一种自适应调节激光剂量的激光除草方法及其激光除草机

本发明属于农业机械自动化，具体为一种自适应调节激光剂量的激光除草方法及其激光除草机。

背景技术：

1、除草是农业生产中的重要环节，虽然生化除草剂具有高效、方便的优势，但是随着雨水的冲刷，生化除草剂会污染河流、水源以及土壤，还会威胁施药作业人员的身体健康；更重要的是，生化除草剂会造成农作物上的农药残留，威胁消费者的健康，并且降低了农业生产者的综合收入。机械除草会扰动土壤，破坏土壤的微生态环境，激光除草具有不与土壤接触、不使用生化除草剂的优势，能够在防控杂草的同时，保护土壤和生态环境。当前，激光除草技术所面临的主要问题集中体现在以下几个方面：首先，如何实现激光束对杂草的精准定位与对准，确保除草操作的精确性；其次，如何根据不同种类杂草及其不同生长时期的特性，调整激光剂量以达到最佳的灭活效果。为了解决上述问题，我们提出了一种自适应调节激光剂量的激光除草方法及其激光除草机。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种自适应调节激光剂量的激光除草方法及其激光除草机，包括以下步骤：

2、s1、选取农田中不同种类和不同生长时期的杂草，按照100w的增幅，使用从100w到2000w的激光在农田中进行杂草的原位照射，观察经不同激光剂量照射后的杂草的活性，从而获得灭活不同种类、生长时期的杂草的最佳激光剂量；

3、s2、获取农田中不同种类和不同生长时期的杂草的图像，对图像中的杂草进行标记，生成标记文件和对应的标签，将标记文件和标签导入深度学习模型，训练能够识别杂草种类、生长时期以及定位杂草在图像中位置的深度学习模型；

4、s3、用单目相机以视频流的方式获取农田中的图像，将视频流解析成单帧的杂草图像；

5、s4、用s2中获取的深度学习模型对视频流中的每一帧图像进行处理，若图像中没有出现杂草，则继续检测下一帧图像，直到检测到图像中出现杂草；

6、s5、获取s4中检查到杂草的包围框，以及包围框角点的坐标值；

7、s6、通过s5中获取的包围框角点的坐标值，获得杂草中心在图像坐标系中的坐标；

8、s7、基于机器坐标系和图像坐标系的标定结果，输出从图像坐标系到机器坐标系的转换矩阵；

9、s8、获得杂草中心在机器坐标系中的坐标；

10、s9、利用s8中获得的杂草中心在机器坐标系中的坐标，控制程序自动控制激光振镜的偏转，从而对激光的光路进行反射，使激光的光路始终对准杂草；

11、s10、基于获得的灭活不同种类、生长时期的杂草的最佳的激光剂量，以及深度学习模型输出的检测到的杂草种类及生长时期，调节激光除草机的工作速率，在一定的作业时期内，使激光驻留在检测到的杂草上，同时调节激光的功率；

12、s11、持续发射激光，直到随着激光除草机的前进，图像中检测不到所述的杂草为止，而后继续检测下一帧图像。

13、优选地，一种自适应调节激光剂量的激光除草方法及其激光除草机，包含4只轮毂电机，底盘，工控机，轮毂电机电源，水冷机，机罩，总发电机，激光电源，补光灯电源，激光管，振镜，补光灯控制器，led补光灯，单目相机及镜头。轮毂电机包含轮毂与轮胎，能够不依赖传动轴，为轮胎提供动力，轮毂电机采用先进的直流无刷技术，不仅提高了运行效率，还显著降低了噪音水平，提升了用户体验；底盘的悬挂系统经过精心调校，能够确保设备在复杂地形上的平稳行驶，同时减少对地表的破坏；工控机集成的gps定位系统与设备控制系统紧密结合，实现了除草作业的精准导航与自动化控制；水冷机安装于机罩内，水冷机与二氧化碳激光器之间的热交换系统经过优化设计，确保了激光器在长时间高负荷工作下的温度稳定性；机罩的设计进一步优化了防水、防尘及散热性能，确保内部组件在恶劣环境下仍能稳定工作；发电机作为整个设备的电力供应源，优选为燃油发电机，具备自动启动与停机功能；激光电源的过流保护机制能够有效防止因电流异常波动而对激光器造成的潜在损害，提高了设备的安全性和可靠性；补光灯与控制器之间的通信协议经过优化，实现了对补光灯开关的控制及亮度的精准调节，以满足不同光照条件下的除草需求。

14、与现有技术相比，本发明提供了一种自适应调节激光剂量的激光除草方法及其激光除草机，具备以下显著的有益效果：

15、1.环保无污染：本发明采用激光除草技术，无需使用生化除草剂，从而避免了因雨水冲刷导致的河流、水源及土壤污染，同时保障了施药作业人员的身体健康，消除了农作物上的农药残留，保障了消费者的健康，并有望提高农业生产者的综合收入。

16、2.保护土壤微生态：由于激光除草技术与土壤不接触，不会扰动土壤，因此能够保护土壤的微生态环境，有利于维护农田的生态平衡。

17、3.精准定位与除草：通过深度学习模型，本发明实现了对杂草种类、生长时期的精准识别以及位置的精确定位，结合激光振镜的精确控制，能够使激光光路精准地对准杂草，提高了除草的精确性。

18、4.自适应调节激光剂量：本发明面向不同种类和生长时期的杂草，通过前期实验获得了最佳的激光剂量，并在实际除草过程中根据深度学习模型的检测结果，自动地调节激光功率和除草机的工作速率，能够使激光在检测到的杂草植株上实现不同时间长度的驻留，在保障达到最佳的灭草效果的同时，节省了激光的能耗，避免了不必要的能源浪费。

19、5.智能化与自动化：本发明集成了先进的机器视觉、深度学习、机器控制等技术，实现了除草过程的智能化与自动化，降低了人工干预的需求，提高了除草作业的便捷性和效率。

20、6.综合性能优越：本发明的激光除草机的整体设计充分考虑了用户的使用便捷性和维护成本，各部件之间的连接与布局均经过精心规划，便于日常操作与维护。本发明使用单目相机进行杂草的定位，与使用双目相机、深度相机、立体相机相比，大大地降低了成本。本发明的激光除草机设计合理，配备了轮毂电机、工控机、水冷机、激光电源等先进设备，确保了除草机的稳定运行和高效作业，整体性能优越，适应于各种农田环境。通过led补光灯，可以使本发明的激光除草机实现全天候的作业。

技术特征：

1.一种自适应调节激光剂量的激光除草方法及其激光除草机，其特征在于：包括以下步骤：

2.一种自适应调节激光剂量的激光除草方法及其激光除草机，其特征在于：包含4只轮毂电机(1)，底盘(2)，工控机(3)，轮毂电机电源(4)，水冷机(5)，机罩(6)，总发电机(7)，激光电源(8)，补光灯电源(9)，激光管(10)，振镜(11)，补光灯控制器(12)，led补光灯(13)，单目相机及镜头(14)；轮毂电机(1)包含轮毂与轮胎，轮毂电机(1)采用直流无刷技术；工控机(3)集成gps定位系统；总发电机(7)具备自动启动与停机功能；激光电源(8)具备过流保护功能。

技术总结
本发明提出了一种自适应调节激光剂量的激光除草方法及其除草机，通过深度学习模型精准识别杂草种类与生长时期，并且实现杂草精准定位，通过控制激光振镜精确地控制激光的光路，除草机可根据杂草种类与生长时期，自动地调节功率与工作速率，实现激光在杂草上不同时长的驻留，达到以最佳激光剂量、高效、环保的除草效果。设备集成机器视觉、深度学习及机器控制技术，实现除草过程的智能化与自动化，避免化学污染与土壤扰动，保护生态环境。整机配备轮毂电机、工控机等高性能部件，确保稳定高效运行，适用于多种农田环境，提升农业杂草防控的效率与质量。

技术研发人员：王刚,高小梅,宋可欣,周子皓,李傑,向美琦,李海兰
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：
技术公布日：2024/11/14