CN103988826A - 一种基于光谱识别的对靶喷雾施药机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用光谱识别技术对目标植株进行精确对靶施药的机具，特别涉及一种基于光谱识别的对靶喷雾施药机，属于植保机具领域。本发明的喷雾施药机作业时，光谱探测器将采集到的目标区域的近红外波段反射数据实时传递给DSP控制系统，DSP系统将其与目标田间植株及常见杂草的近红外光谱库中的近红外光谱反射数据的特征阈值进行对比，根据其特征阈值光谱数据确定其种类，从而实现杂草和目标植株作物的光谱识别；喷雾控制系统根据靶标特性控制电磁阀的开启和关断，从而实现精确对靶喷雾。本发明机具结构简单，工作效率高。

Description

一种基于光谱识别的对靶喷雾施药机

技术领域

本发明涉及一种采用光谱识别技术对目标植株进行精确对靶施药的机具，特别涉及一种基于光谱识别的对靶喷雾施药机，属于植保机具领域。

背景技术

长期以来，我国农药的使用水平较低（有效利用率只有30%左右），不仅浪费了大量的农药，而且对生态环境造成了严重的污染。精准式喷洒技术就是现代农业新技术之一，早在20世纪90年代，国外就已经开展了实时识别精确对靶喷施的研究。精准式喷洒技术的核心是获取农田小区域内病虫草害的差异性信息，采取变量施药技术，按需施药。因此要实现精准式喷洒，首先就必须对喷施对象进行准确的识别，形成对靶喷雾。

为了实现对靶施药，国内外的科研人员进行了大量研究。目前主要的靶标识别的技术有：传感器识别法、遥感识别法、基于机器视觉识别方法。其中，传感器识别主要采用光电探测技术、超声波探测技术、微波探测技术等简单的将各种地表植物进行探测，并不能将农作物与杂草进行精确区分。而遥感识别法由于遥感图像的空间和光谱分辨率低，遥感图像只适合于大尺寸和高密度的杂草识别，对小尺寸和低密度的杂草识别效果较差，无法满足离散式精准农业的要求。基于机器视觉识别方法主要包括计算机图像识别方法和光谱分析识别方法。计算机图像识别方法是利用计算机视觉处理技术来实现的，通过相机抓捕田间图像，分析和处理图像中所包含的颜色、纹理、几何等一系列特征，进行自动识别。由于该技术需要采集的信息量较大，不但需要作物、杂草等绿色植物的信息，还需要地面、植物阴影等的信息，信息的处理与识别过程耗时较长，目前该技术每帧图像信息处理时间大约为0.1-0.6s，在图像比较复杂时，其处理速度还不能满足实时控制的要求。在我国农田杂草大概有1500多种，其中常见杂草有364种，恶性杂草有38种。对于光电探测对靶技术、超声波探测对靶技术、微波探测对靶技术等，在田间对靶施药过程中，田间的杂草容易使得对靶系统产生误判，从而影响了对靶效率，造成了农业的损失和浪费。

光谱分析识别方法是基于待测物体发射、反射或透射辐射的光谱信息对物体进行识别。其原理是在可见光(400-700nm波段)或近红外光(700-2500nm波段)的照射下，杂草与土壤以及杂草与作物的光谱反射率存在着差异。在可见光波段，植物的叶绿素会吸收大部分的红色光，叶绿素浓度的变化会影响反射率。在近红外波段，杂草与作物叶片组织结构的不同会导致其吸收、反射和透射入射光线能力的不同，根据反射率的不同就可区分杂草和作物。与利用图像处理的识别方法相比，基于光谱分析技术的识别方法处理过程相对简单，准确率高，速度快，在实时性方面具有明显的优势。

光谱分析识别方法受到了科研工作者的广泛的关注。目前国内外对光谱分析识别方法的研究还大都停留实验室研究。

发明内容

针对现有精确对靶喷雾技术存在的问题，本发明采用光谱分析识别技术，通过光谱仪分析在近红外波段目标区域的反射情况，进行区分杂草和作物，从而实现精确对靶喷雾，据此开发一种基于光谱识别的精确对靶喷雾施药机。

本发明采用的技术方案是：

本发明提供一种基于光谱识别的对靶喷雾施药机，包括：电力驱动前轮、药箱、左喷头、

右喷头、左支架、右支架、左电磁阀、右电磁阀、控制面板、转向轮、泵，用水管将左喷头通过左电磁阀和泵与药箱连接，用水管将右喷头通过和右电磁阀和泵与药箱连接，其特征在于，所述对靶喷雾施药机还包括左光谱探测器、右光谱探测器和与所述光谱探测器、右光谱探测器相连的DSP控制系统，所述左光谱探测器和右光谱探测器分别安装于左支架和右支架上。

所述左光谱探测器和右光谱探测器分别与左喷头和右喷头位于沿行进方向的同一直线上。

所述左光谱探测器和右光谱探测器的探测范围为400-1000nm波段的信号。

所述对靶喷雾施药机还包括电池，电池驱动电力驱动前轮进行行进。

所述的左支架和右支架，可根据植株高度，手动调节其高度，调节范围为40~140cm。

所述左喷头和右喷头垂直向下喷雾作业，能与左光谱探测器和右光谱探测器在行进方向平行或垂直的方向，进行前后左右调节。

所述控制面板包括一个电源开关、一个电源指示灯、一个对靶喷雾开关、一个对靶喷雾指示灯、一个电量低报警指示灯、一个电机调速器、一个保险丝插座和一个电池充电接口。

所述DSP控制系统（13）中包括常见植株与杂草近红外光谱库。

本发明还提供一种基于光谱识别的对靶喷雾施药机的控制方法：其特征在于，按照以下步骤进行：

A.    所述左支架和右支架高度及左喷头、右喷头与左光谱探测器、右光谱探测器的位置调

整好之后，首先控制面板上的电机调速器旋转到最小刻度处，打开控制面板上的电源开关，调节电机调速器旋钮，使施药机保持合适的行进速度；

B.     此时再打开对靶喷雾开关，DSP控制系统通电；DSP控制系统实时采集安装在药箱内

的液位传感器、安装在电力驱动前轮上的霍尔传感器、安装在电池上的剩余电量传感器的信号，可得到药箱液位高度、施药机行进速度及电池电量信息；药液及电量正常时，左光谱探测器和右光谱探测器开始采集光谱信号并传输到DSP控制系统；

C．DSP控制系统将将左光谱探测器（5）和右光谱探测器（10）采集到的光谱信号与常

见植株与杂草近红外光谱库中的近红外光谱反射数据的特征阈值进行对比，确定其种类，从而实现杂草和目标植株作物的区分；

所述DSP控制系统接收左光谱探测器和右光谱探测器采集到的目标田间植株及常见杂草的近红外波段反射数据，控制左喷头和右喷头前端对应的左电磁阀和右电磁阀，当检测到目标植株时，DSP控制系统根据施药机行进速度控制左喷头和右喷头前端对应的左电磁阀和右电磁阀延时0.1~2s打开，使左喷头和右喷头朝着植株进行喷雾。

有益效果：

本发明采用光谱识别技术对目标田间植株及常见杂草进行有效识别并进行高效精确对靶施药，与目前单品种的光谱识别技术相比，本发明通过建立目标田间植株及常见杂草的近红外光谱库，可实现对多种作物的有效识别，提高了识别的效率；与图像识别技术相比并提高了数据的处理速度；与红外对靶技术、超声对靶技术及激光对靶技术等相比，大大提高了对靶准确率。本发明对靶速度快，对靶准确，可实现高效精确对靶施药。

附图说明

图1是喷雾施药机结构图。

图中，1. 电力驱动前轮，2. 药箱，3. 左喷头，4. 左支架，5. 左光谱探测器，6. 左电磁阀，7. 右支架，8. 右电磁阀，9. 右喷头，10. 右光谱探测器，11. 扶手，12. 控制面板，13.  DSP控制系统，14. 转向轮，15. 电池，16. 泵。

图2是右侧支架、电磁阀、喷头和光谱探测器结构示意图。

图3是DSP系统控制原理图。

具体实施方式

本发明采用光谱分析识别技术，通过光谱仪分析在近红外波段目标区域的反射情况，进行区分杂草和作物，从而实现精确对靶喷雾。

本发明的喷雾施药机主要由电力驱动前轮1，药箱2，左、右喷头3、 9，左、右支架4、 7，左、右光谱探测器5、10，左、右电磁阀6、8，扶手11，控制面板12，DSP控制系统13，转向轮14，电池15和泵16组成。

施药机可以采用电池15供电驱动前驱动轮1进行行进，操作人员通过转动扶手11来控制转向轮14方向，从而控制整个施药机的行进方向。当电池15没电或电量不足时，操作人员可以通过推扶手11使施药机继续前进或到电力接头处进行充电。

施药机在作业时，施药机行走在田间两陇植株中间，两侧的左、右支架4、 7可根据植株高度上下调节高度，调节范围为40~140cm；左、右支架4、7上安装有左、右光谱探测器5、10、左、右电磁阀6、8和左、右喷头3、9，其中有水管将左、右喷头3、9通过左、右电磁阀6、8和泵16与药箱2连接，左、右喷头3、9垂直向下喷雾作业，并且与左、右光谱探测器5、10沿行进方向安装在同一直线上，左、右喷头3、9与左、右光谱探测器5、10可在与行进方向平行及垂直的方向进行前后左右调节。在田间作业前，应先调整左、右支架4、7高度及左、右喷头3、9与左、右光谱探测器5、10位置，从而使左、右喷头3、9与左、右光谱探测器5、10垂直对准左右两侧的两陇植株。

施药机的控制面板12上有一个电源开关、一个电源指示灯、一个对靶喷雾开关、一个对靶喷雾指示灯、一个电量低报警指示灯、一个电机调速器、一个保险丝插座和一个电池充电接口。在调整好左、右支架4、7高度及左、右喷头3、9与左、右光谱探测器5、10位置后，首先控制面板12上的电机调速器旋转到最小刻度处，将打开控制面板12上的电源开关，则电源指示灯亮，调节电机调速器旋钮，使施药机保持合适的行进速度。

此时再打开对靶喷雾开关，对靶喷雾指示灯亮，DSP控制系统13通电。DSP控制系统13实时采集安装在药箱2内的液位传感器、安装在驱动前轮1上的霍尔传感器、安装在电池 15上的剩余电量传感器的信号，可得到药箱2液位高度、施药机行进速度及电池电量信息。当药箱2液位高度低于2cm或电池电量低于10%时，则停止泵15、左、右光谱探测器5、10及左、右电磁阀6、8工作，控制面板12上的缺药液报警灯及电量低报警灯亮，需进行补充药液或进行充电。药液及电量正常时，左、右光谱探测器5、10开始采集400-1000nm波段的光谱信号并传输到DSP控制系统13，DSP控制系统13将其与常见植株与杂草的近红外光谱库中的近红外光谱反射数据的特征阈值进行对比，确定其种类，从而实现杂草和目标植株作物的区分。当检测到目标植株时，DSP控制系统13根据施药机行进速度控制喷头前端电磁阀延时0.1~2s打开，喷头朝着植株进行喷雾；当检测到的是杂草或植株间的空隙时，电磁阀关闭，停止喷雾。

Claims (10)

1.一种基于光谱识别的对靶喷雾施药机，包括：电力驱动前轮（1）、药箱（2）、左喷头（3）、右喷头（9）、左支架（4）、右支架（7）、左电磁阀（6）、右电磁阀（8）、控制面板（12）、转向轮（14）、泵（16），用水管将左喷头（3）通过左电磁阀（6）和泵（16）与药箱（2）连接，用水管将右喷头（9）通过和右电磁阀（8）和泵（16）与药箱（2）连接，其特征在于，所述对靶喷雾施药机还包括左光谱探测器（5）、右光谱探测器（10）和与所述光谱探测器（5）、右光谱探测器（10）相连的DSP控制系统（13），所述左光谱探测器（5）和右光谱探测器（10）分别安装于左支架（4）和右支架（7）上。

2.根据权利要求1所述的一种基于光谱识别的对靶喷雾施药机，其特征在于，所述左光谱探测器（5）和右光谱探测器（10）分别与左喷头（3）和右喷头（9）位于沿行进方向的同一直线上。

3.根据权利要求1所述的一种基于光谱识别的对靶喷雾施药机，其特征在于，所述左光谱探测器（5）和右光谱探测器（10）的探测范围为400-1000nm波段的信号。

4.根据权利要求1所述的一种基于光谱识别的对靶喷雾施药机，其特征在于，所述对靶喷雾施药机还包括电池（15），电池（15）驱动电力驱动前轮（1）进行行进。

5.根据权利要求1所述的一种基于光谱识别的对靶喷雾施药机，其特征在于，所述的左支架（4）和右支架（7）上下调节范围为40~140cm。

6.根据权利要求1所述的一种基于光谱识别的对靶喷雾施药机，其特征在于，所述左喷头（3）和右喷头（9）垂直向下喷雾作业。

7.根据权利要求1所述的一种基于光谱识别的对靶喷雾施药机，其特征在于，所述控制面板（12）包括一个电源开关、一个电源指示灯、一个对靶喷雾开关、一个对靶喷雾指示灯、一个电量低报警指示灯、一个电机调速器、一个保险丝插座和一个电池充电接口。

8.根据权利要求1所述的一种基于光谱识别的对靶喷雾施药机，其特征在于，所述DSP控制系统（13）中包括常见植株与杂草近红外光谱库。

9.一种基于光谱识别的对靶喷雾施药机的控制方法：其特征在于，按照以下步骤进行：

A. 所述左支架（4）和右支架（7）高度及左喷头（3）、右喷头（9）与左光谱探测器（5）、

右光谱探测器（10）的位置调整好之后，首先控制面板（12）上的电机调速器旋转到最小刻度处，打开控制面板（12）上的电源开关，调节电机调速器旋钮，使施药机保持合适的行进速度；

B. 此时再打开对靶喷雾开关，DSP控制系统（13）通电；DSP控制系统（13）实时采集

安装在药箱（2）内的液位传感器、安装在电力驱动前轮（1）上的霍尔传感器、安装在电池（15）上的剩余电量传感器的信号，可得到药箱液位高度、施药机行进速度及电池电量信息；药液及电量正常时，左光谱探测器（5）和右光谱探测器（10）开始采集光谱信号并传输到DSP控制系统（13）；

C．DSP控制系统（13）将左光谱探测器（5）和右光谱探测器（10）采集到的光谱信号

与常见植株与杂草近红外光谱库中的近红外光谱反射数据的特征阈值进行对比，确定其种类，从而实现杂草和目标植株作物的区分。

10.根据权利要求8所述的一种基于光谱识别的对靶喷雾施药机的控制方法，其特征在于，所述DSP控制系统（13）接收左光谱探测器（5）和右光谱探测器（10）采集到的目标田间植株及常见杂草的近红外波段反射数据，控制左喷头（3）和右喷头（9）前端对应的左电磁阀（6）和右电磁阀（8），当检测到目标植株时，DSP控制系统（13）根据施药机行进速度控制左喷头（3）和右喷头（9）前端对应的左电磁阀（6）和右电磁阀（8）延时0.1~2s打开，使左喷头（3）和右喷头（9）朝着植株进行喷雾。