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CN108982420A - 一种光-触觉感知的水稻作物行中线定位装置和方法 - Google Patents

一种光-触觉感知的水稻作物行中线定位装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光‑触觉感知的水稻作物行中线定位装置，包括仓体、作物信息感知系统、数据处理系统、仿型杆；作物信息感知系统包括漫反射传感器和贴有压电薄膜的感知梁，感知梁左右对称的安装在仓体上，漫反射传感器通过仿型杆高度可调且左右对称的架设在感知梁的正上方，漫反射传感器与感知梁位于同一竖直平面内；仓体浮在水面上，数据处理系统位于密封的仓体内，数据处理系统与作物信息感知系统相接。还涉及一种光‑触觉感知的水稻作物行中线定位方法。本发明提高了稻株识别的可靠性，属于农田作物识别领域。

Description

一种光-触觉感知的水稻作物行中线定位装置和方法
技术领域
本发明涉及农田作物识别领域，具体涉及一种光-触觉感知的水稻作物行中线定位装置和方法。
背景技术
在稻田生态系统中，杂草与水稻争夺生长空间、肥料养分、光照、热等资源，是造成水稻产量下降和品质降低的主要原因之一。施用化学除草剂是目前应用广泛的一种稻田杂草防治方式，然而大量、高频率的施药会造成杂草抗药性、作物药害、环境污染等问题。近年来，机械除草作为一种无化学污染、环境友好的除草方式得到了更多应用。
机械除草伤苗率高也是不容回避的事实。主要原因在于，水田土壤的复杂性和不确定性，无论是人工驾驶还是自动导航驾驶，插秧机易偏航作业，使移栽稻株不可避免出现偏植移栽。在除草作业时，通过人为转向实现避苗，存在除草部件调节相对机身运动有一定的滞后性，在纠偏期间除草部件对偏植的稻苗不可避免造成损伤，特别是多行插秧机，多行偏植伤苗率更为严重。因此，在稻株识别的基础上，获取水稻作物行中线位置信息，实时调节除草部件处于稻行中线，对实现智能化避苗机械除草具有重要意义。
然而，水稻生长环境背景复杂、水面反光、稻株叶冠相互遮掩，禾本科杂草与水稻形态相似，常规的机器视觉等方式实现稻株的识别与定位十分困难。为此，针对稻穴内稻株群茎基部成束，相邻稻穴茎基部独立的生长特点，提出触觉感知技术，实现稻株的识别与定位，但稻穴内稻株丛生，移栽时取秧量不同、生长过程中分蘖数不一，仅依靠触觉方式进行稻株识别难以保证信息的可靠性。因此，利用除草期内稻草位差(高度差)，通过漫反射传感器获得稻草高度辨识信息，实现多源信息融合，以期提高稻株识别与水稻作物行中线定位的准确性，为智能化避苗机械除草提供决策支持。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种光-触觉感知的水稻作物行中线定位装置和方法，融合触觉感知的稻草力学辨识信息和漫反射传感器的稻草光学辨识信息实现稻株的识别，并在此基础上，获得水稻作物行中线位置信息，进而指导除草部件进行相应调整，以实现智能化避苗机械除草作业。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种光-触觉感知的水稻作物行中线定位装置，包括仓体、作物信息感知系统、数据处理系统、仿型杆；作物信息感知系统包括漫反射传感器和贴有压电薄膜的感知梁，感知梁左右对称的安装在仓体上，漫反射传感器通过仿型杆高度可调且左右对称的架设在感知梁的正上方，漫反射传感器与感知梁位于同一竖直平面内；仓体浮在水面上，数据处理系统位于密封的仓体内，数据处理系统与作物信息感知系统相接。
作为一种优选，仓体包括浮仓和浮仓盖；浮仓的边缘设有浮仓滑槽，浮仓滑槽的前端设有朝向后侧的定位孔，浮仓盖的边缘设有浮仓盖滑槽，浮仓盖滑槽的前端设有朝向前侧的定位销，浮仓滑槽与浮仓盖滑槽配合，浮仓和浮仓盖盖紧时，定位销插入定位孔内；浮仓和浮仓盖之间设有密封垫圈。
作为一种优选，浮仓的前段为四分之一球体形，浮仓的后段为半圆柱形，前段和后段平滑连接；浮仓盖的前段为半圆板形，浮仓盖的后段为矩形板形。
作为一种优选，一种光-触觉感知的水稻作物行中线定位装置，还包括圆形基座、三角形套筒、高度调节螺母；仿型杆通过圆形基座安装在仓体的上端，感知梁安装在圆形基座的左右两侧，三角形套筒套接于仿型杆且沿着仿型杆上下滑移，高度调节螺母将三角形套筒套锁紧在仿型杆上，漫反射传感器安装在三角形套筒的左右两侧。
作为一种优选，感知梁水平设置，感知梁的前端接触表面粘贴有均匀间隔且水平布置的压电薄膜。
作为一种优选，数据处理系统包括电路板、液晶显示屏、单片机；液晶显示屏和单片机安装在电路板上。
作为一种优选，仓体内设有多根电路板支架，电路板通过螺钉固定在电路板支架上。
作为一种优选，感知梁的材料为柔性塑料。
一种光-触觉感知的水稻作物行中线定位方法，采用一种光-触觉感知的水稻作物行中线定位装置，作物信息感知系统根据稻株与感知梁的接触位置和接触力特征实现触觉感知，并融合漫反射传感器的稻草高度差异信息完成稻株的识别与水稻行中线的定位。
作为一种优选，一种光-触觉感知的水稻作物行中线定位方法，具体包括如下步骤：(1)感知梁在接触稻株杂草时，通过感知梁上压电薄膜感知的接触应力进行稻草识别，当接触应力属于设定的阀值范围时则判定为稻株，完成稻株的力学识别；(2)当感知梁接触稻株茎秆时，漫反射传感器同时也检测到来自稻株的光学遮挡，当感知梁和漫反射传感器的稻草判别结果同时有效时，则完成稻株光-触觉融合信息的识别；(3)数据处理系统获取左右两侧感知梁上与稻株最先发生接触冲击的压电薄膜的位置，由单片机计算左右两侧感知梁上分别与两行稻株发生接触冲击点的位置差，此位置差可评价偏离稻行中线的量化程度，进而实现水稻作物行中线定位，为后续除草部件的避苗调节提供决策数据。
总的说来，本发明具有如下优点：
1.该装置采用仓体结构，工作时仓体随机具前进，并漂浮在稻田水面上，可保证感知梁和漫反射传感器的测量高度不变，保证了稻草光觉和触觉辨识参数获取条件的稳定性，提高了稻株识别的可靠性。
2.该装置的浮仓下端整体外沿为圆弧形，减少了仓体在稻田水面上的行进阻力和波动性，保证了稻草力学参数采集条件的稳定性，提高了稻草辨识的可靠性。
3.该装置利用稻草生长特征差异，将感知梁的触觉和漫反射传感器的光觉两种作物信息有效融合，提高了稻草辨识的准确性。
附图说明
图1是一种光-触觉感知的水稻作物行中线定位装置的结构示意图。
图2是浮仓的结构示意图。
图3是浮仓盖的结构示意图。
图4是感知梁和压电薄膜的结构示意图。
图5是电路板的结构示意图。
图中，1.浮仓；2.电路板；3.浮仓盖；4.压电薄膜；5.圆形基座；6.仿型杆；7.漫反射传感器；8.高度调节螺母；9.三角形套筒；10.定位孔；11.浮仓滑槽；12.电路板支架；13.浮仓盖滑槽；14.定位销；15.密封垫圈；16.感知梁；17.液晶显示屏；18.单片机。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
如图1、2、3、4、5所示，一种光-触觉感知的水稻作物行中线定位装置，包括浮仓、浮仓盖、作物信息感知系统、数据处理系统、仿型杆、高度调节螺母、三角形套筒、密封垫圈、感知梁、压电薄膜、圆形基座。
作物信息感知系统包括感知梁16、漫反射传感器7，两者共处同一竖直平面内，感知梁16共有2组，分别位于浮仓盖3左右两侧，感知梁16接触表面粘贴有均匀间隔，且水平放置的压电薄膜4，压电薄膜4的尺寸与间隔分布尺寸具体根据感知梁16的尺寸而定，感知梁16的尺寸根据田间稻株行距、株距的距离而定，感知梁16通过根部的圆形基座5与浮仓盖3连接；漫反射传感器7对称安装在三角形套筒9上，三角形套筒9沿着立起的仿型杆6滑移并通过高度调节螺母8锁紧，通过高度调节螺母8可将三角形套筒9固定至漫反射传感器7所需要的安装高度。
浮仓1与浮仓盖3通过浮仓滑槽11和浮仓盖滑槽13、定位孔10和定位销14进行固定和连接，浮仓盖3边沿上设有密封垫圈15，实现浮仓1与浮仓盖3的密封，浮仓1的前端为四分之一球形，其余部分为半圆柱体结构，浮仓盖3前端为半圆板型，其余部分为矩形板型。
数据处理系统包括单片机18、电路板2、液晶显示屏17，单片机18和液晶显示屏17安装在电路板2上，电路板2放置在浮仓1内部，浮仓1内部设有四根电路板支架12，电路板2通过螺钉固定在四根电路板支架12上。
工作前，将浮仓1与浮仓盖3通过定位销14、定位孔10、浮仓滑槽11、浮仓盖滑槽13、密封垫圈15进行固定及压紧密封，防止稻田积水进入仓体内部损坏电子元件。通过高度调节螺钉8固定仿型杆6上的三角形套筒9，使对称安装在三角形套筒9上的漫反射传感器7的高度接近稻株顶端部位。
本实施例所选取的浮仓1与浮仓盖3组成的仓体尺寸：长为200mm、宽为100mm，浮仓1与浮仓盖3通过定位销14和定位孔10固定，通过浮仓滑槽11、浮仓盖滑槽13、密封垫圈15进行压紧密封，浮仓1和浮仓盖3密封后的高度为70mm，每片压电薄膜4尺寸为长20mm，宽10mm，压电薄膜4间隔放置距离为10mm。为保证感知梁16在非稻行中线情况下能接触到稻株，取感知梁16的尺寸为长200mm，宽10mm。该装置进入田间工作时，应将对称安装在三角形套筒9上的漫反射传感器7的高度调节至接近稻株顶端部位。所选感知梁的基体材料为柔性塑料，具有一定的抗弯强度，与稻株接触作用时能产生微小形变，保证感知梁上的压电薄膜具有一定的形变感知量。感知梁16随机具行进作业时，表面粘贴的压电薄膜4与稻株或杂草接触，由接触受力过程可知，感知梁上最先与稻株发生接触的压电薄膜所受的冲击力最大，可根据稻株、杂草的茎秆力学阈值统计，判定压电薄膜4产生的接触应力是否处于阈值内，当接触应力处于阀值内时，则判定为稻株。同时，数据处理系统根据接触应力所属的压电薄膜4在感知梁16上的位置，完成水稻作物行中线的定位。在此过程中，为降低稻草力学辨识所引起的误判，利用除草期内相邻稻株尚未遮叠，且稻草高度差异较大的特点，将漫反射传感器7安装在仿型杆6上能自由滑动的三角形套筒9上，调整其高度使之接近稻株顶部，并用高度调节螺钉8使之固定，将漫反射传感器7的感应距离调节至250mm，当稻株顶部处于漫反射传感器7感应范围时，则数据处理系统判定为稻株，反之为稻株间隙区域。具体为感知梁16对称安装在浮仓盖3两侧，漫反射传感器7对称安装在仿型杆6上能自由滑动的三角形套筒9两侧，通过高度调节螺钉8将漫反射传感器7固定在浮仓盖3上，感知梁16和漫反射传感器7的安装位置处于同一竖直平面，该装置工作时沿着两稻行中线前进，感知梁16和漫反射传感器7同时经过两行稻株，因稻株与杂草的茎部力学和高度均有明显差异，可利用融合信息实现稻草辨识，进而完成稻株的识别。
数据处理系统对稻株的识别与水稻作物行中线定位分为三个步骤。首先，感知梁16在接触稻株杂草时，通过感知梁16上压电薄膜4感知的接触应力进行稻草识别，当接触应力属于设定的阀值范围时则判定为稻株，完成稻株的力学识别。其次，由于漫反射传感器7与感知梁16处于同一竖直平面，当感知梁16接触稻株茎秆时，漫反射传感器7同时也检测到来自稻株的光学遮挡，当感知梁16和漫反射传感器7的稻草判别结果同时有效时，则完成稻株光-触觉融合信息的识别。最后，数据处理系统获取左右两侧感知梁上与稻株最先发生接触冲击的压电薄膜的位置(受冲击最大的压电薄膜距离圆形基座5的距离)，由单片机18计算左右两侧感知梁上分别与两行稻株发生接触冲击点的位置差，此位置差可评价当前感知装置偏离稻行中线的量化程度，进而实现水稻作物行中线定位，为后续除草部件的避苗调节提供决策数据。
本发明的作物识别与作物行中线定位方法，同样适用于其它茎秆类作物。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光-触觉感知的水稻作物行中线定位装置，其特征在于：包括仓体、作物信息感知系统、数据处理系统、仿型杆；作物信息感知系统包括漫反射传感器和贴有压电薄膜的感知梁，感知梁左右对称的安装在仓体上，漫反射传感器通过仿型杆高度可调且左右对称的架设在感知梁的正上方，漫反射传感器与感知梁位于同一竖直平面内；仓体浮在水面上，数据处理系统位于密封的仓体内，数据处理系统与作物信息感知系统相接。
2.按照权利要求1所述的一种光-触觉感知的水稻作物行中线定位装置，其特征在于：仓体包括浮仓和浮仓盖；浮仓的边缘设有浮仓滑槽，浮仓滑槽的前端设有朝向后侧的定位孔，浮仓盖的边缘设有浮仓盖滑槽，浮仓盖滑槽的前端设有朝向前侧的定位销，浮仓滑槽与浮仓盖滑槽配合，浮仓和浮仓盖盖紧时，定位销插入定位孔内；浮仓和浮仓盖之间设有密封垫圈。
3.按照权利要求2所述的一种光-触觉感知的水稻作物行中线定位装置，其特征在于：浮仓的前段为四分之一球体形，浮仓的后段为半圆柱形，前段和后段平滑连接；浮仓盖的前段为半圆板形，浮仓盖的后段为矩形板形。
4.按照权利要求1所述的一种光-触觉感知的水稻作物行中线定位装置，其特征在于：还包括圆形基座、三角形套筒、高度调节螺母；仿型杆通过圆形基座安装在仓体的上端，感知梁安装在圆形基座的左右两侧，三角形套筒套接于仿型杆且沿着仿型杆上下滑移，高度调节螺母将三角形套筒套锁紧在仿型杆上，漫反射传感器安装在三角形套筒的左右两侧。
5.按照权利要求1所述的一种光-触觉感知的水稻作物行中线定位装置，其特征在于：感知梁水平设置，感知梁的前端接触表面粘贴有均匀间隔且水平布置的压电薄膜。
6.按照权利要求1所述的一种光-触觉感知的水稻作物行中线定位装置，其特征在于：数据处理系统包括电路板、液晶显示屏、单片机；液晶显示屏和单片机安装在电路板上。
7.按照权利要求6所述的一种光-触觉感知的水稻作物行中线定位装置，其特征在于：仓体内设有多根电路板支架，电路板通过螺钉固定在电路板支架上。
8.按照权利要求1所述的一种光-触觉感知的水稻作物行中线定位装置，其特征在于：感知梁的材料为柔性塑料。
9.一种光-触觉感知的水稻作物行中线定位方法，采用权利要求1至8中任一项所述的一种光-触觉感知的水稻作物行中线定位装置，其特征在于：作物信息感知系统根据稻株与感知梁的接触位置和接触力特征实现触觉感知，并融合漫反射传感器的稻草高度差异信息完成稻株的识别与水稻行中线的定位。
10.按照权利要求9所述的一种光-触觉感知的水稻作物行中线定位方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
(1)感知梁在接触稻株杂草时，通过感知梁上压电薄膜感知的接触应力进行稻草识别，当接触应力属于设定的阀值范围时则判定为稻株，完成稻株的力学识别；
(2)当感知梁接触稻株茎秆时，漫反射传感器同时也检测到来自稻株的光学遮挡，当感知梁和漫反射传感器的稻草判别结果同时有效时，则完成稻株光-触觉融合信息的识别；
(3)数据处理系统获取左右两侧感知梁上与稻株最先发生接触冲击的压电薄膜的位置，由单片机计算左右两侧感知梁上分别与两行稻株发生接触冲击点的位置差，此位置差可评价偏离稻行中线的量化程度，进而实现水稻作物行中线定位，为后续除草部件的避苗调节提供决策数据。
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