面向设施园艺大棚的语义感知驱动型精细火焰土壤消毒系统

本发明涉及智慧农业，具体涉及一种面向设施园艺大棚的基于多源视觉感知的精细化火焰消毒系统。本发明尤其适用于温室甜瓜、蔬菜等作物的种植环境，能够实现精准火焰除草与深层土传病害热力灭活的协同作业。

背景技术：

1、随着农业现代化进程的推进，除草与土壤病虫害防治作为设施园艺管理的核心环节，正由传统的人工模式向机械化、智能化方向转型。在设施园艺大棚中，作物种植密度大、生长周期快，对生长环境的稳定性和安全性要求极高。目前，大棚内的除草与防病主要依赖人工或化学药剂。人工除草劳动强度大且效率低下；长期依赖化学药剂则易导致病原体抗药性、土壤退化及农产品残留等问题。

2、作为一种物理防控手段，火焰除草与土壤消毒技术通过高温热作用使杂草细胞失活、杀灭土壤中的病原体及根结线虫，具有无化学残留、作业响应快的优势。然而，现有的火焰消毒装备在设施园艺环境应用中仍面临以下技术瓶颈：

3、环境感知能力缺失：现有装备多采用固定模式或人工控制，缺乏对设施大棚内复杂非结构化环境的智能感知能力。在空间狭窄且覆盖有塑料地膜的大棚内，若无法实时区分杂草、作物及关键设施，极易引发误喷，造成严重经济损失。

4、作业控制精度不足：除草与土壤消毒需要对热输入量进行精细化管理。若行驶速度与喷火功率无法依据目标类别及病害风险进行动态匹配，则难以保证热量有效渗透至土壤深层，同时也难以兼顾对地膜等热敏感设施的安全避让。

5、系统级安全保障机制匮乏：火焰作业伴随高温，关键部件长期处于热应力工况。现有研究多集中于单一识别或机构设计，缺乏将视觉感知、热力学分析与行为决策深度耦合的综合验证体系，导致系统在复杂工况下的运行稳定性与安全响应能力不足。

6、因此，亟需研发一种集成高精度环境感知、动态热剂量决策及安全可靠执行于一体的智能火焰消毒系统，以满足设施园艺大棚的特殊作业需求。

技术实现思路

1、本发明旨在解决现有技术中存在的上述问题，提供一种面向设施园艺大棚的语义感知驱动型精细火焰土壤消毒系统。该系统能够实现对棚内多类目标的实时精准识别，通过热渗透深度控制算法与运动控制算法的耦合实现热量输入的量化管理，并在保障地膜及作物安全的前提下，显著提高土壤消毒的效率与安全性。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种面向设施园艺大棚的语义感知驱动型精细火焰土壤消毒系统，包括：

4、多源视觉感知模块，配置为通过双目相机获取作业环境的彩色图像、深度图及点云数据，用于识别大棚内的杂草、作物、地膜、障碍物及人员目标，并输出目标类别和相对位置矢量；

5、边缘计算决策模块，搭载轻量化深度学习模型，配置为接收所述目标类别和相对位置矢量，并据此实时生成运动控制指令与喷火执行指令；

6、火焰执行模块，包括喷火嘴阵列与燃气控制单元，所述火焰执行模块的喷火状态受所述边缘计算决策模块输出的喷火执行指令控制；

7、履带式移动底盘，采用左右独立驱动的履带行走机构，配置为根据所述边缘计算决策模块输出的运动控制指令以及等效差速轮式运动学模型执行路径避让与行间巡航。

8、进一步的，所述边缘计算决策模块内置土壤病原体灭活的热渗透深度控制算法；所述边缘计算决策模块被配置为根据待消毒区域的土传病害风险，调节所述履带式移动底盘的线速度以控制火焰对单位面积土壤的作用时间，使得在预定消毒深度处的土壤瞬时温度满足病原体灭活所需的温度阈值；其中，所述土壤瞬时温度依据公式 确定，为与所述火焰执行模块输出功率正相关的土壤表面等效作用温度，为土壤热扩散率，为补误差函数。

9、进一步的，所述边缘计算决策模块被配置为将所述履带式移动底盘的线速度控制在0.2 m/s至0.4 m/s的范围内，以确保病原体灭活所需的有效热量输入。

10、进一步的，所述轻量化深度学习模型基于改进的yolov8n架构构建，模型参数量为3.01m，在所述边缘计算决策模块所属的边缘计算平台上的单张图像平均推理时间为2.6ms。

11、进一步的，所述轻量化深度学习模型对所述大棚内杂草、作物、地膜目标的识别精度precision达到0.955，平均精度均值map@0.5达到0.902。

12、进一步的，所述边缘计算决策模块被配置为通过非线性决策映射算子将感知信息转化为执行指令，满足映射关系：，其中，为第个目标的感知张量， 为基于目标类别预设的优先级算子。

13、进一步的，所述非线性决策映射算子被配置为：在所述多源视觉感知模块识别到人员目标时，强制输出使所述履带式移动底盘停止且关闭所述火焰执行模块喷火状态的指令，且该指令的优先级高于对杂草、作物、地膜或障碍物目标的响应指令。

14、进一步的，所述边缘计算决策模块还被配置为执行地膜热辐射安全间距自动补偿功能；所述边缘计算决策模块根据所述多源视觉感知模块识别的地膜边缘相对于系统行进中心线的横向偏移量，实时计算动态安全间距，并在地膜边缘进入预设避障阈值时，自动修正偏航角速度。

15、进一步的，所述边缘计算决策模块还被配置为：在地膜边缘进入预设避障阈值且所述动态安全间距低于最小安全阈值时，关闭所述火焰执行模块的喷火状态。

16、进一步的，所述火焰执行模块还包括温度传感器，用于实时监测所述喷火嘴阵列的主体温度；所述边缘计算决策模块内置热安全自诊断逻辑，被配置为在所述温度传感器监测到所述主体温度趋近预设的900℃临界风险区域时，自动执行降速冷却动作或切换至脉冲喷火模式；所述等效差速轮式运动学模型的离散更新过程满足：

17、，

18、其中，、、分别表示第个采样时刻的底盘位置坐标与航向角，为线速度，为角速度，为采样周期；所述边缘计算决策模块被配置为通过调整和控制所述履带式移动底盘沿避让路径平滑运动。

19、与现有技术相比，本申请的有益效果为：

20、消毒精准高效：通过热渗透深度控制算法与行驶速度的协同调节，实现了热量输入的量化控制，确保了深层土壤消毒效果。

21、实时性与轻量化：采用改进的轻量化识别模型，显著提升了在边缘计算平台上的处理速度与识别精度，满足大棚复杂环境的实时作业需求。

22、设施安全性高：具备专门的地膜热辐射补偿功能与热安全自诊断逻辑，有效规避了火焰对棚内地膜等设施的热损伤风险。

23、运行平稳可控：采用履带式差速驱动与平滑路径规划，增强了样机在松软大棚地面的通过性与运动稳定性。

1.一种面向设施园艺大棚的语义感知驱动型精细火焰土壤消毒系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种面向设施园艺大棚的语义感知驱动型精细火焰土壤消毒系统，其特征在于，所述边缘计算决策模块内置土壤病原体灭活的热渗透深度控制算法；所述边缘计算决策模块被配置为根据待消毒区域的土传病害风险，调节所述履带式移动底盘的线速度以控制火焰对单位面积土壤的作用时间，使得在预定消毒深度处的土壤瞬时温度满足病原体灭活所需的温度阈值；其中，所述土壤瞬时温度依据公式 确定，为与所述火焰执行模块输出功率正相关的土壤表面等效作用温度，为土壤热扩散率，为补误差函数。

3.根据权利要求2所述的一种面向设施园艺大棚的语义感知驱动型精细火焰土壤消毒系统，其特征在于，所述边缘计算决策模块被配置为将所述履带式移动底盘的线速度控制在0.2 m/s至0.4 m/s的范围内，以确保病原体灭活所需的有效热量输入。

4.根据权利要求1所述的一种面向设施园艺大棚的语义感知驱动型精细火焰土壤消毒系统，其特征在于，所述轻量化深度学习模型基于改进的yolov8n架构构建，模型参数量为3.01m，在所述边缘计算决策模块所属的边缘计算平台上的单张图像平均推理时间为2.6ms。

5.根据权利要求4所述的一种面向设施园艺大棚的语义感知驱动型精细火焰土壤消毒系统，其特征在于，所述轻量化深度学习模型对所述大棚内杂草、作物、地膜目标的识别精度precision达到0.955，平均精度均值map@0.5达到0.902。

6.根据权利要求1所述的一种面向设施园艺大棚的语义感知驱动型精细火焰土壤消毒系统，其特征在于，所述边缘计算决策模块被配置为通过非线性决策映射算子将感知信息转化为执行指令，满足映射关系：，其中，为第个目标的感知张量， 为基于目标类别预设的优先级算子。

7.根据权利要求6所述的一种面向设施园艺大棚的语义感知驱动型精细火焰土壤消毒系统，其特征在于，所述非线性决策映射算子被配置为：在所述多源视觉感知模块识别到人员目标时，强制输出使所述履带式移动底盘停止且关闭所述火焰执行模块喷火状态的指令，且该指令的优先级高于对杂草、作物、地膜或障碍物目标的响应指令。

8.根据权利要求1所述的一种面向设施园艺大棚的语义感知驱动型精细火焰土壤消毒系统，其特征在于，所述边缘计算决策模块还被配置为执行地膜热辐射安全间距自动补偿功能；所述边缘计算决策模块根据所述多源视觉感知模块识别的地膜边缘相对于系统行进中心线的横向偏移量，实时计算动态安全间距，并在地膜边缘进入预设避障阈值时，自动修正偏航角速度。

9.根据权利要求8所述的一种面向设施园艺大棚的语义感知驱动型精细火焰土壤消毒系统，其特征在于，所述边缘计算决策模块还被配置为：在地膜边缘进入预设避障阈值且所述动态安全间距低于最小安全阈值时，关闭所述火焰执行模块的喷火状态。

10.根据权利要求1所述的一种面向设施园艺大棚的语义感知驱动型精细火焰土壤消毒系统，其特征在于，所述火焰执行模块还包括温度传感器，用于实时监测所述喷火嘴阵列的主体温度；所述边缘计算决策模块内置热安全自诊断逻辑，被配置为在所述温度传感器监测到所述主体温度趋近预设的900℃临界风险区域时，自动执行降速冷却动作或切换至脉冲喷火模式；所述等效差速轮式运动学模型的离散更新过程满足：