一种基于雾滴云模拟的喷雾仿真方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于雾滴云模拟的喷雾仿真方法。该方法的步骤如下：应用三维立体相机获取植株体三维点云数据，并通过点云删减方法及坐标变换处理，模拟实际作物植株；在确定喷头型号、喷头坐标及喷雾技术参数条件下，通过拉格朗日轨迹描述算子描述喷雾雾滴粒子运动轨迹；设计一种喷雾雾滴粒子运动轨迹与植株点云相交算法，判别雾滴落在植株体上与否并计算其落点位置；依据喷雾作业速度要求，不断变化喷头空间坐标完成动态模拟，直至达到停止条件后输出雾滴沉积率并优化喷雾高度。本发明能提供喷雾作业可视化作业指标分析，并以雾滴有效沉积率为目标函数，获得的了最优喷雾作业高度，从而为减少实际植保作业过程中农药使用量提供一定参考。
【专利说明】一种基于雾滴云模拟的喷雾仿真方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及喷雾方法，尤其ー种基于雾滴云模拟的喷雾仿真方法。
【背景技术】
[0002]为了保障粮食的稳产增产，务农人员在田间往往采用粗犷式植保喷雾作业方式，使大量的化学药剂不能准确的施用于作物靶标上，过量的化学药剂带来严重的环境及食品安全问题。
[0003]中国农业大学何雄奎等人就“測定喷雾技术參数对喷雾效果的影响”这一问题在实验室环境下做过大量研究，实验证明了扇形喷头的喷雾技术參数对喷雾效果的影响，特别是对雾滴的抗漂移性具有显著的影响。
[0004]大型行业软件Ansys Fluent包含了粒子仿真模拟系统，国内外都有学者运用该软件经行雾滴的仿真以辅助喷雾机设计，但是由于该系统的局限性不能够结合实际作业对象及作业环境，因此应用往往受到限制。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种基于雾滴云模拟的喷雾仿真方法，通过模拟实际农田作业复杂环境，建立虚拟喷雾仿真系统，能提供喷雾作业多项可视化作业指标分析，并以雾滴有效沉积率为目标函数，优化喷雾系统中各项技术參数，从而为实际植保作业过程提供
一定的參考。
[0006]为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是:
[0007]本发明方法的步骤如下:
[0008]I)应用三维立体相机获取植株体三维点云数据，并通过点云删减方法及坐标变换处理，模拟实际作物植株；
[0009]2)在确定喷头型号、喷头坐标及喷雾技术參数条件下，通过拉格朝日轨迹描述算子描述喷雾雾滴粒子运动轨迹；
[0010]3)设计ー种喷雾雾滴粒子运动轨迹与植株点云相交算法，判别雾滴落在植株体上与否并计算其落点位置；
[0011]4)依据喷雾作业速度要求，不断变化喷头空间坐标完成动态模拟，直至达到停止条件后输出雾滴沉积率并优化喷雾高度。
[0012]AB+AC-BC < 2AD
[0013]所述不断变化喷头空间坐标完成动态模拟，能够模拟动态喷雾过程，对喷头位置依据喷雾作业速度要求进行变化，达到停止条件即完成要求的仿真步数Maxstep后，计算该作业高度条件下喷头的喷雾沉积率，通过多次模拟结果比较，实现喷雾高度參数的优化，雾滴乘积率的计算公式如下:
【权利要求】
1.一种基于雾滴云模拟的喷雾仿真方法，其特征在于，该方法的步骤如下: 1)应用三维立体相机获取植株体三维点云数据，并通过点云删减方法及坐标变换处理，模拟实际作物植株； 2)在确定喷头型号、喷头坐标及喷雾技术參数条件下，通过拉格朝日轨迹描述算子描述喷雾雾滴粒子运动轨迹； 3)设计ー种喷雾雾滴粒子运动轨迹与植株点云相交算法，判别雾滴落在植株体上与否并计算其落点位置； 4)依据喷雾作业速度要求，不断变化喷头空间坐标完成动态模拟，直至达到停止条件后输出雾滴沉积率并优化喷雾高度。
2.根据权利要求1所述的ー种基于雾滴云模拟的喷雾仿真方法，其特征在于:所述使用三维立体相机取获取植株点云数据，利用距离采样法完成点云删减，采样距离为r，对删减后的点云进行坐标变换，坐标变换算法描述如下: 选取植株模型根部一点为N，选取向上生长的茎部一点为M，则向量]^为平面n的法向量，N为n平面内的一点，设n的公式为Ax+By+Cz+D=0，= = -^，则
即干=上=二，带入N点坐标即得到XOY平面公式，在XOY平面上选择二个IA Ln<?,S ///? I m n不干ィf的向量，并通过Schmidt正交化进行正交化并单位化，Schmidt正交化过程如下: 若Ct17Ct2,…，a s线性无关，则构造@ @ 2，--?，P s使其两两正交,且P i仅是a 17
B.a 2，…，a i的线性组合，i=l，2, -“，s,再把@丨单位化,记ア,=|^| ’贝丨』Y1, Y 2, --?，Ys是规范正交向量组， 其中
3.根据权利要求1所述的ー种基于雾滴云模拟的喷雾仿真方法，其特征在于:所述在确定喷头型号、喷头坐标及喷雾技术参数条件下，以粒子系统为基本描述手段，通过拉格朗日方法计算雾滴粒子运动轨迹，拉格朗日描述粒子运动方程如下:
4.根据权利要求1所述的ー种基于雾滴云模拟的喷雾仿真方法，其特征在于:所述的一种雾滴轨迹与植株点云相交算法是利用植株点与有向线段空间位置关系，设置ー项判断条件实现雾滴是否落在植株上及其落点位置计算，假设:空间中有雾滴轨迹有向线段BC，有一植株点云A，设AD为三角形ABC的垂线，D点为垂足，由三角形性质得到:
AD+BD > AB
AD+DC > AC 则二项式子相加得到
2AD+DC+BD > AB+AC 即:2AD+BC > AB+AC 因此得到如果满足以下公式即判断雾滴是否达到点云中，落点位置认为是所有满足条件中点中Z轴方向数值最大的点，其中由距离采样法得知AD应大于 ；
AB+AC-BC < 2AD。
5.根据权利要求1所述的ー种基于雾滴云模拟的喷雾仿真方法，其特征在于:所述不断变化喷头空间坐标完成动态模拟，能够模拟动态喷雾过程，对喷头位置依据喷雾作业速度要求进行变化，达到停止条件即完成要求的仿真步数Maxstep后,计算该作业高度条件下喷头的喷雾沉积率，通过多次模拟结果比较，实现喷雾高度參数的优化，雾滴乘积率的计算公式如下:
【文档编号】G06T13/20GK103455661SQ201310319781
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年7月25日 优先权日:2013年7月25日
【发明者】蒋焕煜, 周鸣川, 高天齐, 李华融 申请人:浙江大学