土壤元素检测和除草多功能机器人制造技术

本发明专利技术公开了土壤元素检测和除草多功能机器人，涉及农业设备技术领域

【技术实现步骤摘要】
土壤元素检测和除草多功能机器人


[0001]本专利技术涉及农业设备
，尤其涉及一种土壤元素检测和除草多功能机器人
。

技术介绍

[0002]近年来，劳动力不足已经成为农业领域的一大问题，每年都需要大量劳动力在田间施肥
、
除草，智能农业机器人代替人工已成为趋势
。
农业机器人是未来农业生产的重要工具，目前，农田现场作业的机器人需求呈现爆发式增长，土壤元素检测以及除草是两个重要的发展方向
。
[0003]自主除草机，尤其是激光除草机的使用，采用机器人技术
、
图像特征提取和激光技术相结合，有效
、
安全地穿越农田，不使用除草剂，不伤害土壤和水的情况下除草，作为新兴的除草方式逐渐受到关注
。
[0004]土壤元素检测，尤其是养分元素检测在合理利用土壤，高效发展农业方面发挥着积极作用，土壤养分的测量和控制对农产品的合理施肥尤为重要
。
常规的土壤养分检测方法主要还是传统的化学分析法，化学分析方法的成本较高，周期较长，还容易产生污染问题，不适应大范围推广
。
土壤检测机器人目前有两个主流技术路线，一个是采用近红外光谱技术，另一个是激光诱导击穿光谱技术
(LaserInducedBreakdownSpectroscopy,
简称
LIBS)。
近红外光谱技术不需要化学试剂，可以实现多个指标的同时测量
。LIBS
技术具有无需进行复杂样品预处理
、
多元素同时分析
、
可对固态
、
液态
、
气态样品进行测量
、
可实现无接触实时在线分析等优势，自从激光器专利技术以来，
LIBS
技术被广泛应用于工业
、
考古分析
、
土壤检测，生物医学和食品安全等领域
。
[0005]近红外光谱检测方法虽然不需要化学试剂，但其化学计量学模型建立较为复杂，受土壤类型
、
水分
、
土壤颗粒大小等影响大，并且对中量和微量元素检测的效果很差，不适用于中量和微量元素的检测
。
[0006]激光诱导击穿光谱在测量土壤样本过程中需要激光对土壤进行击穿以获得等离子态光谱，
LIBS
的光斑只有微米级大小，且需要高度的聚焦，焦点变化范围也是在微米级，这对此技术在非平整表面
(
比如自然状态土壤
)
的应用产生了较大限制，同时对测量对象的颗粒度和纯净度也有较高的要求，比如农田土壤，颗粒度太大，不容易对焦，且测量点不具有代表性，如果土壤中杂草
、
叶片
、
草籽等杂质太多，也容易对测量造成颠覆性的影响
。
[0007]现有专利技术中，专利技术
CN105403542A
提供了一种便携式土壤养分检测系统和方法，需要人工采集土壤及对焦，无法处理土壤飞溅造成的测量误差；
[0008]专利技术
CN104198445A
提供了一种可移动的激光击穿光谱检测土壤成分的装置，可以在田间移动检测，不需要采集，但不能改变土壤检测深度，忽略了田间土壤不平整，土壤颗粒不均匀的问题；
[0009]专利技术
CN106290309A
提供了一种便携式可变深度土壤重金属含量检测装置，只能检测土壤中的重金属，不能检测土壤养分元素，可以检测不同深度的土壤，不需要对土壤进行
采集，但忽略了检测需要对焦的问题，同时存在由于土壤样本表面颗粒不均匀
、
激光作用在土壤上容易造成飞溅，造成光谱测量的不稳定问题
。
因此，以上方法都无法实现无人干预的农田土壤元素现场快速高精度机器自主测量，特别是农田土壤环境复杂，含水量
、
颗粒度
、
杂质等都会造成影响
。
[0010]同时，随着科技农业的发展，近年来构建土壤养分地图成为土壤学的一大热点，对大范围土壤养分检测的需求日益迫切，能够解决以上问题，利用激光诱导击穿光谱快速
、
实时检测土壤养分的技术显得越来越重要
。
[0011]激光除草也是一个重要的方向，此技术需要一个大功率的激光器，需要对光路进行调整，需要识别杂草并聚焦后烧蚀，此光学结构与
LIBS
的激光激发光路结构相近，可以与检测系统复用，实现对检测系统功能扩展，节省成本的目的
。
[0012]为克服背景
中现有土壤元素检测技术存在测量不稳定
、
测量误差大
、
人工费时费力
、
难以完成土壤养分地图构建，以及现有除草机功能单一的问题
。
针对上述出现的问题，目前尚未提出有效的解决方案
。

技术实现思路

[0013]专利技术目的：提供一种土壤元素检测和除草多功能机器人，以解决现有技术存在的上述问题
。
[0014]技术方案：土壤元素检测和除草多功能机器人，包括：设备主体，所述设备主体的顶部中心处设置有轮转模块，所述轮转模块的四周分别设置有主控模块
、
检测模块
、
压片模块
、
取土模块和激光除草模块，所述设备主体的底部设置有四轮驱动载体；
[0015]所述主控模块分别与所述轮转模块
、
所述检测模块
、
所述压片模块
、
所述取土模块
、
所述激光除草模块和所述四轮驱动载体电连接；
[0016]通过所述主控模块接收和
/
或发出控制信号，分别控制所述轮转模块
、
所述检测模块
、
所述压片模块
、
所述取土模块
、
所述激光除草模块和所述四轮驱动载体运行和时间调度；
[0017]所述轮转模块，用于放置样品或清理土壤；
[0018]所述检测模块，用于收集待测土壤被激光器发射的激光照射时产生的等离子态的光学信号，并根据所述光学信号，产生特征光谱信号，并将所述特征光谱信号转换为数字信号传输至所述主控模块；
[0019]所述压片模块，用于压制土壤压片；
[0020]所述取土模块，用于提取预设深度的土壤和清理压片槽中的土壤；
[0021]所述激光除草模块，用于激光除草
。
[0022]作为优选，所述主控模块包括：控制单元
、
数据计算处理单元
、
图像处理单元和数据通讯单元，所述控制单元分别与所述数据计算处理单元
、
所述图像处理单元和所述数据通讯单元电连接；
[0023]所述数据计算处理单元，用于对检测模块采集到的光谱数据进行计算处理，获取待测土壤中各种元素对应的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
土壤元素检测和除草多功能机器人，其特征在于，包括：设备主体，所述设备主体的顶部中心处设置有轮转模块，所述轮转模块的四周分别设置有主控模块
、
检测模块
、
压片模块
、
取土模块和激光除草模块，所述设备主体的底部设置有四轮驱动载体；所述主控模块分别与所述轮转模块
、
所述检测模块
、
所述压片模块
、
所述取土模块
、
所述激光除草模块和所述四轮驱动载体电连接；通过所述主控模块接收和
/
或发出控制信号，分别控制所述轮转模块
、
所述检测模块
、
所述压片模块
、
所述取土模块
、
所述激光除草模块和所述四轮驱动载体运行和时间调度；所述轮转模块，用于放置样品或清理土壤；所述检测模块，用于收集待测土壤被激光器发射的激光照射时产生的等离子态的光学信号，并根据所述光学信号，产生特征光谱信号，并将所述特征光谱信号转换为数字信号传输至所述主控模块；所述压片模块，用于压制土壤压片；所述取土模块，用于提取预设深度的土壤和清理压片槽中的土壤；所述激光除草模块，用于激光除草
。2.
根据权利要求1所述的土壤元素检测和除草多功能机器人，其特征在于，所述主控模块包括：控制单元
、
数据计算处理单元
、
图像处理单元和数据通讯单元，所述控制单元分别与所述数据计算处理单元
、
所述图像处理单元和所述数据通讯单元电连接；所述数据计算处理单元，用于对检测模块采集到的光谱数据进行计算处理，获取待测土壤中各种元素对应的光谱强度信号，根据所述光谱的强度信号，计算出待测土壤中各元素的含量；所述图像处理单元，用于分析田间的实时图像信息，使用特征提取算法识别杂草并获取杂草的坐标，使用坐标控制激光振镜将激光照射在该坐标上；数据通讯单元，用于定位和无线数据的传输
。3.
根据权利要求1所述的土壤元素检测和除草多功能机器人，其特征在于，所述轮转模块包括：水平设置于所述设备主体顶部的步进电机，所述步进电机的输出端通过齿轮与转轮啮齿连接；其中，所述转轮为轮辐式齿轮，所述轮辐式齿轮的轮辐之间间隔设置有开孔，以及，第一轮辐上设置有贯穿第一取土孔，第二轮辐上设置有压片凹槽和清理槽，所述压片凹槽用于承接土壤进行压片，所述清理槽呈圆弧形沿圆周方向贯穿整个第二轮辐，用于清理土壤，第三轮辐上设置有与所述压片凹槽相同的标定凹槽，用于放置标定样本，所述压片凹槽
、
标定凹槽和所述清理槽均设置在同一圆周上
。4.
根据权利要求3所述的土壤元素检测和除草多功能机器人，其特征在于，所述检测模块包括：用于发射预设波长激光的激光器，将所述激光经过分光片后，分别发送至所述压片凹槽和激光振镜；与所述激光器相对设置的分光片，用于将激光器发出的光束按照不同比例分光；与所述分光片相邻设置的光谱收集转换器，用于收集待测土壤被所述激光器发射的激光照射时产生的等离子态的光学信号，并进行信号转换
。5.
根据权利要求4所述的土壤元素检测和除草多功能机器人，其特征在于，所述激光器为高功率激光器，所述激光器为输出
5...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵贤德，杜秀可，岳晓龙，董大明，
申请(专利权)人：农芯南京智慧农业研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：