一种基于环形施药结构的变量喷雾控制系统及其植株冠层体积计算方法与流程

技术特征：
1.一种基于环形施药结构的变量喷雾植株冠层体积计算方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：步骤1：基于机器人操作系统ros采用垂直/水平安装方式的激光雷达实时获取果园的环境信息，水平扫描的激光雷达通过点云聚类检测树干的距离，采用速度传感器获取环形施药结构喷雾机的实时行进速度；步骤2：根据环形施药结构的特点和垂直扫描激光雷达的参数进行喷施区域划分，每个区域对应一个喷嘴的喷施范围，通过水平激光聚类得到树干的距离信息，结合融合扇区的角度范围、垂直扫描的激光雷达的安装位置和果树的高度上限设定阈值范围；步骤3：对处于阈值范围之内的有效激光点云进行计算，采用激光扫描周期方式进行果树冠层纵向分割，分别根据各喷施区域范围内的相邻点云对区域的扇区面积进行计算；步骤4：将连续n帧激光雷达数据作为一个喷雾单元，取这n帧数据的最大面积作为该喷雾单元的面积，结合速度传感器获得的速度信息和激光雷达的扫描周期可得到果树冠层的体积大小。2.根据权利要求1所述的一种基于环形施药结构的变量喷雾植株冠层体积计算方法，其特征在于：所述步骤2具体包括：垂直激光雷达与施药结构圆心安装在同一水平线上，避免不必要的矫正，根据环形施药结构上喷嘴在圆弧的接点相互间隔角度和所选用的二维激光雷达进行喷施区域划分，确定激光点和融合扇区的范围；根据水平扫描方向的激光雷达得到树干距离l，经坐标转换后可得到树干与垂直扫描激光雷达的距离d；通过垂直扫描激光雷得到果树的高度上限h，根据激光点的角度θ、距离ρ、树干距离d和果树高度上限h，可求得靶标有效区域对角线与z轴的夹角β和激光点到树干边界的距离：β是为以激光雷达的z轴与所检测目标的高度上限之间的夹角，对激光点返回的数据点角度进行转换，将角度坐标系整体向逆时针方向旋转90
°
，转换至以激光雷达安装位置的水平向右为0
°
正方向；式中r
ij
是第i扇区第j点激光雷达数据到树干边界的距离，α为角度坐标系转换之后每个激光点与z轴的夹角；式中，ρ
ij
为激光雷达与检测物体的距离，θ为当前激光点所对应的角度值；θ
min
和θ
max
分别为融合扇区的最小角度值和最大角度值，当满足上面公式中的任意一条时，均视为在阈值范围之外的无效激光数据点，不对该激光点进行后续面积和体积等计算，直接进行过滤。3.根据权利要求1所述的一种基于环形施药结构的变量喷雾植株冠层体积计算方法，其特征在于：所述步骤3具体包括：经步骤2求得垂直扫描激光雷达z轴与果树高度上限的夹角β和激光点到树干边界的距
离r,根据设定阈值范围进行无效数据点过滤后，针对有效的激光雷达数据在线进行各区域的果树面积s的计算；其中，激光雷达的角度分辨率为θ，根据步骤2求得的第i扇区第j点激光数据到达树干边界的距离r
ij
和当前激光点的距离l
ij
和角度分辨率θ，可以分别推断当前激光点和下一个激光点在树干边界的扇区面积s1和在植株冠层外层的扇区面积s2，用s1减去s2即可以得到当前激光点所对应的扇区面积s，对融合扇区范围内的每个激光点面积进行累加，即可得到该扇区的面积s
i
。4.根据权利要求3所述的一种基于环形施药结构的变量喷雾植株冠层体积计算方法，其特征在于：该扇区的面积s
i
：式中，s
i
为第i扇区的面积，单位为m2；l
ij
为第i扇区第j点激光雷达数据到靶标外层距离；r
ij
为第i扇区第j点激光雷达数据到树干边界的距离；θ为激光雷达的角度分辨率，根据扇形面积计算公式可求出各喷施区域对应的靶标面积。5.根据权利要求1所述的一种基于环形施药结构的变量喷雾植株冠层体积计算方法，其特征在于：所述步骤4具体包括：根据步骤3可在线计算植株冠层每帧激光数据所对应的各喷施区域的面积。为了匹配电磁阀的响应时间和提高靶标植株三维模型精度，采用累积法搭建靶标植株三维模型求体积：采取激光雷达连续扫描模式下的n帧数据作为一个喷雾单元；避免由于空隙而造成靶标漏检，取n帧数据中各喷施区域的最大面积作为该喷雾单元各喷施区域的面积：式中，t
电磁阀
为电磁阀的响应时间，t
lidar
为激光雷达一帧数据的扫描时间，ceil()为向上取整函数；为了求取最大的扇区面积，需要对每次检测得到的面积进行临时存储于数组中，当检测生成n个面积数组后，对n个面积数组的每一个喷施区域面积分别进行比较，取每个喷施区域的面积最大值最为喷雾单元中该区域的面积；每个横向分割的最小单元完成的所需时间为激光雷达一帧数据的扫描时间t
lidar
，喷雾机的速度为v，将n个横向分割的最小单元作为一个喷雾单元，可以计算出每块单元的宽度w，进而可得到植株冠层喷雾单元扇格体积：w＝n*t
lidar
*vv
i
＝n*t
lidar
*v*s
i
式中，n为一个喷雾单元的激光雷达扫描的次数，t
lidar
为激光雷达一帧数据的扫描时间，v为变量喷雾机行驶的速度，s
i
为一个喷雾单元内的各喷施区域的最大面积，v
i
为植株冠层喷雾单元扇格体积，对所有的扇格体积进行累加即可得到植株冠层的单侧体积。6.一种基于环形施药结构的变量喷雾控制系统，其特征在于：包括环形施药结构的变量喷雾单元、电源模块1、垂直方向扫描激光雷达2，水平方向扫描激光雷达3、嵌入式计算机4、速度传感器5、主控制器6；环形施药结构的变量喷雾单元中，变量喷雾作业前打开变量喷雾单元水箱开关9，药液从药箱8流过水箱开关9和过滤器10，通过机械泵11升压依次流向压力传感器15、半环形喷杆及其喷杆上排列设置的多个喷头16，喷杆的背面弯曲并将鼓风机17无接触包围；机械泵
11和压力传感器15之间依次设有减压阀12、泄流开关13；变量喷雾控制系统经过信息采集和信息处理后，嵌入式计算机4根据计算得到的植株冠层体积大小分别计算出每个变量喷雾电磁阀7所需的占空比大小，主控制器6根据指令对变量喷雾电磁阀7进行驱动，使药液从变量喷雾电磁阀7流出，通过鼓风机17将雾滴吹响靶标，在使用时观察压力传感器15输出压力，调节减压阀12，直至输出期望水压，减压阀12输出的回流流向药箱8，使用射流搅拌器14使药液混合均匀；电源模块1给上层处理的设备进行供电，嵌入式计算机4通过机器人操作系统ros分别对垂直方向扫描激光雷达2，水平方向扫描激光雷达3和速度传感器5进行数据采集，信息采集后，嵌入式计算机4作为信息处理单元对这些数据分别进行处理；水平扫描激光雷达3的数据经嵌入式计算机4聚类处理后可以得到植株中心和水平扫描激光雷达3的距离，经坐标换算后得到垂直方向扫描激光雷达和植株中心的距离，嵌入式计算机4结合三个传感器的信息，根据基于环形施药结构的变量喷雾植株冠层体积计算方法流程处理之后，得到植株冠层的体积大小，进一步计算可以分别得到每个喷嘴对应输出的流量以及电磁阀的占空比大小，生成的指令通过串口发送至主控制器6，主控制器6根据指令独立控制变量喷雾电磁阀7，从而实现变量喷雾功能。7.根据权利要求6所述的一种基于环形施药结构的变量喷雾控制系统，其特征在于：垂直方向扫描激光雷达2和水平方向扫描激光雷达3采用的是欧镭激光的lr-1bs2二维激光雷达；lr-1bs2激光雷达的有效工作角度范围是45
°
～315
°
，角度分辨率为0.225
°
，每个工作周期产生1200个有效距离数据点，范围是200～1400，当它的扫描频率为20hz时，其扫描周期为50ms，垂直方向扫描激光雷达安装在和鼓风机17处于同一水平线上，距离地面0.8米的位置，水平扫描激光雷达安装在垂直扫描激光雷达的正下方，距离地面0.6米,速度传感器5采用gps获取变量喷雾机的速度信息。

技术总结
本发明公开了一种基于环形施药结构的变量喷雾控制系统及其植株冠层体积计算方法，包括使用沿垂直/水平方向扫描安装方式的二维激光雷达实时获取变量喷雾机在果园环境运动过程中的点云数据，使用速度传感器获取变量喷雾机的速度信息；根据环形施药结构上喷嘴在圆弧的接点相互间隔角度进行喷施区域划分；通过设定阈值范围，对非邻间果树、天空和地面等干扰进行过滤，根据水平激光雷达获取树干距离信息与垂直激光雷达在阈值范围内的点云信息进行果树冠层扇区面积计算，结合速度传感器的信息以及垂直激光雷达的扫描周期计算冠层体积。本发明能够实现变量喷雾机在果园行进过程中对两侧果树冠层的体积计算，为变量喷雾施药决策提供依据。提供依据。提供依据。


技术研发人员：刘慧 陈锦明 沈跃 张璇
受保护的技术使用者：江苏大学
技术研发日：2021.11.11
技术公布日：2022/3/4