CN109405757B

CN109405757B - 一种多光感式稻苗株距测量装置

Info

Publication number: CN109405757B
Application number: CN201811619824.1A
Authority: CN
Inventors: 陈学深; 马旭; 陈林涛; 陈涛; 黄柱健; 方贵进
Original assignee: South China Agricultural University
Current assignee: South China Agricultural University
Priority date: 2018-12-28
Filing date: 2018-12-28
Publication date: 2020-04-17
Anticipated expiration: 2038-12-28
Also published as: CN109405757A

Abstract

本发明属于农业机械领域，具体涉及一种多光感式稻苗株距测量装置，包括机架、滑行浮板、多光感式稻苗株距测量系统，机架悬挂于插秧机，机架的左右两侧均连接有滑行浮板，多光感式稻苗株距测量系统安装在滑行浮板上；多光感式稻苗株距测量系统包括核心模块、预设株距调节器、斜置式稻株茎秆定位模块、线性阵列式激光测距模块、显示面板；斜置式稻株茎秆定位模块根据安装的前后位置得到理论株距L₀；斜置式稻株茎秆定位模块排除干扰；线性阵列式激光测距模块获得相邻稻苗的实际间距L_R；L_R与L₀比较，反馈调整插秧机。本发明解决传统人工测量株距随机性大、误差大的问题；实现秧苗株距实时动态在线检测。

Description

一种多光感式稻苗株距测量装置

技术领域

本发明涉及农业机械领域，具体涉及一种多光感式稻苗株距测量装置。

背景技术

综合国内外对作物识别与信息获取的文献可知，实时准确获取稻苗株距信息是进一步实施精准插秧的前提条件。当前多使用机器视觉技术，对作物进行识别与定位，其主要通过光谱、图像和光谱成像3种途径捕获、处理和分析作物，具有适时、快速等优点，成为国内外田间作物信息获取的主要方式。但是，水稻田背景反光，稻穴(株)间顶部叶冠相互遮掩，禾本科杂草与水稻形态相似，环境因素(光照、风)复杂，现有的图像识别技术及设备适应范围主要集中在背景差异显著的旱田作物上，且识别对象多为特征明显的叶菜类作物，而针对水稻田这种复杂的开放式非结构农田环境，快速、准确地实时获取稻田杂草信息还需要在原理及技术上寻求创新。

根据水稻种植农艺要求，不同品种的水稻秧苗在栽插时对株距的要求不同。一般来说，常规稻需密植、杂交稻则需少本稀植；杂交稻与常规稻在种植上的不同之处在于，育秧技术由原来的常规稻播种5～7粒/穴(取秧面积)，提升为2～3粒/穴(取秧面积)的精密播种，以保证2～3株/穴(取秧面积)的秧苗，依靠其强的分蘖能力，获取高产。因此，需要根据不同种类的秧苗，在插秧作业前将插秧机的株距变速杆调节到对应的位置(一档12cm、14cm、16cm或二档17cm、19cm、21cm)。然而，由于水稻田的耕整地方式不同、土壤机械强度不均、栽植部件磨损程度各异等诸多因素，易导致移栽作业时选择的栽植株距与实际的株距差异显著，这对稻苗后续的肥料吸收、病害抑制、杂草防治、采光通风等有相当程度的影响。为此，需将苗田机插信息实时反馈给操作人员，提醒机手插秧作业时秧苗间株距的变化情况；目前主要采用人工统计方式对株距进行抽样测量，随机性较大，准确性有待提高。因此，实时、准确的测量稻苗株距，对监测插秧作业质量，评估稻苗密植程度具有实际意义。

综上，为解决上述部分问题，本发明提出一种多光感式稻苗株距测量装置，在稻株识别与定位基础上，精准获取到秧苗株距信息，并显示到显示面板上，以期提醒机手插秧作业时秧苗间株距实时变化情况，便于其根据实况及时调整插秧机，实现插秧机作业时株距保持均匀一致。

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：提供一种自动识别稻苗、实时获取并显示稻苗株距信息以提醒机手的多光感式稻苗株距测量装置。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种多光感式稻苗株距测量装置，包括机架、滑行浮板、多光感式稻苗株距测量系统，机架悬挂于插秧机，机架的左右两侧均连接有滑行浮板，多光感式稻苗株距测量系统安装在滑行浮板上，两侧滑行浮板沿稻苗行间向前行进；多光感式稻苗株距测量系统包括核心模块以及与核心模块分别连接的预设株距调节器、斜置式稻株茎秆定位模块、线性阵列式激光测距模块、显示面板；斜置式稻株茎秆定位模块通过预设株距调节器位置可调式安装在滑行浮板上，根据安装的前后位置得到满足对应品种稻苗株距栽植要求的理论株距L₀；斜置式稻株茎秆定位模块判断是否稻苗，排除干扰；线性阵列式激光测距模块位于斜置式稻株茎秆定位模块的后方，获得相邻稻苗的实际间距L_R；显示面板动态显示实际间距L_R；比较L₀与L_R，及时调整插秧机，实现插秧作业时株距均匀一致。

作为一种优选，机架的中段设有在前后方向竖直平面上转动的铰接部位，机架的上端与插秧机固定连接，机架的下端与滑行浮板固定连接；滑行浮板为长方体船式薄板件，承托多光感式稻苗株距测量系统浮在水田上。

作为一种优选，斜置式稻株茎秆定位模块包括双目漫反射型传感器和传感器固定机架，双目漫反射型传感器通过传感器固定机架安装在预设株距调节器上；双目漫反射型传感器中的两组漫反射型传感器呈“<”式斜向安装，精准定位到稻苗的茎秆基部，横向形成双目感知检测区间，排除稻株旁枝的反垂干扰。

作为一种优选，核心模块采用Arduino作为主控器。

作为一种优选，经稻苗表面返回的红外光束转换为电脉冲信号，经核心模块处理后对稻苗进行判定；工作时，两组漫反射型传感器同时以30°散射角的扇形探测面沿稻苗列向发射调制红外光束，两组漫反射型传感器的扇形探测面相交形成一块叠加探测面区域；工作过程中，当稻苗处于叠加探测面区域时，两组漫反射型传感器同时接收到经稻苗表面反射回的红外光束并转化为电脉冲信号，经Arduino单片机处理后判定为稻苗；当被探测物处于该叠加探测面区域外时，两组漫反射型传感器无法同时接收到经稻苗表面反射回的红外光束，此时Arduino单片机只能接收到一个或零个电脉冲信号；因此，Arduino单片机对该电脉冲信号不进行稻苗判别处理；当装置在稻行间经过稻苗时，若双目漫反射型传感器输出脉冲信号，则判定有稻苗。

作为一种优选，斜置式稻株茎秆定位模块包括一组激光测距传感器和传感器固定件，该组激光测距传感器包括发射端和接收端，发射端和接收端中的一个安装在预设株距调节器上，另一个位置可调式安装在另一滑行浮板上，发射端和接收端横向相互对齐，通过该组激光测距传感器标定稻苗通过斜置式稻株茎秆定位模块的位置；线性阵列式激光测距模块包括多组激光测距传感器和传感器固定件，激光测距传感器通过传感器固定件安装在滑行浮板上，多组激光测距传感器沿着前后方向依次等距排列，每组激光测距传感器均包括发射端和接收端，同组激光测距传感器的发射端和接收端分别横向对齐的安装在两侧的滑行浮板上，通过稻苗经过的最后一组激光测距传感器标定稻苗通过线性阵列式激光测距模块的位置。

作为一种优选，线性阵列式激光测距模块包括五组激光测距传感器，根据公式

L_R＝L₀+(n-1)X (1)

计算出相邻稻苗之间的实际间距L_R，式中，L₀为理论株距，X为线性阵列式激光测距模块中相邻的激光测距传感器的间距，n为线性阵列式激光测距模块中激光测距传感器的序号，从前往后依次取1、2、3、4、5；

比较L₀与L_R，

作为一种优选，核心模块对斜置式稻株茎秆定位模块、线性阵列式激光测距模块和显示面板智能控制。

作为一种优选，基于线性阵列式激光测距模块处理计算出相邻稻苗之间的实际间距L_R，利用核心模块控制，将数据实时动态地展现于显示面板上，如若相邻稻苗之间的实际间距L_R与设定的理论株距L₀不符，判定产生漏插稻苗现象，发出警报，提醒机手插秧作业时稻苗间株距的变化情况，机手根据实况及时调整插秧机，实现插秧作业时株距均匀一致。

作为一种优选，预设株距调节器包括刻度尺和调节部件；斜置式稻株茎秆定位模块通过调节部件与滑行浮板相接，实现斜置式稻株茎秆定位模块前后位置可调，依据不同品种稻苗的株距栽植要求，预先设定出安装位置；利用刻度尺，帮助机手得到理论株距L₀。

本发明具有如下优点：

(1)利用斜置式稻株茎秆定位模块可精准定位到稻苗的茎秆基部，形成双目感知检测区间，避免了稻株旁枝的反垂干扰，提高了定位准确性。

(2)基于线性阵列式激光测距模块处理计算出相邻稻苗之间的实际间距，利用核心模块控制，将数据实时动态地展现于显示面板上，如若相邻稻苗之间的实际间距与设定株距不符，则发出警报，提醒机手插秧作业时秧苗间株距的变化情况，以便其根据实况及时调整插秧机，实现插秧作业时株距均匀一致。

(3)解决传统人工测量株距随机性大、误差大的问题；采用机电一体化设计，实现秧苗株距的实时动态在线检测。本发明亦可用于花卉、蔬菜的自动移栽机上，性能可靠，具有推广实用前景。

(4)线性阵列式激光测距模块优选五组激光测距传感器，能很好的适应插秧作业时株距的实际变化情况，提高装置作业的可靠性。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明俯视图。

图3为斜置式稻株茎秆定位模块的定位原理图。

图4为斜置式稻株茎秆定位模块在侧视状态下的结构示意图。

图5为线性阵列式激光测距模块的测距原理图。

图6为多光感式稻苗株距测量系统的控制模块图。

图7为本发明的测距工作流程图。

1	插秧机	7	双目漫反射型传感器
				2	稻苗	8	激光测距传感器
3	报警系统	9	传感器固定机架
				4	显示面板	10	核心模块
5	机架	11	预设株距调节器
				6	滑行浮板	12	线性阵列式激光测距模块

具体实施方式

为了使本发明目的、技术方案和优点更加明白清楚，以下结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅用于解释本发明，而不用于限定本发明。

如图1、2、5、6和7所示，一种多光感式稻苗株距测量装置，主要由机架、滑行浮板、多光感式稻苗株距测量系统组成。多光感式稻苗株距测量系统包括预设株距调节器、核心模块、斜置式稻株茎秆定位模块、线性阵列式激光测距模块及显示面板。机架左右两侧分别设有滑行浮板，滑行浮板上部安装多光感式稻苗株距测量系统。预设株距调节器与斜置式稻株茎秆定位模块活动连接，作业时可依据不同品种秧苗的株距栽植要求，预先设定出斜置式稻株茎秆定位模块的安装位置，则得到理论株距L₀。斜置式稻株茎秆定位模块、线性阵列式激光测距模块、显示面板均与核心模块相连。

工作时，机架悬挂于插秧机的后方，两侧滑行浮板沿稻苗行间向前行进，利用斜置式稻株茎秆定位模块精准定位到稻苗茎秆基部，形成双目感知检测区间；基于线性阵列式激光测距模块处理计算出相邻稻苗之间的实际间距L_R，并将数据实时动态地展现于显示面板上，如若相邻稻苗之间的实际间距L_R与设定的理论株距L₀不符，则发出警报，提醒机手插秧作业时秧苗间株距的变化情况，以便其根据实况及时调整插秧机，实现插秧作业时株距均匀一致。

滑行浮板上安装多光感式稻苗株距测量系统。滑行浮板为长方体船式薄板件，其与机架固定安装。滑行浮板上的多光感式稻苗株距测量系统中，利用核心模块实现对斜置式稻株茎秆定位模块、线性阵列式激光测距模块及显示面板的智能控制；利用预设株距调节器预先设定斜置式稻株茎秆定位模块的安装位置，以便得出秧苗间的理论株距L₀；利用斜置式稻株茎秆定位模块精准定位到稻苗茎秆基部，形成双目感知检测区间；基于线性阵列式激光测距模块处理计算出相邻稻苗之间的实际间距L_R，并将间距实时反馈到显示面板。

考虑控制系统的稳定性及可控性，简化控制系统，优选Arduino作为主控器。多光感式稻苗株距测量系统中斜置式稻株茎秆定位模块包括漫反射型传感器与传感器固定机架。基于漫反射型传感器的作业原理以及为有效消除稻株枝叶的反垂干扰，采用双目漫反射型传感器；利用传感器固定机架将两组漫反射型传感器呈“<”式斜向安装。斜置式稻株茎秆定位模块可精准定位到秧苗的茎秆基部，形成双目感知检测区间，避免了稻株旁枝的反垂干扰，提高了定位准确性。

如图3所示，双目漫反射型传感器的稻苗识别原理：经水稻表面返回的红外光束转换为电脉冲信号，经核心模块处理后对稻苗进行判定。工作时，两个漫反射传感器同时以30°散射角的扇形探测面沿水稻列向发射调制红外光束，两个漫反射传感器的扇形探测面相交形成一块叠加探测面区域。工作过程中，当水稻处于叠加探测面区域时，两组漫反射传感器同时接收到经水稻表面反射回的红外光束并转化为电脉冲信号，经Arduino处理后判定为水稻；当水稻处于该叠加探测面区域外时，两组漫反射传感器无法同时接收到经水稻表面反射回的红外光束，即，此时Arduino只能接收到一个或零个电脉冲信号。因此，Arduino对该电脉冲信号不进行水稻判别处理。当该装置在稻行间经过稻苗时，若漫反射传感器输出脉冲信号，则判定有稻苗。

如图4所示，多光感式稻苗株距测量系统中线性阵列式激光测距模块包括激光测距传感器和传感器固定件。考虑到插秧作业时株距的实际变化情况以及装置作业的可靠性，优选出五组激光测距传感器；并将其按线性等距安装在传感器固定件上，传感器固定件安装在滑行浮板上。五组激光测距传感器，每组包括发射端与接收端，相邻的激光测距传感器间距设定为X。利用斜置式稻株茎秆定位模块精准定位到稻苗茎秆基部，基于线性阵列式激光测距模块处理计算出相邻稻苗之间的实际间距L_R。

线性阵列式激光测距模块可处理计算出相邻稻苗之间的实际间距L_R。即

L_R＝L₀+(n-1)X (1)

式中L_R——相邻稻苗的实际间距，cm；L₀——理论株距，cm；n——激光测距传感器的序号，取1，2，3，4，5；X——相邻激光测距传感器的间距，取0.5cm。

若设定插秧机作业的理论株距为L₀，则有

基于线性阵列式激光测距模块处理计算出相邻稻苗之间的实际间距L_R，利用核心模块控制，将数据实时动态地展现于显示面板上，如若相邻稻苗之间的实际间距L_R与设定的理论株距L₀不符，可判定产生漏插秧苗现象，则发出警报，提醒机手插秧作业时秧苗间株距的变化情况，以便其根据实况及时调整插秧机，实现插秧作业时株距均匀一致。

预设株距调节器主要有刻度尺、调节部件组成。调节部件与斜置式稻株茎秆定位模块连接，实现斜置式稻株茎秆定位模块活动可调，依据不同品种秧苗的株距栽植要求，预先设定出优选的安装位置；利用刻度尺，方便机手测定理论株距L₀。

结合附图5对本发明的公式(1)和(2)做进一步详细说明；如插秧机栽插杂交稻(稀植)，将插秧机的株距调节变速杆拨到二档，可设为19cm，利用预设株距调节器设定斜置式稻株茎秆定位模块的安装位置，以便得出秧苗间的理论株距L₀为19cm；如图5所示，利用斜置式稻株茎秆定位模块精准定位到前一稻苗的茎秆基部，形成双目感知检测区间；利用线性阵列式激光测距模块可处理计算出相邻稻苗之间的实际间距L_R。后一秧苗触发第三个激光测距传感器，带入公式(1)，n＝3，得到相邻稻苗之间的实际间距L_R＝20cm，此时相邻稻苗之间的实际间距L_R与设定株距L₀不符，则发出警报。

本发明的原理是：本装置悬挂在插秧机后方，由插秧机拖行，沿着稻苗行间行进；多光感式稻苗株距测量系统中，利用核心模块实现对斜置式稻株茎秆定位模块、线性阵列式激光测距模块及显示面板的智能控制；利用预设株距调节器预先设定斜置式稻株茎秆定位模块的安装位置，以便得出秧苗间的理论株距L₀；利用斜置式稻株茎秆定位模块精准定位到稻苗茎秆基部，形成双目感知检测区间；基于线性阵列式激光测距模块处理计算出相邻稻苗之间的实际间距L_R，并将间距实时反馈到显示面板。

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

1.一种多光感式稻苗株距测量装置，其特征在于：包括机架、滑行浮板、多光感式稻苗株距测量系统，机架悬挂于插秧机后方，机架的左右两侧均连接有滑行浮板，多光感式稻苗株距测量系统安装在滑行浮板上，工作时，两侧滑行浮板沿稻苗行间向前行进；多光感式稻苗株距测量系统包括核心模块以及与核心模块分别连接的预设株距调节器、斜置式稻株茎秆定位模块、线性阵列式激光测距模块、显示面板；斜置式稻株茎秆定位模块通过预设株距调节器位置可调式安装在滑行浮板上，根据安装的前后位置得到满足对应品种稻苗株距栽植要求的理论株距L₀；斜置式稻株茎秆定位模块判断是否稻苗，排除干扰；线性阵列式激光测距模块位于斜置式稻株茎秆定位模块的后方，获得相邻稻苗的实际间距L_R；显示面板动态显示实际间距L_R；L_R与L₀比较，反馈调整插秧机，实现插秧作业时株距保持均匀一致。

2.按照权利要求1所述的一种多光感式稻苗株距测量装置，其特征在于：机架的中段设有在前后方向竖直平面上转动的铰接部位，机架的上端与插秧机固定连接，机架的下端与滑行浮板固定连接；滑行浮板为长方体船式薄板件。

3.按照权利要求1所述的一种多光感式稻苗株距测量装置，其特征在于：斜置式稻株茎秆定位模块包括双目漫反射型传感器和传感器固定机架，双目漫反射型传感器通过传感器固定机架安装在预设株距调节器上；双目漫反射型传感器中的两组漫反射型传感器呈“<”式斜向安装，精准定位到稻苗的茎秆基部，横向形成双目感知检测区间，排除稻株旁枝的反垂干扰。

4.按照权利要求3所述的一种多光感式稻苗株距测量装置，其特征在于：核心模块采用Arduino作为主控器。

5.按照权利要求4所述的一种多光感式稻苗株距测量装置，其特征在于：经稻苗表面返回的红外光束转换为电脉冲信号，经核心模块处理后对稻苗进行判定；工作时，两组漫反射型传感器同时以30°散射角的扇形探测面沿稻苗列向发射调制红外光束，两组漫反射型传感器的扇形探测面相交形成一块叠加探测面区域；工作过程中，当稻苗处于叠加探测面区域时，两组漫反射型传感器同时接收到经稻苗表面反射回的红外光束并转化为电脉冲信号，经Arduino处理后判定为稻苗；当被探测物处于该叠加探测面区域外时，两组漫反射型传感器无法同时接收到经稻苗表面反射回的红外光束，此时Arduino只能接收到一个或零个电脉冲信号；因此，Arduino对该电脉冲信号不进行稻苗判别处理；当装置在稻行间经过稻苗时，若双目漫反射型传感器输出脉冲信号，则判定有稻苗。

6.按照权利要求1所述的一种多光感式稻苗株距测量装置，其特征在于：斜置式稻株茎秆定位模块包括一组激光测距传感器和传感器固定件，该组激光测距传感器包括发射端和接收端，发射端和接收端中的一个安装在预设株距调节器上，另一个位置可调式安装在另一滑行浮板上，发射端和接收端横向相互对齐，通过该组激光测距传感器标定稻苗通过斜置式稻株茎秆定位模块的位置；

线性阵列式激光测距模块包括多组激光测距传感器和传感器固定件，激光测距传感器通过传感器固定件安装在滑行浮板上，多组激光测距传感器沿着前后方向依次等距排列，每组激光测距传感器均包括发射端和接收端，同组激光测距传感器的发射端和接收端分别横向对齐的安装在两侧的滑行浮板上，通过稻苗经过的最后一组激光测距传感器标定稻苗通过线性阵列式激光测距模块的位置。

7.按照权利要求6所述的一种多光感式稻苗株距测量装置，其特征在于：线性阵列式激光测距模块包括五组激光测距传感器，根据公式

L_R＝L₀+(n-1)X (1)

比较L₀与L_R，

8.按照权利要求1所述的一种多光感式稻苗株距测量装置，其特征在于：核心模块对斜置式稻株茎秆定位模块、线性阵列式激光测距模块和显示面板智能控制。

9.按照权利要求8所述的一种多光感式稻苗株距测量装置，其特征在于：基于线性阵列式激光测距模块处理计算出相邻稻苗之间的实际间距L_R，利用核心模块控制，将数据实时动态地展现于显示面板上，如若相邻稻苗之间的实际间距L_R与设定的理论株距L₀不符，判定产生漏插稻苗现象，发出警报，提醒机手插秧作业时稻苗间株距的变化情况，机手根据实况及时调整插秧机，实现插秧作业时株距均匀一致。

10.按照权利要求1所述的一种多光感式稻苗株距测量装置，其特征在于：预设株距调节器包括刻度尺和调节部件；斜置式稻株茎秆定位模块通过调节部件与滑行浮板相接，实现斜置式稻株茎秆定位模块前后位置可调，依据不同品种稻苗的株距栽植要求，预先设定出安装位置；利用刻度尺，帮助机手得到理论株距L₀。