基于激光探测和图像处理技术的果树仿形喷雾机和方法

摘要

本发明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。该果树仿形喷雾机包括车体底盘、施药装置、图像采集装置、激光探测装置和数据处理控制系统。本发明根据果园的果树死、病率选择不同的仿形喷雾模式。当果园果树的死、病率较低时，选择实时仿形喷雾模式；当果园果树的死、病率较高时，选择定心仿形喷雾模式。本发明仿形成本低，实现了变量探测，可提高仿形准确度。

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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，不同种类、不同生长时期的果树而言，树与树的冠层的疏密程度不一，在冠层相对稀疏的情况下，传感器信号损失率较大，测量的准确性降低。稀疏的情况下，传感器信号损失率较大，冠层体积测量的准确性降低。第四，果园中常存在病、死现象较重的果树，对于这一类需要重栽的果树是不需要进行施药作业的，若继续对这类坏果树进行喷雾，将造成药液的浪费和环境污染。

发明内容

本发明的一个目的是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，仅采用两个激光传感器，降低仿形成本；激光探测装置体积较小，便于运输；基于图像处理的冠层特征获取，实现了变量探测，可提高仿形准确度。

本发明的另一个目的是提供一种基于激光探测和图像处理技术的果树仿形喷雾方法，考虑冠层稀疏度特征和果树死、病现象，考虑冠层疏密度特征对激光信号的回传以及施药量的影响：根据果树稀疏度情况，自适应调整探测参数(激光传感器运动时间间隔、激光传感器运动速度)、靶标参数(冠层体积、树冠高度、风量)，从而改变喷雾参数，提高仿形施药效率。此外还考虑果园存在的果树病坏率较高的现象，根据探测的靶标参数决策喷雾，避免施药成本增加和环境的浪费。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

一种利用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，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S_激光轮和不同的运动间隔时间对左右两侧的果树进行探测；所述运动间隔时间为左激光传感器614或右激光传感器605在激光轮606上完成一次半圆周运动与开始下一次半圆周运动之间的间隔时间；激光数据处理控制模块5根据左激光传感器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，通过如下公式计算左右两侧的果树冠层单元体积：

L_i'＝L_行/2；

L₀＝(L_i+R)cosσ；

L＝L_i’-L₀；

H_n＝(L_i1+L_in+2R)×sinσ；

V_n＝H_n×2L×S_喷雾机×T；

式中，

σ为角度传感器采集的激光传感器圆周运动中的扫描角度；

R为激光轮半径；

L_i为激光到达冠层表面时的激光束长度；

L₀为连接激光轮中心与到达冠层表面的激光束长度的水平投影；

L_行为种植行距；

L_i’为激光轮中心距树干中心的距离；

L为冠层表面到树干中心的距离；

L_i1为激光探测到的冠层表面最高处的激光束长度；

L_in为激光探测到的冠层表面最低处的激光束长度；

H_n为实时探测的冠层单元高度；

S_喷雾机为机具作业速度；

T为激光传感器转过半周所用时长；

V_n为实时探测的果树冠层单元体积；

步骤4：获取喷雾所需风量、喷雾量以及喷头的喷雾高度和摆动角度范围；

喷雾控制模块27根据速度传感器29回传的机具作业速度S_喷雾机和激光传感器与喷头之间的间隔距离，计算喷雾延迟时间；经过延迟时间后，喷雾控制模块27控制施药装置开始工作；喷雾控制模块27根据左右两侧的果树冠层体积，通过如下公式计算喷雾所需风量、喷雾量以及喷头的喷雾高度和摆动角度范围：

H_n＝(L_i1+L_in+2R)×sinσ；

W_n＝P1+V_n；

Q＝V_n*q；

摆动角度范围：[σ1，σ2]；

式中，

σ为角度传感器采集的激光传感器圆周运动中的扫描角度；

L_i1为激光探测到的冠层表面最高处的激光束长度；

L_in为激光探测到的冠层表面最低处的激光束长度；

H_n为实时探测的冠层单元高度；

R为激光轮半径；

L_i’为激光轮的中心至果树果树冠层表面的距离；

s_喷雾机为喷雾机行进速度；

T为激光传感器转过半周所用时长；

P1为喷雾机喷头距离果树冠层表面的空间体积；

Q为所需喷雾量；

q为单位体积所需施药量；

V_n为实时探测的果树冠层单元体积；

W_n为探测的冠层对应所需的风量；

H为喷头的喷雾高度；

σ1为角度传感器输出打到冠层表面最底部激光束的角度；

σ2为角度传感器输出打到冠层表面最顶部激光束的角度。

所述步骤2中，图像数据处理控制模块2将空隙率计算结果通过信号处理转成数字信号后进行冠层稀疏度分级处理，并将处理结果发送给激光数据处理控制模块5；空隙率计算结果的数字信号依次分为较为稀疏K1、中等K2和比较稠密K3三个冠层稀疏度等级，空隙率K值越大表示冠层越为稀疏，K1>K2>K3；

所述步骤3中，对应较为稀疏K1、中等K2和比较稠密K3三个冠层稀疏度等级分别设置三个不同的圆周运动间隔时间t1、t2、t3，t1>t2>t3，以适应不同冠层疏密程度下体积探测。

一种利用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，该方法包括一种定心仿形喷雾模式，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分别采集左右两侧果树图像；

步骤2：喷雾机位置调整，再次采集果树图像，计算果树冠层空隙率；

对所采集的果树图像进行图像和形态学处理，得到仅包含有果树冠层的二值图像，对二值图像进行标记并框选出冠层最大连通区域，计算该连通区域的最小外接矩形的中心线，定位果树冠层中心线，移动喷雾机使图像采集装置的相机与果树冠层中心线相对应，再次获取果树图像；

对再次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，对再次采集的果树图像的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，获取果树冠层体积；

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以不同的扫描角速度S_激光轮对左右两侧的果树进行探测；激光数据处理控制模块5根据左激光传感器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，通过如下公式计算左右两侧的果树冠层体积：

y＝f(x)；

ph＝(L_i+R)×sinσ；

式中，

x为每次扫描所得的激光边界点的位置信息；

y为每次扫描后所拟合的冠层轮廓曲线；

L_i到达冠层表面的激光束长度；

ph为以角度传感器位置为起点，以激光束打到的到树冠表面为终点的垂直投影；

R为激光轮半径；

σ为角度传感器采集的激光传感器圆周运动中的扫描角度；

H_max为最高的激光点处时垂直投影；

H_min为最低的激光点处时垂直投影；

V为果树冠层体积；

步骤4：决策喷雾；

激光数据处理控制模块将左、右探测的果树冠层体积分别与预设的标准喷雾决策值进行比较，当果树冠层体积小于标准喷雾决策值时，选择不进行喷雾作业，喷雾机开始前置直至下一颗果树位置；当果树冠层体积大于等于标准喷雾决策值，选择进行喷雾作业，继续下一个步骤；

步骤5：获取喷雾所需风量、喷雾量以及喷头的喷雾高度和摆动角度范围；

喷雾控制模块27根据速度传感器29回传的机具作业速度S_喷雾机和激光传感器与喷头之间的间隔距离，计算喷雾延迟时间；经过延迟时间后，喷雾控制模块27控制施药装置开始工作；喷雾控制模块27根据左右两侧的果树冠层体积，通过如下公式计算喷雾所需风量、喷雾量以及喷头的喷雾高度和摆动角度范围：

H＝(L_i1+L_in+2R)×sinσ；

L₀＝(L_i+R)cosσ；

L_i'＝L_行/2；

L＝L_i’-L₀；

W＝P2+V；

Q＝V*q；

摆动角度范围：[σ1，σ2]；

式中，

σ为角度传感器采集的激光传感器实时转过的角度；

R为激光轮半径；

L_i1为激光探测到的冠层表面最高处的激光束长度；

L_in为激光探测到的冠层表面最低处的激光束长度；

H为树冠高度；

L_行为种植行距；

L_i为激光到达冠层表面时的激光束长度；

L₀为连接激光轮中心与到达冠层表面的激光束长度的水平投影；

L_i’为激光轮中心距树干中心的距离；

L为冠层表面到树干中心的距离；

P2为喷雾机距离果树前的空间体积；

V为果树冠层体积；

W为所需风量；

Q为所需喷雾量；

q为单位体积所需施药量。

所述步骤2中，图像数据处理控制模块2将空隙率计算结果通过信号处理转成数字信号后进行冠层稀疏度分级处理，并将处理结果发送给激光数据处理控制模块5；空隙率计算结果的数字信号依次分为较为稀疏K1、中等K2和比较稠密K3三个冠层稀疏度等级，空隙率K值越大表示冠层越为稀疏，K1>K2>K3；

所述步骤3中，对应较为稀疏K1、中等K2和比较稠密K3三个冠层稀疏度等级分别设置三个不同的激光传感器扫描角速度s1、s2、s3，s1<s2<s3，以适应不同冠层疏密程度下体积探测。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1)本发明对果园内的病、死等坏果树现象进行了考虑，对于病、死、坏果树较少的果园，采取实时仿形喷雾模式，对于果树病死、重栽率较高的果园，采取先预判喷雾与否的定心仿形喷雾模式，提高了仿形喷雾机的适用性；

2)本发明大大降低了激光传感器在仿形喷雾应用中的成本，仅利用两个激光传感器装置同时对喷雾机两侧的果树进行仿形，且仿形面基本覆盖了面向喷雾机左右两侧的果树区域；

3)本发明利用激光传感器进行半圆周运动扫描的方法解决了因果树外形限制，需调整激光传感器的安装位置问题，提高了仿形效率；

4)采用激光传感器进行半圆周扫描的方法拟合冠层体积的同时，获取了喷雾角度和喷雾高度，通过实时调整喷雾参数，提高了果园仿形喷雾的精准度；

5)本发明考虑冠层密度特征，结合图像处理技术，考虑靶标冠层疏密程度对喷雾和激光仿形的影响，根据冠层疏密程度进行变量探测和变量施药，这使得仿形喷雾更为智能化；

6)本发明通过实时探测冠层高度，实时调节喷头摆动的高度和角度，提高了喷雾的精准度。

附图说明

图1为本发明基于激光探测和图像处理技术的果树仿形喷雾机的结构示意图；

图2为激光探测装置6的结构示意图；

图3a为分割后的冠层二值图像；

图3b为图3a区域填充后全封闭的果树冠层区域图像；

图4为定心防形喷雾中冠层中心图像处理示意图；

图5a为实时仿形喷雾冠层体积计算方法示意图；

图5b为定心仿形喷雾冠层体积计算方法示意图；

图6a为实时仿形喷雾方法示意图；

图6b为定心仿形喷雾方法示意图；

图7a为实时仿形时风量等效体积计算示意图；

图7b为定心仿形时风量等效体积计算示意图；

图8为仿形喷雾计算关系示意图；

图9为实时仿形喷雾方法流程图；

图10为定心仿形喷雾方法流程图。

其中的附图标记为：

1左相机 2图像处理控制模块

3右相机 4相机安装架

5激光数据处理控制模块 6激光探测装置

601底座 602电机安装杆

603支架 604第一限位片

605右激光传感器 606激光轮

607第一旋转电机 608第二限位片

609第二连杆 610第二角度传感器

611第二旋转电机 612第一角度传感器

613第一连杆 614左激光传感器

7激光探测安装架 8右移动滑块

9右支架 10右丝杠

11右旋转电机12右喷头

13右流体管道14右驱动电机

15左支架16左流体管道

17流量泵18风机

19右调节片20左调节片

21左驱动电机22左丝杠

23左移动滑块24左旋转电机

25左喷头26行走电机

27喷雾控制模块28车体底盘

29速度传感器30药箱

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，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、施药装置、图像采集装置、激光探测装置6和数据处理控制系统。

所述车体底盘28为轮式结构，通过设置在车体底盘28上的行走电机26驱动行进；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。

所述施药装置包括药箱30、流量泵17、风机18、喷头上下移动摆动装置、左喷头25和右喷头12。所述药箱30安装在车体底盘28上，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。

优选地，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。

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，喷头上下移动摆动装置能够根据果树冠层信息调节喷头高度以及喷射角度，实现果树仿形喷雾。

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。

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。

所述左相机1和右相机3为普通CCD相机。

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。

如图2所示，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。

第一旋转电机607通过第一连杆613带动左激光传感器614沿激光轮606的左部做半圆周运动，第二旋转电机611通过第二连杆609带动右激光传感器605沿激光轮606的右部做半圆周运动。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。第一角度传感器612和第二角度传感器610分别用于检测左激光传感器614和右激光传感器605的实时运动角度。

所述激光探测装置6与地面之间的距离为30cm～80cm。

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。

优选地，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。

优选地，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。

本发明提供一种基于激光探测和图像处理技术的果树仿形方法，根据果园的果树死、病率选择不同的仿形喷雾模式。当果园果树的死、病率较低时，选择实时仿形喷雾模式；当果园果树的死、病率较高时，选择定心仿形喷雾模式。

实时仿形喷雾模式在喷雾机行进过程中获取激光探测的实时冠层体积，进行实时仿形变量喷雾。

首先，读取果树位置和行距数据，通过图像采集装置采集果树图像，计算果树冠层空隙率，以空隙率表征果树冠层的稀疏程度；其次，根据果树冠层的稀疏程度不同，改变激光传感器的运动间隔时间，实现变量探测；再次，根据激光扫描结果，计算果树冠层体积；最后，根据果树冠层体积，获取喷雾所需风量、喷雾量以及喷头的喷雾高度和摆动角度范围，进行喷雾。

如图9所示，所述实时仿形喷雾模式的具体步骤如下：

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。

运用MATALB 2018a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；

所述步骤2具体包括以下步骤：

1)运用Retinex图像均衡算法对采集的果树图像进行图像分割预处理，Retinex算法使得原图的R、G和B分量的灰度级被压缩处理，压缩后的灰度级动态范围由原来的0-255压缩至50-250，对于过曝光的区域由原来的100-255压缩至200-255，由此获取对比度均匀的图像，以提高图像主体轮廓清晰度、增加图像的细节质量。

2)将光照模型均衡后的果树图像三通道R、G、B作为输入特征，选取模糊参数为2，聚类数为2，以2G-R-B值最大的聚类中心进行FCM聚类算法对果树冠层图像进行图像分割和形态学处理，得到仅包含有冠层的二值图像，如图3a所示，作为冠层分割结果图，冠层分割结果图中的背景像素值为0，冠层区域像素值为1；

3)统计冠层分割结果图中的像素值为1的总像素数记为R₁，以此为存在空隙的果树冠层区域。对冠层分割结果图再进行区域填充，得到不包含空隙的完整树冠区域，如图3b所示，将其定义为空隙数为0的全封闭的果树冠层区域，统计该二值图像中像素值为1的总像素数记为R₂。然后通过如下公式计算果树冠层空隙率K：

4)图像数据处理控制模块2将空隙率计算结果通过信号处理转成数字信号后进行冠层稀疏度分级处理，并将处理结果发送给激光数据处理控制模块5。本实施例将空隙率计算结果的数字信号依次分为较为稀疏K1、中等K2和比较稠密K3三个冠层稀疏度等级，空隙率K值越大表示冠层越为稀疏，因此K1>K2>K3，具体值根据果树的生长期而定。

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S_激光轮和不同的运动间隔时间对左右两侧的果树进行探测。所述运动间隔时间为左激光传感器614或右激光传感器605在激光轮606上完成一次半圆周运动与开始下一次半圆周运动之间的间隔时间。所述角速度S_激光轮在18°/s～42°/s之间。激光数据处理控制模块5根据左激光传感器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，通过如下公式计算左右两侧的果树冠层单元体积(部分计算参数示意如图8所示)：

L_i'＝L_行/2；

L₀＝(L_i+R)cosσ；

L＝L_i’-L₀；

H_n＝(L_i1+L_in+2R)×sinσ；

V_n＝H_n×2L×S_喷雾机×T；

式中，

σ为角度传感器采集的激光传感器圆周运动中的扫描角度；

R为激光轮606的半径；

L_i为激光到达冠层表面时的激光束长度；

L₀为连接激光轮中心与到达冠层表面的激光束长度的水平投影；

L_行为种植行距；

L_i’为激光轮中心距树干中心的距离；

L为冠层表面到树干中心的距离；

L_i1为激光探测到的冠层表面最高处的激光束长度；

L_in为激光探测到的冠层表面最低处的激光束长度；

H_n为实时探测的冠层单元高度；

S_喷雾机为机具作业速度；

T为激光传感器转过半周所用时长；

V_n为实时探测的果树冠层单元体积。

本实施例对应较为稀疏K1、中等K2和比较稠密K3三个冠层稀疏度等级分别设置三个不同的圆周运动间隔时间t1、t2、t3，以适应不同冠层疏密程度下体积探测。一定的喷雾机运动速度和果树幅宽下，扫描间隔越长，则激光传感器探测的次数越少，实时仿形喷雾模式中，由于冠层较密的果树需要更多的施药量，因此设置为t1>t2>t3。对于喷雾机行进过程中两侧具有不同冠层稀疏度等级的果树，激光传感器分别以不同的时间间隔做半圆周运动，实现了变量探测。

根据激光传感器返回的激光信息求取冠层体积，以达到仿形喷雾的目的，在喷雾机前进与激光传感器半圆周扫描两种运动同时进行的情况下，打到冠层表面的激光点的曲线形状为1/4周期的正弦分布，为减小误差，设置激光传感器的扫描角速度S_激光轮与机具作业速度S_喷雾机之间的关系为：S_激光轮>>S_喷雾机，此时的1/4周期的正弦曲线形状接近于垂直线，如图5a所示。

记激光传感器扫描过一次半圆周时所计算的冠层体积为一个单元，如图5a所示。将激光传感器运动半周时所计算的冠层单元等效为一个长方体，如图所示该长方体的长为2L，L为冠层表面到树干中心的距离；长方体的高为树冠高度H；宽为激光传感器完成一次半周运动的时间T内喷雾机走过的距离，S_喷雾机×T。随着喷雾机的行进，求取每次扫描后的冠层体积。

如图6a所示，为不同冠层密度下，实时仿形喷雾方法示意图。该图反映了随着冠层密度的增加，激光传感器运动时间间隔变短。由于冠层密度越大，所需施药面积也越大，因此冠层空隙率为K3的果树的总喷施量大于冠层空隙率K1时冠层喷施量。根据不同的冠层密度进行激光探测，并实施喷雾，实现了变量探测到变量喷雾的过程。

步骤4：获取喷雾所需风量、喷雾量以及喷头的喷雾高度和摆动角度范围；

喷雾控制模块27根据速度传感器29回传的机具作业速度S_喷雾机和激光传感器与喷头之间的间隔距离，计算喷雾延迟时间；经过延迟时间后，喷雾控制模块27控制施药装置开始工作。喷雾控制模块27根据左右两侧的果树冠层体积，通过如下公式计算喷雾所需风量、喷雾量以及喷头的喷雾高度和摆动角度范围：

H_n＝(L_i1+L_in+2R)×sinσ；

W_n＝P1+V_n；

Q＝V_n*q；

摆动角度范围：[σ1，σ2]；

式中，

σ为角度传感器采集的激光传感器圆周运动中的扫描角度；

L_i1为激光探测到的冠层表面最高处的激光束长度；

L_in为激光探测到的冠层表面最低处的激光束长度；

H_n为实时探测的冠层单元高度；

R为激光轮半径；

L_i’为激光轮的中心至果树果树冠层表面的距离；

s_喷雾机为喷雾机行进速度；

T为激光传感器转过半周所用时长；

P1为喷雾机喷头距离果树冠层表面的空间体积；

Q为所需喷雾量；

q为单位体积所需施药量,具体值根据喷施对象而定；

V_n为实时探测的果树冠层单元体积；

W_n为探测的冠层对应所需的风量；

H为喷头的喷雾高度；

σ1为角度传感器输出打到冠层表面最底部激光束的角度；

σ2为角度传感器输出打到冠层表面最顶部激光束的角度。

不同冠层体积下所需风量也不同，以置换原则为前提，计算果树所需风量等效为果树冠层体积与风机前至果树的空间体积P1之和，其中果树冠层体积由步骤3计算获得，喷雾机喷头距离果树冠层表面的空间体积等效为四棱锥体积，其等效关系如图7a所示，该四棱锥的高L_i'为激光轮的中心至果树果树冠层表面的距离，该四棱锥底面等效为矩形，该矩形长H_n为实时探测的冠层单元高度，宽为激光传感器完成一次半圆周运动的时间T内喷雾走过的距离，S_喷雾机×T。

根据激光探测装置的安装距离与喷雾机速度传感器29回传的喷雾机速度，计算喷雾机移动距离，以调整喷雾机移动至喷头正面于果树冠层中心。计算喷雾机前进时间通过树冠高度信息H，控制滑块调节支架的高度，使得喷头在高度h下进行喷雾。同时角度传感器输出打到冠层表面最底部激光束的角度σ1与最顶部激光束的角度σ2，控制喷头在[σ1，σ2]角度之间摆动喷雾。

在所述定心仿形喷雾模式中，首先，读取果树位置和行距数据，通过图像采集装置获取果树图像，定位果树冠层中心线，移动喷雾机使图像采集装置的相机与果树冠层中心线相对应，再次获取果树图像，计算果树冠层空隙率，以空隙率表征果树冠层的稀疏程度；其次，根据果树冠层的稀疏程度不同，改变激光传感器的扫描速度，进行变量探测；再次，根据激光扫描结果，利用捕获的激光点拟合冠层轮廓，计算果树冠层体积；然后根据果树冠层体积决策是否进行喷雾作业；若判断为喷雾，则根据果树冠层体积，获取喷雾所需风量、喷雾量以及喷头的喷雾高度和摆动角度范围，进行喷雾。若判断为不喷，喷雾机继续前进至下一刻果树位置。

如图10所示，所述定心仿形喷雾模式具体包括如下步骤：

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分别采集左右两侧果树图像。

步骤2：喷雾机位置调整，再次采集果树图像，计算果树冠层空隙率。

运用MATALB 2018a对所采集的果树图像进行图像和形态学处理，得到仅包含有果树冠层的二值图像，对二值图像进行标记并框选出冠层最大连通区域，计算该连通区域的最小外接矩形的中心线，定位果树冠层中心线，移动喷雾机使图像采集装置的相机与果树冠层中心线相对应，再次获取果树图像；

运用MATALB 2018a对再次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，对再次采集的果树图像的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；

所述步骤2具体包括以下步骤：

1)运用Retinex图像均衡算法对采集的果树图像进行图像分割预处理，Retinex算法使得原图的R、G和B分量的灰度级被压缩处理，压缩后的灰度级动态范围由原来的0-255压缩至50-250，对于过曝光的区域由原来的100-255压缩至200-255，由此获取对比度均匀的图像，以提高图像主体轮廓清晰度、增加图像的细节质量。

2)将光照模型均衡后的果树图像三通道R、G、B作为输入特征，选取模糊参数为2，聚类数为2，以2G-R-B值最大的聚类中心进行FCM聚类算法对果树冠层图像进行图像分割和形态学处理，得到仅包含有冠层的二值图像，如图3a所示，作为冠层分割结果图，冠层分割结果图中的背景像素值为0，冠层区域像素值为1；

3)采用bwconncomp函数对冠层分割结果图进行标记，对标记后的图像利用regionprops函数中BoundingBox属性字符串框选出冠层最大连通区域，计算该连通区域的最小外接矩形的中心线，记此为果树冠层中心线。如图4所示，图中方框表示为包含整个冠层的最大连通区域的外接矩形，SL₁表示该果树冠层中心线，SL₂表示整个图像的中心线。由于果树冠层中心线可能偏移果树树干(喷雾机读取的果树位置)，因此SL₁与SL₂并不重合，需要对喷雾机位置进行调整。计算SL₁的横坐标像素位置R₃与SL₂的横坐标像素位置R₄，读取此刻果树位置Q1，计算果树冠层中心所在位置的实际位置Q2为：图像处理控制平台回传Q2至喷雾控制模块27，喷雾控制模块27输出信号，调整喷雾机的位置，目的是使图像采集装置的相机与果树冠层中心线相对应。

4)通过图像采集装置再次获取果树图像，重复步骤1)和步骤2)，统计冠层分割结果图中的像素值为1的总像素数记为R₁，以此为存在空隙的果树冠层区域。对冠层分割结果图再进行区域填充，得到不包含空隙的完整树冠区域，如图3b所示，将其定义为空隙数为0的全封闭的果树冠层区域，统计该二值图像中像素值为1的总像素数记为R₂。然后通过如下公式计算果树冠层空隙率K：

5)图像数据处理控制模块2将空隙率计算结果通过信号处理转成数字信号后进行冠层稀疏度分级处理，并将处理结果发送给激光数据处理控制模块5。本实施例将空隙率计算结果的数字信号依次分为较为稀疏K1、中等K2和比较稠密K3三个冠层稀疏度等级，空隙率K值越大表示冠层越为稀疏，因此K1>K2>K3，具体值根据果树的生长期而定。

步骤3：变量扫描，获取果树冠层体积。

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以不同的扫描角速度S_激光轮对左右两侧的果树进行探测。激光数据处理控制模块5根据左激光传感器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，通过如下公式计算左右两侧的果树冠层体积：

y＝f(x)；

ph＝(L_i+R)×sinσ；

式中，

x为每次扫描所得的激光边界点的位置信息；

y为每次扫描后所拟合的冠层轮廓曲线，如图5b所示；

L_i到达冠层表面的激光束长度；

ph为以角度传感器位置为起点，以激光束打到的到树冠表面为终点的垂直投影；

R为激光轮半径；

σ为角度传感器采集的激光传感器圆周运动中的扫描角度；

H_max为最高的激光点处时垂直投影；

H_min为最低的激光点处时垂直投影；

V为果树冠层体积。

对应较为稀疏K1、中等K2和比较稠密K3三个冠层稀疏度等级分别设置三个不同的激光传感器扫描角速度s1、s2、s3，s1<s2<s3，以适应不同冠层疏密程度下体积探测。如图6b所示，为不同空隙率下，定心仿形喷雾方法示意图。空隙率越大，激光传感器运动速度越慢，以减少冠层稀疏时激光损失问题，因此激光信号损失率较大其输出信号设置如下：喷雾机行进过程中两侧冠层空隙率信号为K1、K2、K3的果树，对应激光传感器分别以s1、s2、s3大小的速度运动，其中s1<s2<s3。

计算冠层轮廓曲线。激光数据处理控制模块接受激光传感器采集树冠边界点信息，利用插值算法进行曲线拟合，通过QT编译器对算法进行编程，将串口将程序固化到单片机中，可由激光传感器测得的数据直接得到冠层轮廓拟合曲线。

步骤4：决策喷雾

激光数据处理控制模块将左、右探测的果树冠层体积分别与预设的标准喷雾决策值进行比较，当果树冠层体积小于标准喷雾决策值时，选择不进行喷雾作业，喷雾机开始前置直至下一颗果树位置；当果树冠层体积大于等于标准喷雾决策值，选择进行喷雾作业，继续下一个步骤；

本实施例的标准喷雾决策值的选取方法为：预设喷雾机喷雾过程中的前五棵果树为正常果树，储存该五棵果树的体积v₁,v₂,v₃,v₄,v₅，求取该五棵果树的标准差以此储存为正常果树的体积大小值，与喷雾机将要喷施的冠层体积进行对比，当V≥V_s时，喷雾启动。

步骤5：获取喷雾所需风量、喷雾量以及喷头的喷雾高度和摆动角度范围。

喷雾控制模块27根据速度传感器29回传的机具作业速度S_喷雾机和激光传感器与喷头之间的间隔距离，计算喷雾延迟时间；经过延迟时间后，喷雾控制模块27控制施药装置开始工作。喷雾控制模块27根据左右两侧的果树冠层体积，通过如下公式计算喷雾所需风量(如图7b所示)、喷雾量以及喷头的喷雾高度和摆动角度范围(部分计算参数示意如图8所示)：

H＝(L_i1+L_in+2R)×sinσ；

L₀＝(L_i+R)cosσ；

L_i'＝L_行/2；

L＝L_i’-L₀；

W＝P2+V；

Q＝V*q；

摆动角度范围：[σ1，σ2]；

式中，

σ为角度传感器采集的激光传感器实时转过的角度；

R为激光轮半径；

L_i1为激光探测到的冠层表面最高处的激光束长度；

L_in为激光探测到的冠层表面最低处的激光束长度；

H为树冠高度；

L_行为种植行距；

L_i为激光到达冠层表面时的激光束长度；

L₀为连接激光轮中心与到达冠层表面的激光束长度的水平投影；

L_i’为激光轮中心距树干中心的距离；

L为冠层表面到树干中心的距离；

P2为喷雾机距离果树前的空间体积；

V为果树冠层体积；

W为所需风量；

Q为所需喷雾量；

q为单位体积所需施药量,具体值根据喷施对象而定。

通过树冠高度信息H，控制滑块调节支架的高度，使得喷头在高度h下进行喷雾，同时角度传感器输出打到冠层表面最底部激光束的角度σ1与最顶部激光束的角度σ2，控制喷头在[σ1，σ2]角度之间摆动喷雾。