一种激光雷达叶面积指数动态监测的变量喷灌控制系统

本发明涉及农业灌溉控制，具体为一种激光雷达叶面积指数动态监测的变量喷灌控制系统。

背景技术：

1、变量喷灌旨在按作物冠层需水实时调控灌溉，叶面积指数作为表征生长与蒸腾的关键参数，成为决策核心依据。激光雷达具有主动探测与三维感知优势，被引入田间实现叶面积指数动态反演，为精准灌溉提供有力工具。然而，现有技术方案普遍存在盲区：多数成果将激光雷达视为独立于灌溉执行的静态测量单元，其算法预设冠层几何稳定且大气光学理想。当该系统嵌入闭环变量喷灌实时控制时，物理冲突随即暴露在喷头开启瞬间,在冠层顶部及传感器视场产生高浓度水雾气溶胶，该水雾对激光脉冲产生散射衰减，并引入虚假回波，导致反演的叶面积指数,在喷灌前后出现剧烈非生理性突变。且该偏差并非单向误差，而构成正反馈振荡：控制系统依据失真值调节流量，流量改变又瞬时改变水雾密度与分布，二次污染后续点云。此耦合使常规滤波完全失效，系统往复震颤、无效调节，引发执行机构高频动作与机械损耗，背离节水目标。因此，亟需一种基于激光雷达原始信号时空特征与水雾演化规律，实时甄别植被回波与动态噪声并实现前馈解耦的方案。

2、因此，本发明所要解决的问题在于，如何克服喷灌水雾气溶胶对回波的实时干扰，切断测量与控制的振荡耦合，使执行器依据真实叶面积指数变化稳定收敛。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种激光雷达叶面积指数动态监测的变量喷灌控制系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种激光雷达叶面积指数动态监测的变量喷灌控制系统，用于实现喷灌作业过程中基于冠层叶面积指数的闭环变量喷灌控制，包括激光雷达、信号处理器、控制器和喷灌执行器：

3、所述信号处理器对激光雷达采集的每一帧点云回波信号进行计算，得到每个回波点的植被回波置信度；

4、所述信号处理器根据置信度低于预设阈值的回波点生成水雾干扰强度分布图；

5、所述控制器根据所述水雾干扰强度分布图计算当前视场内的光学衰减系数；

6、当所述光学衰减系数超过安全阈值时，控制器禁止输出调节指令并维持上一控制周期的输出值；

7、当所述光学衰减系数未超过安全阈值时，控制器根据置信度高于预设阈值的回波点计算有效叶面积指数，并根据有效叶面积指数输出基础调节量；

8、所述控制器根据连续多帧水雾干扰强度分布图的动态变化趋势计算前馈补偿量；

9、所述控制器将基础调节量与前馈补偿量叠加后输出最终调节指令，用于驱动所述喷灌执行器动作。

10、优选的，所述信号处理器计算每个回波点的植被回波置信度时，提取每个回波点的脉冲宽度值和回波强度值；

11、所述信号处理器计算脉冲宽度值与回波强度值的比值，所述信号处理器将比值与该帧点云中所有回波点的比值中位数进行比较，得到比较结果，根据比较结果按照分段线性映射方式赋予该回波点对应的置信度值。

12、优选的，所述信号处理器将置信度低于所述预设阈值的回波点标记为候选噪声点，并将所有候选噪声点按照三维空间网格进行划分；所述信号处理器统计每个网格内候选噪声点的计数值，将该计数值作为该网格的水雾干扰强度值。

13、优选的，所述控制器计算水雾干扰强度分布图中所有网格的水雾干扰强度值的累加总和，控制器根据累加总和计算光学衰减系数；其中，所述光学衰减系数与所述累加总和呈正相关关系。

14、优选的，当所述光学衰减系数超过安全阈值时，所述控制器判定当前帧点云受到的水雾干扰程度超出可接受范围，将本次采集的整帧点云标记为无效帧，不参与本次控制周期的运算；同时，所述控制器在下一帧采集周期内控制所述激光雷达提高发射功率；或者，所述控制器在下一帧采集周期内控制所述激光雷达增加脉冲累积次数。

15、优选的，所述控制器计算前馈补偿量时，记录连续若干个控制周期内水雾干扰强度分布图的总体强度变化率，根据总体强度变化率推算喷灌执行器的当前动作惯性值；将当前动作惯性值乘以预设的比例系数，得到前馈补偿量。

16、优选的，所述控制器将基础调节量与前馈补偿量叠加，得到叠加结果，对叠加结果进行限幅处理；所述限幅处理使所述最终调节指令的调节幅度不超过控制器预设的最大允许步长。

17、优选的，还包括振荡抑制判决器；所述振荡抑制判决器的输入端与所述控制器的数据输出端连接，输出端与所述控制器的参数调整输入端连接；所述振荡抑制判决器记录连续多个控制周期内控制器输出的有效叶面积指数，形成有效叶面积指数序列；所述振荡抑制判决器计算所述有效叶面积指数序列的波动主频，并判断波动主频是否落入预设的水雾干扰频带范围内；当波动主频落入水雾干扰频带范围时，所述振荡抑制判决器向控制器输出滞后系数；所述控制器根据所述滞后系数增大所述安全阈值的取值，直至所述波动主频脱离所述水雾干扰频带范围。

18、优选的，所述振荡抑制判决器在波动主频脱离水雾干扰频带范围后，逐步减小滞后系数，使滞后系数趋向初始值；减小滞后系数时，若波动主频再次落入水雾干扰频带范围，则振荡抑制判决器停止减小滞后系数，并保持当前滞后系数。

19、优选的，所述激光雷达与喷灌执行器安装于同一移动平台上，且激光雷达的扫描视场覆盖喷灌执行器的喷洒区域；所述喷灌执行器为电磁阀控制的压力喷头。

20、本发明提供了一种激光雷达叶面积指数动态监测的变量喷灌控制系统。具备以下有益效果：

21、通过信号处理器对每个回波点计算植被回波置信度，使系统能够从原始点云中区分植被回波与水雾回波，从而在喷灌作业持续进行的条件下，保留有效的冠层结构信息。控制器根据水雾干扰强度分布图计算光学衰减系数，并在衰减系数超过安全阈值时主动禁止调节指令输出，消除了因感知失真导致执行器误动作的触发条件。同时，控制器依据连续多帧水雾干扰强度分布图的动态变化趋势计算前馈补偿量，将执行器的动作惯性纳入控制决策，使调节指令在喷头启闭的过渡过程中，提前适应水雾状态的变化，减少了因感知滞后引起的调节滞后现象。上述信号甄别与主动抑制的配合机制，使得系统在喷灌水雾存在的环境中，能够维持稳定的感知-控制链路，避免出现因测量偏差反馈至执行端而引发的往复调节。

22、通过振荡抑制判决器对有效叶面积指数序列进行频谱分析，识别控制系统输出波动与水雾干扰之间的频率耦合状态，并在耦合发生时增大安全阈值以降低系统响应带宽，使控制动作的频率成分脱离水雾干扰的波动频带，解除感知信号与控制执行之间的振荡条件。限幅处理环节对单次调节幅度加以约束，使执行器的动作步长处于预设的安全范围内，避免了因单次调节量过大导致的压力冲击与机械磨损。

23、激光雷达与喷灌执行器安装于同一移动平台且扫描视场覆盖喷洒区域的布局方式，确保了感知数据与控制执行在空间位置上的一致性，使每一帧点云的反演结果能够直接用于当前作业位置的流量调节。使得系统在动态作业过程中，能够按照作物冠层的真实需水状态实施流量调节，且调节过程收敛于稳定的工作点，不会因水雾干扰而进入振荡或发散状态。