CN107339948A - 一种喷杆与农作物植株之间距离的检测设备及方法 - Google Patents
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Abstract
一种喷杆与农作物植株之间距离的检测设备，包括植保机及横向安装在植保机上的喷杆支架；所述喷杆支架上设置有喷头和一字型激光扫描装置；所述植保机设置有CCD摄像头；所述植保机后轮上设有与后轮同轴的编码器。本发明应用激光光源发射激光束照射作物作为轮廓线，通过图像采集，引入保值机行进位移检测，利用图像处理的方法获得喷杆与农作物植株之间的距离和农作物植株有效面积。
Description
技术领域：本发明涉及喷杆与农作物植株之间的距离和农作物植株有效面积的检测方法及检测装置。
背景技术：植保机作业需要实时检测喷杆与农作物植株之间的距离和农作物植株有效面积，用于调节控制喷杆和喷药量。这样可以提高喷洒农药的利用率，确保喷雾量分布均匀，保证施药效果，降低农药残留和保护生态环境减少污染有重要的意义。
现有同领域类似专利有：
喷雾喷杆地隙自适应调节装置(申请号：201520140394.0)；
该发明专利提出采用超声波和红外测距传感器，实时测量喷杆装置和作物之间的距离。该方法需要多个超声波和红外测距传感器均匀的分布在喷杆的头部，测得的数据相融合，得到喷杆与作物之间距离。
一种喷杆平衡和高度自动调节装置及方法(申请号：201510079697.0)；
该发明专利提出采用超声波测距传感器监测喷杆左右两末端离地高度值，控制器将所测喷杆两末端离地高度值与设定的作业高度值进行比较处理后调节喷杆的作业高度。
以上两专利的操作方法受环境条件影响很大，测量精度较低，不能实现农作物植株有效面积的检测。
高地自走喷杆式喷雾机(申请号：201220382991.0)
该发明专利提出采用高度传感器能测量喷杆距离地面的高度，不检测喷杆与农作物植株之间的距离和农作物植株有效面积。
农作物植株高度的检测方法(申请号：CN200810059040.8)
该发明专利提出采用光电扫描系统连续扫描农作物，从而提取当前位置植株的边缘高度数据，用曲线拟合的方法获得农作物顶部轮廓线，通过计算农作物顶部轮廓线的波峰作为农作物的植株高度。
论文：基于图像处理的株高无损测量方法的研究。该方法以测量棉花主要为研究对象，通过标定后的单个摄像机获取棉花植株图像，在二维空间将棉花株茎简化成两个关键点坐标，然后利用摄像机参数矩阵以及两个关键点约束条件获得植株在世界坐标系中的三维信息，从而获得植株高度。
以上论文及“农作物植株高度的检测方法”专利只适用于单株植物，不适应喷杆的大面积作业。
发明内容：
发明目的：本发明提及一种采用图像处理技术和激光扫描的喷杆和农作物之间距离的检测方法及设备，和用于控制喷药量的农作物植株有效表面积的检测方法及设备。
技术方案：
一种喷杆与农作物植株之间距离的检测设备，其特征在于：包括植保机及横向安装在植保机上的喷杆支架；
所述喷杆支架上设置有喷头和一字型激光扫描装置；
所述植保机设置有CCD摄像头；
所述植保机后轮上设有与后轮同轴的编码器。
所述的喷杆与农作物植株之间距离的检测设备，其特征在于：所述一字型激光扫描装置垂直向下投射激光线，在绿色植物上扫描形成一字型激光线阵扫描。
所述的喷杆与农作物植株之间距离的检测设备，其特征在于：所述的一字型激光扫描装置包括由电机驱动旋转的平面镜和激光发射器；还包括两个光电元件。
所述的喷杆与农作物植株之间距离的检测设备，其特征在于：所述两个光电元件的位置关系具有如下特征：
设第一光电元件和第二光电元件以平面镜为圆心夹角为α，
喷杆有效长度为Lα，
喷杆与农作物植株之间可以达到的最大距离Hmax，
则：
所述的喷杆与农作物植株之间距离的检测设备，其特征在于：还包括ARM处理器；所述ARM处理器输入端分别连接第一光电元件、第2光电元件、CCD摄像头及后轮轴编码器；输出端连接LCD显示、键盘及CAN总线接口；所述输出端通过驱动接口连接电机和激光发射器。
一种喷杆与农作物植株之间距离的检测方法，其特征在于：
该方法是一种在获取的图像中，通过提取激光在农作物植株表面像素点集，喷杆像素点集，获取喷杆与农作物植株之间的距离的方法；
该方法是一种在获取的图像中通过提取激光在农作物植株表面像素点集，计算农作物表面光线轨迹长度，同时检测植保机的行进距离，获取作物植株有效表面积的计算方法。
所述的获取喷杆与农作物植株之间的距离的方法，具体如下：
处理采集的图像，根据直方图确定阈值去除噪点，将重复元素折叠编缩，保留水平方向一阶导数不为零点，使之成为在垂直方向上的唯一点；将喷杆像素数作为水平坐标轴i，k轴，喷杆与农作物植株间距离像素数作为垂直坐标轴j，l轴；
通过RGB颜色空间阈值区分像素点，确定图像中激光点所在的位置，设定阈值去除离群值，在范围内，保留i(j-1)<i(j)最大的点，成为在j方向上的唯一点，并得到光滑曲线图像；设激光在农作物植株表面像素点集为:
其中：
i为水平方向像素点位置，M为水平方向最大像素；
j为垂直方向像素点位置，N为垂直方向最大像素，为偶数个；
像素像值为0，背景为1；
生成j的行向量：
J＝j(i)|i＝1,…M；
喷杆像素点集处理：通过对图像的二值化后膨胀腐蚀，去除噪点，重复的元素折叠编缩，在范围内，保留k(l-1)<k(l)最大的点，成为在l方向上的唯一点；设喷杆像素点集为：
生成l的行向量：
L＝l(k)|k＝1,…M；
可得出散点图中喷杆与农作物之间像素点平均个数b为：
各点对应的喷杆与农作物之间的实际平均距离为Bavg：
Bavg＝ab；
则可确定喷杆与农作物之间距离的最大值Bmax和最小值Bmin，Bmax和Bmin应该在喷洒有效行程之内。
所述获取作物植株有效表面积的计算方法，具体如下：
设从动轮半径为R，光电编码器每转脉冲数P，植保机的从动轮轴和光电编码器轴传动变比K；
里程光电编码器一个脉冲等价植保机行驶距离Sp为：
则一帧图像中，第一光电元件两次接收信号后所得到编码器脉冲个数为Np，
则植保机行驶距离S10为：
S10＝Np×Sp；
借用积分的概念，分析两次激光扫描线之间农作物植株的等效面积A作为最小面积；
利用激光点点集
像素像值为0，背景为1；生成i的行向量：
J＝j(i)|i＝1,…M；
农作物表面光线轨迹长度LN为：
则两次激光扫描线之间农作物植株的等效面积A为：
则植保机在前进过程中累加面积As为：
其中c为累积A的次数。
该方法中还包括图像像素对应喷杆和农作物植株之间的距离当量的标定方法，具体为：
保持相机和喷杆之间距离不变，相机角度保持不变；
在一字型激光扫描装置正下方1m处，放置一个0.1×0.1m2硬纸片，与植保机前进方向，水平45°的硬纸片和立柱固定，启动装置，得到图像，喷杆到0.1×0.1m2硬纸片上激光线的图像像素点数，即单位像素的距离当量a。
附图说明：
图1是检测装置总体结构3D示意图；
图2是检测装置俯视图；
图3是激光扫描装置结构图；
图4是一字型激光线形成示意图；
图5是获取图像示意图；
图6是农作物植株高度检测装置系统框图；
图7是像素当量获取示意图a；
图8是像素当量获取示意图b；
图9是 ARM处理器的软件主流程(左)、中断服务程序流程(中、右)；
图10是处理采集的图像示意图；
图11是运算结果图；
图中标注：
1植保机；2 CCD摄像头；3喷杆支架；4一字型激光扫描装置；5喷头；6相机固定支架；7从动轮；8皮带；9电机；10第一光电元件；11第二光电元件；13平面镜；14激光发生器；15获取有效图像图框。
优点及效果：本发明应用激光光源发射激光束照射作物作为轮廓线，通过图像采集，引入保值机行进位移检测，利用图像处理的方法获得喷杆与农作物植株之间的距离和农作物植株有效面积。
具体实施方式：
农作物植株高度检测装置总体结构3D示意图如图1所示，俯视图如图2所示：包括1植保机，安装在1植保机上的6相机支架和3喷杆支架，在6相机固定支架上安装2CCD摄像头，3喷杆上装有5喷头和4一字型激光扫描装置。
所述的4一字型激光扫描装置可在喷杆垂直向下投影，在绿色植物上扫描形成一字型激光线阵扫描。
与植保机后轮同轴的光电编码器提供植保机行走位移。
扫描线夹角的设计：
一字型激光扫描线如图3所示，由7从动轮、8皮带、9电机、10和11光电元件、12激光扫描装置底座、13平面镜和14激光发生器组成。
为了减少转动惯量，使平面镜转动更平稳，采用图中电机皮带轮减速器结构。电机转动激光经过其反射能够形成稳定一字型激光线。
10和11光电元件安装位置夹角为α。其与喷杆有效长度Lα以及喷杆与作物间可以达到的最大高度Hmax有关，各参数关系如图4所示。
减速轮逆时针旋转时，激光光线经过镜面反射到10光电元件，光电元件接收光信号，产生电信号，为激光扫描线左端信号，CCD摄像头快门开启；从动轮旋转使激光光线通过平面镜反射到11光电元件转时，光电元件再次接收光信号，产生电信号，控制CCD摄像头快门关闭，得到一帧图像。CCD摄像头获取到的图像如图5所示。如图6所示，为控制系统框图。
ARM微处理器，输入信号分别为激光扫描线右端信号(启动信号)、激光扫描线左端信号(关闭信号)、CCD摄像头接口和光电编码器计数测距信号，ARM接收到输入信号后经过相应的运算和处理，进而根据需求，控制电机和激光的开启和关闭，并将结果送显。同时，可以达到与植保机通讯的目的。
还包括一种利用上述设备进行喷杆与农作物植株之间距离的检测方法，该方法是一种在获取的图像中，通过提取激光在农作物植株表面像素点集，喷杆像素点集，获取喷杆与农作物植株之间的距离的方法；
该方法是一种在获取的图像中通过提取激光在农作物植株表面像素点集，计算农作物表面光线轨迹长度，同时检测植保机的行进距离，获取作物植株有效表面积的计算方法。
图像像素对应喷杆和农作物植株之间的距离当量的标定方法：
本发明采用的标定方法如下：保持相机和喷杆之间距离不变，相机角度保持不变。
在一字型激光扫描装置正下方1m处，放置一个0.1×0.1m2硬纸片，与1植保机前进方向，水平45°的硬纸片和立柱固定，如图7、8所示。
启动装置，得到图像，喷杆到0.1×0.1m2硬纸片上激光线的图像像素点数，即单位像素的距离当量a。
图像获取方法：
CCD摄像头通过DCMI接口与ARM处理器相连接，获得采集的图像，进而将图像数据运用DMA的传输方式存储到SRAM中。随后将图像进行编码操作，以bmp格式存储在SD卡中，随后可以对图像进行处理。
ARM处理器的软件主流程和中断服务程序流程，如框图9所示。
获取喷杆与农作物植株之间的距离的方法：
处理采集的图像，根据直方图确定阈值去除噪点，将重复元素折叠编缩，保留水平方向一阶导数不为零点，使之成为在垂直方向上的唯一点。将喷杆像素数作为坐标轴的i，k轴，喷杆与农作物植株间距离像素数作为垂直坐标j，l轴。图像计算后效果示意图如图11所示。
通过RGB颜色空间阈值区分像素点，确定图像中激光点所在的位置，设定阈值去除离群值，在范围内，保留i(j-1)<i(j)最大的点，成为在j方向上的唯一点，并得到光滑曲线图像。设激光在农作物植株表面像素点集为:
其中：
i为水平方向像素点位置，M为水平方向最大像素。
j为垂直方向像素点位置，N为垂直方向最大像素，为偶数个。
像素像值为0，背景为1。生成j的行向量：
j＝j(i)|i＝1,…M
喷杆像素点集处理：通过对图像的二值化后膨胀腐蚀，去除噪点，重复的元素折叠编缩，在范围内，保留k(l-1)<k(l)最大的点，成为在l方向上的唯一点；设喷杆像素点集为：
生成l的行向量：
L＝l(k)|k＝1,…N
可得出散点图中喷杆与农作物之间像素点平均个数b为：
各点对应的喷杆与农作物之间的实际平均距离为Bavg：
Bavg＝ab
则可确定喷杆与农作物之间距离的最大值Bmax和最小值Bmin，Bmax和Bmin应该在喷洒有效行程之内。
获取作物植株有效表面积的计算方法：
喷药作业中的植保机，为了达到节约农药，减少环境污染的目的，需要对作业范围内的喷药面积进行精确的测量，有利于准确控制药物喷洒量，保证施药效果，提高喷雾质量。
本发明采用光电编码器，计算植保机行驶速度。
为了防止滑转，里程光电编码器连接植保机的从动轮，从动轮半径为R，光电编码器每转脉冲数P，植保机的从动轮轴和光电编码器轴传动变比K(K＝植保机的从动轮轴转速：光电编码器轴转速)。
里程光电编码器一个脉冲等价植保机行驶距离Sp为：
一帧图像中，10号光电元件两次接收信号后所得到编码器脉冲个数为Np，则植保机行驶距离S10为：
S10＝Np×Sp
借用积分的概念，分析两次激光扫描线之间农作物植株的等效面积A作为最小面积。
在图10中，利用激光点点集：
像素像值为0，背景为1；生成i的行向量：
J＝j(i)|i＝1,…M；
农作物表面光线轨迹长度LN为：
则两次激光扫描线之间农作物植株的等效面积A为：
则植保机在前进过程中累加面积As为：
其中c为累积A的次数。
实施例：
装置参数
在本实施例中：
植保机喷杆有效长度Lα为4m；
一字型激光扫描装置(喷杆)与农作物距离Hmax为1m；
激光发生器采用100mW激光头，波长655nm；
植保机后轮半径为0.6m；
光电编码器采用OMRON公司E6B2型旋转编码器，每转产生脉冲数Np为1000；
CCD摄像头采用1024×768分辨率；ARM芯片采用STM32F407；
一字型激光扫描装置，电机：HRA300，转速：3000转/分，转速比：1:6.
扫面线夹角设计：
一字型激光扫描装置，激光10与11夹角α为：
图像像素对应喷杆和农作物植株之间的距离当量
启动装置，得到图像，喷杆到0.1×0.1m2硬纸片上激光线，距1m上端的喷杆间的图像像素点数为192个，即单位像素的距离当量
a＝0.0052。
获取喷杆与农作物植株之间的距离
通过对CCD摄像头获取到的图像的二值化后膨胀腐蚀，去除噪点，对应i和j相同的轴坐标k和l，重复的元素折叠编缩，保留在垂直方向上唯一点。并遍历整幅图片，保留RGB颜色空间在(i,j,1)>150&(i,j,2)<100&(i,j,3)<100范围内的像素点坐标连接得到光滑曲线，确定喷杆与激光点位置如图11所示。
进而可以确定农作物距离喷杆的最近点距离Bmin为123个像素点和最远点距离Bmax为210个像素点，
喷杆与农作物之间像素点平均个数b为：
单位像素的距离当量为：
a＝0.0052。
则对应当前激光扫描线下，喷杆与农作物植株之间的实际距离平均值Bavg为：
Bavg＝ab＝156.5×0.0052m＝0.8138m
获取作物植株有效表面积：
依据上文，植保机的从动轮轴和光电编码器轴传动变比K＝0.03。
里程光电编码器一个脉冲等价植保机行驶距离Sp为：
则一帧图像中，10号光电元件两次接收信号后所得到编码器得到脉冲个数为Np＝6670，则植保机行驶距离S10为：
S10＝Np×Sp＝0.7539
并求得曲线积分长度1328.06个像素点，则农作物表面光线轨迹长度LN为：
则快门启动一次两次激光扫描线之间农作物植株的等效面积A为：
。
Claims (9)
1.一种喷杆与农作物植株之间距离的检测设备，其特征在于：包括植保机(1)及横向安装在植保机(1)上的喷杆支架(3)；
所述喷杆支架(3)上设置有喷头(5)和一字型激光扫描装置(4)；
所述植保机(1)设置有CCD摄像头(2)；
所述植保机(1)后轮上设有与后轮同轴的编码器。
2.根据权利要求1所述的喷杆与农作物植株之间距离的检测设备，其特征在于：所述一字型激光扫描装置(4)垂直向下投射激光线，在绿色植物上扫描形成一字型激光线阵扫描。
3.根据权利要求2所述的喷杆与农作物植株之间距离的检测设备，其特征在于：所述的一字型激光扫描装置(4)包括由电机驱动旋转的平面镜(13)和激光发射器(14)；还包括两个光电元件。
4.根据权利要求3所述的喷杆与农作物植株之间距离的检测设备，其特征在于：所述两个光电元件的位置关系具有如下特征：
设第一光电元件(10)和第二光电元件(11)以平面镜(13)为圆心夹角为α，喷杆有效长度为Lα，
喷杆与农作物植株之间可以达到的最大距离Hmax，
则：
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</mrow>
<mo>.</mo>
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5.根据权利要求4所述的喷杆与农作物植株之间距离的检测设备，其特征在于：还包括ARM处理器；所述ARM处理器输入端分别连接第一光电元件(10)、第2光电元件(11)、CCD摄像头及后轮轴编码器；输出端连接LCD显示、键盘及CAN总线接口；所述输出端通过驱动接口连接电机和激光发射器(14)。
6.一种喷杆与农作物植株之间距离的检测方法，其特征在于：
该方法是一种在获取的图像中，通过提取激光在农作物植株表面像素点集，喷杆像素点集，获取喷杆与农作物植株之间的距离的方法；
该方法是一种在获取的图像中通过提取激光在农作物植株表面像素点集，计算农作物表面光线轨迹长度，同时检测植保机的行进距离，获取作物植株有效表面积的计算方法。
7.根据权利要求6所述的喷杆与农作物植株之间距离的检测方法，其特征在于：所述的获取喷杆与农作物植株之间的距离的方法，具体如下：
处理采集的图像，根据直方图确定阈值去除噪点，将重复元素折叠编缩，保留水平方向一阶导数不为零点，使之成为在垂直方向上的唯一点；将喷杆像素数作为水平坐标轴i，k轴，喷杆与农作物植株间距离像素数作为垂直坐标轴j，l轴；
通过RGB颜色空间阈值区分像素点，确定图像中激光点所在的位置，设定阈值去除离群值，在范围内，保留i(j-1)<i(j)最大的点，成为在j方向上的唯一点，并得到光滑曲线图像；设激光在农作物植株表面像素点集为:
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<mi>N</mi>
<mo>-</mo>
<mn>1</mn>
<mo>}</mo>
</mrow>
1
其中：
i为水平方向像素点位置，M为水平方向最大像素；
j为垂直方向像素点位置，N为垂直方向最大像素，为偶数个；
像素像值为0，背景为1；
生成j的行向量：
J＝j(i)|i＝1,…M；
喷杆像素点集处理：通过对图像的二值化后膨胀腐蚀，去除噪点，重复的元素折叠编缩，在范围内，保留k(l-1)<k(l)最大的点，成为在l方向上的唯一点；设喷杆像素点集为：
<mrow>
<msub>
<mi>Q</mi>
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<mi>q</mi>
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<mo>;</mo>
</mrow>
生成l的行向量：
L＝l(k)|k＝1,…M；
可得出散点图中喷杆与农作物之间像素点平均个数b为：
<mrow>
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<mi>M</mi>
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</mtable>
<mo>;</mo>
</mrow>
各点对应的喷杆与农作物之间的实际平均距离为Bavg：
Bavg＝ab；
则可确定喷杆与农作物之间距离的最大值Bmax和最小值Bmin，Bmax和Bmin应该在喷洒有效行程之内。
8.根据权利要求6所述的喷杆与农作物植株之间距离的检测方法，其特征在于：所述获取作物植株有效表面积的计算方法，具体如下：
设从动轮半径为R，光电编码器每转脉冲数P，植保机的从动轮轴和光电编码器轴传动变比K；
里程光电编码器一个脉冲等价植保机行驶距离Sp为：
<mrow>
<mi>S</mi>
<mi>p</mi>
<mo>=</mo>
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<mn>2</mn>
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<mi>P</mi>
</mfrac>
<mo>;</mo>
</mrow>
则一帧图像中，第一光电元件两次接收信号后所得到编码器脉冲个数为Np，则植保机行驶距离S10为：
S10＝Np×Sp；
借用积分的概念，分析两次激光扫描线之间农作物植株的等效面积A作为最小面积；
利用激光点点集
<mrow>
<msub>
<mi>Q</mi>
<mn>1</mn>
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<mo>=</mo>
<mo>{</mo>
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<mo>=</mo>
<mn>0</mn>
<mo>|</mo>
<mi>i</mi>
<mo>=</mo>
<mn>1</mn>
<mo>,</mo>
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<mi>M</mi>
<mo>,</mo>
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<mo>=</mo>
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<mi>N</mi>
<mn>2</mn>
</mfrac>
<mo>,</mo>
<mo>...</mo>
<mi>N</mi>
<mo>-</mo>
<mn>1</mn>
<mo>}</mo>
<mo>;</mo>
</mrow>
像素像值为0，背景为1；生成i的行向量：
J＝j(i)|i＝1,…M；
农作物表面光线轨迹长度LN为：
<mrow>
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<msub>
<mi>L</mi>
<mi>N</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mi>a</mi>
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<mn>2</mn>
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<mrow>
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<mi>a</mi>
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<mrow>
<mi>i</mi>
<mo>=</mo>
<mn>2</mn>
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<mi>M</mi>
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<mrow>
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<mrow>
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<mrow>
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<mn>2</mn>
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<mo>+</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
</msqrt>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
<mo>;</mo>
</mrow>
则两次激光扫描线之间农作物植株的等效面积A为：
<mrow>
<mi>A</mi>
<mo>=</mo>
<msub>
<mi>S</mi>
<mn>10</mn>
</msub>
<mo>&times;</mo>
<msub>
<mi>L</mi>
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<mn>2</mn>
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<mi>P</mi>
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<mo>=</mo>
<mn>2</mn>
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<mi>M</mi>
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<mo>&rsqb;</mo>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msup>
<mo>+</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
</msqrt>
<mo>;</mo>
</mrow>
则植保机在前进过程中累加面积As为：
<mrow>
<msub>
<mi>A</mi>
<mi>S</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<munderover>
<mo>&Sigma;</mo>
<mn>0</mn>
<mi>C</mi>
</munderover>
<mi>A</mi>
</mrow>
其中c为累积A的次数。
9.根据权利要求6所述的喷杆与农作物植株之间距离的检测方法，其特征在于：
该方法中还包括图像像素对应喷杆和农作物植株之间的距离当量的标定方法，具体为：
保持相机和喷杆之间距离不变，相机角度保持不变；
在一字型激光扫描装置正下方1m处，放置一个0.1×0.1m2硬纸片，与植保机前进方向，水平45°的硬纸片和立柱固定，启动装置，得到图像，喷杆到0.1×0.1m2硬纸片上激光线的图像像素点数，即单位像素的距离当量a。
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