CN109099866B - 一种触觉感知稻株偏植量识别装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种触觉感知稻株偏植量识别装置，包括上壳体、下壳体、触觉感知系统、数据处理系统、仿型杆、电源；上壳体和下壳体密封连接，仿型杆固定在上壳体上，电源和数据处理系统安装在下壳体内；触觉感知系统包括前后两组弯曲传感器，每组中的两个弯曲传感器对称安装于下壳体左右两侧，弯曲传感器沿着左右方向延伸；触觉感知系统根据弯曲传感器的形变响应规律，通过数据处理系统实现稻株的识别与定位，并在此基础上，完成稻株偏植量的统计。本发明可以计算出相邻稻株之间的偏植量，进而指导除草部件进行相应调控，以实现避苗机械除草作业，属于农田作物识别领域。

Description

一种触觉感知稻株偏植量识别装置

技术领域

本发明涉及农田作物识别领域，特别公开了一种触觉感知稻株偏植量识别装置。

背景技术

在农业除草领域中，由于食品安全越来越受到大众的重视，机械除草正成为农业可持续发展和“绿色食品”种植的一项关键性技术。目前机械除草研究领域的技术难点主要在于如何降低稻苗损伤率，提高农作物的栽植整齐度和农作物的识别定位技术是解决难点的重要途径之一。国外的农作物主要生长在旱地，机械化种植稳定性好，作物偏植量小，机械除草效果比较理想。但我国的农作物有很大一部分生长在水田里，水田环境与旱地环境的差异对相同机械除草方式在除草效果上有很大影响，水田作业机具稳定性差导致机插秧行达不到理想的完全直线排列，相邻稻株在机插秧前进方向上出现相对偏离，差异的作物株间偏植量使秧行段出现不规则的曲线排列，而机械除草作业时，水田土壤的复杂性和不确定性，无论是人工驾驶还是自动导航驾驶，在跟踪作物行时总会产生航向偏差。人工调控存在除草部件调节相对机身运动具有一定的滞后性，尤其除草机在进行多行除草作业时，除草部件跟踪作物行如果没能及时调整位置，会对农作物造成相当程度的损伤。为此，有研究者针对水田环境做了基于机器视觉的机械除草研究，其原理是通过相机采集田间农作物和杂草分布的图像数据传输至数据处理模块，通过腐蚀膨胀和二值法等算法对农作物进行识别，通过图像上识别出来的农作物排列便可以确定除草路径实现除草机的自动行走。但水稻生长环境背景复杂、水面反光、除草期内相邻稻穴(株)间顶部叶冠已有部分相互遮掩，且禾本科杂草与水稻形态相似，基于机器视觉的作物行识别十分困难。因此，本发明提出一种触觉感知技术，通过多组弯曲传感器的响应规律对农作物偏植量进行统计，以期解决水田作物行信息实时获取的技术瓶颈。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种通过双排阵列式弯曲传感器进行稻株位置触觉感知的触觉感知稻株偏植量识别装置。采用该识别装置，可以计算出相邻稻株之间的偏植量，进而指导除草部件进行相应调控，以实现避苗机械除草作业。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种触觉感知稻株偏植量识别装置，包括上壳体、下壳体、触觉感知系统、数据处理系统、仿型杆、电源；上壳体和下壳体密封连接，仿型杆固定在上壳体上，电源和数据处理系统安装在下壳体内；触觉感知系统包括前后两组弯曲传感器，每组中的两个弯曲传感器对称安装于下壳体左右两侧，弯曲传感器沿着左右方向延伸；触觉感知系统根据弯曲传感器的形变响应规律，通过数据处理系统中的单片机实现稻株的识别与定位，并在此基础上，完成稻株偏植量的统计。

弯曲传感器的根部设有橡胶材料的圆形基座，弯曲传感器通过圆形基座与下壳体相接。

下壳体的左右两侧均设有沿着前后方向延伸的滑槽，滑槽与下壳体的内部不连通，位于后方的一组弯曲传感器通过调节螺母前后位置可调式的安装在滑槽中；滑槽的后端设有供调节螺母向前塞入的缺口。

一种触觉感知稻株偏植量识别装置，还包括安装在下壳体两侧的挡板；挡板位于圆形基座的正下方，挡板与圆形基座一一对应设置。

上壳体和下壳体之间通过卡扣连接，上壳体和下壳体之间设有密封圈。

仿型杆底部为圆柱形，与上壳体通过螺纹连接；仿型杆其余各部为三角柱形结构，仿型杆顶部与机架的三角形套筒之间滑动连接；仿型杆上部设有一销孔，与锁销配合防止识别装置从机架脱落。其中，仿型杆与三角形套筒之间滑动连接，目的是保证识别装置具有仿型功能，同时也防止其前进时左右摆动。

数据处理系统包括电路板、单片机、液晶显示屏，单片机和液晶显示屏均安装在电路板上；下壳体内部设有四根支座，电路板通过螺钉固定在四根支座上。

一种触觉感知稻株偏植量识别装置，还包括无线发射器，无线发射器安装在电路板上。

上壳体和下壳体连接组成的外壳，外壳的前端为半圆板形，外壳的后端为矩形板形。

通过调节螺母调节后组弯曲传感器的位置，进而调节前后组弯曲传感器的间距，最终获得适用于不同株距的弯曲传感器的位置。

总的说来，本发明具有如下优点：

1.该装置采用壳体结构，作业时漂浮在稻田水面上，使弯曲传感器工作高度不变，保证了稻草力学参数辨识的可靠性。

2.该装置将稻草生物力学差异，以及移栽稻株距不变的农艺特点进行了有机融合，提高了稻草辨识的可靠性。

3.该装置弯曲传感器采用阵列式布置，可统计前后、左右等多组弯曲传感器的感知数据，提高了稻株偏植量的识别精度。

4.采用圆形基座结构，防止弯曲传感器根部过度形变，以及防止稻田积水渗入。

5.采用滑槽结构，以适应水稻不同株距的测试要求。

6.采用挡板结构，防止稻田淤泥在圆形基座处堆积。

7.设置液晶显示屏，用作实时显示识别装置经过稻株时的偏植量数值。

附图说明

图1是触觉感知稻株偏植量识别装置结构示意图。

图2是下壳体的结构示意图。

图3是上壳体的结构示意图。；

图4是电路板的结构示意图。

图5是弯曲传感器的结构示意图。

图中：1.电源；2.下壳体；3.电路板；4.弯曲传感器；5.圆形基座；6.卡扣；7.挡板；8.调节螺母；9.滑槽；10.密封圈；11.上壳体；12.仿型杆；13.销孔；14.无线发射器；15.液晶显示屏；16.单片机；17.支座。

具体实施方式

下面将结合具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。

如图1、2、3、4、5所示，一种触觉感知稻株偏植量识别装置，包括触觉感知系统、数据处理系统、仿型杆、电源、无线发射器、挡板、圆形基座、调节螺母、密封圈、卡扣、上壳体、下壳体。

触觉感知系统为两组弯曲传感器4，每组对称安装于下壳体2左右两侧。弯曲传感器4的根部与圆形基座5衔接，后端组的弯曲传感器4通过根部的调节螺母8在滑槽9上移动，以适应水稻不同株距的测试要求。弯曲传感器4的根部引脚通过导线与电路板3连接。

仿型杆12的上部和中部为三角形柱体，下部为圆柱形，仿型杆12底部设有螺纹，与上壳体11通过螺纹连接，仿型杆12的顶部与机架的三角形套筒为滑动连接，仿型杆顶部设有一销孔。

每根弯曲传感器4的根部下面设有挡板7，挡板安装在下壳体的左右两侧。

数据处理系统包括单片机16、电路板3、液晶显示屏15，单片机16和液晶显示屏15安装在电路板3上，电路板3放置于下壳体2内部，下壳体内部设有四根支座17，电路板3通过螺钉固定在四根支座17上。

上壳体11、下壳体2通过密封圈10、卡扣6实现防水密封。

工作前，将电源1装入下壳体2对该装置进行供电，然后将上、下壳体通过卡扣6及密封圈10进行连接和密封，防止田间积水进入壳体内部导致电路短路。调节后组弯曲传感器4根部的调节螺母8，将下壳体上的前后端两组弯曲传感器4的距离通过调节螺母8调整，使其间距与水稻株距相等。

该实施例所选取的上壳体、下壳体尺寸的长为25cm、宽为15cm、厚度为5mm，上下壳体嵌套边缘处有2mm厚度差用以形成嵌套连接，上、下壳体密封后的高度为7cm，弯曲传感器4长度为15cm，两组弯曲传感器4的间距离为15cm。所选弯曲传感器4的材料具有一定的抗弯强度。

该装置进入田间工作时，下壳体2漂浮于稻田水面，由于稻株经机械插秧机栽植，稻株株间的距离基本保持不变，且稻株茎基部与杂草的力学差异显著，当弯曲传感器4与稻株茎基部及杂草茎秆梳滑作用时，由于除草期内稻株基部力学参数远大于同维度的杂草。因此，通过弯曲传感器力值大小可以辨识稻草。同时，为了防止误判，结合稻株株距均匀的农艺特点进行稻株识别校正，即当前后端组弯曲传感器力值同时达到稻株力学识别参数时，判定此时弯曲传感器触觉感知对象为稻株。在此基础上，采集分析前端组左右、前后端组组间以及后端组左右弯曲传感器接触力值差异，统计学方法对数据综合处理作为稻株的偏植量。具体为下壳体2侧面的弯曲传感器4分为两组，按阵列式前后对称布置，每组弯曲传感器经过一排稻株时，受稻株与传感器接触部位的不同而在单片机16上产生大小不同的力值；单片机16会采集两侧弯曲传感器4的变形数值，当单片机16采集到弯曲传感器4沿同一方前进经过相邻两稻株的形变数值时，会得到两对弯曲形变数值，便可通过算法处理该两对形变数值的差异，进而得出相邻稻株偏植量；为了提高偏植量的准确度，将稻株偏植量的得出过程分为三部分：工作前将该装置调整在两稻行的中心线上，在两稻行中选取沿该装置行进方向相邻的n、n+1两排稻株为本实施例的研究对象(n为该稻行上某排稻株)，该装置工作时将沿着两稻行中心线前进，弯曲传感器依次经过n、n+1两排稻株；第一部分：下壳体2前端组的弯曲传感器4接触完n排稻株后，继续沿着n排稻株的垂直中心线前进至接触n+1排稻株完毕，前端组左右侧弯曲传感器4接触完n、n+1两排稻株后会形成两组形变数值，经算法处理后得出偏植量L₁；第二部分：下壳体2前端组的弯曲传感器4接触n+1排稻株完毕时，下壳体2后端组的弯曲传感器4也会同时接触上n排稻株，此时后端组的弯曲传感器4也会形成一组形变数值，这样在下壳体2前后端组弯曲传感器上共会形成两组形变数值，经算法处理后得出偏植量L₂；第三部分：下壳体2后端组的弯曲传感器4接触完n排稻株后，继续沿着n排稻株的垂直中心线前进至接触n+1排稻株完毕，后端组的左右侧弯曲传感器4接触两排稻株后会产生两组变形数值，经算法处理后得出偏植量L₃，上述L₁、L₂、L₃均为n、n+1相邻两排稻株的偏植量，取L₁、L₂、L₃的平均值L作为最终的相邻两排稻株偏植量；在此基础上，根据实际作业需要可选择若干稻株偏植量L以统计稻行偏植弯度，并将结果经下壳体2内部的无线发射器14传输给除草部件的控制单元，作为除草部件避苗作业的调控决策。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种触觉感知稻株偏植量识别装置，其特征在于：包括上壳体、下壳体、触觉感知系统、数据处理系统、仿型杆、电源；上壳体和下壳体密封连接，仿型杆固定在上壳体上，电源和数据处理系统安装在下壳体内；触觉感知系统包括前后两组弯曲传感器，每组中的两个弯曲传感器对称安装于下壳体左右两侧，弯曲传感器沿着左右方向延伸；触觉感知系统根据弯曲传感器的形变响应规律，通过数据处理系统实现稻株的识别与定位，并在此基础上，完成稻株偏植量的统计。

2.按照权利要求1所述的一种触觉感知稻株偏植量识别装置，其特征在于：弯曲传感器的根部设有橡胶材料的圆形基座，弯曲传感器通过圆形基座与下壳体相接。

3.按照权利要求2所述的一种触觉感知稻株偏植量识别装置，其特征在于：下壳体的左右两侧均设有沿着前后方向延伸的滑槽，滑槽与下壳体的内部不连通，位于后方的一组弯曲传感器通过调节螺母前后位置可调式的安装在滑槽中；滑槽的后端设有供调节螺母向前塞入的缺口。

4.按照权利要求2所述的一种触觉感知稻株偏植量识别装置，其特征在于：还包括安装在下壳体两侧的挡板；挡板位于圆形基座的正下方，挡板与圆形基座一一对应设置。

5.按照权利要求1所述的一种触觉感知稻株偏植量识别装置，其特征在于：上壳体和下壳体之间通过卡扣连接，上壳体和下壳体之间设有密封圈。

6.按照权利要求1所述的一种触觉感知稻株偏植量识别装置，其特征在于：仿型杆底部为圆柱形，与上壳体通过螺纹连接；仿型杆其余各部为三角柱形结构，仿型杆顶部与机架的三角形套筒之间滑动连接；仿型杆上部设有一销孔，与锁销配合防止识别装置从机架脱落。

7.按照权利要求1所述的一种触觉感知稻株偏植量识别装置，其特征在于：数据处理系统包括电路板、单片机、液晶显示屏，单片机和液晶显示屏均安装在电路板上；下壳体内部设有四根支座，电路板通过螺钉固定在四根支座上。

8.按照权利要求7所述的一种触觉感知稻株偏植量识别装置，其特征在于：还包括无线发射器，无线发射器安装在电路板上。

9.按照权利要求1所述的一种触觉感知稻株偏植量识别装置，其特征在于：上壳体和下壳体连接组成的外壳，外壳的前端为半圆板形，外壳的后端为矩形板形。

10.按照权利要求3所述的一种触觉感知稻株偏植量识别装置，其特征在于：通过调节螺母调节后组弯曲传感器的位置，进而调节前后组弯曲传感器的间距，最终获得适用于不同株距的弯曲传感器的位置。