植被距离测量方法及装置，和植被修剪装置与流程

1.本公开涉及自动控制技术领域，尤其涉及一种植被距离测量方法、一种植被距离测量装置，以及一种植被修剪装置。


背景技术：

2.随着社会发展、科技不断进步，智能机械逐渐走入人们视野，用于提升机械化水平，解放社会生产力。目前的园艺修剪逐渐从全部依赖人工手动修剪转化为机械辅助修剪，甚至出现了自动化修剪装置。
3.然而，机械辅助修剪装置仍然摆脱不了人工，需要园艺工人操控装置的修剪方向和距离，精度无法保证；自动化修剪装置虽然可以脱离人工控制，但是其测量精度与算法复杂程度成正比，能够满足测量精度的算法十分复杂，并且场景受限，面对复杂场景的容错率低。


技术实现要素：

4.为了至少部分解决现有技术中自动化修剪装置存在的算法复杂、场景受限及面对复杂场景容错率低的技术问题而完成了本公开。
5.根据本公开的一方面，提供一种植被距离测量方法，包括：
6.利用面阵激光雷达采集当前与植被顶部或侧面之间的距离信息，得到距离信息矩阵；
7.对所述距离信息矩阵进行降维操作，并按照预设的分度值对降维后的距离信息矩阵中的元素取整后进行线性化排列，得出距离直方图，所述距离直方图的横纵轴分别为点数和距离值；
8.基于距离直方图得出当前与植被顶部或侧面之间的实际距离值。
9.可选地，所述基于距离直方图得出当前与植被顶部或侧面之间的实际距离值，包括：
10.选取所述距离直方图中的定点拟合成曲线；
11.判断所述曲线是否满足高斯分布；
12.若所述曲线满足高斯分布，则将所述距离直方图中点数最多的距离值作为当前与植被顶部或侧面之间的实际距离值。
13.可选地，所述基于距离直方图得出当前与植被顶部或侧面之间的实际距离值还包括：
14.若所述曲线不满足高斯分布，则使用三角补偿法对所述曲线进行补偿；
15.计算经过补偿后的曲线的中心索引值，将其作为当前与植被顶部或侧面之间的实际距离值。
16.或者，所述基于距离直方图得出当前与植被顶部或侧面之间的实际距离值还包括：
17.若所述曲线不满足高斯分布，则再次利用面阵激光雷达连续采集若干次与植被顶部或侧面之间的距离信息以得出对应的若干条拟合曲线；
18.使用三角补偿法分别对拟合得到的所有曲线进行补偿，并计算所有经过补偿后曲线的中心索引值；
19.对所有经过补偿后曲线的中心索引值求平均，并将均值作为当前与植被顶部或侧面之间的实际距离值。
20.可选地，所述分度值为1cm。
21.根据本公开的另一方面，提供一种植被距离测量装置，包括：
22.采集模块，其设置为利用面阵激光雷达采集当前与植被顶部或侧面之间的距离信息，得到距离信息矩阵；
23.第一处理模块，其设置为对所述距离信息矩阵进行降维操作，并按照预设的分度值对降维后的距离信息矩阵中的元素取整后进行线性化排列，得出距离直方图，所述距离直方图的横纵轴分别为点数和距离值；以及，
24.第二处理模块，其设置为基于距离直方图得出当前与植被顶部或侧面之间的实际距离值。
25.可选地，所述第二处理模块包括：
26.拟合单元，其设置为选取所述距离直方图中的定点拟合成曲线；
27.判断单元，其设置为判断所述曲线是否满足高斯分布；以及，
28.确定单元，其设置为在所述判断单元的判断结果为所述曲线满足高斯分布时，将所述距离直方图中点数最多的距离值作为当前与植被顶部或侧面之间的实际距离值。
29.可选地，所述第二处理模块还包括：
30.第一补偿单元，其设置为在所述判断单元的判断结果为所述曲线不满足高斯分布时，使用三角补偿法对所述曲线进行补偿；以及，
31.第一计算单元，其设置为计算经过补偿后的曲线的中心索引值；
32.所述确定单元还设置为，将所述第一计算单元得出的中心索引值作为当前与植被顶部或侧面之间的实际距离值。
33.可选地，在所述判断单元的判断结果为所述曲线不满足高斯分布时，所述采集模块、所述第一处理模块以及所述第二处理模块的选取单元协同工作再次利用面阵激光雷达连续采集若干次与植被顶部或侧面之间的距离信息以得出对应的若干条若干拟合曲线；
34.所述第二处理模块还包括：
35.第二补偿单元，其设置为使用三角补偿法分别对拟合得到的所有曲线进行补偿；
36.第二计算单元，其设置为计算所有经过补偿后曲线的中心索引值，并对所有经过补偿后曲线的中心索引值求平均得到均值；
37.所述确定单元还设置为，将所述第二计算单元得出的均值作为当前与植被顶部或侧面之间的实际距离值。
38.根据本公开的又一方面，提供一种植被修剪装置，包括：运载设备，以及设置于其上的处理设备和至少一组面阵激光雷达与可伸缩修剪设备；同组面阵激光雷达与修剪设备位于所述运载设备的同侧，并且在行进方向上，面阵激光雷达与修剪设备设置在所述运载设备的左侧、右侧和底部中的至少一面上；
39.所述面阵激光雷达用于连续多次采集与植被顶部或侧面之间的距离信息；所述处理设备包括控制器及前述植被距离测量装置，其中所述植被距离测量装置用于根据所述面阵激光雷达多次采集到的距离信息分别得出当前与植被顶部或侧面之间的实际距离值；所述控制器用于根据所述实际距离值得出所述修剪设备的伸缩距离，并按照所述伸缩距离控制所述修剪设备进行相应的伸缩后使其在所述运载设备的带动下沿预设轨迹行进的同时完成对植被的修剪。
40.本公开提供的技术方案可以包括以下有益效果：
41.本公开提供的植被距离测量方法及装置，利用面阵激光雷达采集植物距离信息并得到距离信息矩阵，再转换成距离直方图，然后基于距离直方图得出当前与植被顶部或侧面之间的实际距离值，该距离值能够反映真实的植被距离值；本公开提供的植被修剪装置中的控制器根据所述实际距离值得出修剪设备的伸缩距离，并按照所述伸缩距离控制修剪设备进行相应的伸缩后使其在所述运载设备的带动下沿预设轨迹行进的同时完成对植被的修剪，实现了植被自动化修剪，并且采用的算法简单，不受场景限制，即使面对复杂场景的容错率也较高。
42.本公开的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本公开而了解。本公开的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
43.附图用来提供对本公开技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本公开的实施例一起用于解释本公开的技术方案，并不构成对本公开技术方案的限制。
44.图1为本公开实施例提供的植被距离测量方法的流程示意图；
45.图2为本公开实施例提供的植被距离测量装置的结构示意图；
46.图3为本公开实施例提供的植被修剪装置的结构示意图；
47.图4为本公开实施例提供的植被修剪装置的一种应用场景的示意图(俯视图)；
48.图5为本公开实施例提供的植被修剪装置的另一种应用场景的示意图(俯视图)；
49.图6为本公开实施例提供的植被修剪装置的又一种应用场景的示意图(侧视图)。
具体实施方式
50.为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
51.需要说明的是，本公开的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序；并且，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
52.在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本公开的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。
53.图1为本公开实施例提供的植被距离测量方法的流程示意图。如图1所示，所述方
法包括如下步骤s101至s103。
54.s101.利用面阵激光雷达采集当前与植被顶部或侧面之间的距离信息，得到距离信息矩阵。
55.面阵激光雷达，又称为面阵光电传感器，是一种主动发射激光，并根据光的飞行时间计算雷达与被探测物体之间距离的一种装置。面阵激光雷达包括m行n列个光电传感器，它们共同组成一块包含m*n个光电传感器的面阵光电传感器，整个探测区域为一片矩形区域，可通过设置兴趣区域的方式限定探测区域的大小。在一种具体实施方式中，采用302*480个光电传感器。
56.在每次受到触发时，面阵激光雷达会返回m*n个空间xyz三维坐标(即植被的面距离信息)，并且经过一定的补偿算法、畸变算法后，生成一个距离信息矩阵，其中元素的单位可以为cm。
57.s102.对所述距离信息矩阵进行降维操作，并按照预设的分度值对降维后的距离信息矩阵中的元素取整后进行线性化排列，得出距离直方图，所述距离直方图的横纵轴分别为点数和距离值。
58.由于距离信息矩阵中的每个元素为xyz三维坐标，可根据植被距离测量的实际需求对其进行降维操作，例如在测量植被顶部距离时，仅保留矩阵中每个元素的z轴分量，在测量植被侧面距离时，仅保留矩阵中每个元素的x轴分量或y轴分量，从而实现了距离信息矩阵的降维操作。
59.本步骤中，预设的分度值优选为1cm。在此情况下，先对降维后的距离信息矩阵中的元素取整(可视情况向上取整或向下取整)再对取整后的元素进行线性化排列，就可绘制出距离直方图。距离直方图的纵轴可以为距离值，横轴可以为距离值对应的点数，反之亦可。
60.s103.基于距离直方图得出当前与植被顶部或侧面之间的实际距离值。
61.在实际应用时，需要修整的植被并不是整齐划一的，往往会有部分植被生长超出范围或者高度超出一般情况，并表现为对应区域的植被向外突出或高于整体植被，那么测量到的距离值就会偏小；还会有部分植被生长不完全或死亡，并表现为对应区域的植被相对于整体植被向内或向下凹陷，那么测量到的距离值就会偏大。
62.本实施例充分考虑到上述实际情况，提出了一种基于面阵激光雷达探测植物距离的方案，该方案将获取的距离信息矩阵转换成距离直方图，再基于距离直方图得出当前与植被顶部或侧面之间的实际距离值，该距离值能够反映真实的植被距离值，所采用的算法简单，且不受场景限制，即使面对复杂场景容错率也较高。
63.在一种具体实施方式中，步骤s103包括如下步骤s103a至s103c。
64.s103a.选取所述距离直方图中的定点拟合成曲线；
65.本步骤中，所谓定点指的是距离直方图中横坐标点数较大值对应的那片区域范围中的点，至于选取多大范围可由本领域技术人员根据实际情况进行设定与调整；
66.s103b.判断所述曲线是否满足高斯分布，若所述曲线满足高斯分布，则执行步骤s103c；
67.s103c.将所述距离直方图中点数最多的距离值作为当前与植被顶部或侧面之间的实际距离值。
68.一般情况下，植被生长为随机事件，故其生长情况符合高斯分布特性，此时可直接将距离直方图中点数最多的距离值作为当前与植被顶部或侧面之间的实际距离值。
69.若植被生长情况不满足高斯分布，则可采用下述两种方法之一获取当前与植被顶部或侧面之间的实际距离值。
70.作为一种可选的实施方式，在步骤s103b判断为所述曲线不满足高斯分布时，步骤s103还包括如下步骤s103d和s103e。
71.s103d.使用三角补偿法对所述曲线进行补偿；
72.s103e.计算经过步骤s103d补偿后的曲线的中心索引值，将其作为当前与植被顶部或侧面之间的实际距离值。
73.本实施例中，在植被生长情况不满足高斯分布的情况下，可采用三角补偿法对拟合后的曲线进行补偿，得出近似三角形的曲线，再求中心索引值，则这个中心索引值就可以表示当前与植被顶部或侧面之间的实际距离值。
74.作为另一种可选的实施方式，在步骤s103b判断为所述曲线不满足高斯分布时，重复执行若干次步骤s101、s102和s103a以得出对应的若干条拟合曲线。至于需要重复执行多少次，得到多少条拟合曲线，可由本领域技术人员根据实际需求进行设定与调整，最小可设定为1，即仅重复执行一次步骤s101、s102和s103a，并得出对应的一条拟合曲线。
75.相应地，步骤s103还包括如下步骤s103f和s103g。
76.s103f.使用三角补偿法分别对拟合得到的所有曲线进行补偿，并计算所有经过补偿后曲线的中心索引值；
77.s103g.对所有经过补偿后曲线的中心索引值求平均，并将均值作为当前与植被顶部或侧面之间的实际距离值。
78.本实施例中，为了提高测量精度，在植被生长情况不满足高斯分布的情况下，可以重复多次采集当前与植被顶部或侧面之间的距离信息并得出多条拟合曲线，然后使用三角补偿法对先前得到的拟合曲线与后得出的所有拟合曲线都进行补偿，再计算所有经过补偿后曲线的中心索引值并求均值，用这个均值表示当前与植被顶部或侧面之间的实际距离值。
79.需要说明的是，上述步骤的顺序只是为了说明本公开实施例而提出的一个具体实例，本公开对上述步骤的顺序不做限定，本领域技术人员在实际应用中可按需对其进行调整。
80.本公开实施例提供的植被距离测量方法，先利用面阵激光雷达采集当前与植被顶部或侧面之间的距离信息得到距离信息矩阵，再对距离信息矩阵进行降维操作并按照预设的分度值对降维后的距离信息矩阵中的元素取整后进行线性化排列得出距离直方图，然后选取距离直方图中的定点拟合成曲线，根据曲线的情况使用高斯分布或者三角分布的距离确认算法得出当前与植被顶部或侧面之间的实际距离值，该距离值能够反映真实的植被距离值，所采用的算法简单，且不受场景限制，即使面对复杂场景容错率也较高。
81.图2为本公开实施例提供的植被距离测量装置的结构示意图。如图2所示，植被距离测量装置2包括：采集模块201、第一处理模块202和第二处理模块203。
82.其中，采集模块201设置为利用面阵激光雷达采集当前与植被顶部或侧面之间的距离信息，得到距离信息矩阵；第一处理模块202设置为对所述距离信息矩阵进行降维操
作，并按照预设的分度值对降维后的距离信息矩阵中的元素取整后进行线性化排列，得出距离直方图，所述距离直方图的横纵轴分别为点数和距离值，所述预设的分度值优选为1cm；第二处理模块203设置为基于距离直方图得出当前与植被顶部或侧面之间的实际距离值。
83.在一种具体实施方式中，第二处理模块203包括：拟合单元、判断单元和确定单元。
84.其中，拟合单元设置为选取所述距离直方图中的定点拟合成曲线；判断单元设置为判断所述曲线是否满足高斯分布；确定单元设置为在所述判断单元的判断结果为所述曲线满足高斯分布时，将所述距离直方图中点数最多的距离值作为当前与植被顶部或侧面之间的实际距离值。
85.作为一种可选的实施方式，第二处理模块203还包括：第一补偿单元和第一计算单元。
86.其中，第一补偿单元设置为在所述判断单元的判断结果为所述曲线不满足高斯分布时，使用三角补偿法对所述曲线进行补偿；第一计算单元设置为计算经过补偿后的曲线的中心索引值。
87.相应地，确定单元还设置为，将第一计算单元得出的中心索引值作为当前与植被顶部或侧面之间的实际距离值。
88.作为另一种可选的实施方式，在所述判断单元的判断结果为所述曲线不满足高斯分布时，所述采集模块、所述第一处理模块以及所述第二处理模块的选取单元协同工作再次利用面阵激光雷达连续采集若干次与植被顶部或侧面之间的距离信息以得出对应的若干条若干拟合曲线；
89.所述第二处理模块还包括：
90.第二补偿单元，其设置为使用三角补偿法分别对拟合得到的所有曲线进行补偿；
91.第二计算单元，其设置为计算所有经过补偿后曲线的中心索引值，并对所有经过补偿后曲线的中心索引值求平均得到均值；
92.所述确定单元还设置为，将第二计算单元得出的均值作为当前与植被顶部或侧面之间的实际距离值。
93.本公开实施例提供的植被距离测量装置，先利用面阵激光雷达采集当前与植被顶部或侧面之间的距离信息得到距离信息矩阵，再对距离信息矩阵进行降维操作并按照预设的分度值对降维后的距离信息矩阵中的元素取整后进行线性化排列得出距离直方图，然后选取距离直方图中的定点拟合成曲线，根据曲线的情况使用高斯分布或者三角分布的距离确认算法得出当前与植被顶部或侧面之间的实际距离值，该距离值能够反映真实的植被距离值，所采用的算法简单，且不受场景限制，即使面对复杂场景容错率也较高。
94.图3为本公开实施例提供的植被修剪装置的结构示意图。如图3所示，植被修剪装置3包括：运载设备31，以及设置于其上的处理设备33和至少一组面阵激光雷达32与可伸缩修剪设备34。
95.运载设备31作为一种行进装置，可根据实际需求使用现有车辆或者定制车辆。
96.同组面阵激光雷达32与修剪设备34位于运载设备31的同侧，并且在行进方向上，面阵激光雷达32与修剪设备34设置在运载设备31的左侧、右侧和底部中的至少一面上。换言之，如果面阵激光雷达与修剪设备仅采用一组，则可设置在运载设备31的左侧、右侧或底
部；如果面阵激光雷达与修剪设备采用两组，则可分别设置在运载设备31的左侧与右侧，或者左侧与底部，或者右侧与底部；如果面阵激光雷达与修剪设备采用三组，则可分别设置在运载设备31的左侧、右侧与底部。
97.为了进一步提高修剪精度，在行进方向上，面阵激光雷达32设置在修剪设备34的前方，以实现先探测后修剪。
98.参见图4至图6，图4示出了面阵激光雷达32与修剪设备34设置于运载设备31右侧的情况，图5示出了面阵激光雷达32与修剪设备34设置于运载设备31左侧的情况，图6示出了面阵激光雷达32与修剪设备34设置于运载设备31底部的情况。当然，图4至图6中所示的植被仅仅是示意性的，实际中无论是植被的顶部还是侧面都不是整齐的。
99.面阵激光雷达32作为一种距离探测装置，用于连续多次采集与植被顶部或侧面之间的距离信息，至于具体采集与植被顶部还是侧面之间的距离信息，要看面阵激光雷达32与修剪设备34在运载设备31上的设置位置，若设置在运载设备31的底部，则采集与植被顶部之间的距离信息；若设置在运载设备31的左侧或右侧，则采集与植被侧面之间的距离信息。修剪设备34即修剪植被所用设备，包括可伸缩刀盘。
100.所述处理设备33作为一种中央处理器集成在运载设备31中，包括控制器和前述实施例所述的植被距离测量装置。
101.其中，植被距离测量装置用于根据面阵激光雷达32多次采集到的距离信息分别得出当前与植被顶部或侧面之间的实际距离值；控制器用于根据所述实际距离值得出修剪设备34的伸缩距离，并按照所述伸缩距离控制修剪设备34进行相应的伸缩后使其在运载设备31的带动下沿预设轨迹行进的同时完成对植被的修剪。至于运载设备的行进轨迹和行进速度可由控制器根据实际需求计算得出，那么运载设备就可以在控制器的控制下沿预设轨迹和速度行进。
102.在运载设备31的带动下，面阵激光雷达32返回的距离信息能够实时反映行进过程中与需要修剪的植被之间的距离，从而实现根据植被距离变化实时调整修剪设备34的伸缩距离，进而实现高精度的植被修剪。
103.此外，控制器还可根据植被密集程度调整修剪设备34中刀盘的转速，即植被较为密集时提高刀盘转速，植被较为稀疏时降低刀盘转速。
104.本公开实施例提供的植被修剪装置，使用面阵激光雷达作为植被距离探测手段，植被距离测量装置就可根据面阵激光雷达采集到的距离信息得出与植被之间的实际距离值，再通过中央处理器中的控制器计算得出修剪设备的伸缩距离及运载设备的行进轨迹和速度，然后修剪设备就可以在控制器的控制下按照所述伸缩距离进行相应的伸缩后在运载设备的带动下沿预设轨迹行进的同时完成对植被的修剪，从而通过自动化控制运载设备和修剪设备实现自动化修剪的需求。
105.本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件
可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于ram、rom、eeprom、闪存或其他存储器技术、cd
‑
rom、数字多功能盘(dvd)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。
106.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本公开的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本公开进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本公开各实施例技术方案的范围。