本發(fā)明涉及圖像處理技術(shù)，具體涉及一種激光智能除草方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、雜草是可持續(xù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要制約因素之一，雜草從土壤中吸收的養(yǎng)分與作物基本相同，雜草對養(yǎng)分、水和陽光的競爭極大的危害了農(nóng)作物的生長發(fā)育，雜草每年在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中造成巨大的經(jīng)濟損失，而且雜草作為眾多農(nóng)田病蟲害的傳播媒介與中間宿主，會造成農(nóng)田病蟲害爆發(fā)，導(dǎo)致作物產(chǎn)量和質(zhì)量降低。

2、目前在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，主要采取人工或機器噴灑除草劑的方式進行田間除草作業(yè)，這種除草方式不僅會對當期作物的生長發(fā)育產(chǎn)生不良影響，而且殘留的除草劑對土壤產(chǎn)生污染難以去除，影響后續(xù)作物的產(chǎn)量，尤其是對于間作輪作的農(nóng)田，同時也會對作業(yè)人員的身體健康造成嚴重的威脅，收獲后作物上的農(nóng)藥殘留也會影響農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)和安全性。

3、隨著技術(shù)的發(fā)展，目前市面上出現(xiàn)了智能激光除草機器人。通過規(guī)劃路徑和自動導(dǎo)航可以控制機器人在田間自動行走；在機器人行走過程中通過圖像識別對雜草進行識別和定位，并控制激光器向雜草輸出激光，使激光光束準確聚焦于草上，通過熱效應(yīng)將草割斷或燒死。通過這種技術(shù)可以實現(xiàn)對雜草的精準消滅，并能避免作物接觸到除草劑。

4、現(xiàn)有的激光除草機器人，其激光輸出功率以及對單株雜草的激光照射時長是設(shè)定好的特定值，并未考慮雜草的種類、植株大小等因素。對于殺除較小、較脆弱的雜草，設(shè)定的激光功率和照射時長往往是富余的，可以保證對其有效殺滅的，這種情況下會造成不必要的能量浪費；而對于殺除較大、較強健的雜草，設(shè)定的激光功率和照射時長可能是不足的，不能保證對其有效殺滅，這種情況下會影響到除草效果。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、基于上述表述，本發(fā)明提供了一種激光智能除草方法及除草裝置，可以根據(jù)雜草的種類以及植株大小自動調(diào)節(jié)激光輸出功率，改善除草效果并能減少不必要的能量浪費。

2、本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：

3、一種激光智能除草方法，包括以下步驟：

4、s1、根據(jù)田壟的位置和走向為除草裝置制定導(dǎo)航路徑；

5、s2、將導(dǎo)航路徑下發(fā)至除草裝置；

6、s3、啟動除草工作后，控制除草裝置沿導(dǎo)航路徑行走；在除草裝置田間行走過程中拍攝和采集其下方的圖像；對采集到的圖像進行處理，識別圖像中的雜草特征從而實現(xiàn)對雜草種類和植株大小的識別和判斷，并根據(jù)各個雜草區(qū)域在圖像中的相對位置對各個雜草區(qū)域中心坐標位置進行定位以及計算各個雜草區(qū)域的面積；

7、s4、確定各個雜草區(qū)域的激光照射面積，并根據(jù)雜草的種類和植株大小對各個雜草區(qū)域的激光照射功率進行實時修正；

8、s5、根據(jù)各個雜草區(qū)域的中心坐標位置確定激光器的位置調(diào)節(jié)參數(shù)，根據(jù)雜草區(qū)域的面積確定照射光斑的大?。?/p>

9、s6、依據(jù)位置調(diào)節(jié)參數(shù)依次將激光器移動至各個雜草區(qū)域的正上方，控制激光器向下發(fā)出激光并調(diào)節(jié)激光光斑至對應(yīng)大小，同時控制激光功率至對應(yīng)的修正值對雜草區(qū)域進行照射。

10、作為優(yōu)選方案：s3步驟中，構(gòu)建基于深度學(xué)習(xí)的雜草識別模型，將不同種類雜草的大量圖像樣本輸入至雜草識別模型，對模型進行訓(xùn)練和測試，使模型達到所需的準確度；在除草裝置工作過程中，拍攝獲得圖像數(shù)據(jù)后，將圖像輸出至雜草識別模型，雜草識別模型自動識別出雜草的種類并將雜草所在區(qū)域進行框選，框中的區(qū)域即為雜草區(qū)域；從雜草區(qū)域引出兩條對角線，兩條對角線的交叉點即為雜草其余的中心點；再對圖像進行坐標化處理即可獲得雜草區(qū)域的中心點坐標以及四個角點的坐標，將圖像中角點的坐標換算成真實世界坐標，并據(jù)此計算出各個雜草區(qū)域的面積。

11、作為優(yōu)選方案：s4步驟中，當雜草識別模型識別到圖像中的雜草并對框選出雜草所在區(qū)域后，圖像處理單元將框選區(qū)域的圖像分割出來，得到目標圖像；對目標圖像中雜草的葉片尖端特征進行識別和定位，以目標圖像的中心點坐標為基準，選取與基準點最近的尖端點作為有效點位，根據(jù)坐標計算出有效點位與基準點的距離，將該距離定義為雜草植株的覆蓋半徑，覆蓋半徑越大則植株越大；預(yù)先單獨對各個種類雜草在不同植株大小的情況下所需的激光照射功率進行標定；在除草過程中，當識別到雜草的種類和植株大小后，自動調(diào)取對應(yīng)的激光照射功率，即得到修正后的照射功率。

12、作為優(yōu)選方案：在s3步驟中拍攝圖像時通過向下方拍攝區(qū)域進行補光，獲取補光后的圖像，補光后有水跡的部位會呈現(xiàn)高反光；s4步驟中得到目標圖像后，復(fù)制得到目標圖像副本，對目標圖像副本進行二值化處理得到二值化圖像，在二值化圖像中可以清晰體現(xiàn)雜草植株的外形輪廓以及水跡輪廓，隨后截取外形輪廓包覆的圖塊，將圖塊均勻劃分為網(wǎng)格陣列，對各個網(wǎng)格單元的邊緣部位以及中心部位的一定數(shù)量的像素點進行掃描并讀取這些像素點的色值，計算這些像素點的平均色值并將平均色值與預(yù)設(shè)的色值進行比較，當前置大于后者時認為當前網(wǎng)格單元存在水跡，否則認為不存在水跡；接著統(tǒng)計存在水跡的網(wǎng)格單元數(shù)量并計算其與總網(wǎng)格數(shù)量的比值f1；對f1值預(yù)設(shè)若干組數(shù)值區(qū)間，針對各組數(shù)值區(qū)間標定功率修正系數(shù)k1，k1>1，不同的數(shù)值區(qū)間對應(yīng)不同的k1值；具體來說，數(shù)值區(qū)間越大，k1值越大；

13、s4步驟中同時提取二值化圖像中的雜草植株輪廓，將目標圖像原圖和副本對齊并將輪廓映射到目標圖像原圖上，在目標圖像原圖上落在輪廓內(nèi)的區(qū)域截取一定大小的圖像作為顏色比對圖像，隨機掃描顏色比對圖像內(nèi)若干像素點的色值，計算出平均色值，并將平均設(shè)置與該種雜草葉片的參考色值進行比較并計算出色值偏差值f2(偏差值等于葉片色值減去參考色值得到色值差，再將色值差除以參考色值，即可得到偏差值)，若顏色偏灰偏淺，說明雜草葉片上有積灰情況；同樣的，需要對葉片色值偏差值f2預(yù)設(shè)若干組數(shù)值區(qū)間，針對各組數(shù)值區(qū)間標定功率修正系數(shù)k2，k2>1，不同的數(shù)值區(qū)間對應(yīng)不同的k2值；數(shù)值區(qū)間越大，k2值越大；

14、在修正激光照射功率時候，根據(jù)公式p1＝p0×k1×k2，式中p0為當前種類、當前大小的雜草植株對應(yīng)的標定的激光照射功率，p1為修正后的激光照射功率。

15、作為優(yōu)選方案：s5步驟中，根據(jù)激光器當前所在位置的坐標，以及待處理的雜草區(qū)域的中心坐標計算出激光器所需的移動參數(shù)，即位置調(diào)節(jié)參數(shù)；照射光斑的大小等于雜草區(qū)域矩形邊界的內(nèi)接圓大小。

16、一種激光智能除草裝置，用于執(zhí)行權(quán)利要求1-5任意一項所述的除草方法，該裝置包括主控模塊，還包括與主控模塊連接的避障傳感器、存儲模塊、攝像頭模塊、閃光燈模塊、電源模塊、光斑調(diào)節(jié)機構(gòu)、運動控制模塊、激光驅(qū)動模塊、牽引控制模塊、舵機控制模塊、導(dǎo)航定位模塊以及通信模塊。

17、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本申請的技術(shù)方案具有以下有益技術(shù)效果：通過上述方法可以實現(xiàn)根據(jù)雜草的種類和植株大小對激光照射功率的實時自動調(diào)節(jié)，可以改善除草效果同時減少不必要的能量浪費。

技術(shù)特征：

1.一種激光智能除草方法，其特征是，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光智能除草方法，其特征是：s3步驟中，構(gòu)建基于深度學(xué)習(xí)的雜草識別模型，將不同種類雜草的大量圖像樣本輸入至雜草識別模型，對模型進行訓(xùn)練和測試，使模型達到所需的準確度；在除草裝置工作過程中，拍攝獲得圖像數(shù)據(jù)后，將圖像輸出至雜草識別模型，雜草識別模型自動識別出雜草的種類并將雜草所在區(qū)域進行框選，框中的區(qū)域即為雜草區(qū)域；從雜草區(qū)域引出兩條對角線，兩條對角線的交叉點即為雜草其余的中心點；再對圖像進行坐標化處理即可獲得雜草區(qū)域的中心點坐標以及四個角點的坐標，將圖像中角點的坐標換算成真實世界坐標，并據(jù)此計算出各個雜草區(qū)域的面積。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光智能除草方法，其特征是：s4步驟中，當雜草識別模型識別到圖像中的雜草并對框選出雜草所在區(qū)域后，圖像處理單元將框選區(qū)域的圖像分割出來，得到目標圖像；對目標圖像中雜草的葉片尖端特征進行識別和定位，以目標圖像的中心點坐標為基準，選取與基準點最近的尖端點作為有效點位，根據(jù)坐標計算出有效點位與基準點的距離，將該距離定義為雜草植株的覆蓋半徑，覆蓋半徑越大則植株越大；預(yù)先單獨對各個種類雜草在不同植株大小的情況下所需的激光照射功率進行標定；在除草過程中，當識別到雜草的種類和植株大小后，自動調(diào)取對應(yīng)的激光照射功率，即得到修正后的照射功率。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光智能除草方法，其特征是：在s3步驟中拍攝圖像時通過向下方拍攝區(qū)域進行補光，獲取補光后的圖像，補光后有水跡的部位會呈現(xiàn)高反光；s4步驟中得到目標圖像后，復(fù)制得到目標圖像副本，對目標圖像副本進行二值化處理得到二值化圖像，在二值化圖像中可以清晰體現(xiàn)雜草植株的外形輪廓以及水跡輪廓，隨后截取外形輪廓包覆的圖塊，將圖塊均勻劃分為網(wǎng)格陣列，對各個網(wǎng)格單元的邊緣部位以及中心部位的一定數(shù)量的像素點進行掃描并讀取這些像素點的色值，計算這些像素點的平均色值并將平均色值與預(yù)設(shè)的色值進行比較，當前置大于后者時認為當前網(wǎng)格單元存在水跡，否則認為不存在水跡；接著統(tǒng)計存在水跡的網(wǎng)格單元數(shù)量并計算其與總網(wǎng)格數(shù)量的比值f1；對f1值預(yù)設(shè)若干組數(shù)值區(qū)間，針對各組數(shù)值區(qū)間標定功率修正系數(shù)k1，k1>1，不同的數(shù)值區(qū)間對應(yīng)不同的k1值；具體來說，數(shù)值區(qū)間越大，k1值越大；

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光智能除草方法，其特征是：s5步驟中，根據(jù)激光器當前所在位置的坐標，以及待處理的雜草區(qū)域的中心坐標計算出激光器所需的移動參數(shù)，即位置調(diào)節(jié)參數(shù)；照射光斑的大小等于雜草區(qū)域矩形邊界的內(nèi)接圓大小。

6.一種激光智能除草裝置，用于執(zhí)行權(quán)利要求1-5任意一項所述的除草方法，其特征是：該裝置包括主控模塊，還包括與主控模塊連接的避障傳感器、存儲模塊、攝像頭模塊、閃光燈模塊、電源模塊、光斑調(diào)節(jié)機構(gòu)、運動控制模塊、激光驅(qū)動模塊、牽引控制模塊、舵機控制模塊、導(dǎo)航定位模塊以及通信模塊。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種激光智能除草方法及裝置：S1、為除草裝置制定導(dǎo)航路徑；S2、將導(dǎo)航路徑下發(fā)；S3、啟動除草工作后，在除草裝置田間行走過程中拍攝雜草圖像；識別圖像中的雜草種類和植株大小的識別和判斷；S4、確定各個雜草區(qū)域的激光照射面積，并根據(jù)雜草的種類和植株大小對各個雜草區(qū)域的激光照射功率進行實時修正；S5、確定激光器的位置調(diào)節(jié)參數(shù)和照射光斑的大??；S6、將激光器移動至各個雜草區(qū)域的正上方，控制激光器向下發(fā)出激光并調(diào)節(jié)激光光斑至對應(yīng)大小，同時控制激光功率至對應(yīng)的修正值對雜草區(qū)域進行照射。通過上述方法可以實現(xiàn)根據(jù)雜草的種類和植株大小對激光照射功率的實時自動調(diào)節(jié)，可以改善除草效果同時減少不必要的能量浪費。

技術(shù)研發(fā)人員：張立斌,方繼,王萍
受保護的技術(shù)使用者：武漢華麗環(huán)境科技有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6