一种可动态识别棉花顶芽的棉花打顶机及打顶方法

1.本发明涉及农业机器人技术领域，更具体的说是涉及一种可动态识别棉花顶芽的棉花打顶机及打顶方法。


背景技术：

2.棉花具有无限生长的习性，顶端优势明显。为控制株高和后期无效果枝的生长，打顶是一项有效的措施。通过去除棉花顶端优势，养分回流，优先供应上部棉铃，上部棉铃光照通风条件好，因此盖顶桃质量好，有助于棉花品质提高。目前，可实现棉花打顶作业的方式主要有三种：人工打顶、机械打顶以及化学打顶。人工打顶常见方法是人工将棉株顶端掐去一叶一心，不采用“大把楸”。虽然人工打顶效果好、漏顶率低，但人工打顶需要劳动力多、效率低，与当前棉花生产轻简化方向不一致。化学打顶是指利用植物生长调节剂强制延缓或抑制棉花顶端生长，控制棉花的顶端优势，从而达到调节营养生长与生殖生长的目的。
3.与人工打顶和化学打顶相比，机械打顶的优点是效率高，是人工打顶效率的5～7倍。但当前机械打顶以连续切割式打顶方式为主，该方式对地势以及棉花生长均匀度要求较高，容易造成过多打顶或者漏打，而且容易对棉植株的花蕾产生伤害。
4.如何提高机械打顶的精度，降低漏打率和错打率是本领域技术人员亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种可动态识别棉花顶芽的棉花打顶机及打顶方法，可对同一株棉花顶芽进行重复识别，提高打顶精度，降低漏打率和错打率。
6.第一方面，本发明提供一种可动态识别棉花顶芽的棉花打顶机，包括：自走式车主体、图像采集组件、图像处理装置、控制装置和执行组件；
7.所述图像采集组件包括两个朝向相反的事件相机，分别安装在所述自走式车主体的前端和后端；所述执行组件包括两个朝向相反的打顶装置，分别安装在所述自走式车主体的前端和后端；
8.两个所述事件相机分别采集各自预期覆盖范围内的棉花顶部事件流画面；
9.所述图像处理装置在棉花顶部事件流画面中标注出棉花顶芽的中心三维坐标信息；
10.所述控制装置根据前后两端棉花顶芽的中心三维坐标信息，分别控制两个所述打顶装置移动至相应位置，对棉花顶芽进行打顶作业。
11.进一步的，所述自走式车主体包括车轮、空气悬架、支撑台面和动力装置；所述空气悬架安装在所述车轮和所述支撑台面之间；所述图像采集组件、所述图像处理装置、所述控制装置和所述执行组件均安装在所述支撑台面上，并通过所述动力装置供电。
12.进一步的，位于前端的所述车轮为万向轮，位于后端的所述车轮为驱动轮。
13.进一步的，两个所述事件相机分别通过可调支架与所述自走式车主体固定连接；
所述可调支架包括：第一支撑底座和伸缩杆；所述第一支撑底座固定在所述自走式车主体的端部，所述伸缩杆一端与所述第一支撑底座固定连接，另一端与所述事件相机固定连接。
14.进一步的，所述打顶装置包括：第二支撑底座、多连杆机械臂和打顶刀具；所述第二支撑底座固定在所述自走式车主体端部；所述多连杆机械臂一端与所述第二支撑底座固定连接，另一端与所述打顶刀具固定连接。
15.进一步的，位于同一端的所述第一支撑底座和所述第二支撑底座为一体式结构，所述伸缩杆与所述第一支撑底座连接的位置为第一固定点，所述多连杆机械臂与所述第二支撑座连接的位置为第二固定点；同一端的所述第一固定点位于所述第二固定点前方，且所述第一固定点和所述第二固定点处于同一平面上。
16.第二方面，本发明提供一种棉花打顶方法，其适用于上述可动态识别棉花顶芽的棉花打顶机，包括以下步骤：
17.相机调整：启动其中一个所述事件相机开始图像预采集工作；通过所述图像处理装置判断该所述事件相机采集的图像是否覆盖预期范围内的棉花顶芽画面，若否，调整该所述事件相机的高度和拍摄角度，直至其采集的图像覆盖预期范围；若是，则调整另一个所述事件相机与该事件相机处于同一高度和同一拍摄角度；
18.图像采集：同步启动两个所述事件相机分别采集各自预期覆盖范围内的棉花顶部事件流画面；
19.图像处理：通过图像处理装置在棉花顶部事件流画面中标注出棉花顶芽的中心三维坐标信息；
20.打顶作业：通过所述控制装置分析前后两端棉花顶芽的中心三维坐标信息，并分别控制两个所述打顶装置移动至相应位置，对棉花顶芽进行打顶作业。
21.进一步的，若所述控制装置收到的信息中包含多个棉花顶芽的中心三维坐标信息，则控制所述打顶装置优先对距离所述自走式车主体近的棉花顶芽进行打顶作业；
22.若距离所述自走式车主体同一距离下，存在多个棉花顶芽的中心三维坐标信息，则按照从左到右或从右往左的顺序对棉花顶芽进行打顶作业。
23.进一步的，执行所述打顶作业时，所述控制装置还根据前后两端事件相机采集的事件流画面中所标注的棉花顶芽数量，自适应调整所述自走式车主体的田间行进速度。
24.进一步的，所述控制装置按照下式对所述自走式车主体的田间行进速度进行调整：
[0025][0026]
其中，v表示自主式车主体的田间实际行进速度；a表示前端事件相机采集图像中所标定的棉花顶芽数量；b表示后端事件相机采集图像中所标定的棉花顶芽数量；v0表示常数，其数值可调，不超过0.8m/s。
[0027]
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种可动态识别棉花顶芽的棉花打顶机及打顶方法，通过前后两个事件相机来对田间棉花的顶芽进行精准
识别之后，以事件流的形式传输目标信息，相较于基于帧的相机而言，具有延迟低、高动态范围、低功耗等特点，即使在大风天气棉花顶芽有相对移动的动态情况下，也能对棉花顶芽进行精准识别。本发明打钉机有前后两套相机和打顶装置，当自走式车主体在田间前进的时候，位于前面的事件相机会捕捉到相对于自己运动的物体，识别棉花顶芽的位置，控制装置根据前端棉花顶芽图像控制前端打顶装置来对棉花顶芽完成打顶作业，后端事件相机同样会输送棉花顶芽图像，同样，控制装置根据后端棉花顶芽图像控制后端机械臂进行打顶作业，以对前端打顶装置漏打的棉花顶芽进行“再识别再打顶”，以此来达到降低打顶机的漏打率。本发明可实现动态环境下的棉花顶芽识别，并可降低漏打率和错打率，大大提高了棉花顶芽打顶的精度和工作效率。
附图说明
[0028]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0029]
图1为本发明提供的棉花打顶机的立体图；
[0030]
图2为本发明提供的棉花打顶机的俯视图；
[0031]
图3为本发明提供的棉花打顶机的侧视图。
[0032]
图中：1为自走式车主体，11为车轮，12为空气悬架，13为支撑台面，14为动力装置，2为图像采集组件/事件相机，3为图像处理装置，4为控制装置，5为执行组件/打顶装置，51为第二支撑底座，52为多连杆机械臂，53为打顶刀具，6为无线收发组件。
具体实施方式
[0033]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0034]
如图1-3所示，本发明实施例公开了一种可动态识别棉花顶芽的棉花打顶机，包括：自走式车主体1、图像采集组件2、图像处理装置3、控制装置4和执行组件5；其中，图像采集组件2与图像处理装置3电性连接；且自走式车主体1、图像采集组件2、图像处理装置3和执行组件5均与控制装置电性连接。
[0035]
图像采集组件2包括两个朝向相反的事件相机，分别安装在自走式车主体的前端和后端，位于前端的称为事件相机一号，位于后端的称为事件相机二号；
[0036]
执行组件5包括两个朝向相反的打顶装置，分别安装在自走式车主体1的前端和后端，位于前端的称为打顶装置一号，位于后端的称为打顶装置二号；
[0037]
两个事件相机2分别采集各自预期覆盖范围内的棉花顶部事件流画面；事件相机一号和事件相机二号都实时以事件流的形式输出棉花顶芽信息，两个相机的分辨率不小于346
×
260，动态范围不小于120db，典型延迟不大于1ms。因此，前后两个事件相机可满足实现在恶劣天气条件(大风)下识别棉花顶芽三维坐标信息。
[0038]
图像处理装置3在棉花顶部事件流画面中标注出棉花顶芽的中心三维坐标信息，实现对棉花顶芽中心点的靶向标定处理；
[0039]
控制装置4根据前后两端棉花顶芽的中心三维坐标信息，分别控制两个打顶装置移动至相应位置，对棉花顶芽进行打顶作业。
[0040]
本发明实施例中，事件相机2、图像处理装置3、控制装置4和执行组件5之间通过线束有线连接或通过无线收发组件无线连接。其中，控制装置具有显示器和控制按键，可显示工况信息，并人工触发按钮实现对打顶机的人工控制。无线收发组件6与控制装置一体集成，用于实现图像处理装置3和控制装置4间的数据传输。
[0041]
无线收发组件6除了接收棉花顶芽三维信息等功能之外，还可接收来自远程控制端发送的信号。远程操作控制端可以通过发送信号方式到无线收发组件中，控制装置4根据接收到的信号不同，进行控制自主式车主车体的启停以及田间移动速度、打顶装置的开关、图像采集组件的开关状态和事件相机支撑杆的伸缩高度等。同时远程操作控制端设置有一键关闭按钮，按下按钮则整个装置立即停止工作并且等待远程操作控制端下一步指令。
[0042]
在一个实施例中，自走式车主体1包括车轮11、空气悬架12、支撑台面13和动力装置14；空气悬架12安装在车轮11和支撑台面13之间；图像采集组件2、图像处理装置3、控制装置4和执行组件5均安装在支撑台面13上，并通过动力装置14供电。动力装置、图像处理组件、控制装置和无线收发组件可集成为一个整体或者单独存在或者某几个集成为一个整体。根据支撑台面13的具体结构可适应性设置。
[0043]
其中，位于前端的车轮为万向轮，位于后端的车轮为驱动轮，动力装置为驱动轮供电。
[0044]
本实施例中，设置有四个车轮，分别为两个前轮和两个后轮，将两个前轮设置为万向轮，可使其自由的进行转弯等，更加适应田间棉花打顶作业的需求。通过在四个车轮与支撑台面之间安装空气悬架12，使得主车体在田间工作时，能够适应各种凹凸不平的地面进行工作。
[0045]
在一个实施例中，两个事件相机2分别通过可调支架与自走式车主体1固定连接；可调支架包括：第一支撑底座和伸缩杆；第一支撑底座固定在自走式车主体1的端部，伸缩杆一端与第一支撑底座固定连接，另一端与事件相机固定连接。本实施例中，伸缩杆可带动事件相机2上下移动，使其以最佳拍摄角度进行图像采集。
[0046]
具体来说，第一支撑底座通过焊接方式或通过螺栓固定在自走式车主体1端部，伸缩杆的一端通过紧固件固定在第一支撑底座上，事件相机2与伸缩杆的另一端可拆卸连接。
[0047]
在一个具体实施例中，打顶装置5包括：第二支撑底座51、多连杆机械臂52和打顶刀具53；第二支撑底座51固定在自走式车主体1端部；多连杆机械臂52一端与第二支撑底座51固定连接，另一端与打顶刀具53固定连接。打顶刀具52采用刀片装夹式，也就是指机械臂到达指定位置之后，打顶刀具53针对检测到的目标棉花顶芽进行切除处理。
[0048]
位于两端的第一支撑座和第二支撑座51可以为独立的支撑座，分别固定前端或后端的事件相机或多连杆机械臂。
[0049]
或者：位于同一端的第一支撑底座和第二支撑底座51为一体式结构，伸缩杆与第一支撑底座连接的位置为第一固定点，多连杆机械臂52与第二支撑座51连接的位置为第二固定点；同一端的第一固定点位于第二固定点前方，且第一固定点和第二固定点处于同一
平面上。其中，伸缩杆和第一支撑底座之间，以及多连杆机械臂和第二支撑底座之间，可通过焊接的方式连接，或者通过紧固件固定。
[0050]
在其他实施例中，本发明还提供一种棉花打顶方法，其适用于上述可动态识别棉花顶芽的棉花打顶机，包括以下步骤：
[0051]
s1、相机调整：启动其中一个事件相开始图像预采集工作；通过图像处理装置3判断该事件相机采集的图像是否覆盖预期范围内的棉花顶芽画面，若否，调整该事件相机的高度和拍摄角度，直至其采集的图像覆盖预期范围；若是，则调整另一个事件相机与该事件相机处于同一高度和同一拍摄角度；比如，可先启动位于前端的事件相机一号，对事件相机一号调整好之后，再调整位于后端的事件相机二号；
[0052]
s2、图像采集：同步启动两个事件相机分别采集各自预期覆盖范围内的棉花顶部事件流画面；
[0053]
s3、图像处理：通过图像处理装置3在棉花顶部事件流画面中标注出棉花顶芽的中心三维坐标信息；
[0054]
s4、打顶作业：通过控制装置4分析前后两端棉花顶芽的中心三维坐标信息，并分别控制两个打顶装置移动至相应位置，对棉花顶芽进行打顶作业。
[0055]
在具体打顶作业过程中，若控制装置收到的信息中包含多个棉花顶芽的中心三维坐标信息，则控制打顶装置优先对距离自走式车主体近的棉花顶芽进行打顶作业；
[0056]
若距离自走式车主体同一距离下，存在多个棉花顶芽的中心三维坐标信息，则按照从左到右或从右往左的顺序对棉花顶芽进行打顶作业。
[0057]
在其他实施例中，执行打顶作业时，控制装置还根据前后两端事件相机采集的事件流画面中所标注的棉花顶芽数量，自适应调整自走式车主体的田间行进速度。
[0058]
控制装置按照下式对自走式车主体的田间行进速度进行调整：
[0059][0060]
其中，v表示自主式车主体的田间实际行进速度；a表示前端事件相机采集图像中所标定的棉花顶芽数量；b表示后端事件相机采集图像中所标定的棉花顶芽数量；v0表示常数，其数值可调，不超过0.8m/s。
[0061]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0062]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种可动态识别棉花顶芽的棉花打顶机，其特征在于，包括：自走式车主体、图像采集组件、图像处理装置、控制装置和执行组件；所述图像采集组件包括两个朝向相反的事件相机，分别安装在所述自走式车主体的前端和后端；所述执行组件包括两个朝向相反的打顶装置，分别安装在所述自走式车主体的前端和后端；两个所述事件相机分别采集各自预期覆盖范围内的棉花顶部事件流画面；所述图像处理装置在棉花顶部事件流画面中标注出棉花顶芽的中心三维坐标信息；所述控制装置根据前后两端棉花顶芽的中心三维坐标信息，分别控制两个所述打顶装置移动至相应位置，对棉花顶芽进行打顶作业。2.根据权利要求1所述的可动态识别棉花顶芽的棉花打顶机，其特征在于，所述自走式车主体包括车轮、空气悬架、支撑台面和动力装置；所述空气悬架安装在所述车轮和所述支撑台面之间；所述图像采集组件、所述图像处理装置、所述控制装置和所述执行组件均安装在所述支撑台面上，并通过所述动力装置供电。3.根据权利要求2所述的可动态识别棉花顶芽的棉花打顶机，其特征在于，位于前端的所述车轮为万向轮，位于后端的所述车轮为驱动轮。4.根据权利要求1所述的可动态识别棉花顶芽的棉花打顶机，其特征在于，两个所述事件相机分别通过可调支架与所述自走式车主体固定连接；所述可调支架包括：第一支撑底座和伸缩杆；所述第一支撑底座固定在所述自走式车主体的端部，所述伸缩杆一端与所述第一支撑底座固定连接，另一端与所述事件相机固定连接。5.根据权利要求4所述的可动态识别棉花顶芽的棉花打顶机，其特征在于，所述打顶装置包括：第二支撑底座、多连杆机械臂和打顶刀具；所述第二支撑底座固定在所述自走式车主体端部；所述多连杆机械臂一端与所述第二支撑底座固定连接，另一端与所述打顶刀具固定连接。6.根据权利要求5所述的可动态识别棉花顶芽的棉花打顶机，其特征在于，位于同一端的所述第一支撑底座和所述第二支撑底座为一体式结构，所述伸缩杆与所述第一支撑底座连接的位置为第一固定点，所述多连杆机械臂与所述第二支撑座连接的位置为第二固定点；同一端的所述第一固定点位于所述第二固定点前方，且所述第一固定点和所述第二固定点处于同一平面上。7.一种棉花打顶方法，其特征在于，其适用于如权利要求1-6任一项所述的可动态识别棉花顶芽的棉花打顶机，包括以下步骤：相机调整：启动其中一个所述事件相机开始图像预采集工作；通过所述图像处理装置判断该所述事件相机采集的图像是否覆盖预期范围内的棉花顶芽画面，若否，调整该所述事件相机的高度和拍摄角度，直至其采集的图像覆盖预期范围内的棉花顶芽；若是，则调整另一个所述事件相机与该事件相机处于同一高度和同一拍摄角度；图像采集：同步启动两个所述事件相机分别采集各自预期覆盖范围内的棉花顶部事件流画面；图像处理：通过图像处理装置在棉花顶部事件流画面中标注出棉花顶芽的中心三维坐标信息；打顶作业：通过所述控制装置分析前后两端棉花顶芽的中心三维坐标信息，并分别控
制两个所述打顶装置移动至相应位置，对棉花顶芽进行打顶作业。8.根据权利要求7所述的棉花打顶方法，其特征在于，若所述控制装置收到的信息中包含多个棉花顶芽的中心三维坐标信息，则控制所述打顶装置优先对距离所述自走式车主体近的棉花顶芽进行打顶作业；若距离所述自走式车主体同一距离下，存在多个棉花顶芽的中心三维坐标信息，则按照从左到右或从右往左的顺序对棉花顶芽进行打顶作业。9.根据权利要求7所述的棉花打顶方法，其特征在于，执行所述打顶作业时，所述控制装置还根据前后两端事件相机采集的事件流画面中所标注的棉花顶芽数量，自适应调整所述自走式车主体的田间行进速度。10.根据权利要求9所述的棉花打顶方法，其特征在于，所述控制装置按照下式对所述自走式车主体的田间行进速度进行调整：其中，v表示自主式车主体的田间实际行进速度；a表示前端事件相机采集图像中所标定的棉花顶芽数量；b表示后端事件相机采集图像中所标定的棉花顶芽数量；v0表示常数，其数值可调，不超过0.8m/s。

技术总结
本发明涉及农业机器人技术领域，具体涉及一种可动态识别棉花顶芽的棉花打顶机及打顶方法，打顶机包括：自走式车主体、图像采集组件、图像处理装置、控制装置和执行组件；图像采集组件包括两个事件相机，分别安装在自走式车主体的前端和后端；执行组件包括两个打顶装置，分别安装在自走式车主体的前端和后端；两个事件相机分别采集各自预期覆盖范围内的棉花顶部事件流画面；图像处理装置在棉花顶部事件流画面中标注出棉花顶芽的中心三维坐标信息；控制装置根据前后两端棉花顶芽的中心三维坐标信息，分别控制两个打顶装置移动至相应位置，对棉花顶芽进行打顶作业。本发明可对同一株棉花顶芽进行重复识别，提高打顶精度，降低漏打率和错打率。漏打率和错打率。漏打率和错打率。


技术研发人员：李俊伟 王海龙 罗昕 胡斌 王兆杰 顾天龙 李祥雨
受保护的技术使用者：石河子大学
技术研发日：2023.05.17
技术公布日：2023/8/1