CN103798217B - 差分式喷杆喷雾精确对靶装置及靶标检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种差分式喷杆喷雾精确对靶装置及靶标检测方法，包括：喷杆喷雾模块、传感器模块、对靶喷雾控制模块；喷杆喷雾模块包括喷杆架、药液箱、隔膜泵、喷头组和各喷头对应的电磁开关阀；传感器模块包括对行测距传感器、垄沟测距传感器和机具行走测速传感器；对行测距传感器和垄沟测距传感器和机具行走测速传感器分别与对靶喷雾控制模块相连；本发明通过采用垄沟测距传感器和对行测距传感器，可以差分消除喷杆喷雾机作业时喷杆振动引起的随机噪声；并根据采集的作物高度、最大胸径和测距方差三个特征确定作物位置，识别方法具有准确性高和鲁棒性好，能够使喷杆喷雾机在大田施药过程中准确识别靶标，并只针对靶标喷施农药或液态肥。

Description

差分式喷杆喷雾精确对靶装置及靶标检测方法

技术领域

本发明涉及一种差分式喷杆喷雾精确对靶装置及靶标检测方法，属于农业植保机械领域。

背景技术

喷杆式喷雾机主要是针对大面积农田的粮食或经济作物作业，对病虫害的防治和除草的效果良好。但是在其实际作业的时候，特别是一些经济作物，对农田的作物和土壤实施无差别的农药喷洒，无法针对作物的有无，作物的植株面积大小来进行施药。在这种情况下一些作物虫害的天敌也被农药毒死了，同时农药有效利用率低、土壤污染等问题也产生了。针对以上问题，精确对靶施药技术在近阶段成为研究的重点。

经过现有技术文献的检索发现，专利公告号：CN102428904A，名称：除草机器人自动对靶变量喷雾流量控制***，它包括可调变量喷雾***，具有USB摄像头的主控***，支架***以及超声波传感器。它通过USB摄像头进行杂草的平面面积计算和位置确定，由超声波传感器进行垂直距离测定，从而确定杂草位置及面积大小。它主要用于喷施除草农药，且设备较为复杂，既需要进行图像处理，又要测定杂草的距离，故在大田喷施作业中不适合。

发明专利申请号：CN200310112664.9，名称：农药精确对靶施用方法，提供了一种基于机器视觉技术采用树木图像特征实现农药精确对靶施用的农药精确对靶施用方法。它包括树木图像采集、处理与特征识别***，由CCD和图像采集卡采集数目的形态，分析处理后由可调变量喷雾***进行喷洒农药的控制。其应用范围主要是对树木喷洒农药，难以满足大田作物施药的要求。

喷杆喷雾机的工作幅宽一般较大，所以在机具行走过程中，由于土地的不平整，喷杆会有较大幅度的不规则抖动，安装在喷杆上的传感器不可避免地会收到随机振动的干扰，因此传感器必须能够处理这个干扰问题，现有对靶喷雾专利中使用的方法无法解决此问题。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供了一种差分式喷杆喷雾精确对靶装置及靶标检测方法，能够使喷杆喷雾机在大田施药过程中准确识别靶标，并只针对靶标喷施农药或液态肥。

本发明所采用的技术方案是：一种差分式喷杆喷雾精确对靶装置，包括：喷杆喷雾模块、传感器模块、对靶喷雾控制模块。

所述喷杆喷雾模块，包括喷杆架、药液箱、隔膜泵、喷头组和各喷头对应的电磁开关阀，所述喷杆架由立柱和多个横梁组成，所述喷头组由多个喷头组成并根据作物行距安装在喷杆架的横梁上对应于作物行的位置。所述隔膜泵通过药液管分别与药液箱、电磁开关阀和喷头连通；所述隔膜泵将药液从药液箱中泵出，经药液管输送至各电磁开关阀和喷头，电磁开关阀控制喷头是否喷雾。

所述传感器模块，包括对行测距传感器、垄沟测距传感器和机具行走测速传感器；所述对行测距传感器固定在上述喷杆架横梁上对应于作物行的位置；垄沟测距传感器有两个，分别固定在上述喷杆架横梁两端对应于作物行间垄沟的位置。对行测距传感器和垄沟测距传感器安装在同一根横梁上；对行测距传感器与垄沟测距传感器和喷头组位于同一水平面，且对行测距传感器和垄沟测距传感器的安装位置在机具行进方向上超前于喷头组；所述的对行测距传感器实时测量作物行上的作物冠层或株间土地与对行测距传感器传感头间的距离，垄沟测距传感器实时测量作物行间土地与垄沟测距传感器传感头间的距离。对行测距传感器和垄沟测距传感器分别与对靶喷雾控制模块相连；所述机具行走测速传感器用于测量喷雾机与土地间的相对运动速度，机具行走测速传感器与对靶喷雾控制模块相连；

所述对靶喷雾控制模块，包括车载电源、对靶喷雾控制器和输入输出接口。所述对靶喷雾控制器优先选用STM32型单片机；所述车载电源选用12伏或24伏直流电源。所述输入输出接口包括模数转换、光电隔离、信号放大，以及数字IO驱动电路；所述的垄沟测距传感器、对行测距传感器和机具行走测速传感器均通过输入输出接口连接至对靶喷雾控制器。所述的多个电磁开关阀通过输入输出接口与对靶喷雾控制模块连接，对靶喷雾控制模块通过输入输出接口驱动电磁阀的开关状态的切换。

所述垄沟测距传感器和对行测距传感器优先选用超声波传感器。所述的垄沟测距传感器和对行测距传感器的设定频率优选30Hz-100Hz。

本发明一种差分式喷杆喷雾精确对靶装置，具体对靶喷雾控制过程如下：

（1）对靶喷雾控制模块和传感器模块初始化；

（2）喷杆喷雾机喷头对准对行作物开始作业，机具行走测速传感器检测到行走速度，垄沟测距传感器和对行测距传感器开始按照设定频率采集作物冠层或土地到各自传感头的测距信息，测量信息和机具行走速度通过输入输出接口进入对靶喷雾控制器；

（3）对靶喷雾控制器结合机具行走速度和垄沟与对行的测距信息针对各喷头对应的作物行进行实时靶标检测，当对靶喷雾控制器判断出是靶标时，通过输入输出接口驱动对行测距传感器对应作物行的电磁开关阀开启，使对应作物行的喷头喷雾。当识别程序判断出是非靶标时，通过输入输出接口驱动相应的电磁开关阀关闭，使对应喷头停止喷雾。

垄沟测距传感器和对行测距传感器安装在同一个喷杆架上，由于机具的振动和地面凹凸不平的影响，喷杆架在工作过程中，垄沟测距传感器和对行测距传感器的测距信号包含噪音。两个传感器跟随喷杆产生的振动为共模振动，但由于其所在喷杆架上的位置不同，因此垄沟测距传感器和对行测距传感器的振动幅度不同，垄沟测距传感器和对行测距传感器所产生的测距信号受到的噪音影响可看做一样的。因此垄沟测距传感器采集的共模振动数据，可作为一种差分信号，用于对行测距传感器随机背景干扰的消除。本发明一种差分式喷杆喷雾精确对靶装置的实时测距信号处理流程如下：

1）对垄沟测距传感器做均值偏移和调幅处理，使其振动幅度和均值与对行测距传感器为同一水平，垄沟测距传感器记录的包含噪音的原始测距信号记作s，处理后的信号为各作物行的背景参考信号S_i：

$S_i=(s-A)\×\frac{l_i}{l_i-W/2}+A-B------------\left(1\right)$

上式（1）中W为作物行宽；l_i为从喷杆架幅宽方向的中点到其一侧对应第i作物行对应喷头的距离；A为喷杆架到垄沟底部的高度，B为垄高。

2）经过对垄沟测距传感器获得的测距数据经步骤1）补偿后得到的S_i，还要利用差分原理，将S_i作为表征随机干扰信号用于消除对行测距传感器获得的测距信号Y_i中的误差背景，如下所示：

令Z_i为去除喷杆架振动背景干扰的作物冠层或垄上土壤到对行测距传感器传感头的测距信号，将S_i和Y_i两个测距信号倒置后，并依据差分原理消除背景误差可得：

Z_i＝S_i-Y_i-------------（2）

3）经过上述处理后，对行测距传感器对作物行的测距数据Z_i仍然包含了对行测距传感器本身的动态误差和***误差，故需对经过上述处理后的信号Z_i进行中值滤波，得到各作物行上的测距信号D_i符合靶标检测要求。

由于各作物行对应的对行测距传感器的对靶检测方式是相似的，以从喷杆架幅宽方向的中点到对应第i作物行为例，本发明一种差分式喷杆喷雾精确对靶装置，具体靶标检测方法如下：

1）启动喷雾工作后，对行测距传感器和垄沟测距传感器实时采集测距数据，经过上述实时测距信号处理后，将作物冠层或垄上土壤到对行测距传感器传感头的距离信号D_i各加入到数据长度为N的先进先出的队列中，最新的距离数值在队尾。靶标检测依据这N个点进行模式上的判断，以区别出当前传感器检测物为作物还是垄上土壤。

2）计算在队列的滑动窗口的测距信号均值，其中H为喷头到对行土壤的高度；M为滑动窗口宽度，满足M<<N，M优选为0.1N～0.2N；D_j为滑动窗口中的第j个测距信号。如果滑动窗口的高度均值大于设定的作物高度阈值，则初步判断为靶标，并记录最初高度变异点在队列中的位置，否则判断为垄上土壤部分。所述的作物高度阈值依据喷雾作业的作物的平均高度，人为设定。

3）进一步计算当前滑动窗口中的测距信号D_j的方差，如果方差小于给定的作物冠层变化方差阈值，则确定为靶标，否则判断为垄上土壤部分。所述的作物冠层变化方差阈值依据喷雾作业作物冠层长势特点人为测定并人为设定。

所述的队列的数据长度N优选：（取整数），其中V为机具最大运行速度，U为作物最大胸径，f为垄沟测距传感器和对行测距传感器的设定频率。

本发明喷杆喷雾精确对靶装置及其检测方法的有益效果是：1、通过垄沟测距传感器和对行测距传感器，能够差分消除喷杆喷雾机作业时喷杆振动引起的随机噪声。2、根据采集的作物高度、最大胸径和测距方差三个特征确定作物位置，识别方法具有准确性高和鲁棒性好。3、为大田作业的喷杆喷雾机精确对靶喷雾提供了实用装置和靶标检测方法。

附图说明

图1为本发明的机械结构安装示意图。

图2为本发明的对靶喷雾控制过程流程图。

图3为本发明的实时测距信号处理流程图。

图4为垄沟测距传感器与对行测距传感器共模振动波形图。

图5为垄沟测距传感器与对行测距传感器调幅后的共模振动波形图。

图6为对作物高度进行数据采集的原始波形。

图7为消除振动所产生的背景噪音后的数据波形图。

图8为滤波后的信号波形图。

图中：1.垄沟测距传感器，2.对行测距传感器，3.喷头组，4.喷杆架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

如图1所示，所述喷杆喷雾模块，包括喷杆架4、药液箱、隔膜泵、喷头组3和各喷头对应的电磁开关阀，所述喷杆架由立柱和多个横梁组成，所述多个喷头根据作物行距安装在喷杆架的横梁上。所述隔膜泵将药液从药液箱中泵出，经药液管输送至各电磁开关阀和喷头，电磁开关阀控制喷头是否喷雾。

如图1所示，所述传感器模块，包括对行测距传感器2、垄沟测距传感器1和机具行走测速传感器；所述对行测距传感器2固定在上述喷杆架横梁上对应于作物行的位置，垄沟测距传感器1固定在上述喷杆架横梁的最外侧上对应于作物行间的垄沟位置。对行测距传感器2与垄沟测距传感器1和喷头组3位于同一水平面，且对行测距传感器2和垄沟测距传感器1的安装位置在机具行进方向上超前于喷头组；所述的对行测距传感器2测量作物行上的作物冠层或株间土地与传感器头间的距离，垄沟测距传感器1测量作物行间土地与传感器头间的距离。对行测距传感器2和垄沟测距传感器1分别与对靶喷雾控制模块相连；所述机具行走测速传感器用于测量喷雾机与土地间的相对运动速度，机具行走测速传感器与对靶喷雾控制模块相连；所述的测距传感器在机具前进方向距离喷头的安装尺寸根据对靶喷雾控制模块的响应时间和运行的最高行走速度确定，对靶喷雾控制模块的响应时间由实际***测量得出。

如图2所示，本发明一种差分式喷杆喷雾精确对靶装置，对靶喷雾控制过程如下：

（1）对靶喷雾控制模块和传感器模块初始化；

（2）喷杆喷雾机喷头对准对行作物开始作业，机具行走测速传感器检测到行走速度，垄沟测距传感器和对行测距传感器开始按照设定频率采集作物冠层或土地到各自传感头的测距信息，测量信息和机具行走速度通过输入输出接口进入对靶喷雾控制器；

（3）对靶喷雾控制器结合机具行走速度和垄沟与对行的测距信息针对各喷头对应的作物行进行实时靶标检测，当对靶喷雾控制器判断出是靶标时，通过输入输出接口驱动对行测距传感器对应作物行的电磁开关阀开启，使对应作物行的喷头喷雾。当识别程序判断出是非靶标时，通过输入输出接口驱动相应的电磁开关阀关闭，使对应喷头停止喷雾。

垄沟测距传感器和对行测距传感器安装在同一喷杆架上，由于机具的振动和地面凹凸不平的影响，喷杆架在工作过程中，垄沟测距传感器和对行测距传感器的测距信号包含噪音（示例如图6所示）。两个传感器跟随喷杆产生的振动为共模振动，但由于其所在喷杆架上的位置不同，因此垄沟测距传感器和对行测距传感器的振动幅度不同（示例如图4所示），垄沟测距传感器和对行测距传感器所产生的测距信号受到的噪音影响可看做一样的。因此垄沟测距传感器采集的共模振动数据，可作为一种差分信号，用于对行测距传感器随机背景干扰的消除。如图3所示，本发明喷杆喷雾精确对靶装置的实时测距信号处理流程如下：

1）对垄沟测距传感器做均值偏移和调幅处理，使其振动幅度和均值与对行测距传感器为同一水平（示例如图5所示），垄沟测距传感器记录的包含噪音的原始测距信号记作s，处理后的信号为各作物行的背景参考信号S_i：

$S_i=(s-A)\&times;\frac{l_i}{l_i-W/2}+A-B------------\left(1\right)$

上式（1）中W为作物行宽；l_i为从喷杆架幅宽方向的中点到其一侧对应第i作物行对应喷头的距离，由于喷杆架在幅宽方向上的对称性，因此此处仅以一侧的垄沟测距传感器为例加以说明；A为喷杆架到垄沟底部的高度，B为垄高。

2）经过对垄沟测距传感器获得的测距数据经步骤1）补偿后得到的S_i，还要利用采用差分原理，将S_i作为表征随机干扰信号用于消除对行测距传感器获得的测距信号Y_i中的的误差背景，如下所示：

令Z_i为去除喷杆架振动背景干扰的作物冠层或垄上土壤到对行测距传感器传感头的测距信号，将S_i和Y_i两个测距信号倒置后，并依据差分原理消除背景误差可得：

Z_i＝S_i-Y_i-------------（2）

根据式（2）即可得出反映出各作物行上的对行作物冠层或垄上土壤的测距波形（示例如图7所示）；

3）经过上述处理后，对行测距传感器对作物行的测距数据Z_i仍然包含了对行测距传感器本身的动态误差和***误差，故需对经过上述处理后的信号Z_i进行中值滤波（示例如图8所示），得到各作物行上的测距信号D_i符合靶标检测要求。

由于各作物行对应的对行测距传感器的对靶检测方式是相似的，以从喷杆架幅宽方向的中点到对应第i作物行为例，本发明一种差分式喷杆喷雾精确对靶装置，具体靶标检测方法如下：

1）启动喷雾工作后，对行测距传感器和垄沟测距传感器实时采集测距数据，经过上述实时测距信号处理后，将作物冠层或垄上土壤到对行测距传感器传感头的距离信号D_i加入到一个数据长度为N的先进先出的队列中，最新的距离数值在队尾。靶标检测依据这N个点进行模式上的判断，以区别出当前传感器检测物为作物还是对行土壤。

2）计算在队列的滑动窗口的测距信号均值，其中H为喷头到对行土壤的高度；M为滑动窗口宽度，满足M<<N，M优选为0.1N～0.2N；D_j为滑动窗口中的第j个测距信号。如果滑动窗口的高度均值大于设定的作物高度阈值，则初步判断为靶标，并记录最初高度变异点在队列中的位置，否则判断为垄上土壤部分。所述的作物高度阈值依据喷雾作业的作物的平均高度，人为设定。

3）进一步计算当前滑动窗口中的测距信号D_j的方差，如果方差小于给定的作物冠层变化方差阈值，则确定为靶标，否则判断为垄上土壤部分。所述的作物冠层变化方差阈值依据喷雾作业作物冠层长势特点人为测定并人为设定。

所述的队列的数据长度N优选：（取整数），其中V为机具最大运行速度，U为作物最大胸径，f为测距传感器的采集频率。所述的滑动窗口宽度M<<N，M优选为0.1N～0.2N。

Claims (4)

1.一种差分式喷杆喷雾精确对靶装置，其特征在于，包括：喷杆喷雾模块、传感器模块、对靶喷雾控制模块；

所述喷杆喷雾模块，包括喷杆架、药液箱、隔膜泵、喷头组和各喷头对应的电磁开关阀，所述喷杆架由立柱和多个横梁组成，所述喷头组由多个喷头组成并根据作物行距安装在喷杆架的横梁上对应于作物行的位置；所述隔膜泵通过药液管分别与药液箱、电磁开关阀和喷头连通，电磁开关阀控制喷头喷雾；

所述传感器模块，包括对行测距传感器、垄沟测距传感器和机具行走测速传感器；所述对行测距传感器固定在喷杆架的横梁上对应于作物行的位置；垄沟测距传感器有两个，分别固定在上述喷杆架的横梁两端对应于作物行间垄沟的位置；对行测距传感器和垄沟测距传感器安装在同一根喷杆架横梁上；对行测距传感器与垄沟测距传感器和喷头组位于同一水平面，且对行测距传感器和垄沟测距传感器的安装位置在机具行进方向上超前于喷头组；所述的对行测距传感器实时测量作物行上的作物冠层或株间土地与对行测距传感器传感头间的距离，垄沟测距传感器实时测量作物行间土地与垄沟测距传感器传感头间的距离；对行测距传感器和垄沟测距传感器分别与对靶喷雾控制模块相连；所述机具行走测速传感器用于测量喷雾机与土地间的相对运动速度，机具行走测速传感器与对靶喷雾控制模块相连；

所述对靶喷雾控制模块，包括车载电源、对靶喷雾控制器和输入输出接口；所述对靶喷雾控制器选用STM32型单片机；所述车载电源选用12伏或24伏直流电源；所述输入输出接口包括模数转换、光电隔离、信号放大以及数字IO驱动电路；所述的垄沟测距传感器、对行测距传感器和机具行走测速传感器均通过输入输出接口连接至对靶喷雾控制器；多个电磁开关阀通过输入输出接口与对靶喷雾控制模块连接，对靶喷雾控制模块通过输入输出接口驱动电磁开关阀的开关状态的切换；

所述垄沟测距传感器和对行测距传感器为超声波传感器；所述的垄沟测距传感器和对行测距传感器的设定频率为30Hz-100Hz。

2.如权利要求1所述的一种差分式喷杆喷雾精确对靶装置的对靶喷雾控制方法，其特征在于，步骤如下：

(1)对靶喷雾控制模块和传感器模块初始化；

(2)喷杆喷雾机喷头对准对行作物开始作业，机具行走测速传感器检测到行走速度，垄沟测距传感器和对行测距传感器开始按照设定频率采集测距信息，测距信息和机具行走速度通过输入输出接口进入对靶喷雾控制器；

(3)对靶喷雾控制器结合机具行走速度、垄沟测距传感器与对行测距传感器的测距信息针对各喷头对应的作物行进行实时靶标检测，当对靶喷雾控制器判断出是靶标时，通过输入输出接口驱动对行测距传感器对应作物行的电磁开关阀开启，使对应作物行的喷头喷雾；当识别程序判断出是非靶标时，通过输入输出接口驱动相应的电磁开关阀关闭，使对应喷头停止喷雾。

3.如权利要求1所述的一种差分式喷杆喷雾精确对靶装置的靶标检测方法，其特征在于，步骤如下：

1)启动喷雾工作后，对行测距传感器测量作物行上的作物冠层或株间土地与对行测距传感器传感头间的距离数据，垄沟测距传感器测量作物行间土地与垄沟测距传感器传感头间的距离数据，经过实时测距信号处理后，将作物冠层或垄上土壤到对行测距传感器传感头的距离信号D_i各加入到数据长度为N的先进先出的队列中，最新的距离数值在队尾；靶标检测依据这N个点进行模式上的判断，以区别出当前传感器检测物为作物还是垄上土壤；

2)计算在队列的滑动窗口的测距信号均值，其中H为喷头到对行土壤的高度；M为滑动窗口宽度，满足M远小于N，M为0.1N～0.2N；D_j为滑动窗口中的第j个测距信号；如果滑动窗口的高度均值大于设定的作物高度阈值，则初步判断为靶标，并记录最初高度变异点在队列中的位置，否则判断为垄上土壤部分；所述的作物高度阈值依据喷雾作业的作物的平均高度人为设定；

3)进一步计算当前滑动窗口中的测距信号D_j的方差，如果方差小于给定的作物冠层变化方差阈值，则确定为靶标，否则判断为垄上土壤部分；所述的作物冠层变化方差阈值依据喷雾作业作物冠层长势特点人为测定并人为设定；

所述的队列的数据长度N为：，其中V为机具最大运行速度，U为作物最大胸径，f为垄沟测距传感器和对行测距传感器的设定频率，N取整数。

4.如权利要求1所述的一种差分式喷杆喷雾精确对靶装置的实时测距信号处理方法，其特征在于，步骤如下：

1)对垄沟测距传感器做均值偏移和调幅处理，使其振动幅度和均值与对行测距传感器为同一水平，垄沟测距传感器记录的包含噪音的原始测距信号记作s，处理后的信号为各作物行的背景参考信号S_i：

上式中W为作物行宽；l_i为从喷杆架幅宽方向的中点到其一侧对应第i作物行对应喷头的距离；A为喷杆架到垄沟底部的高度，B为垄高；

2)经过对垄沟测距传感器获得的测距数据经步骤1)补偿后得到的S_i，利用差分原理，将S_i作为表征随机干扰信号用于消除对行测距传感器获得的测距信号Y_i中的误差背景，如下所示：

令Z_i为去除喷杆架振动背景干扰的作物冠层或垄上土壤到对行测距传感器传感头的测距信号，将S_i和Y_i两个测距信号倒置后，并依据差分原理消除背景误差可得：

Z_i＝S_i-Y_i

3)对信号Z_i进行中值滤波，得到各作物行上的测距信号D_i符合靶标检测要求。