CN111935973A - 农业作业监测设备、系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于成像和表征土壤表面和由农用机具形成的土壤表面中的沟槽的系统、方法和设备。传感器设置在农用机具上、与处理器进行数据通信，以产生可显示给操作员的土壤表面图像和沟槽图像。在一个实施例中，传感器包括一个或多个飞行时间照相机，用于确定沟槽的深度以及周围土壤表面和沟槽的其他特征，包括检测沟槽中的种子、土壤或其他碎屑以及检测沟槽内的水分线。该系统可以基于所产生的图像来控制机具的操作参数。

Description

农业作业监测设备、系统与方法

背景技术

近年来，先进的针对特定地点的农业应用和测量系统(用于所谓的“精细耕作”实践)的可用性提高了播种者对确定土壤的空间变化和鉴于这种变化而改变各种输入应用变量(例如播种深度)的兴趣。因此，在本领域中需要一种用于在农业输入应用期间表征种子沟槽的系统。

附图说明

图1是农业播种机的实施例的俯视图。

图2是播种机成垄单元的实施例的侧视图。

图3示意性地示出了土壤监测系统的实施例。

图4A是具有多个装在压种器上的传感器的压种器的实施例的侧视图。

图4B是图4A的压种器的平面图。

图4C是设置在种子沟槽中的图4A的压种器的后视图。

图5示出了包括反射率变化的数字表示的图形显示的实施例。

图6示出了包括反射率变化的空间映射的图形显示的实施例。

图7示出了结合有图像捕获设备的实施例的成垄单元的局部视图。

图8是结合了传感器和图像捕获设备的柄延伸部的实施例的侧视图。

图9是图8的柄延伸部的立面图，示出了偏压构件。

图10是图8的柄延伸部的局部俯视平面图，示出了偏压构件的可替代实施例。

图11是与带有图像捕获设备的柄延伸部相结合的带有传感器的拖曳构件的侧视图。

图12示出了包括由图7、8或11的图像捕获设备捕获的图像的图形显示的实施例。

图13示出了垄图像选择过程的实施例。

图14A示出了在成垄单元上的各个位置处的飞行时间照相机的实施例的侧视图。

图14B示出了来自图14A的托架的俯视平面图，其中飞行时间照相机设置在托架的中间。

图15示出了包括种子深度的空间映射的图形显示的实施例。

图16A示出了种子沟槽的截面图。

图16B示出了图16A的种子沟槽的俯视图。

图17示出了成垄单元上的飞行时间照相机和气体源的实施例的侧视图。

图18示出了成垄单元上的飞行时间照相机和静电荷系统的实施例的侧视图。

图19示出了成垄单元的实施例的侧视图，其中，传感器设置在清垄器的前方以检测土堆，并且照相机设置在开沟组件的后方以识别由清垄器形成的横向沟槽。

图20是类似于图16A的剖视图，示出了种子沟槽并且示出了由清垄器形成的横向沟槽。

具体实施方式

深度控制和土壤监测系统

现在参考附图，其中贯穿若干视图，相同的附图标记表示相同或相应的部件，图1示出了牵引农用机具(例如，播种机10)的拖拉机5，农用机具包括操作地支撑多个成垄单元200的工具杆14。示出了位于拖拉机5的驾驶室中的机具监测器50。机具监测器50可以包括中央处理单元(“CPU”)，存储器和图形用户界面(“GUI”)(例如，触摸屏界面)。全球定位系统(“GPS”)接收器52可以安装到拖拉机5。

图2是成垄单元200的实施例的侧视图，该成垄单元诸如是播种机的成垄单元。成垄单元200通过平行连杆216枢转地连接到工具杆14。成垄单元支撑开沟组件234和合沟组件236。致动器218可设置成在成垄单元200上施加提升力和/或下压力。示出了电磁阀390与致动器218流体连通，以改变由致动器218施加的提升力和/或下压力。开沟组件234可包括两个开沟盘244，所述开沟盘滚动地安装到向下延伸的柄254并设置成在土壤表面40中开出V形沟槽38。一对犁规轮248由一对相应的犁规轮臂260枢转地支撑。犁规轮248相对于开沟盘244的高度设定沟槽38的深度。深度调整摇杆268限制了犁规轮臂260的向上行程并因此限制了犁规轮248的向上行程。深度调整致动器380构造成成修改深度调整摇杆268的位置并且因此修改犁规轮248相对于开沟盘244的位置。深度调整致动器380可以是线性致动器，其安装到成垄单元200并枢转地联接至摇杆268的上端部。在一些实施例中,深度调整致动器380可包括如在国际专利公开WO2017/143125和WO2017/143121或WO2012/149415中公开的任一种深度调整系统，其公开内容由此通过引用整体结合于本文。编码器382可构造成为产生与致动器380的线性延伸有关的信号。应当意识到的是，当犁规轮臂260与摇杆268接触时，深度调整致动器380的线性延伸与沟槽38的深度有关。下压力传感器392可设置成产生与由犁规轮248施加在土壤表面40上的力的量有关的信号。在一些实施例中，下压力传感器392包括仪表销，摇杆268围绕该仪表销可枢转地联接至成垄单元200，仪表销诸如是美国专利公开US2010/0180695中公开的那些仪表销，其公开内容由此通过引用整体并入本文。另外，期望的下压力可以通过在美国专利US9,288,937和US9,144,189中公开的用于下压力控制的系统和方法来实现，其公开内容由此通过引用整体并入本文。

继续参考图2，排种器230将种子42从料斗226经由输种管232沉积到沟槽38中，输种管设置成将种子朝向沟槽引导，排种器诸如为在申请人的国际专利公开WO2012/129442中公开的排种器，该国际专利公开的公开内容通过引用整体并入本文。可替代地，诸如在国际公开WO2013/049198中公开的种子输送机232'可以代替输种管232进行利用，该国际公开的公开内容由此通过引用整体并入本文。驱动机构315可以是电动的或液压的，驱动机构可以驱动排种器内的播种盘。种子传感器305可以安装到输种管232以产生指示种子通过的信号。种子传感器305可以是光学的或电磁的种子传感器，其构造成在种子42的路径上发送光或电磁波。合沟组件236枢转地联接到成垄单元200，并且可以包括一个或多个构造成在沉积种子之后闭合沟槽38的合沟轮238。

继续参考图2，诸如在美国专利US8,550,020中公开的清垄器组件12经由附接到柄254的托架13安装到成垄单元200的前端部，该美国专利的公开内容由此通过引用整体并入本文。清垄器臂14附接到托架13并向下延伸至清垄器轮16。致动器15设置在托架13和板17之间，板17安装到向前延伸的清垄器臂14。致动器15可以与监测器50进行信号通信，以接收信号来增加或减小施加到清垄器组件12的下压力。致动器15可以是如在美国专利US8,550,020中所述的气动致动器，或者致动器15可以是液压的，机电的或其组合。致动器15可以是双作用或单作用的致动器。

转到图3，示意性地示出了深度控制和土壤监测系统300。监测器50可以与和每个成垄单元200相关联的部件进行数据通信，所述部件包括驱动器315、种子传感器305、GPS接收器52、下压力传感器392、下压力阀390、深度调整致动器380、深度致动器编码器382和清垄器致动器15。在一些实施例中，特别是在每个排种器230不由单独的驱动器315驱动的实施例中，监测器50可以与离合器310进行数据通信，该离合器构造成选择性地将排种器230可操作地联接到驱动器315。

监测器50可以与蜂窝调制解调器330或其他组件进行数据通信，蜂窝调制解调器或其他组件构造成使监测器50与由附图标记335表示的互联网进行数据通信。经由互联网连接，监测器50可以从天气数据服务器340和土壤数据服务器345接收数据。监测器50还可以与安装到播种机10上的一个或多个温度传感器360进行数据通信，所述温度传感器360构造成产生与由播种机成垄单元200正在处理的土壤的温度有关的信号。监测器50可以另外地与安装到播种机10上的一个或多个反射率传感器350进行数据通信，反射率传感器350构造成产生与由播种机成垄单元200正在处理的土壤的反射率有关的信号。监测器还可以与安装到播种机10上的一个或多个温度传感器360和导电率传感器370进行数据通信，所述温度传感器360和导电率传感器370构造成分别产生与由播种机成垄单元200正在处理的土壤的温度和导电率有关的信号。

在一些实施例中，第一组反射率传感器350、温度传感器360和导电率传感器370安装到土壤接合部件400(诸如压种器)并且被设置成分别测量沟槽38中的土壤的反射率、温度和导电率。在一些实施例中，第二组反射率传感器350、温度传感器360和导电率传感器370安装到参考传感器组件1800并且被设置成优选地在与土壤接合部件400上的各传感器不同的深度处分别测量土壤的反射率、温度和导电率。

在一些实施例中，传感器的子组经由总线60(例如，CAN总线)与监测器50进行数据通信。在一些实施例中，安装到压种器400上的传感器和安装到基准传感器组件1800上的传感器同样地经由总线60与监测器50进行数据通信。然而，在图3所示的实施例中，安装到土壤接合部件400上的传感器与安装到基准传感器组件1800上的传感器分别经由第一无线发射器62-1和第二无线发射器62-2与监测器50进行数据通信。每个成垄单元处的无线发射器62可以与单个无线接收器64进行数据通信，该单个无线接收器64又与监测器50进行数据通信。无线接收器可以安装到工具杆14上或安装在拖拉机5的驾驶室中。

土壤监测、种子监测和种子压实设备

转到图4A-4C，示出了包括压种器400的土壤接合部件的实施例，其具有多个用于感测土壤特征的传感器。在该实施例中，压种器400包括通过托架415安装到柄254和/或输种管232的柔性部分410。在一些实施例中，托架415类似于在美国专利US6,918,342或美国专利US8,794,164中公开的托架实施例中的一种，其公开内容通过引用整体并入本文。压种器包括压种器主体490，该压种器主体设置和构造成至少部分地被接收在V形沟槽38内，并且将种子42压实到沟槽的底部中。当压种器400下降到沟槽38中时，柔性部分410推动压种器主体490与沟槽的底部弹性接合。在一些实施例中，柔性部分410可以包括如在国际专利公开WO2014/066664中公开的外部或内部加强件,其公开内容通过引用整体并入本文。在一些实施例中，压种器主体490包括可移除部分492，该可移除部分492可以滑动成与压种器主体的其余部分锁定接合。可替代地，可移除部分492可通过可移除的紧固件(诸如螺钉)附接到压种器主体490。压种器主体490(可以包括接合土壤的部分，在一些实施例中，其包括可移除部分492)可以由具有疏水性和/或抗粘着性(例如聚四氟乙烯(Teflon)石墨涂层)的材料(或具有外表面或涂层)制成，和/或所述材料包含聚合物，该聚合物具有浸渍在其中的疏水性材料(例如，硅油或聚醚醚酮)。根据正被检测的土壤特征，可以将传感器设置在可移除部分492上或压种器主体490上的任何位置处，包括在压种器主体490的底部上和侧面上。

压种器400可包括多个反射率传感器350a、350b。每个反射率传感器350可以设置和构造成测量土壤的反射率。在一个优选实施例中，反射率传感器350设置成测量沟槽38中的土壤以及沟槽底部处的土壤。反射率传感器350可包括透镜，该透镜设置在压种器主体490的底部中并且设置成与沟槽38底部处的土壤接合。在一些实施例中，反射率传感器350包括在美国专利US8,204,689和/或WO2014/86810中公开的实施例中的一种反射率传感器，两者均由此通过引用整体并入本文。在各个实施例中，反射率传感器350构造成测量在可见光范围(例如，400纳米和/或600纳米)、在近红外光范围(例如，940纳米)和/或在红外范围内的其他地方的反射率。

压种器400可包括电容式水分传感器351，该电容式水分传感器设置和构造成测量种子沟槽38中(诸如在沟槽38的底部处)的土壤的电容水分。压种器400还可以包括电子张力计传感器352，该电子张力计传感器设置并构造成测量种子沟槽38中(诸如在沟槽38的底部处)的土壤的土壤水分张力。可替代地，土壤水分张力可以从电容水分测量值或反射率测量值(例如在1450nm处)推测出。这可以使用基于土壤类型的土壤水分特征曲线来完成。

压种器400还可以包括温度传感器360，该温度传感器设置和构造为测量土壤的温度。在一个实施例中，温度传感器360设置成测量沟槽38中的土壤、测量沟槽38的底部处或附近的土壤。温度传感器360可以包括被设置为随着播种机横越田地而滑动地接合沟槽38的每一侧的土壤接合耳状件364、366(图4B、4C)。耳状件364、366可以在沟槽的底部处或附近接合沟槽38。耳状件364、366可以由诸如铜的导热材料制成。耳状件364可以固定至容纳在压种器主体490内的中心部分362并与该中心部分热连通。中心部分362可以包括诸如铜的导热材料。在一些实施例中，中心部分362包括空心铜棒。中心部分362可以与固定到该中心部分的热电偶热连通。

压种器还可以包括多个导电率传感器370r、370f。每个导电率传感器370可以被设置和构造成测量土壤的导电率。在一个实施例中，导电率传感器设置成测量沟槽38中的土壤的导电率，诸如测量在沟槽38的底部处或附近的土壤的导电率。导电率传感器370可以包括被设置为随着播种机横越田地而滑动地接合沟槽38的每一侧的土壤接合耳状件374、376。耳状件374、376可以在沟槽的底部处或附近接合沟槽38。耳状件374、376可以由诸如铜的导电材料制成。耳状件374可以固定到容纳在压种器主体490内的中心部分372并与该中心部分电连通。中心部分372可以包括诸如铜的导电材料。在一些实施例中，中心部分372包括铜棒。中心部分372可以与固定到该中心部分的电导线电连通。导电率传感器可以通过测量土壤接合耳状件374和376之间的电流来测量沟槽内的导电率。

参照图4B，在一些实施例中，系统300通过测量前导电率传感器370r和后导电率传感器370f之间的电势来测量沟槽38附近的土壤的导电率。

参照图4C，在一些实施例中，系统300通过测量第一压种器400-1上的导电率传感器和第二压种器400-2上的导电率传感器之间的电势来测量分别具有第一压种器400-1和第二压种器400-2的两个成垄单元200之间的土壤的导电率。

反射率传感器350、电容式水分传感器351、电子张力计传感器352、温度传感器360和导电率传感器370(统称为“装在压种器上的传感器”)优选与监测器50进行数据通信。在一些实施例中，装在压种器上的传感器经由收发器(例如，CAN收发器)和总线60与监测器50进行数据通信。在其他实施例中，装在压种器上的传感器经由无线发射器62-1(其可安装到压种器上)和无线接收器64与监测器50进行数据通信。在一些实施例中，装在压种器上的传感器经由包括阳联接器472和阴联接器474的多引脚连接器与无线发射器62-1(或收发器)电连通。在具有可移除部分492的压种器主体实施例中，优选地将阳联接器472安装到可移除部分上，可将阴联接器474安装到压种器主体490的其余部分上。联接器472、474可以设置成使得当可移除部分滑动地安装到压种器主体490上时，这些联接器电接合。

应当意识到的是，可以将图4A-4C传感器实施例安装到除了播种机(诸如耕种工具)之外的机具上并与该机具联合使用。例如，压种器可以设置成接触由耕作机具(诸如圆盘耙或松土器)开出(或否则在土壤表面上经过)的沟槽中的土壤。在这种设备上，传感器可以安装在设备的接触土壤的一部分上，或者安装在与设备的一部分连接并接触土壤的任何延伸部上。应当意识到的是，在一些这样的实施例中，压种器将不接触已播种的种子，但仍如本文另外公开的那样测量并报告土壤特征。

数据处理与显示

参照图5，机具监测器50可以显示土壤数据概要500，该土壤数据概要显示使用压种器400和相关传感器收集的土壤数据的表示(例如，基于数字或基于图例的表示)。可以在诸如土壤水分窗口510和土壤温度窗口520的窗口中显示土壤数据。深度设定窗口530可以附加地示出机具的成垄单元的当前深度设定，例如，压种器400正在进行其相应测量所处的深度。反射率变化窗口550可显示在阈值时间段(例如，先前的30秒)期间或在机具行进的阈值距离(例如，之前的30英尺)上的统计反射率变化。统计反射率变化可以包括反射率信号(例如，由每个反射率传感器350生成)的任何函数，诸如反射率信号的方差或标准偏差。监测器50可以附加地基于反射率变化值而显示预测的农艺结果(例如，成功出苗的植物的百分比)的表示。例如，反射率的值可以用来在根据经验生成的数据库(例如，存储在机具监测器50的存储器中或者存储在与机具监测器进行数据通信的远程服务器中并在远程服务器上更新)中查找预测的植物出苗值，从而使得反射率值与预测的植物出苗相关联。

参照图6，反射率变化可以在空间上显示在空间反射率变化映射600(例如，在机具监测器50或远程计算机上所显示的)上。该田地的区域可以与分别由颜色或图案与图例610的子集612、614、616相关联的图形表示622、624、626(例如，像素或块)相关联。子组可以对应于反射率变化的数值范围。可以根据与反射率变化范围在经验上相关的农艺指标来命名子组。例如，可以将低于第一阈值的反射率变化标记为“良好”，在该第一阈值条件下预测到没有出苗失败；可以将第一阈值和第二阈值之间的反射率变化标记为“可接受”，在第二阈值条件下预测的出苗失败在农艺学上是不可接受的(例如，可能对产量造成的影响大于产量阈值)；可以将高于第二阈值的反射率变化标记为“预测的不良出苗”。

土壤数据概要500中的每个窗口可以显示进行测量的所有成垄单元(“垄”)的平均值，以及可选地显示具有最高值和/或最低值以及与这样的一个或多个成垄单元相关联的值的成垄单元。选择(例如，单击或轻击)每个窗口可以针对进行测量的每个成垄单元显示与该窗口相关联的数据的各个(逐行)值。

图像捕获

转到图7，示出了图像捕获设备700，该图像捕获设备结合有安装到延伸部710的照相机750。在一个实施例中，延伸部710可以是防护件和/或刮具(也称为辙叉)，其用于保持开沟盘244散布和/或从开沟盘244清除泥土。延伸部710可以可移除地安装到成垄单元的一部分(诸如柄254的下端部或托架415)上。照相机750可以定向为捕获沟槽的图像，并且可以被定向为向后(例如，与行进方向相反)并且至少部分地设置在沟槽38内部(例如，至少部分在土壤表面下方)。应当意识到的是，照相机750安装在合沟组件236的前面并且在开沟盘244的前边缘的后方(例如，至少部分横向上位于开沟盘之间)。在照相机750邻近开沟盘244的实施例中，一个或多个耐磨防护件712(例如，由碳化钨或其他耐磨材料构成)可以安装到延伸部710的任一侧，并且可以侧向向外延伸，使得它们的横向终端设置在照相机750和开沟盘244之间，以保护照相机不与开沟盘接触。可替代地，耐磨防护件712可以安装在延伸部710上的照相机750的任一侧上，并平行于行进方向定向并且具有一厚度，以使得照相机750不与开沟盘244或沟槽38接触。光源740(例如，LED)可以安装到延伸部710并且设置为照亮沟槽38和/或土壤表面40以改善图像捕获的质量。由照相机750捕获的一个或多个图像可以包括沟槽的侧壁、沟槽的底部和/或土壤表面40的上表面。照相机可以如图所示设置在压种器400的前方，并且可以设置成捕获种子的图像。照相机750可以是摄像机和/或静止图像照相机，并且可以与机具监测器50进行数据通信，以将图像传输到机具监测器，以用于显示给用户和/或与捕获图像所在的田地的位置(例如地理参考位置)相关联，并用于存储在工具监测器50的存储器中和/或远程服务器上。

在如图8所示的可替代实施例中，任一传感器(例如350、351、352、360和/或370)被描述为设置在压种器式土壤接合部件400上，其可以被设置在包括柄的延伸部710的土壤接合部件上。传感器可以安装在延伸部710的侧面上以与沟槽38的侧壁接触，或者传感器可以安装在延伸部710的底部上以与沟槽38的底部接触。应当意识到的是，成对的多个传感器350、351、352、360、370可以沿竖向设置在延伸部710(未示出)上，以提供在种子沟槽38的不同深度处的测量。多个传感器可以用在延伸部710上，与照相机750向联合使用或不与照相机750一起使用。

将传感器设置在延伸部710上的益处在于，不需要从信号中减去在压种器400在种子上方经过时由种子产生的信号变化。这简化了对信号的处理，尤其是当种子诸如与大豆一起紧密地播种时。而且，沟槽38的侧壁比沟槽38的底部更光滑，这使得信号可变性较小，这也简化了对信号的处理。而且，当传感器安装在延伸部710上时，可以施加更大力，使得传感器具有增加的土壤接触以用于增加的测量。可以意识到的是，压种器400具有在给定的土壤条件下基于种子与土壤的接触而施加的最大力，以使得种子以期望的深度并具有期望的种子与土壤的接触和/或防止种子移动地播种。而且，与压种器400相比，延伸部710可以在播种期间更好地保护传感器和/或照相机免受岩石侵害。

延伸部710可以包括偏压构件760(图9-图10)，该偏压构件设置成偏压延伸部以与沟槽38的侧壁接触，从而通过最小化延伸部710在沟槽38内的侧-侧运动而提供与土壤的更一致接合并因此提供更均匀的信号。各种类型的偏压构件760的示例可以包括但不限于：如图9所示的翼状凸块，或如图10所示的须状件、叉状件或杆状弹簧。偏压构件760也可以设置在延伸部710和照相机750与耐磨防护件712之间，以使耐磨防护件712保持与沟槽38接触并保持相机镜头清洁以免积聚尘埃。在这些实施例中，延伸部710用作传感器和/或照相机的挡块。可替代地，偏压构件760可以设置在压种器400的侧面(未示出)上。

应当意识到的是，如果延伸部710是防护件/刮具，则开沟盘244和延伸部710之间的摩擦力由于摩擦而可能产生热，这可能导致延伸部接近150℃。因此，可能期望在传感器350、351、352、360、370与延伸部710的主体之间隔热，以最小化延伸部的主体与设置在延伸部的主体中或其上的传感器之间的热传递。

在又一可替代的实施例中，如图11所示，传感器350、351、352、360、370可以设置在土壤接合部件的底部或侧壁上，该土壤接合部件包括拖曳构件770，拖曳构件通过弹性臂772固定至柄254或固定至柄延伸部710，使得拖曳构件处于柄254或延伸部710的下方和后方，但在由输种管沉积的种子的轨迹的前方。可替代地，弹性臂772可以是活动铰链(未示出)。弹性臂772将拖曳构件770偏压到种子沟槽38的底部中，以确保与土壤的一致且均匀的接触。另外，拖曳构件770可以与如先前所描述的任一侧偏压构件760结合，以最小化延伸部710在沟槽38内的侧-侧移动，以提供与土壤的更一致接合并因此提供更均匀的信号。如图11所示，拖曳构件770被设置在开沟盘244的稍后方，以允许尘埃在拖曳构件周围流动。

转到图12，机具监测器50可以显示屏幕800，该屏幕800包括图像810(例如，视频或静止图像)，该图像810包括土壤表面40、土壤表面上的残留物43、包括其侧壁38r、38l和槽线38t的沟槽38、和设置在沟槽底部中的种子42。屏幕800可以包括垄识别窗口820，其识别哪个垄与所显示的图像相关联。选择垄标识窗口820中的箭头之一可以命令监测器50加载新屏幕，该新屏幕包括与机具的另一不同垄相关联的图像(例如，由与该另一不同垄相关联的第二图像捕获设备捕获的图像)。屏幕800可以包括土壤或种子数据的数字或其他指示，监测器50可以通过分析一个或多个图像810或图像的一个或多个部分来确定该数字或其他指示。

土壤数据测量窗口830可以显示与沟槽38中的土壤相关联的土壤水分值。土壤水分值可以基于对图像810(例如，图像的对应于侧壁38r、38l的部分)的图像分析。通常，图像810可用于通过参考图像特征(例如，颜色、反射率)与水分值相关的数据库来确定水分值。为了帮助确定水分值，可以在一个或多个波长下捕获一个或多个图像。波长可以选择成使得在一个或多个波长处图像特征(或图像特征的算术组合)与水分的统计学相关强度处于所期望的相关强度范围内。也可以改变由光源740产生的光波的波长或振幅以改善在所选图像捕获波长处的图像质量或以其他方式对应于所选图像捕获波长。可替代地，土壤水分值可以基于来自传感器351的电容式水分或来自电子张力计传感器352的土壤水分张力。在一些实施方式中，沟槽可以被分成具有不同的估计水分的部分(例如，在水分线38d上方和下方的侧壁38l的部分)，而且可以由屏幕800报告水分和/或水分值变化所在的深度(例如，水分线38d的深度)两者。应当意识到的是，可以使用与图6所示的映射类似的映射来在空间上映射水分值。应当意识到的是，可以基于一个或多个所捕获的图像，使用相似的方法和措施来确定和报告除了水分以外的土壤数据(例如，土壤温度、土壤质地、土壤颜色)。

农艺性质窗口840可以显示可以通过对图像810的分析估计的农艺性质值(例如，残留物密度、沟槽深度、沟槽塌陷百分比、沟槽形状)。例如，可以通过以下步骤计算残留物密度：(1)计算土壤表面积(例如，通过基于照相机的取向和沟槽的深度或基于土壤表面的颜色来识别和测量所识别的土壤表面区域的面积)；(2)通过确定被覆盖的土壤表面区域的面积来计算残留物覆盖面积(例如，通过识别被残留物覆盖的土壤表面的总面积，其中残留物可以由颜色比恒定阈值浅的区域来识别或由比土壤表面区域的平均颜色浅超过阈值百分比的区域来识别)；以及(3)将残留物覆盖面积除以土壤表面积。

播种标准窗口850可以显示播种标准，诸如种子间距、种子单粒种或种子密植度。可以使用种子传感器和在美国专利US8,078,367中公开的算法来计算播种标准，其公开内容由此通过引用整体并入本文。在一些实施方式中，与美国专利US8,078,367中公开的算法类似的算法可与参考图像810计算的种子之间的距离结合使用。例如，监控器50可以：(1)识别出图像810中的多个种子(例如，通过识别具有与种子根据经验相关联的颜色范围的图像的区域)；(2)确定相邻种子之间的一个或多个图像距离(例如，通过测量图像上的种子质心之间直线的长度)；(3)利用沿图像中的沟槽延伸的距离与沿实际沟槽延伸的对应距离之间的数学和/或经验关系，将图像距离转换为“真实空间”距离；(4)基于“真实空间”距离和/或图像距离，计算播种标准(例如，种子密植度、种子间距、种子单粒种)。

转到图13，示出了用于选择要在屏幕800上显示的垄图像的示例性过程900。应当意识到的是，因为多个成垄单元可以结合有图像捕获设备，所以可能不希望同时显示来自所有这样的成垄单元的图像。而是，在步骤905处，监测器50可以通过以规则间隔(例如，10秒、30秒、一分钟)显示新的垄图像来显示相继的垄图像(即，由相继的成垄单元捕获的静止图像或视频图像)。例如，可以显示来自第一成垄单元处的第一图像捕获设备的第一静止图像或视频流，直到第一规则间隔终止为止，随后，显示来自第二成垄单元处的第二图像捕获设备的第二静态图像或视频流，直到第二个规则间隔终止为止。步骤910可以与步骤905同时执行。在步骤910处，监测器50可以将每个成垄单元处的警报值与相关联的警报阈值进行比较。该警报值可以对应于土壤测量值(例如，土壤水分、土壤温度、土壤质地、土壤颜色、土壤反射率、土壤反射率变化)，该土壤测量值可以基于对垄图像的分析来估计或者由与成垄单元相关联的另一土壤特征传感器来测量。警报值可以对应于可以基于对垄图像的分析来估计或者由另一个农艺特性传感器(诸如，种子传感器、肥料流量传感器、沟槽深度传感器)来测量的农艺性质或播种标准(例如，残留物密度、沟槽塌陷、沟槽形状、沟槽深度、种子间距、种子单粒种、种子密植度、肥料流量)。警报阈值可以包括警报值的选定常数或在前一时期或在操作期间在指定区域(例如30秒、30英尺的行程、与操作相关的整个田地)报告给监测器的警报值的统计函数(例如，高于或低于均值或平均值的一个或多个标准偏差)。在步骤915处，监测器50识别呈现警报状况(例如，警报值已经超过警报阈值所处于的状况)的垄。在步骤920处，监测器50显示(例如，在屏幕800上)由图像捕获设备捕获的与呈现警报状况的成垄单元相关联的垄图像。监测器50可以可选地指示与垄图像相邻的警报状况的图形表示，例如，在指示警报的单独窗口中，或者通过将吸引注意的标识(例如红色边框)添加到窗口(例如，土壤数据测量窗口830、农艺性质窗口840)。在步骤925处，监测器50识别警报状况的解决方案(例如，通过使用户能够取消警报或通过确定警报状况不再有效)，并返回到步骤905。

在一个实施例中，可基于由传感器和/或照相机测量的土壤特征来调整播种深度，以使得在沟槽38中发现期望的温度、水分和/或电导的情况下播种种子。可将信号发送到深度调整致动器380以改变深度调整摇杆268的位置并且因此改变犁规轮248的高度，以将种子放置在期望的深度处。在一个实施例中，总体目标是使种子在大约同一时间发芽。这产生更高的一致性和作物产量。当某些种子在其他种子之前发芽时，较早产生的植物会遮蔽较晚产生的植物，从而剥夺它们所需的阳光，并可能不成比例地从周围的土壤中吸收更多的养分，从而降低了较晚发芽的种子的产量。发芽的天数取决于水分的可用性(土壤水分张力)和温度的组合。

在一个实施例中，水分可以通过体积含水量或土壤水分张力来测量。当变化超过期望阈值时，可以调节深度。例如，当体积含水量变化大于5％或土壤水分张力变化大于50kPa时，可将深度调整得更深。

在另一个实施例中，可以调节播种深度，直到获得良好的水分。良好的水分是绝对水分和水分变化的结合。例如，当存在大于15％得体积含水量或土壤水分张力且小于5％的体积水含量或土壤水分张力变化时，出现良好的水分。良好的水分可能大于95％。

在另一个实施例中，可以参考用于与出苗天数相关的水分和温度组合的数据表。通过将深度向上或向下移动到提供一致的出苗天数的温度和水分的组合，可以控制深度以在整个田地上具有一致的出苗天数。可替代地，可以控制深度以最小化出苗天数。

在另一个实施例中，可以基于田地中当前温度和水分状况以及来自天气预报的预测温度和水分输送的组合来调节深度。在美国专利公开US2016/0037709中描述了该方法，其全部内容由此通过引用合并于本文。

在前述用于水分的深度控制的任一实施例中，该控制可进一步由最小阈值温度限制。可以设置最小阈值温度(例如10℃(50°F))，使得播种机不会播种到最小阈值温度所在的深度以下。这可以基于实际测得的温度，或者考虑在一天中特定时间测得的温度。在整个白天土壤被阳光加热或在夜间土壤被冷却。最小阈值温度可以基于24小时内土壤中的平均温度。可以计算一天中特定时间的实际温度与平均温度之差，并将其用于确定播种深度，以使得温度高于最小阈值温度。

不基于由有机物、土壤水分和/或导电率形成的区域，土壤的导电率、水分、温度和/或反射率的状况可用于直接改变播种密植度(种子/英亩)，养分施用(加仑/英亩)和/或农药施用(磅/英亩)。

在另一个实施例中，任一传感器或照相机可以适于收集能量以给传感器和/或无线通信供电。随着传感器被拖曳穿过土壤，由土壤接触或传感器的运动产生的热量可以用作传感器的能源。

深度测量和水分特征

在图14A所示的另一实施例中，可以通过选择飞行时间照相机750'作为照相机750来测量种子沟槽38的深度和/或种子沟槽38中的种子42的深度。虽然延伸部710上的照相机750的位置可以用于飞行时间照相机750'，但将飞行时间照相机750'设置在种子沟槽38上方的成垄单元200上将另外地提供关于种子沟槽38侧面的信息。飞行时间相机提供了到由飞行时间相机捕获的图像中的物体的距离。

图14A示出了设置在种子沟槽38上方的成垄单元200上的飞行时间照相机750'的可能的可替代位置。在一个位置中，飞行时间照相机750'可以设置在输种管232上，或者如图所示设置在种子输送机232'上。在另一个位置中，飞行时间照相机750'可以设置在托架415上。在另一个位置中，飞行时间照相机750'可以设置在合沟组件236的连接至框架14的托架237上。在另一个位置中，飞行时间照相机750'可以设置在框架14上、在合沟组件236前面。在另一个位置中，飞行时间照相机750'可以设置在压种器400'中。如图14B所示，托架415是美国专利US8,794,164中公开的托架，其具有第一侧416-1和第二侧416-2。飞行时间照相机750'可以设置在托架415的第一侧416-1和第二侧416-2之间。飞行时间照相机750'可以与机具监测器50进行数据通信，以将图像传输到机具监测器，用于向用户显示和/或与捕获图像所处的田地中的位置(例如，地理参考位置)相关联，并用于存储在工具监测器的存储器中和/或远程服务器上。飞行时间照相机750’的示例包括但不限于TexasInstruments OPT8241或OPT8320飞行时间照相机。除了捕获RGB颜色信息之外，飞行时间照相机还捕获每个像素(称为三维像素)的XYZ坐标。可以捕获用于种子沟槽38、种子42、残留物43或干土壤1703的XYZ坐标，并将其用于确定距离。根据飞行时间照相机750'在成垄单元200上的放置，当诸如压种器400'的设备处于视野中时，飞行时间照相机750'可以偏离种子沟槽38正上方。

由飞行时间照相机750'捕获的图像可以提供种子沟槽38的横截面图。距离测量软件可以测量从种子沟槽38的顶部到种子沟槽38的底部的距离，以提供种子沟槽38的深度。由飞行时间照相机750'捕获的图像还可以捕获种子在种子沟槽38中的放置，以确定是否将种子放置在沟槽的底部中，以及可选地确定种子是否压种器400'压实。可以测量种子在种子沟槽38中的深度。参照图15，可以在所示的种子深度映射表1600上(例如，在机具监测器50或远程计算机上)在空间上显示种子深度。田地的区域可以与通过颜色或图案分别与图例1610的子集1612、1614、1616相关联的图形表示1622、1624、1626(例如，像素或块)相关联。这些子集可以对应于种子深度的数值范围。可以基于用于种子播种的选定深度来缩放数字范围。可以在不同深度处播种不同类型的种子。在一个实施例中，绿色可以与在所选深度处播种的种子相关联，并且其他颜色可以用于表示比所选深度浅或深的深度。

将飞行时间照相机750'定位在成垄单元200上并向下看种子沟槽38的好处是可以看到种子沟槽38的顶部以确定在种子沟槽38的顶部或种子沟槽38附近是否存在任何残留物。而且，可以看到从种子沟槽38外部或从种子沟槽38的顶部塌陷到种子上的任何干土壤。

参考图16A和图16B，可以基于土壤的颜色显示基于土壤水分分布图的沟槽分布图。干土壤1701具有浅色，而湿土壤1702具有较深的颜色。而且，可以显示种子1705的放置和深度、农作物残留物43以及干土壤1703。干土壤1703可以是从种子沟槽38的顶部或从种子沟槽38的外部落入种子沟槽38中的干土壤。当种子42不在湿土壤1702中时，可以进行上述深度调整以增加深度直到种子42处于湿土壤1702中。如果有足够的湿土壤1702，则深度可以减小到选定深度。

在另一个实施例中，利用飞行时间照相机750'跟踪种子42的放置可以提供与国际专利公开WO2015/171915中描述的种子脉冲类似的种子脉冲，其全部内容由此通过引用并于本文。该种子脉冲可以用于跟踪“良好的间距”，或者该种子脉冲可以与对阀(未示出)进行脉冲操作一起使用，以将流体置于种子上或附近，该阀诸如在美国专利US7,370,589中描述，其全部内容由此通过引用并于本文。来自飞行时间照相机750’的图像可以检测图像中的种子，并且处理器可以产生种子脉冲。然后，处理器可以向阀发送信号以选择性地打开和关闭阀以将流体置于种子上或附近。

在另一个实施例中，当检测到来自种子沟槽顶部或种子沟槽外部的残留物和/或干土壤存在于种子沟槽38中或种子42上时，可以调整清垄器12以通过增加施加到致动器201上的下压力来增加碎屑移除。来自照相机750或飞行时间照相机750'的图像可以识别残留物或干土壤，并且可以将信号从监测器50中的处理器向致动器201发送，以改变下压力。

在如图17所示的另一个实施例中，气体分配器780可以靠近飞行时间照相机750'设置在成垄单元200上，以将气体流推进到飞行时间照相机750'的视野中以排除处于视野内的任何尘埃或碎屑，以提供种子沟槽38的无阻碍视野。气体分配器780可以与气体源(诸如空气)(未显示)流体连通。气体分配器可具有用于改变气体散布的喷嘴(未示出)。

飞行时间照相机750’可以在其透镜上具有静电涂层以排除尘埃。而且，飞行时间照相机750’可以具有疏水性涂层，以排除飞行时间照相机750’上的任何堆积。在如图18所示的另一个实施例中，可以在飞行时间照相机750'附近设置静电荷系统785，以将静电电荷赋予尘埃颗粒，然后由飞行时间照相机750上的静电涂层将其排除。静电荷系统785可具有一根或多根杆786，以将静电电荷提供给尘埃颗粒。代替杆形状的是，杆786可具有任何其他形状，例如板状形状。

图19是类似于图14A的成垄单元的另一侧视图，但是示出了安装到成垄单元200的前端的清垄器组件12。清垄器组件12是与如上文结合图2所述的清垄器组件相同的清垄器组件。应当意识到的是，如果清垄器致动器15施加了太具侵入性的下压力，则清垄器轮16可能过大发挥作用，从而侧向地迫使过多的土壤到达沟槽开沟组件234前方的任一侧并产生不希望的“额外沟槽”。例如，图20旨在表示土壤的沿行进方向恰好在开沟组件234的后方看到的横截面(类似于图16A)。由过度侵入的清垄器12产生的不希望的“额外沟槽”1700显示为从由开沟盘244(未示出)形成的V形沟槽38的每一侧横向延伸。当成垄单元向前行进时，犁规轮248将以在该额外沟槽1700内滚动结束，从而不能有意地改变了沟槽的深度和不适当的种子播种深度。为了最小化或减小可能产生不期望的额外沟槽的时间长度，可以将如上文结合图14A所述的一个或多个飞行时间照相机750'设置在种子沟槽38上方以检测存在沟槽。如果检测到额外沟槽1700，则土壤监测系统300(图3)可以自动使清垄器致动器15缩回足够量，以避免清垄器轮16产生额外沟槽1700。

另外，如图19所示，传感器1710可以在清垄器组件12前方由托架1712支撑，以检测清垄器轮16前面的土堆，以预料到可能会形成不希望的额外沟槽1700。如果检测到土堆，则土壤监测系统300可稍微缩回清垄器致动器15，以避免在成垄单元在土堆上经过时产生额外的沟槽。传感器1710可以是照相机、飞行时间照相机、雷达、超声波、激光雷达(LIDAR)或激光线三角仪。激光线三角仪的一个示例是如在小册子No.79788353-G021077GKE公开的美国北卡罗来纳州罗利市的Micro-Epsilon公司的scanCONTROL 2D、3D激光扫描仪(激光轮廓扫描仪)，将其通过引用并入本文。

提供前述描述以使本领域普通技术人员能够制造和使用本发明，并且在专利申请及其要求的上下文中提供了前述描述。对设备的优选实施例的各种修改以及本文描述的系统和方法的一般原理和特征对于本领域技术人员而言将是显而易见的。因此，本发明不限于上述和附图所示的设备、系统和方法的实施例，而是与所附权利要求的精神和范围一致的最宽范围相符。

Claims (20)

1.一种农用机具，包括：

至少一个成垄单元，所述至少一个成垄单元中的每一个包括开沟组件，所述开沟组件构造成当农用机具沿向前行进方向行进时在土壤表面上开出种子沟槽；

飞行时间照相机，所述飞行时间照相机设置在所述至少一个成垄单元上，以从所述种子沟槽的上方对所述种子沟槽成像；和

处理器，所述处理器与所述飞行时间照相机进行数据通信，所述处理器构造成产生种子沟槽的图像。

2.根据权利要求1所述的农用机具，其中，所述至少一个成垄单元中的每一个还包括：

种子输送装置；并且

其中，所述飞行时间照相机设置在所述种子输送装置的种子释放位置处。

3.根据权利要求1所述的农用机具，还包括：

气体分配器，所述气体分配器用于将气体排放到所述飞行时间照相机与所述种子沟槽之间的空间。

4.根据权利要求1所述的农用机具，其中，所述飞行时间照相机具有包括防尘静电涂层的透镜。

5.根据权利要求1所述的农用机具，其中，所述飞行时间照相机具有疏水涂层。

6.根据权利要求4所述的农用机具，还包括：

静电荷系统，所述静电荷系统靠近所述飞行时间照相机设置。

7.根据权利要求1所述的农用机具，还包括：

清垄器组件，所述清垄器组件设置在所述至少一个成垄单元的所述开沟组件的前方，所述清垄器组件设置成接合土壤表面，以使土壤和残留物从土壤表面相对于所述向前行进方向并且在所述开沟组件的前方侧向移动。

8.如权利要求7所述的农用机具，其中，所述飞行时间照相机使在距所述种子沟槽的每一侧横向一距离处对所述土壤表面成像，以检测所述清垄器组件是否在所述种子沟槽的侧向上产生额外沟槽。

9.如权利要求7所述的农用机具，还包括传感器，所述传感器安装在所述至少一个成垄单元上、在所述清垄器组件前方，以检测所述清垄器组件前方的土堆。

10.根据权利要求9所述的农用机具，其中，所述传感器包括以下中的一种：照相机、飞行时间照相机、雷达、超声传感器、激光雷达和激光线三角仪。

11.一种用于调节农用机具上的清垄器的方法，其中，所述农用机具包括：

至少一个成垄单元，所述至少一个成垄单元中的每一个包括开沟组件，所述开沟组件构造成为当农用机具沿向前行进方向行进时在土壤表面中开出种子沟槽；

清垄器组件，所述清垄器组件设置在所述至少一个成垄单元的开沟组件的前方；

其中，所述方法包括以下步骤之一：

(i)对土壤表面成像以检测清垄器的调节条件，所述清垄器的调节条件包括：

(a)以下中的至少一种：(i)在所述种子沟槽附近存在干土壤，(ii)在所述种子沟槽中存在残留物，和(iii)在所述种子沟槽中的种子上存在干土壤；

(b)由所述清垄器组件在土壤表面中形成的额外沟槽；

(c)所述清垄器组件前方的土堆；

(ii)基于检测到的所述清垄器的调节条件来调节由所述清垄器组件施加到土壤表面的下压力。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，针对清垄器的调整条件(a)和(b)对土壤表面成像的步骤包括：使用设置在所述种子沟槽上方的所述至少一个成垄单元上的飞行时间照相机，所述飞行时间照相机与处理器进行数据通信，所述处理器构造成产生所述种子沟槽的图像。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，在检测到所述清垄器的调节条件(a)时，增加由所述清垄器组件施加到土壤表面的所述下压力。

14.根据权利要求12所述的方法，其中，在检测到所述清垄器的调节条件(b)时，减小由所述清垄器组件施加到土壤表面的所述下压力。

15.根据权利要求11所述的方法，其中，针对清垄器的调节条件(c)对土壤表面成像的步骤包括：使用安装在所述至少一个成垄单元上且在所述清垄器前方的传感器来检测所述成垄单元前方的土堆。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，在检测到所述清垄器的调节条件(c)时，减小由所述清垄器组件施加到土壤表面的所述下压力。

17.根据权利要求15所述的农用机具，其中，所述传感器包括以下中的一种：照相机、飞行时间照相机、雷达、超声传感器、激光雷达和激光线三角仪。

18.一种调节由农用机具在土壤表面上开出的种子沟槽的深度的方法，所述方法包括：

成垄单元，所述成垄单元包括：具有两个开沟盘的开沟组件，所述两个开沟盘滚动地安装到向下延伸的柄并且设置成在土壤表面中开出种子沟槽；犁规轮；和深度调整器，所述深度调整器用于调节犁规轮相对于所述开沟盘的位置，以用于限制开沟盘进入土壤表面中的穿透深度；

飞行时间照相机，所述飞行时间照相机设置在所述成垄单元上并设置成对所述种子沟槽成像；和

处理器，所述处理器与所述飞行时间照相机进行数据通信，所述处理器构造成产生所述种子沟槽的图像；

其中，所述方法包括：

用所述飞行时间照相机测量所述种子沟槽的深度；和

调节所述深度调整器，以修改开沟盘进入土壤表面中的穿透深度。

19.一种用于相对于在由农用机具开出的种子沟槽中的种子设置液体的方法，所述农用机具包括：

成垄单元，所述成垄单元包括：开沟组件，所述开沟组件具有两个开沟盘，所述两个开沟盘滚动地安装到向下延伸的柄并设置成在土壤中开出种子沟槽；种子输送机构，所述种子输送机构用于将种子沉积在种子沟槽中；以及阀，所述阀用于选择性地从流体源供应流体到相对于种子沟槽中的种子的位置；

飞行时间照相机，所述飞行时间照相机设置在所述成垄单元上并设置成对所述种子沟槽成像；和

处理器，所述处理器与所述飞行时间照相机进行数据通信，所述处理器构造成基于所述种子在所述种子沟槽中的放置来产生脉冲；

其中，所述方法包括：

基于来自所述飞行时间照相机的所述图像、基于所述种子在所述种子沟槽中的放置而产生种子脉冲；并且

选择性地打开和关闭所述阀以将流体置于所述种子上或所述种子附近。

20.一种农用机具，包括：

至少一个成垄单元，所述至少一个成垄单元中的每一个包括开沟组件，所述开沟组件构造成当农用机具沿向前行进方向行进时在土壤表面中开出种子沟槽；

清垄器组件，所述清垄器组件设置在所述至少一个成垄单元的所述开沟组件的前方，所述清垄器组件设置成接合土壤表面，以使土壤和残留物从土壤表面相对于所述向前行进方向并且在所述开沟组件的前方侧向移动；

传感器，所述传感器安装到所述至少一个成垄单元上、在所述清垄器组件的前方；

处理器，所述处理器与所述传感器进行数据通信，所述处理器构造成产生清垄器前方的土壤表面的图像，以检测所述清垄器前方的土堆。

Images