CN110506723B - 一种基于果树冠层叶面积指数的变量喷雾控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及农业智能机械技术领域，更具体地，涉及一种基于果树冠层叶面积指数的变量喷雾控制系统及其对果树冠层变量喷雾方法。该系统由信息采集端实时获取回波能量、靶标距离、喷雾机行驶速度的信息，经过中央处理器模块的计算，得出冠层叶面积指数喷雾依据值L，根据L值的变化，实现实时变量喷雾。该检测系统及方法具有在线实时检测果树冠层叶面积指数的功能，能够对果树冠层不同位置有针对性的进行药物的喷施，可以更好的满足果园的精准化施药的要求，同时该系统具有适应性强、响应快、检测精度高等优点。

Description

一种基于果树冠层叶面积指数的变量喷雾控制系统及方法

技术领域

本发明涉及农业智能机械技术领域，更具体地，涉及一种基于果树冠层叶面积指数的变量喷雾控制系统及其对果树冠层变量喷雾方法。

背景技术

果园病虫害防治主要靠化学农药的喷施，但传统连续施药的方式会存在大量的农药残留，不符合当今社会环保，可持续发展的要求。果园喷雾在技术层面上主要存在的难题是难以在线计算靶标药量需求分布并实施对靶变量喷雾控制。为了解决上述难题达到果园精准喷雾的要求，需要研究果园靶标特征识别方法以获取靶标位置、体积、稠密程度等信息，以及研究喷药量智能控制技术来实现对靶变量喷雾。

果园冠层信息的获取是对靶变量喷雾系统研究的关键。当前，果树冠层靶标的探测技术主要有光学传感器靶标探测技术、机器视觉靶标探测技术、激光雷达靶标探测技术、超声传感器靶标探测技术，且对果树冠层的位置、体积信息的探测技术已经非常成熟，应用广泛，而果树冠层稠密度信息的探测技术以及根据果树冠层稠密度信息的喷药量智能控制还处于技术攻关阶段，有待进一步朝着果园应用方向深入研究以实现技术突破。

发明内容

针对以上问题，本发明提供了一种基于果树冠层叶面积指数的变量喷雾控制系统及其对果树冠层变量喷雾方法，即结合超声波传感器和无线传输网络技术完成数据的采集，并通过处理器模块运用时域能量计算方法等完成信息的输出。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于果树冠层叶面积指数的变量喷雾控制系统，该系统包括超声波传感器模组、无线数据传输模块、速度传感器、定位模块、轨迹显示模块、中央数据处理模块、外部电源模块、电源模块、变量喷雾控制模块及控制开关。

所述的超声波传感器模组，其包括3个超声波传感器、微处理器及存储卡，3个超声波传感器、存储卡分别与微处理器连接；超声波传感器用于实时发射超声波信息和接收其回波信息，且有效的避免靶标的漏测，提高了探测精度，存储卡用于存储回波能量数值，微处理器用于处理超声波模组1接受的回波电压数据。

所述无线数据传输模块用于实时将超声波传感器模组得出的距离和回波能量信息传输到中央处理器模块。

所述速度传感器用于实时采集喷雾机行驶速度信息。

所述定位模块和轨迹显示模块用于实时定位及显示喷雾机行走轨迹,以监测喷雾机是否有重喷和漏喷的现象。

所述中央处理器模块实时对接收的靶标距离、回波能量信息、喷雾机行驶速度信息进行计算和处理；中央处理器模块由中央处理器和存储卡组成。

所述变量喷雾模块与中央处理器模块连接，并用于根据中央处理模块得到的信息进行实时变量喷雾。

所述超声波传感器模组、外部电源模块分别与无线数据传输模块连接，并通过无线数据传输模块发送信息；所述速度传感器、定位模块、轨迹显示模块分别与中央处理模块连接；所述电源模块分别为中央处理模块、定位模块、轨迹显示模块供电。

所述控制开关用于整个控制系统的启停。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：

进一步的，所述超声波传感器、无线数据传输模块、外部电源模块一起封装，并给出充电接口和超声波发射出口，集成可移动超声波信息收集系统，设置于喷雾机前半部分，超声波传感器模组与喷头位于同一竖直平面上。

进一步的，速度检测装置设置于喷雾机的行走轮上，包括速度传感器和码盘，用于采集喷雾机的行驶速度信息，其中，所述行走轮上设置有速度传感器支架来固定所述速度传感器。

所述定位模块、轨迹显示模块、中央数据处理模块、电源模块及控制开关集成在中央操作台上，位于喷雾机驾驶室内；所述变量喷雾模块位于喷雾机尾端。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种基于果树冠层叶面积指数的变量喷雾控制方法，包括：

获取喷头位置到靶标冠层的距离，由超声波传感器模组1直接测得；

进一步的，通过时域能量计算方法，获取超声波回波能量信息，具体方法为：

其中E是信号能量，x(t)是模拟信号电压，t₀是发射信号初始时间，t₁是t₀经过2ms后第一个大于1.2V的电压所对应的时间，t₂是t₁之后最后一个大于1.2V的电压所对应的时间。

进一步的，获取果树冠层叶面积指数信息，其具体方法为：

其中，L₁是叶面积指数，S是超声波传感器与靶标冠层的距离,即喷头位置到靶标冠层的距离，单位为m，e是回波能量值,单位为J,

A为作业冠层叶面平均面积,单位为cm²,计算方法只涉及数值的计算。

获取喷雾机行驶速度信息，并实时传输到中央处理器模块中，得出变量喷雾依据值L信息；获取变量喷雾依据值L，其具体方法为：

当0<V<2时，变量喷雾依据值L＝冠层实际L₁,当2＜＜V时，喷雾依据值L＝2×冠层实际L₁，喷雾机行驶速度为V,单位m/s。

从而实现，根据冠层叶面积指数，实现变量喷雾的目的。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

本发明采用超声波传感器对冠层的疏密程度进行探测，并提出了冠层疏密程度的量化标准-叶面积指数的计算方法，实现了冠层疏密程度的实时在线检测，在果树冠层稠密程度检测方面取得了较大突破，并发明了一种基于果树冠层叶面积指数的果园变量喷雾控制系统及其对果树冠层变量喷雾方法，而且，采用的超声波传感器具有应用广泛，作业环境相对要求较低，探测技术成熟，成本较低的优点。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明一种基于果树冠层叶面积指数的变量喷雾控制系统的整体结构框图。

图2为本发明部分模块在喷雾机上位置示意图。

图3为本发明超声波传感器模组及中央处理器模块的装置结构图。

图4为本发明轨迹显示屏重喷和漏喷示意图。

图1中：1、超声波传感器模组；2、无线数据传输模块；3、外部电源模块；4、电源模块；5、速度传感器；6、变量喷雾控制模块；7、中央数据处理模块；8、轨迹显示模块；9、控制开关；10、定位模块；

图3中：11、超声波传感器；12、微处理器；13、14、存储卡；15、中央处理器；

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，为本发明一实施例提供的基于果园冠层叶面积指数的变量喷雾控制系统结构示意图，该系统结合速度传感器5、定位模块10、超声波传感器11及微处理器12、中央处理器15完成数据的采集和处理。该系统包括超声波传感器模组1、无线数据传输模块2、速度传感器5、定位模块10、轨迹显示模块8、中央数据处理模块7、外部电源模块3、电源模块4、变量喷雾控制模块6及控制开关9；所述超声波传感器模组1用于实时采集与靶标的距离和回波波形信息，并通过时域能量计算方法得出回波能量信息；所述无线数据传输模块2用于实时将超声波传感器模组1得出的距离和回波能量的数据信息进行“打包”处理，并将打包后的数据发送至所述中央处理器模块7；所述速度传感器5用于实时采集喷雾机行驶速度信息；所述定位模块10和轨迹显示模块8用于实时定位及显示喷雾机行走轨迹；所述中央数据处理模块7实时对接收的靶标距离、回波能量信息、喷雾机行驶速度信息进行计算和处理；所述变量喷雾模块6用于根据中央处理模块得到的信息进行实时变量喷雾；所述超声波传感器模组1、外部电源模块3分别与无线数据传输模块2连接，并通过无线数据传输模块2发送信息；所述速度传感器5、定位模块10、轨迹显示模块8、电源模块4分别与中央处理模块7连接；所述控制开关9用于整个控制系统的启停。

本发明基于果树冠层叶面积指数的变量喷雾控制系统的控制方法及控制步骤：在进行喷雾作业时，由控制开关9向微处理器12、中央处理器15发送“工作1”指令，外部电源模块3、电源模块4开始为整个系统供电。

微处理器12通过超声波传感器11获取与靶标冠层距离信息和回波信息，回波信息采样周期为T，其中T为100ms；超声波传感器1在采样时长T0(0s～0.1s)时间内获取的回波能量数据生成数组E1＝{E1₁；E1₂；E1₃；······E1_N}，其中0.5<E1_N<0.8,经过处理器将数组E1修正得到有效数组E1′＝{E1′₁；E1′₂；E1′₃；······E1′_M},并由所述微处理器12计算数组E1′的平均值：

方差

且超声波传感器1测得与靶标距离记作S1；同理，得出超声波传感器2和超声波传感器3的有效数组的平均值

方差

与靶标距离S2、S3；当

或

时，取

当

或

时，取

当

或

时，取

然后通过无线数据传输模块2将数值

发送至中央处理器模块7，作为本次喷雾作业的回波能量数值e；取

作为本次喷雾作业的距离数值S；

中央处理器15通过速度传感器5获取喷雾机行驶速度信息，结合与靶标冠层距离信息和回波信息得出的冠层叶面积指数，得出变量喷雾依据值L信息，其具体方法为：当0<V<2时，变量喷雾依据值L＝冠层实际L₁,当2＜＜V时，喷雾依据值L＝2×冠层实际L₁，喷雾机行驶速度为V,单位m/s。从而根据L值得出PWM控制阀所需的占空比D，来控制喷头进行按需变量喷雾。其占空比D具体计算方法为：D＝L×25％，其中，D为变量喷雾的占空比数值，L为喷雾依据值，当D＞4时，D为100％。同时，每个喷头配备一个超声波传感器模组1，实现整株果树的按需施药。

果树冠层稠密度-叶面积指数的检测原理：超声波传感器发出超声发射波后碰到障碍物会有超声回波产生并返回，障碍物形状大小等特性会影响超声回波的强度，果树冠层越稠密，产生的超声回波越强，反之树冠层越稀疏，产生的超声回波越弱。通过时域能量计算方法将回波波形信息转化为能量数值信息，并与影响因素距离信息一起得出叶面积指数的信息来将果树冠层疏密程度量化，为喷雾作业的喷雾量提供依据。

以上的实施仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明范围进行限定，在不脱离本发明涉及精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改造，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于果树冠层叶面积指数的变量喷雾控制系统，其特征在于，该系统包括超声波传感器模组、无线数据传输模块、速度传感器、定位模块、轨迹显示模块、中央数据处理模块、外部电源模块、电源模块、变量喷雾控制模块及控制开关；所述的超声波传感器模组，其包括3个超声波传感器、微处理器及存储卡，3个超声波传感器、存储卡分别与微处理器连接；超声波传感器用于实时发射超声波信息和接收其回波信息，且有效的避免靶标的漏测，提高了探测精度，存储卡用于存储回波能量数值，微处理器用于处理超声波传感器模组接受的回波电压数据；所述无线数据传输模块用于实时将超声波传感器模组得出的距离和回波能量信息传输到中央数据处理模块；

所述速度传感器用于实时采集喷雾机行驶速度信息；

所述定位模块和轨迹显示模块用于实时定位及显示喷雾机行走轨迹,以监测喷雾机是否有重喷和漏喷的现象；

所述中央数据处理模块实时对接收的靶标距离、回波能量信息、喷雾机行驶速度信息进行计算和处理；中央数据处理模块由中央处理器和存储卡组成；

所述变量喷雾控制模块与中央数据处理模块连接，并用于根据中央数据处理模块得到的信息进行实时变量喷雾；

所述超声波传感器模组、外部电源模块分别与无线数据传输模块连接，并通过无线数据传输模块发送信息；所述速度传感器、定位模块、轨迹显示模块分别与中央数据处理模块连接；所述电源模块分别为中央数据处理模块、定位模块、轨迹显示模块供电；

所述控制开关用于整个控制系统的启停；

所述系统实施基于果树冠层叶面积指数的变量喷雾控制方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)获取喷头位置到靶标冠层的距离，由超声波传感器模组直接测得；

(2)进一步的，通过时域能量计算方法，获取超声波回波能量信息，具体方法为：

其中E是信号能量，x(t)是模拟信号电压，t₀是发射信号初始时间，t₁是t₀经过2ms后第一个大于1.2V的电压所对应的时间，t₂是t₁之后最后一个大于1.2V的电压所对应的时间；

(3)进一步的，获取果树冠层叶面积指数信息，其具体方法为：

其中，L₁是叶面积指数；S是超声波传感器与靶标冠层的距离,即喷头位置到靶标冠层的距离，单位为m；e是回波能量值,单位为J；

A为作业冠层叶面平均面积,单位为cm²，计算方法只涉及数值的计算；

(4)获取喷雾机行驶速度信息，并实时传输到中央数据处理模块中，得出变量喷雾依据值L信息；获取变量喷雾依据值L，其具体方法为：当0<V<2时，变量喷雾依据值L＝冠层实际L1,当2＜＜V时，喷雾依据值L＝2×冠层实际L1，喷雾机行驶速度为V，单位m/s；从而实现，根据冠层叶面积指数，实现变量喷雾的目的；

微处理器通过超声波传感器获取与靶标冠层距离信息和回波信息，回波信息采样周期为T，其中T为100ms；超声波传感器在采样时长T0(0s～0.1s)时间内获取的回波能量数据生成数组E1＝{E1₁；E1₂；E1₃；······E1_N}，其中0.5<E_1N<0.8,经过处理器将数组E1修正得到有效数组E1′＝{E1′₁；E1′₂；E1′₃；······E1′_M},并由所述微处理器计算数组E1′的平均值：

方差

且超声波传感器测得与靶标距离记作S1；同理，得出另外两个超声波传感器的有效数组的平均值分别为

方差

与靶标距离S2、S3；当

或

时，取

当

或

时，取

当

或

时，取

然后通过无线数据传输模块将数值

发送至中央数据处理模块，作为本次喷雾作业的回波能量数值e；取

作为本次喷雾作业的距离数值S。

2.如权利要求1所述的一种基于果树冠层叶面积指数的变量喷雾控制系统，其特征在于，所述超声波传感器、无线数据传输模块、外部电源模块一起封装，并给出充电接口和超声波发射出口，集成可移动超声波信息收集系统，设置于喷雾机前半部分，超声波传感器模组与喷头位于同一竖直平面上。

3.如权利要求1所述的一种基于果树冠层叶面积指数的变量喷雾控制系统，其特征在于，由速度传感器和码盘组成的速度检测装置设置于喷雾机的行走轮上，用于采集喷雾机的行驶速度信息；其中，所述行走轮上设置有速度传感器支架来固定所述速度传感器。

4.如权利要求1所述的一种基于果树冠层叶面积指数的变量喷雾控制系统，其特征在于，所述定位模块、轨迹显示模块、中央数据处理模块、电源模块及控制开关集成在中央操作台上，位于喷雾机驾驶室内；所述变量喷雾控制模块位于喷雾机尾端。

5.如权利要求1所述的一种基于果树冠层叶面积指数的变量喷雾控制系统，其特征在于，其特征在于，根据L值得出PWM控制阀所需的占空比D，来控制喷头进行按需变量喷雾；其占空比D具体计算方法为：D＝L×25％，其中，D为变量喷雾的占空比数值，L为喷雾依据值，当D＞4时，D为100％；同时，每个喷头配备一个超声波传感器模组，实现整株果树的按需施药。

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