在植株上及其落點(diǎn)位置計(jì)算，假設(shè):空間中有霧滴軌跡有向線段BC，有一植株點(diǎn)云A，設(shè)AD為三角形ABC的垂線，D點(diǎn)為垂足，由三角形性質(zhì)得到:
AD+BD > AB
AD+DC > AC 則二項(xiàng)式子相加得到
2AD+DC+BD > AB+AC 即:2AD+BC > AB+AC 因此得到如果滿足以下公式即判斷霧滴是否達(dá)到點(diǎn)云中，落點(diǎn)位置認(rèn)為是所有滿足條件中點(diǎn)中Z軸方向數(shù)值最大的點(diǎn)，其中由距離采樣法得知AD應(yīng)大于 ；
AB+AC-BC < 2AD。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種基于霧滴云模擬的噴霧仿真方法，其特征在于:所述不斷變化噴頭空間坐標(biāo)完成動(dòng)態(tài)模擬，能夠模擬動(dòng)態(tài)噴霧過程，對(duì)噴頭位置依據(jù)噴霧作業(yè)速度要求進(jìn)行變化，達(dá)到停止條件即完成要求的仿真步數(shù)Maxstep后,計(jì)算該作業(yè)高度條件下噴頭的噴霧沉積率，通過多次模擬結(jié)果比較，實(shí)現(xiàn)噴霧高度參數(shù)的優(yōu)化，霧滴乘積率的計(jì)算公式如下:
【文檔編號(hào)】G06T13/20GK103455661SQ201310319781
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年7月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月25日
【發(fā)明者】蔣煥煜, 周鳴川, 高天齊, 李華融 申請人:浙江大學(xué)