喷雾与枝叶流固耦合下的风速与枝叶变形运动测量方法

本发明涉及智能精准喷雾，具体为喷雾与枝叶流固耦合下的风速与枝叶变形运动测量方法。

背景技术：

1、智能精准喷雾技术能有效提高雾滴的沉积率与农药利用效率，减少环境污染，该技术的关键在于根据树冠特征实时调整合适的喷雾参数。有效研究喷雾与枝叶流固耦合特性对实施智能精准喷雾参数调整提供理论基石。

2、现有喷雾与枝叶流固耦合下风速与枝叶变形运动测量过程中，风速测量周期时间为1s，而喷雾正常行进速度1~2.5m/s，以1s为周期测量风速，无法捕捉喷雾过程中枝叶周边的动态风速。同时，喷雾辅助气流是静态出口气流，而实际喷雾下辅助气流的出风口是以1~2.5m/s移动的，与实际喷雾过程中相差甚远，导致实验获得的喷雾与枝叶流固耦合特性难以适配实际喷雾作业条件。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种喷雾与枝叶流固耦合下的风速与枝叶变形运动测量方法，以解决现有喷雾与枝叶流固耦合下风速与枝叶变形运动测量过程中缺乏同步性与实时性而导致无法有效研究喷雾与枝叶流固耦合特性的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

3、一种喷雾与枝叶流固耦合下的风速与枝叶变形运动测量方法，包括以下步骤：

4、s100、设计一种风速与枝叶变形运动测量系统，包括：激光传感器模组、喷雾小车、风速与视觉测量模组和果树；

5、s200、设计用于采集风速与枝叶变形运动的数据采集系统，包括：linux开发板b1和b2、npn高速光耦隔离模块和daq7606数据采集卡；

6、s300、在喷雾小车运动过程中，当喷雾小车被激光传感器模组检测到时，激光传感器发出低电平信号给npn高速光耦隔离模块输入端，随后高速光耦隔离模块输出端发出低压平信号传递给linux开发板和daq7606数据采集卡；

7、当linux开发板接收到低电平信号时，触发启动与linux开发板连接的d435相机进行图像采集；同时当daq7606数据采集卡接收到低电平信号时，触发启动与其连接的风速传感器进行风速采集；

8、s400、基于喷雾与枝叶流固耦合下的电压数据计算实际风速数据；基于树冠图像数据分析树冠叶片的相对变形量和关键点的运动距离；并基于树冠图像数据分析树冠层孔隙率变化。

9、优选地，在步骤s100中：

10、所述激光传感器模组，由npn型激光传感器和支架构成；

11、所述喷雾小车，由喷头、风管、主安装杆、可变喷雾角度的喷雾臂、用于激光检测的挡条、喷雾车移动底盘、2个离心风机和2个电气控制箱构成；

12、所述风速与视觉测量模组，由4个热敏风速传感器、两个d435相机和安装支架构成。

13、优选地，将stm32开发板作为控制器来控制喷雾小车执行运动指令。

14、优选地，步骤s200中所述数据采集系统与运动测量系统、计算机之间的连接方法具体包括：

15、将rxdxa a7a linux开发板b1与开发板b2、笔记本计算机分别用cat6.0网线接到千兆交换机，实现笔记本计算机与2个linux开发版高速互联通讯；

16、将rxdxa a7a linux开发板b1的usb3.0与d435相机一的usb相连，a7a linux开发板b2的usb3.0与d435相机二的usb相连；

17、将npn型激光传感器信号输出口signalout连接到npn高速光耦隔离模块输入端的“-”端口，将npn高速光耦隔离模块输入端的“+”端口接电源“+12v”，npn型激光传感器接12v电源；

18、将npn高速光耦隔离模块输出端的“+”端口接linux开发版b1的+5v；将npn高速光耦隔离模块输出端的“-”端口接地gnd，分3路依次连接到linux开发版b1、开发版b2、daq7606数据采集卡的gnd端口，实现共地连接；

19、将npn高速光耦隔离模块输出端的信号输出口signalout分3路依次连接到linux开发版b1的gpio pin7端口、linux开发版b2的gpio pin7端口、daq7606数据采集卡的trig触发端口；

20、将4个风速传感器的信号输出口依次连接daq7606数据采集卡的电压信号采集端口yf1~yf4；将daq7606数据采集卡的采集端gnd与4个风速传感器的gnd并联实现共地，4个风速传感器接12v电源；将daq7606数据采集卡通过usb口与笔记本计算机实现高速通讯。

21、优选地，步骤s300中进行图像和风速采集的方法具体包括：

22、利用笔记本计算机运行vscode软件界面，通过vscode的remote-ssh方式远程登录开发板b1、b2的linux系统，运行d435相机图像采集程序；

23、其中，d435相机图像采集方法包括：

24、初始化d435相机的rgbd图像、深度图像的分辨率均为640*800，采集帧率为60，对齐rgbd图像、深度图像帧；linux开发板gpio pin7端口设置上拉模式；

25、程序扫描读取linux开发板gpio pin7端口电平，一旦gpio pin7端口为低电平，那么d435相机开始采集对齐的rgbd图像、深度图像数据帧，保存为npy数据格式，采集总时长为1s；

26、同一组对齐rgbd图像、深度图像数据帧的命名格式分别为num_rgb.npy与num_depth.npy，前缀编号num按采集的次序依次编号，num=1,2, ..., 60；

27、利用笔记本计算机运行daq数据采集软件，设置采集触发方式为下降沿触发+周期时间循环；采集电压范围-10~10v；daq7606数据采集卡的trig端口一旦接收到下降沿信号，立刻触发启动多端口同步采集风速传感器电压信号。

28、优选地，步骤s400中所述实际风速数据由喷雾与枝叶流固耦合下的电压数据计算获得，具体公式为：；其中，表示采集到的风速数据，表示测量电压；并由此根据实际风速数据绘制风速曲线特性图。

29、优选地，步骤s400中基于树冠图像数据分析树冠叶片的相对变形量和关键点的运动距离，具体包括：

30、将同一前缀编号对齐的rgb图像、深度图像数据帧基于rgbd相机的内参数转换成带有rgb色彩的点云文件；点云文件的命名格式为num_leaves.pcl，前缀编号num与原转换图像的前缀编号相同，num=1,2, ..., 60；

31、在cloudcompare点云软件中，批量打开含60帧点云文件num_leaves.pcl；选定观察的叶片lf1，在该叶片lf1点云上沿叶片主茎选取3个点，依次为叶主茎顶点、叶主茎中点与叶主茎终点；叶片lf1的主茎左侧轮廓线中点，主茎左侧轮廓线中点；

32、根据选定叶片选择点的坐标，计算叶片的弯曲角度：

33、；

34、计算相邻帧rgb点云中叶片lf1的相对变形量、：

35、；

36、；

37、计算相邻帧rgb点云中叶片lf1的关键点的运动距离：

38、；

39、计算相邻帧叶片左右翻转角度、：

40、；

41、；

42、由此，以时间帧为x轴，绘制叶片lf1的相对变形量特性曲线图、以及叶片lf1的关键点的运动距离特性曲线图。

43、优选地，步骤s400中基于树冠图像数据分析树冠层孔隙率变化，具体包括：

44、获得同一前缀编号对齐的rgb图像、深度图像，找出深度图像中像素值超过d1值的所有位置索引值，查询rgb图像对应索引位置，并将rgb像素值设为255值，其他位置像素值保持不变：

45、；

46、其中，d1是d435相机到果树树干中心的距离，i与j是图像像素索引编号；

47、利用实例分割方式自动分割出树冠边界，计算树冠内的像素总数量，计算树冠内的像素值不等于255的像素总数量，那么冠层平均孔斜率为：；

48、计算相邻帧冠层平均孔斜率的变化值：

49、；

50、由此，以时间帧为x轴，绘制果树冠层平均孔斜率变化的特性曲线图。

51、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

52、本发明通过设计一种风速与枝叶变形运动测量系统，用于模拟风速与枝叶变形运动测量环境，有利于实现数据在真实环境中的应用；通过设计用于采集风速与枝叶变形运动的数据采集系统，将linux开发板与笔记本计算机分别用cat6.0网线接到千兆交换机，实现笔记本计算机与2个linux开发版高速互联通讯；将npn型激光传感器与npn高速光耦隔离模块连接，进一步同linux开发版、daq7606数据采集卡连接，使得风速与枝叶变形运动测量过程中具有同步性与实时性，更有利于测量数据的准确性；通过基于喷雾与枝叶流固耦合下的电压数据计算实际风速数据，并基于树冠图像数据分析树冠叶片的相对变形量和关键点的运动距离，有利于精准测量风速和枝叶变化状态；通过基于树冠图像数据分析树冠层孔隙率变化，用于反应气流在冠层内的穿透性，更有利于指导智能精准喷雾参数调整。