(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111621352.5 (22)申请日 2021.12.28 (71)申请人 中国农业大 学 地址 100193 北京市海淀区 圆明园西路2号 (72)发明人 苏文浩　刘博远　王亚虹　彭彦昆　 (74)专利代理 机构 北京卫平智业专利代理事务 所(普通合伙) 11392 专利代理师 闫萍 (51)Int.Cl. A01M 7/00(2006.01) A01C 21/00(2006.01) A01C 23/00(2006.01) A01C 23/04(2006.01) G06N 20/00(2019.01) G06T 5/00(2006.01)G06T 7/11(2017.01) G06T 7/136(2017.01) G06T 7/62(2017.01) G06T 7/73(2017.01) G06T 7/80(2017.01) (54)发明名称 一种智能感知施肥与农药喷洒方法与装置 (57)摘要 本发明涉及一种智能感知施肥与农药喷洒 方法与装置， 装置包括作物定位模块、 作物病害 检测模块、 作物氮含量检测模块、 喷洒模块和车 体模块。 本发 明作物含氮量及病害检测过程中采 用先定位后拍照的方式， 减少检测过程中的计算 时间。 极大程度的提高了识别与检测的速度， 从 图像采集方式、 定位方式、 识别等多方面进行了 速度上的优化， 使实时检测并进行施肥和农药喷 洒成为现实； 同时将施肥与病害识别、 喷药结合， 实现多方面的作物产中管理。 权利要求书3页 说明书8页 附图6页 CN 114514914 A 2022.05.20 CN 114514914 A 1.一种智能感知施肥与农药喷洒装置， 其特征在于， 包括： 作物定位模块、 作物病害及 氮含量检测模块、 喷洒模块和车体模块； 作物定位模块、 作物病害及氮含量检测模块、 喷洒 模块均安装于车体模块上； 所述作物定位模块， 包括暗箱(33)、 灰度相机(18)、 滤光片、 激发LED灯(25、 26)、 树莓派 开发板一(20)、 车速传感器(34)和电源； 所述车速传感器(34)与树莓 派开发板一(20)相连； 所述暗箱(33)由遮光布围绕而成， 用来遮蔽外界光线； 所述激发LED灯(25、 26)布置在暗箱 角落， 用于激发荧光信号； 所述灰度相机(18)与树莓派开发板一(20)的USB端口相接， 用于 采集和传输图像信息； 树莓派开发板一(20)用于进行作物坐标定位， 所述滤光片安装在灰 度相机(18)的镜 头上， 用于过 滤背景色； 所述作物病害及氮含量检测模块， 包括RGB相机(17)、 树莓派开发板二(21)和日光LED 灯(23、 24)； 所述树莓 派开发板一(20)的输 出串口与RGB相机(17)相接， RGB相机(17)与树莓 派开发板二(21)的USB端口相接， RGB相机(17)用于接收工作时刻信号， 并向树莓派开发板 二(21)输入 图像信息； 树莓派开发板二(21)用于进行作物病害及氮含量检测； 日光LED灯 (23、 24)用于进行恒光照射； 所述喷洒模块包括： Ar duino单片机(22)、 锥形喷嘴(16)、 若干液体罐、 增压泵(14)、 高 压液体管(15)、 电机和若干电磁阀； 所述树莓 派开发板二(21)的输出串口与Arduino单片机 (22)的输入串口连接； 所述Arduino单片机(22)的输出串口与电机、 若干电磁阀连接， Arduino单片 机(22)控制电机转动以及 若干电磁阀的开关； 每个液体罐均连接一个电磁阀， 液体罐下端连接有高压液体管(15)， 高压液体管(15)上安装有增压泵(14)， 高压液体管 (15)的末端连接锥形喷 嘴(16)。 2.如权利 要求1所述的， 其特征在于： 所述车体模块包括： 型材车架(27)、 拖挂连接机构 (19)、 四个车轮、 固定支座(4)和 控制箱(32)； 所述控制箱(32)通过若干定位孔固定在型材 车架(27)上； 型材车架(27)通过暗箱固定支座(4)固定在四个车轮上方； 拖挂连接机构(19) 用于与可移动农用车辆连接； 树莓 派开发板一(20)、 树莓派开发板二(21)和Arduino单片机 (22)布置在控制箱(32)内。 3.如权利 要求1所述的， 其特征在于： 激发LED灯(25、 26)布置在车体前进方向前部的底 盘横梁上； 日光 LED灯(23、 24)布置在车体前进方向后部的底盘横梁上。 4.一种智能感知施肥与农药喷洒方法， 利用权利要求1 ‑3任一项所述的智能感知施肥 与农药喷洒装置， 其特 征在于， 包括如下步骤： S1、 对植株进行作物信号标记处 理； S2、 利用加装滤光片的灰度相机进行作物的图像数据采集， 得到图像信息， 对图像信息 进行处理， 得到作物的定位； S3、 采用作物病害及氮含量检测模块进行作物病害及氮含量检测； S4、 喷洒模块根据作物病 害及氮含量检测模块的氮含量分类信号及病 害信号进行施肥 与喷药。 5.如权利要求4所述的智能感知施肥与农药喷洒方法， 其特征在于： 步骤S1中， 作物预 先喷洒作物信号， 所述作物信号选用罗丹明B溶 液， 罗丹明B溶 液的浓度为8ug/ml。 6.如权利要求4所述的智能感知施肥与农药喷洒方法， 其特征在于： 步骤S2中， 图像信 息的处理包括： 对图像进行降噪、 二值化、 特征区域轮廓提取、 小面积区域舍弃和特征区域权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114514914 A 2中心点提取； 具体如下： 将图像信息输入树莓派开发板一， 在树莓 派开发板一中对图像进 行 高斯模糊处理， 使用大津法对图像进 行阈值分割， 进而提取特征区域轮廓； 对特征区域轮廓 进行顶点提取并计算轮廓的像素面积， 轮廓的像素面积小于5000的特征区域舍去， 反之计 算特征区域中心点的像素坐标， 并将像素坐标系转 化为相机坐标系。 7.如权利要求6所述的智能感知施肥与农药喷洒方法， 其特征在于： 对图像进行特征提 取时， 取图像中的最小外接矩形作为特征区域， 读取特征区域的顶点坐标， 并确定像素坐 标， 具体表示 为： 其中， Cv、 Ch分别表示作物的像素横坐标和像素纵坐标； x1、 x3分别表示特征区域顶点横 坐标； y1、 y3分别表示特 征区域顶点纵坐标； 特征区域顶点的像素坐标通过张正友标定法转化为相机坐标， 特征区域顶点的相机坐 标作为输出， 传递给作物病害及氮含量检测模块。 8.如权利要求7 所述的智能感知施肥与农药喷洒方法， 其特 征在于， 步骤S3具体如下： 特征区域顶点的相机坐标输入到作物病 害及氮含量检测模块的树莓派开发板二； 所述 树莓派开发板二根据车速传感器所获取到的车速信息计算RGB相机的拍摄延迟时间； 公式 如下： 其中， t1表示拍摄延迟时间； s2表示RGB相机与灰度相机之间 的距离； t0表示快门时间； v 表示车速传感器所获取到的车速信息； 树莓派开发板二根据拍摄延迟时间控制RGB相机进行拍照， 照片传回树莓派开发板二， 树莓派开发板二进行病害以及氮含量的识别检测。 9.如权利要求8所述的智能感知施肥与农药喷洒方法， 其特征在于： 以特征区域顶点的 相机坐标为中心， 提取图像中的ROI区域， 树莓 派开发板二接收到ROI区域后， 通过训练好的 M2Det深度学习模型同时进行病害及氮含量检测运算， 当识别到病害时树莓派开发板二传 递病害信号给Arduino单片机； 氮含量检测后对氮含量进行分组， 按照氮含量低、 中、 高、 过 量分为四类， 分别对应四种信号， 由树莓派开发板二传递给A rduino单片机； 所述ROI区域是以相机坐标为中心， 512* 512像素大小的图像范围； 所述M2Det深度学习模型通过以下步骤建立： 数据集准备， 模型训练， 模型预测， 模型验 证； 所述数据集通过网络收集获得， 选取病害叶片若干张， 健康叶片若干张； 通过图像增 强， 包括翻转、 平 移、 人工添加噪点的方式进行 数据集扩充。 10.如权利要求4所述的智能感知施肥与农药喷洒方法， 其特征在于， 步骤S4具体如下： Arduino单片机接收氮含量的分类信号及病害信号； 根据信号分别控制相应的电磁阀工作； 根据喷射延时通过电磁阀控制液体罐进行喷射； 电磁阀和增压泵的控制由Arduino单片机实现； 氮含量低、 中、 高三级信号分别控制相 应电磁阀的开闭； 氮含量过量时， 与装有 液态氮肥的液体罐相连的电磁阀全部关闭； 与装有 农药的液体罐相连的电磁阀的开闭由病害信号控制；权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114514914 A 3