[发明专利]差分式喷杆喷雾精确对靶装置及靶标检测方法

权利要求书

1.一种差分式喷杆喷雾精确对靶装置，其特征在于包括：喷杆喷雾模块、传感器模块、对靶喷雾控制模块； 

所述喷杆喷雾模块，包括喷杆架、药液箱、隔膜泵、喷头组和各喷头对应的电磁开关阀，所述喷杆架由立柱和多个横梁组成，所述喷头组由多个喷头组成并根据作物行距安装在喷杆架的横梁上对应于作物行的位置；所述隔膜泵通过药液管分别与药液箱、电磁开关阀和喷头连通，电磁开关阀控制喷头喷雾； 

所述传感器模块，包括对行测距传感器、垄沟测距传感器和机具行走测速传感器；所述对行测距传感器固定在上述喷杆架横梁上对应于作物行的位置；垄沟测距传感器有两个，分别固定在上述喷杆架横梁两端对应于作物行间垄沟的位置；对行测距传感器和垄沟测距传感器安装在同一根横梁上；对行测距传感器与垄沟测距传感器和喷头组位于同一水平面，且对行测距传感器和垄沟测距传感器的安装位置在机具行进方向上超前于喷头组；所述的对行测距传感器实时测量作物行上的作物冠层或株间土地与对行测距传感器传感头间的距离，垄沟测距传感器实时测量作物行间土地与垄沟测距传感器传感头间的距离；对行测距传感器和垄沟测距传感器分别与对靶喷雾控制模块相连；所述机具行走测速传感器用于测量喷雾机与土地间的相对运动速度，机具行走测速传感器与对靶喷雾控制模块相连； 

所述对靶喷雾控制模块，包括车载电源、对靶喷雾控制器和输入输出接口；所述对靶喷雾控制器优先选用STM32型单片机；所述车载电源选用12伏或24伏直流电源；所述输入输出接口包括模数转换、光电隔离、信号放大，以及数字IO驱动电路；所述的垄沟测距传感器、对行测距传感器和机具行走测速传感器均通过输入输出接口连接至对靶喷雾控制器；所述的多个电磁开关阀通过输入输出接口与对靶喷雾控制模块连接，对靶喷雾控制模块通过输入输出接口驱动电磁阀的开关状态的切换； 

所述垄沟测距传感器和对行测距传感器为超声波传感器；所述的垄沟测距传感器和对行测距传感器的设定频率为30Hz-100Hz。 

2.如权利要求1所述的一种差分式喷杆喷雾精确对靶装置的对靶喷雾控制方法，其特征在于步骤如下： 

（1）对靶喷雾控制模块和传感器模块初始化； 

（2）喷杆喷雾机喷头对准对行作物开始作业，机具行走测速传感器检测到行走速度，垄沟测距传感器和对行测距传感器开始按照设定频率采集作物冠层或土地到各自传感头的测距信息，测量信息和机具行走速度通过输入输出接口进入对靶喷雾控制器； 

（3）对靶喷雾控制器结合机具行走速度和垄沟与对行的测距信息针对各喷头对应的作物行进行实时靶标检测，当对靶喷雾控制器判断出是靶标时，通过输入输出接口驱动对行测距 传感器对应作物行的电磁开关阀开启，使对应作物行的喷头喷雾；当识别程序判断出是非靶标时，通过输入输出接口驱动相应的电磁开关阀关闭，使对应喷头停止喷雾。 

3.如权利要求1所述的一种差分式喷杆喷雾精确对靶装置的靶标检测方法，其特征在于包括如下步骤： 

1）启动喷雾工作后，对行测距传感器和垄沟测距传感器实时采集测距数据，经过实时测距信号处理后，将作物冠层或垄上土壤到对行测距传感器传感头的距离信号D_i各加入到数据长度为N的先进先出的队列中，最新的距离数值在队尾；靶标检测依据这N个点进行模式上的判断，以区别出当前传感器检测物为作物还是垄上土壤； 

2）计算在队列的滑动窗口的测距信号均值其中H为喷头到对行土壤的高度；M为滑动窗口宽度，满足M<<N，M优选为0.1N～0.2N；D_j为滑动窗口中的第j个测距信号；如果滑动窗口的高度均值大于设定的作物高度阈值，则初步判断为靶标，并记录最初高度变异点在队列中的位置，否则判断为垄上土壤部分；所述的作物高度阈值依据喷雾作业的作物的平均高度，人为设定； 

3）进一步计算当前滑动窗口中的测距信号D_j的方差，如果方差小于给定的作物冠层变化方差阈值，则确定为靶标，否则判断为垄上土壤部分；所述的作物冠层变化方差阈值依据喷雾作业作物冠层长势特点人为测定并人为设定； 

所述的队列的数据长度N为：其中V为机具最大运行速度，U为作物最大胸径，f为垄沟测距传感器和对行测距传感器的设定频率，N取整数。 

4.如权利要求1所述的一种差分式喷杆喷雾精确对靶装置的实时测距信号处理方法，其特征在于流程如下： 

1）对垄沟测距传感器做均值偏移和调幅处理，使其振动幅度和均值与对行测距传感器为同一水平，垄沟测距传感器记录的包含噪音的原始测距信号记作s，处理后的信号为各作物行的背景参考信号S_i： 

上式（1）中W为作物行宽；l_i为从喷杆架幅宽方向的中点到其一侧对应第i作物行对应喷头的距离；A为喷杆架到垄沟底部的高度，B为垄高； 

2）经过对垄沟测距传感器获得的测距数据经步骤1）补偿后得到的S_i，利用差分原理，将S_i作为表征随机干扰信号用于消除对行测距传感器获得的测距信号Y_i中的误差背景，如下所示： 

令Z_i为去除喷杆架振动背景干扰的作物冠层或垄上土壤到对行测距传感器传感头的测距信号，将S_i和Y_i两个测距信号倒置后，并依据差分原理消除背景误差可得： 

Z_i＝S_i-Y_i-------------（2） 

3）对信号Z_i进行中值滤波，得到各作物行上的测距信号D_i符合靶标检测要求。