CN117882697A - 一种精准快速的智能化激光除草装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精准快速的智能化激光除草装置及方法。该装置包括用相机采集待除草区域的图像数据，处理器对待除草区域的图像数据中的杂草进行识别，然后依次计算出每一杂草的茎部下端位置及尺寸，转向反射镜根据杂草的茎部下端位置并在处理器的控制下调节光的反射角度，光学距离传感器采集变焦透镜与杂草茎部下端位置的光线传播距离，变焦透镜设置在所述准直系统与转向反射镜之间，处理器根据变焦透镜与杂草的茎部下端位置的光线传播距离和杂草的茎部尺寸调节变焦透镜的焦距，以形成相应光斑大小的激光照射至杂草的茎部上。本发明以相应的光斑大小的激光对杂草完整烧出，除草精度大幅提高，并且具有能量利用率高，效率高的优点。

Description

一种精准快速的智能化激光除草装置及方法

技术领域

本发明涉及激光除草技术领域，具体涉及一种精准快速的智能化激光除草装置及方法。

背景技术

在可持续的农业生产中，杂草常常会从土壤中吸收作物所需要的养分，杂草对作物养分、水分、阳光的竞争极大的影响了作物的正常生长。而现在的除草方法主要采用喷洒化学药剂或人工去除，化学药剂的方法会造成土壤污染，并且过度使用化学药剂会对人员的健康造成影响，而人工除草的方法效率低，费时费力。

现阶段已有部分专利提出利用激光杂草进行清除，但所提出的激光除草装置具有明显的不足之处。首先，现有的激光除草装置多为机械结构控制，需要对机械结构逐步控制，除草效率低，且作用范围有限。其次，未添加激光能量聚集结构，能量利用率低，常需要极高能量的激光以达到除草的目的。此外，目前的激光除草装置无法控制激光照射在杂草上的光斑大小，对茎部很粗的杂草无法完整烧除。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种精准快速的智能化激光除草装置及方法。

为实现上述目的，在第一方面，本发明提供了一种精准快速的智能化激光除草装置，包括：

相机，用以采集待除草区域的图像数据，并将所述待除草区域的图像数据发出；

处理器，用以接收所述相机发出的待除草区域的图像数据，并对所述待除草区域的图像数据中的杂草进行识别，然后依次计算出每一杂草的茎部下端位置及尺寸；

激光系统，包括激光器和准直系统，所述激光器用以在处理器的控制下发出激光，所述准直系统用以增加激光的平行度；

转向反射镜，用以根据杂草的茎部下端位置并在处理器的控制下调节光的反射角度；

光学距离传感器，用以采集变焦透镜与杂草茎部下端位置的光线传播距离，并将变焦透镜与杂草茎部下端位置的光线传播距离反馈至处理器；

变焦透镜，设置在所述准直系统与转向反射镜之间，所述处理器根据变焦透镜与杂草的茎部下端位置的光线传播距离和杂草的茎部尺寸调节变焦透镜的焦距，以形成相应光斑大小的激光照射至杂草的茎部上。

进一步的，计算出每一杂草的茎部下端位置的方式具体如下：

获取杂草的茎部在图像数据中的位置坐标（x,y）；

基于所述图像数据对应的真实空间的长度X和宽度Y，以及所述图像数据在长方向的像素数目a和宽方向的像素数目b，计算杂草的茎部在真实空间的位置坐标（m,n），具体如下：

。

进一步的，所述处理器控制转向反射镜的反射角度调节为：

其中，为转向反射镜在长度方向与该方向初始角度的角度差，/>为转向反射镜在宽度方向与该方向初始角度的角度差，/>为转向反射镜的中心高度，所述转向反射镜在长度方向和宽度方向均在初始角度时，激光经转向反射镜反射后照射至所述图像数据的原点对应的真实空间位置。

进一步的，所述变焦透镜的焦距的调节方式具体如下：

其中，为调节后的变焦透镜的焦距，/>为变焦透镜与杂草的茎部下端位置的光线传播距离，/>为激光进入变焦透镜的光斑直径，/>为杂草的茎部尺寸。

进一步的，所述处理器基于训练完成的Yolov8神经网络模型对待除草区域的图像数据中的杂草进行识别。

在第二方面，本发明提供了一种精准快速的智能化激光除草方法，包括：

采集待除草区域的图像数据，并将所述待除草区域的图像数据发出；

接收所述待除草区域的图像数据，并对所述待除草区域的图像数据中的进行识别，然后依次计算出每一杂草的茎部下端位置及尺寸；

在激光路线上设置转向反射镜，并根据杂草的位置控制转向反射镜调节反射角度；

在激光路线上设置变焦透镜，并采集变焦透镜与杂草茎部下端位置的光线传播距离；

根据变焦透镜与杂草的茎部下端位置的光线传播距离和杂草的茎部尺寸调节变焦透镜的焦距；

控制发射激光，所述激光经变焦透镜变焦后形成相应光斑大小，并通过转向反射镜反射至杂草的茎部上。

进一步的，计算出每一杂草的茎部下端位置的方式具体如下：

获取杂草的茎部在图像数据中的位置坐标（x,y）；

基于所述图像数据对应的真实空间的长度X和宽度Y，以及所述图像数据在长方向的像素数目a和宽方向的像素数目b，计算杂草的茎部在真实空间的位置坐标（m,n），具体如下：

。

进一步的，所述转向反射镜的反射角度调节为：

其中，为转向反射镜在长度方向与该方向初始角度的角度差，/>为转向反射镜在宽度方向与该方向初始角度的角度差，/>为转向反射镜的中心高度，所述转向反射镜在长度方向和宽度方向均在初始角度时，激光经转向反射镜反射后照射至所述图像数据的原点对应的真实空间位置。

进一步的，所述变焦透镜的焦距的调节方式具体如下：

其中，为调节后的变焦透镜的焦距，/>为变焦透镜与杂草的茎部下端位置的光线传播距离，/>为激光进入变焦透镜的光斑直径，/>为杂草的茎部尺寸。

进一步的，基于训练完成的Yolov8神经网络模型对待除草区域的图像数据中的杂草进行识别。

有益效果：本发明通过设置转向反射镜和变焦透镜，在识别出杂草后，根据杂草的茎部下端位置调节转向反射镜的角度，然后利用光学距离传感器测量变焦透镜与杂草的茎部下端之间的距离，再根据该距离调节变焦透镜的角度，进而控制以相应的光斑大小的激光对杂草完整烧出，除草精度大幅提高，并且具有能量利用率高，效率高的优点。

附图说明

图1是本发明实施例的精准快速的智能化激光除草装置的原理图；

图2是本发明实施例的转向反射镜的结构原理图；

图3是图像数据对应的真实空间的示意图；

图4是本发明实施例的精准快速的智能化激光除草方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种精准快速的智能化激光除草装置，包括相机1、处理器2、激光系统、转向反射镜3、光学距离传感器4和变焦透镜5等。其中，相机1用以采集待除草区域的图像数据，并将待除草区域的图像数据发出。

处理器2优选采用嵌入式处理器，用以接收相机1发出的待除草区域的图像数据，并对待除草区域的图像数据中的杂草进行识别，然后依次计算出每一杂草的茎部下端位置及尺寸。对图像数据中的杂草进行识别为现有技术，本申请优选采用现有技术中的训练完成的Yolov8神经网络模型对待除草区域的图像数据中的杂草进行识别。

上述处理器2计算出每一杂草的茎部下端位置的方式具体如下：

获取杂草的茎部下端在图像数据中的位置坐标（x,y）；

基于图像数据对应的真实空间的长度X和宽度Y，以及图像数据在长方向的像素数目a和宽方向的像素数目b，计算杂草的茎部在真实空间的位置坐标（m,n），具体如下：

。

在相机1安装固定后，其采集的图像数据对应的真实空间的长度X和宽度Y即可确定下来，然后将参数设定至处理器2即可。杂草的茎部尺寸可利用图像分割，然后根据杂草的颈部占据的像素的数目计算得出。

激光系统包括激光器6和准直系统7，激光器6用以在处理器2的控制下发出激光，准直系统7用以增加激光的平行度。图1中示意的是将激光器6竖向设置，其发出的激光向下射出，因此激光系统还包括一个反射镜8，反光镜8可将反射至水平方向。

转向反射镜3用以根据杂草的茎部下端位置并在处理器2的控制下调节光的反射角度。具体的，转向反射镜3包括转向机构和设置在转向机构上的反射镜本体31两个部分，转向机构包括纵向转向机构和横向转向机构，纵向转向机构用来调节反射镜本体在长度方向上的角度，横向转向机构用来调节反射镜本体在宽度方向上的角度。图2示意出了其中一种转向反射镜3的结构，反射镜本体31通过设置在纵向两侧的横向轴32可转动连接在内环33上，可以在内环33的外侧设置一个伺服电机（图中未示出）来与横向轴32连接，从而控制该伺服电机转动，即可控制反射镜本体31相对于内环33转动。内环33的横向两侧通过两个纵向轴34可转动连接外环35上，在外环35上设置另一个伺服电机（图中未示出）来与纵向轴34连接，控制该伺服电机转动，即可控制反射镜本体31纵向转动。

光学距离传感器4用以采集变焦透镜5与杂草茎部下端位置的光线传播距离，并将变焦透镜5与杂草茎部下端位置的光线传播距离反馈至处理器2。在安装时，可将光学距离传感器4安装在变焦透镜5的一侧，不过这种安装方式存在一定的误差。更优选将光学距离传感器4间隔设置在变焦透镜5与转向反射镜3之间的一侧，并在变焦透镜5与转向反射镜3之间设置长波通二向色镜9，长波通二向色镜9的中心可以设置在变焦透镜5与转向反射镜3的中心之间，激光器6发出的激光的波长优选为950-1100nm，该激光波长高于长波通二向色镜9的截止波长，激光在照射至长波通二向色镜9上后，进而可以透过长波通二向色镜9。光学距离传感器4优选采用红外距离传感器，光学距离传感器4也正对于长波通二向色镜9的中心设置，且光学距离传感器4发出的探测光波的波长低于长波通二向色镜9的截止波长，探测光波在照射至长波通二向色镜9上后，会被长波通二向色镜9反射，反射后的探测光波与激光的路线重合，经转向反射镜3再次反射后，即可反射至杂草的颈部位置，从而测量出光学距离传感器4与杂草茎部下端位置的光线传播距离。在根据长波通二向色镜9与光学距离传感器4和变焦透镜5之间的安装距离差，即可计算出变焦透镜5与杂草茎部下端位置的光线传播距离。也可将光学距离传感器4设置在与变焦透镜5和长波通二向色镜9的等距位置，这样计算出的光学距离传感器4与杂草茎部下端位置的光线传播距离，即为变焦透镜5与杂草茎部下端位置的光线传播距离。

变焦透镜5设置在准直系统7与转向反射镜3之间，处理器2根据变焦透镜5与杂草的茎部下端位置的光线传播距离和杂草的茎部尺寸调节变焦透镜5的焦距，以形成相应光斑大小的激光照射至杂草的茎部上，从而精准的将杂草的茎部下端位置烧断，实现激光除草。

在处理器2计算出杂草的茎部在真实空间的位置坐标（m,n）后，控制转向反射镜3的反射角度调节为：

其中，为转向反射镜3在长度方向与该方向初始角度的角度差，/>为转向反射镜3在宽度方向与该方向初始角度的角度差，/>为转向反射镜3的中心高度，转向反射镜3在长度方向和宽度方向均在初始角度时，激光经转向反射镜3反射后照射至图像数据的原点对应的真实空间位置。具体可参见图3，图3中示意的是以图像数据的中心为原点。上述转向反射镜3优选设置在图像数据对应的真实空间的中心的正上方，对应的宽度方向的初始角度为0°，长度方向的初始角度为45°。

上述变焦透镜5的焦距的调节方式具体如下：

其中，为调节后的变焦透镜5的焦距，/>为变焦透镜5与杂草的茎部下端位置的光线传播距离，/>为激光进入变焦透镜5的光斑直径，/>为杂草的茎部尺寸。由于采用光学距离传感器4采集的变焦透镜5与杂草的茎部下端位置的光线传播距离与实际的激光在变焦透镜5与杂草的茎部下端位置的传播距离是近似相等，在实际操作时，可对变焦透镜5的焦距设置一定的冗余量，使得形成的激光光斑略大于杂草的茎部尺寸，以确保能将杂草的茎部烧断。

另外，本装置需要安装在可自动或遥控行走的机器人上，在对一个区域除草完毕后，可通过机器人载着本装置移动至下一区域进行除草。每次采集的图像数据中可能会有多个杂草，处理器2可对杂草进行编号，然后根据编号依次进行除草，期间，机器人无需移动，只需根据不同的杂草按照上述方式调节转向反射镜3和变焦透镜5，然后控制激光器6即可将当前杂草烧断。

结合图2至图4，基于以上实施例，本领域技术人员可以轻易理解，本发明还提供了一种精准快速的智能化激光除草方法，包括：

采集待除草区域的图像数据，并将待除草区域的图像数据发出。

接收待除草区域的图像数据，并对待除草区域的图像数据中的进行识别，然后依次计算出每一杂草的茎部下端位置及尺寸。对图像数据中的杂草进行识别为现有技术，本申请优选采用现有技术中的训练完成的Yolov8神经网络模型对待除草区域的图像数据中的杂草进行识别。

计算出每一杂草的茎部下端位置的方式具体如下：

获取杂草的茎部下端在图像数据中的位置坐标（x,y）；

基于图像数据对应的真实空间的长度X和宽度Y，以及图像数据在长方向的像素数目a和宽方向的像素数目b，计算杂草的茎部在真实空间的位置坐标（m,n），具体如下：

。

另外，杂草的茎部尺寸可利用图像分割，然后根据杂草的颈部占据的像素的数目计算得出。

在激光路线上设置转向反射镜3，并根据杂草的位置控制转向反射镜3调节反射角度。使得激光经过转向反射镜3反射后，可照射在杂草的茎部下端位置。具体的，转向反射镜3包括转向机构和设置在转向机构上的反射镜本体31两个部分，转向机构包括纵向转向机构和横向转向机构，纵向转向机构用来调节反射镜本体31在长度方向上的角度，横向转向机构用来调节反射镜本体31在宽度方向上的角度。图2示意出了其中一种转向反射镜3的结构，反射镜本体31通过设置在纵向两侧的横向轴32可转动连接在内环33上，可以在内环33的外侧设置一个伺服电机（图中未示出）来与横向轴32连接，从而控制该伺服电机转动，即可控制反射镜本体31相对于内环33转动。内环33的横向两侧通过两个纵向轴34可转动连接外环35上，在外环35上设置另一个伺服电机（图中未示出）来与纵向轴34连接，控制该伺服电机转动，即可控制反射镜本体31纵向转动。

在计算出杂草的茎部在真实空间的位置坐标（m,n）后，控制转向反射镜3的反射角度调节为：

其中，为转向反射镜3在长度方向与该方向初始角度的角度差，/>为转向反射镜3在宽度方向与该方向初始角度的角度差，/>为转向反射镜3的中心高度，转向反射镜3在长度方向和宽度方向均在初始角度时，激光经转向反射镜3反射后照射至图像数据的原点对应的真实空间位置。具体可参见图3，图3中示意的是以图像数据的中心为原点。上述转向反射镜3优选设置在图像数据对应的真实空间的中心的正上方，对应的宽度方向的初始角度为0°，长度方向的初始角度为45°。

在激光路线上设置变焦透镜5，并采集变焦透镜5与杂草茎部下端位置的光线传播距离。可设置一个光学距离传感器，在调节好转向反射镜3的角度后，光学距离传感器发出的测距光经转向反射镜3反射至杂草的颈部位置，从而测量出变焦透镜5与杂草茎部下端位置的光线传播距离。具体的，将光学距离传感器间隔设置在变焦透镜5与转向反射镜3之间的一侧，并在变焦透镜5与转向反射镜3之间设置长波通二向色镜，长波通二向色镜的中心可以设置在变焦透镜5与转向反射镜3的中心之间，激光器发出的激光的波长优选为950-1100nm，该激光波长高于长波通二向色镜的截止波长，激光在照射至长波通二向色镜上后，进而可以透过长波通二向色镜。光学距离传感器优选采用红外距离传感器，光学距离传感器也正对于长波通二向色镜的中心设置，且光学距离传感器发出的探测光波的波长低于长波通二向色镜的截止波长，探测光波在照射至长波通二向色镜上后，会被长波通二向色镜反射，反射后的探测光波与激光的路线重合，经转向反射镜3再次反射后，即可反射至杂草的颈部位置，从而测量出光学距离传感器与杂草茎部下端位置的光线传播距离。在根据长波通二向色镜与光学距离传感器和变焦透镜之间的安装距离差，即可计算出变焦透镜与杂草茎部下端位置的光线传播距离。也可将光学距离传感器设置在与变焦透镜5和长波通二向色镜的等距位置，这样计算出的光学距离传感器与杂草茎部下端位置的光线传播距离，即为变焦透镜5与杂草茎部下端位置的光线传播距离。

根据变焦透镜5与杂草的茎部下端位置的光线传播距离和杂草的茎部尺寸调节变焦透镜5的焦距。变焦透镜5的焦距的调节方式具体如下：

其中，为调节后的变焦透镜5的焦距，/>为变焦透镜5与杂草的茎部下端位置的光线传播距离，/>为激光进入变焦透镜5的光斑直径，/>为杂草的茎部尺寸。由于采用光学距离传感器采集的变焦透镜5与杂草的茎部下端位置的光线传播距离与实际的激光在变焦透镜5与杂草的茎部下端位置的传播距离是近似相等，在实际操作时，可对变焦透镜5的焦距设置一定的冗余量，使得形成的激光光斑略大于杂草的茎部尺寸，以确保能将杂草的茎部烧断。

控制发射激光，激光经变焦透镜5变焦后形成相应光斑大小，并通过转向反射镜3反射至杂草的茎部上。从而精准的将杂草的茎部下端位置烧断，实现激光除草。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，其它未具体描述的部分，属于现有技术或公知常识。在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种精准快速的智能化激光除草装置，其特征在于，包括：

相机，用以采集待除草区域的图像数据，并将所述待除草区域的图像数据发出；

处理器，用以接收所述相机发出的待除草区域的图像数据，并对所述待除草区域的图像数据中的杂草进行识别，然后依次计算出每一杂草的茎部下端位置及尺寸；

激光系统，包括激光器和准直系统，所述激光器用以在处理器的控制下发出激光，所述准直系统用以增加激光的平行度；

转向反射镜，用以根据杂草的茎部下端位置并在处理器的控制下调节光的反射角度；

光学距离传感器，用以采集变焦透镜与杂草茎部下端位置的光线传播距离，并将变焦透镜与杂草茎部下端位置的光线传播距离反馈至处理器；

变焦透镜，设置在所述准直系统与转向反射镜之间，所述处理器根据变焦透镜与杂草的茎部下端位置的光线传播距离和杂草的茎部尺寸调节变焦透镜的焦距，以形成相应光斑大小的激光照射至杂草的茎部上。

2.根据权利要求1所述的一种精准快速的智能化激光除草装置，其特征在于，计算出每一杂草的茎部下端位置的方式具体如下：

获取杂草的茎部下端在图像数据中的位置坐标（x,y）；

基于所述图像数据对应的真实空间的长度X和宽度Y，以及所述图像数据在长方向的像素数目a和宽方向的像素数目b，计算杂草的茎部在真实空间的位置坐标（m,n），具体如下：

。

3.根据权利要求2所述的一种精准快速的智能化激光除草装置，其特征在于，所述处理器控制转向反射镜的反射角度调节为：

；

其中，为转向反射镜在长度方向与该方向初始角度的角度差，/>为转向反射镜在宽度方向与该方向初始角度的角度差，/>为转向反射镜的中心高度，所述转向反射镜在长度方向和宽度方向均在初始角度时，激光经转向反射镜反射后照射至所述图像数据的原点对应的真实空间位置。

4.根据权利要求1所述的一种精准快速的智能化激光除草装置，其特征在于，所述变焦透镜的焦距的调节方式具体如下：

；

其中，为调节后的变焦透镜的焦距，/>为变焦透镜与杂草的茎部下端位置的光线传播距离，/>为激光进入变焦透镜的光斑直径，/>为杂草的茎部尺寸。

5.根据权利要求1所述的一种精准快速的智能化激光除草装置，其特征在于，所述处理器基于训练完成的Yolov8神经网络模型对待除草区域的图像数据中的杂草进行识别。

6.一种精准快速的智能化激光除草方法，其特征在于，包括：

采集待除草区域的图像数据，并将所述待除草区域的图像数据发出；

接收所述待除草区域的图像数据，并对所述待除草区域的图像数据中的进行识别，然后依次计算出每一杂草的茎部下端位置及尺寸；

在激光路线上设置转向反射镜，并根据杂草的位置控制转向反射镜调节反射角度；

在激光路线上设置变焦透镜，并采集变焦透镜与杂草茎部下端位置的光线传播距离；

根据变焦透镜与杂草的茎部下端位置的光线传播距离和杂草的茎部尺寸调节变焦透镜的焦距；

控制发射激光，所述激光经变焦透镜变焦后形成相应光斑大小，并通过转向反射镜反射至杂草的茎部上。

7.根据权利要求6所述的一种精准快速的智能化激光除草方法，其特征在于，计算出每一杂草的茎部下端位置的方式具体如下：

获取杂草的茎部下端在图像数据中的位置坐标（x,y）；

基于所述图像数据对应的真实空间的长度X和宽度Y，以及所述图像数据在长方向的像素数目a和宽方向的像素数目b，计算杂草的茎部在真实空间的位置坐标（m,n），具体如下：

。

8.根据权利要求7所述的一种精准快速的智能化激光除草方法，其特征在于，所述转向反射镜的反射角度调节为：

；

其中，为转向反射镜在长度方向与该方向初始角度的角度差，/>为转向反射镜在宽度方向与该方向初始角度的角度差，/>为转向反射镜的中心高度，所述转向反射镜在长度方向和宽度方向均在初始角度时，激光经转向反射镜反射后照射至所述图像数据的原点对应的真实空间位置。

9.根据权利要求6所述的一种精准快速的智能化激光除草方法，其特征在于，所述变焦透镜的焦距的调节方式具体如下：

；

其中，为调节后的变焦透镜的焦距，/>为变焦透镜与杂草的茎部下端位置的光线传播距离，/>为激光进入变焦透镜的光斑直径，/>为杂草的茎部尺寸。

10.根据权利要求6所述的一种精准快速的智能化激光除草方法，其特征在于，基于训练完成的Yolov8神经网络模型对待除草区域的图像数据中的杂草进行识别。