一种可实时探测作物冠层孔隙结构及病虫害分布的无人地面自动对靶施药车

本发明涉及喷药喷药车，具体涉及一种自动化无人喷药车。

背景技术：

1、随着农业现代化的推进，落后的农业生产现状急需改善，农业生产的智能化与自动化平迫在眉睫。目前的无人喷药车大多采用喷药管进行喷药，这种喷施方式不仅导致农药严重浪费，更加剧了环境的污染。现有喷药车智能化水平还有待提高，大部分还需要人工进行操作监督。此外，无人车的维护和管理也需要一定的人力和物力，它们的制造成本和维修成本也相对较高。还有部分施药工作借助于无人机进行，但是由于辣椒等灌木类作物的郁闭度较高，无人机喷施的药液雾滴穿透性不足，同时，无人机产生的旋翼风场极大地促进了药物“风飘”现象，造成农药飘逸，对环境造成了严重影响。

2、本产品使用机械臂靶向喷雾，不仅能够对辣椒等植物的病害位置进行精准识别，还能有效减少农药的浪费与漂移；通过搭载摄像头与多种传感器，实现喷药过程实时反馈，主动调节合适的主副机械臂角度，从而实现较为准确的靶向喷施；可以实现自主路径规划，可以将工作场景实时传输给手机端，实现人工远程监督；同时能够通过esp8266 wifi模块建立物联网托管数据库，并通过微信小程序进行数据实时共享，主要的监控参数包括药箱剩余药物量、小车实时位置、土地环境参数等，以便于更好地保证小车工作的顺利进行。

3、虽然目前市场上虽然已有部分同类产品，但技术水平与性能各异。当前的无人施药机械大体上分为无人机施药与无人车施药。无人机喷药虽然具有高效、节省人力物力资源和远程操作方便的优点，但也存在一些不容忽视的缺点：

4、(一)喷药受限于其载药量和续航能力，大面积农田的喷洒作业效率较低；

5、(二)无人机操作需要较高的的技术水平和操作经验，操作不当具有一定的危险性；

6、(三)无人机喷药对辣椒等灌木类作物底部覆盖程度较低，造成农药利用率较低；

7、(四)无人机喷药的成本相对较高，对于经济条件有限的独立农户来说是不小的负担；

8、(五)易出现农药“风飘”现象，造成环境污染和对其他植株造成损害，靶向性不足。

9、另外，目前市场上的无人车喷药大多采用粗放式方法进行喷药，会造成农药大幅浪费和“风飘”现象。同时无人车喷药系统对于农药的选择和使用剂量有较高的要求，操作不当，将会造成环境污染或作物药害。由于技术尚不完善，无人车在识别目标作物和避免对非目标区域喷药方面仍存在挑战，可能引发误喷或漏喷的问题。

10、因而，符合国家对新时代背景下节约资源保护环境、针对于新型智慧农业治理的高效智能施药产品需求日盛，本发明专利应运而生。

技术实现思路

1、本发明专利的目的在于克服上述自动化施药产品存在的诸如智能化不足、适应范围窄、推广成本高、空中作业续航问题突出和穿透性不足等问题，它具有以下特点：

2、(一)在智能化方面，本发明专利采用了较为廉价的stm32f4系列的单片机作为小车的主要控制系统，同时使用多个超声波传感器(距离传感器)作为辣椒植株形态的主要探测传感器，另外为了提高监测准确度，还搭载了基于树莓派4b的鱼眼相机进行机械视觉分析，分别用来检测辣椒植株的种植范围、冠层紧密度、冠层大小和田垄的行进方向，并反馈给控制板调节机械臂姿态、控制小车自主工作；

3、(二)在适用性方面，本发明专利对主机械臂采用了三舵机结构的二自由度手臂仿形设计，通过控制舵机角度可以实现主机械臂调节适应不同的植株冠层形态，另外我们采用了万向节连接车轮，形成了-15°的车轮外倾角，小车在田垄上行走时使车轮与田垄实现最大接触面积，在保证小车工作动力输出的同时也减小了工作过程的行进阻力，保障了小车垄间行进能力；

4、(三)在应用推广方面，本发明专利的设计也考虑到了使用过程中的人性化设计需求，首先，小车的不同操纵指令均实现了控制器与物联网服务的可视化设计，除了小车自带的控制器，使用者也可以通过电脑或者手机小程序app等的远程控制，其次，小车的工作参数都经物联网设备实时传送至远程服务器，可以实现实时的数据检测，另外，小车的主体机械臂结构实现了通讯接口的标准化、控制程序的独立化和主体结构的模块化，在进一步降低推广使用成本的同时也更保障了维护的简易性；

5、(四)在工作续航方面，本发明专利的任务定位为陆地作业喷施，在储药量方面可以不像无人机一样要考虑作业上升力的影响，可以有效增加储药箱的盛药量，另外，小车的主要工作系统可以实现与小车底盘的分离，在小车升级换代的过程中也可以增强小车的动力系统，比如换装汽油机或小型柴油机以保障小车输出功率和工作效率。

6、(五)在穿透性方面，本发明专利的主机械臂使用了三舵机结构，可以更好地保证机械臂姿态的高度仿形性，在调节的过程中可以针对不同作物形态做出相应的喷头定位点和喷施角度；此外，本发明专利在升降平台下方加装了副机械臂，同时在副机械臂下方加装电动推杆，可以调节副机械臂伸出长度，以更好地实现对植株叶背的喷施；与此同时，在实际工作过程中，副机械臂与主机械臂可以联动共同作业，使喷雾形成一个“防护罩”覆盖整个冠层，实现对植株的全覆盖，直达作物害虫的天灵盖。

7、本发明的目的通过以下技术方案实现：

8、一种无人地面自动对靶施药车，包括孔隙分布探测系统、对靶控制系统、喷施系统、动力系统和人机交互界面设计。

9、所述孔隙分布探测系统包括信息收集模块和机载处理器。所述信息收集模块包括用于获取作物图像信息的鱼眼相机、测量植株与小车之间距离的超声波传感器、监测植株表面特征的光学传感器和获取作物定理信息的北斗定位模块和获取植株三维点云信息的激光雷达；所述机载处理器用于处理信息收集模块获取的农业信息数据，然后通过空间统计学算法建立植株分布图模型；所述农业信息数据包括病虫害位置及程度、垄间距、垄长、植株高度和植株生长周期等；

10、所述对靶控制系统包括机械臂模块和机载控制模块；所述机械臂模块包括用于驱动其合理运行的驱动舵机和支持机械臂机构的底座、滚针轴承和上下臂；所述机载控制模块用于接收机载处理器得到的植株分布图模型，根据逻辑回归算法、空间回归算法等计算出相应的时间信号、舵机pwm信号、水泵电压信号，将其一边传输给人机交互界面，一边传输给喷施系统和动力系统进行有效作业。

11、所述喷施系统包括升降平台、药箱、水泵、管道系统、喷头、防飘罩和电磁阀门。所述升降平台与机械臂配合可以完成不同高度下的喷施工作；所述药箱装有带孔隔板，可以减少小车行走时晃动导致的车体行走不稳、农药喷洒不均匀，隔板之间均有空隙可以使农药混合更均匀，且药箱内包含实时监测药物水位高低的水位传感器、实时监测药物流速和流量的流速传感器等，这些数据会实时反馈到人机交互界面中；所述喷头设置在主机械臂、副机械臂的顶部，还包括监测喷头与植株距里的激光雷达传感器，该传感器与机载控制模块电连接；所述防飘罩采用上宽下窄的棱台式结构，首创性的安置在无人车上面，可以与副机械臂有效配合，减少农药漂移浪费；所述电磁阀门用于控制喷头喷量，设置在喷管上，与所述机载控制模块电连接。

12、所述动力系统主要由转向调节系统和执行作业前进系统及后退系统组成，所述转向调节系统包括齿条、滑轮、连杆以及车轮支架，由步进电机驱动；所述执行作业前进系统及后退系统包括四个外八状放置的车轮，由直流有刷电机驱动。

13、所述人机交互界面主要包括实时监控界面和远程监控界面。所述实时监控界面包括设备参数监测、药物管理、病虫害监测、植株状态监测设备参数监测则集中于实时数据和历史分析；药物管理界面包括记录表单、历史记录查看和使用建议；病虫害监测呈现上传、识别结果和预警提示；植株状态监测显示图像、成熟度分析和管理建议；所述远程控制界面主要用于突发情况下小车的紧急停止。

14、所述孔隙探测系统包括以下步骤：

15、通过小车的信息收集模块对作业区域的农业信息数据进行采集，所述农业信息数据包括病虫害位置及程度、垄间距、垄长、植株高度和植株生长周期等；

16、通过机载处理器对病虫害位置及程度进行处理，得到病虫害分布图；结合鱼眼相机获得的图像信息和激光雷达获得的三维点云信息，得到孔隙分布情况以及植株具体位置；

17、结合空间统计学算法，根据病虫害分布图线性处理后得到病虫害理想网格处方图，将植株具体位置线性处理后得到植株理想网格处方图，二者一起传输给机载控制模块；

18、机载控制模块得到每个网格的病虫害位置与程度、植株具体位置，确定出合理的路径规划，生成相应的工作指令传输给机械臂模块、喷施系统和动力系统，指导其完成对靶动作、喷施任务和行走工作；

19、所述机载控制模块设有存储器，所述存储器用于存储信息收集模块所获取的数据，主要是根据农业信息数据建立的植株分布图模型；这样，一方面可以用于喷施后对此次喷药工作做出全方位和多角度评价，另一方面若控制系统内设置有专门的优化喷施算法，可以用于优化下一次喷施。

20、进一步，考虑到孔隙分布情况，每个喷头的喷施量补偿为：

21、q‘1＝-αρx+q

22、其中，每个喷头补偿后的喷施量为q‘1，α为孔隙补偿系数，取值范围为0～1；理想网格处方图的单个喷嘴的喷量为x，网格的内孔隙度为ρ，每个喷头补偿前的喷量为q。上述无人地面自动对靶施药车(以下称小车)的工作原理为：

23、小车支持自动模式和遥控模式两种，在喷药工作开始之前，小车可以通过遥控模式到达待喷地区。进入垄间时，小车搭载的孔隙分布探测系统超声波传感器通过发送和接收超声波信号来测量物体与传感器之间的距离，实时检测小车两端的植株与小车的距离，当距离在预先设定的范围内变化时，可以认为小车所行的路径合理，当检测到小车两端的距离有着较大的变化后，可以认为已经到达田垄的末端，然后就执行转弯动作。在小车运动过程中，北斗定位模块会将小车位置实时反馈到人机交互界面中。以上是小车运动的工作原理。

24、在小车运行的过程中，鱼眼相机会精准的记录前方植株，并通过机器视觉算法得到病虫害的位置以及病虫害程度，将其反馈到机载控制模块中。机载控制模块会输出相应的pwm信号、时间信号等传输给喷施模块，按照计算出的药物浓度和体积进行喷药。同时，控制模块也会将喷药位置的空间坐标传送到机械臂的舵机、升降平台上的推杆电机和滑轨上的电机。这三者的协作使得机械臂顶部的扇形盖准确覆盖在病虫害位置上，从而开始喷药。类似地，在车架上安装的两个喷头也会与相应的机械臂扇形防风罩结合，对作物底部的病虫害位置进行有效喷药。喷完计算出的药物量后，喷药车会自动缓慢前进。如果两侧都没有检测到病虫害位置，喷药车会继续前进；但只要有一侧检测到病虫害存在，喷药车就会停止前进。以上是小车喷药的工作原理。

25、在小车工作的过程中，小车的设备参数，包括小车运行速度、药箱剩余药量、喷施速度、机械臂方位等，以及机载处理器得到的辣椒方位图会实时反馈到人机交互界面中，供操作者做出下一步计划。如果遇到突发情况，小车会自动报警并且停止一切动作，人机交互界面中也有“一键终止”功能。当小车药量达到警戒线时，后端系统会提醒操作者药量不足，及时添加药量。

26、在小车运动的过程中，车载的北斗导航系统会随时向人机交互界面发送小车的经纬度位置，并实时显示周边地图，并且通过鱼眼相机返回的数据，我们可以在人机交互界面上查看喷药车此时的周边环境。在完成喷药动作后，系统会记录下此次喷药的整个流程、药物种类、植物病虫害种类、药物用量、电池消耗量等参数，以供下次参考使用。同时，在人机界面上还会显示此时此地天气，当地天气预警，未来天气变化情况，基于大数据模型，系统会根据当前天气状况为使用者推荐最优的喷药工作。

27、本发明的一个优选方案，其中，所述孔隙分布探测系统包括信息收集模块和机载处理器。所述信息收集模块包括用于获取作物图像信息的鱼眼相机、测量植株与小车之间距离的超声波传感器、监测植株表面特征的光学传感器和获取作物定理信息的北斗定位模块和获取植株三维点云信息的激光雷达；所述机载处理器用于处理信息收集模块获取的农业信息数据，然后通过空间统计学算法建立植株分布图模型；所述农业信息数据包括病虫害位置及程度、垄间距、垄长、植株高度和植株生长周期等；

28、优选地，孔隙探测系统的工作，包括以下步骤：

29、通过小车的信息收集模块对作业区域的农业信息数据进行采集，所述农业信息数据包括病虫害位置及程度、垄间距、垄长、植株高度和植株生长周期等；

30、通过机载树莓派4b处理器结合yolov5视觉处理方案对病虫害位置及程度进行监测，得到病虫害分布图；结合鱼眼相机获得的图像信息和激光雷达获得的三维点云信息，得到孔隙分布情况以及植株具体位置；

31、结合空间统计学算法，根据病虫害分布图线性处理后得到病虫害理想网格处方图，将植株具体位置线性处理后得到植株理想网格处方图，二者一起传输给机载控制模块；

32、机载控制模块得到每个网格的病虫害位置与程度、植株具体位置，确定出合理的路径规划，生成相应的工作指令传输给机械臂模块、喷施系统和动力系统，指导其完成对靶动作、喷施任务和行走工作；

33、本发明的一个优选方案，其中，所述对靶控制系统包括机械臂模块和机载控制模块；所述机械臂模块包括用于驱动其合理运行的驱动舵机和支持机械臂机构的底座、滚针轴承和上下臂；所述机载控制模块用于接收机载处理器得到的植株分布图模型，根据逻辑回归算法、空间回归算法等计算出相应的时间信号、舵机pwm信号、水泵电压信号，将其一边传输给人机交互界面，一边传输给喷施系统和动力系统进行有效作业。

34、优选地，所述机载控制模块设有存储器，所述存储器用于存储信息收集模块所获取的数据，主要是根据农业信息数据建立的植株分布图模型；这样，一方面可以用于喷施后对此次喷药工作做出全方位和多角度评价，另一方面若控制系统内设置有专门的优化喷施算法，可以用于优化下一次喷施。

35、本发明的一个优选方案，其中，所述喷施系统包括升降平台、药箱、水泵、管道系统、喷头、防飘罩和电磁阀门。所述升降平台与机械臂配合可以完成不同高度下的喷施工作；所述药箱装有带孔隔板，可以减少小车行走时晃动导致的车体行走不稳、农药喷洒不均匀，隔板之间均有空隙可以使农药混合更均匀，且药箱内包含实时监测药物水位高低的水位传感器、实时监测药物流速和流量的流速传感器等，这些数据会实时反馈到人机交互界面中；所述喷头设置在主机械臂、副机械臂的顶部，还包括监测喷头与植株距里的激光雷达传感器，该传感器与机载控制模块电连接；所述防飘罩采用上宽下窄的棱台式结构，首创性的安置在无人车上面，可以与副机械臂有效配合，减少农药漂移浪费；所述电磁阀门用于控制喷头喷量，设置在喷管上，与所述机载控制模块电连接。

36、优选地，考虑到孔隙分布情况，每个喷头的喷施量补偿为：

37、q‘1＝-αρx+q

38、其中，每个喷头补偿后的喷施量为q‘1，α为孔隙补偿系数，取值范围为0～1；理想网格处方图的单个喷嘴的喷量为x，网格的内孔隙度为ρ，每个喷头补偿前的喷量为q。

39、优选地使用了两个所述的主机械臂和副机械臂，使用了升降平台以及滑轨，升降平台可以抬高机械臂，滑轨可以是机械臂左右移动，在二者的共同作用下活动范围更加广阔。

40、优选地在小车机械臂喷头上面搭配上宽下窄的棱台式防飘护罩，在防止主机械臂农药飘移的同时，与副机械臂形成联动，有效减少农药浪费和环境污染。

41、本发明的一个优选方案，其中，使所述动力系统主要由转向调节系统和执行作业前进系统及后退系统组成，所述转向调节系统包括齿条、滑轮、连杆以及车轮支架，由步进电机驱动；所述执行作业前进系统及后退系统包括四个外八状放置的车轮，由直流有刷电机驱动。

42、本发明的一个优选方案，其中，所述人机交互界面主要包括实时监控界面和远程监控界面，所述实时监控界面包括设备参数监测、药物管理、病虫害监测、植株状态监测设备参数监测则集中于实时数据和历史分析；药物管理界面包括记录表单、历史记录查看和使用建议；病虫害监测呈现上传、识别结果和预警提示；植株状态监测显示图像、成熟度分析和管理建议；所述远程控制界面主要用于突发情况下小车的紧急停止。

43、优选地，所述病虫害检测主要由鱼眼相机采集植株信息，通过机器视觉算法计算出病虫害位置与正常位置不同，并在界面中以不同深度的颜色表示病虫害程度，并且搭配激光雷达进行对比，当二者所得结果差别不大时认为识别正确，当二者结果相差较大时继续识别直到结果相差不大；

44、优选地所述植株状态检测主要根据不同植株高度来推断植株所处的生长周期，来确定机械臂角度、水泵电压等参数。本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

45、1.本发明专利的主机械臂使用了三舵机结构，可以更好地保证机械臂姿态的高度仿形性，在调节的过程中可以针对不同作物形态做出相应的喷头定位点和喷施角度；此外，我们在升降平台下方加装了副机械臂，同时在副机械臂下方加装电动推杆，可以调节机械臂伸出长度，以更好地实现对植株叶背的喷施；与此同时，在实际工作过程中，副机械臂与主机械臂可以联动共同作业，使喷雾形成一个“防护罩”覆盖整个冠层，实现对植株的全覆盖，直达作物害虫的天灵盖。

46、2.本发明专利采用了上宽下窄的棱台式防飘护罩，在防止主机械臂农药飘移的同时，可以更好地与副机械臂形成联动，减少农药浪费、保护环境。药箱内装有基本的监控检测传感器，包括监测药物水位高低的水位传感器、监测药物流速和流量的流速传感器等，而且药箱内装有带孔隔板，可以减少小车行走时晃动导致的车体行走不稳、农药喷洒不均匀等问题，另外，隔板间留有空隙可以使农药混合更均匀。

47、3.本发明专利在喷药过程中，通过激光雷达传感器检测来调控机械臂进而调整喷嘴位置。鱼眼相机可以检测到三维空间中病虫害位置，通过使用pwm调控技术可以使机械臂上舵机相互配合，最终使得喷头直接对准病虫害位置，并且针对不同生长时期的农作物，本产品能够实现精细化管理。通过内置的智能分析系统，本产品能够自动识别植株的生长阶段，并根据不同阶段的需求调整喷药方案。例如，在幼苗期，小车会采用轻柔的喷雾方式，避免对幼苗造成伤害；而在中期和成熟期，则会根据作物的生长情况和病虫害情况，调整药液的浓度和喷洒量，确保农作物能够健康生长，提高产量和品质。此外，机载处理器可以根据植株生长状态精确地计算出施药量、喷施流速等，并且可以考虑到植株之间存在孔隙，实时进行补偿，这样可以合理利用农药、减少农药浪费和污染，同时，在整个喷雾过程中，本产品会实时记录关键数据，如喷雾量、喷雾时间、作业区域的病虫害情况等。这些数据不仅会被存储起来，供后续的分析和农业管理使用，还会通过特定的数据传输系统，实时反馈到农业管理系统中，供管理人员随时查看和分析。

48、4.本发明专利使用鱼眼相机进行路径规划结合超声波传感器进行避障，并且车轮采用外八状布局，使用齿条+连杆+步进电机组合进行转向，通过合理计算、设计得出最优的转向条件，经实验对比可得，此方法比差速转向方法在药箱装满的前提下会更加稳定，这样可使无人地面自动对靶喷药车在复杂路径下运行时更加安全可靠。

49、5.本发明专利基于微信小程序作为人机交互界面，实时通过websocket与后端建立通信，实时接收无人地面自动对靶喷药车的位置、速度等信息，并展示在界面上。后端上小车配备北斗定位模块和多个传感器，将数据实时上传至后端服务器，服务器实时处理数据并通过websocket向前端推送更新。通过调用微信小程序的api，获取各传感器数据，实时展示在界面上。使用图表库展示历史数据分析。接收传感器数据后，存储在数据库中，提供api供前端请求数据。设备参数、通过表单等方式记录使用量和施用情况。接收前端提交的数据后，存储在数据库中。上传作物图像，调用图像识别接口进行分析，展示识别结果。使用机器学习模型对上传的图像进行分析，识别病虫害并返回结果。调用传感器获取植株状态，利用传感器数据处理技术，分析植株状态并返回结果。本发明专利提供的人机交互场景有：通过摄像头对小车进行远程监控和实时调整，通过远程控制干预调节小车的实时工作状态，并通过语音模块进行实时播报，此外，也可以实时反馈药箱内水位、流量、小车速度等参数并通过物联网设备上传至云端，以实现用户对数据的实时全过程访问。

50、6.本发明专利还具备强大的数据记录和分析功能，能够实时记录喷雾作业的关键数据，如喷雾量、喷雾时间、作物生长情况等，并将这些数据存储到云端或本地服务器。农民和管理人员可以通过数据分析软件，对这些数据进行深入的分析和挖掘，从而了解农作物的生长状况、病虫害发生规律等信息，为后续的农业管理和病虫害防治提供有力的参考依据。

51、7.本发明专利通过机器视觉、传感器技术、自主导航和路径规划等功能的有机结合，实现了对常见农作物病虫害的精准喷雾和高效作业，进一步填补了国内对于农作物精准喷施、高效作业的空白领域，是实现国家农业现代化建设、推广可持续发展战略的重要一环。另外，本产品提高了农药的使用效率和作业效率，更降低了农药浪费和环境污染，可以为现代农业的可持续发展做出了积极贡献。