CN102907406B - 果树根蘖精准对靶施药装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种农业施药作业装置，尤其涉及一种果树根蘖精准对靶施药装置，包括系统搭载平台、定位识别子系统、对靶施药子系统和分布地图生成子系统。根据果树根蘖的生长特点，采用龙门架式移动平台，将扫描式激光测距仪、机器视觉和GPS相结合，实现对果树根蘖的快速、有效定位和识别，从而控制多喷头施药系统完成对靶施药作业，同时生成果树、根蘖及其施药量分布地图，实现针对果树根蘖的精准对靶施药，能有效降低农药使用量，提高药液利用率，降低环境污染，还为未来果园数字化管理提供了科学手段。
Description
技术领域
本发明涉及一种农业施药作业装置，尤其涉及一种果树根蘖精准对靶施药装置。
背景技术
果树根蘖是从果树根部滋生的不能结果的嫩枝、藤蔓或枝条，一般从果树树干根部的潜伏芽发出，会将植株的一部分重要营养转化为无用生长。为保证果树有用生长获得足够营养，并且避免影响其它果园作业，出去根蘖是十分必要的。在果树整个生长季节里，根蘖会不断滋生，因此还要求多次清除根蘖。
传统根蘖去除方法是人工去除，利用小刀等锋利工具将根蘖从树干上整枝清除。此方法虽然可完全去除根蘖，且不对树体造成任何损伤，但是比较耗时、劳动强度大、成本高，无法满足规模化生产的需要；另一种方法是机械去除，比人工方式效率高，但由于采用旋转头上安装类似于鞭子的工具来刮除根蘖，对年幼的植株损伤很大，会把树干上的树皮刮掉，甚至将细小的树干打断。另外，部分根蘖无法完全去除，会有断根残留在树杆根部，根蘖还会从断根处继续生长出来。目前，利用化学药剂控制根蘖已成为一种有效手段，并逐步替代人工和机械方法，通常采用带状施药方式在树干根部持续喷洒化学药剂。由于根蘖只能从果树根部发出，在植株间不会出现，且每个植株滋生根蘖的数量和大小各不相同，利用上述方法喷施药剂会导致植株间空档过度施药、成本增加、污染环境。采用精准对靶施药技术，根据单棵植株根蘖生长的具体情况(大小和位置)来决定施药时机和施药量，不仅可减小农药使用量、降低环境污染，还可解放劳动力、提高生产效率。目前，针对农田杂草的精准施药技术相关研究很多，但果树根蘖并不是田间杂草，而是果树树干的杂枝，其从生长特性、形态和分布都与杂草截然不同，对其进行精准对靶施药的技术要求也不同。因此，需要对果树根蘖定位识别技术和对靶施药技术进行专门性的研究。
此外，为了提高市场竞争力，我国经济林的经营模式正朝着规模化、系统化、数字化方向发展。在这种经营模式下，果农需要获得准确的多样性果树生长信息，如实际生长位置、树干尺寸、滋生根蘖的大小和位置以及在一个生长季里反复滋生根蘖的次数等，据此得到果树根蘖的分布规律并制定合理的果园作业计划，如施药去除根蘖等。以往果农利用人工方式获取此类信息，该方式劳动量大、效率极其低下，信息准确度不高，甚至一些果农因此而放弃获取这些信息，从而导致我国经济林规模化发展缓慢。目前，不少国内外学者和研究人员利用机载测绘系统来绘制农林信息地图，该方法效率高，适合大面积的林区和农田，但测量精度不高，且无法得到较细节的信息(如果树根蘖的生长大小和位置等)。因此，开发适合经济林作业的地面车载测绘系统，可有效、准确地获得上述果树的多样性生长信息，有助于果农安排合理科学的果园作业，还为未来果园数字化管理提供了科学技术手段。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有较高自动化水平的果树根蘖精准对靶施药装置，尤其用于实时获取果树、根蘖及其施药量分布信息，并创建相应的分布地图，为未来果园数字化管理提供技术手段。
本发明所提供的技术方案是提出一种果树根蘖精准对靶施药装置，其包括：
系统搭载平台：包括龙门架平台和移动车载平台，龙门架平台装有左右两个龙门架；
定位识别子系统：用于实现对果树及其根蘖进行定位和识别，包括中央计算单元、GPS天线、扫描式激光测距仪和CCD彩色摄像头，扫描式激光测距仪用以定位和识别树干，并获得图像深度信息；CCD彩色摄像头在软件触发的方式下采集根蘖图像；GPS天线实时获得初始系统时间、经纬度信息、移动速度和航向角；中央计算单元同时采集扫描式激光测距仪、CCD彩色摄像头和GPS天线的数据信息，通过相应算法和控制策略对果树及其根蘖进行定位和识别，并控制对靶施药子系统动作；
对靶施药子系统：由多路阀控制器、高速电磁阀、喷头、药箱、隔膜泵和泵调节器组成；
分布地图生成子系统：在施药作业过程中，根据GPS定位信息、扫描式激光测距仪与GPS天线的相对位置关系以及根蘖与对应树干中心位置的相对位置，将果树树干、根蘖的定位信息以及对应的施药量同步存储到数据库中；对靶施药作业完成后，最终生成实际的果树树干、根蘖以及施药量分布地图；
此外，本发明还提出了应用上述精准对靶施药装置进行精准对靶施药和生成果树、根蘖及其施药量分布地图的方法。
本发明的有益效果为：根据果树根蘖的生长特点，采用龙门架式移动平台，将扫描式激光测距仪、机器视觉和GPS定位系统相结合，实现对果树根蘖的快速、有效定位和识别，从而控制多喷头施药系统完成对靶施药作业，并同步获取果树、根蘖及其施药量的分布信息，创建果树、根蘖及其施药量分布地图，实现针对果树根蘖的精准对靶施药，能有效降低农药使用量，提高药液利用率，降低环境污染，解放劳动力，还为未来果园数字化管理提供了科学技术手段。
附图说明
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1(a)和图1(b)分别为本发明果树根蘖精准对靶施药系统的整体布局正视图和侧视图；
图2为本发明的一侧龙门架沿A-A方向的局部俯视图；
图3为本发明的电控箱内部结构图；
图4为本发明的果树根蘖精准对靶施药方法流程图；
图5为本发明的果树、根蘖及施药量分布地图生成方法流程图。
附图标记：
1-龙门架平台；2-龙门架；3-支架；4-背景白板；5-电控箱；6-扫描式激光测距仪；7-CCD彩色摄像头；8-喷头；9-GPS天线；10-移动车载平台；11-中央计算单元；12-果树；13-根蘖；14-液晶触摸屏；15-泵调节器；16-隔膜泵；17-药箱；18-USB转CAN总线；19-USB接口；20-RS232串口；21-千兆以太网；22-施药方向；23-中心线；24-正中线。
具体实施方式
本发明的果树根蘖精准对靶施药装置，其较佳的具体实施方式如图1至图5所示：
如图1和图2所示，本发明的果树根蘖精准对靶施药装置的系统搭载平台为一个龙门架平台1，其共有左右两个龙门架2，在施药作业过程中，果树12可从龙门架2中间穿过，操作人员可以根据果树行位置，通过龙门架平台1上的液压系统来调节龙门架2的平移位置，以保持果树从龙门架2正中间穿过。龙门架平台1通过三点悬挂安装在移动车载平台10前部，移动车载平台10为可在果树行间行走的轮式拖拉机。
本发明中，龙门架平台1的两个龙门架2上均设置有扫描式激光测距仪6、CCD(电荷耦合器件)彩色摄像头7和喷头8，两个龙门架2上述部件的布局以车载平台10的中心线23左右对称。以图1(a)中右侧龙门架为例具体说明扫描式激光测距仪6、CCD彩色摄像头7和喷头8的布局方式：龙门架2靠近移动车载平台10的一侧距离地面60cm处水平安装了一台扫描式激光测距仪6，面对果树作物行，水平二维扫描果树12的树干，扫描角度分辨率为0.36°，扫描区域设置成100°。扫描式激光测距仪6与中央计算单元11通过USB接口19进行数据通讯(图1(b))；
本发明中，采用一台CCD彩色摄像头7来采集根蘖13的图像，其在龙门架2上的安装位置在扫描式激光测距仪6同侧垂直正下方18cm处，CCD彩色摄像头7的分辨率为1280×960，帧速率为32.8 fps，安装的镜头为3.5mm镜头，场景的纵向与横向角度分别为52.7°和66.9°，成像模式设置为软件触发模式，其他参数保持默认设置。CCD彩色摄像头7与中央计算单元11组成图像采集和处理系统，相互之间通过千兆以太网21进行数据通讯；
本发明中，在龙门架2的另一侧与CCD彩色摄像头7正对面处加装了一个背景白板4，用来阻挡背景中树冠、杂草或其它噪声。
本发明中，在龙门架平台1顶部中间位置安装了一个GPS(全球定位系统)天线9，与中央计算单元11通过RS232串口20进行数据通讯。
本发明中，龙门架2两侧分别安装有喷头8，每侧的喷头可以是一个或多个，由高速电磁阀控制其开闭，喷头8通过橡胶软管与泵调节器15、隔膜泵16、药箱17相连构成喷药系统。中央计算单元11通过USB转CAN(控制器区域网络)总线18与一个多路阀控制器进行通讯，控制相应喷头的高速电磁阀进行独立动作。泵调节器15根据施药系统流量来控制隔膜泵16以保持工作压力稳定。
如图2所示，扫描式激光测距仪6、CCD彩色摄像头7和喷头8都是通过支架3安装在龙门架2上，其相互之间的位置可以在一定范围内调节，支架3亦可在龙门架上上下滑动。CCD彩色摄像头7(图2中未示出)设置在扫描式激光测距仪6的正下方，且与背景白板4相对。图2中扫描式激光测距仪6的相对坐标系的y轴方向表示移动车载平台10的前进方向，龙门架2两侧的喷头8相对于前进方向分别放置在扫描式激光测距仪6、CCD彩色摄像头7和背景白板4的后面，且两喷头相对。
本发明中，中央计算单元11采用适用于恶劣环境下使用的军用型笔记本电脑，CPU主频为2.4GHz双核处理器，内存为3GB，硬盘为250GB，可在潮湿、灰尘、污染、震动等恶劣环境中，满足作业的要求。中央计算单元11外接了一台液晶触摸屏14，方便操作人员对对靶施药系统进行监测和设置，两者之间通过USB传输数据。中央计算单元11和液晶触摸屏14安装在移动车载平台10的驾驶室内。
如图3所示，为了避免雾滴和灰尘对设备的影响，多路阀控制器安装在防水的电控箱5内，中央计算单元11通过USB转CAN总线18与多路阀控制器进行通讯，多路阀控制器根据中央计算单元11的控制决策向第1、2、3、4继电器单独发出控制信号，由继电器控制相应高速电磁阀动作，实现对靶施药；此外，与左右两个龙门架2上的扫描式激光测距仪6通讯的USB接口19，经由一个USB集线器汇总后与中央计算单元11接口；移动车载平台10上的12VDC车载蓄电池经过保险丝组分别给多路阀控制器、扫描式激光测距仪6、CCD彩色摄像头7、GPS天线9和高速电磁阀供电；与电控箱连接的所有接头均为防水接头。
两个龙门架2上的扫描式激光测距仪6、CCD彩色摄像头7的采集、分析以及对靶施药控制策略完全相同，并分别在独立的线程中完成，即使其中一侧龙门架2上的设备出现故障，另一侧龙门架2上的设备仍可继续工作。下面结合图4，对一侧龙门架2的果树根蘖精准对靶施药方法做具体描述：
(1)扫描式激光测距仪6完成一次扫描后，首先进行数据预处理，根据龙门架2的形状尺寸，将测量距离大于龙门架宽度尺寸的数据点剔除，然后分析扫描数据点间距离，利用阈值A来判断扫描数据点是否属于同一树干，只有当数据点间距离小于阈值A，则为同一树干上的数据点；反之，属于不同树干上的数据点；阈值A由扫描式激光测距仪6的扫描角度分辨率、扫描时间、与树干间的距离和作业速度确定。
(2)利用树干定位识别算法估算树干的尺寸和位置：计算同一树干上的首末数据点间的距离视为树干的尺寸，首末数据点连线的中点视为树干中心位置；
(3)计算树干中心位置到扫描式激光测距仪6的正中线24的垂直距离，由于该垂直距离为零时，即树干中心位置正好在扫描式激光测距仪6的正中线24上的这一时刻很难捕捉，因此当上述垂直距离最小时，认为扫描式激光测距仪6正直面对树干中心位置，软件触发CCD彩色摄像头7采集一张根蘖图像，同时将此刻树干中心位置到扫描式激光测距仪6的距离，即图像深度信息记录下来。
(4)在进行对靶施药作业之前，首先采集一帧图像用以确定图像中的ROI(感兴趣区域)。通过在该帧图像中搜索背景白板4的左右和上侧边缘来确定ROI，其目的是为了限定图像的搜索范围，缩短图像处理的耗时。在ROI中，利用超绿分割算法对根蘖图像进行分割和提取，将根蘖区域分割出来；根据根蘖13与杂草在形态和纹理上的不同，设定20mm×20mm的叶片面积为实际分割阈值以分割杂草噪声，根蘖图像中与实际分割阈值对应的是像素阈值B，当分割出来的根蘖区域像素值小于像素阈值B，认为是杂草噪声并剔除，然后得到根蘖区域的边界形成一个根蘖窗，并获得根蘖窗的像素尺寸；
(5)结合扫描式激光测距仪6获得的图像深度信息，将根蘖窗的实际二维尺寸计算出来，并根据CCD彩色摄像头7和扫描式激光测距仪6的安装位置，可知扫描式激光测距仪6的二维扫描激光束在根蘖图像中所在位置，确定扫描式激光测距仪6探测到的树干中心线在根蘖图像中所处位置，从而得到根蘖窗左右边界与树干中心位置的相对关系；
(6)当根蘖窗的边界与喷头8的施药方向22相切时，中央计算单元11向多路阀控制器发出控制指令，控制相应喷头开启进行对靶施药，施药持续时间由根蘖窗的宽度和作业速度决定，根据施药时间和工作压力计算出施药量。
果树、根蘖及其施药量信息的获取以及分布地图的生成是在独立的线程中，与根蘖精准对靶施药同时进行。结合图5，对果树、根蘖及其施药量分布地图生成方法做具体描述：
(1)扫描式激光测距仪6完成一次扫描后，由扫描式激光测距仪6得到树干尺寸和树干中心位置，中央计算单元11同步读取GPS数据，包括初始系统时间、经纬度信息、移动速度和航向角；所得到的树干中心位置是在扫描式激光测距仪6的相对坐标系中的位置，相对坐标系的x轴为正中线24，y轴为移动车载平台10的前进方向，原点为扫描式激光测距仪6的中心；GPS数据中经纬度信息是GPS天线9在大地坐标系中的位置；根据GPS天线9和扫描式激光测距仪6相互之间的位置关系，将相对坐标中的树干中心位置转换到大地坐标系中，从而获得当前树干实际位置；
(2)扫描式激光测距仪6提供的树干尺寸和中心位置数据更新频率为30Hz，GPS数据更新频率为5Hz。为进一步提高定位精度，直到上述数据更新之前，根据当前树干实际位置、移动速度和航向角，以10ms的间隔预测树干的移动趋势，即在大地坐标系中的树干预测位置，每预测一次初始系统时间增加10ms；
(3)计算由步骤(2)得到的若干树干预测位置到扫描式激光测距仪6的正中线24的垂直距离，由于树干预测位置正好在扫描式激光测距仪6的正中线24上的这一时刻很难捕捉，因此取其中距离最短的树干预测位置作为正对扫描式激光测距仪6的位置，将此刻树干定位信息，包括树干尺寸和大地坐标系中的树干预测位置以及GPS数据存储到数据库中；
(4)当获得根蘖窗实际二维尺寸及根蘖窗边界与树干中心位置相对关系以及施药量后，将上述根蘖定位信息和施药量信息存储到数据库中对应的树干定位信息处；
(5)当施药作业结束后，操作人员手动点击生成地图，由分布地图生成子系统通过与Matlab的接口程序，把数据库中存储的树干定位信息、根蘖定位信息和施药量信息传输到Matlab中，并将上述三类信息对应叠加在一起，生成果树、根蘖及其施药量分布地图；若操作人员并不想立即生成地图，本次施药作业的上述信息将按照日期和时间存储在数据库中，方便日后操作人员进行数据管理和地图生成。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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公开的技术范围内，可轻易想到的变化或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种果树根蘖精准对靶施药装置，其特征在于：包括：
系统搭载平台：包括龙门架平台和移动车载平台，龙门架平台装有左右两个龙门架；
定位识别子系统：用于实现对果树及其根蘖进行定位和识别，包括中央计算单元、GPS天线、扫描式激光测距仪和CCD彩色摄像头，扫描式激光测距仪用以定位和识别树干，并获得图像深度信息；CCD彩色摄像头在软件触发的方式下采集根蘖图像；GPS天线实时获得初始系统时间、经纬度信息、移动速度和航向角；中央计算单元同时采集扫描式激光测距仪、CCD彩色摄像头和GPS天线的数据信息，通过相应算法和控制策略对果树及其根蘖进行定位和识别，并控制对靶施药子系统动作；其中，为进一步提高定位精度，在扫描式激光测距仪和GPS天线所得到的数据更新之前，根据当前树干实际位置、移动速度和航向角，以10ms的间隔插值预测树干在大地坐标系中的移动趋势，得到若干树干预测位置；所得的若干树干预测位置到扫描式激光测距仪的正中线的垂直距离，取其中距离最短的树干预测位置，作为树干定位信息；
对靶施药子系统：由多路阀控制器、高速电磁阀、继电器、喷头、药箱、隔膜泵和泵调节器组成，中央计算单元通过USB转CAN总线与多路阀控制器进行通讯，多路阀控制器根据中央计算单元的控制决策向第1、2、3、4继电器单独发出控制信号，由继电器控制相应高速电磁阀动作，实现对靶施药；
分布地图生成子系统：在施药作业过程中，根据GPS定位信息、扫描式激光测距仪与GPS天线的相对位置关系以及根蘖与对应树干中心位置的相对位置，将果树树干、根蘖的实际定位信息以及对应的施药量同步存储到数据库中；对靶施药作业完成后，最终生成实际的果树树干、根蘖以及施药量分布地图。
2.根据权利要求1所述的果树根蘖精准对靶施药装置，其特征在于：中央计算单元与多路阀控制器通过USB转CAN总线进行通讯；两个扫描式激光测距仪的USB接口通过一个USB集线器汇总后与中央计算单元相连；两个CCD彩色摄像头通过千兆以太网与中央计算单元通讯；GPS天线通过RS232串口与中央计算单元通讯；中央计算单元外接一个液晶触摸屏，通过USB进行数据通讯。
3.根据权利要求2所述的果树根蘖精准对靶施药装置，其特征在于：多路阀控制器、USB集线器、继电器和保险丝组都安装在防水的电控箱内；移动车载平台上的12V DC车载蓄电池经过保险丝组分别给多路阀控制器、扫描式激光测距仪、CCD彩色摄像头、GPS天线和高速电磁阀供电；与电控箱连接的所有接头均为防水接头。
4.根据权利要求1所述的果树根蘖精准对靶施药装置，其特征在于：左右两个龙门架上的扫描式激光测距仪、CCD彩色摄像头与喷头的布局以移动车载平台的中心线左右对称。
5.一种应用权利要求1所述的果树根蘖精准对靶施药装置进行精准对靶施药的方法，其特征在于：
(1)扫描式激光测距仪完成一次扫描后，首先进行数据预处理，确定所得到的数据点中哪些是属于同一树干；
(2)根据所得到的属于同一树干上的数据点估算树干的尺寸和中心位置；
(3)当树干中心位置到扫描式激光测距仪的正中线的垂直距离最小时，软件触发CCD彩色摄像头采集一张根蘖图像，同时将此刻树干中心位置到扫描式激光测距仪的距离，即图像深度信息记录下来。
(4)对采集的根蘖图像进行分割和提取，将根蘖区域分割出来形成一个根蘖窗，并获得根蘖窗的像素尺寸；
(5)结合扫描式激光测距仪获得的图像深度信息，将根蘖窗的实际二维尺寸计算出来，并根据CCD彩色摄像头和扫描式激光测距仪的安装位置，可得到根蘖窗左右边界与树干中心位置的相对关系；
(6)当根蘖窗的边界与喷头的施药方向相切时，中央计算单元向多路阀控制器发出控制指令，控制相应喷头开启进行对靶施药，施药持续时间由根蘖窗的宽度和作业速度决定。
6.一种应用权利要求1所述的果树根蘖精准对靶施药装置生成果树、根蘖及其施药量分布地图的方法，其特征在于：
(1)由扫描式激光测距仪得到树干尺寸和树干中心位置后，中央计算单元同步读取GPS数据，包括初始系统时间、经纬度信息、移动速度和航向角；由扫描式激光测距仪得到的树干中心位置是在扫描式激光测距仪的相对坐标系中的位置，GPS数据中经纬度信息是GPS天线在大地坐标系中的位置；根据GPS天线和扫描式激光测距仪相互之间的位置关系，将相对坐标中的树干中心位置转换到大地坐标系中，从而获得当前树干实际位置；
(2)GPS数据更新频率慢于扫描式激光测距仪的数据更新频率，为进一步提高定位精度，在上述数据更新之前，根据当前树干实际位置、移动速度和航向角，以10ms的间隔插值预测树干在大地坐标中的移动趋势，得到若干树干预测位置；
(3)计算由步骤(2)所得的若干树干预测位置到扫描式激光测距仪的正中线的垂直距离，取其中距离最短的树干预测位置，将此刻树干定位信息，包括树干尺寸和树干预测位置存储到数据库中；
(4)由扫描式激光测距仪和CCD彩色摄像头测得的数据获得根蘖窗实际二维尺寸及根蘖窗边界与树干中心位置相对关系，并结合作业速度和施药的工作压力获得施药量后，将根蘖窗实际二维尺寸及根蘖窗边界与树干中心位置相对关系和施药量信息存储到数据库中对应的树干定位信息处；
(5)将数据库中存储的树干定位信息、根蘖窗实际二维尺寸及根蘖窗边界与树干中心位置相对关系和施药量信息对应叠加在一起，生成果树、根蘖及其施药量分布地图。
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| 精准农业技术系统集成在新疆棉花种植中的应用;孙莉 等;《农业工程学报》;20050831;第21卷(第8期);第83-88页 * |
| 裴文超 等.基于DSP和单片机的实时对靶喷施除草系统.《农机化研究》.2012,(第1期),第149-153页. * |
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