专利名称：自适应施药控制装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及自动化与检测技术领域，尤其涉及一种基于嵌入式系统的自适应 施药控制装置。
背景技术：
篱架型作物喷雾机自适应控制系统是根据篱架型作物的生长特点，通过机器视觉 与图像信息处理、超声波测距、嵌入式等方面的技术手段对施药对象的位置、数量等信息进 行处理判断，自动完成对施药目标的跟踪、施药剂量与喷射压力等方面的调节操作，从而实 现对目标对象的实时动态作业，以达到精准而又定量施药的目的。该系统能够有效的提高 防治效果，减少药物流失，提高农药的利用率，减少人畜中毒和降低对环境的污染。从上个世纪90年代开始，一些发达国家(以美国、日本为代表)已经开始研究面 向农业生产的农药可变量应用。Giles D. K和D. C. Slaughter (1997)研制了一种基于机器 视觉的精确施药装置，该系统由机器视觉导向系统使喷头直接位于每一行作物的上方，并 能根据目标作物的宽度自动调节扇形喷头相对于前进方向的偏转角度，从而保证雾滴分布 宽度与目标作物宽度相一致，以减少农药的浪费。目前，我国在自动化施药技术的研究应用 中还处于起步阶段，也取得了一系列成果。安徽农业大学邵陆寿等研究了一套基于模糊控 制的变量施药控制系统，通过摄像头获取田间作物生长密度信息、病虫害发生等级信息，由 单片机控制施药系统自动完成农药配制。目前，国内的精确施药系统大多基于机器视觉来获取靶标的特征信息，利用单片 机来实现对施药系统的控制。但其图像处理部分都采用PC机来实现，这就存在成本过高、 可扩展性不高的缺点，此外，还存在功耗高、体积大、不便携带的缺点，同时利用单片机来实 现对系统的控制，大大影响了系统的实时性和准确性。
实用新型内容(一)技术问题本实用新型要解决的一个技术问题是提高施药系统可扩展性，降低系统功耗，减 小系统体积。( 二 )技术方案为达到所述目的，本实用新型提供了一种自适应施药控制装置图像采集器，与微 处理器连接，用于根据微处理器的采集命令连续采集多帧施药对象图像，获取施药对象冠 层稀疏度信息，并将所述冠层稀疏度信息发送至微处理器；信息采集与控制器，与微处理器 连接，用于根据微处理器的采集命令采集施药状态信息，将所述施药状态信息发送至微处 理器，并根据所述微处理器的控制命令驱动施药机构，以实现自适应控制施药；测距器，与 微处理器连接，用于对施药对象进行超声波测距，并将获得的距离信息发送至微处理器；微 处理器，用于向所述图像采集器、信息采集与控制器、以及测距器发送采集命令，根据所述 冠层稀疏度信息、施药状态信息、以及距离信息生成控制命令，并将所述控制命令发送给所述信息采集与控制器。其中，所述图像采集器包括图像采集模块，与图像处理模块连接，用于根据所述 采集命令连续采集多帧施药对象图像，并将采集到的图像帧发送至图像处理模块；图像处 理模块，用于对所述图像帧逐帧进行处理，获得包含施药对象冠层稀疏度信息的数字信号， 并将所述数字信号发送至所述微处理器；串口通信模块，与图像处理模块连接，用于根据所 述包含施药对象冠层稀疏度信息的数字信号通过串口与所述微处理器通信。其中，所述图像采集器还包括输出模块，与显示模块连接，用于将当前处理的图 像帧转换为模拟信号，并发送至显示模块；显示模块，用于实时显示所述输出模块发送的当 前处理的图像帧。其中，所述信息采集与控制器包括信息采集模块，用于根据所述采集命令采集施 药状态信息，并将所述施药状态信息发送至微处理器；控制模块，用于根据所述控制命令输 出驱动信号至驱动电路；驱动电路，与控制模块连接，用于根据所述驱动信号，驱动施药机 构，以实现自适应控制施药；CAN总线通信模块，用于通过CAN总线与所述微处理器通信。其中，所述微处理器包括通信模块，通过串口或CAN总线与所述图像采集器、信 息采集与控制器、以及测距器通信，获取所述冠层稀疏度信息、施药状态信息、以及距离信 息；控制命令生成模块，与通信模块连接，用于根据所述冠层稀疏度信息、施药状态信息、以 及距离信息生成控制命令，并发送至所述信息采集与控制器；显示模块，用于实时显示所述 施药状态信息以及实现人机交互。其中，所述测距器包括超声波测距模块，利用超声波传感器获取距离信息；通信 模块，通过串口与所述微处理器通信。其中，所述图像采集器为TMS320DM642型DSP。其中，所述信息采集与控制器为TMS320F2806型DSP。其中，所述测距器为STC11F02E型单片机。其中，所述微处理器为S3C2410型ARM微处理器。(三)有益效果本实用新型装置具有功耗低、集成度高、便携性好等优点。其包含了 TMS320DM642、 TMS320F2806、STC11F02E和S3C2410四个处理器，TMS320DM642负责大数据量的图像处理运 算，TMS320F2806负责对多传感器信号的采集和施药执行机构末端的控制，S3C2410负责主 控制算法的执行和对触摸屏的控制，单片机(STC11F02E)完成超声波测距。超声波测距和 位移传感器信息可以计算出喷杆到冠层的距离，实现靶标的精确定位。触摸屏实现了各参 数的实时显示，并且具有人机交互功能，由操作员来决定施药工作开始和结束。另外，本装 置有很强的可扩展性，只要对算法稍加改动就可以应用到其他相关的作物施药装置中。
图1为依照本实用新型一种实施方式的自适应施药控制装置的结构示意图；图2为依照本实用新型一种实施方式的自适应施药控制装置的 DSP (TMS320DM642)结构示意图；图3为依照本实用新型一种实施方式的自适应施药控制装置的 DSP (TMS320F2806)结构示意图；[0023]图4为依照本实用新型一种实施方式的自适应施药控制装置的单片机 (STC11F02E)结构示意图；图5为依照本实用新型一种实施方式的自适应施药控制装置的ARM(S3C2410)结 构示意图；图6为依照本实用新型一种实施方式的自适应施药控制装置的 DSP (TMS320DM642)软件结构示意图；图7为依照本实用新型一种实施方式的自适应施药控制装置的 DSP (TMS320F2806)软件结构示意图；图8为依照本实用新型一种实施方式的自适应施药控制装置的单片机 (STC11F02E)软件结构示意图；图9为依照本实用新型一种实施方式的自适应施药控制装置的ARM(S3C2410)软 件结构示意图。
具体实施方式
本实用新型的自适应施药控制装置，结合附图和实施例详细说明如下。本实用新型的装置是为篱架型作物喷雾机而设计的。如图1所示，依照本实用新 型一种实施方式的自适应施药控制装置的硬件系统包括四个部分图像采集器1，用于根 据微处理器4的采集命令连续采集多帧施药对象图像，获取施药对象冠层稀疏度信息，并 将冠层稀疏度信息发送至微处理器4 ；信息采集与控制器2，用于根据微处理器4的采集命 令采集施药状态信息，将施药状态信息发送至微处理器4，并根据微处理器4的控制命令驱 动施药机构，以实现自适应控制施药；测距器3，用于对施药对象进行超声波测距，并将获 得的距离信息发送至微处理器4 ；微处理器4，用于向图像采集器1、信息采集与控制器2、以 及测距器3发送采集命令，根据冠层稀疏度信息、施药状态信息、以及距离信息生成控制命 令，并将控制命令发送给信息采集与控制器2。图像采集器1为高性能32位定点TMS320DM642型DSP (Digital Signal Processing,数字信号处理)TMS320DM642型DSP，信息采集与控制器2为32位定 点TMS320F2806型DSP，测距器3为STC11F02E型单片机，微处理器4为S3C2410型 ARM (Advanced RISC Machines，精简指令集计算机高级机器)微处理器。ARM(S3C2410) 与DSP (TMS320DM642)之间的通信通过串口(RS232)来实现，ARM(S3C2410)与 DSP (TMS320F2806)模块之间的通信通过CAN(ControIler Area Network，控制器局域网络) 总线来实现，ARM(S3C2410)与单片机(STC11F02E)之间的通信通过串口(RS485)来实现。其中，作为图像采集器1的TMS320DM642型DSP，DM642是美国德州仪器公司(Tl) 专门多路视频输入输出设计的数字信号处理芯片。其运算功能强大，建立在第二代高性能 长指令字结构上，可以并行处理8条指令，非常适用于数字图像处理。本实用新型装置的硬 件设计中，其工作主频选择为600MHz，根据项目的需要，除了扩展必须的存储器部分以及视 频采集与播放部分外，主要扩展了多路异步串口功能，方便与ARM(S3C2410)相互通信。依 照本实用新型一种实施方式的DM642包括图像采集模块、图像处理模块、串口通信模块、 输出模块以及显示模块。其硬件系统组成如图2所示，为了完成双目识别所需的两路视频图像的采集，该DM642设计了两路模拟视频输入。将作为图像采集模块的两路摄像头根据采集命令连续采 集的多帧施药对象图像，通过作为图像处理模块的解码芯片(型号为TI公司的TVP5150，共 计2片)逐帧进行处理，按ITU-BT. 656格式转化为8位的数字视频流，分别发送到DM642 的VP2 口的A、B两路通道中。图像的行同步、场同步信号均内嵌在视频数据流的EAV和SAV 时基信号中，视频口只需视频采样时钟和采样使能信号即可。DM642可以通过编程实现数 字视频图像的几帧连续采集。当有一帧图像正在处理的时候，其它剩余的缓冲区还可以实 现循环采集，从而解决了恒速的视频采集与变速的图像处理之间的矛盾。本系统还扩展了 一路视频输出，用于实时显示当前处理帧图像，方便项目开发过程中的实时监控与处理。当 项目完成后，此部分功能可以不用。视频输出模块由Phillips公司的SAA7121芯片(共计 1片)编码实现。SAA7121将从DM642的VPOA 口输出的数字信号编码成PAL制式的模拟信 号输出给外接的作为显示模块的显示屏。DSP(TMS320F2806)作为施药状态传感器信号采集平台和施药执行机构末端控制 平台，实现对各传感器信号的实时采集和对施药装置的控制。它主要由4部分组成信息 采集模块，即传感器信号采集平台，用来根据采集命令，对该装置工作时环境变化状态量进 行采集，并将采集到的施药状态信息发送至微处理器；控制模块，即执行末端控制平台，根 据环境变化根据控制命令，通过数字信号输出发送驱动信号至驱动电路；驱动电路，根据 驱动信号对施药装置进行自适应调整，从而实现自适应控制施药；CAN总线通信模块，用于 通过CAN总线与实现与ARM微处理器的通信。其硬件系统组成如图3所示，系统主要用 到TMS320F2806的模/数转换单元(ADC)，增强捕捉单元(eCAP)，增强正交编码脉冲单元 (eQEP)和eCAN总线单元。ADC单元用来获得喷杆位移信息、施药压力信息、药箱液位信息， eCAP单元用来获得药液流速信息，eQEP单元用来获得车速信息，eCAN单元用来实现与ARM 模块的通信。单片机(STC11F02E)主要实现功能包括两部分超声波测距模块，利用超声波传 感器实现该模块到植物冠层的距离探测；通信模块，通过串口(RS485)与ARM的通信。可选 用宏晶科技STC11/10XX系列中的STC11F02E单片机。STC11/10XX系列单片机是宏晶科技 设计生产的单时钟/机器周期(IT)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051 单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成高可靠复位电路，针对高 速通信，智能控制，强干扰场合。其硬件系统组成如图4所示，利用一对超声波传感器实现 对距离的探测，串口(RS485)来实现与ARM的通信。ARM(S3C2410)作为装置的控制部分，主要完成三个任务。一个是由通信模块 通过串口(包括 RS232 和 RS485)、CAN 总线与 DSP (TMS320DM642)、单片机(STC11F02E)、 DSP (TMS320F28606)进行通信，获取冠层稀疏度信息、超声波测距探测到的距离信息 和施药状态传感器的施药状态信息。另一个任务是由控制命令生成模块运行施药控 制算法，根据冠层稀疏度信息、施药状态信息、以及距离信息生成控制命令，并发送至 DSP(TMS320F28606)；第三个任务是由显示模块实现在触摸屏上实时显示施药状态传感器 采集的施药状态信息以及实现人机交互功能。该硬件系统组成如图5所示，ARM模块采用S3C2410处理器，系统主频最高 266Mhz, SDRAM 选用 HY57V561620CT-H，存储大小为 32MB，FLASH 选用 U-K9F1208UDM-YC80， 存储大小为64M。本系统利用MCP2510与TJA1050扩展了 CAN总线接口。系统还扩展了
7ETHERNET接口，两个RS232, 一个RS485, USB HOST和USBSLAVE接口，可以满足常规的通信需要。依照本实用新型一种实施方式的自适应施药控制装置软件系统由四部分组成 DSP(TMS320DM642)完成作物冠层稀疏度算法，ARM(S3C2410)完成控制算法和实现触摸屏 界面显示以及实现人机交互功能，DSP(TMS320F2806)完成施药状态传感器信息采集和控制 施药装置的自适应调整，单片机(STC11F02E)完成超声波测距功能。其中，DM642完成冠层稀疏度算法，结合DM642自身特点，设计与实现了 DM642整 体程序框架以及冠层稀疏度检测算法。整体程序流程图如图6所示。获得包含施药对象冠 层稀疏度信息的数字信号，并将所述数字信号发送至微处理器。在冠层稀疏度检测算法中，首先是DM642模块接收ARM的采集命令，然后通过对所 采集的一路图像进行色彩空间变换获得图像的RGB分量，利用2G-R-B的组合提取出绿色分 量，之后对图像进行二值化处理，分割出叶片。图像分割时根据光线情况有两种分割方法 (a)进行灰度变换后利用Otsu算法进行求取阈值，进行图像分割；(b)应用定阈值法进行图 像分割。图像分割的方法可由操作员在触摸屏上进行设置。最后，冠层稀疏度信息通过串 口发送给ARM。DSP(TMS302F2806)完成对施药状态传感器信号的采集以及接收ARM命令，完成对 施药执行机构末端的控制。整体程序流程如图7所示。首先，F2806判断是收到CAN数据， 然后解析CAN命令。CAN命令分为传感器采集命令和施药装置控制命令。(a)信息采集命 令，通过ADC单元、eCAP单元、eQEP单元采集位移传感器、压力传感器、液位传感器、流速 传感器、速度传感器信息，采集的传感器信息通过CAN总线返回给ARM单元；(b)施药装置 控制命令，通过GPIO来控制喷杆的伸缩以及压力调节，控制状态信息通过CAN总线返回给 ARM。单片机(STC11F02E)实现超声波测距功能，并通过串口将距离信息返回给ARM。整 体程序流程如图8所示。首先，单片机模块判断是否收到ARM命令，接收到ARM命令后，通 过Pl. 0 口发送40KHz方波驱动超声波传感器，然后判断是否有回波信号，如果有则利用往 返时间检测法计算距离，并通过串口返回给ARM。ARM(S3C2410)完成控制算法和触摸屏界面显示以及实现人机交互功能。ARM的软 件设计共创建两个进程，分别是“信息显示与人机交互进程”和“信息获取与处理进程”。“信 息显示与人机交互进程”完成信息的实时显示和人机交互。“信息获取与处理进程”完成各 种信息的获取，如获取冠层稀疏度信息，各传感器信息和超声波距离信息，同时该进程还对 这些信息进行处理和决策，并通过CAN总线将决策信息返回给TMS320F2806模块，完成对施 药执行机构末端的自适应调整，实现对整个系统的实时控制。ARM的整体流程为启动、建立“信息显示与人机交互进程”，进行必要的系统检测 后，根据用户输入信息来决定是否创建“信息获取与处理进程”，用户在界面上单击开始工 作按钮后运行“信息获取与处理进程”，之后根据用户输入判断是否结束“信息获取与处理 进程”，如果用户在界面上单击结束按钮则结束“信息获取与处理进程”。两个进程通过FIFO 与共享存储区协调同步工作。整体程序流程图如图9所示。图6 9中的“Y”表示“是”， “N”表示“否”。以下描述本实用新型装置的工作过程。[0046]本装置上电以后，ARM启动主控制算法，接收操作员的控制命令。操作员在触摸 屏上点击施药开始按钮，系统进行初始化，包括打开喷头，调节压力等。然后ARM通过串口 (RS232、RS485)和CAN总线发送采集命令到DM642、单片机、以及F2806，分别获得冠层稀疏 度信息、距离信息、施药状态信息。利用超声波测距和位移传感器信息来对靶标进行精确定 位，利用冠层稀疏度信息来判断施药量的大小，调节施药压力。ARM根据获得的信息得到对 喷杆、压力的控制参数，通过CAN总线发送到TMS320F2806对施药装置进行控制，完成对喷 杆的伸缩操作使喷杆始终处于施药最佳距离，对压力进行调节使施药装置的压力始终处于 最佳施药压力以此来控制施药量，达到精确施药的目的，如此循环，直到操作员在触摸屏上 点击施药结束按钮，结束施药工作。开放式结构的控制系统要求机械，传感器，控制三部分分开，根据对象的不同可以 灵活改变各个部分的配置。本实用新型将嵌入式控制系统应用到篱架型作物高效施药系 统中，将图像处理、控制、传感器信息的获取以及超声波测距分别交由DSP(TMS320DM642)、 ARM(S3C2410), DSP(TMS320F2806)以及单片机(STC11F02E)完成，能够根据处理对象的改 变，分别更改各组成部分的软件设计部分。这种分开式的软件管理方法，较以往在PC机上 面算法的过于集中，修改难度大和灵活性较差等方面都有了较大的提高。以上实施方式仅用于说明本实用新型，而并非对本实用新型的限制，有关技术领 域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和 变型，因此所有等同的技术方案也属于本实用新型的范畴，本实用新型的专利保护范围应 由权利要求限定。
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权利要求一种自适应施药控制装置，其特征在于，该装置包括图像采集器，与微处理器连接，用于根据微处理器的采集命令连续采集多帧施药对象图像，获取施药对象冠层稀疏度信息，并将所述冠层稀疏度信息发送至微处理器；信息采集与控制器，与微处理器连接，用于根据微处理器的采集命令采集施药状态信息，将所述施药状态信息发送至微处理器，并根据所述微处理器的控制命令驱动施药机构，以实现自适应控制施药；测距器，与微处理器连接，用于对施药对象进行超声波测距，并将获得的距离信息发送至微处理器；微处理器，用于向所述图像采集器、信息采集与控制器、以及测距器发送采集命令，根据所述冠层稀疏度信息、施药状态信息、以及距离信息生成控制命令，并将所述控制命令发送给所述信息采集与控制器。
2.如权利要求1所述的自适应施药控制装置，其特征在于，所述图像采集器包括图像采集模块，与图像处理模块连接，用于根据所述采集命令连续采集多帧施药对象 图像，并将采集到的图像帧发送至图像处理模块；图像处理模块，用于对所述图像帧逐帧进行处理，获得包含施药对象冠层稀疏度信息 的数字信号，并将所述数字信号发送至所述微处理器；串口通信模块，与图像处理模块连接，用于根据所述包含施药对象冠层稀疏度信息的 数字信号通过串口与所述微处理器通信。
3.如权利要求2所述的自适应施药控制装置，其特征在于，所述图像采集器还包括 输出模块，与显示模块连接，用于将当前处理的图像帧转换为模拟信号，并发送至显示模块；显示模块，用于实时显示所述输出模块发送的当前处理的图像帧。
4.如权利要求1所述的自适应施药控制装置，其特征在于，所述信息采集与控制器包括信息采集模块，用于根据所述采集命令采集施药状态信息，并将所述施药状态信息发 送至微处理器；控制模块，用于根据所述控制命令输出驱动信号至驱动电路； 驱动电路，与控制模块连接，用于根据所述驱动信号，驱动施药机构，以实现自适应控 制施药；CAN总线通信模块，用于通过CAN总线与所述微处理器通信。
5.如权利要求1所述的自适应施药控制装置，其特征在于，所述微处理器包括通信模块，通过串口或CAN总线与所述图像采集器、信息采集与控制器、以及测距器通 信，获取所述冠层稀疏度信息、施药状态信息、以及距离信息；控制命令生成模块，与通信模块连接，用于根据所述冠层稀疏度信息、施药状态信息、 以及距离信息生成控制命令，并发送至所述信息采集与控制器； 显示模块，用于实时显示所述施药状态信息以及实现人机交互。
6.如权利要求1所述的自适应施药控制装置，其特征在于，所述测距器包括 超声波测距模块，利用超声波传感器获取距离信息；通信模块，通过串口与所述微处理器通信。
7.如权利要求1-6任一项所述的自适应施药控制装置，其特征在于，所述图像采集器 为 TMS320DM642 型 DSP。
8.如权利要求1-6任一项所述的自适应施药控制装置，其特征在于，所述信息采集与 控制器为TMS320F2806型DSP。
9.如权利要求1-6任一项所述的自适应施药控制装置，其特征在于，所述测距器为 STC11F02E型单片机。
10.如权利要求1-6任一项所述的自适应施药控制装置，其特征在于，所述微处理器为 S3C2410型ARM微处理器。
专利摘要本实用新型公开了一种自适应施药控制装置，该装置包括图像采集器，用于根据微处理器的采集命令连续采集多帧施药对象图像，获取施药对象冠层稀疏度信息，并将冠层稀疏度信息发送至微处理器；信息采集与控制器，用于根据微处理器的采集命令采集施药状态信息，将施药状态信息发送至微处理器，并根据微处理器的控制命令驱动施药机构，以实现自适应控制施药；测距器，用于对施药对象进行超声波测距，并将获得的距离信息发送至微处理器；微处理器，用于发送采集命令，根据冠层稀疏度信息、施药状态信息、以及距离信息生成控制命令，并将控制命令发送给信息采集与控制器。本实用新型的装置可提高施药系统可扩展性，降低系统功耗，减小系统体积。
文档编号G05B19/418GK201741031SQ20102050623
公开日2011年2月9日 申请日期2010年8月26日 优先权日2010年8月26日
发明者候天星, 王屹, 王库, 高业剑 申请人:中国农业大学