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CN106054274A - 一种玉米类高杆作物定位和作物行位置检测的装置及方法 - Google Patents

一种玉米类高杆作物定位和作物行位置检测的装置及方法 Download PDF

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CN106054274A
CN106054274A CN201610453496.7A CN201610453496A CN106054274A CN 106054274 A CN106054274 A CN 106054274A CN 201610453496 A CN201610453496 A CN 201610453496A CN 106054274 A CN106054274 A CN 106054274A
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laser
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张春龙
孙成龙
陈子文
李南
孙哲
李伟
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China Agricultural University
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00—Control of position, course, altitude or attitude of land, water, air or space vehicles, e.g. using automatic pilots
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    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A40/00—Adaptation technologies in agriculture, forestry, livestock or agroalimentary production
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Abstract

本发明属于现代智能农业装备和精准农业领域，特别涉及一种玉米类高杆作物定位和作物行位置检测的装置及方法。该装置包括第一激光传感器支架(10)、第二激光传感器支架(11)、激光发射传感器(14)和激光接收传感器(15)；第一激光传感器支架(10)和第二激光传感器支架(11)均为“门”状支架结构，二者的上横梁与左右侧板垂直；第一激光传感器支架(10)与第二激光传感器支架(11)具有相同的高度和宽度，二者的上横梁在同一平面内，并在中点相交叉，两个上横梁之间的夹角为α；第一激光传感器支架(10)或第二激光传感器支架(11)其中一个的上横梁与该装置运动方向垂直，即与作物行垂直。本发明结构简单、定位和检测准确性高。

Description

一种玉米类高杆作物定位和作物行位置检测的装置及方法
技术领域
本发明属于现代智能农业装备和精准农业领域，特别涉及一种针对玉米类高杆作物的株间锄草时，作物定位和作物行位置检测的装置及方法。
背景技术
我国目前常用的除草方式有人工锄草和化学除草。人工锄草占用大量的劳动力且锄草效率低；化学除草剂会带来农田杂草种群更替、除草剂药害频发、杂草抗药性增强、食物中残留积聚及环境污染等问题。加之人们对食品安全的关注及对绿色食品的需求，高效、环保的机械锄草越来越受到关注。在株间机械锄草中，苗草信息识别定位是技术难点，国内外多采用机器视觉技术和GPS技术对作物苗和作物行进行识别和定位，通过单棵作物定位信息可控制株间锄草刀的“避苗锄草”运动，通过作物行定位信息可控制机具实时沿作物行作业。但是机器视觉和GPS技术均成本较高，难度较大，研制周期较长。玉米类高杆作物是中国重要的粮食作物之一，加之玉米子叶的形状特征，采用机器视觉技术对玉米进行识别并对根部位置进行定位较为困难，算法复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种玉米类高杆作物定位和作物行位置检测的装置，通过采用低成本传感器，实现对单棵玉米类高杆作物的定位及其作物的行偏差检测。
本发明的另一个目的是提供一种玉米类高杆作物定位和作物行位置检测的方法。
为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
本发明提供一种玉米类高杆作物定位和作物行位置检测的装置，该装置包括第一激光传感器支架10、第二激光传感器支架11、激光发射传感器14和激光接收传感器15；
第一激光传感器支架10和第二激光传感器支架11均为“门”状支架结构，具有水平方向布置的上横梁和竖直方向布置的左侧板以及右侧板；第一激光传感器支架10与第二激光传感器支架11具有相同的高度和宽度，二者的上横梁在同一平面内，并在中点相交叉，两个上横梁之间具有一个夹角α,10度≤α≤30度；
沿第一激光传感器支架10和第二激光传感器支架11的左侧板布置有多个激光接收传感器15；
沿第一激光传感器支架10和第二激光传感器支架11的右侧板布置有多个与激光接收传感器15一一对应的激光发射传感器14；
第一激光传感器支架10或第二激光传感器支架11其中一个的上横梁与该装置运动方向垂直，即与作物行垂直。
优选地，所述夹角α为15度。
将一个激光发射传感器14和一个激光接收传感器15称为一对激光传感器，第一激光传感器支架10和第二激光传感器支架11上均竖直安装4～6对激光传感器。
激光传感器支架侧板上最高的激光传感器的高度低于玉米类高杆作物3的高度，且高于杂草高度。
该装置包括仿形单元，仿形单元包括机架5、上连架杆6、连杆7、下连架杆8、仿形轮支架连接板9、左仿形轮支架1、右仿形轮支架12和仿形轮13；
其中，机架5与连杆7之间通过上连架杆6和下连架杆8连接并形成转动副，构成平行四边形仿形机构；
仿形轮支架连接板9与连杆7相连接；
仿形轮支架连接板9左右两端纵向位置分别设置有多个安装孔，分别连接左仿形轮支架1和右仿形轮支架12；两个仿形轮13分别安装在左仿形轮支架1和右仿形轮支架12上；
第一激光传感器支架10和第二激光传感器支架11的上横梁与连杆7连接。
机架5固定在安装板4上，安装板4与株间锄草刀或株间锄草单元相连接。
本发明提供一种使用玉米类高杆作物定位和作物行位置检测的装置进行检测的方法，其特征在于：该方法包括：
a、单棵玉米类高杆作物定位：
激光发射传感器14向激光接收传感器15发射激光；第一激光传感器组A或第二激光传感器组B上的激光传感器被全部被遮挡时，说明该物体为玉米类高杆作物3，当不是全部被遮挡或是没有被遮挡时说明没有玉米类高杆作物3或为其他干扰物；
b、玉米类高杆作物行检测：
1)第二激光传感器支架11的上横梁与作物行垂直；如果第一激光传感器组A和第二激光传感器组B同时全部被遮挡，则玉米类高杆作物行位于检测装置的横向中心位置；
2)当第一激光传感器组A先全部被遮挡，然后第二激光传感器组B全部被遮挡时，说明玉米类高杆作物行横向相对装置中心偏左，其左横向偏移量为La；
3)当第二激光传感器组B先全部被遮挡，然后第一激光传感器组A全部被遮挡时，说明玉米类高杆作物行横向相对装置中心偏右，其右横向偏移量为Lb。
所述左横向偏移量La为：
L a = L 1 t a n α
其中，L1为第一激光传感器组A先全部被遮挡到第二激光传感器组B全部被遮挡，装置所走过的位移。
所述右横向偏移量Lb为：
L b = L 2 t a n α
其中，L2为第二激光传感器组B先全部被遮挡到第一激光传感器组A全部被遮挡，装置所走过的位移。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)采用低成本激光传感器组对单棵玉米类高杆作物进行定位，降低了研制成本，实现目标的检测。
2)设计了两组互成一定角度的激光传感器组的检测装置和检测方法，根据两组传感器检测检测顺序及响应时间差，结合当前车速，计算玉米类高杆作物行的横向位置和偏移量。该方法新颖、简单、可行，稳定性较高。
3)设计了仿形机构，保证传感器相对地面距离不变。
附图说明
图1为本发明玉米类高杆作物定位和作物行位置检测的装置的结构示意图；
图2为本发明玉米类高杆作物定位和作物行位置检测的装置的正视图；
图3为本发明玉米类高杆作物定位和作物行位置检测的方法原理图。
其中的附图标记为：
1左仿形轮支架
3玉米类高杆作物 4安装板
5机架 6上连架杆
7连杆 8下连架杆
9仿形轮支架连接板 10第一激光传感器支架
11第二激光传感器支架 12右仿形轮支架
13仿形轮 14激光发射传感器
15激光接收传感器 A第一激光传感器组
B第二激光传感器组 V装置前进速度
L1第一激光传感器组A先全部被遮挡到第二激光传感器组B全部被遮挡，装置所走过的位移
L2第二激光传感器组B先全部被遮挡到第一激光传感器组A全部被遮挡，装置所走过的位移
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行进一步说明。
如图1所示，本发明玉米类高杆作物定位和作物行位置检测的装置，包括仿形单元、第一激光传感器支架10、第二激光传感器支架11、激光发射传感器14和激光接收传感器15。
第一激光传感器支架10和第二激光传感器支架11均为“门”状支架结构，具有水平方向布置的上横梁和竖直方向布置的左侧板以及右侧板；第一激光传感器支架10与第二激光传感器支架11具有相同的高度和宽度，二者的上横梁在同一平面内，并在中点相交叉，两个上横梁之间具有一个夹角α，10度≤α≤30度；所述夹角α优选为15度。
沿第一激光传感器支架10和第二激光传感器支架11的左侧板布置有多个激光接收传感器15。
沿第一激光传感器支架10和第二激光传感器支架11的右侧板布置有多个与激光接收传感器15一一对应的激光发射传感器14。
将一个激光发射传感器14和一个与之对应的激光接收传感器15称为一对激光传感器，第一激光传感器支架10和第二激光传感器支架11上竖直安装4到6对激光传感器。
第一激光传感器支架10上的激光发射传感器14和激光接收传感器15构成第一激光传感器组A；第二激光传感器支架11上的激光发射传感器14和激光接收传感器15构成第二激光传感器组B。
激光传感器支架侧板上最高的激光传感器的高度低于玉米类高杆作物3的高度，且高于杂草高度。
为适应地面起伏的情况，本发明玉米类高杆作物定位和作物行位置检测的装置搭载在仿形单元上。
所述仿形单元包括机架5、上连架杆6、连杆7、下连架杆8、仿形轮支架连接板9、左仿形轮支架1、右仿形轮支架12和仿形轮13。其中，机架5与连杆7之间通过上连架杆6和下连架杆8通过螺钉连接并形成转动副，构成平行四边形仿形机构。仿形轮支架连接板9通过螺钉与连杆7相连接，同时可相对连杆7进行纵向或横向的安装位置调整。仿形轮支架连接板9左右两端纵向位置分别设有多个安装孔，用于连接左仿形轮支架1和右仿形轮支架12，并可使两个仿形轮13之间相对仿形轮支架连接板9进行纵向调节。两个仿形轮13分别通过螺栓安装在左仿形轮支架1和右仿形轮支架12上，并可转动。
机架5通过螺钉固定在安装板4上，并可相对安装板4进行纵向和横向安装位置的微调。安装板4用于将该装置与株间锄草刀或株间锄草单元相连接；株间锄草刀和株间锄草单元为智能株间锄草机的一部分，是株间锄草的执行单元。
如图1和图2所示，第一激光传感器支架10和第二激光传感器支架11的上横梁与连杆7连接；并保证第一激光传感器支架10或第二激光传感器支架11其中一个的上横梁与该装置运动方向垂直，即与作物行垂直。
本发明玉米类高杆作物定位和作物行位置检测的方法，包括：
a、单棵玉米类高杆作物定位：
如图2所示，激光发射传感器14向激光接收传感器15发射激光；当没有物体遮挡激光发射传感器14或激光接收传感器15时，激光可从激光发射传感器14到达激光接收传感器15，相反，当有物体遮挡时，激光无法传递到激光接收传感器15；第一激光传感器组A或第二激光传感器组B上的激光传感器被全部被遮挡时，说明该物体为玉米类高杆作物3，当不是全部被遮挡或是没有被遮挡时，说明没有玉米类高杆作物3或为其他干扰物；
b、玉米类高杆作物行检测：
1)如图3a所示，第二激光传感器支架11的上横梁与作物行垂直；如果第一激光传感器组A和第二激光传感器组B同时全部被遮挡，则玉米类高杆作物行位于检测装置的横向中心位置；
2)如图3b所示，当第一激光传感器组A先全部被遮挡，然后第二激光传感器组B全部被遮挡时，说明玉米类高杆作物行横向相对装置中心偏左，其左横向偏移量La的计算公式为：
L a = L 1 t a n α
其中，L1为第一激光传感器组A先全部被遮挡到第二激光传感器组B全部被遮挡，装置所走过的位移；
3)如图3c所示，当第二激光传感器组B先全部被遮挡，然后第一激光传感器组A全部被遮挡时，说明玉米类高杆作物行横向相对装置中心偏右，其右横向偏移量Lb的计算公式为：
L b = L 2 t a n α
其中，L2为第二激光传感器组B先全部被遮挡到第一激光传感器组A全部被遮挡，装置所走过的位移。
本发明可安装于智能株间锄草机的株间锄草单元前，工作时，玉米类高杆作物行位于装置的横向中心位置，通过两组激光传感器检测作物位移及作物行位移，来控制株间锄刀旋转或是锄草机自主对行运动。
本发明为锄草机提供玉米类高杆作物位置信息和作物行位置信息。工作时，仿形轮13可带动整个装置对地面进行仿形运动，确保检测装置可根据地表的起伏进行运动。当激光传感器发射出的激光束全部被遮挡，判断该遮挡物为玉米类高杆作物，此时株间锄草刀在单片机的控制下开始避苗运动，通过测速轮判断株间锄刀运动过作物时，锄刀开始锄株间杂草，一次循环，实现对单棵玉米的检测和避苗锄草。
当玉米类高杆作物行横向相对检测装置横向中心有偏移时，通过判断第一激光传感器组A和第二激光传感器组B哪个先全部被遮挡，另一个后被遮挡，来判断玉米类高杆作物行相对装置横向偏移位置；当第一激光传感器组A先全部被遮挡，然后第二激光传感器组B全部被遮挡，玉米类高杆作物行横向相对装置中心偏左；反之，则偏右。通过测速轮得到第一激光传感器组A先全部被遮挡到第二激光传感器组B全部被遮挡时间内机器所走过的位移，通过公式计算出玉米类高杆作物行的横向偏移量，通过偏移位置和偏移量，控制智能锄草机进行自主对行运动。

Claims (9)

1.一种玉米类高杆作物定位和作物行位置检测的装置，其特征在于：该装置包括第一激光传感器支架(10)、第二激光传感器支架(11)、激光发射传感器(14)和激光接收传感器(15)；
第一激光传感器支架(10)和第二激光传感器支架(11)均为“门”状支架结构，具有水平方向布置的上横梁和竖直方向布置的左侧板以及右侧板；第一激光传感器支架(10)与第二激光传感器支架(11)具有相同的高度和宽度，二者的上横梁在同一平面内，并在中点相交叉，两个上横梁之间具有一个夹角α，10度≤α≤30度；
沿第一激光传感器支架(10)和第二激光传感器支架(11)的左侧板布置有多个激光接收传感器(15)；
沿第一激光传感器支架(10)和第二激光传感器支架(11)的右侧板布置有多个与激光接收传感器(15)一一对应的激光发射传感器(14)；
第一激光传感器支架(10)或第二激光传感器支架(11)其中一个的上横梁与该装置运动方向垂直，即与作物行垂直。
2.根据权利要求1所述的玉米类高杆作物定位和作物行位置检测的装置，其特征在于：所述夹角α为15度。
3.根据权利要求1所述的玉米类高杆作物定位和作物行位置检测的装置，其特征在于：将一个激光发射传感器(14)和一个激光接收传感器(15)称为一对激光传感器，第一激光传感器支架(10)和第二激光传感器支架(11)上均竖直安装4～6对激光传感器。
4.根据权利要求1所述的玉米类高杆作物定位和作物行位置检测的装置，其特征在于：激光传感器支架侧板上最高的激光传感器的高度低于玉米类高杆作物(3)的高度，且高于杂草高度。
5.根据权利要求1所述的玉米类高杆作物定位和作物行位置检测的装置，其特征在于：该装置包括仿形单元，仿形单元包括机架(5)、上连架杆(6)、连杆(7)、下连架杆(8)、仿形轮支架连接板(9)、左仿形轮支架(1)、右仿形轮支架(12)和仿形轮(13)；
其中，机架(5)与连杆(7)之间通过上连架杆(6)和下连架杆(8)连接并形成转动副，构成平行四边形仿形机构；
仿形轮支架连接板(9)与连杆(7)相连接；
仿形轮支架连接板(9)左右两端纵向位置分别设置有多个安装孔，分别连接左仿形轮支架(1)和右仿形轮支架(12)；两个仿形轮(13)分别安装在左仿形轮支架(1)和右仿形轮支架(12)上；
第一激光传感器支架(10)和第二激光传感器支架(11)的上横梁与连杆(7)连接。
6.根据权利要求4所述的玉米类高杆作物定位和作物行位置检测的装置，其特征在于：机架(5)固定在安装板(4)上，安装板(4)与株间锄草刀或株间锄草单元相连接。
7.一种使用权利要求1-6之一所述的玉米类高杆作物定位和作物行位置检测的装置进行检测的方法，其特征在于：该方法包括：
a、单棵玉米类高杆作物定位：
激光发射传感器(14)向激光接收传感器(15)发射激光；第一激光传感器组(A)或第二激光传感器组(B)上的激光传感器被全部被遮挡时，说明该物体为玉米类高杆作物(3)，当不是全部被遮挡或是没有被遮挡时说明没有玉米类高杆作物(3)或为其他干扰物；
b、玉米类高杆作物行检测：
1)第二激光传感器支架(11)的上横梁与作物行垂直；如果第一激光传感器组(A)和第二激光传感器组(B)同时全部被遮挡，则玉米类高杆作物行位于检测装置的横向中心位置；
2)当第一激光传感器组(A)先全部被遮挡，然后第二激光传感器组(B)全部被遮挡时，说明玉米类高杆作物行横向相对装置中心偏左，其左横向偏移量为La；
3)当第二激光传感器组(B)先全部被遮挡，然后第一激光传感器组(A)全部被遮挡时，说明玉米类高杆作物行横向相对装置中心偏右，其右横向偏移量为Lb。
8.根据权利要求7所述的检测的方法，其特征在于：所述左横向偏移量La为：
L a = L 1 t a n α
其中，L1为第一激光传感器组(A)先全部被遮挡到第二激光传感器组(B)全部被遮挡，装置所走过的位移。
9.根据权利要求7所述的检测的方法，其特征在于：所述右横向偏移量Lb为：
L b = L 2 t a n α
其中，L2为第二激光传感器组(B)先全部被遮挡到第一激光传感器组(A)全部被遮挡，装置所走过的位移。
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