一种基于激振音频的果树冠层叶密度估测系统与方法

1.本发明涉及果园植保技术领域，具体说是一种基于激振音频的果树冠层叶密度估测系统与方法。


背景技术：

2.现有的用于果树的精量(全方位)风送施药作业过程中，果树冠层特征的实时检测是实现精量风送施药的首要问题。
3.现有研究中，果树冠层特征主要选取冠层体积、叶墙面积等指标，一般采用“传感器扫描/采集
→
求解几何方程
→
拟合树冠轮廓”的方法，简化了树冠非对称、多孔隙的结构，忽略了主要受药对象是相对稀疏的叶片这一客观事实。
4.叶面积体密度(以下简称“叶密度”)是指作物某一高度上单位体积内叶面积的总和，相比于冠层体积、叶墙面积等指标，更能表征冠层长势与受药对象数量，而现有研究很少涉及在线测量冠层叶密度的方法。
5.专利cn103528920a提供公开了一种叶面积体密度的测量装置与方法，其给出的叶面积体密度测量装置，包括半导体激光器、扩束器、控制器、电源电路，以及接收传感器、探杆，所述探杆为叶面积体密度测量装置主体框架，呈鱼叉结构，平行的两个直杆为叶面积体密度测量装置的光学探测部分，两个直杆的距离为50cm或者100cm，其中一个直杆末端安装一个或者多个半导体激光器，激光器发射的光束垂直指向安装在另外一个直杆末端的接收传感器。从其工作过程以及工作原理分析，实际上仍是利用传感器信号反演叶密度，受限于传感器精度以及环境因素影响，测量结果的精度容易受到影响，很难满足在植保作业过程中在线测量的要求。
6.公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于：针对果树冠层不同叶密度下受激振发出声音的不同，提供一种基于激振音频的果树冠层叶密度估测系统与方法，以解决施药作业过程中叶密度获取困难的问题，实现对果树冠层叶密度的快速预测，满足果树精量风送施药的需要。
8.为达到以上目的，本发明采用的具体技术方案如下所述：
9.一种基于激振音频的果树冠层叶密度估测系统，其特征在于，包括激振装置1、激振装置支撑杆2、音频采集器3、音频采集器支撑杆4、支撑轮5、数据采集模块6、控制器7、电源8、移动平台9和上位机10；
10.所述的激振装置1通过激振装置支撑杆2固定安装在移动平台9的后端，用于迫使果树冠层树叶和枝干晃动并产生音频；
11.所述的音频采集器3通过音频采集器支撑杆4安装在移动平台9的前端，用于对音频信号的采集；
12.音频采集器3与数据采集模块6通讯，将采集到的音频信号实时传输到数据采集模块6中；
13.所述的控制器7与数据采集模块6连接，用于对音频信号进行滤波、傅里叶变换、特征参数提取等处理，获取音频信号的特征参数，并进一步基于叶密度估测模型获取冠层的实际叶密度，实现对果树冠层叶密度的估测；
14.激振装置支撑杆2和音频采集器支撑杆4采用可伸缩式设计，能够调节激振装置1和音频采集器3的高度，实现对果树冠层不同高度位置的叶密度估测；
15.激振装置1的安装位置离地面的高度h1和音频采集器3的安装位置离地面的高度h2满足以下条件：
[0016][0017]
其中，l为激振装置支撑杆2与音频采集器支撑杆4的水平距离，α为风吹动装置覆盖角度的一半；
[0018]
所述的上位机10安装在移动平台9的上部，可与控制器7通讯，将控制器7对音频信号处理得到的音频特征参数以及果树冠层叶密度估测值进行直观显示；
[0019]
所述的电源8、数据采集模块6和控制器7安装在移动平台9的底部置物台上；
[0020]
所述的控制器7通过驱动机构调整支撑轮5的行驶速度和方向，从而实现移动平台9的移动控制；所述的控制器7通过驱动机构调整音频采集器支撑杆4的伸缩升降，从而实现音频采集器3的高度控制；所述的控制器7通过驱动机构调整激振装置支撑杆2的伸缩升降，从而实现激振装置1的高度控制；
[0021]
所述的电源8为激振装置1、音频采集器3、数据采集模块6、控制器7、上位机10进行供电。
[0022]
在上述技术方案的基础上，所述的一种基于激振音频的果树冠层叶密度估测系统，采用的果树冠层叶密度估测方法，包括以下步骤：
[0023]
s1：将叶密度估测系统移动到冠层估测位置，调整激振装置1和音频采集器3的高度，系统开启；
[0024]
s2：激振装置1迫使果树冠层估测位置的枝叶晃动，使“枝-叶”、“叶-叶”之间相互摩擦产生音频；
[0025]
s3：音频采集器3采集原始音频信号；
[0026]
s4：将原始音频信号传输到数据采集模块6进行储存；
[0027]
s5：控制器7对数据采集模块6中的原始音频信号进行傅里叶变换、滤波等预处理，获取去除风声、环境噪声等干扰音频后的果树冠层实际音频信号；
[0028]
s6：控制器7对果树冠层实际音频信号作进一步处理，从而得到音频信号的短时能量、特征频率、过零率等特征参数；
[0029]
s7：以音频特征参数作为输入，导入到基于音频特征参数的叶密度估测模型中；
[0030]
s8：获取果树冠层叶密度；
[0031]
s9：上位机10实时显示处理过程中的音频特征参数、获取的果树冠层叶密度、以及音频信号的时域与频域波形等特征。
[0032]
在上述技术方案的基础上，所述的果树冠层叶密度估测方法中，所述基于音频特
征参数的叶密度估测模型采用数学建模方法或机器学习方法等构建，具体如下：
[0033]
方式一：基于音频特征参数的叶密度估测模型采用数学建模方法构建时，利用公式2所示数学关系表达式，构建叶密度f与音频特征参数ti之间的函数关系；
[0034]
f＝ki·
ti+b
ꢀꢀꢀ
(2)
[0035]
其中ti为控制器7对音频信号处理获取的音频特征参数，ti＝[t1,t2,t3,
…
,tn]
t
，ki为音频特征参数的系数，ki＝[k1,k2,k3,
…
,kn]，b为阈值补偿参数；
[0036]
方式二：基于音频特征参数的叶密度估测模型采用机器学习方法构建时，机器学习方法构建预测模型一般包括输入层、隐含层和输出层，以控制器7对音频信号处理获取的音频特征参数ti作为输入，叶密度f作为输出，构建多输入单输出的预测模型，实现对果树冠层叶密度的预测。
[0037]
本发明所述的一种基于激振音频的果树冠层叶密度估测系统与方法，具有以下有益效果：
[0038]
本发明针对果树冠层不同叶密度下受激振发出的声音的不同，提供一种基于激振音频的果树冠层叶密度估测系统与方法，区别于采用常规传感器逆向重建冠层几何特征的手段，创新提出利用激振产生音频估测果树冠层叶密度的方法，减少常规传感器在检测冠层特征过程中因环境因素造成的误差，可实现冠层叶密度高精度在线测量，为果园精量施药的冠层特征精确识别提供理论依据。
附图说明
[0039]
本发明有如下附图：
[0040]
附图用于更好地理解本发明，不构成对本发明的不当限定。其中：
[0041]
图1为本发明所述基于激振音频的果树冠层叶密度估测系统的结构示意图；
[0042]
图2为本发明所述基于激振音频的果树冠层叶密度估测系统的工作原理示意图；
[0043]
图3为本发明所述基于激振音频的果树冠层叶密度估测方法的流程图；
[0044]
图4为基于机器学习的基于音频特征参数的叶密度估测模型构建示意图；
[0045]
附图标记：
[0046]
1.激振装置，2.激振装置支撑杆，3.音频采集器，4.音频采集器支撑杆，5.支撑轮，6.数据采集模块，7.控制器，8.电源，9.移动平台，10.上位机，11.果树。
具体实施方式
[0047]
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。所述详细说明，为结合本发明的示范性实施例做出的说明，其中包括本发明实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本发明的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。
[0048]
不同叶密度的果树冠层在受激振时发出的声音会有差异，同时，古诗中的“簌簌风吹叶”、“老树挟霜鸣窣窣”等语句，及文学作品中的“沙沙”、“簌簌”、“哗哗”等不同拟声词，都描述了风吹动树冠或者树叶发出的声音。鉴于此，若通过激振迫使果树冠层产生声音，找出音频特征与冠层叶密度的对应关系，可实现冠层叶密度的在线准确测量。因此，本发明提
出一种基于激振音频的果树冠层叶密度估测系统与方法。
[0049]
如图1和图2所示，一种基于激振音频的果树冠层叶密度估测系统，包括激振装置1、激振装置支撑杆2、音频采集器3、音频采集器支撑杆4、支撑轮5、数据采集模块6、控制器7、电源8、移动平台9和上位机10；
[0050]
所述的激振装置1通过激振装置支撑杆2固定安装在移动平台9的后端，用于迫使果树冠层树叶和枝干晃动并产生音频；图1和图2所示以风吹动装置作为激振装置1为例对各部件的安装方式以及对果树11的果树冠层叶密度的估测方法进行介绍；
[0051]
移动平台9的底部设有支撑轮5；
[0052]
在移动平台9的中部设有工作台，所述工作台的台面用于放置上位机10；
[0053]
在移动平台9的底部设有置物台，所述置物台的台面用于放置电源8、数据采集模块6和控制器7；支撑轮5可设于置物台的底面；
[0054]
电源8为激振装置1、音频采集器3、数据采集模块6、控制器7和上位机10提供电力；
[0055]
在移动平台9的一侧设有音频采集器支撑杆4，音频采集器支撑杆4的顶端高于工作台，且在音频采集器支撑杆4的顶端设有音频采集器3；
[0056]
在移动平台9的另一侧前后对称的设有激振装置支撑杆2，在两根激振装置支撑杆2的顶端之间设有激振装置1；
[0057]
激振装置支撑杆2和音频采集器支撑杆4采用可伸缩式设计，能够调节激振装置1和音频采集器3的高度，实现对果树冠层不同高度位置的叶密度估测；
[0058]
如图2所示，所述音频采集器3设于靠近果树11的一侧，所述激振装置1设于远离果树11的一侧；
[0059]
所述音频采集器3用于对音频信号的采集；所述音频信号指果树冠层树叶和枝干晃动并产生的音频；
[0060]
数据采集模块6实时接收音频采集器3采集到的音频信号；
[0061]
所述的控制器7与数据采集模块6连接，用于对音频信号进行滤波、傅里叶变换、特征参数提取等处理，获取音频信号的特征参数，并进一步基于叶密度估测模型获取冠层的实际叶密度，实现对果树冠层叶密度的估测；
[0062]
此外，所述的控制器7通过驱动机构调整支撑轮5的行驶速度和方向，从而实现移动平台9的移动控制；
[0063]
所述的控制器7通过驱动机构调整音频采集器支撑杆4的伸缩升降，从而实现音频采集器3的高度控制；
[0064]
所述的控制器7通过驱动机构调整激振装置支撑杆2的伸缩升降，从而实现激振装置1的高度控制；
[0065]
上位机10与控制器7连接，用于显示果树冠层叶密度的估测结果，例如显示音频信号处理得到的音频特征参数以及果树冠层叶密度估测值。
[0066]
所述各驱动机构均可采用现有技术实施，非本发明重点，不再详述。
[0067]
在上述技术方案的基础上，如图2所示，激振装置1的安装位置离地面的高度h1和音频采集器3的安装位置离地面的高度h2满足以下条件：
[0068]
[0069]
其中，l为激振装置支撑杆2与音频采集器支撑杆4的水平距离，α为风吹动装置覆盖角度的一半。
[0070]
如图3所示，本发明给出了一种基于激振音频的果树冠层叶密度估测方法，包括以下步骤：
[0071]
s1：将叶密度估测系统移动到冠层估测位置，调整激振装置1和音频采集器3的高度，系统开启；
[0072]
s2：激振装置1迫使果树冠层估测位置的枝叶晃动，使“枝-叶”、“叶-叶”之间相互摩擦产生音频；
[0073]
s3：音频采集器3采集原始音频信号；
[0074]
s4：将原始音频信号传输到数据采集模块6进行储存；
[0075]
s5：控制器7对数据采集模块6中的原始音频信号进行傅里叶变换、滤波等预处理，获取去除风声、环境噪声等干扰音频后的果树冠层实际音频信号；
[0076]
s6：控制器7对果树冠层实际音频信号作进一步处理，从而得到音频信号的短时能量、特征频率、过零率等特征参数；
[0077]
s7：以音频特征参数作为输入，导入到基于音频特征参数的叶密度估测模型中；
[0078]
s8：获取果树冠层叶密度；
[0079]
s9：上位机10实时显示处理过程中的音频特征参数、获取的果树冠层叶密度、以及音频信号的时域与频域波形等特征。
[0080]
在上述技术方案的基础上，所述基于音频特征参数的叶密度估测模型采用数学建模方法或机器学习方法等构建，具体如下：
[0081]
方式一：基于音频特征参数的叶密度估测模型采用数学建模方法构建时，利用公式2所示数学关系表达式，构建叶密度f与音频特征参数ti之间的函数关系；
[0082]
f＝ki·
ti+b
ꢀꢀꢀ
(2)
[0083]
其中ti为控制器7对音频信号处理获取的音频特征参数，ti＝[t1,t2,t3,
…
,tn]
t
，ki为音频特征参数的系数，ki＝[k1,k2,k3,
…
,kn]，b为阈值补偿参数；
[0084]
方式二：基于音频特征参数的叶密度估测模型采用机器学习方法构建时，如图4所示，机器学习方法构建预测模型一般包括输入层、隐含层和输出层，以控制器7对音频信号处理获取的音频特征参数ti作为输入，叶密度f作为输出，构建多输入单输出的预测模型，实现对果树冠层叶密度的预测。
[0085]
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
[0086]
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。