CN105360091A

CN105360091A - 一种对靶喷药方法及装置

Info

Publication number: CN105360091A
Application number: CN201510557451.XA
Authority: CN
Inventors: 邹伟; 王秀; 苏帅; 冯青春; 王松林
Original assignee: Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture
Current assignee: Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture
Priority date: 2015-09-02
Filing date: 2015-09-02
Publication date: 2016-03-02
Anticipated expiration: 2035-09-02
Also published as: CN105360091B

Abstract

本发明提供一种对靶喷药方法，包括获取激光传感器运行到待喷药植株树外轮廓与第一垂直面的第一切点时的行走装置的第一运行距离；在行走装置的第二运行距离等于第一运行距离与预设水平距离之和时开始喷药；获取激光传感器持续运行到待喷药植株树冠外轮廓和第二垂直面的第二切点时行走装置的第三运行距离；在行走装置的第四运行距离等于第三运行距离与预设水平距离之和时停止喷药。对靶喷药装置包括行走装置、安装在行走装置上的一维激光传感器和电机，电机驱动一维激光传感器在垂直于行走装置运行方向的二维面上扫描以获得待喷药植株在该平面上的外轮廓。对靶喷药方法可实现精确对靶喷药，对靶喷药装置相对于现有技术效果佳，成本低。

Description

一种对靶喷药方法及装置

技术领域

本发明涉及一种对靶喷药方法，还涉及一种实现所述对靶喷药方法的对靶喷药装置。

背景技术

当前，我国的果园施药作业主要采用人工施药的方式，这种施药方式生产效率低，劳动强度大，农药浪费多。

国内有一些研究机构研制了一种果园精准喷药机，这种喷药机通过安装红外传感器或者超声波传感器来探测喷药靶标(果树)，实现了在有果树的地方进行喷药；在没有果树的地方停止喷药。

对靶喷药的核心在于靶标检测，靶标检测主要依赖于各种传感器，传感器的灵敏度直接影响到检测结果。

采用红外传感器探测靶标的喷药机，其控制系统通过红外传感器探测靶标是否在范围内，如果控制系统收到传感器的电平信号，则认为这里有果树存在，系统开始实施喷药作业。控制系统实际上只是探测靶标的有无，而对果树的其他信息无法得知。

还有一些喷药机采用了超声波传感器技术，这种喷药机采用多个超声波传感器组合在一起，去检测若干个果树靶标点，从而获取若干个靶标点到探头的距离数据。

红外传感器的检测速度快，但是检测距离范围比较小，一般不超过一米，而且容易受到温度和靶标颜色等环境因素的影响。被探测物(靶标)的颜色越深，传感器的探测范围越小。对于很多果树来说，其树干树枝的颜色往往比较深，采用红外传感器对其进行靶标检测时，效果不是很理想。另外，这些喷药机不能进行变量作业，操作者只能依靠经验去施药。

采用超声波传感器去探测靶标基本不受环境温度以及靶标颜色等因素的影响，但是超声波探测一般适合表面比较平滑的靶标，对平面的探测可以获得比较准确的数据，但是对表面不规则的靶标，检测数据往往存在很大的跳变，而果树的表面都是不平整的，控制器即使采用大量数据处理算法，也很难获得精确的靶标信息。超声波传感器对靶标的反应不是很灵敏，不能检测到反射面积较小的靶标。数据响应时间也不够快速，单次检测需要150MS以上，不适合用于快速检测。采用超声传感检测技术的喷药机为获得尽量多的数据信息，往往使用了超声波传感器列阵去检测靶标，所需传感器数量大，导致应用成本高。

基于上述问题，目前该领域已经产生基于二维激光传感器进行靶标检测的技术，但是该现有技术还存在以下问题：一方面，二维激光传感器价格比较高，增加了装置的成本，另一方面，该种现有技术的二维激光传感器和喷头不在同一点(即在水平距离上有差距，二维激光传感器在车头，喷头在车尾)，但该现有技术并未公开如何根据二维激光传感器检测到的喷喷药植株的位置进行对靶喷药的。

发明内容

本发明提供一种对于传感器和探头不在同一位置时能实现精确对靶喷药的对靶喷药方法。

本发明还提供一种对于实现所述对靶喷药方法的对靶喷药装置。

一种对靶喷药方法，包括以下步骤：

获取激光传感器运行到待喷药植株树外轮廓与第一垂直面的第一切点时对应的行走装置的第一运行距离；

在行走装置的第二运行距离等于所述第一运行距离与预设水平距离之和时开始喷药，所述预设水平距离为喷头和激光传感器之间的水平距离；

获取激光传感器持续运行到待喷药植株树冠外轮廓和第二垂直面的第二切点时对应的行走装置的第三运行距离；

在行走装置的第四运行距离等于所述第三运行距离与所述预设水平距离之和时停止喷药；

所述第一垂直面和第二垂直面为与所述行走装置运行方向垂直的平面；

所述第一运行距离、第二运行距离、第三运行距离和第四运行距离均为所述行走装置距离运行起点的运行距离。

优选的，通过以下步骤获取所述行走装置的运行距离：

获取所述行走装置的车轮上任一预设角度对应的终点相对于固定参照物所旋转过的数量；

在所述车轮相对于固定参照物旋转过一个所述预设角度的终点时实时检测车轮的瞬时线速度，计算车轮的瞬时线速度对时间的积分，所述时间为当前时间与最后一个经过所述固定参照物的预设角度终点的时间差；

根据所述数量、预设角度的大小和所述车轮的半径计算所述车轮相对于所述固定参照物旋转过的车轮总弧长；

对所述车轮总弧长与车轮的瞬时线速度对时间的积分求和，将求和结果作为所述行走装置的运行距离。

优选的，所述固定参照物为位于所述行走装置车体上的霍尔传感器，在所述车轮上设置有至少一块磁铁块，所述预设角度由任意相邻的两块磁铁块和所述车轮的中心构成。

优选的，各预设角度大小相等。

进一步地，在所述获取激光传感器运行到待喷药植株树冠外轮廓与第一垂直面的第一切点时对应的行走装置的第一运行距离之前，所述方法还包括：

计算树冠上任意两个激光点对应的水平喷药深度差、垂直高度差和扫描步长，并求上述水平喷药深度差、垂直高度差和扫描步长的乘积，该乘积确定为由所述两个激光点对应的植株树冠的单位体积Vi；

所述扫描步长为所述激光传感器每两次扫描之间对应所述行走装置的运行距离；

按照下述树冠总体积公式求取植株树冠的总体积以根据所述总体积进行喷药

V = Σ_{i = 1}^{m} V i

其中，V为树冠总体积，i为发射到树冠上的激光点的序数，m为发射的激光点的最大个数，h_i和h_i-1分别为发射到植株树冠上的第i和第i-1个激光点的垂直对地高度，w_i和w_i-1分别为发射到植株树冠上的第i和第i-1个激光点距离植株树根的水平喷药深度，u为激光传感器的扫描步长。

进一步地，在所述计算树冠上任意两个激光点对应的水平喷药深度差之前还包括：

判断发射到植株树冠上的激光点和所述激光传感器探头之间的水平距离与最大水平喷药深度之间的关系；

所述最大水平喷药深度为所述激光传感器探头和植株树根之间的水平距离；

当发射到植株树冠上的激光点和所述激光传感器探头之间的水平距离大于所述最大水平喷药深度时，确定该激光点为无效的激光点；

否则，确定该激光点为有效的激光点。

一种用于实现所述对靶喷药方法的对靶喷药方法的对靶喷药装置，其特征在于，所述对靶喷药装置包括行走装置、安装在所述行走装置上的一维激光传感器和电机，所述电机驱动所述一维激光传感器在垂直于所述行走装置运行方向的二维面上扫描以获得待喷药植株在该平面上的外轮廓。

进一步地，所述对靶喷药装置还包括安装在所述行走装置车体位于所述一维激光传感器后方的用于喷药的喷头，所述后方为以所述行走装置的行进方向为正方向的后方。

进一步地，所述对靶喷药装置还包括安装在所述行走装置的车体上用于在感应到待喷药植株前面有人体时控制停止喷药的人体感应模块。

进一步地，所述对靶喷药装置还包括安装在所述车体上的霍尔传感器和安装在所述车轮上的至少一块磁铁块，所述霍尔传感器与所述磁铁块对应设置。

由上述技术方案可知，本发明的对靶喷药方法通过激光传感器的运行距离获得喷药的起始位置和终止位置的方法实现了精确对靶喷药的目的。本发明的对靶喷药装置采用一维激光传感器检测靶标，一方面，检测距离范围大、不易受环境因素影响、对于表面不规则的靶标的检测不容易出现跳变、可以精确检测到反射面积较小的靶标，且其检测所需的传感器数量小，应用成本较低；另一方面，使用价格较低的一维激光传感器和电机结合替代交个较高的二维感器进行二维扫描，降低了对靶喷药装置的成本。

附图说明

图1为发明一实施例提供的对靶喷药方法的流程图；

图2为行走装置的运行距离获取方法的流程图；

图3为树冠总体积算法流程图；

图4为合理的激光点的水平喷药深度的获取流程图；

图5为本发明一实施例提供的对靶喷药装置的结构示意图；

图6为一维激光传感器对树冠进行二维扫描时的示意图。

附图标记说明

车体1一维激光传感器2电机3垂直轴减速机4药罐5喷头6电磁阀7车轮8控制器9磁铁块10。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1示出了本发明一实施例提供的对靶喷药方法的流程图，该方法适用于激光传感器和喷头不在同一点的情况。

如图1所示，所述对靶喷药方法包括：

S11、获取激光传感器运行到待喷药植株树外轮廓与第一垂直面的第一切点时的行走装置对应的第一运行距离；

S12、在行走装置的第二运行距离等于所述第一运行距离与预设水平距离之和时开始喷药，所述预设水平距离为喷头和激光传感器之间的水平距离；

S13、获取激光传感器持续运行到待喷药植株树冠外轮廓和第二垂直面的第二切点时对应的行走装置的第三运行距离；

S14、在行走装置的第四运行距离等于所述第三运行距离与所述预设水平距离之和时停止喷药；

此处提供一种实现上述方法的具体实施例：为每个激光传感器建立一个数据缓冲区，在所述缓冲区内分别记录所述第一运行距离和第三运行距离，并根据第一运行距离和第三运行距离计算第二运行距离和第四运行距离，将所述第二运行距离和第四运行距离也存储到缓冲区内；

在行走装置的行驶过程中，实施计算行走装置的运行距离，并不停地查询各个缓冲区，将行走装置的实时运行距离与存储的第二运行距离和第四运行距离进行对比，当行走装置的运行距离等于缓冲区内的第二运行距离时，开始喷药；当行走装置的运行距离等于第四运行距离时，停止喷药。

本发明的对靶喷药方法通过激光传感器的运行距离获得喷药的起始位置和终止位置的方法实现了精确对靶喷药的目的。

参照图2，优选的，通过以下步骤获取所述行走装置的运行距离：

S21、获取所述行走装置的车轮上任一预设角度对应的终点相对于固定参照物所旋转过的数量；

S22、在所述车轮相对于固定参照物旋转过一个所述预设角度的终点时实时检测车轮的瞬时线速度，计算所述车轮的瞬时线速度对时间的积分；所述时间为当前时间与最后一个经过所述固定参照物的预设角度终点的时间差；

S23、根据所述数量、预设角度的大小和所述车轮的半径计算所述车轮相对于所述固定参照物旋转过的车轮总弧长；

S24、对所述车轮总弧长与所述车轮的瞬时线速度对时间的积分求和，将求和结果作为所述行走装置的运行距离。

该方法先根据所述行走装置的车轮相对于固定参照物所旋转过的预设角度的数量，并根据预设角度的数量、预设角度的大小和所述车轮的半径计算旋转过的预设角度对应的车轮总弧长(此处认为车轮弧长等于行走装置的行走距离)，从而可以快速计算行走装置的基础距离。

若行走装置恰仅仅走了整数倍个预设角度的距离，则可采用上述方法计算运行距离。

但若行走装置的运行距离大于整数倍个预设角度的距离，则采用上述方法会一个预设角度对应的车轮弧长，从而导致精确度较差。

为了获得行走装置精确的运行距离，再通过瞬时线速度对时间的积分求取估算距离(行走装置的当前运行距离与其运行过的预设角度对应的运行距离的距离差)，则可得到行走装置精确的当前运行距离。

通过霍尔传感器和磁铁块构建所述预设角度便于实现。

在只有一块磁铁块时，该块磁铁块和车轮中心构成的预设角度的大小为360°，在有两块或更多块时磁铁块时，任意相邻的两块磁铁块与所述车轮中心构成的预设角度为小于360°的角度。

值得说明的是，由于此处预设角度必须是连续的，所以任一磁铁块既是前一旋转过的预设角度的终点又是后一预设角度的起点。

为了便于计算所述行走装置的基础距离，优选使各预设角度大小相等。

为了实现变量喷药，参照图3，进一步地，步骤S1、在所述获取激光传感器运行到待喷药植株树冠外轮廓与第一垂直面的第一切点时对应的行走装置的第一运行距离之前，所述方法还包括：

S31、计算树冠上任意两个激光点对应的水平喷药深度差、垂直对地高度差和扫描步长差，并求上述水平喷药深度差、垂直对地高度差和扫描步长差的乘积，该乘积确定为由所述两个激光点对应的植株树冠的单位体积Vi；

S32、按照下述树冠总体积公式求取植株树冠的总体积以根据所述总体积进行喷药

V = Σ_{i = 1}^{m} V i

该方法通过先分别计算各小扫描单元的单位体积，再将多个单位体积累积相加计算树冠总体积，进而可以获得精确的树冠总体积，从而可以根据树冠总体积大小进行喷药，比如树冠总体积大，喷药量大，树冠总体积小，喷药量小。

参照图4，进一步地，在所述计算树冠上任意两个激光点对应的水平喷药深度差之前还包括：

S41、判断发射到植株树冠上的激光点和所述激光传感器探头之间的水平距离与最大水平喷药深度之间的关系；

所述最大水平喷药深度为所述激光传感器探头和植株树根之间的水平距离；(因为激光传感器的探头部分很短，所以可以忽略探头的旋转对所述最大水平喷药深度的影响)

S42、当发射到植株树冠上的激光点和所述激光传感器探头之间的水平距离大于所述最大水平喷药深度时，确定该激光点为无效的激光点；

S43、否则，确定该激光点为有效的激光点。

这样可以排除打穿整个树冠的激光点。

优选的，还包括根据所述行走装置的运行速度调整单位时间的喷药量，如运行速度快时增加单位时间的喷药量，运行速度慢时，减小单位时间的喷药量，从而可实现最合理的喷药量。

图5为一种用于实现所述对靶喷药方法的对靶喷药装置的结构示意图，参照图5，所述对靶喷药装置包括行走装置、安装在所述行走装置上的一维激光传感器2和电机3，还包括安装在所述行走装置车体1上位于所述一维激光传感器2后方的用于喷药的喷头6，喷头6与所述药罐5连通，所述后方为以所述行走装置的行进方向为正方向的后方。如图1中所述一维激光传感器2安装在车头，喷头6安装在车尾。所述电机3驱动所述一维激光传感器2在垂直于所述行走装置运行方向的二维面上扫描以获得待喷药植株在该平面上的外轮廓，随着行走装置运行，会在其运行方向上形成树冠的三维图像。

所述电机3优选采用步进电机3，事实上，其他可控电机3均可，在此不再详述。

为了提高工作效率，图1中采用在行走装置两侧分别安装一维激光传感器2和喷头6，从而可以同时对多个待喷药植株进行检测和喷药，提高工作效率。

一维激光传感器2和电机3结合对树冠进行三维扫描的方法请参照图6，一维激光传感器2一次扫描输出约341个点对点的距离信号，一维激光传感器2的探头在电机3和垂直轴减速机4的带动下在XZ平面旋转，获取垂直于所述行走装置运行方向的二维面，随着行走装置在y轴方向的运行，扫描树冠的三维图像。

本对靶喷药装置采用一维激光传感器2检测靶标，激光传感器的检测距离范围较大、不易受到温度和靶标颜色等环境因素的影响、对于表面不规则的靶标的检测不容易出现跳变并可以精确检测到反射面积较小的靶标，且其检测所需的传感器数量小，应用成本较低；另一方面，一维激光传感器2和电机3替代较二维激光传感器价格低，从而降低了对靶喷药装置的成本。

上述对靶喷药方法不仅可以通过一维激光传感器2和电机3结合并结合行走装置的运行的方式实现二维扫描，还可以直接通过二维传感器实现所述二维扫描。

为了防止喷药时误喷到人，进一步地，所述对靶喷药装置还包括安装在所述行走装置的车体1上用于在感应到待喷药植株前面有人体时控制停止喷药的人体感应模块。所述人体感应模块可包括红外传感器、控制器9和控制喷头6的供药管路开闭的执行元件，红外传感器的输出端连接所述控制器9的输入端，控制器9的输出端连接所述执行元件。红外传感器在检测到待喷药靶标前方有人时，将该信号传输给控制器9，控制器9控制执行元件动作，关闭所述喷头6的供药管路，停止喷药，从而防止误伤人。控制器9安装在所述行走装置的驾驶室内。

再参照图1，进一步地，所述对靶喷药装置还包括安装在所述车体1上的霍尔传感器(霍尔传感器一般装在所述行走装置的车体1上，图中未示出)和安装在所述行走装置车轮8的轮毂上的至少一块磁铁块(图1中所示为四块磁铁块10)，所述霍尔传感器与所述磁铁块10对应设置。此处的霍尔传感器和磁铁块10就是上述对靶喷药方法中形成预设角度的结构，每两个相邻脉冲对应车轮转过的角度为一个预设角度。

为了便于计算行走装置的行走距离，多块磁铁块在所述车轮上均匀设置。

在只有一块磁铁块时，所述预设角度为360°，在有两块或更多块时磁铁块时，任一个预设角度为小于360°的角度，如果所述磁铁块等间距设置，则任意两个磁铁块构成的预设角度为360°/n，n为磁铁块数(即脉冲数)，比如有四块磁铁块等间距设置时，每个预设角度为120°。

在所述车轮8转动时，磁铁块也随之转动；霍尔传感器在接近磁铁块时候会输出一个脉冲信号，而车轮8转动一周行走装置的运行距离近似为车轮8的周长，则在磁铁块等间距设置时，预先算好每个预设角度对应的车轮弧长(即行走装置的运行距离)为ZL/(n-1)，ZL为车轮周长，并通过程序设定每输出一个脉冲号系统自动记录行走装置的运行距离为一个单位距离(每个预设角度对应的车轮弧长)。该种记录方法可能在行走装置开始运行时会有误差，因为行走装置静止时其可能处于两个脉冲之间，但是按照上述距离记录方法在第一个脉冲到来时程序就会认为此时行走装置的运行距离为一个单位距离，但此时行走装置的运行距离有可能不到一个单位距离，所以存在一些误差，但是由于行走装置一般在一次运行周期时的运行距离要达到几万米，所以上述误差可以忽略不计。

下面通过一个具体实施例介绍行走装置的运行距离的计算方法，该方法也就是上述对靶喷药方法中的行走装置的运行距离的计算。

分为两种情况，第一种：行走装置的当前运行位置恰为一个脉冲刚刚发生的时刻；第二种：为行走装置的运行位置为位于两个脉冲之间；

行走装置的运行距离的计算方法为

a)采用下式计算所述行走装置的基础距离

s_t＝n*s_d

其中，s_t为基础距离，n为脉冲数，s_d为每个预设角度对应的车轮弧长；

b)通过下式计算车轮的瞬时线速度(相当于行走装置的瞬时速度)

v＝s_d/Δt

其中，v为车轮的瞬时线速度，Δt为与相邻两个脉冲的时间差。

s^d可通过预设角度和车轮的半径计算获得。

c)计算车轮的瞬时线速度对时间的积分

S_t’＝∫νdt’

其中，S_t’为估算距离，t’为以一个脉冲为起点开始累积的时间(即当前时间与最后一个经过所述固定参照物的预设角度终点的时间差)；

d)通过下式计算当前行走装置的运行距离

S＝S_t+S_t’

其中，S为行走装置的运行距离。

a)-d)步骤的顺序可调换。

第一种情况时，t’＝0，S_t’＝0。

第二种情况时，由于此时下一个脉冲尚未输出，所以通过s_t无法得到行走装置的运行距离，利用S＝S_t+S_t’的方式可以获得更精确的行走装置的运行距离。

如：发生一个脉冲，计时器从0开始计时，即此时计时器数t＝0，然后t开始增加，直到下一个脉冲来时，计时器再次从0开始计时，也就是t＝0，t再开始增加，….。

比如，每个预设角度对应的车轮弧长为0.3m,行走装置的运行速度为1m/S,现在第40个脉冲来了，那么此时行走装置运行了12m，计时器开始计时，即此时t＝0，随着行走装置的继续运行，计时器数值t一直增长,在t＝0.08s时行走装置的运行距离为12+1*0.08＝12.08m，在t＝0.2s时，行走装置的运行距离为12+1*02＝12.2m；

如果过一段时间下一个脉冲(第41个脉冲)来了，而此时行走装置运行了12.3m，此时计时器数值t归零，重新以这个为起点累计时间。

所述控制喷头6的供药管路开闭的执行元件一般采用电磁阀，所述控制器9通过放大电路和固态继电器来驱动电磁阀7。测速单元采用上述霍尔传感器和磁铁块，根据霍尔传感器的两个相邻脉冲的产生时间间隔和两个磁铁块对应的车轮8弧长可计算出行走装置的运行速度，控制器9根据所述运行速度固态继电器给的驱动端PWM波，从而通过PWM波控制固态继电器动作，进而控制电磁阀7的开关，最终控制喷药或停止喷药。

所述行走装置可采用拖拉机。

本领域普通技术人员可以理解：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims

1.一种对靶喷药方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的对靶喷药方法，其特征在于，通过以下步骤获取所述行走装置的运行距离：

3.根据权利要求2所述的对靶喷药方法，其特征在于，所述固定参照物为位于所述行走装置车体上的霍尔传感器，在所述车轮上设置有至少一块磁铁块，所述预设角度由任意相邻的两块磁铁块和所述车轮的中心构成。

4.根据权利要求3所述的对靶喷药方法，其特征在于，各预设角度大小相等。

5.根据权利要求1所述的对靶喷药方法，其特征在于，在所述获取激光传感器运行到待喷药植株树冠外轮廓与第一垂直面的第一切点时对应的行走装置的第一运行距离之前，所述方法还包括：

V = Σ_{i = 1}^{m} V i

6.根据权利要求5所述的对靶喷药方法，其特征在于，在所述计算树冠上任意两个激光点对应的水平喷药深度差之前还包括：

否则，确定该激光点为有效的激光点。

7.一种用于实现所述权利要求1-6中任一项的对靶喷药方法的对靶喷药装置，其特征在于，所述对靶喷药装置包括行走装置、安装在所述行走装置上的一维激光传感器和电机，所述电机驱动所述一维激光传感器在垂直于所述行走装置运行方向的二维面上扫描以获得待喷药植株在该平面上的外轮廓。

8.根据权利要求7所述的对靶喷药装置，其特征在于，所述对靶喷药装置还包括安装在所述行走装置车体位于所述一维激光传感器后方的用于喷药的喷头，所述后方为以所述行走装置的行进方向为正方向的后方。

9.根据权利要求7所述的对靶喷药装置，其特征在于，所述对靶喷药装置还包括安装在所述行走装置的车体上用于在感应到待喷药植株前面有人体时控制停止喷药的人体感应模块。

10.根据权利要求7所述的对靶喷药装置，其特征在于，所述对靶喷药装置还包括安装在所述车体上的霍尔传感器和安装在所述车轮上的至少一块磁铁块，所述霍尔传感器与所述磁铁块对应设置。