CN108507749B - 一种植物冠层气流场生物模拟测试系统及模拟测试方法 - Google Patents

一种植物冠层气流场生物模拟测试系统及模拟测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种植物冠层气流场生物模拟测试系统及模拟测试方法。所述植物冠层气流场生物模拟测试系统包括：仿生叶片数据采集单元、及连接所述仿生叶片数据采集单元的气流场模拟单元，所述仿生叶片数据采集单元采用仿生叶片模拟植物冠层，并采集模拟的植物冠层内各个节点的风速参数；且所述仿生叶片数据采集单元将采集得到的风速参数和相对应的节点参数发送至所述气流场模拟单元，所述气流场模拟单元根据接收到的风速参数和相对应的节点参数模拟植物冠层的内部气流场。本发明还提供一种基于所述植物冠层气流场生物模拟测试系统的模拟测试方法。

Description

一种植物冠层气流场生物模拟测试系统及模拟测试方法
技术领域
本发明属于计算机技术领域，具体地涉及一种植物冠层气流场生物模拟测试系统及模拟测试方法。
背景技术
在风送式喷雾机、风幕式喷杆喷雾机及植保无人飞机等气流辅助喷洒装备作业过程中，利用气流场将雾滴输运到靶标植物冠层，气流过小，雾滴穿透性不足，气流过大，雾滴飘移严重，因此，植物冠层气流场分布情况直接决定作业喷洒效果。现有风场测试技术只能利用各种风速计(叶轮、探针、超声波等)测量植物冠层三维结构的外围风场情况，测量过程繁琐、费时，无法准确测量植物冠层内部风场分布情况。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷或问题，提供一种植物冠层气流场生物模拟测试系统及模拟测试方法。
本发明的技术方案如下：一种植物冠层气流场生物模拟测试系统包括：仿生叶片数据采集单元、及连接所述仿生叶片数据采集单元的气流场模拟单元，所述仿生叶片数据采集单元采用仿生叶片模拟植物冠层，并采集模拟的植物冠层内各个节点的风速参数；且所述仿生叶片数据采集单元将采集得到的风速参数和相对应的节点参数发送至所述气流场模拟单元，所述气流场模拟单元根据接收到的风速参数和相对应的节点参数模拟植物冠层的内部气流场。
优选地，所述仿生叶片数据采集单元包括用于模拟植物冠层的多个仿生叶片、固定于每一所述仿生叶片的风速传感器、连接每一所述风速传感器的多通道通讯接口、连接所述多通道通讯接口的数据采集模块、及连接所述数据采集模块的第一无线传输模块，所述第一无线传输模块无线通信连接所述气流场模拟单元，所述风速传感器采集每一所述仿生叶片中各个节点的风速参数，并将采集到的风速参数和节点参数通过所述多通道通讯接口发送至所述数据采集模块，并通过所述第一无线传输模块无线发送至所述气流场模拟单元。
优选地，所述仿生叶片数据采集单元还包括第一存储模块，所述第一存储模块连接所述数据采集模块，所述数据采集模块还将接收到的所述风速参数和所述节点参数发送至所述第一存储模块进行备份。
优选地，所述仿生叶片数据采集单元还包括用于安装所述仿生叶片的安装支架，所述安装支架为多自由度的可调节安装支架，并包括：环形固定座、安装座、及铰接于所述固定座和所述安装座之间的连杆组件；其中，所述环形固定座用于固定所述安装支架，且使得所述安装支架可在水平方向转动；所述安装座用于安装所述仿生叶片，以实现模拟植物冠层；所述连杆组件包括铰接连接的多个连杆，并用于调节所述安装支架的高度。
优选地，所述风速传感器为弯曲电阻式传感器，且所述仿生叶片数据采集单元还包括用于输出所述风速传感器检测数据的传感器电路，所述传感器电路包括串联组成分压电路的弯曲电阻式传感器R1、定值电阻R2和输入电压VIN，定值电阻的电压输出端设置运算放大器I，从而获得所述定值电阻R2的输出电压为：
而且，所述定值电阻R2的输出电压作为所述风速参数。
优选地，所述运算放大器I通过输出端的电压负反馈以消除开环增益的影响。
优选地，所述气流场模拟单元包括数据处理模块、及连接所述数据处理模块的显示模块和第二无线传输模块，所述第二无线传输模块与所述第一无线传输模块无线通信连接，接收所述第一无线传输模块发送的风速参数和节点参数，且将所述风速参数和所述节点参数发送至所述数据处理模块内进行处理以模拟植物冠层的内部气流场，并最终通过所述显示模块显示模拟得到的植物冠层的内部气流场。
优选地，所述气流场模拟单元还包括连接所述数据处理模块的第二存储模块，所述数据处理模块还将模拟形成植物冠层的内部气流场的数据发送至所述第二存储模块进行备份。
一种根据上述任一所述植物冠层气流场生物模拟测试系统的模拟测试方法包括如下步骤：
采用仿生叶片模拟植物冠层，并采集模拟的植物冠层内各个节点的风速参数；
根据风速参数和相对应的节点参数模拟植物冠层的内部气流场，并形成模拟的植物冠层内部区域气流场分布云图。
优选地，选定模拟的植物冠层内的三维空间坐标原点，测量各节点处的风速传感器与坐标原点的相对距离，转换成空间位置坐标，根据节点的空间位置坐标，形成风速传感器空间位置矩阵，进而匹配各通道所连接的风速传感器的空间位置。
本发明提供的技术方案具有如下有益效果：
所述植物冠层气流场生物模拟测试系统和方法通过基于传感器阵列的方法来监测作物冠层气流，采用仿生叶片风速传感器，采集真实叶面随气流场的震荡情况，探测运动峰值，拟合植物冠层气流场分布情况，为气流辅助喷洒装备参数调整提供参考依据，提高气流场作用下靶标植物冠层沉积附着率，减少雾滴飘移。
附图说明
图1是本发明实施的植物冠层气流场生物模拟测试系统的结构框图；
图2是图1所示植物冠层气流场生物模拟测试系统的示意图；
图3是图2所示植物冠层气流场生物模拟测试系统中仿生叶片和风速传感器的结构示意图；
图4是图2所示植物冠层气流场生物模拟测试系统中安装支架的部分结构示意图；
图5是图1所示植物冠层气流场生物模拟测试系统中风速传感器的信号处理电路的结构示意图；
图6是4秒测量时间内的数据采集及处理的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
除非上下文另有特定清楚的描述，本发明中的元件和组件，数量既可以单个的形式存在，也可以多个的形式存在，本发明并不对此进行限定。本发明中的步骤虽然用标号进行了排列，但并不用于限定步骤的先后次序，除非明确说明了步骤的次序或者某步骤的执行需要其他步骤作为基础，否则步骤的相对次序是可以调整的。可以理解，本文中所使用的术语“和/或”涉及且涵盖相关联的所列项目中的一者或一者以上的任何和所有可能的组合。
请参阅图1-5，本发明提供的植物冠层气流场生物模拟测试系统包括仿生叶片数据采集单元10、及连接所述仿生叶片数据采集单元10的气流场模拟单元20。其中，所述仿生叶片数据采集单元10采用仿生叶片11模拟植物冠层，并采集模拟的植物冠层内各个节点的风速参数；且所述仿生叶片数据采集单元将采集得到的风速参数和相对应的节点参数发送至所述气流场模拟单元20，所述气流场模拟单元20根据接收到的风速参数和相对应的节点参数模拟植物冠层的内部气流场。
具体地，所述仿生叶片数据采集单元10包括用于模拟植物冠层的多个仿生叶片11、固定于每一所述仿生叶片11的风速传感器12、连接每一所述风速传感器12的多通道通讯接口13、连接所述多通道通讯接口13的数据采集模块14、连接所述数据采集模块14的第一无线传输模块15和第一存储模块16、及用于安装所述仿生叶片11的安装支架17。其中，所述仿生叶片11适用于多种植物冠层，依据待测植物冠层叶面特征参数进行配置。
其中，所述第一无线传输模块15无线通信连接所述气流场模拟单元20，所述风速传感器12采集每一所述仿生叶片11中各个节点的风速参数，并将采集到的风速参数和节点参数通过所述多通道通讯接口13发送至所述数据采集模块14，并通过所述第一无线传输模块15无线发送至所述气流场模拟单元20；此外，所述数据采集模块14还将接收到的所述风速参数和所述节点参数发送至所述第一存储模块16进行备份。
需要说明的是，所述第一存储模块16用于测量端储存数据信息，从而保障所述第一无线传输模块15信号丢失情况下的数据及时存储。而且，所述第一存储模块16通过串行外设接口连接SD卡模块，将数据信息保存到SD存储卡，通过第一无线传输模块15允许气流场模拟单元20读取和处理所述第一存储模块16的数据信息。
所述安装支架17为多自由度的可调节安装支架，并包括：环形固定座171、安装座172、及铰接于所述环形固定座171和所述安装座172之间的连杆组件173。在本实施例中，所述环形固定座171用于固定所述安装支架17，且使得所述安装支架17可在水平方向转动；所述安装座172用于安装所述仿生叶片11，以实现模拟植物冠层；所述连杆组件173包括铰接连接的多个连杆1731，并用于调节所述安装支架17的高度。
应当理解，由于所述环形固定座171和所述连杆组件173相互配合，使得所述安装支架17具有多个运动自由度，从而保证了所述仿生叶片11可以尽可能真实地模拟植物冠层。
实际上，对于所述风速传感器12而言，所述风速传感器12为弯曲电阻式传感器，且所述仿生叶片数据采集单元10还包括用于输出所述风速传感器12检测数据的传感器电路，所述传感器电路包括串联组成分压电路的弯曲电阻式传感器R1、定值电阻R2和输入电压VIN，定值电阻的电压输出端设置运算放大器I，从而获得所述定值电阻R2的输出电压为：
而且，所述定值电阻R2的输出电压作为所述风速参数。
在本实施例中，所述运算放大器I通过输出端的电压负反馈以消除开环增益的影响，从而保证运放的闭环增益趋于稳定，同时降低运放的输出阻抗，保证检测到的输出电压更为接近真实值。
此外，所述数据采集模块14采集频率为600Hz，通过ADC模数转换电路将仿生叶片11的风速传感器12输出的电压VOUT信号转换成0-1000的离散数字信号L，通过所述第一无线传输模块15将数字信号L传输到所述气流场模拟单元20。
所述气流场模拟单元20包括数据处理模块21、及连接所述数据处理模块21的显示模块22、第二无线传输模块23和第二存储模块24。其中，所述第二无线传输模块23与所述第一无线传输模块15无线通信连接，接收所述第一无线传输模块15发送的风速参数和节点参数，且将所述风速参数和所述节点参数发送至所述数据处理模块21内进行处理以模拟植物冠层的内部气流场，并最终通过所述显示模块22显示模拟得到的植物冠层的内部气流场；此外，所述数据处理模块21还将模拟形成植物冠层的内部气流场的数据发送至所述第二存储模块24进行备份。
在所述气流场模拟单元20内，所述数据处理模块21对接收到的数据处理过程如下：
设定，所述风速传感器12在仿生叶片11处于初始状态下(未发生弯曲变形)，所述气流场模拟单元20的数据处理模块21接收到的数字信号值为LFS；在测量过程中，所述气流场模拟单元20的数据处理模块21接收到的数字信号值LT；而且，在测量过程中，所述气流场模拟单元20的数据处理模块21接收到的数字信号变化绝对值为MT，则有：
MT＝|LFS-LT|，
采用算数平均滤波的方法对数字信号变化绝对值的周期性脉动进行平滑处理，处理后样本值NT。例如，所述数字信号变化绝对值平滑处理方为取第i个数字信号样本点的前100个信号样本和后99个信号样本，构成区间大小为200的信号样本区间，对区间内数据进行取平均运算，获得平滑处理后的样本值则有
例如，如图6所示，为4秒测量时间内的数据采集及处理，即采集2400个信号样本。
其中，平滑处理后数据的样本值NT需要进行风速对应值标定，以实现采集数据对应风速值直观读取，而且样本值NT与风速参数的标定方法如下：
在室内无气流干扰环境中，采用可调风机提供可变气流场，以传统风速计(叶轮、探针、超声波等)作为风速标定对照，交替使用仿生叶片11上的风速传感器12和传统风速计测量可变流场中不同位置、不同风速、不同方向的风速值，对照测量数据、分离误差系数，标定植物冠层气流场生物模拟测试系统中单一仿生叶片11风速传感器12风速测量值。
此外，对所述仿生叶片11上的风速传感器12所处的各节点位置参数的设置过程如下：
根据实际测量情况，选定适当的三维空间坐标原点，测量仿生叶片11上各节点的风速传感器12与坐标原点的相对距离，转换成空间位置坐标，在控制软件系统中编辑风速传感器12的节点的空间位置坐标，形成风速传感器12空间位置矩阵，匹配各通道所连接传感器的空间位置；
而且，在所述气流场模拟单元20内，模拟的植物冠层内部气流场模拟过程如下：
所述数据处理模块21采用空间数据可视化处理方法，拟合各节点空间位置矩阵与风速测量值，形成冠层内部区域气流场分布云图。
一种如图所示的植物冠层气流场生物模拟测试系统的模拟测试方法包括如下步骤：
采用仿生叶片11模拟植物冠层，并采集模拟的植物冠层内各个节点的风速参数；
根据风速参数和相对应的节点参数模拟植物冠层的内部气流场，并形成模拟的植物冠层内部区域气流场分布云图。
其中，在所述植物冠层气流场生物模拟测试方法中，选定模拟的植物冠层内的三维空间坐标原点，测量各节点处的风速传感器12与坐标原点的相对距离，转换成空间位置坐标，根据节点的空间位置坐标，形成风速传感器12空间位置矩阵，进而匹配各通道所连接的风速传感器12的空间位置。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种植物冠层气流场生物模拟测试系统，其特征在于：包括：仿生叶片数据采集单元、及连接所述仿生叶片数据采集单元的气流场模拟单元；
所述仿生叶片数据采集单元采用仿生叶片模拟植物冠层，并采集模拟的植物冠层内各个节点的风速参数；
且所述仿生叶片数据采集单元将采集得到的风速参数和相对应的节点参数发送至所述气流场模拟单元，所述气流场模拟单元根据接收到的风速参数和相对应的节点参数模拟植物冠层的内部气流场；
所述仿生叶片数据采集单元包括用于模拟植物冠层的多个仿生叶片、固定于每一所述仿生叶片的风速传感器、连接每一所述风速传感器的多通道通讯接口、连接所述多通道通讯接口的数据采集模块、及连接所述数据采集模块的第一无线传输模块；
所述第一无线传输模块无线通信连接所述气流场模拟单元；
所述风速传感器采集每一所述仿生叶片中各个节点的风速参数，并将采集到的风速参数和节点参数通过所述多通道通讯接口发送至所述数据采集模块，并通过所述第一无线传输模块无线发送至所述气流场模拟单元；
所述节点参数为节点位置参数，具体设置过程如下：
选定模拟的植物冠层内的三维空间坐标原点，测量各节点处的风速传感器与坐标原点的相对距离，转换成空间位置坐标，根据节点的空间位置坐标，形成风速传感器空间位置矩阵，进而匹配各通道所连接的风速传感器的空间位置。
2.根据权利要求1所述的一种植物冠层气流场生物模拟测试系统，其特征在于，所述仿生叶片数据采集单元还包括第一存储模块，所述第一存储模块连接所述数据采集模块，所述数据采集模块还将接收到的所述风速参数和所述节点参数发送至所述第一存储模块进行备份。
3.根据权利要求1所述的一种植物冠层气流场生物模拟测试系统，其特征在于，所述仿生叶片数据采集单元还包括用于安装所述仿生叶片的安装支架，所述安装支架为多自由度的可调节安装支架，并包括：环形固定座、安装座、及铰接于所述固定座和所述安装座之间的连杆组件；
其中，所述环形固定座用于固定所述安装支架，且使得所述安装支架可在水平方向转动；所述安装座用于安装所述仿生叶片，以实现模拟植物冠层；所述连杆组件包括铰接连接的多个连杆，并用于调节所述安装支架的高度。
4.根据权利要求1所述的一种植物冠层气流场生物模拟测试系统，其特征在于，所述风速传感器为弯曲电阻式传感器，且所述仿生叶片数据采集单元还包括用于输出所述风速传感器检测数据的传感器电路，所述传感器电路包括串联组成分压电路的弯曲电阻式传感器R1、定值电阻R2和输入电压VIN，定值电阻的电压输出端设置运算放大器I，从而获得所述定值电阻R2的输出电压为：
而且，所述定值电阻R2的输出电压作为所述风速参数。
5.根据权利要求4所述的一种植物冠层气流场生物模拟测试系统，其特征在于，所述运算放大器I通过输出端的电压负反馈以消除开环增益的影响。
6.根据权利要求1所述的一种植物冠层气流场生物模拟测试系统，其特征在于，所述气流场模拟单元包括数据处理模块、及连接所述数据处理模块的显示模块和第二无线传输模块；
所述第二无线传输模块与所述第一无线传输模块无线通信连接，接收所述第一无线传输模块发送的风速参数和节点参数，且将所述风速参数和所述节点参数发送至所述数据处理模块内进行处理以模拟植物冠层的内部气流场，并最终通过所述显示模块显示模拟得到的植物冠层的内部气流场。
7.根据权利要求6所述的一种植物冠层气流场生物模拟测试系统，其特征在于，所述气流场模拟单元还包括连接所述数据处理模块的第二存储模块，所述数据处理模块还将模拟形成植物冠层的内部气流场的数据发送至所述第二存储模块进行备份。
8.一种根据权利要求1-7任一所述植物冠层气流场生物模拟测试系统的模拟测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
采用仿生叶片模拟植物冠层，并采集模拟的植物冠层内各个节点的风速参数；
根据风速参数和相对应的节点参数模拟植物冠层的内部气流场，并形成模拟的植物冠层内部区域气流场分布云图。
9.根据权利要求8所述的一种模拟测试方法，其特征在于，选定模拟的植物冠层内的三维空间坐标原点，测量各节点处的风速传感器与坐标原点的相对距离，转换成空间位置坐标，根据节点的空间位置坐标，形成风速传感器空间位置矩阵，进而匹配各通道所连接的风速传感器的空间位置。
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