一种靶标识别精准施药系统及施药方法

摘要

本发明提供一种靶标识别精准施药系统及施药方法，包括：识别探头、主控制器、喷药泵和喷药装置；识别探头用于采集施药过程中的施药对象信息，并将所述施药对象信息上传至所述主控制器；所述主控制器，用于根据所述施药对象信息确定喷药量、喷药方位和喷药距离，以控制所述喷药泵和所述喷药装置的工作状态执行对靶变量施药。本发明提供的靶标识别精准施药系统及施药方法，通过采集施药过程中关于施药对象的信息，以通过调节喷药泵的压力控制喷药量、通过调节旋转电机和俯仰电机控制靶向位置，通过调节送风电机的转速控制喷药距离，最终实现精准的对靶定量喷药。

说明书

技术领域

本发明涉及农业植保领域，尤其涉及一种靶标识别精准施药系统及施药方法。

背景技术

在果园植保中，果树的病虫害防治是果园生产过程中的重要环节。目前，采取喷施化学农药依然是主要的防治手段。

现有的均施方案，虽然能够一定程度上实现增产增效，但农药的大量使用甚至是滥用，造成了大量的农药浪费、农产品农药残留、农田河湖农药污染。

另外，现有的靶向变量喷药技术，因存在喷头数量多、结构复杂、识别度底、喷药效果不佳、穿透力不强、农药损失较大等问题，不仅无法满足精准施药的要求，而且也增加了经济成本污染了环境。

有鉴于此，亟需改进现有的施药方法以及施药装备，以在提高病虫害防治效果的基础上，解决或者一定程度上缓解农药的实际利用效率低下的缺陷。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供一种靶标识别精准施药系统及施药方法。

本发明提供一种靶标识别精准施药系统，包括：识别探头、主控制器、喷药泵和喷药装置；所述识别探头，用于采集施药过程中的施药对象信息，并将所述施药对象信息上传至所述主控制器；所述主控制器，用于根据所述施药对象信息确定喷药量、喷药方位和喷药距离，以控制所述喷药泵和所述喷药装置的工作状态执行对靶变量施药。

根据本发明提供的一种靶标识别精准施药系统，所述施药对象信息包括施药对象的激光点云和施药对象的实时图像；所述主控制器，用于根据所述激光点云和所述实时图像确定喷药量、喷药方位和喷药距离，具体包括：

根据所述激光点云，确定所述施药对象的冠层轮廓和密度分布；将所述实时图像进行专家数据库对比处理，确定施药对象种类以及病虫害特征信息；根据所述冠层轮廓、所述密度分布、所述施药对象种类和所述病虫害特征信息，确定所述喷药量、所述喷药方位和所述喷药距离。

根据本发明提供的一种靶标识别精准施药系统，所述识别探头包括激光雷达和RGB深度相机；所述激光雷达的扫描面法线与机具行走方向平行，用于在机具行走的过程中，获取施药对象的激光点云；所述RGB深度相机安装在所述激光雷达的侧面，用于同时获取所述药对象的实时图像。

根据本发明提供的一种靶标识别精准施药系统，所述喷药泵包括三缸柱塞泵、无刷电机、电机驱动器和数据监管器；所述电机驱动器，用于根据所述主控制器的驱动指令控制所述无刷电机的转速，以通过对所述转速的调整控制所述三缸柱塞泵输出的所述喷药量；所述数据监管器，安装在所述喷药泵的输出管上，以获取所述输出管的压力流量参数，并将所述压力流量参数反馈给所述主控制器。

根据本发明提供的一种靶标识别精准施药系统，所述喷药装置包括底座、旋转电机、支架、俯仰电机、喷药筒；所述底座固设于机具上；所述旋转电机和所述俯仰电机共同确定所述喷药方位；所述旋转电机的固定端固定于所述底座上，所述旋转电机的活动端与所述支架的底面刚性连接，所述旋转电机转动时，使得所述支架在平行于所述底座的平面上转动；所述支架上设置有两个支撑臂，所述俯仰电机的固定端固设于其中的一个支撑臂上；所述俯仰电机的活动端固定于所述喷药筒的外壁安装孔上；另一支撑臂与所述喷药筒的外壁安装孔的相对侧相铰接；所述俯仰电机转动时，使得所述喷药筒在垂直于所述支架的平面上转动。

根据本发明提供的一种靶标识别精准施药系统，所述喷药筒包括外风机、内风机、内筒、外筒和喷头组；所述内筒套装与所述外筒内；所述外风机和所述内风机共同确定所述喷药距离；所述外风机和所述内风机的电机均装设于在所述内筒管内；所述外风机的叶片位于所述外筒内，且靠近所述内筒的进风口；所述内风机的叶片位于所述内筒内；所述喷头组位于所述外筒内，且靠近所述外筒的出风口。

根据本发明提供的一种靶标识别精准施药系统，还包括：电源装置；所述电源装置采用可充电的铅酸电池，用于为所述靶标识别精准施药系统提供能电能。

本发明还提供一种靶标识别精准的施药方法，包括：获取施药过程中的施药对象信息；根据施药过程中的施药对象信息，确定喷药量、喷药方位和喷药距离；根据所述喷药量、所述喷药方位和所述喷药距离，控制喷药泵和喷药装置的工作状态，实现对靶变量施药。

本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述施药方法的步骤。

本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述施药方法的步骤。

本发明提供的靶标识别精准施药系统及施药方法，通过采集施药过程中关于施药对象的信息，以通过调节喷药泵的压力控制喷药量、通过调节旋转电机和俯仰电机控制靶向位置，通过调节送风电机的转速控制喷药距离，最终实现精准的对靶定量喷药。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的靶标识别精准施药系统的结构示意图；

图2是本发明提供的识别探头的结构示意图；

图3是本发明提供的喷药筒的结构示意图；

图4是本发明提供的靶标识别精准施药系统的工作原理示意图；

图5是本发明提供的施药方法的流程示意图；

图6是本发明提供的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在本发明实施例的描述中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、系统、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、系统、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、系统、物品或者设备中还存在另外的相同要素。术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合图1-图6描述本发明实施例所提供的靶标识别精准施药系统及施药方法。

图1是本发明提供的靶标识别精准施药系统的结构示意图，如图1所示，包括但不限于：识别探头、主控制器、喷药泵和喷药装置；所述识别探头，用于采集施药过程中的施药对象信息，并将所述施药对象信息上传至所述主控制器；所述主控制器，用于根据所述施药对象信息确定喷药量、喷药方位和喷药距离，以控制所述喷药泵和所述喷药装置的工作状态执行对靶变量施药。

本发明提供的靶标识别精准施药系统，主要包括有：识别探头、喷药装置、主控制器、喷药泵及其组件组成。识别探头用于采集施药对象(如待喷药的果树)相关信息，例如：果树的生长情况、果树的种类、果树感染的病虫害情况等信息，并将采集的上述信息发送至主控制器。主控制器在根据接收到的信息作出决策后，将施药相关的控制命令发送至喷药泵和喷药装置。喷药泵和喷药装置根据控制命令，调整各自的工作状态，如：喷药泵调整其喷药量的大小、喷药装置自动进行对靶等。然后，由喷药泵将农药泵入至喷药装置，由喷药装置将农药喷洒至果树上。

其中，喷药装置和喷药泵在执行喷药动作的过程中，实时的将动作状态信息反馈至主控制器，例如：喷药泵将其输出管上压力、流量等信息反馈给主控制器，以由主控制器结合反馈的动作状态信息，实时调整控制命令的输出。

本发明提供的靶标识别精准施药系统及施药方法，通过采集施药过程中关于施药对象的信息，以通过调节喷药泵的压力控制喷药量、通过调节旋转电机和俯仰电机控制靶向位置，通过调节送风电机的转速控制喷药距离，最终实现精准的对靶定量喷药。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，所述施药对象信息包括施药对象的激光点云和施药对象的实时图像；所述主控制器，用于根据所述激光点云和所述实时图像确定喷药量、喷药方位和喷药距离，具体包括：根据所述激光点云，确定所述施药对象的冠层轮廓和密度分布；将所述实时图像进行专家数据库对比处理，确定施药对象种类以及病虫害特征信息；根据所述冠层轮廓、所述密度分布、所述施药对象种类和所述病虫害特征信息，确定所述喷药量、所述喷药方位和所述喷药距离。

本发明提供的主控制器，主要采用NVIDIA JETSON NANAO B01与STM32F103C8T6的组合以实现。通过识别探头在施药过程中所回传的关于施药对象的激光云点和实时图像，并将采集提取到的上述施药对象信息上传至主控制器，以将其与主控器系统中的专家数据库进行对比处理，从而实现对于施药对象种类的识别、冠层密度分布和病虫害特征等信息的确定，并进一步确定喷药量、喷药方位和喷药距离等施灌信息。最后，由主控制器依据所确定这些施灌信息，进一步指导喷药泵和喷药装置动作，直至实现对靶变量施药。

本发明提供的靶标识别精准施药系统。采用图像识别、变量喷药和对靶施药技术，可以根据施药对象的病虫害情况和疏密程度进行精准定位、精确控风和精细调量完成对靶喷药作业，以提高靶向施药精准率和施药均匀性，提高雾滴飞行距离和穿透力，减少农药污染和浪费，节约经济成本，增强管控智能技术。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，所述识别探头包括激光雷达和RGB深度相机；激光雷达的扫描面法线与机具行走方向平行，用于在机具行走的过程中，获取施药对象的激光点云；所述RGB深度相机安装在所述激光雷达的侧面，用于同时获取所述药对象的实时图像。

图2是本发明提供的识别探头的结构示意图，如图2所示，识别探头可以是由激光雷达和RGB深度相机组成。其中，激光雷达的扫描面的法线与机具的行走方向相平行，RGB深度相机安装在激光雷达侧面，二者共同完成施药对象信息的采集并回传至主控制器。

其中，施药对象信息则包括施药对象的冠层轮廓、密度分布等信息，同时还包括施药对象的实时深度图像。

激光雷达可以选用YDLIDAR G4雷达，其具有360°测距扫描的功能，能够在机具向前移动的同时对施药对象进行扫描，以完整的扫描出果树冠层的轮廓和密度分布。

RGB深度相机可以选用Kinect 2.0RGB D相机，当机具经过施药对象时，相机将迅速采集深度图片，并回传至主控制器。主控制利用图像识别技术，结合系统中预先存储的专家数据库比对，则能够准确的获知施药对象种类以及施药对象所感染的病虫害特征信息。

其中，所述施药对象可以是果树，也可以是其它农作物，对此本发明不作具体的限定。

本发明提供的靶标识别精准施药系统，通过增设由激光雷达和RGB深度相机构成的识别探头，能够在机具施药的过程中实时采集施药对象信息，并利用主控制由施药对象信息分析出施药对象的冠层轮廓、密度分布、施药对象种类以及病虫害特征信息，进而能够准确的制定施药策略(如施药种类以及施药量)，同时控制喷药泵和喷药装置进行自动对靶，最终实现高精度对靶定量喷药，有效地提高了农药的利用率，节省了人力物力。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，所述喷药泵主要包括：三缸柱塞泵、无刷电机、电机驱动器和数据监管器；所述电机驱动器主要用于根据所述主控制器的驱动指令控制所述无刷电机的转速，以通过对所述转速的调整控制所述三缸柱塞泵输出的所述喷药量；所述数据监管器安装在所述喷药泵的输出管上，以获取所述输出管的压力流量参数，并将所述压力流量参数反馈给所述主控制器。

喷药泵主要由三缸柱塞泵、无刷电机、电机驱动器、数据监管器等组成，电机驱动器控制无刷电机的转速，电机作用于柱塞泵，使其流量发生变化，从而达调节流量的目的。

可选地，无刷电机可以选用工作电压为48V，功率为1.2-2.2kW，转速为800-1200r/min的永磁直流无刷电机，以为三缸柱塞泵提供动力源。电机驱动器可以采用PWM控制方式，以根据主控制器的指令调整无刷电机的转速。

三缸柱塞泵可以采用常用型三缸柱塞泵，使得施药喷头得到一定的压力。另外，上述三缸柱塞泵可以装设有储能罐和溢流安全阀(或限压开关)，前者能减小压力波动，后者作为压力过载保护。

进一步地，数据监管器主要由压力传感器、流量传感器等组成，可以安装在喷药泵的输出管上，能够实时监测从输出管的压力流量参数，并发馈给主控制器。

本发明提供的靶标识别精准施药系统，在实际施药过程中，通过同步采集喷药泵的输出管上的压力流量参数反馈给主控制器，以供主控制器根据反馈的当前的压力流量参数，并结合下一时间段内所需要的施药量，及时地通过电机驱动器调整无刷电机的转速，并最终控制三缸柱塞泵的输出流量。

本发明提供的靶标识别精准施药系统，能够在机具实际施药进程中，根据所采集的施药对象信息并结合压力流量参数，以及时的调整三缸柱塞泵的输出流量，能进一步提升施药量的控制能力，提高农药的实际利用率。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，喷药装置包括底座、旋转电机、支架、俯仰电机、喷药筒；所述底座固设于机具上；所述旋转电机和所述俯仰电机共同确定所述喷药方位；所述旋转电机的固定端固定于所述底座上，所述旋转电机的活动端与所述支架的底面刚性连接，所述旋转电机转动时，使得所述支架在平行于所述底座的平面上转动；所述支架上设置有两个支撑臂，所述俯仰电机的固定端固设于其中的一个支撑臂上；所述俯仰电机的活动端固定于所述喷药筒的外壁安装孔上；另一支撑臂与所述喷药筒的外壁安装孔的相对侧相铰接；所述俯仰电机转动时，使得所述喷药筒在垂直于所述支架的平面上转动。

如图1所示，喷药装置主要由底座1、旋转电机5、支架2、俯仰电机3、喷药筒4组成。底座1一般用螺栓安装在机具上，旋转电机5的机座(即固定端)用螺钉固定在底座1上，另一端(即活动端)与支架2的底面螺钉刚性连接。底座1与支架2的底面可以增设推力轴承，以用于承载支架上各部件的压力。

支架2上设有两个支撑臂形成U字形，其中一个支撑臂上安装有俯仰电机3(即将俯仰电机3的基座固定在一个支撑臂上)，另一个支撑臂与喷药筒4铰接；俯仰电机4的另一侧(即活动端)固定在喷药筒4的外壁安装孔上，且俯仰电机3的轴线与铰链轴线同轴。

本发明提供的喷药装置，能使喷药筒5具有上下摆动、左右转动的作业功能。

可选地，上述旋转电机5和俯仰电机3均采用常规的伺服关节电机，具有旋转角度精确可控、承载力大和性能稳定等优点。

图3是本发明提供的喷药筒的结构示意图，作为一种可选实施例，如图3所示，喷药筒主要包括外风机4-1、内风机4-2、内筒4-3、外筒4-4和喷头组4-5。其中，所述内筒4-3套装与所述外筒4-4内；所述外风机4-1和所述内风机4-2共同确定所述喷药距离；所述外风机4-1和所述内风机4-2的电机均装设于在所述内筒4-3管内；所述外风机4-1的叶片位于所述外筒4-4内，且靠近所述内筒4-3的进风口；所述内风机4-2的叶片位于所述内筒4-3内；所述喷头组4-5位于所述外筒4-4内，且靠近所述外筒4-4的出风口。

具体地，喷药筒4主要由外风机4-1、内风机4-2、内筒4-3、外筒4-4和喷头组4-5组成，喷头组4-5设有六组喷头装在内筒4-3的出口处，内、外风机的电机均装在内筒4-3内，内风机4-2的叶片只作用于内筒4-3，外风机4-1的叶片只作用于外筒4-4。

本发明提供的喷药筒结构，可通过调节内、外风机的转速，实现单独的内、外风筒的风力的调控，从而使得雾滴受两个不同方向可变力的调节达到其运动轨迹的调节。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，本发明提供的靶标识别精准施药系统，还包括：电源装置；所述电源装置采用可充电的铅酸电池，用于为所述靶标识别精准施药系统提供能电能。

需要说明的是，本发明提供的靶标识别精准施药系统，可以通过电池供电，这样可以确保这一系统能够适应不同地形的使用需求，也避免该系统在果园中穿梭作业时，采用有线供电的不便以及采用其它动力时对环境的污染。

图4是本发明提供的靶标识别精准施药系统的工作原理示意图，如图4所示，我发明提供的靶标识别精准施药系统的核心运算单元是主控制器，主要采用NVIDIA JETSONNANAO B01以及STM32F103C8T6的组合以实现其功能。

其主要工作原理为：通过实时接收由识别探头所回传的激光云点和深度图像信息，将提取到的信息与主控器系统的专家数据库对比处理，得到果树的种类识别、冠层密度分布和病虫害情况特征等信息；依据这些信息确定喷药量、喷药方位和喷药距离；进一步地，根据确定喷药量指导喷药泵进行喷药的精确药量；根据喷药方位和喷药距离，指导喷药装置的旋转电机、俯仰电机和各送风电机动作，以确定进行施药的精确位置和精确距离。

图5是发明提供的施药方法的流程示意图，如图5所示，本发明提供的靶标识别精准施药系统的施药方法，主要包括但不限于以下步骤：

步骤S1：获取施药过程中的施药对象信息；

步骤S2：根据所述施药过程中的施药对象信息，确定喷药量、喷药方位和喷药距离；

步骤S3：根据所述喷药量、所述喷药方位和所述喷药距离，控制喷药泵和喷药装置的工作状态，实现对靶变量施药。

具体地，在机具抵达施药区域，并计划对施药对象进行施药时，首先控制识别探头采集施药对象信息，包括：果树的生长情况、果树的种类、果树感染的病虫害情况等信息。

主控制器获取到上述施药对象信息后，采用图像识别技术并结合专辑数据库比对的方法，根据冠层轮廓、密度分布、施药对象种类和病虫害特征信息等，确定出喷药量、所述喷药方位和所述喷药距离。

然后，根据确定喷药量控制喷药泵中的三缸柱塞泵的工作状态，实现喷药量的匹配；根据喷药方位和喷药距离，控制喷药装置的旋转电机、俯仰电机动作，进行精确对靶实现喷药方位的匹配；并控制送风机，通过调整送风的大小，实现喷药距离的匹配，最终完成对靶定量喷药。

本发明提供的靶标识别精准施药方法，通过采集施药过程中关于施药对象的信息，以通过调节喷药泵的压力控制喷药量、通过调节旋转电机和俯仰电机控制靶向位置，通过调节送风电机的转速控制喷药距离，最终实现精准的对靶定量喷药。

需要说明的是，本发明实施例提供的靶标识别精准施药方法，在具体执行时，可以基于上述任一实施例所述的靶标识别精准施药系统来实现，对此本实施例不作赘述。

图6是本发明提供的电子设备的结构示意图，如图6所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)610、通信接口(Communications Interface)620、存储器(memory)630和通信总线640，其中，处理器610，通信接口620，存储器630通过通信总线640完成相互间的通信。处理器610可以调用存储器630中的逻辑指令，以执行靶标识别精准施药方法，该方法包括：获取施药过程中的施药对象信息；根据施药过程中的施药对象信息，确定喷药量、喷药方位和喷药距离；根据所述喷药量、所述喷药方位和所述喷药距离，控制喷药泵和喷药装置的工作状态，实现对靶变量施药。

此外，上述的存储器630中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述系统的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各系统所提供的靶标识别精准施药方法，该方法包括：获取施药过程中的施药对象信息；根据施药过程中的施药对象信息，确定喷药量、喷药方位和喷药距离；根据所述喷药量、所述喷药方位和所述喷药距离，控制喷药泵和喷药装置的工作状态，实现对靶变量施药。

又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的靶标识别精准施药方法，该方法包括：获取施药过程中的施药对象信息；根据施药过程中的施药对象信息，确定喷药量、喷药方位和喷药距离；根据所述喷药量、所述喷药方位和所述喷药距离，控制喷药泵和喷药装置的工作状态，实现对靶变量施药。

以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。