一种基于可见光‑红外技术的树木植保系统及方法与流程

本发明属于树木植保技术领域，尤其涉及一种基于可见光-红外技术的树木植保系统及方法。

背景技术：

现在人们对城市的绿植覆盖面积要求越来越高，园林绿化也变得格外重要，树木在春季可能会因为土壤里的营养成分不足而生长缓慢，而在夏季，树木则容易生虫，例如梧桐树在夏天容易生方翅网蝽、霜天蛾等，这会给路过的行人带来不便。

目前园林绿化一般是靠园林绿化工作人员用背式喷雾，或采用升降架辅助人工的方式对树木大量喷撒农药，这样需要耗费大量的人力，且无法精准地在病灶区给药或给予营养液，且大量喷撒的农药会污染环境。针对上述问题，解决方案有多种，现举例如下：申请号为201310463089.0的中国专利提出了一种塑料罩式树木喷药机，该喷药机是先用塑料罩将树木罩全，然后将喷头从塑料罩最上端的中心圆形口放入，拉动喷雾拉绳进行喷药，结束后将塑料罩向上拉起，再进行下一棵树的喷药工作。该产品可对树木均匀给药，且不污染周边环境。但是该专利仍存在一些问题，例如塑料罩折叠收起不易清洗，且易将上一颗病树的虫卵带到下一棵树木上。申请号为201620674257.x的中国专利提出了一种园林树木喷药器，该喷药器是先将药液进行搅拌，然后利用水泵将药液提升至储药仓，储药仓通过液压支架提升至需要给药处，最后通过高处的旋转头进行给药。该专利的优点是可喷到高处树木，节省生产成本。该专利的不足之处在于会在一定程度上污染环境，且无法及时发现病灶并进行给药。

为了避免农药浪费，不污染环境，减少人力开销，且能识别树木病灶并精准地对其进行选择性给药，需要有一种更环保、更智能的树木植保装置。

技术实现要素：

本发明旨在解决现有技术的农药浪费，且不能对树木病灶进行精准给药的问题，提出一种可以识别病灶，并根据病灶类型定点给药的树木植保系统及方法。

本发明的技术方案是：

一种基于可见光-红外技术的树木植保系统，其特征在于该系统包括行进装置、升降装置、减速旋转装置、图像采集处理装置和给药装置；行进装置承载升降装置、减速旋转装置、图像采集处理装置和给药装置，并提供行走动力；

所述减速旋转装置包括齿轮盒、轴承盖板、垂直齿轮轴、滚子轴承、水平圆锥齿轮、垂直圆锥齿轮、水平齿轮轴、水平隔套、电机箱和遮雨板；

所处齿轮盒和电机箱均固定在升降装置的上表面，在齿轮盒和电机箱的上表面固定遮雨板，用于保护电机箱及齿轮盒；所述齿轮盒内安装有水平齿轮轴和垂直齿轮轴，所述水平齿轮轴的中部安装有水平圆锥齿轮，水平齿轮轴的两端均通过滚子轴承及轴承盖板与齿轮盒的前后板连接，水平齿轮轴靠近电机箱的一端穿出齿轮盒，并与电机箱内的电机输出轴连接；所述垂直齿轮轴的一端连接垂直圆锥齿轮，且垂直圆锥齿轮与水平圆锥齿轮相啮合，垂直齿轮轴的另一端穿出齿轮盒的上板及遮雨板，并通过一个滚子轴承及轴承盖板与齿轮盒的上板固定；

所述给药装置包括护栏、药罐、营养液罐、药液导管、营养液管、远程开关阀、软管、套筒、喷药管、喷头和固定螺母；

所述护栏焊接在行走装置上表面上，药罐和营养液罐放置在护栏内，所述药罐和营养液罐分别通过药液导管和营养液管与远程开关阀的两个输入端连接；所述套筒套接在位于齿轮盒上方的垂直齿轮轴上，套筒的上端垂直连接喷药管；所述喷药管的一端连接喷头，另一端通过软管与远程开关阀的输出端连接；软管和喷药管的连接处通过固定螺母固定；

所述图像采集处理装置包括单片机处理器、三个ccd相机和一个用于检测叶片上是否有虫的红外相机，其中两个ccd相机用于双目识别标定，另一个ccd相机用于视觉寻迹；用于双目识别标定的两个ccd相机通过一对双目相机机架固定在升降装置上表面上，红外相机通过红外相机机架固定在所述一对双目相机机架中间的升降装置上；用于双目识别标定的两个ccd相机和红外相机的安装高度均与喷头的高度相匹配；用于视觉寻迹的ccd相机通过寻迹相机机架焊接在行走装置的上表面上，且位于行走装置的前部；所述单片机处理器固定在遮雨板下方的升降装置上，单片机处理器分别与三个ccd相机、一个红外相机、升降装置的动力元件、减速旋转装置的电机、远程开关阀及行进装置的动力元件电连接。

一种基于可见光-红外技术的树木植保方法，该方法使用上述的系统，具体步骤是：

第一步，在待给药的植物区域的地面上设置白线，行进装置承载升降装置、减速旋转装置、图像采集处理装置及给药装置根据视觉寻迹的方式行进，行进的路线以白线做引导线，通过用于视觉寻迹的ccd相机采集对路面白线轨迹信息，并将路面检测信号反馈给单片机处理器，单片机处理器对采集到的信号进行分析并控制行走装置的主动轮的转速；

第二步，在行进中，使用用于双目识别标定的两个ccd相机实时采集整体图像，并通过基于轮廓的匹配算法判断为树木图像时，行进装置停止移动，用于双目识别标定的ccd相机再次采集树木图像，单片机处理器对采集到的树木图像进行去噪处理，然后将去噪后的树木图像进行颜色阈值分割，设定颜色阈值，将前景图和背景图分开，对前景图进行rgb数值分析，识别判断植物是否正常或缺失必要元素或患病；与此同时，红外相机也在工作，采用热成像技术分析虫类散发的热辐射，设定红外阈值，通过分割算法，判断否有虫害；然后再应用双目视觉原理，标定定位缺素、病变或发虫区域，将用于双目识别标定的两个ccd相机和用于检测叶片上是否有虫的红外相机检测到的信号传递给单片机处理器；由单片机处理器控制升降装置的升降和减速旋转装置的转动，判断给药方式后，发送给药信号给远程开关阀，远程开关阀控制药罐和营养液罐的开关状态，从而对树木进行选择性喷撒。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

1、本发明通过全新的结构设计，通过水平圆锥齿轮和垂直圆锥齿轮配合实现套筒减速旋转，增强了喷头的可控性。

2、本发明安装有寻迹相机机架，内置ccd相机，相机可识别路面标记，并将信号传递给单片机处理器，由单片机处理器驱动电机控制小车前进，节省了大量人力。

3、本发明中的图像采集装置中采用两个ccd相机，运用了双目识别标定和颜色阈值分割方法可以识别树叶缺营养的地方，对采集的树叶图像进行去噪、g单通道灰度化、g通道颜色阈分割，识别判断植物是否正常或缺失必要元素或患病(如偏黄，缺氮，钾，亦或者叶片呈褐色干枯，黄萎病等)，如果需要给予营养液，则控制远程开关阀给予营养液，实现了定点给养，避免了浪费；采用红外相机，通过热成像技术分析昆虫、飞蛾等散发的热辐射，设定合适阈值，通过分割算法，判断否有虫害，识别有虫的区域，如有虫害则控制远程开关阀进行给药，避免了农药浪费，能够有效地保护环境。

4、本发明的护栏内可以放置多种药罐，通过单片机处理器对远程开关阀的控制，可实现树木给药的多样化和自动化，有效节省人力。

附图说明

图1为本发明基于可见光-红外技术的树木植保系统的整体结构示意图；

图2为本发明基于可见光-红外技术的树木植保系统的齿轮盒的立体结构示意图；

图3为本发明基于可见光-红外技术的树木植保系统的给药装置的立体结构示意图；

图4为本发明基于可见光-红外技术的树木植保系统的图像采集及处理装置的结构示意图；图5为本发明的工作流程图；

图中：10、车板；11、电源支撑板；12、支撑杆；13、直流电源；14、电机；15、主动轮；16、从动轮；17、车轴；18、车轮固定架；20、固定卡；21、支架杆；22、滚轮；23、转轴；24、液压缸；25、升降平台；26、蓄电池；50、护栏；511、药罐；512、营养液罐；52、药液导管；53、营养液管；54、远程开关阀；55、软管；56、套筒；57、喷药管；58、喷头；59、固定螺母；40、双目相机机架；41、红外相机机架；43、单片机处理器；42、寻迹照相机机架；30、齿轮盒；31、轴承盖板；32、垂直齿轮轴；33、滚子轴承；34、水平圆锥齿轮；35、垂直圆锥齿轮；36、水平齿轮轴；37、水平隔套；38、电机箱；39、遮雨板。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细描述，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。

本发明基于可见光-红外技术的树木植保系统(简称系统，参见图1-3)包括行进装置、升降装置、减速旋转装置、图像采集处理装置和给药装置；行进装置承载升降装置、减速旋转装置、图像采集处理装置和给药装置；

所述行进装置包括车板10、电源支撑板11、支撑杆12、直流电源13、电机14、主动轮15、从动轮16、车轴17和车轮固定架18；所述车板10的下表面前后均通过相应的支撑杆12连接有电源支撑板11，电源支撑板11的上表面放置直流电源13，电源支撑板11的下表面左右对称安装有车轮固定架18，每个车轮固定架18上均安装有一个车轮，相邻两个车轮之间通过车轴17连接；在位于车板10前方的两个车轮固定架18上均安装有电机14，电机14与直流电源13连接，电机14所连接的车轮为主动轮15，电机14给相应的主动轮提供动力，位于车板10后方的两个车轮为从动轮16；

所述升降装置包括固定卡20、支架杆21、滚轮22、转轴23、液压缸24、升降平台25和蓄电池26；多个支架杆21相互交叉连接固定，同一高度上的两个支架杆21通过转轴23连接，支架杆21相对转轴23能够自由转动，位于最底层的两个支架杆21上一端通过固定卡20固定在车板10上，另一端通过滚轮22与车板10滑动接触；位于最高层的两个支架杆21上的结构与位于最底层的两个支架杆21上的结构相同，一端通过相应的固定卡20固定在升降平台25下表面，另一端通过相应滚轮22与升降平台25下表面滑动接触；所述液压杆24固定在车板10上，且液压缸24的缸杆固定在最底层的转轴23与相对的最上层的转轴23之间，所述蓄电池26固定在车板10上，为液压缸24供电；在升降装置升降的过程中，与车板10滑动接触的滚轮22由支架杆21的牵引在车板10上滚动，与升降平台25滑动接触的滚轮22由相应支架杆21的牵引在升降平台25的下表面滚动；液压缸24的伸缩推动整个升降装置的升降；

所述减速旋转装置包括齿轮盒30、轴承盖板31、垂直齿轮轴32、滚子轴承33、水平圆锥齿轮34、垂直圆锥齿轮35、水平齿轮轴36、水平隔套37、电机箱38和遮雨板39；

所处齿轮盒30和电机箱38均固定在升降平台25的上表面，在齿轮盒30和电机箱38的上表面固定遮雨板39，用于保护电机箱38及齿轮盒30；所述齿轮盒30内安装有水平齿轮轴36和垂直齿轮轴32，所述水平齿轮轴36的中部安装有水平圆锥齿轮34，水平齿轮轴36的两端均通过一个滚子轴承33及轴承盖板31与齿轮盒30的前后板连接，水平齿轮轴36靠近电机箱38的一端穿出齿轮盒30，并与电机箱38内的电机输出轴连接；所述垂直齿轮轴32的一端连接垂直圆锥齿轮35，且垂直圆锥齿轮35与水平圆锥齿轮34相啮合，垂直齿轮轴32的另一端穿出齿轮盒30的上板及遮雨板39，并通过一个滚子轴承33及31与齿轮盒30的上板固定；

电机箱38内的电机带动水平齿轮轴36转动，在水平齿轮轴36前后两侧均套接有滚子轴承33，所述滚子轴承33内有滚子，滚子轴承33的内环能跟随滚子转动而转动，水平圆锥齿轮34套接在水平齿轮轴36上，水平齿轮轴36的水平转动可带动水平圆锥齿轮34在垂直方向转动，水平圆锥齿轮34与垂直圆锥齿轮35啮合，垂直圆锥齿轮35能带动垂直齿轮轴32转动。

所述给药装置(参见图3)包括护栏50、药罐511、营养液罐512、药液导管52、营养液管53、远程开关阀54、软管55、套筒56、喷药管57、喷头58和固定螺母59；

所述护栏50焊接在车板10上，药罐511和营养液罐512放置在护栏50内，所述药罐511和营养液罐512分别通过药液导管52和营养液管53与远程开关阀54的两个输入端连接；所述套筒56套接在位于齿轮盒30上方的垂直齿轮轴32上，套筒56的上端垂直连接喷药管57；所述喷药管57的一端连接喷头58，另一端通过软管55与远程开关阀54的输出端连接；软管55和喷药管57的连接处通过固定螺母59固定。

套筒56套接在减速旋转装置的垂直齿轮轴32上，能跟随垂直齿轮轴32转动而转动，进而带动喷头58转动。

所述图像采集处理装置(参见图4)包括单片机处理器43、三个ccd相机和一个用于检测叶片上是否有虫的红外相机，其中两个ccd相机用于双目识别标定，另一个ccd相机用于视觉寻迹；用于双目识别标定的两个ccd相机通过一对双目相机机架40固定在升降平台25上，红外相机通过红外相机机架41固定在所述一对双目相机机架40中间的升降平台25上；用于双目识别标定的两个ccd相机和红外相机的安装高度均与喷头58的高度相匹配；用于视觉寻迹的ccd相机通过寻迹相机机架42焊接在车板10的上，且位于车板10的前部，用于收集路面信息；所述单片机处理器43固定在遮雨板39下方的升降平台25上，单片机处理器43分别与三个ccd相机、一个红外相机、升降装置的液压缸、减速旋转装置的电机、远程开关阀及行进装置的电机电连接。

本发明基于可见光-红外技术的树木植保方法，该方法使用上述的系统，具体步骤是：

第一步，在待给药的植物区域的地面上设置白线，行进装置承载升降装置、减速旋转装置、图像采集处理装置及给药装置根据视觉寻迹的方式行进，行进的路线以白线做引导线，通过用于视觉寻迹的ccd相机采集对路面白线轨迹信息，并将路面检测信号反馈给单片机处理器，单片机处理器对采集到的信号进行分析并控制两个主动轮的转速；

第二步，在行进中，使用用于双目识别标定的两个ccd相机实时采集整体图像，并通过基于轮廓的匹配算法判断为树木图像时，行进装置停止移动，用于双目识别标定的ccd相机再次采集树木图像，单片机处理器对采集到的树木图像进行去噪处理，然后将去噪后的树木图像进行颜色阈值分割，取一个颜色阈值，将前景图和背景图分开，对前景图进行rgb数值分析，识别判断植物是否正常或缺失必要元素或患病(如偏黄，缺氮，钾，亦或者叶片呈褐色干枯，黄萎病等)；与此同时，红外相机也在工作，采用热成像技术，分析昆虫、飞蛾等散发的热辐射，设定红外阈值，通过分割算法，判断否有虫害；然后再应用双目视觉原理，标定定位缺素、病变或发虫区域，将用于双目识别标定的两个ccd相机和用于检测叶片上是否有虫的红外相机检测到的信号传递给单片机处理器；由单片机处理器控制升降装置的升降和减速旋转装置的转动，判断给药方式后，发送给药信号给远程开关阀，远程开关阀控制药罐和营养液罐的开关状态，从而对树木进行选择性喷撒。

本发明系统的工作流程是：打开该系统开关，视觉寻迹引导行进装置前进，行进中用于双目识别标定的ccd相机采集图像，ccd相机将图像传回单片机处理器，并通过基于轮廓的匹配算法判断是否为树木图像时，若检测到树木图像，则行进装置停止移动；若没有检测到树木图像，则行进装置继续在视觉寻迹引导下前进。

行进装置停止移动时，用于双目识别标定的ccd相机再次采集树木图像，单片机处理器对采集到的树木图像进行去噪处理，然后将去噪后的树木图像进行颜色阈值分割，取一个颜色阈值，将前景图和背景图分开，对前景图进行rgb数值分析，识别判断植物是否正常或缺失必要元素或患病；与此同时，红外相机也在工作，采用热成像技术，分析昆虫、飞蛾等散发的热辐射，设定红外阈值，通过分割算法，判断否有虫害。若植物只缺乏营养但没有虫，用于双目识别标定的ccd相机根据双目视觉原理标定三维坐标，给药喷头转动到相应位置，控制远程开关阀开启营养液罐阀门；若植物缺乏营养且有虫，用于双目识别标定的ccd相机根据双目视觉原理标定三维坐标，给药喷头转动到相应位置，控制远程开关阀开启营养液罐阀门和药罐阀门；若植物只有虫但不缺乏营养，用于双目识别标定的ccd相机根据双目视觉原理标定三维坐标，给药喷头转动到相应位置，控制远程开关阀开启药罐阀门；若植物既不缺乏营养，也没有虫，那么行进装置继续前进。

实施例1

本实施例基于可见光-红外技术的树木植保系统包括行进装置、升降装置、减速旋转装置、图像采集处理装置和给药装置；行进装置承载升降装置、减速旋转装置、图像采集处理装置和给药装置；

所述行进装置包括车板10、电源支撑板11、支撑杆12、直流电源13、电机14、主动轮15、从动轮16、车轴17、车轮固定架18。上述直流电源13放置于电源支撑板11上，通过四根支撑杆12连接在车板10下侧，用于给驱动两个主动轮15的电机供电；两个电机14的转轴分别焊接在电源支撑板11下侧的车轮固定架18，分别驱动两个主动轮15转动，两个从动轮16则通过后部电源支撑板11下的车轮固定架18与车轴17固定并连接。

所述升降装置包括固定卡20、支架杆21、滚轮22、转轴23、液压缸24、升降平台25、蓄电池26。上述支架杆21通过转轴23连接，每个支架杆21都可以通过转轴23自由转动，所述升降装置底部一侧通过一对固定卡20固定于车板10上，另一侧安装滚轮22，在升降装置升降的过程中，滚轮22由支架杆21的牵引在车板10上滚动，所述升降装置顶部一侧通过一对固定卡20固定在升降平台25下，另一侧通过安装有滚轮22的支架杆21支撑，在升降装置升降的过程中，滚轮22由支架杆21的牵引在升降平台25下滚动。上述液压缸24一侧连接在靠近升降平台25的转轴23上，另一侧连接在固定在车板10的转轴23上，液压缸24的伸缩推动整个升降装置的升降，蓄电池26为升降装置提供电能。

所述减速旋转装置包括齿轮盒30、轴承盖板31、垂直齿轮轴32、滚子轴承33、水平圆锥齿轮34、垂直圆锥齿轮35、水平齿轮轴36、水平隔套37、电机箱38、遮雨板39。上述齿轮盒30焊接在升降平台25上，垂直齿轮轴32中间凸台使滚子轴承33与轴承盖板31贴合，并与齿轮盒30的上板固定，滚子轴承33内有滚子，滚子轴承33的内环可跟随滚子转动而转动，垂直齿轮轴32的末段套接垂直圆锥齿轮35，垂直圆锥齿轮35可带动垂直齿轮轴32转动，水平圆锥齿轮34与垂直圆锥齿轮35啮合，水平圆锥齿轮34套接在水平齿轮轴36上，在水平齿轮轴36前后两侧分别套接有滚子轴承33，并由轴承盖板31固定在齿轮盒30的前后板上，水平齿轮轴36一侧向外伸出，与电机箱38转轴固定，电机箱38内提供电源，遮雨板39焊接在升降平台25上，用于保护电机箱38及齿轮盒30。

电机箱38内的电机带动水平齿轮轴36转动，在水平齿轮轴36前后两侧均套接有滚子轴承33，滚子轴承33的内环能跟随滚子转动而转动，水平齿轮轴36的水平转动可带动水平圆锥齿轮34在垂直方向转动，水平圆锥齿轮34与垂直圆锥齿轮35啮合，能使垂直锥齿轮35在水平方向转动，进而带动垂直齿轮轴32在垂直方向转动。

所述给药装置包括护栏50、药罐511、营养液罐512、药液导管52、营养液管53、远程开关阀54、软管55、套筒56、喷药管57、喷头58、固定螺母59。所述护栏50焊接在车板10上，药罐511和营养液罐512放置在护栏50内，药液导管52连接药罐511和远程开关阀54的一个输入端，营养液管53连接营养液罐512和远程开关阀54的另一个输入端，套筒56套接在减速旋转装置的垂直齿轮轴32上，可跟随垂直齿轮轴32转动而转动，套筒56最顶端有孔，喷药管57穿过套筒56顶端连接喷头58，喷药管57和远程开关阀54的输出端之间采用软管55连接，并用一对固定螺母59固定。

上述实施例仅为本发明的较佳的实例而已，并非是对本发明实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本发明中所述的基于轮廓的匹配算法、双目视觉原理、颜色阈值分割、分割算法均为现有技术。

本发明未述及之处适用于现有技术。