一种基于环形施药结构的变量喷雾控制系统及其植株冠层体积计算方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于环形施药结构的变量喷雾控制系统及其植株冠层体积计算方法，包括使用沿垂直/水平方向扫描安装方式的二维激光雷达实时获取变量喷雾机在果园环境运动过程中的点云数据，使用速度传感器获取变量喷雾机的速度信息；根据环形施药结构上喷嘴在圆弧的接点相互间隔角度进行喷施区域划分；通过设定阈值范围，对非邻间果树、天空和地面等干扰进行过滤，根据水平激光雷达获取树干距离信息与垂直激光雷达在阈值范围内的点云信息进行果树冠层扇区面积计算，结合速度传感器的信息以及垂直激光雷达的扫描周期计算冠层体积。本发明专利技术能够实现变量喷雾机在果园行进过程中对两侧果树冠层的体积计算，为变量喷雾施药决策提供依据。提供依据。提供依据。

【技术实现步骤摘要】
一种基于环形施药结构的变量喷雾控制系统及其植株冠层体积计算方法


[0001]本专利技术涉及一种植株冠层体积计算方法，特别提供一种基于环形施药结构的变量喷雾植株冠层体积计算的方法。

技术介绍

[0002]智能施药决策时变量喷雾技术中的一个关键环节，合理的施药量时病虫害防治效果和环境效益的有机统一。随着国家对果品质量及环境安全的重视，越来越多的果园生产者认识到了变量施药的重要性。准确的树冠体积计算是决定各电磁阀流量大小输出的依据，更是实现果园变量喷雾功能的前提。常规的基于冠层体积的计算模型(TRV)假设一行树由一个长方体冠层体积组成，将激光雷达的数据转换为笛卡尔坐标表示，根据树干与激光雷达的距离、相邻数据点的高度差和数据点到冠层外侧的距离进行面积计算，结合速度以及扫描时间进行体积计算，将离散化的长方体体积相加近似得到树冠单侧的体积。该种计算模型适用于常规仿形喷雾机，该类型喷雾机通常的施药结构垂直安装于喷雾机两侧以配合冠层模型计算冠层体积。目前市场上的环形施药结构喷雾机的喷雾输出覆盖范围以及角度和常规的两侧施药结构喷雾机不同，常规的基于冠层体积的计算本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于环形施药结构的变量喷雾植株冠层体积计算方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：步骤1：基于机器人操作系统ROS采用垂直/水平安装方式的激光雷达实时获取果园的环境信息，水平扫描的激光雷达通过点云聚类检测树干的距离，采用速度传感器获取环形施药结构喷雾机的实时行进速度；步骤2：根据环形施药结构的特点和垂直扫描激光雷达的参数进行喷施区域划分，每个区域对应一个喷嘴的喷施范围，通过水平激光聚类得到树干的距离信息，结合融合扇区的角度范围、垂直扫描的激光雷达的安装位置和果树的高度上限设定阈值范围；步骤3：对处于阈值范围之内的有效激光点云进行计算，采用激光扫描周期方式进行果树冠层纵向分割，分别根据各喷施区域范围内的相邻点云对区域的扇区面积进行计算；步骤4：将连续n帧激光雷达数据作为一个喷雾单元，取这n帧数据的最大面积作为该喷雾单元的面积，结合速度传感器获得的速度信息和激光雷达的扫描周期可得到果树冠层的体积大小。2.根据权利要求1所述的一种基于环形施药结构的变量喷雾植株冠层体积计算方法，其特征在于：所述步骤2具体包括：垂直激光雷达与施药结构圆心安装在同一水平线上，避免不必要的矫正，根据环形施药结构上喷嘴在圆弧的接点相互间隔角度和所选用的二维激光雷达进行喷施区域划分，确定激光点和融合扇区的范围；根据水平扫描方向的激光雷达得到树干距离L，经坐标转换后可得到树干与垂直扫描激光雷达的距离D；通过垂直扫描激光雷得到果树的高度上限H，根据激光点的角度θ、距离ρ、树干距离D和果树高度上限H，可求得靶标有效区域对角线与Z轴的夹角β和激光点到树干边界的距离：β是为以激光雷达的Z轴与所检测目标的高度上限之间的夹角，对激光点返回的数据点角度进行转换，将角度坐标系整体向逆时针方向旋转90
°
，转换至以激光雷达安装位置的水平向右为0
°
正方向；式中r
ij
是第i扇区第j点激光雷达数据到树干边界的距离，α为角度坐标系转换之后每个激光点与Z轴的夹角；式中，ρ
ij
为激光雷达与检测物体的距离，θ为当前激光点所对应的角度值；θ
min
和θ
max
分别为融合扇区的最小角度值和最大角度值，当满足上面公式中的任意一条时，均视为在阈值范围之外的无效激光数据点，不对该激光点进行后续面积和体积等计算，直接进行过滤。3.根据权利要求1所述的一种基于环形施药结构的变量喷雾植株冠层体积计算方法，其特征在于：所述步骤3具体包括：经步骤2求得垂直扫描激光雷达Z轴与果树高度上限的夹角β和激光点到树干边界的距
离r,根据设定阈值范围进行无效数据点过滤后，针对有效的激光雷达数据在线进行各区域的果树面积S的计算；其中，激光雷达的角度分辨率为θ，根据步骤2求得的第i扇区第j点激光数据到达树干边界的距离r
ij
和当前激光点的距离l
ij
和角度分辨率θ，可以分别推断当前激光点和下一个激光点在树干边界的扇区面积S1和在植株冠层外层的扇区面积S2，用S1减去S2即可以得到当前激光点所对应的扇区面积S，对融合扇区范围内的每个激光点面积进行累加，即可得到该扇区的面积S
i
。4.根据权利要求3所述的一种基于环形施药结构的变量喷雾植株冠层体积计算方法，其特征在于：该扇区的面积S
i
：式中，S
i
为第i扇区的面积，单位为m2；l
ij
为第i扇区第j点激光雷达数据到靶标外层距离；r
ij
为第i扇区第j点激光雷达数据到树干边界的距离；θ为激光雷达的角度分辨率，根据扇形面积计算公式可求出各喷施区域对应的靶标面积。5.根据权利要求1所述的一种基于环形施药结构的变量喷雾植株冠层体积计算方法，其特征在于：所述步骤4具体包括：根据步骤3可在线计算植株冠层每帧激光数据所对应的各喷施区域的面积。为了匹配电磁阀的响应时间和提高靶标植株三维模型精度，采用累积法搭建靶标植株三维模型求体积：采...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘慧，陈锦明，沈跃，张璇，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：