【技术实现步骤摘要】
基于激光探测和图像处理技术的果树仿形喷雾机和方法
本专利技术属于果园仿形喷雾领域，具体涉及提供一种基于激光探测和图像处理技术的果树仿形喷雾机和方法。
技术介绍
仿形喷雾的思想是依据靶标作物的冠层特征实时调整施药参数。为获取靶标冠层特征，基于传感器的树冠探测技术作为冠层信息获取的重要手段被广泛应用，其中激光传感器具有高精度、抗干扰能力强的优点，它通过非接触式的测量方式测定传感器端面到果树表面的距离，以此探测靶标外形轮廓。《果园变量喷雾技术研究现状与前景分析》中指出，现有技术中，采用多功能的LIDAR传感器能对果树结构进行准确的探测，但文献指出LIDAR传感器价格高，且使用过程中数据处理量较大，使用的总成本较高。此外，根据激光从发射点到经靶标反射回到接收点的飞行时间，利用阵列式的超声波传感器也能实现果树的仿形。但超声波传感器测量方法要求阵列排列的传感器需囊括整个被测物体，这种布置方式在实际应用中存在以下问题：第一，超声波传感器分辨率和测量精度较低；第二，长条形排列方式在进行测量时，底部微小震动都容易引起顶端传感器产生较大测量误差，且体积臃肿，不易安装运输；第三，不同种...
【技术保护点】
1.一种基于激光探测和图像处理技术的果树仿形喷雾机，包括车体底盘(28)和施药装置，所述施药装置包括药箱(30)、流量泵(17)、风机(18)、左喷头(25)和右喷头(12)，药箱(30)的出液口通过管道依次连接流量泵(17)和风机(18)，风机(18)的左右两个出风管分别通过左流体管道(16)和右流体管道(13)与左喷头(25)和右喷头(12)连接，其特征在于：所述车体底盘(28)上设有用于采集机具作业速度的速度传感器(29)；所述施药装置进一步包括喷头上下移动摆动装置；所述左喷头(25)和右喷头(12)分别通过喷头上下移动摆动装置安装在车体底盘(28)的后部左右两侧；所...
【技术特征摘要】
1.一种基于激光探测和图像处理技术的果树仿形喷雾机，包括车体底盘(28)和施药装置，所述施药装置包括药箱(30)、流量泵(17)、风机(18)、左喷头(25)和右喷头(12)，药箱(30)的出液口通过管道依次连接流量泵(17)和风机(18)，风机(18)的左右两个出风管分别通过左流体管道(16)和右流体管道(13)与左喷头(25)和右喷头(12)连接，其特征在于：所述车体底盘(28)上设有用于采集机具作业速度的速度传感器(29)；所述施药装置进一步包括喷头上下移动摆动装置；所述左喷头(25)和右喷头(12)分别通过喷头上下移动摆动装置安装在车体底盘(28)的后部左右两侧；所述果树仿形喷雾机进一步图像采集装置、激光探测装置(6)和数据处理控制系统；所述图像采集装置包括相机安装架(4)、左相机(1)和右相机(3)，所述相机安装架(4)竖直地固接在车体底盘(28)的前部，所述左相机(1)和右相机(3)分别安装在相机安装架(4)的左右两侧；所述激光探测装置(6)包括激光探测安装架(7)、底座(601)、电机安装杆(602)、支架(603)、激光轮(606)、左激光传感器(614)、右激光传感器(605)、第一旋转电机(607)、第二旋转电机(611)、第一连杆(613)和第二连杆(609)；所述激光探测安装架(7)竖直地固接在车体底盘(28)的中部，所述底座(601)固接在激光探测安装架(7)的后端面上；一对水平的支架(603)的前端分别垂直固接在底座(601)的上部和下部，与竖直平面平行的激光轮(606)的上下两端分别与两个支架(603)的后端固接；所述电机安装杆(602)固接在两个支架(603)的后端之间；所述左激光传感器(614)和右激光传感器(605)分别可滑动地安装在激光轮(606)的左部半圆周和右部半圆周上，分别对左右两侧的果树冠层进行扫描；所述第一旋转电机(607)和第二旋转电机(611)与激光轮(606)同圆心地分别固接在电机安装杆(602)和底座(601)上；所述第一旋转电机(607)的动力输出轴通过第一连杆(613)与左激光传感器(614)连接，所述第二旋转电机(611)的动力输出轴通过第二连杆(609)与右激光传感器(605)连接；所述第一旋转电机(607)与第一连杆(613)之间设置有第一角度传感器(612)，第二旋转电机(611)与第二连杆(609)之间设置有第二角度传感器(610)；所述数据处理控制系统包括图像数据处理控制模块(2)、激光数据处理控制模块(5)和喷雾控制模块(27)；所述图像数据处理控制模块(2)安装在相机安装架(4)上，并与左相机(1)、右相机(3)、激光数据处理控制模块(5)和喷雾控制模块(27)连接，接收处理左相机(1)和右相机(3)采集的果树冠层图片，并将处理结果发送给激光数据处理控制模块(5)和喷雾控制模块(27)；所述激光数据处理控制模块(5)安装在激光探测安装架(7)上，并与速度传感器(29)、第一旋转电机(607)、第二旋转电机(611)、左激光传感器(614)、右激光传感器(605)、第一角度传感器(612)、第二角度传感器(610)和喷雾控制模块(27)连接；激光数据处理控制模块(5)根据速度传感器(29)回传的机具作业速度、相机安装架(4)与激光探测安装架(7)之间的间隔距离以及图像数据处理控制模块(2)发送的处理结果，控制第一旋转电机(607)和第二旋转电机(611)的启停和运动速度；接收处理左激光传感器(614)、右激光传感器(605)、第一角度传感器(612)和第二角度传感器(610)采集的数据，并将处理结果发送给喷雾控制模块(27)；所述喷雾控制模块(27)设置在车体底盘(28)上，并与速度传感器(29)、施药装置的流量泵(17)、风机(18)、左驱动电机(21)、右驱动电机(14)、左旋转电机(24)和右旋转电机(11)连接，根据激光数据处理控制模块(5)发送的处理结果以及速度传感器(29)回传的机具作业速度，计算喷雾需求和喷雾延迟时间，进而根据喷雾需求调整施药装置并启动喷雾。2.根据权利要求1所述的果树仿形喷雾机，其特征在于：所述两个支架(603)的后端上分别设置有第一限位片(604)和第二限位片(608)，限制右激光传感器(605)和左激光传感器(614)的位移。3.根据权利要求1所述的果树仿形喷雾机，其特征在于：所述激光探测装置(6)与地面之间的距离为30cm～80cm；所述图像采集装置的相机与激光探测装置(6)的激光传感器之间的间隔距离为0.5m～1.5m；所述激光探测装置(6)的激光传感器与施药装置的喷头之间的间隔距离为0.5m～1.5m。4.根据权利要求1所述的果树仿形喷雾机，其特征在于：所述风机(18)的左右两个出风管的内部分别设有用于调节风量的左调节片(20)和右调节片(19)。5.根据权利要求1所述的果树仿形喷雾机，其特征在于：所述喷头上下移动摆动装置包括左驱动电机(21)、右驱动电机(14)、左丝杠(22)、右丝杠(10)、左支架(15)、右支架(9)、左移动滑块(23)、右移动滑块(8)、左旋转电机(24)和右旋转电机(11)；相互并列的所述左丝杠(22)和左支架(15)竖直地安装在车体底盘(28)的后部左侧，相互并列的所述右丝杠(10)和右支架(9)竖直地固接在车体底盘(28)的后部右侧；所述左移动滑块(23)套接在左丝杠(22)和左支架(15)上，所述右移动滑块(8)套接在右丝杠(10)和右支架(9)上；所述左驱动电机(21)和右驱动电机(14)分别驱动左丝杠(22)和右丝杠(10)旋转，进而使得左移动滑块(23)和右移动滑块(8)做上下线性运动；所述左旋转电机(24)和右旋转电机(11)分别固接在左移动滑块(23)和右移动滑块(8)上；其中，左旋转电机(24)的转动轴连接左喷头(25)，右旋转电机(11)的转动轴连接右喷头(12)。6.根据权利要求1所述的果树仿形喷雾机，其特征在于：所述左喷头(25)和右喷头(12)选用气液双流喷头，喷头体上设置有雾化室；所述左相机(1)和右相机(3)为CCD相机。7.一种利用权利要求1-6任一项所述的果树仿形喷雾机的基于激光探测和图像处理技术的果树仿形方法，其特征在于：该方法包括一种实时仿形喷雾模式，具体步骤如下：步骤1：读取果树位置和行距数据，采集果树图像；数据处理控制系统从果树种植数据库中读取果树位置和种植行距L行数据，喷雾机沿两排果树中间位置行进作业，当喷雾机行进至与果树位置相对应的位置时，图像数据处理控制模块(2)控制左相机(1)和右相机(3)分别采集左右两侧的果树图像；步骤2：计算果树冠层空隙率；对所采集的果树图像进行图像分割和形态学处理，得到仅包含有果树冠层的二值图像，对二值图像进行区域填充，然后通过如下公式计算果树冠层空隙率K，并将果树冠层空隙率K作为反映果树冠层稀疏度的标准；式中，K为果树冠层空隙率；R1为二值图像中的像素值为1的总像素数；R2为区域填充后的二值图像中的像素值为1的总像素数；步骤3：变量扫描，实时获取果树冠层单元体积；激光数据处理控制模块(5)根据速度传感器(29)回传的机具作业速度S喷雾机和相机与激光传感器之间的间隔距离，计算激光传感器探测的延迟时间；经过延迟时间后，激光数据处理控制模块(5)分别控制第一旋转电机(607)和第二旋转电机(611)以一定转速开启，激光数据处理控制模块(5)根据左右两侧的果树冠层空隙率K分别设置左激光传感器(614)和右激光传感器(605)以扫描角速度...
【专利技术属性】
技术研发人员：祁力钧，程浈浈，吴亚垒，张豪，刘婠婠，肖雨，杨泽鹏，伊丽莎白·穆西，
申请(专利权)人：中国农业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11
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