CN110506726A - 果树目标检测装置、果园喷雾机及果树目标检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种果树目标检测装置、果园喷雾机及果树目标检测方法，所述装置包括数据采集模块和控制模块；所述数据采集模块包括步进电机、激光距离传感器、角度传感器和旋转编码器，所述激光距离传感器设置在步进电机的正上方，且激光距离传感器与步进电机旋转连接，所述角度传感器设置在步进电机的正下方，且角度传感器与步进电机的转轴固定连接；所述控制模块分别与步进电机、激光距离传感器、角度传感器和旋转编码器连接，且控制模块和步进电机固定在一固定板上。本发明装置结构合理、安装方便、操作简单，能够快速识别目标，可以广泛用于果园靶标识别和自动化设计，减轻工作人员的劳动强度，提高生产效率。

Description

果树目标检测装置、果园喷雾机及果树目标检测方法

技术领域

本发明涉及一种果树目标检测装置、果园喷雾机及果树目标检测方法，属于果树冠层靶标识别领域。

背景技术

为了降低农药消耗，果园施药机械需要采用对靶喷雾的方式，使得喷头能够对准果树冠层喷雾，从而降低农药过量施用。

对于果园冠层靶标的有效探测是实现果园精准施药的重要关键技术，目前普遍采用的靶标探测方式有超声波传感器，红外传感器，光谱检测，单点激光测距传感器，二维线扫激光雷达，图像传感器，其中单点激光雷达，二维线扫激光雷达以及图像传感器是当前采用的比较多的主流技术，但单点激光雷达和二维线扫激光雷达测量点数较少，无法同时探测整棵果树冠层靶标，图像传感器虽然可以同时对整颗果树进行拍摄，但需进行复杂的图形处理，实时性不足。由于背景复杂，待识别物体堆放杂乱，传统图像识别速度慢准确率不高。且传统单目识别技术无法获得检测目标的深度信息，而双目立体视觉对环境光照非常敏感，在光照较强或较暗的情况下会导致算法效果急剧下降，另外其计算复杂度高计算量大、测量范围有限。

中国专利公开号为CN109782300A的发明专利申请公开了“车间钢卷激光雷达三维定位测量系统”，其利用二维激光雷达截面扫描辅以激光测距仪定位进行空间切片重构，有效完成了使用二维激光雷达的进行三维重建的任务，但该申请室外的使用性不强，而且它直接用二维激光雷达加测距仪完成三维构建，价格昂贵。

中国专利公开号为CN109387848 A的发明专利申请公开了“果树冠层靶标探测装置、方法、计算设备及存储介质”，该系统主要利用面阵激光雷达、九轴姿态传感器、旋转编码器和处理器对果树的深度信息的识别和处理，没有特定设计基础探测装置。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种果树目标检测装置，该装置结构合理、安装方便、操作简单，能够快速识别目标，可以广泛用于果园靶标识别和自动化设计，减轻工作人员的劳动强度，提高生产效率。

本发明的第二个目的在于提供一种安装上述果树目标检测装置的果园喷雾机。

本发明的第三个目的在于提供一种基于上述果树目标检测装置的果树目标检测方法。

本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种果树目标检测装置，包括数据采集模块和控制模块；

所述数据采集模块包括步进电机、激光距离传感器、角度传感器和旋转编码器，所述激光距离传感器设置在步进电机的正上方，且激光距离传感器与步进电机旋转连接，所述角度传感器设置在步进电机的正下方，且角度传感器与步进电机的转轴固定连接；

所述控制模块分别与步进电机、激光距离传感器、角度传感器和旋转编码器连接，且控制模块和步进电机固定在一固定板上。

进一步的，所述控制模块包括控制器和步进电机驱动器，所述控制器分别与步进电机驱动器、激光距离传感器、角度传感器和旋转编码器连接，所述步进电机驱动器与步进电机连接。

进一步的，所述数据采集模块还包括第一无线数据传输模块，所述控制模块还包括第二无线数据传输模块；

所述激光距离传感器依次通过第一无线数据传输模块、第二无线数据传输模块与控制器连接，所述第一无线数据传输模块用于将激光距离传感器采集的数据传输给第二无线数据传输模块，所述第二无线数据传输模块用于将接收到的数据传输给控制器。

进一步的，所述角度传感器与控制器的外接引脚连接。

进一步的，所述装置还包括箱体，所述步进电机、角度传感器、控制模块和固定板设置在箱体内部，所述箱体侧面设有旋转编码器接口，所述旋转编码器设置在箱体外部，旋转编码器通过旋转编码器接口与控制模块连接。

进一步的，所述箱体顶部设有可打开或闭合的箱盖。

进一步的，所述箱体侧面还设有USB接口，所述控制模块通过USB接口与外部设备连接。

进一步的，所述装置还包括人机交互模块，所述人机交互模块与控制模块连接。

进一步的，所述步进电机与激光距离传感器之间设有无线电源线圈，所述无线电源线圈用于为激光距离传感器和角度传感器供电。

本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种果园喷雾机，所述喷雾机安装有上述的果树目标检测装置。

本发明的第三个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于上述果树目标检测装置的果树目标检测方法，所述方法包括：

获取激光距离传感器采集的距离数据、角度传感器采集的角度数据以及旋转编码器采集的前进距离数据；

对距离数据、角度数据和前进距离数据进行去除无效点处理；

将处理后的距离数据和角度数据进行数据融合，并将极坐标转换为直角坐标系，得到XY轴数据；

将处理后的前进距离数据作为Z轴数据加入XY轴数据，输出得到XYZ轴数据，以实现果树目标检测。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明装置的数据采集模块包括步进电机、激光距离传感器、角度传感器和旋转编码器，激光距离传感器采集的距离数据与角度传感器采集的角度速度相结合，可以模拟现实中的二维平面中的物体，再加入旋转编码器采集的前进距离数据，通过控制器处理可以输出三维数据，这个三维数据就是具有深度信息的数据，从而实现果树目标检测，激光距离传感器的旋转支撑轴为步进电机，比现有激光距离传感器使用滑环更加耐颠簸，不易损坏，即本发明装置能够更简洁方便地得出所需深度数据、稳定性高，减震效果好，并且本发明装置可以应用于教学领域，其将电气控制、物理、数学等学科进行了综合，有利于培养学生的动手能力、观察能力、逻辑思维能力和数据处理能力，能综合性地培养学生。

2、本发明装置设置了两个无线数据传输模块，一个无线数据传输模块用于将激光距离传感器采集的数据传输给另一个无线数据传输模块，另一个无线数据传输模块用于将接收到的数据传输给控制器，可以减少内部电线的布线，使得本发明装置的组装更加简洁。

3、本发明装置的箱体侧面设有旋转编码器接口，旋转编码器通过插入旋转编码器接口即可识别使用，简单方便，以一体化地采取三维数据。

4、本发明装置的箱体侧面设有USB接口，USB接口通过USB数据线与外部设备连接，这样就简化了控制模块的接线电路，很大程度上节省了控制模块的输入口和输出口，使得控制模块的电路看上去更加简洁，不易出现外部设备的电路接线错误。

5、本发明装置的步进电机与激光距离传感器之间设有无线电源线圈，无线电源线圈用于为激光距离传感器和角度传感器供电，这样可以减少摩擦损耗，而且在工艺设计上更加简单。

附图说明

图1为本发明实施例的果树目标检测装置的结构原理框图。

图2为本发明实施例的果树目标检测装置的外部立体结构图。

图3为本发明实施例的果树目标检测装置的外部正视结构图。

图4为本发明实施例的果树目标检测装置的外部侧视结构图。

图5为本发明实施例的果树目标检测装置的内部立体结构图。

图6为本发明实施例的果树目标检测装置的内部正视结构图。

图7为本发明实施例的果树目标检测装置的内部侧视结构图。

图8为本发明实施例的果树目标检测方法的流程图。

其中，1-数据采集模块，101-步进电机，1011-转轴，102-激光距离传感器，103- 角度传感器，104-旋转编码器，105-无线电源线圈上片，106-无线电源线圈下片，107- 第一无线数据传输模块，2-控制模块，201-控制器，202-步进电机驱动器，203-稳压单元，204-第二无线数据传输模块，3-固定板，4-支架，5-箱体，501-第一线孔，502-第二线孔，503-第三线孔，6-箱盖，7-人机交互模块。

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。

实施例：

如图1所示，本实施例提供了一种果树目标检测装置，该装置可以安装在果园喷雾机上，以实现果树目标检测，其包括数据采集模块1和控制模块2。

如图1～图7所示，所述数据采集模块1包括步进电机101、激光距离传感器102、角度传感器103和旋转编码器104，激光距离传感器102设置在步进电机101的正上方，且激光距离传感器102与步进电机101旋转连接，角度传感器103设置在步进电机101 的正下方，且角度传感器103与步进电机101的转轴1011固定连接。

其中，步进电机101、激光距离传感器102和角度传感器103构成了基于步进电机搭建的距离和角度采集传感器设备，激光距离传感器102采集的距离数据与角度传感器103采集的角度速度相结合，可以模拟现实中的二维平面中的物体；此外，由于果园的路很不平，一般激光雷达的旋转支撑轴容易因颠簸而损坏，本实施例的激光距离传感器102以步进电机101为旋转支撑轴，比用一般滑环更加耐颠簸，不易损坏。

进一步地，步进电机101与激光距离传感器102之间设有无线电源线圈，无线电源线圈用于为激光距离传感器102和角度传感器103供电，这样可以减少摩擦损耗，而且在工艺设计上更加简单，无线电源线圈包括无线电源线圈上片105和无线电源线圈下片106，无线电源线圈上片105设置在激光距离传感器102上，无线电源线圈下片 106设置在步进电机101与激光距离传感器102的连接处。

本实施例中，激光距离传感器102采用型号为TF mini的激光雷达，角度传感器103采用型号为P3022-V1-CW360的角度传感器，旋转编码器104采用增量式类型的编码器。

如图1～图7所示，所述控制模块2包括控制器201、步进电机驱动器202和稳压单元203，控制器201分别与步进电机驱动器202、激光距离传感器202、角度传感器 103和旋转编码器105连接，步进电机驱动器202与步进电机101连接，控制器201 可以控制步进电机驱动器202驱动步进电机101转动，并且可以获取激光距离传感器 102采集的距离数据、角度传感器103采集的角度数据以及旋转编码器104采集的前进距离数据，将距离数据、角度数据和前进距离数据进行预处理，然后将预处理后的距离数据、角度数据和前进距离数据融合在一起，输出XYZ三轴数据；稳压单元203用于为无线电源线圈和步进电机驱动器202供电。

进一步地，所述控制模块2还包括外置接线端子排(图中未示出)，外置接线端子排用于控制模块2电路中公共端的连接，也可用于连接扩展功能。

进一步地，步进电机101、控制器201、步进电机驱动器202、稳压单元203和外置接线端子排均固定在一固定板3上，其中步进电机101固定在固定板3的左边，步进电机驱动器202、稳压单元203和外置接线端子排固定在固定板3的右边；优选地，步进电机101、控制器201、步进电机驱动器202、稳压单元203通过支架4固定在固定板3上，该支架4可以起到支撑步进电机101、控制器201、步进电机驱动器202和稳压单元203的作用。

为了实现激光距离传感器102与控制器201之间的数据传输，数据采集模块1还包括第一无线数据传输模块107，控制模块2还包括第二无线数据传输模块204，第二无线数据传输模块204可以固定在固定板3的左边；激光距离传感器202依次通过第一无线数据传输模块107、第二无线数据传输模块204与控制器201连接，第一无线数据传输模块107用于将激光距离传感器102采集的数据传输给第二无线数据传输模块 204，所述第二无线数据传输模块204用于将接收到的数据传输给控制器201，第一无线数据传输模块107和第二无线数据传输模块204可以减少内部电线的布线，使得本实施例装置的组装更加简洁；为了实现角度传感器103与控制器201之间的数据传输，角度传感器103与控制器201的外接引脚连接。

本实施例中，控制器201采用Arduino Mage2560单片机，步进电机驱动器202采用型号为DM320的驱动器，稳压模块采用DC-DC稳压电源，其输出电压为12V模块。

为了保护步进电机101、角度传感器103以及控制模块2，本实施例装置还包括箱体5，步进电机101、角度传感器103、控制模块2和固定板3设置在箱体5内部，而激光距离传感器102由于需要发射激光检测，因此其检测部位位于箱体5外部。

进一步地，箱体5顶部设有可打开或闭合的箱盖6，箱盖6可以通过螺栓与箱体5 连接，用户打开箱盖6后，可以对箱体5内的部件进行维护；为了使用户更方便地打开箱体6，箱盖6可以通过合页与箱体5的一侧铰接，即箱盖6能够相对于箱体5打开或闭合。

进一步地，箱体5侧面开有第一线孔501、第二线孔502和第三线孔503，其中第一线孔501设置电源接口，第二线孔502设置USB接口，第三线孔503设置旋转编码器接口，电源接口、USB接口和旋转编码器接口分别与控制器201连接；电源接口可以为本实施例装置供电，该电源接口采用便携式可控三针插头进行供电，简化供电电路，操作简单，供电只需要一个台式计算机供电的电源线即可，同时可以控制本实施例装置的开关；USB接口通过USB数据线与外部设备(如手机、平板电脑等)连接，控制器1可以将整合的XYZ三轴数据传输给外部设备；旋转编码器104设置在箱体5 外部，并与旋转编码器接口连接。

为了方便用户操作，本实施例装置还包括人机交互模块7，人机交互模块7可以采用触摸屏，其与控制器201连接，触摸屏上有操作界面，通过操作界面可以设置最远探测距离和最小角度，并显示果树体积大小等；容易理解，人机交互模块7也可以采用显示屏与按键的组合；优选地，人机交互模块7可以设置在箱盖6上,，也可以设置在箱体5的某个侧面上。

如图8所示，本实施例还提供了一种果树目标检测方法，该方法基于上述果树目标检测装置实现，包括以下步骤：

S1、获取激光距离传感器采集的距离数据、角度传感器采集的角度数据以及旋转编码器采集的前进距离数据。

S2、对距离数据、角度数据和前进距离数据进行去除无效点处理。

S3、将处理后的距离数据和角度数据进行数据融合，并将极坐标转换为直角坐标系，得到XY轴数据。

具体地，使用激光距离传感器和角度传感器采集n次数据时，L_i以毫米为单位，α_i以度为单位，将极坐标转换为直角坐标系，如下：

X_i＝L_icosα_i (1)

Y_i＝L_isinα_i (2)

其中，L_i表示激光距离传感器采集的第i个距离值，α_i表示角度传感器采集的第i个角度值，X_i表示直角坐标系中第i点的横坐标值，Y_i表示直角坐标系中第i点的纵坐标值，A表示数组将XY值进行存储。

S4、将处理后的前进距离数据作为Z轴数据加入XY轴数据，输出得到XYZ轴数据，以实现果树目标检测。

为了加入Z轴数据，本实施例定义了成本函数，通过在XYZ空间中使用参数集W 来考虑使用n个点进行重建是很重要的，如下所示：

可以用另一个表达式表示：

M·K＝Z (5)

其中，M是具有来自重建点云的XY信息的矩阵，K表示拟合平面的系数矩阵。

综上所述，本发明装置的数据采集模块包括步进电机、激光距离传感器、角度传感器和旋转编码器，激光距离传感器采集的距离数据与角度传感器采集的角度速度相结合，可以模拟现实中的二维平面中的物体，再加入旋转编码器采集的前进距离数据，通过控制器处理可以输出三维数据，这个三维数据就是具有深度信息的数据，从而实现果树目标检测，激光距离传感器的旋转支撑轴为步进电机，比现有激光距离传感器使用滑环更加耐颠簸，不易损坏，即本发明装置能够更简洁方便地得出所需深度数据、稳定性高，减震效果好，并且本发明装置可以应用于教学领域，其将电气控制、物理、数学等学科进行了综合，有利于培养学生的动手能力、观察能力、逻辑思维能力和数据处理能力，能综合性地培养学生。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种果树目标检测装置，其特征在于，包括数据采集模块和控制模块；

所述数据采集模块包括步进电机、激光距离传感器、角度传感器和旋转编码器，所述激光距离传感器设置在步进电机的正上方，且激光距离传感器与步进电机旋转连接，所述角度传感器设置在步进电机的正下方，且角度传感器与步进电机的转轴固定连接；

所述控制模块分别与步进电机、激光距离传感器、角度传感器和旋转编码器连接，且控制模块和步进电机固定在一固定板上。

2.根据权利要求1所述的果树目标检测装置，其特征在于，所述控制模块包括控制器和步进电机驱动器，所述控制器分别与步进电机驱动器、激光距离传感器、角度传感器和旋转编码器连接，所述步进电机驱动器与步进电机连接。

3.根据权利要求2所述的果树目标检测装置，其特征在于，所述数据采集模块还包括第一无线数据传输模块，所述控制模块还包括第二无线数据传输模块；

所述激光距离传感器依次通过第一无线数据传输模块、第二无线数据传输模块与控制器连接，所述第一无线数据传输模块用于将激光距离传感器采集的数据传输给第二无线数据传输模块，所述第二无线数据传输模块用于将接收到的数据传输给控制器。

4.根据权利要求2所述的果树目标检测装置，其特征在于，所述角度传感器与控制器的外接引脚连接。

5.根据权利要求1-4任一项所述的果树目标检测装置，其特征在于，所述装置还包括箱体，所述步进电机、角度传感器、控制模块和固定板设置在箱体内部，所述箱体侧面设有旋转编码器接口，所述旋转编码器设置在箱体外部，旋转编码器通过旋转编码器接口与控制模块连接。

6.根据权利要求5所述的果树目标检测装置，其特征在于，所述箱体侧面还设有USB接口，所述控制模块通过USB接口与外部设备连接。

7.根据权利要求1-4任一项所述的果树目标检测装置，其特征在于，所述装置还包括人机交互模块，所述人机交互模块与控制模块连接。

8.根据权利要求1-4任一项所述的果树目标检测装置，其特征在于，所述步进电机与激光距离传感器之间设有无线电源线圈，所述无线电源线圈用于为激光距离传感器和角度传感器供电。

9.一种果园喷雾机，其特征在于，所述喷雾机安装有权利要求1-8任一项所述的果树目标检测装置。

10.一种基于权利要求1-8任一项所述果树目标检测装置的果树目标检测方法，其特征在于，所述方法包括：

获取激光距离传感器采集的距离数据、角度传感器采集的角度数据以及旋转编码器采集的前进距离数据；

对距离数据、角度数据和前进距离数据进行去除无效点处理；

将处理后的距离数据和角度数据进行数据融合，并将极坐标转换为直角坐标系，得到XY轴数据；

将处理后的前进距离数据作为Z轴数据加入XY轴数据，输出得到XYZ轴数据，以实现果树目标检测。