CN113598145B - 一种自识别的定向喷药系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了涉及一种自识别的定向喷药系统，包括底座、中心杆、转套、动力系统、识别系统和喷药系统；所述中心杆沿竖向固定在底座的中部，转套转动套装在中心杆上；所述喷药系统包括药箱、泵、继电器、喷杆和喷头；所述喷杆阵列分布设置在转套的上部，使每个喷杆的喷药范围与对应的扇形喷药区匹配，结合智能识别系统能自动获取疾病类型、并虫害类型，控制分类模型对不同情况进行分类，根据分类结构施加对应的喷药系统，对不同分区施加对应的药物，大大的降低了科研人员的劳动力，便于科研人员对药物的致病性进行研究,为人们提供了便利。

Description

一种自识别的定向喷药系统

技术领域

本发明属于农作物喷药检测技术领域，具体涉及一种自识别的定向喷药系统。

背景技术

现有的基于智能识别和神经网络的发展，其广泛的应用在农业上，人工智能能够从选种、耕种到作物监控，再到土壤管理、病虫害防治、收割等，做到全方位覆盖，人工智能在农业上的应用，不仅能够帮助提高效率，也能实现绿色农业，在农业生产中，人工智能有助于农业生产精细化，从而促进农业提质增效，人工智能技术应用在农业领域，以后必是一个大的发展趋势。

在现有技术中对农作物进行喷雾施药时，往往需要根据农作物的病情，如病虫害、疾病等进行判断，然后根据判断的结果进行对应的施药操作，在科研过程中，为验证药性，需要在田间选择一定区域的农田或者在实验室内种植试验田，根据病虫害的类型、疾病的类型施加对应的喷药作业，现有的做法为采用标记，利用围挡等方式区分分区，依靠科研人员对病虫害的类型和疾病的类型进行判断，针对该诊断类型对应以喷雾的方式进行施药，然后定期分析药物的治愈结果，整个过程时间较长，工作量大，较为繁琐，操作麻烦，需要科研人员花费大量的时间和成本进行操作，给人们带来了麻烦，基于此，研究一种自识别的定向喷药系统是必要的。

发明内容

针对现有设备存在的缺陷和问题，本发明提供一种自识别的定向喷药系统，有效的解决了现有设备中在试验田内分析药物治愈性能的过程中，需要科研人员投入大量的时间和人力进行操作，智能化低，工作量大的问题。

本发明解决其技术问题所采用的方案是：一种自识别的定向喷药系统，包括底座、中心杆、转套、动力系统、识别系统和喷药系统；所述中心杆沿竖向固定在底座的中部，转套转动套装在中心杆上，所述动力系统包括齿圈、齿轮和伺服电机，伺服电机的转轴与齿轮传动连接，齿圈套装在转套上并与齿轮啮合；所述喷药系统包括药箱、泵、继电器、喷杆和喷头；所述喷杆阵列分布设置在转套的上部，使每个喷杆的喷药范围与对应的扇形喷药区匹配，每个喷杆上均设置有独立的喷头，每组喷头均经继电器、泵与对应的药箱连接；所述识别系统包括摄像头，摄像头采集图像信息，并发送给服务器，服务器将图像信息作为输入层输入至分类模型，利用分类模型对图像信息进行处理并分类，根据分类结果启动伺服电机，使喷杆转动至对应的喷药区内，并启动对应的继电器工作，向不同喷药区泵送对应的药物。

进一步的，所述转套上固定设置有固定盘，所述药箱固定在固定盘上，所述泵和继电器均固定在转套的外侧，使药箱、泵和继电器能随转套一起转动。

进一步的，所述底座上通过滚珠安装有转盘，转盘套装在中心杆上，转套固定在转盘上，转盘的下部设置有转轴，所述齿圈套装在转轴上，齿圈与齿轮传动连接，齿轮的转轴通过锥齿轮组与伺服电机的转轴传动连接。

进一步的，所述转套与中心杆的上下两端通过轴承连接在一起，使中心杆的中部与转套之间存在空腔，所述转套的上下两侧均设置有导水环，所述导水环包括转动半环、固定半环和密封垫；所述转动半环固定在转套上，位于上部和下部的固定半环分别固定在底座和中心杆上，固定半环和转动半环设置有对应的容水腔，两者对扣在一起并在两者之间设置有密封垫，所述药箱、泵和继电器均设置在底座或者外部设备上，其引出的出水管设置在下部的固定半环，并与下部容水腔连通，下部转动半环通过引水管与上部转动半环连接，上部转动半环处设置有排水管，排水管与位于喷杆上的喷头连接。

进一步的，所述引水管位于中心杆与转套之间的空腔内。

进一步的，所述喷杆的根部设置有折叠机构，所述折叠机构包括气缸、第一支臂、第二支臂、折叠板和折叠盒；所述折叠盒固定在转套上，气缸的缸体铰接在折叠盒内，其杆部固定在传动臂上，传动臂铰接在折叠板上，所述第一支臂和第二支臂的驱动端均铰接在折叠板上；第一支臂和第二支臂的随动端均分别铰接在折叠盒和喷杆上，所述喷杆的根部铰接在折叠盒或转套上。

进一步的，所述喷杆的根部设置有触板，在转套或折叠盒上设置有触点，触点与触板形成接触开关。

进一步的，所述喷杆的自由端设置有挡帘，在喷杆的端部垂直设置有支撑杆，所述挡帘的上部固定在支撑杆上。

本发明的有益效果：本发明针对现有的对药物治愈能力的研究方式过于传统，工作量大，需要耗费大量精力的问题，本发明应用的场景为试验田，将试验田分割不同的扇形分区，首先利用智能化识别系统，能自动采集作物的种类、病虫害类型和作物疾病的类型，根据识别的结果，区分类型，根据类型生成对应的启动信号，分别启动对应的继电器，继电器控制独立的喷药系统，启动药泵，将药物泵送至对应的喷杆上，并将喷杆调整至对应的分区内，循环的对该分区进行摆动喷雾；在进行该研究过程中，可以不同作业分区可以为相同或者不同的作物，并对应的施加变量，对不同的试验田种植模式，提供对应的施药方案，为科研人员提供了便利。

在操作过程中，本发明设置了中心杆，中心杆作为固定基础，其作用主要为摄像头提供安装平台，将摄像头安装在高处，以提供良好的视野，同时中心杆还作为转套的转动支撑基础，在中心杆和转套之间设置有轴承，支持转套的转动，为了驱动转套，本发明在转套的底部外侧设置了齿圈，利用伺服电机和齿轮的传动关系来驱动转套转动。

在装配方面，本发明提供了两种方式来装配药箱、泵和继电器，其一将药箱、泵和继电器安装在转套上，让喷药结构与转套一起随动；其二，本发明还可将药箱、泵和继电器设置在外部设备上，其具体通过导水环进行导水，大大的降低设备的运行自重。

同时，本发明中喷杆可以为折叠结构，从而本发明还提供了另外一种工作方式，即根据检测结果对应的启动不同数量的喷杆工作，对于待机状态下的喷杆，其处于折叠状态，且仅仅在完全展开后，其触发接触开关，并将接触开关发出信号和识别系统发出的喷药指令共同作用才能触发喷药，整个过程更加安全，控制更加精确。

由此，本发明结构新颖，结合智能识别系统能自动获取疾病类型、并虫害类型，控制分类模型对不同情况进行分类，根据分类结构施加对应的喷药系统，对不同分区施加对应的药物，其中不同分区内可以不同类型的作物或者相同作物的类型，根据类型施加相同变量或者不同变量，能为不同种植模式进行研究便利，并在施药后，利用识别系统对施药结果进行检测，大大的降低了科研人员的劳动力，便于科研人员对药物的致病性进行研究,为人们提供了便利。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1的内部结构示意图。

图3为本发明的另一种实施方式结构示意图。

图4为喷杆的折叠机构结构示意图。

图5为折叠机构的结构示意图。

图6为不同种植分区的喷药方式示意图。

图7为喷药系统的另一种结构示意图。

图8为作物健康状态的识别图。

图9为作物疾病状态的识别图。

图10为作物病虫害状态的识别图。

图中的标号为：1为底座，2为中心杆，3为摄像头，4为转套，5为齿圈，6为齿轮，7为喷杆，8为喷头，9为固定盘，10为药箱，11为泵，12为继电器，13为锥齿轮组，14为伺服电机，15为加强板，16为折叠盒，17为气缸，18为传动臂，19为折叠板，20为第一支臂，21为第二支臂，22为喷药区，23为挡帘，24为下部导水环，25为上部导水环，26为引水管，27为排水管，28为固定半环，29为转动半环，30为容水腔，31为密封垫，32为接触开关。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1：本实施例旨在提供一种自识别的定向喷药系统，主要用于在试验田进行药物的性能进行研究，针对现有的结构中，大多依靠人力进行分别和施药，使用麻烦，针对不同的种植模式，需要科研人员投入大量的精力，基于此，本实施例提供了一种智能的自识别的定向喷药系统。

如图1中所示，一种自识别的定向喷药系统，包括底座1、中心杆2、转套4、动力系统、识别系统和喷药系统；底座1作为固定基础，其底部1可对应的设置有移动轮或者直接固定在地面上，下面对各主要部件进行说明。

其中，中心杆2沿竖向固定在底座1的中部，中心杆2作为固定基础，其作用主要为摄像头3提供安装平台，将摄像头3安装在高处，以提供良好的视野，同时中心杆2还作为转套4的转动支撑基础，在中心杆2和转套4之间设置有轴承，支持转套4的转动。

转套4转动套装在中心杆2上，动力系统包括齿圈5、齿轮6和伺服电机14，伺服电机14的转轴与齿轮6传动连接，齿圈5套装在转套4上并与齿轮6啮合，利用伺服电机14和齿轮5的传动关系来驱动转套4转动，使本实施例具有转动功能，并将喷药系统设置在转动的转套上。

具体的安装方式中，喷药系统包括药箱10、泵11、继电器12、喷杆7和喷头8；本实施例如图6中所示，试验田被分割为多个分区，每个分区均为扇形结构，将喷杆7阵列分布设置在转套4的上部，使每个喷杆7的喷药范围与对应的扇形喷药区22匹配，每个喷杆7上均设置有独立的喷头8，每组喷头8均经继电器12、泵11与对应的药箱10连接，本实施例中继电器12可以为符合在一起的结构。

本实施例将药箱10、泵11和继电器12安装在转套4上，让喷药结构与转套一起随动，转套4上固定设置有固定盘9，将药箱10固定在固定盘9上，可以在固定盘9上设置有固定槽，药箱嵌套在固定槽内，为了加强整体结构，在固定盘9的底部与转套4之间设置有加强板15，加强板15呈阵列分布方式，为三角形状态结构；泵和继电器均固定在转套的外侧，使药箱、泵和继电器能随转套一起转动。

识别系统包括摄像头3，摄像头3采集图像信息，并发送给服务器，服务器将图像信息作为输入层输入至分类模型，利用分类模型对图像信息进行处理并分类，根据分类结果启动伺服电机，使喷杆转动至对应的喷药区内，并启动对应的继电器工作，向不同喷药区泵送对应的药物。

本实施例中装置摄像机拍摄农作物照片，通过TCP/IP协议发送给服务端，图像在树莓派和服务器之间的传输我们使用基于TCP的WebSocket实现，TCP处于计算机通信网络的传输层，可以在不可靠的互联网络上提供可靠的端到端字节流，而WebSocket是一种在单个TCP链接上进行双全工通信的协议，它使得客户端和服务器之间的数据交换变得更加简单，允许服务端主动向客户端推送数据。树莓派在启动的时候就会主动的与服务器建立WebSocket连接，服务器和树莓派之间的便建立了通信连接，服务器就可以发送拍照请求，树莓派把图像传回到服务器。

将收到的图片用分类模型进行处理并分类，每个农作物都有一个数据集和一个分类模型，每个数据集包括健康农作物，多种病害、多种虫害农作物的图像，数据集经过算法训练，即寻找最合适的模型参数，最终可以得到一个可以判断病虫害种类的分类模型。

得出的害虫种类的信息被传送到继电器上，继电器与多个微型水泵相连且每只水泵连接一只导管，继电器收到要喷洒农药的信息后，控制对应水泵抽取对应的农药，在支杆距顶部的喷头处喷出；水泵内有一水位传感器,将水位信息（是否缺少农药）通过导线传递给树莓派。每一个仪器有一惟一序列号，这些仪器的信息存储在服务器的数据库中。

在分类模型中对输入图像进行算法识别进行分类，输出分类结果。训练模型的算法采用了卷积神经网络，卷积神经网络有一个批量过滤器，持续不断的在图片上滚动收集图片里的信息，每一次收集的时候都只是收集一小块像素区域，然后把收集来的信息进行整理，整理出来的信息能够呈现部分信息，比如神经网络能看到一些边缘的图片信息，然后在以同样的步骤，用类似的批量过滤器扫过产生的这些边缘信息，神经网络从这些边缘信息里面总结出更高层的信息结构，最后再把这些信息套入几层普通的全连接神经层（起到分类器的作用）进行分类，从而使输入的图片能被分精确分类。

将收到的图片作为输入层数据，在多个隐藏层对图像像素进行卷积（两变量在某范围内相乘后求和，这里为批量过滤器在图片上滚动收集像素块的过程）、池化（筛选有用信息，这里为筛选有用像素块），即将像素很大的图片保留主要特征变成很小的像素图片，并除去不需要的特征，根据特征和数据库进行比对，最后输出图像的分类结果和准确率。

分类模型的建立包括如下步骤：将数据集输入训练模型，所述训练模型采用卷积神经网络的批量过滤器，持续不断的在图片上进行多次滚动收集图片里的信息，然后把收集来的信息，按照顺序进行整理分别存放在分类器的不同分层内，其中

数据输入层

对原始图像数据进行预处理：去均值、归一化、PCA白化(降维)；

去均值：将输入数据各个维度中心化到0；

归一化：每个像素：新数据 = [（原数据-均值）/ 标准差 ] + 偏执；

PCA白化：对数据各个特征轴上的幅度归一化；

卷积层

局部关联、窗口滑动：对预处理过的数据进行卷积运算，输出矩阵；

激励层；

将卷积层的输出结果用激励函数做非线性映射；

f =

池化层；

夹在连续的卷积层中间，除去不需要的数据，压缩数据和参数的量，减小过拟合，即压缩图像；

全连接层；

在卷积神经网络尾部，神经元权重连接两层网络；

输出层；

卷积神经网络中输出层的上游通常是全连接层。对于图像分类问题，输出层使用逻辑函数或归一化指数函数（softmax function输出分类标签。

如图8-10中可以看出，本实施例能够检测病虫害、疾病和作物的生长状态等，能并精确的显示预测来源、预测结果和预测概率等信息，本实施例中的应用的场景为试验田，将试验田分割不同的扇形分区，首先利用智能化识别系统，能自动采集作物的种类、病虫害类型和作物疾病的类型，根据识别的结果，区分类型，根据类型生成对应的启动信号，分别启动对应的继电器，继电器控制独立的喷药系统，启动药泵，将药物泵送至对应的喷杆上，并将喷杆调整至对应的分区内，循环的对该分区进行摆动喷雾；在进行该研究过程中，可以不同作业分区可以为相同或者不同的作物，并对应的施加变量，对不同的试验田种植模式，提供对应的施药方案，为科研人员提供了便利。

实施例2：本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：本实施例对底座的结构进一步说明。

本实施例中底座1上通过滚珠安装有转盘，转盘套装在中心杆2上，转套4固定在转盘上，转盘的下部设置有转轴，齿圈5套装在转轴上，齿圈与齿轮传动连接，齿轮的转轴通过锥齿轮组13与伺服电机的转轴传动连接。

本实施例提供了一种结构的转套驱动结构，各齿轮、齿圈、锥齿轮组和伺服电机均设置在底座内，结构更加紧凑。

实施例3：本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：本实施例对喷药系统的安装方式进一步说明。

本实施例中如图7中所示，转套4与中心杆的上下两端通过轴承连接在一起，使中心杆2的中部与转套4之间存在空腔，转套4的上下两侧分别设置有下部导水环24和上部导水环25，所述导水环包括转动半环29、固定半环28和密封垫31；其中转动半环29固定在转套4上，位于上部和下部的固定半环分别固定在底座1和中心杆2上，固定半环28和转动半环29设置有对应的容水腔30，两者对扣在一起并在两者之间设置有密封垫31，药箱10、泵11和继电器12均设置在底座1或者外部设备上，其引出的出水管设置在下部的固定半环28，并与下部容水腔30连通，下部转动半环29通过引水管26与上部转动半环连接，上部转动半环处设置有排水管27，排水管27与位于喷杆7上的喷头8连接；具体实施时，引水管位于中心杆与转套之间的空腔内。

本实施例将药箱、泵和继电器设置在外部设备上，其具体通过导水环进行导水，大大的降低设备的运行自重，提高了设备的运行稳定性。

实施例4：本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：本实施例对喷杆7的结构进一步说明。

本实施例中如图4-5中所示，喷杆7的根部设置有折叠机构，折叠机构包括气缸17、第一支臂20、第二支臂21、折叠板19和折叠盒16；折叠盒16固定在转套4上，气缸17的缸体铰接在折叠盒16内，其杆部固定在传动臂18上，传动臂18铰接在折叠板19上，所述第一支臂20和第二支臂21的驱动端均铰接在折叠板19上；第一支臂20和第二支臂21的随动端均分别铰接在折叠盒16和喷杆7上，喷杆7的根部铰接在折叠盒或转套上。

结合智能识别系统能自动获取疾病类型、并虫害类型，控制分类模型对不同情况进行分类，根据分类结构施加对应的喷药系统，对不同分区施加对应的药物，其中不同分区内可以不同类型的作物或者相同作物的类型，根据类型施加相同变量或者不同变量，能为不同种植模式进行研究，并在施药后，利用识别系统对施药结果进行检测，大大的降低了科研人员的劳动力，便于科研人员对药物的致病性进行研究, 为人们提供了便利。

实施例5：本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：本实施例对喷杆7的结构进一步说明。

喷杆7的根部设置有触板，在转套或折叠盒上设置有触点，触点与触板形成接触开关32；喷杆7的自由端设置有挡帘23，在喷杆7的端部垂直设置有支撑杆，挡帘23的上部固定在支撑杆上。

本实施例中喷杆还提供了另外一种工作方式，即根据检测结果对应的启动不同数量的喷杆工作，对于待机状态下的喷杆7，其处于折叠状态，且仅仅在完全展开后，其触发接触开关32，并将接触开关32发出信号和识别系统发出的喷药指令共同作用才能触发喷药，整个过程更加安全，控制更加精确。

同时挡帘23能够从外部对喷药范围进行阻挡，避免喷药对周围作物造成影响。

Claims (6)

1.一种自识别的定向喷药系统，用于在试验田进行药物的性能研究，试验田被分割为多个分区，每个分区均为扇形结构，其特征在于：包括底座、中心杆、转套、动力系统、识别系统和喷药系统；所述中心杆沿竖向固定在底座的中部，转套转动套装在中心杆上，所述动力系统包括齿圈、齿轮和伺服电机，伺服电机的转轴与齿轮传动连接，齿圈套装在转套上并与齿轮啮合；所述喷药系统包括药箱、泵、继电器、喷杆和喷头；所述喷杆阵列分布设置在转套的上部，使每个喷杆的喷药范围与对应的扇形喷药区匹配，每个喷杆上均设置有独立的喷头，每组喷头均经继电器、泵与对应的药箱连接；所述识别系统包括摄像头，摄像头采集图像信息，并发送给服务器，服务器将图像信息作为输入层输入至分类模型，利用分类模型对图像信息进行处理并分类，根据分类结果启动伺服电机，使喷杆转动至对应的喷药区内，并启动对应的继电器工作，向不同喷药区泵送对应的药物；所述喷杆的根部设置有折叠机构，所述折叠机构包括气缸、第一支臂、第二支臂、折叠板和折叠盒；所述折叠盒固定在转套上，气缸的缸体铰接在折叠盒内，其杆部固定在传动臂上，传动臂铰接在折叠板上，所述第一支臂和第二支臂的驱动端均铰接在折叠板上；第一支臂和第二支臂的随动端均分别铰接在折叠盒和喷杆上，所述喷杆的根部铰接在折叠盒或转套上，所述喷杆的根部设置有触板，在转套或折叠盒上设置有触点，触点与触板形成接触开关；对于待机状态下的喷杆，其处于折叠状态，且仅仅在完全展开后，其触发接触开关，并将接触开关发出信号和识别系统发出的喷药指令共同作用才能触发喷药。

2.根据权利要求1所述的自识别的定向喷药系统，其特征在于：所述转套上固定设置有固定盘，所述药箱固定在固定盘上，所述泵和继电器均固定在转套的外侧，使药箱、泵和继电器能随转套一起转动。

3.根据权利要求1所述的自识别的定向喷药系统，其特征在于：所述底座上通过滚珠安装有转盘，转盘套装在中心杆上，转套固定在转盘上，转盘的下部设置有转轴，所述齿圈套装在转轴上，齿圈与齿轮传动连接，齿轮的转轴通过锥齿轮组与伺服电机的转轴传动连接。

4.根据权利要求1所述的自识别的定向喷药系统，其特征在于：所述转套与中心杆的上下两端通过轴承连接在一起，使中心杆的中部与转套之间存在空腔，所述转套的上下两侧均设置有导水环，所述导水环包括转动半环、固定半环和密封垫；所述转动半环固定在转套上，位于上部和下部的固定半环分别固定在底座和中心杆上，固定半环和转动半环设置有对应的容水腔，两者对扣在一起并在两者之间设置有密封垫，所述药箱、泵和继电器均设置在底座或者外部设备上，其引出的出水管设置在下部的固定半环，并与下部容水腔连通，下部转动半环通过引水管与上部转动半环连接，上部转动半环处设置有排水管，排水管与位于喷杆上的喷头连接。

5.根据权利要求4所述的自识别的定向喷药系统，其特征在于：所述引水管位于中心杆与转套之间的空腔内。

6.根据权利要求1所述的自识别的定向喷药系统，其特征在于：所述喷杆的自由端设置有挡帘，在喷杆的端部垂直设置有支撑杆，所述挡帘的上部固定在支撑杆上。

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