基于超声波传感器和DGPS的果树冠径检测(1)

AX’)0&*’(-Z[d-69I0,(\0eEG采 用 超 声 波 传 感 器 对 果 树体积的检测是采用竖直按放的多个超声波传感器检
测到的距离信息计算出果树树冠上各个单元体积进行
累 加 的 方 法 G 果 树 树 冠 体 积 的 检 测 估 算 公 式 为 QCS
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机 上建立了一套果树冠径检测试验系统G并在室外对 C个圆柱规则外形树冠进行了检测试验G试验分别采用 B种树冠直径
检测计算方法?并选择 #7H>IJ)和 #7$CIJ)两种不同拖拉机行驶速度进行检测G采用误差分析的方法检验果树冠径检测
系 统的实际检测效果G误差分析表明拖拉机分别以 #7H>IJ)和 #7$CIJ)速度行驶时?应用超声波探测果树树冠两个轮廓
关 键 词 F超 声 波 传 感 器 D差 分 全 球 卫 星 定 位 系 统 A;<=2ED果 园 D冠 径 D检 测
中图分类号F%=!LBM 7CH
文 献 标 识 码 FN
文 章 编 号 F>##!O$">PA!##$E#"O#>C"O#B
王万章?洪添胜?陆永超?等7基于超声波传感器和 ;<=2的果树冠径检测QRS7农业工程学报?!##$?!!A"EF>C"T>$>7 U’(: U ’(V/’(:?W-(: %,’()/0(:?X9 Y-(:*/’-?0+’67=0&.-&I’(*0-.+&00*’(-Z[\,’I0+0&I0’)9&0I0(+]’)0\ -( 96+&’)-(,*)0()-&’(\;<=2QRS7%&’()’*+,-()-.+/01234?!##$?!!A"EF>C"T >$>7A,(1/,(0)0^,+/4(:6,)/’])+&’*+E
第 !!卷 第 "期
农业工程学报
5-67!! 8-7"
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39:7 !##$
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基于超声波传感器和 ;<=2的果树冠径检测
‘引 言
精细农业果园生产管理中单棵果树是一个最小的
作 业 单 元 ?果 树 的 位 置 ?树 冠 大 小 是 果 树 施 肥 a灌 溉 和 果 树 病 虫 害 防 治 中 确 定 投 入 量 多 少 的 重 要 依 据 Q>SG例 如 叶 面 指数 X3b?树冠 体积?果 树 排 列 结 构 是 灌 溉 中 调 节 作 物 蒸 腾 量 的 重 要 因 素 ?根 据 果 树 大 小 调 节 灌 溉 用 水 量 可 以 达 到 节 水 增 收 的 目 的 G果 树 树 冠 大 小 形 状 的 检 测 方 法 有 两 种?一 种 是 采 用 高 空 摄 影 A2+0&0-)*-Z,*’0&,’6 Z/-+-:&’Z/[E和 图 像 处 理 的 方 法 ?另 外 一 种 则 是 靠 全 球 定位系统A<=2E和 超 声 波 或 激 光 技 术 在 果 园 中 对 果 树 的 大 小 位 置 进 行 检 测 Gc0&-(A!###E等 采 用 高 空 摄 影 比 例为 >FB###?分辨率为 >##II 的果园全色照片模拟图 像 处 理 G 得 到 果 园 中 果 树 的 等 高 线 图 ?从 而 计 算 出 果 树 树 冠 体 积 G这 一 方 法 的 特 点 是 便 捷 易 行 ?摄 影 费 用 低 G但 图 像 处 理 需 要 专 业 人 员?处 理 过 程 复 杂?不 能 实 时 检 测 Q!SG超 声 波 树 冠 检 测 是 靠 装 在 果 园 喷 雾 机 上 的 超 声 波 传 感 器 在 果 园 喷 雾 时 检 测 到 树 冠 的 距 离?判 断 冠 径 大 小 ?控 制 喷 雾 电 磁 阀 的 开 启 ?决 定 药 液 喷 施 量 QHSG采 用 激 光 传 感 器 可 测 量 计 算 果 树 区 域 密 度 A%&00’&0’\0(),+[E 和 高 度 以 及 树 行 体 积 ?由 于 果 树 区 域 密 度 和 喷 雾 药 液 沉 积 存 着 很 大 的 相 关 性 QBSG%9I]-A!##>E等 对 采 用 激 光 传 感器和超声波传感器检测的果树体积和人工测量的果
王 万 章 >?洪 添 胜 !@ ?陆 永 超 !?岳 学 军 !?张 智 刚 !?蒋 国 良 >
A>7河南农业大学机电工程学院?郑州 BC###!D !7华南农业大学工程学院?广州 C>#$B!E
摘 要F为 实 现 果 园 果 树 的 仿 形 精 确 喷 雾?适 时 获 取 果 树 冠 径 信 息?采 用 超 声 波 传 感 器?<=2接 受 机 和 电 子 罗 盘 等 在 拖 拉
第 (期
王万章等t基于超声波传感器和 X*$#的果树冠径检测
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! 材料与方法
!"! 检测系统 在 一 台 #$%&’(久 保 田 小 型 拖 拉 机 上 构 建 了 由 工
控 机)超 声 波 传 感 器)*$#接 收 机)电 子 罗 盘 等 构 成 的 果树检测系统+如图 ,-.系统采用德国倍加福+$/00/12 3 45678-公 司 的 %9:;;;&4:<&%&=,>超 声 波 传 感 器) 传感器谐振频率 (>?@A)测量范围 <;;B:;;;CC.采 用 美 国 D1ECF2/公 司 生 产 的 GH*$#DI,J<差 分 *$# 接 收 机)它 有 两 个 可 编 程 K#<J<串 口)可 输 出 符 合 LMIG&;,(J格式的多种类型的 字 符 串 信 息)也 可 接 收 基 准站发送的 KDNI #N&,;:格式差分信号.电子罗盘 是 美 国 @OP/QR/22公 司 生 产 的 @IKJ;;;数 字 罗 盘 模 块 .该 模 块 使 用 磁 阻 传 感 器 和 两 轴 倾 斜 传 感 器 来 提 供 航 向信息.多串口卡为 ISTG N$&,’(%PEU/18V2$NW系 列 串 口 卡)具 备 (个 K#&<J<串 口 的 N$&,’(% 串 口 卡) 可 用 来 连 接 数 据 采 集 设 备 或 大 部 分 串 行 设 备 到 $N或 兼容的系统上.
在 拖 拉 机 车 身 中 心 线 上 )方 向 盘 附 近 ^*$#接 收 机 天 线 安装在拖拉机 中 心 线 上 距 离 超 声 波 传 感 器 距 离 _的 ‘ 点 位 置 ^传 超 声 波 传 感 器 安 装 在 一 根 距 离 拖 拉 机 车 身 中 心线 a的 b点位置.
图 J 检测系统与树冠的相对位置图 4EH"J #67/CVZE687OREPHC/V851EPH8Q8Z/C
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式中 fghrr 果树树冠检测体积?IHDhrr 拖拉机
速度?IJ)Dlorr 最低处的超声波传感器检测到的树
干距离?IDlnrr 超声波传感器到果树树冠上枝叶距
离?IDlmrr 超声波的间隔距离?IDpqrr 超声波传
感器采 样 率 样 本 数?J)Dkrr 每 棵 树 超 声 波 信 号 的 采
基 于超声波传 感器 和 ;<=2果 树树冠 直径实 时 检 测 的
系 统 G本 系 统 采 用 单 个 超 声 波 传 感 器 在 拖 拉 机 行 驶 中 获
得树冠检测信息以及拖拉机上安装卫星定位接受机获
取 ;<=2位 置 信 息 进 行 冠 径 检 测 试 验?并 拟 定 了 多 种 检 测 试 验 方 案 进 行 对 比 分 析 ?以 确 定 可 行 的 果 树 冠 径 检 测 方 法 ?为 果 树 仿 形 喷 雾 控 制 提 供 技 术 依 据 G
VPcZ1//6VPO0Q
,"J", 拖拉机行驶轨迹
由于测试环境中 *$#信号接受效果以及其自身测
试 精 度 问 题)*$#坐 标 点 描 绘 的 行 驶 轨 迹 与 拖 拉 机 实
际 行 驶 轨 迹 有 一 定 的 偏 离 .为 此 引 入 电 子 罗 盘 角 度 数 据
与 *$#数据进行加权平均融合来修正误差 . def 试 算 确
样个数G
仿 形 果 树 农 药 精 确 喷 施 中 ?要 实 时 获 取 果 树 树 冠 大
小 和 轮 廓 形 状 以 及 位 置 信 息 G根 据 树 冠 信 息 控 制 仿 形 喷
雾 机构?将 农药最 大限度 地 喷 施 在 果 树 冠 层 中?减 小 果
树 以 外 的 农 药 喷 雾 损 失 G 为 此 ?在 拖 拉 机 上 构 建 了 一 套
定在 g+东-坐标轴上电子罗盘和 *$#融合权重系数均
为 ;">^在 T+北-坐标轴上则电子罗盘去和 *$#分别为
;"h>和 ;";>.数据融合算法公式为
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式 中 ijk)qjkrr 分 别 为 加 权 平 均 融 合 后 坐 标 值^
@ 通 讯 作万者方F洪数添据胜?留 法 博 士?教 授?博 士 生 导 师?院 长?广 州 华
南 农 业 大 学 信 息 学 院 ?C>#$B!G 4I’,6F+)/-(:_ )*’970\97*(
比 试 验 QCSG也 有 学 者 等 对 超 声 波 传 感 器 在 果 树 体 积 测 量 中树冠枝叶密度和拖拉机行驶速度对测量精度的影响
ik)qkrr 分别为 *$#数据坐标^pkrr 电子罗盘角度
数 据^nrr 拖 拉 机 行 驶 平 均 速 度^orr 采 样 间 隔 时
间^krr 数据序号.
经由电子罗盘信号修正后的拖拉机行驶轨迹提高
了 直 线 性)接 近 拖 拉 机 实 际 行 驶 路 线. 图 :所 示 以 ;"’>C]8的 速 度 行 驶 时)在 基 于 s*#&(:下 的 高 斯 投 影平面坐标下的拖拉机修正前后轨迹路线.
图 , 果树检测系统图 4EH", XEVH1VC OYZ7/Y15EZZ1//C/V851/C/PZ8Q8Z/C
!"[ 试验材料 选择校园内行道 旁 的 一 排 >颗 绿 篱 作 为 果 树 检 测
对 象 .绿 篱 经 人 工 修 剪 )形 状 成 较 规 则 圆 柱 型 外 形 )试 验 前 用 卷 尺 对 绿 篱 直 径 )株 距 进 行 了 测 量 . 并 对 每 颗 树 进 行编号+如图 <-.
图 < 检测试验的绿篱外形图 4EH"< $1OYE2/OYZ7/Z1//8YO1C/V851EPHZ/8Z
!"\ 试验方法 检测试验分别采用 ;"J,C]8和 ;"’>C]8两 个 拖
拉 机 行 驶 速 度 .试 验 中 拖 拉 机 匀 速 直 线 行 驶 并 保 持 果 树 树 冠 到 超万声方波数传据感 器 的 距 离 在 :C 的 有 效 探 测 范 围 内.拖拉机与树冠检测相对位置如图 J.电子罗盘安装
树体积在不同大小和不同枝叶密度的橘子树上进行对
收稿日期F!##CO#LO#> 修订日期F!##$O#LO!H 基 金 项 目F国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 AH#!L#L$BED广 东 省 科 技 计 划 项 目 A!##H1!#C#CE 作 者 简 介F王 万 章?博 士?副 教 授?郑 州 河 南 农 业 大 学 机 电 工 程 学 院 ?BC###!G 4I’,6F^V^’(:_ !$H7(0+
进行研究 G Q$S 现代电子信息技术的发展使应用超声波传感器和
<=2接收机对果树 大小和 位置 的快速 实时检 测成 为可 能G日本学者曾在由 <=2导航无人驾驶的果园拖拉机 上 装 上 超 声 波 传 感 器 进 行 避 障 ?并 在 拖 拉 机 行 驶 中 对 拖 拉 机 到 一 侧 果 树 树 冠 的 距 离 进 行 检 测 试 验 QLSG采 用 激 光 传感器进行果树体积检测是引入了激光树冠体积指数
边缘计算 C个树冠直径的平均相对误差分别为 C7CBK和 C7"#KG用电子罗盘和 ;<=2数据进行加权平均融合修正拖拉机
行驶轨迹?由超声波检测到的果树两个轮廓边缘的位置信息计算果树直径?在两种检测速度下的平均相对 误 差 为 >B7H"KG
研究结果为果树仿行喷雾控制和果园果树生长信息采集提供了技术方法G