CN107621634B - 一种钵苗移栽栽深监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种钵苗移栽栽深监测系统，包括钵苗位置探测单元、探地雷达、电磁波频率控制模块、处理器以及显示及报警模块，探地雷达的发射天线通过通信电缆线与电磁波频率控制模块连接，电磁波频率控制模块的信号输出端与处理器的信号输入端连接，处理器的信号输出端与显示器及报警模块连接，钵苗位置探测单元的信号输出端与处理器的信号输入端连接。本发明有益效果：利用探地雷达发射的电磁波探测移栽钵苗根部入土深度信息，解决了传统方法上移栽栽深检测破坏移栽作业质量甚至伤苗的问题，克服了利用土壤剖面法检测钵苗栽植深度的非实时性，通过算法屏蔽移栽尘土污染对电磁波耗散的影响，优化了栽植深度的检测精度。

Description

一种钵苗移栽栽深监测系统及方法

技术领域

本发明涉及移栽机械化检测技术领域，具体地说是一种钵苗移栽栽深监测系统及方法。

背景技术

在移栽机械化进程中，移栽向着高速、高效、高稳定性的技术方向发展，决定移栽质量的主要包括钵苗移栽直立度、栽深等关键因素。目前国内已有的移栽机大部分通过机械式调节覆土镇压轮来实现对栽深的控制，并且没有一种可靠的检测栽植深度及直立度的系统来指导机械的调节范围。因此，若要控制移栽作业质量，必须要对栽深及直立度信息进行检测并参数化处理，为现有的移栽机移栽质量的优化提供必要的技术支撑。

在钵苗栽深的测量方法中，传统的采用视窗法、土壤剖面法来测量栽植深度，但此类方法并不适用于移栽的应用背景。对栽深控制已有的研究中，大部分采用机构仿形的方式来测量栽深，例如中国专利CN105794374A提出了一种栽植深度调控装置，通过平行四边形及锥齿轮机构的设计，实现对栽植过程中地面的仿形机栽植器栽植深度的调节，但调节范围及控制精度较为模糊，并且不能够实时监测钵苗根系的栽植深度。专利号为CN105684615A提出一种移栽深度实时监测机构，其采用轻质滑杆与传感器的结合进行探测钵苗的栽植深度，但测量效果不能够保证精确，容易产生误差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种钵苗移栽栽深监测系统及方法，解决现有技术中存在的移栽钵苗栽植深度不能够精确测量导致移栽作业质量下降的问题。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种钵苗移栽栽深监测系统，包括设置于移栽机覆土镇压轮上方用于提供钵苗位置信息的钵苗位置探测单元，用于检测栽植钵苗入土深度的探地雷达，用于控制探地雷达的电磁波发射频率的电磁波频率控制模块、处理器以及显示及报警模块，探地雷达的发射天线通过通信电缆线与电磁波频率控制模块连接，电磁波频率控制模块的信号输出端与处理器的信号输入端连接，处理器的信号输出端与显示器及报警模块连接，钵苗位置探测单元的信号输出端与处理器的信号输入端连接。

本发明所述钵苗位置探测单元由光电传感器阵列及信号调理电路组成雷达一维测线，设置于移栽机的一对覆土镇压轮的上方，当钵苗通过一对覆土镇压轮之间的覆土镇压通道时，光电传感器检测到钵苗信号，确定雷达一维测线的位置。

本发明所述探地雷达的发射天线和接收天线并行固定设置于移栽机覆土镇压轮的后侧上方位置。

本发明所述探地雷达的接收天线包括雷达数据采集卡以及用于数据传输的RS232通信接口及RS485通信接口。

利用所述的钵苗移栽栽深监测系统监测钵苗栽深的方法，包括以下步骤：

步骤一、移栽作业开始，当钵苗通过一对覆土镇压轮之间的覆土镇压通道时，钵苗位置探测单元检测到钵苗信号，并将该信号发送至处理器，处理器发出信号，控制探地雷达向覆土镇压轮之间的钵苗发射初始电磁波信号R_a；

步骤二、处理器根据探地雷达发射的初始电磁波场强信号R_a、电磁波经过空气、土壤、移栽钵苗基质三中介质损失后得到电磁波耗散回波场强终值信号R_b，由公式(1)计算钵苗的栽植深度D：

其中D为钵苗栽植深度，μ_土、μ_空分别为电磁波在栽植土壤和空气中的场强衰减系数，ξ_空、ξ_土、ξ_基分别为空气、土壤、移栽钵苗基质三种介质的介电常数，d为雷达天线距离地面的高度；

步骤三、处理器对系统通过探地雷达监测的钵苗栽植深度D与预设标准栽植深度值对比，判断栽深信息并传输给报警及显示模块。

本发明所述步骤二中获得电磁波耗散回波场强终值信号R_b的具体方法包括以下步骤：

(1)处理器记录探地雷达发射的初始电磁波场强信号R_a，通过R_a计算电磁波向地探测过程中在空气中衰减后得到的电磁波强度R₁：

(2)由R₁计算出电磁波向地探测过程中在土壤与空气交界层透射后得到的电磁波强度R₂：

(3)由R₂计算出电磁波向地探测过程中在土壤中衰减后得到的电磁波强度R₃：

(4)由R₃计算出电磁波回波探测过程中与钵苗基质层面反射后得到的电磁波强度R₄：

(5)由R₄计算出电磁波回波探测过程中在土壤中衰减后得到的电磁波强度R₅：

(6)由R₅计算出电磁波回波探测过程中在土壤与空气交界层面投射后的到的电磁波强度R₆：

(7)由R₆计算出回波探测过程中在空气中衰减后得到的电磁波强度即电磁波耗散回波场强终值信号R_b：

本发明所述步骤二中获得电磁波耗散回波场强终值信号R_b的具体方法为：

(1)探地雷达发射多次电磁波采集钵苗栽深信息，电磁波经过空气、土壤、基质介质损失后最终得到n个不同的电磁波耗散回波场强终值信号R_b1,R_b2,…R_bn，通过设置阈值去除野值信息，获取p个可用的电磁波耗散回波场强终值信号R_b1,R_b2,…,R_bp，其中p≤n；

(2)通过K均值聚类的方法，求出步骤(1)获取的可用电磁波耗散回波场强终值信号R_b1,R_b2,…,R_bp的均值信号，去除因移栽中尘土等因素的干扰，获得最终的电磁波耗散回波场强终值信号R_b。

本发明所述通过设置阈值去除野值信息从而获取一组耗散回波场强终值信号的方法为：将R_b1,R_b2,…R_bn分别代入公式|R_i-μ|-mσ进行计算，计算结果大于0的为野值，将其去除，计算结果小于0的为可用值，留下备用。

本发明所述通过K均值聚类方法获得最终的标准耗散回波信号强度信号R_b的方法为：

(a)选取2个带聚类的聚类中心θ₁，θ₂；

(b)通过公式C＝argmin||R_bi-θ_j||²(j＝1,2)(1≤i≤p)计算选取的可用电磁波耗散回波场强终值信号R_b1,R_b2,…,R_bp中的每个信号点到聚类中心的欧式距离并将每个信号点聚类到离改点最近的聚类中，其中C代表可用电磁波耗散回波场强终值信号R_bi与2个聚类距离最近的聚类；

(c)通过公式计算每个聚类中所有信号点的平均值，并将其作为新的聚类中心，其中q表示每个聚类中信号点的个数；

(d)重复步骤(b)和(c)，直到聚类中心不再扩大移动范围或聚类次数达到要求为止；

(e)通过公式求出最终的电磁波耗散回波场强终值信号R_b。

本发明的有益效果是：本发明利用探地雷达发射的电磁波探测移栽钵苗根部入土深度信息，解决了传统方法上移栽栽深检测破坏移栽作业质量甚至伤苗的问题，克服了利用土壤剖面法检测钵苗栽植深度的非实时性，通过算法屏蔽移栽尘土污染对电磁波耗散的影响，优化了栽植深度的检测精度，本发明提升了栽深检测的作业效果，保护了移栽作业质量。

附图说明

图1为本发明移栽钵苗栽深监测系统的结构框架图；

图2为本发明探地雷达发射电磁波探测钵苗栽深的过程示意图。

图中标记：R_a、初始电磁波场强信号，R₁、电磁波向地探测过程中在空气中衰减后得到的电磁波强度，R₂、电磁波向地探测过程中在土壤与空气交界层透射后得到的电磁波强度，R₃、电磁波向地探测过程中在土壤中衰减后得到的电磁波强度，R₄、电磁波回波探测过程中与钵苗基质层面反射后得到的电磁波强度，R₅、电磁波回波探测过程中在土壤中衰减后得到的电磁波强度，R₆、电磁波回波探测过程中在土壤与空气交界层面投射后的到的电磁波强度，R_b、电磁波耗散回波场强终值信号，D、钵苗栽植深度。

具体实施方式

如图所示，一种钵苗移栽栽深监测系统，包括设置于移栽机覆土镇压轮上方用于提供钵苗位置信息的钵苗位置探测单元，用于检测栽植钵苗入土深度的探地雷达，用于控制探地雷达的电磁波发射频率的电磁波频率控制模块、处理器以及显示及报警模块，探地雷达的发射天线通过通信电缆线与电磁波频率控制模块连接，电磁波频率控制模块的信号输出端与处理器的信号输入端连接，处理器的信号输出端与显示器及报警模块连接，钵苗位置探测单元的信号输出端与处理器的信号输入端连接，处理器根据钵苗栽植深度值得预设标准值以及探地雷达探测的钵苗栽植深度值进行比较并实现栽深不合格报警显示及控制鸭嘴栽植器深度调节动作。

本发明所述钵苗位置探测单元由光电传感器阵列及信号调理电路组成雷达一维测线，设置于移栽机的一对覆土镇压轮的上方，当钵苗通过一对覆土镇压轮之间的覆土镇压通道时，光电传感器检测到钵苗信号，确定雷达一维测线的位置。

本发明所述探地雷达的发射天线和接收天线并行固定设置于移栽机覆土镇压轮的后侧上方位置。

本发明所述探地雷达的接收天线包括雷达数据采集卡以及用于数据传输的RS232通信接口及RS485通信接口。

利用所述的钵苗移栽栽深监测系统监测钵苗栽深的方法，包括以下步骤：

步骤一、移栽作业开始，当钵苗通过一对覆土镇压轮之间的覆土镇压通道时，钵苗位置探测单元检测到钵苗信号，并将该信号发送至处理器，处理器发出信号，控制探地雷达向覆土镇压轮之间的钵苗发射初始电磁波信号R_a；

步骤二、处理器根据探地雷达发射的初始电磁波场强信号R_a、电磁波经过空气、土壤、移栽钵苗基质三中介质损失后得到电磁波耗散回波场强终值信号R_b，由公式(1)计算钵苗的栽植深度D：

其中D为钵苗栽植深度，μ_土、μ_空分别为电磁波在栽植土壤和空气中的场强衰减系数，ξ_空、ξ_土、ξ_基分别为空气、土壤、移栽钵苗基质三种介质的介电常数，d为雷达天线距离地面的高度；

步骤三、处理器对系统通过探地雷达监测的钵苗栽植深度D与预设标准栽植深度值对比，判断栽深信息并传输给报警及显示模块。

本发明所述步骤二中获得电磁波耗散回波场强终值信号R_b的具体方法包括以下步骤：

(1)处理器记录探地雷达发射的初始电磁波场强信号R_a，通过R_a计算电磁波向地探测过程中在空气中衰减后得到的电磁波强度R₁：

(2)由R₁计算出电磁波向地探测过程中在土壤与空气交界层透射后得到的电磁波强度R₂：

(3)由R₂计算出电磁波向地探测过程中在土壤中衰减后得到的电磁波强度R₃：

(4)由R₃计算出电磁波回波探测过程中与钵苗基质层面反射后得到的电磁波强度R₄：

(5)由R₄计算出电磁波回波探测过程中在土壤中衰减后得到的电磁波强度R₅：

(6)由R₅计算出电磁波回波探测过程中在土壤与空气交界层面投射后的到的电磁波强度R₆：

(7)由R₆计算出回波探测过程中在空气中衰减后得到的电磁波强度即电磁波耗散回波场强终值信号R_b：

本发明所述步骤二中获得电磁波耗散回波场强终值信号R_b的具体方法为：

(1)探地雷达发射多次电磁波采集钵苗栽深信息，电磁波经过空气、土壤、基质介质损失后最终得到n个不同的电磁波耗散回波场强终值信号R_b1,R_b2,…R_bn，通过设置阈值去除野值信息，获取p个可用的电磁波耗散回波场强终值信号R_b1,R_b2,…,R_bp，其中p≤n；

(2)通过K均值聚类的方法，求出步骤(1)获取的可用电磁波耗散回波场强终值信号R_b1,R_b2,…,R_bp的均值信号，去除因移栽中尘土等因素的干扰，获得最终的电磁波耗散回波场强终值信号R_b。

本发明所述通过设置阈值去除野值信息从而获取一组耗散回波场强终值信号的方法为：将R_b1,R_b2,…R_bn分别代入公式R_i-μ-mσ进行计算，计算结果大于0的为野值，将其去除，计算结果小于0的为可用值，留下备用。

本发明所述通过K均值聚类方法获得最终的标准耗散回波信号强度信号R_b的方法为：

(a)选取2个带聚类的聚类中心θ₁，θ₂；

(b)通过公式C＝argmin||R_bi-θ_j||²(j＝1,2)(1≤i≤p)计算选取的可用电磁波耗散回波场强终值信号R_b1,R_b2,…,R_bp中的每个信号点到聚类中心的欧式距离并将每个信号点聚类到离改点最近的聚类中，其中C代表可用电磁波耗散回波场强终值信号R_bi与2个聚类距离最近的聚类；

(c)通过公式计算每个聚类中所有信号点的平均值，并将其作为新的聚类中心，其中q表示每个聚类中信号点的个数；

(d)重复步骤(b)和(c)，直到聚类中心不再扩大移动范围或聚类次数达到要求为止；

(e)通过公式求出最终的电磁波耗散回波场强终值信号R_b。

本发明监测原理：由于移栽钵苗基质通常由草炭、蛭石、珍珠岩、幼苗根系四种成分组成，在栽植完成后，钵苗表面覆土的土壤为沙粒、土壤基质等组成。而探地雷达发射的电磁波依次要经过空气、土壤、钵苗基质三种介质。不同的介质电磁波介电常数不同，对于探地雷达发射的电磁波吸收及反射率不同，通过不同介质后，探地雷达接收端收到的回波信号场强值不同，通过对回波信号的分析并通过算法屏蔽移栽过程中偶然的尘土浓度污染对雷达电磁回波信号的干扰，获取初始电磁波场强信号R_a及最终的电磁波耗散回波场强终值信号R_b，通过对电磁波在介质中能量漫散特性与距离因素的分析，确定栽植钵苗在覆土后在土壤层中的栽植深度。

Claims (8)

1.利用钵苗移栽栽深监测系统监测钵苗栽深的方法，钵苗移栽栽深监测系统包括设置于移栽机覆土镇压轮上方用于提供钵苗位置信息的钵苗位置探测单元，用于检测栽植钵苗入土深度的探地雷达，用于控制探地雷达的电磁波发射频率的电磁波频率控制模块、处理器以及显示及报警模块，探地雷达的发射天线通过通信电缆线与电磁波频率控制模块连接，电磁波频率控制模块的信号输出端与处理器的信号输入端连接，处理器的信号输出端与显示及报警模块连接，钵苗位置探测单元的信号输出端与处理器的信号输入端连接，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、移栽作业开始，当钵苗通过一对覆土镇压轮之间的覆土镇压通道时，钵苗位置探测单元检测到钵苗信号，并将该信号发送至处理器，处理器发出信号，控制探地雷达向覆土镇压轮之间的钵苗发射初始电磁波场强信号R_a；

步骤二、处理器根据探地雷达发射的初始电磁波场强信号R_a、电磁波经过空气、土壤、移栽钵苗基质三中介质损失后得到电磁波耗散回波场强终值信号R_b，由公式(1)计算钵苗的栽植深度D：

其中D为钵苗栽植深度，μ_土、μ_空分别为电磁波在栽植土壤和空气中的场强衰减系数，ξ_空、ξ_土、ξ_基分别为空气、土壤、移栽钵苗基质三种介质的介电常数，d为雷达天线距离地面的高度；

步骤三、处理器对系统通过探地雷达监测的钵苗栽植深度D与预设标准栽植深度值对比，判断栽深信息并传输给报警及显示模块。

2.根据权利要求1所述的利用钵苗移栽栽深监测系统监测钵苗栽深的方法，其特征在于：所述步骤二中获得电磁波耗散回波场强终值信号R_b的具体方法包括以下步骤：

(1)处理器记录探地雷达发射的初始电磁波场强信号R_a，通过R_a计算电磁波向地探测过程中在空气中衰减后得到的电磁波强度R₁：

(2)由R₁计算出电磁波向地探测过程中在土壤与空气交界层透射后得到的电磁波强度R₂：

(3)由R₂计算出电磁波向地探测过程中在土壤中衰减后得到的电磁波强度R₃：

(4)由R₃计算出电磁波回波探测过程中与钵苗基质层面反射后得到的电磁波强度R₄：

(5)由R₄计算出电磁波回波探测过程中在土壤中衰减后得到的电磁波强度R₅：

(6)由R₅计算出电磁波回波探测过程中在土壤与空气交界层面投射后的到的电磁波强度R₆：

(7)由R₆计算出回波探测过程中在空气中衰减后得到的电磁波强度即电磁波耗散回波场强终值信号R_b：

3.根据权利要求1所述的利用钵苗移栽栽深监测系统监测钵苗栽深的方法，其特征在于：所述步骤二中获得电磁波耗散回波场强终值信号R_b的具体方法为：

(1)探地雷达发射多次电磁波采集钵苗栽深信息，电磁波经过空气、土壤、基质介质损失后最终得到n个不同的电磁波耗散回波场强终值信号R_b1,R_b2,…R_bn，通过设置阈值去除野值信息，获取p个可用的电磁波耗散回波场强终值信号R_b1,R_b2,…,R_bp，其中p≤n；

(2)通过K均值聚类的方法，求出步骤(1)获取的可用电磁波耗散回波场强终值信号R_b1,R_b2,…,R_bp的均值信号，去除因移栽中尘土因素的干扰，获得最终的电磁波耗散回波场强终值信号R_b。

4.根据权利要求3所述的利用钵苗移栽栽深监测系统监测钵苗栽深的方法，其特征在于：所述步骤(1)中通过设置阈值去除野值信息从而获取一组耗散回波场强终值信号的方法为：将R_b1,R_b2,…R_bn分别代入公式|R_i-μ|-mσ进行计算，计算结果大于0的为野值，将其去除，计算结果小于0的为可用值，留下备用。

5.根据权利要求3所述的利用钵苗移栽栽深监测系统监测钵苗栽深的方法，其特征在于：所述步骤(2)中通过K均值聚类方法获得最终的标准耗散回波信号强度信号R_b的方法为：

(a)选取2个带聚类的聚类中心θ₁，θ₂；

(b)通过公式C＝argminR_bi-θ_j ²(j＝1,2)(1≤i≤p)计算选取的可用电磁波耗散回波场强终值信号R_b1,R_b2,…,R_bp中的每个信号点到聚类中心的欧式距离并将每个信号点聚类到离改点最近的聚类中，其中C代表可用电磁波耗散回波场强终值信号R_bi与2个聚类距离最近的聚类；

(c)通过公式计算每个聚类中所有信号点的平均值，并将其作为新的聚类中心，其中q表示每个聚类中信号点的个数；

(d)重复步骤(b)和(c)，直到聚类中心不再扩大移动范围或聚类次数达到要求为止；

(e)通过公式求出最终的电磁波耗散回波场强终值信号R_b。

6.根据权利要求1所述的利用钵苗移栽栽深监测系统监测钵苗栽深的方法，其特征在于：所述钵苗位置探测单元由光电传感器阵列及信号调理电路组成雷达一维测线，设置于移栽机的一对覆土镇压轮的上方，当钵苗通过一对覆土镇压轮之间的覆土镇压通道时，光电传感器检测到钵苗信号，确定雷达一维测线的位置。

7.根据权利要求1所述的利用钵苗移栽栽深监测系统监测钵苗栽深的方法，其特征在于：所述探地雷达的发射天线和接收天线并行固定设置于移栽机覆土镇压轮的后侧上方位置。

8.根据权利要求1所述的利用钵苗移栽栽深监测系统监测钵苗栽深的方法，其特征在于：所述探地雷达的接收天线包括雷达数据采集卡以及用于数据传输的RS232通信接口及RS485通信接口。