CN103766317B - 一种基于热伤除草的全覆盖激光点阵结构和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于热伤除草的全覆盖激光点阵结构，是由固定框架和激光器组成;固定框架为圆柱面或其它柱面，在固定框架上有多个孔，在每个孔中固定安装有激光器，激光器在固定框架上形成点阵，每个激光器发出的激光汇聚在一条直线上。相邻两列的孔间距恒定，相邻两行的孔有一恒定的位移，以确保激光器辐照时没有坐标空隙。激光器与控制器相连，通过监视器定位杂草位置，再由控制器控制点阵仪上对应的激光器开关，通过发射激光热伤除草。本发明结构设计简单合理，可以根据杂草的具***置，控制相应激光器的开关，逐行逐行地精确除草。把该设计放置在农机上，随着农机的前行，实现全覆盖适时激光除草的目的。

Description

一种基于热伤除草的全覆盖激光点阵结构和方法

技术领域

本发明涉及一种全覆盖激光点阵结构，主要应用于热伤田间除草。

背景技术

长期以来，人们赖以生存的食物靠栽种植物和饲养动物等方法来提供，然而在栽种植物过程中，不可避免地要遇到防治草害的问题。杂草是生长在不适当区域的植物，经常伴生于作物的不同生长发育期，同作物激烈地竞争水分和养分，严重干扰了作物的正常生长，导致作物减产和品质下降。

农田杂草防除的方法有机械、化学、人力、静电、生物除草等，近年来，由于化学除草的高效性使其成为了主要的除草方式。但化学除草方法的广泛使用也引发了一系列的农业环境恶化和粮食安全问题。而机械除草会导致严重的水分蒸发丢失，在水资源稀少的地方需谨慎使用。因此虽然最小化耕耘得到了广泛的采用，杂草控制问题依然存在。热除草提供了一种不使用除草剂的方法，并实现了最小化耕耘，且有些热除草方法不受风雨天气的约束、易于操作，为有机农业提供了可行的方法。而热除草方法中的激光器除草利用了激光器集中了大量的能量于一束窄的激光束面积内，能精确快速地指向目标，并且激光束能聚焦在一个小的面积内，增加单位面积上的能量。激光可以用来作为物理杂草控制的切割方法，也能在不切断杂草茎秆的情况下也能达到控制杂草的效果。激光可以选择性地传递高密度能量给植物，升高植物细胞中水分的温度从而致使它停止或延迟生长。激光杂草控制的效果与激光的波长、照射时间、光斑大小、功率以及杂草的种类有关。

发明内容

本发明的技术解决问题是：杂草在田间的分布是随机的、不均匀的，而且具有簇生性。正是这种杂草分布的不连续性，为精确除草技术的可行性提供了依据。本发明就是在基于激光点阵排列和聚焦结构设计，提供了一种全覆盖激光适时热伤田间除草新方法。该结构控制精度高，可以全覆盖地去除田间杂草。

本发明的技术解决方案是：主要提供一种基于热伤除草的全覆盖激光点阵结构，由固定框架和激光器组成；固定框架为圆柱面或其它柱面，在固定框架上有多个孔，在每个孔中固定安装有激光器，激光器在固定框架上形成点阵，每个激光器发出的激光汇聚在一条直线上。

固定框架上相邻两列的孔间距恒定，相邻两行的孔有一恒定的位移，以确保激光器辐照时没有坐标空隙。

具体地，固定框架为圆柱面或其它形式柱面，在固定框架上每行排列N个孔，共排列M行。孔的直径为D1，同行的孔间距为d1，相邻行的孔间距d2，确保d1+D1＝M·D2(可以通过改变d1的值来满足此关系式)。圆柱面轴长L＝(M-1)·(d1+D1)，弧长S>M·D1+(M-1)·d2，所采用激光器直径和孔直径相等，激光器发射光斑在距离R处的直径为D2。设固定框架的行方向为x轴方向，固定框架上排列的激光点阵关于中心线对称，沿中心线向两侧分布，相邻两行的孔沿x轴方向都有一定的位移c1＝D2，从而可以使柱面轴线上的每一点都有激光器光斑覆盖，确保激光器扫描时没有坐标空隙。

设计一种基于热伤除草的全覆盖激光点阵结构，固定框架1为圆柱面，举例说明：若激光器2采用半导体激光器，其输出波长为650nm±5nm，输出功率为5mw，在距离600mm远处的激光光斑直径为D2＝2mm。圆柱面轴长l＝980mm，半径R＝600mm，弧长s＝400mm，对应的圆心角θ＝2/3弧度。固定框架1上每行排列N＝50个孔，共排列M＝20行，固定框架1上排列的激光点阵关于中心线对称，孔的直径和激光器2直径相等D1＝10mm，每行相邻孔间距d1＝10mm，相邻行的孔间距d2＝10mm。沿固定框架1的中心线向两侧分布，相邻行的孔沿x轴方向的位移均为c1＝c2＝c3＝c4＝c5＝c6＝c7＝c8＝c9＝2mm，从而确保激光器能够完全覆盖圆柱面的轴线，激光辐照没有坐标空隙。

本发明还公开了一种利用所述激光点阵结构热伤除草的方法，是将所述激光点阵结构安装于农机上，激光器与控制器相连，通过农机上的监视器定位杂草位置，再由控制器控制激光点阵结构上对应的激光器开关，通过发射激光热伤除草。

本发明结构设计简单合理，可以根据杂草的具***置，控制相应激光器的开关，逐行逐行地精确除草。把该设计放置在农机上，随着农机的前行，实现全覆盖适时激光除草的目的，是一种具有很强实用性的激光点阵结构。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

图1是本发明一种基于热伤除草的全覆盖激光点阵结构正面结构示意图；

1-固定框架；2-激光器；

图2是本发明一种基于热伤除草的全覆盖激光点阵结构正面结构局部示意图；

图3是本发明一种基于热伤除草的全覆盖激光点阵结构侧面结构示意图；

图4是本发明一种基于热伤除草的全覆盖激光点阵结构立体图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的描述。

如图1所示，一种基于热伤除草的全覆盖激光点阵结构，其特征在于，固定框架1为圆柱面，在固定框架1上每行排列N个孔，共排列M行。孔的直径为D1，同行的孔间距为d1，相邻行的孔间距d2，确保d1+D1＝M·D2(可以通过改变d1的值来满足此关系式)。圆柱面轴长L＝(M-1)·(d1+D1)，弧长S>M·D1+(M-1)·d2，所采用激光器直径和孔直径相等，激光器发射光斑在距离R处的直径为D2。以固定框架1行方向设为x轴方向，固定框架1上排列的激光点阵关于中心线对称，沿中心线向两侧分布，相邻两行的孔沿x轴方向都有一定的位移c1＝D2，从而可以使柱面轴线上的每一点都有激光器光斑覆盖，确保激光器扫描时没有坐标空隙。

如图4所示，圆柱面的轴线左端为原点，轴线向右方向为x轴方向，基于杂草识别技术，通过扫描仪检测到在x轴上某点有杂草，点坐标记为X(单位mm)，设圆柱面上激光器行、列位置坐标为Z(m,n)，我们则可以通过杂草位置坐标，确定需要工作激光器行、列位置坐标Z(m,n)，具体计算如下：

行坐标 $m=\[\frac{X\%(d1+D1)+1}{D2}\]+1---\left(1\right)$

列坐标 $n=\[\frac{X}{(d1+D1)}\]+1---\left(2\right)$

此处“[]”为取整运算符，“％”为取余运算符(若X为小数，则取余运算结果也为小数)。

确定需要工作的激光器行、列位置坐标Z(m,n)的计算公式，就可以通过控制器来控制点阵仪上某台激光器的开关，从而达到精确除草的目的。随着农机前行，由计算机控制器进行适时控制，可以对整个田间进行全覆盖热伤除草。

本发明已设计一种具体全覆盖激光点阵结构，固定框架1为圆柱面，圆柱面轴长l＝980mm，半径R＝600mm，弧长s＝400mm，对应的圆心角θ＝2/3弧度。固定框架1上每行排列N＝50个孔，共排列M＝20行，固定框架1上排列的激光点阵关于x轴方向中心线对称，孔的直径和激光器2直径相等D1＝10mm，每行相邻孔间距d1＝10mm，相邻行的孔间距d2＝10mm，沿固定框架1的中心线向两侧分布，相邻行的孔沿x轴方向的位移c1＝c2＝c3＝c4＝c5＝c6＝c7＝c8＝c9＝2mm，激光器2为半导体激光器，输出波长为650nm±5nm输出功率为5mw，光斑在600mm处直径为D2＝2mm，与相邻行的孔沿x轴方向的位移c1相等，以确保激光器能够完全覆盖扫描空间。

将所给具体数值带入公式(1)和(2)，得到一种基于热伤除草的全覆盖激光点阵结构的激光器行、列位置坐标Z(m,n)的计算公式：

行坐标 $m=\[\frac{X\%20+1}{2}\]+1---\left(3\right)$

列坐标 $n=\[\frac{X}{20}\]+1---\left(4\right)$

例如，通过扫描仪测出杂草坐标位置X＝68.7mm，通过激光器行、列位置坐标计算公式，可得：m＝5，n＝4，即第5行第4列激光器工作；若杂草坐标位置X＝96.3mm，则m＝9，n＝5，第9行第5列激光器工作。以上两个例子，通过式(3)和(4)计算出的激光器的行、列坐标位置与设计本意完全符合，且只要杂草坐标在扫描范围0mm-980mm，都有相对应的激光器工作，确保完全覆盖。

且本发明一种基于热伤除草的全覆盖激光点阵结构对于柱面中心线完全对称，以确保在对称位置处有两台激光器同时瞄准和辐照一个杂草位置，以确保完全杀死杂草的目的，可以达到更好的效果。

Claims (4)

1.一种基于热伤除草的全覆盖激光点阵结构，其特征是由固定框架(1)和激光器(2)组成；固定框架(1)为圆柱面或其它柱面，在固定框架(1)上有多个孔，在每个孔中固定安装有激光器(2)，激光器(2)在固定框架(1)上形成点阵，每个激光器(2)发出的激光汇聚在一条直线上；固定框架(1)上相邻两列的孔间距恒定，相邻两行的孔有一恒定的位移，以确保激光器辐照时没有坐标空隙。

2.根据权利要求1所述的一种基于热伤除草的全覆盖激光点阵结构，其特征在于，固定框架(1)为圆柱面；在固定框架(1)上每行排列N个孔，共排列M行，孔的直径为D1；所采用激光器直径和孔直径相等，激光器的光斑直径为D2，同一行的孔间距为d1，相邻行的孔间距为d2，确保d1+D1＝M·D2；圆柱面轴长L＝(N-1)·(d1+D1)，弧长S>M·D1+(M-1)·d2；以固定框架(1)行的方向设为x轴方向，固定框架(1)上排列的激光点阵关于点阵的中心线对称，沿中心线向两侧分布，相邻两行的孔沿x轴方向都有一定的位移c1＝D2。

3.根据权利要求2所述的一种基于热伤除草的全覆盖激光点阵结构，其特征在于：固定框架(1)为圆柱面，圆柱面轴长L＝980mm，半径R＝600mm，弧长s＝400mm，对应的圆心角θ＝2/3弧度；固定框架(1)上每行排列N＝50个孔，共排列M＝20行，固定框架(1)上排列的激光点阵关于x轴方向中心线对称，孔的直径和激光器(2)直径相等D1＝10mm，每行相邻孔间距d1＝10mm，相邻行的孔间距d2＝10mm；激光器(2)选用半导体激光器，输出波长为650nm±5nm输出功率为5mw，光斑在600mm远处的直径为D2＝2mm，沿固定框架(1)的中心线向两侧分布，相邻行的孔沿x轴方向的位移c1＝c2＝c3＝c4＝c5＝c6＝c7＝c8＝c9＝2mm。

4.一种利用权利要求1所述激光点阵结构热伤除草的方法，其特征在于，将权利要求1所述激光点阵结构安装于农机上，激光器与控制器相连，通过农机上的监视器定位杂草位置，再由控制器控制激光点阵结构上对应的激光器开关，通过发射激光热伤除草。