用于耕作的空中传感器和操纵平台及其使用方法与流程

用于耕作的空中传感器和操纵平台及其使用方法
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求享有于2021年1月29日提交的美国临时申请第63/143，684号的权益。上述美国临时申请的全部内容以由法律允许的最大程度通过引用并入本文。
技术领域
3.本公开总体涉及机械耕作，特别涉及自主计算机控制的机械空中传感器和操纵平台，其具有能够展开的感测和操纵端头，尤其是用于耕作或室内温室环境。本公开包括线缆机械，该线缆机械包括线缆定位的机械装置，其悬挂在一组线缆和相应的支撑结构上，并且更特别地包括农业领域中的机械，其具有一个或优选地多个可互换的感测和/或操纵装置。


背景技术：

4.在个体水平上或至少在仅几株植物的水平上照料植物有多种原因。例如，肥料或杀虫剂的使用可以减少到针对每株植物的最低必需水平；昂贵或脆弱的植物可以更成功地生长；对于有毒植物，可能需要在个体水平上跟踪生长以满足法律要求；并且在科学环境中，可以通过单独跟踪和调节针对每株植物的生长参数来更快地获得针对研究的结果。在大都市地区的建筑物中的几层高度上具有高度密集的植物的立式耕作可以受益于对个体植物或几株植物组的密切监测。
5.跟踪植物的生长可以手动完成。然而，在适于许多工厂的商业风格环境中，自动跟踪系统更有效。对于有毒或过敏植物，自动跟踪可能具有劳动安全优势。在使用人工智能(例如，深度学习)的环境中，对植物生长的自动单独跟踪可以实现必要的反馈回路。
6.已经提出无人空中飞行器作为用于单独跟踪植物生长以及在地面上移动的机械的装置。然而，无人机具有有限的用于操作的时间，并且在地面上移动的机械需要植物之间的路径。
7.在科学环境中，已经提出了类似于体育场中那些已知的线缆悬挂式相机系统。例如在农业中的计算机和电子(computers and electronics in agriculture)，第160卷，2019年5月，第71-81页中的文章“nu-蜘蛛摄像头：用于高级表型分析、遥感和农艺研究的大规模、电缆驱动、集成传感和机械系统(nu-spidercam:a large-scale,cable-driven,integrated sensing and robotic system for advanced phenotyping,remote sensing,and agronomic research)”描述了这样的系统。
8.us 10 369 693b1描述了用于控制和操作线缆悬挂式机械系统的系统、方法、装置和技术，线缆悬挂式机械系统也可用于牧场、果园或田地中的播种、施肥、灌溉、作物检查、家畜饲养或其他农业操作。
9.cn 111425733a描述了一种导线驱动的平行无人农业机械及其控制方法。该无人农业机械包括移动平台、支柱系统、缠绕系统、至少四根导线、超声波模块和控制系统。


技术实现要素：

10.本发明的目的是提供一种用于耕作的机械(robotic)传感器和操纵平台，其具有机械基座和能够从机械基座展开到植物生长区域中的命令位置和高度的机械感测和操纵端头(tip)。机械感测和操纵端头具有适于检测和监测植物健康和生长条件的各个方面的多个传感器，并且具有基于计算机的控制系统，其配置为分析所收集的传感器数据并将分析结果提供给农民或生产者。
11.监测作物田地或温室中的作物生长是一项关键的和有成效的任务，其可以从直接的人类实验室有效地解除拖累。本文提出的机械空中传感器和操纵平台中应用的新传感器和技术允许农民获得比过去他们所获得的水平高得多的关于他们的作物的数据和计算机分析。机械空中传感器和操纵平台包括空中移动的机械平台基座、感测和分析端头以及分析软件，其可以被配置为在植物生长区域中自主操作。农民或生产者可以实时查看收集的作物数据和分析。
12.空中传感器和操纵平台适于提供对作物生长的更详细的自主监测，特别是当能够展开的感测和操纵端头配置为更靠近植物或作物、移动到对于人类工作而言太小的空间中、并且获得问题区域，检测植物健康问题并解决问题时。空中传感器和操纵平台的植物喷洒装置端头可以应用于任务，诸如将水、肥料和农药自主靶向施用到目标植物上，特别是响应于传感器读数和由基于计算机的控制系统对传感器数据的编程分析。
13.灌溉和施肥作物和植物传统上使用大量的水，并且因此效率低下。所公开的发明公开了一种自主计算机控制的机械或机械空中传感器和操纵系统，其具有一个或多个多倍的能够展开的感测和操纵端头，提供机械引导的精确灌溉和肥料施用，以及其他事物，这可以通过仅针对特定植物并减少废物来减少废水。另外，空中机械传感器和操纵平台的感测和操纵端头适于在作物或植物行之间自主导航，并将喷洒和灌溉直接施加到每株植物的基部或目标叶子。
14.机械传感器和操纵平台具有能够接近人类和较大设备不能接近的植物和生长区域的优点。例如，谷物种植者面临植物生长太快而不能可靠地给它们施肥的问题。本发明解决了这个和其他问题，因为它容易在植物行和单株相邻植物之间移动，并且直接在目标植物的基部靶向氮肥，获取检测土壤以及水分和植物健康的传感器读数，施用水，去除受损的生长，汇总数据以确定植物健康，检测和解决昆虫侵染问题等。
15.另外，将杀虫剂和除草剂喷洒到大的植物生长区域上不仅浪费而且可能对环境严重有害。本文公开的机械传感器和操纵平台提供了一种更有效的微喷洒方法，并且可以显著减少植物生产和耕作中使用的除草剂的量。机械传感器和操纵平台利用计算机视觉和特征分析技术来检测杂草，并且然后将除草剂的靶向微喷洒喷洒到杂草上。
16.机械传感器和操纵平台提供各种可互换的传感器操纵端头，包括具有修剪或切割装置的端头。修剪对于农民或操作者来说是耗时且复杂的工作。基于计算机的控制系统及其算法收集和分析关于植物健康和状况的传感器数据，并且可以决定修剪哪种植物生长、保留哪种植物生长以及去除哪种植物生长。
17.本文公开了一种机械传感器和操纵平台，其配置为直接或间接地连接到空中支撑和定位系统上，并且沿着控制系统引导的路径在植物冠层之上或之内移动。机械传感器和操纵平台通常包括通过空中支撑和定位系统连接并且移动到命令位置的机械基座。该至少
一个感测和操纵端头能够在计算机实施的控制系统的控制下经由端头悬挂线缆或伸缩式可折叠管段从机械基座展开。该至少一个感测和操纵端头设置有从以下集合中选择的一个或多个传感器：拍摄图像的至少一个相机，检测到附近植物和物体的距离的至少一个距离传感器；检测环境空气温度的至少一个温度传感器，至少一个空气质量传感器，至少一个气流传感器，至少一个光强度和/或光谱传感器，检测感测和操纵端头相对于机械基座的旋转取向的至少一个端头取向检测装置，至少一个湿度传感器、至少一个co2传感器和/或至少一个荧光传感器、荧光滤光器或滤光块(filter cube)。机械传感器和操纵平台包括端头定位机构，该端头定位机构具有响应于来自控制系统的定位命令的马达驱动器，端头定位机构布置在机械基座上，支撑定位感测和操纵端头并将感测和操纵端头连接到机械基座。端头定位机构可操作以将感测和操纵端头移动到植物冠层上方或植物冠层中的命令位置。
18.在本发明公开的方面中，机械传感器和操纵平台还包括一个或多个操纵附件，其配置为能够拆卸地连接到操纵平台的感测和操纵端头。该一个或多个操纵附件可以包括以下中的至少一个：能够由控制系统操作用于修整、修剪或切割几何植物生长区域中植物的植物材料的切割装置，能够由控制系统操作以保持、抓握或稳定植物的某些区域同时获得进一步的测量值的处理装置，能够由控制系统操作并具有一个或多个定向喷洒喷嘴的喷洒装置，能够由控制系统操作以导出植物外表面下方的植物测量值(诸如植物汁液测量值)的至少一个针装置。
19.机械传感器和操纵平台可以包括由控制系统控制的可伸展臂，可伸展臂具有折叠臂部段或伸缩臂部段，使得各个操纵附件可以在控制系统的控制下选择性地和可拆卸地连接到可伸展臂。该一个或多个操纵附件优选地设置有前面论述的一个或多个传感器中的至少一个。
20.优选地，感测和操纵端头配置为无边缘的双椎体，以便平滑地滑入植物生长物而不会缠结或损害植物。
21.在本发明公开的一些方面，喷洒装置具有所述一个或多个定向喷洒喷嘴中的至少一个，定向喷洒喷嘴具有由控制系统控制的喷洒方向，以靶向对准植物生长区域内的植物或土壤区域。
22.优选地，所述一个或多个定向喷嘴被致动开启/关闭并控制喷洒方向，所述喷嘴优选地由所述控制系统单独地控制。
23.在本发明公开的另一方面，所述至少一个感测和操纵端头是多个不同的感测和操纵端头，其被配置用于不同的功能，还包括从以下集合中选择的至少一个感测和操纵端头：切割装置，其能够由所述控制系统操作以修整、修剪或切割在几何植物生长区域中的植物的植物材料；处理装置，其能够由所述控制系统操作以保持、抓握或稳定植物的某些区域，同时获得进一步的测量值；喷洒装置，所述喷洒装置能够由所述控制系统操作并且具有一个或多个定向喷洒喷嘴；至少一个针装置以导出植物外表面下方的植物测量值，其中所述至少一个针装置包括植物汁液测量装置和/或由所述控制系统控制的可伸展臂，所述可伸展臂具有折叠臂部段或伸缩臂部段。优选地，多个感测和操纵端头在控制系统的控制下单独选择性地附接并可拆卸地连接到机械传感器和操纵平台上。
24.在本发明公开的优选方面，喷洒装置的一个或多个定向喷洒喷嘴中的至少一个具有由控制系统控制的喷洒方向。甚至更优选的是，具有由控制系统单独致动和控制的一个
或多个定向喷洒喷嘴。优选地，喷嘴具有受控的喷洒开启、喷洒关闭和/或喷洒方向，优选地单独地受控。
25.在本发明公开的各个方面，机械传感器和操纵平台包括机械自清洁机构，该机械自清洁机构被配置为擦拭清洁或擦拭端头定位机构，诸如端头悬挂线缆或伸缩管段，同时感测和操纵端头在控制系统的控制下朝向机械基座向上驱动。
26.在本发明公开的一些方面，机械传感器和操纵平台设置有与控制系统通信的力检测传感器或视觉传感器，并且直接地检测或间接地推断施加在端头定位机构或机械传感器和操纵平台上的力，以便检测感测和操纵端头遇到的障碍物或在植物中的其他缠结或其他障碍物。
27.在本发明公开的优选方面，感测和操纵端头是或包括至少一个双椎体感测和操纵端头，其具有设置在双椎体感测和操纵端头的外壁中的弧形或半圆形观察/感测槽或窗口。该双椎体感测和操纵端头具有马达驱动的旋转盘，其能够旋转地安装在双椎体感测和操纵端头的内部中。所述旋转盘能够操作地联接到控制系统并由控制系统控制，以围绕旋转轴线旋转到由控制系统指令的位置。旋转盘布置在平面中并且具有与双椎体感测和操纵端头的观察/感测槽或窗口基本上对齐或邻近对齐的外圆周。一个或多个相机布置在旋转盘上并与旋转盘一致地旋转，以在控制系统的控制下将相机定位在沿着观察/感测槽的弧形长度的期望视点位置处，这在控制系统的控制下。在任何时间点，具有相机的旋转盘可以由控制系统旋转以暴露相机的镜头并在植物冠层周围或植物冠层内的位置中的控制系统命令的感兴趣视点处记录图像，诸如用于检测植物生长物中的昆虫侵染、疾病或伤害区域，以及确定用于传感器收集传感器测量值的感兴趣区域，还可以处理相机图像以映射植物生长区域和植物冠层，用于确定通过或围绕植物生长区域的接近路径，并评估到植物或障碍物的距离，或者推断定位系统中的线缆张力或松弛。
28.有利地，弧形或半圆形观察/感测槽或窗口优选地基本上布置在双椎体感测和操纵端头的下锥形部分中，使得双椎体感测和操纵端头的上锥形部分具有受保护的上部区域，该受保护的上部区域优选地基本上被封闭并且观察/感测槽或窗口不延伸到该受保护的上部区域中。在任何时间，控制系统可以使得旋转盘旋转以将(一个或多个)相机移动到受保护的上部区域中，使得(一个或多个)相机远离观察/感测槽或窗口定位，并且从而在双椎体壳体展开在植物冠层中或在植物冠层周围机械地移动时由双椎体壳体保护免受灰尘和刮擦。
29.在优选的方面，双椎体感测和操纵端头通过马达驱动的可旋转摇动接头(pan joint)能够旋转地联接到并且固定到端头定位机构，在控制系统的控制下旋转到命令位置。摇动接头能够操作地耦接到控制系统，由此控制该控制系统以使双椎体感测和操纵端头围绕端头定位机构的端头悬挂线缆或管状管段的轴线旋转，以使至少一个相机围绕端头悬挂线缆或管状伸缩管段的轴线获得受控的全360度视场。旋转盘还可以包括本文所论述的一个或多个传感器中的至少一个，其固定到旋转盘上并与旋转盘一致地旋转。
30.本文还公开了一种空中机械传感器和操纵系统，其具有机械传感器和操纵平台、双椎体感测和操纵端头以及在该发明内容部分中先前论述的其他特征。提供了一种控制系统(或基于计算机的控制系统)，其具有执行存储在非易失性数据存储器上的指令的一个或多个处理器，其中当由一个或多个处理器执行时，指令被配置为自主地操作空中机械传感
器和操纵系统，优选地独立于人类监督或动作。空中机械传感器和操纵系统包括空中支撑和定位系统，其体现为：多个空中平台定位线缆，连接到线缆绕线装置并由线缆绕线装置驱动，该线缆绕线装置连接到机械传感器和操纵平台并在植物生长区域上方或植物生长区域内支撑机械传感器和操纵平台。该空中支撑与定位系统具有响应于来自所述控制系统的命令的马达驱动的线缆绕线装置，该多个线缆绕线装置响应于来自所述控制系统的命令以能够控制地展开或缩回所述空中平台定位线缆的长度，从而在所述植物生长区域上方或上方或在所述植物生长区域内沿x和/或y和/或z方向移动所述机械传感器和操纵平台。多个线缆支撑点诸如设置在柱或壁上，每个线缆支撑点在优选地在植物冠顶上方的固定位置处固定到升高的支撑结构上。线缆支撑点通常在2d x-y中界定几何植物生长区域、至少机械传感器和操纵平台可接近的几何植物生长区域的外边界。
31.空中支撑和定位系统可以通过龙门式(gantry)空中x-y支撑和定位装置来实现，该龙门式空中x-y支撑和定位装置将机械传感器和操纵平台支撑和定位在植物生长区域上方，并且具有至少一个响应于来自控制系统的命令的驱动马达，以将机械传感器和操纵平台在植物生长区域上方沿x和/或y和/或z方向移动到命令位置。
32.优选地，支撑和定位所述机械传感器和操纵平台的所述多条空中平台定位线缆中的至少一条空中平台定位线缆具有外护套，所述外护套在其中承载和封装一条或多条电力导体、一条或多条网络或数据通信线缆，并且可包括一条或多条流体供应管，所有这些都被保护性地封装在所述至少一条空中平台定位线缆的内部内，以便与所述平台定位线缆一起从所述线缆绕线装置卷绕和退绕。以这种方式，封装的线缆和管被支撑在空中平台定位线缆内，并且被防止在周围环境中缠结。支撑来自机械传感器和操纵平台的机械感测和操纵端头的线缆优选地可以被类似地配置。
33.空中机械传感器和操纵系统还可以包括布置在几何植物生长区域的外边界内并位于植物冠层上方的搁置平台，例如在由柱或壁或其他升高结构支撑的凸起平台中。搁置平台可以保持并提供一个或多个操纵附件，所述操纵附件被配置为自主地连接到机械传感器和操纵平台并且从机械传感器和操纵平台可拆卸地连接。优选地，控制系统控制一个或多个操纵附件的可拆卸连接和断开，用于从搁置平台撤回并返回到搁置平台。在另一方面，空中机械传感器和操纵系统包括至少一个力检测传感器或视觉传感器，其与控制系统通信并检测施加在端头定位机构或机械传感器和操纵平台上的力，用于检测感测和操纵端头的遇到的障碍物或缠结。
34.至少一个距离传感器可以是检测到附近植物和物体的距离的激光雷达传感器。
35.最后，本发明的其它方面涉及使用空中传感器和操纵平台的方法，以用于检测产生问题的微气候(problematic microclimates)，并用于对平台调度以使其定期返回农田中的期望位置，以及用如本技术所述的空中传感器和操纵平台的一个或多个相机、传感器和/或其他成像器来监测虫子、害虫和昆虫。还提供了其他方法，用于通过如本技术所述的空中传感器和操纵平台的一个或多个相机、传感器和/或其他成像器来监测虫子、害虫和昆虫。
附图说明
36.附图用于进一步图示根据本发明的各种实施例并解释各种原理和优点，其中在各
个视图中相同的附图标记表示相同或功能相似的元件，并且附图与下面的详细描述一起并入说明书并形成说明书的一部分。
37.被认为是新颖的本发明的特征在附图中阐述，并且更具体地在所附权利要求中阐述。结合附图，参考以下描述可以最好地理解本发明及其进一步的目的和优点。附图示出了目前优选的本发明的形式；然而，本发明不限于附图中所示的精确布置。
38.图1示出了与本发明公开一致的空中机械传感器和操纵系统的示意图，所述空中机械传感器和操纵系统安装在植物生长区域(诸如农田的一部分)上方并管理植物生长区域的植物生长健康，或者布置在植物生长结构(例如温室)的内部；
39.为了更好地理解，图1a示出了与本发明公开一致的感测和操纵端头的优选外轮廓，其具有基本上光滑的双椎体状主体，没有边缘，并且成形为平滑地穿过植物生长物或格架而不会缠结或损坏植物。为了理解，感测和操纵端头被描绘在植物冠层下方，管理葡萄园中葡萄藤的生长环境和健康；
40.图2描绘了与本发明公开一致的、图1的机械传感器和操纵平台的放大视图，描绘了从机械基座展开并且支撑地连接到被管理的植物生长区域上方的一个或多个空中平台定位线缆的感测和操纵端头；
41.图3描绘了与本发明公开一致的的本发明的优选方面，其中空中平台定位线缆中的至少一个封装电力导体、传感器信号线、数据线和/或网络线缆以及流体供应管线，所有这些都被封装在空中平台定位线缆的内部中；
42.图4描绘了与本发明公开一致的图2的感测和操纵端头的喷洒端头的变型，包括用于将处理物喷洒到生长区域中的植物上或灌溉生长区域中的植物的多个喷洒喷嘴；
43.图5是机械基座和传感器操纵端头的示意图，所述传感器操纵端头通过端头悬挂线缆或管状管段能够展开地和支撑地连接到机械基座；
44.图6、图7a和图7b提供了本发明的优选方面的示意图，其中感测和操纵端头包括具有一个或多个传感器的旋转盘，并且通常与感测和操纵端头的观察/感测槽或窗口对齐；以及
45.图8是示意图，其中空中支撑和定位系统包括在空中支撑和定位机械传感器和操纵平台的龙门式空中支撑和定位装置，例如支撑和定位在植物生长区域上方；以及
46.图9是流程图，其说明了空中传感器和操纵平台用于检测有问题的小气候并且定期返回植物生长区域中的期望位置的过程；
47.图10是流程图，其说明了使用如在本文所述的空中传感器和操纵平台中使用的一个或多个相机、传感器和/或其他成像器检测虫子、害虫和昆虫的过程。
48.本领域技术人员将领会到的是，附图中的元件是为了简单和清楚而示出的，并且不一定按比例绘制。例如，图中的一些元件的尺寸可能相对于其他元件被夸大，以有助于提高对本发明的实施例的理解。
具体实施方式
49.在详细描述根据本发明的实施例之前，应当注意，实施例主要在于与用于耕作的具有可更换的能够展开感测端头的自主计算机控制的机械空中传感器和操纵平台相关的方法步骤和设备部件的组合。因此，在适当的情况下，已经通过附图中的常规符号表示了设
备部件，仅示出了与理解本发明的实施例相关的那些具体细节，以免由于受益于本文描述的本领域普通技术人员将容易地显而易见到的细节而模糊本公开。
50.在本文档中，诸如第一和第二、顶部和底部等的关系术语可以仅用于将一个实体或动作与另一个实体或动作区分开，而不一定要求或暗示这些实体或动作之间的任何实际的这种关系或顺序。术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”或其任何其他变型旨在涵盖非排他性包含，使得包括一系列要素的过程、方法、物品或设备不仅包括那些要素，而且可以包括未明确列出的或这种过程、方法、物品或设备固有的其他要素。在没有更多限制的情况下，前面有“包括
……
一”的要素排除在包括要素的过程、方法、物品或设备中存在另外的相同元件。
51.图1和图2描绘了安装在植物生长区域40(图1)上方并能够操作以监测和管理植物生长环境和植物健康的空中机械传感器和操纵系统52的示意图。图1的图示应理解为表示室外生长区域，诸如农作物生产田地的一部分，或者布置在植物生长结构(例如温室)的内部内。
52.图2提供了图1的机械基座14的放大视图，所述机械基座14通过四个空中平台定位线缆12悬挂在空中，并且设置有双椎形感测和操纵端头16，所述双椎形感测和操纵端头16展开在机械传感器和操纵平台10下方，悬挂在端头悬挂线缆56或来自机械基座14的伸缩管段上。在图1和图2中示出了空中机械传感器和操纵系统52，其布置在植物生长区域40上方。
53.多个线缆支撑点38各自牢固地固定到位于植物生长区域40四个角落附近并且位于植物生长区域40的植物冠层上方的升高的支撑结构54上。多个线缆支撑点38远离植物生长区域40的外边界42向外布置为足够的距离，使得机械传感器和操纵平台10到达植物生长区域40的所有部分。线缆支撑点38各自设置有线缆绕线装置36，并且在该图示中，线缆绕线装置36被示出为布置在升高的支撑结构54上。在图1中，升高的支撑结构被示出为围绕植物生长区域40的角落布置的竖直杆、柱或建造壁。有利地，线缆绕线装置36响应于来自控制系统32的定位命令，以实现来自线缆绕线装置36的一定长度的平台定位线缆12的受控卷绕或退绕(despooling)，以便沿着期望路径将机械基座14移动和重新定位到植物生长区域40上方的期望位置。
54.线缆支撑点38布置在几何植物生长区域的2d x-y外边界40处或从其向外布置。
55.线缆绕线装置36优选地包括与控制系统32通信的编码器，编码器改变所展开的线缆长度，使得控制系统可以协调四个线缆绕线装置的卷绕和退绕，以实现空中平台定位线缆的期望行进路径、机械基座升高和线缆张紧。
56.在图1和图2中，每个平台定位的线缆12具有附接到机械基座上的端部(每个角落一个)，并且由线缆绕线装置36张紧，使得机械基座12通过线缆绕线装置36的线缆卷筒的命令的卷绕和退绕运动而被支撑在植物冠层22上方的命令的高度处。
57.如可以容易地领会到的那样，控制系统协调的每个线缆绕线装置36的卷绕和退绕运动必须由控制系统32协调，以成功地将机械基座14沿着植物冠层22上方的期望路径移动到命令的位置和高度。
58.端头定位机构20布置在机械基座中，并且响应于来自控制系统的命令以将感测和操纵端头16展开在机械基座14下方的控制系统命令位置处。
59.端头定位机构20可以被实施为将机械基座14支撑地连接到感测和操纵端头16的
线缆，或者可选地可以被实施为多个管状伸缩管段50，所述管状伸缩管段50从彼此延伸或收折到彼此中，管状管段可缩回到彼此中，以便调节管状伸缩管段的总长度，从而将感测和操纵端头16展开在机械基座14下方的控制系统命令的位置处。
60.如图1a中所见，感测和操纵端头16优选地具有平滑的双椎形主体，或者可以具有滴状的主体。通常，滴状的主体类似于双椎体，但具有成形为球体下半部的主体的下半部或下部，例如，形成一定程度上类似于水滴的形状，该主体具有没有边缘的外表面，该外表面成形为平滑地穿过植物生长物或格架而不会缠结或损坏植物。如图1a所示，感测和操纵端头16在机械基座12下方在由控制系统32控制的高度处展开，并且支撑在可缩回、可伸展的端头悬挂线缆56上。
61.如图2中所见，平台基座10优选地具有平滑圆形(优选地避免尖锐部0的外表面。平台定位线缆12固定地连接到平台基座10的相应角落，并且由线缆绕线装置36张紧，以将平台基座10支撑在期望的高度处，并将平台基座10沿着命令的路径移动到植物生长区域40上方的命令的位置。
62.图3示意性地示出了空中平台定位线缆12的优选构造的横截面，其中传感器信号线、数据线和/或网络线缆60以及至少一个流体供应管线58被封装在空中平台定位线缆12的内部中。以这种方式，流体供应线、信号线等嵌入在电缆的内部内，并且不会悬浮在空气中以变得缠结在植物生长区域40的生长植物中并可能损坏植物生长区域40的生长植物。
63.图4示意性地描绘了作为图2的感测和操纵端头16的有利变型的喷洒装置端头26，在这种情况下，喷洒装置端头26具有多个喷洒喷嘴26，所述喷洒喷嘴26被配置用于在生长区域中喷洒处理或灌溉植物。在本发明的一些方面，喷洒喷嘴26由控制系统单独地控制开启/关闭或可选地节流，以产生受控的喷洒模式并将其靶向到期望的位置和期望的方向上，例如，靶向到植物叶的下侧上或在植物基部或植物根部处。喷洒喷嘴与一个或多个流体喷洒管线58流体连通，以递送杀虫剂、营养物、水和/或肥料，仅举几个示例。图4进一步示出了感测和操纵端头可以可选地被配置为具有没有边缘的其他平滑外部形状，从而形成变型的双椎体或滴状主体。在图4中，滴状主体是具有部分椭圆形或抛物线形横截面的平滑的基本上半球形或抛物线形的底部部段，其设置在喷洒装置端头26的底部上。
64.图5是机械基座14和传感器操纵端头16的示意图，所述传感器操纵端头16通过端头悬挂线缆或管状管段56能够展开地连接到机械基座14。传感器操纵端头16的基部部分可以包括与控制系统32通信的光距离和测距(lidar)距离传感器48，控制系统32包括机械平台驻留控制系统32a，其与具有或包括计算机控制系统32b的“计算盒”通信并协作地交互。计算机控制系统32b优选地与互联网云服务通信，执行进一步的数据分析、报告和数据存储以及与农民和/或温室操作者的通信。
65.图6、图7a和图7b提供了本发明的优选方面的示意图，其中感测和操纵端头16包括旋转盘94，该旋转盘94具有一个或多个传感器并且通常与延伸穿过双椎体感测和操纵端头16的外壳的壁的观察/感测槽或窗口100对齐。
66.如图6、图7a和图7b中所示，在本发明的一个优选方面中，感测和操纵端头包括能够旋转地安装在感测和操纵端头16内部的旋转盘94。旋转盘94可操作地耦合到基于计算机的控制系统32并且被控制以围绕旋转轴线98旋转到由基于计算机的控制系统32命令的位置。通常与旋转盘94对齐的是设置在感测和操纵端头16中的弧形的、优选半圆形的观察/感
测槽或窗口100。
67.用于捕获图像的一个或多个相机72布置在旋转盘94上并与旋转盘94一致地旋转，以将相机72和镜头104沿着观察/感测槽的长度定位在期望的视点位置处。在任何时间点，具有一个或多个相机72的旋转盘94可以旋转以暴露镜头104，并从植物冠层22上方、周围或内部的相应感兴趣的视点记录图像。
68.有利地，在任何时间点，例如当感测和操纵端头16下降到植物冠层22中时，基于计算机的控制系统32可以旋转旋转盘94以将相机72移动到受保护的上部区域102中，使得相机远离观察/感测槽或窗口100定位。以这种方式，当相机72展开在植物冠层22中或在植物冠层22周围机械移动时，可以保护相机72免受灰尘和刮擦。
69.如前所论述的那样，双椎体感测和操纵端头16可以通过摇动接头92能够旋转地联接到端头悬挂线缆或管状伸缩管段56。摇动接头92可操作地联接到基于计算机的控制系统32，并被控制以使感测和操纵端头16围绕端头悬挂线缆或管状伸缩管段56的轴线旋转。以这种方式，感测和操纵端头16可以旋转以实现围绕端头悬挂线缆或管状伸缩管段56的轴线的全360度视场。
70.有利地，旋转盘94还可以在其上布置有本文或下文所论述的任何一种或多种传感器96(示意性地示出)，例如：例如一个或多个距离传感器或一个或多个激光雷达传感器48、一个或多个空气流量传感器78、空气质量传感器80、一个或多个光强度和/或光谱传感器82、湿度传感器106、一个或多个co2传感器76、荧光传感器90，或本领域技术人员已知的其它传感器。传感器96可以布置在旋转盘94上的任何各种位置处。
71.如前所论述的那样，重要的是要注意，传感器中的任何一个或多个可以替代地或另外地布置在感测或操纵端头16的壳体内或壳体上，而不是布置在旋转盘94上。
72.图8是一个示意图，其中机械传感器和操纵平台10的空中支撑和定位系统被实施为一个龙门式空中支撑和定位装置110，在空中将机械传感器和操纵平台10支撑和定位在植物生长区域上方。龙门式空中支撑和定位装置110具有多个纵向轨道112，桥接构件116被配置为在纵向轨道112上移动以在纵向方向118上沿着纵向轨道112控制系统命令的位置。纵向轨道112和/或桥接构件116设置有响应于来自基于计算机的控制系统的命令的至少一个马达驱动器，以在纵向轨道112上在纵向方向118上移动和定位桥接构件116。机械传感器和操纵平台10的机械基座14连接到桥接构件116并支撑在桥接构件116上。桥接构件116包括响应于来自基于计算机的控制系统的命令的马达驱动器，以将机械基座14在横向方向120上移动/重新定位到沿着桥接构件116的命令位置。如前所论述的那样，机械基座14的端头定位机构20响应于来自基于计算机的控制系统的命令，以在竖直或z方向122上将感测和操纵端头16移动到植物生长区域上方或植物生长区域内的命令位置。
73.激光雷达传感器48是利用从快速射出的激光发射的脉冲光能的扫描仪。光行进到地面、植物叶子或其他障碍物，并从诸如树枝、叶子等物体反射。然后反射光能返回到激光雷达传感器，在那里它被基于计算机的控制系统32检测和处理，以确定从传感器操纵端头16到相邻物体或障碍物的距离。激光雷达传感器或扫描仪可以通过监测光脉冲反弹回来花费多长时间来确定其自身与物体之间的距离。除了使用红外光而不是无线电波之外，该概念类似于雷达。虽然雷达被设计为跨更大的距离使用，但是由于光被其路径中的物体吸收的方式，激光雷达通常在更短的距离上工作。通过每秒发送例如数十万个光脉冲，激光雷达
传感器或扫描仪可以有利地在植物生长区域中的相对小的距离上以相对精度确定距离和物体尺寸。
74.作为激光雷达距离传感器的替代或补充，可以使用飞行时间多区测距传感器。
75.传感器操纵端头16优选地包括一个或多个温度传感器66，特别是用于感测几何植物生长区域40内的空气温度和温度变化，检测跨植物生长区域40的温度如何变化的2d或3d轮廓，使得控制系统32可以调节植物生长区域40上方或周围的空气冷却或空气加热单元的温度。例如，标准工业类型的红外阵列可以用作温度传感器，允许不仅用于测量环境温度，而且用于测量植物的温度，以及甚至测量植物上的温度分布。
76.传感器操纵端头16优选地包括拍摄图像的一个或多个相机，并且还可以用作距离传感器，例如通过测量图像的焦距的变化，或者相机可以被实施为拍摄立体图像，可以通过三角测量方法从立体图像计算距离。作为可以实现的非限制性示例：arducam
tm 12mp或luxoni s oak-1-pcba tm
的一个或更多个相机可以包括在传感器操纵端头16中。相机可以集成在例如pcb上，其中芯片直接在板上执行ai模块。相机可以配备有用于距离测量的自动聚焦系统。
77.机械基座14和/或机械传感器和操纵端头16优选地包括一个或多个高光谱传感器74。高光谱传感器是使用电磁波谱的宽部分记录图像的装置。这些传感器捕获多个片段或光谱带中的图像，每个片段或光谱带表示光谱的一部分。然后可以组合这些光谱带以形成三维合成图像。所得图像或高光谱立方体为构成扫描区域的植物材料或矿物质的确定性深层分析提供数据。已知高光谱成像是农作物监测应用和矿物学领域中的有价值的诊断工具。高光谱传感器可以与控制系统32一起应用以创建图像和预测报告，这可以协助早期检测植物疾病爆发和整体植物健康。高光谱传感器也可以与控制系统32一起应用，以测量和确定直立作物中的营养水平和周围土壤中水的水平。
78.机械基座14和/或机械传感器和操纵端头16可以包括一个或多个co2传感器，用于检测植物生长区域40中环境空气中的二氧化碳水平。例如可以使用co2传感器，诸如像sensirions scd4x tm
或用于co2和温度和/或湿度的组合传感器，如sensirions scd30 tm
。
79.机械基座14和/或机械传感器和操纵端头16可以包括一个或多个气流传感器78，用于检测植物生长区域40中的气流速度和/或方向。例如，可以使用热线风速计，特别是在室内环境中，并且可以使用旋杯风速计，特别是在室外环境中。
80.机械基座14和/或机械传感器和操纵端头16可以包括一个或多个空气质量传感器80，例如：颗粒传感器(pm 2.5、pm 5)、tvoc(总挥发性有机化合物)传感器、湿度传感器、臭氧传感器和co2传感器(如上所述)，以及如本领域技术人员将获知的其它空气质量传感器。这种传感器的示例是bosch tm bme 680，其可以测量湿度、气压、温度，并且另外它包含mox传感器。加热的金属氧化物基于空气中的挥发性有机化合物(voc)改变电阻，因此它可以用于检测气体和醇类，诸如乙醇、酒精和一氧化碳，并进行空气质量测量。
81.机械基座14和/或机械传感器和操纵端头16可以包括光强度和光谱传感器82。这种传感器可以是高度专用的(扩展的)光合有效辐射传感器，或者更确切地说是标准传感器，例如像adafruit
tm rgb颜色传感器tcs 34725或多通道光谱颜色传感器。对于一些应用，捕获组合可见光、近红外和中红外的全光谱的一个或多个传感器可能是有利的。
82.机械基座14和/或机械传感器和操纵端头16可包括摇动倾斜相机单元84，优选地
可在两个方向上自由旋转360度或180度。
83.机械基座14优选地包括空气加压机构86，例如空气压缩机装置。空气加压机构86响应于来自控制系统32的命令，以根据命令对端头悬挂线缆56中的内部通道加压，从而加强线缆以防止挠曲，从而在位置上稳定机械传感器和操纵端头16以防止相对于机械基座14的摆动或偏转。当喷洒或修剪植物时，这可能是特别重要的。
84.机械基座14和/或机械传感器和操纵端头16的摇动/倾斜相机单元84和其他相机能够由控制系统32操作，作为检测机械传感器和操纵端头16的不期望的摆动或移动的另一装置，以便启动空气加压机构86。
85.机械基座14和/或机械传感器和操纵端头16可以优选地包括至少一个端头取向检测装置88，用于检测机械传感器和操纵端头16相对于机械基座14的旋转取向。机械传感器和操纵端头16相对于机械基座14的旋转取向也可以由机械基座14的摇动倾斜相机84检测。
86.机械基座14和/或机械传感器和操纵端头16可以优选地包括至少一个运动传感器108，例如组合的加速度计、精确的闭环三轴陀螺仪、如例如从智能电话已知的三轴地磁传感器。
87.机械传感器和操纵端头16优选地可以包括至少一个荧光传感器90，其可操作以研究叶绿素并测量溶解氧浓度。至少一个荧光传感器90检测叶绿素荧光(cf)数据并与控制系统32通信，以提供对植物健康和作物光合作用的重要理解。在一些实施例中，至少一个荧光传感器90在叶绿素荧光发射光谱上以高分辨率收集图像数据，优选地从670nm至780nm，优选地允许测量“氧-a”和“氧-b”带两者以更准确地洞察植物光合作用过程。至少一个荧光传感器90优选地可围绕机械传感器和操纵端头16以高达360度旋转。
88.机械基座14的端头定位机构20可以包括力检测传感器30，其与控制系统32通信并检测施加在端头定位机构20、端头悬挂线缆56或机械传感器和操纵端头16上的力，用于检测机械感测和操纵端头16遇到的障碍物或缠结。在一些实施例中，力检测传感器30可以是马达电流传感器，其检测指示缠结的端头定位机构20的马达电流消耗的变化或增加。
89.本领域技术人员将认识到，本文所述的所有传感器与基于计算机的控制系统32通信，向控制系统32提供传感器数据，用于植物健康分析、植物生长区域的3d模型生成、植物生长区域的3d拓扑生成，并且使得机械基座14和机械传感器和操纵端头16能够自主、自动化操作，以及计算盒/计算机控制系统32b和云提供的服务的报告功能。
90.图9是流程图，其说明了由空中传感器和操纵平台使用的、用于使得待调度的空中传感器和操纵平台定期返回植物生长区域中的期望位置以检测有问题的微气候的各种过程。方法200包括，但不限于，在一些预定时间段内对在植物生长区域内的一个或多个微气候的检测步骤201。本领域的技术人员会认识到，微气候是指一个非常小的或受限制的区域的气候，特别是当与周围的气候不同时。这是首先对植物冠层空间进行粗略采样203并且在所有测量位置处编制(compilating)和/或收集205的这些测量值来完成的。
91.气候超过各种预定标准，例如温度、湿度和光照强度，或者变化率超过预定标准的关键区域被确定207。例如，可以以预定的时间间隔(例如一天)多次测量植物生长区域中的预定标准，从而可以确定植物生长区域中具有高波动性的标准的区域。一旦确定，将通过采集额外的子样本对关键区域进一步测量209，以便可以确定更多的信息和更具体或“更密集(denser)”的地理区域。子样本和编制的结果数据用于生成和计算当前(local)环境的热图
211。该地图然后能够被空中传感器和操纵平台使用，使其能够以更频繁的间隔返回例如在温度、湿度和光强度上具有较大或较快变化的区域213。每次访问后，热图能够用新的数据更新。因此，可以安排空中传感器和操纵平台访问这些微气候位置以进行额外的访问，从而提供新的或额外的水、肥料和/或杀虫剂的应用。
92.图10是流程图，其说明了使用如本技术所述的空中传感器和操纵平台中所使用的一个或多个相机、传感器和/或其他成像器来检测虫子、害虫和昆虫的过程。害虫检测方法300包括植物冠层中的害虫的检查步骤302。编制要检查的各个位置303以确定到该位置的路径305。如果目标位置是在冠层上方，则传感器移动到该位置323并且相机指向期望的方向325。如果害虫存在，为了进一步的操纵，则可以识别并且报告它们的数量和类型327。
93.在目标位置不在冠层上方的情况下307，计算目标位置上方的新位置309。空中传感器和操纵平台被移动到新的目标位置，并且传感器被用于检测任何阻碍或障碍物313。如果该位置不可到达315，则对传感器的测量进行评估317，以确定是否存在任何可用的自用空间。如果没有替代方案，则这个过程就会重新开始，其中计算出通往下一个位置的路径305。如果替代方案可用，则传感器被移动到该位置311并且该过程继续。
94.当位置被确定为能够达到315，则传感器平台可以被移动和/或降低到位置321。此后，将相机、传感器或其他成像装置指向所要求的方向，并捕获图像325。然后可以确定是否存在害虫327。如果没有害虫存在，则计算出下一个位置，然后过程继续。然而，如果有害虫存在，那么可以报告害虫的存在、数量和类型，以便应用杀虫剂或采取其他进一步动作。
95.因此，本发明的各个方面涉及一种机械传感器和操纵平台以及使用方法，其配置为直接或间接连接到空中支撑和定位系统。该平台包括连接到空中支撑和定位系统并且由其移动到命令位置的机械基座，以及能够从机械基座展开的至少一个感测和操纵端头，包括用于成像和检测气候数据和参数的一个或多个传感器。马达驱动的端头定位机构响应来自控制系统地定位命令。端头定位机构布置在机械基座上并且将感测和操纵端头连接到机械基座，并且能够操作以将感测和操纵端头移动到植物冠层上方或植物冠层中的期望位置。
96.在前面的说明书中，已经描述了本发明的特定实施例。然而，本领域普通技术人员领会到的是，在不脱离如所附权利要求中阐述的本发明的范围的情况下，可以进行各种修改和改变。因此，说明书和附图被认为是说明性的而不是限制性的，并且所有这些修改旨在被包括在本发明的范围内。益处、优点、问题的解决方案以及可能导致任何益处、优点或解决方案发生或变得更明显的任何要素不应被解释为任何或所有权利要求的特定的、必需的或必要的特征或元件。本发明仅由所附权利要求限定，所附权利要求包括在本技术未决期间进行的任何修改以及所发布的那些权利要求的所有等同物。