СИСТЕМА РАСПОЗНАВАНИЯ ЖИВЫХ РАСТЕНИЙ Российский патент 2024 года по МПК G01J3/36 A01M21/04 

Изобретение относится к области информационных технологий, а именно к средствам оптического распознавания объектов путем спектрального анализа, в частности к распознаванию растений, и может найти применение в сельском хозяйстве при предпосевной обработке почвы для борьбы с сорняками путем точечного внесения гербицидов на полях.

Известные традиционные технологии борьбы с сорняками или требуют повышенного расхода гербицидов сплошного действия, при этом повышается химическая нагрузка на почву, например, методом сплошного полива, или малопроизводительны, например, с применением ранцевых, штанговых опрыскивателей.

Применение высоко технологичного оборудования требует значительных затрат и наличия специальных знаний и навыков обслуживающего персонала, например, составление карт сорняков по пат. РФ №2370391, А01М 21/00, или система идентификации сорняков по патенту РФ №2735151, G06K 9/46, которая может быть реализована в виде части частного вычислительного центра или общего вычислительного центра, такого как центр облачных вычислений.

Из применяемых на практике известно применение средств оптического распознавания объектов, в частности растений, путем спектрального анализа, например система Weed Seeker, США, Фирма Trimble https://novatech.su/product/weedseeker/ Это система, основана на анализе двух спектров красного и ближнего инфракрасного. Получение данных об уровне отражения того или другого спектра основано на разности между освещенностью при ее измерении в трех фазах: подсветка выключена, включена подсветка инфракрасного диапазона, включена подсветка красного диапазона. Уровни отражения спектров получают путем вычитания из красного и инфракрасного диапазонов общего уровня без подсветки, на основе полученных данных вычисляет коэффициент NDVI (индекс растительности) и по индексу определяет наличие живого растения, соответственно электроника дает команду на открытие клапана опрыскивателя.

К недостаткам можно отнести то, что, так как при сканировании поверхности система находится постоянно в движении, то скорость сканирования каждой из фаз должна быть очень высокой, иначе сканируемая поверхность будет сильно отличаться от поверхностей, сканируемых в каждой из фаз. Не исключены ложные срабатывания иди отсутствие срабатывания системы на растение, система не видит сорняков малого размера.

Известна разработка AmaSpot, Германия фирма Amazone, (https://amazone.ru/ra-ra) в которой данные получают на основе анализа ультрафиолетового излучения. Данный метод основан на эффекте живых растений отражать УФ излучение. Соответственно при сканировании поверхности на основе получаемых данных электроника дает команду открыть или закрыть клапан опрыскивания. Здесь уже точность распознавания достаточно высока, но используемый рабочий спектральный диапазон ультрафиолетового излучения подразумевает использование дорогостоящих электронных компонентов. Фотоэлементы в основе своей не работают в диапазоне ультрафиолетового излучения, следовательно, используются достаточно специфические сенсоры, которые имеют ограниченный объем производства и, следовательно, более высокую стоимость по сравнению с распространенными компонентами.

Известно получение данных с двух оптических сенсоров (матриц) которые сканируют поверхность в каждом из диапазонов WeedSeeker 2 (Trimble) https://agricultoe.trimble.ra/product/sistema-tocheclmogo-opriskivania-weedseeker2/ Матрицы сенсоров находятся при этом на одной оси, из-за чего при сканировании поверхности не желательны сильные изменения расстояния от датчика до поверхности. Растения могут расти в высоту более или равной расстоянию датчика от почвы, поэтому на растениях высотой равной, выше или приближенной к расстоянию датчика до почвы возможны ложные срабатывания системы на сухостой или вовсе игнорирование живых растений. Для компенсации данного недостатка, который в конечном счете полностью не устраняется, в данной системе должны применятся матрицы высокого разрешения, следовательно, более дорогие и быстродействующие электронные вычислительные компоненты, способные за короткий промежуток времени обработать большой массив поступивших с сенсоров данных.

Из доступных заявителю информационных источников по количеству сходных признаков и достигаемому результату прототип в области применения для распознавания живых растений не определен.

Техническая проблема, решаемая заявителем, - создание высокотехнологичной системы для обнаружения и обработки сорняков только на тех участках поля, где они растут без опрыскивания чистой почвы. При этом простота использования должна сочетаться с точностью работы, а конструкция устройства в целом должна быть намного экономичнее известных аналогов.

Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого изобретения, заключается в ускоренной обработке данных оптического датчика электронной системой, что ведет к повышению производительности электроники и всего устройства в целом. Регулируемое электронной вычислительной системой точечное попадание гербицида на живое растение позволит значительно сократить расход гербицида.

Технический результат достигается за счет того, что система содержит линейный оптический датчик, выполненный в виде параллельно расположенных по обе стороны горизонтальной оси двух линейных фотоматриц (далее матрицы), которые получают линейное изображение сканируемой поверхности, при этом каждая матрица имеет свой отдельный световой фильтр, пропускающий световой поток с фиксированной длиной волны. Также датчик содержит два объектива, между которыми расположены два зеркала под углом 45 градусов относительно каждого из объективов для передачи проекции сканируемого изображения на объектив, а затем на саму матрицу. Зеркала сходятся торцами друг к другу так, что в сечении образуют угол в 90 градусов. При этом сохраняется максимально близкий участок зеркал в точке их схождения, тем самым обеспечивается параллельное сканирование линий изображения каждой из матриц. Линейный оптический датчик соединен проводной связью с микроконтроллером для обработки результатов сканируемых изображений и управления клапаном опрыскивателя сорняков.

Расположение зеркал в оптическом датчике позволяет разделить отраженный пучок света на два потока, которые воспринимаются матрицами с низкой разрешающей способностью (количество пикселей, сканируемых точек) без потери точности распознавания, что позволит снизить стоимость изготовления и увеличить скорость обработки данных поступающих в вычислительную электронную систему.

В системе используется спектральный диапазон, в котором работает подавляющая часть всех выпускаемых фотоэлементов. Благодаря относительно малому разрешению матриц, возможно, использовать менее производительные, а следовательно более дешевые вычислительные компоненты.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 блок-схема системы фиг.2 представлен общий вид оптического датчика сбоку, на фиг.3-вид датчика снизу, на фиг.4 - вид датчика со стороны матрицы, на фиг.5-схема сканирования.

В корпусе линейного оптического датчика содержатся параллельно расположенные по обе стороны горизонтальной оси два объектива 1 со световыми фильтрами (на рис. не показаны), две линейные фотоматрицы 2, два зеркала 3, установленные под углом 45 градусов относительно каждого из объективов 1.

Данное изобретение основано на анализе отраженного от поверхностей спектра красного (630-690 нм) и инфракрасного (760-900 нм) диапазонов, благодаря тому, что живые растения отражают свет в ближнем инфракрасном диапазоне и поглощают свет в красном, можно, получить данные об отраженных уровнях этих двух спектров, рассчитать коэффициент растительности по формуле:

где

NIR - уровень освещенности в ближнем инфракрасном диапазоне, 780-880 нм,

Red - уровень освещенности в диапазоне красного спектра освещения, 630-660 нм.

NDVI -индекс растительности

Основываясь на практическом опыте применения данных расчетов, при сканировании живых растений индекс растительности имеет значения в диапазоне от 0,2 до 1

Так как в различное время суток уровень излучения красного спектра и ближнего инфракрасного может изменяться, соответственно вычисляемый индекс NDVI будет разным у одного и того же растения, соответственно при постоянно изменяющемся уровне необходимо компенсировать составляющие освещенности двух анализируемых диапазонов, в программном обеспечении представляемого устройства используется алгоритм компенсации уровней освещенности, основанный на вычислении средней составляющей каждого диапазона в каждом кадре сканируемого изображения, затем вычисляется так называемый калибровочный коэффициент, с помощью которого делается поправка в вычислениях уровней каждого диапазона, которые влияют на индекс NDVI. В результате чего нет необходимости в ручной регулировке компенсации освещенности, что исключает ошибки человеческого фактора, которые могли бы привести к неправильной работе устройства при распознавании растений, соответственно повышается качество обработки.

Система работает следующим образом.

Корпус распознавателя растений располагают на транспортном средстве, несущем емкость с раствором гербицида Работа с заявляемым устройством происходит на поле во время предпосевной обработки почвы.

Сканирование поверхности поля происходит с помощью линейного оптического датчика с получением массива точек изображений двух спектров с матриц. При использовании фотофильтров с пропускной способностью в диапазоне 630-660 нм и 830-880 нм получаем линейные изображения в видимом красном и ближнем инфракрасном. Вычислив с помощью аппаратных средств микроконтроллера расчет индекса NDVI для каждой точки изображения и получение результата расчета индекса NDVI в пределах, указьшающих на живое растение подается команда на открытие клапана управления форсункой опрыскивателя. Таким образом можно производить точечное внесение гербицидов только на участки поля, где есть зеленая растительность.

Изобретение относится к области оптического распознавания объектов путем спектрального анализа и касается системы обнаружения сорняков и обработки их гербицидами при предпосевной обработке почвы. Система включает линейный оптический датчик, выполненный в виде параллельно расположенных по обе стороны горизонтальной оси двух линейных фотоматриц, каждая из которых снабжена отдельным световым фильтром, пропускающий световой поток с фиксированной длиной волны. Кроме того, система содержит два объектива, между которыми расположены два зеркала под углом 45 градусов относительно каждого из объективов, причем зеркала сходятся торцами друг к другу так, что в сечении образуют угол в 90 градусов. Линейный оптический датчик соединен с микроконтроллером, который по полученным от линейного оптического датчика данным вычисляет индекс растительности NDVI, по вычисленному индексу NDVI определяет наличие живых растений и управляет опрыскивателем таким образом, чтобы осуществлять опрыскивание только там, где определено наличие живых растений. Технических результат заключается в повышении производительности системы, обеспечении возможности точечного попадания гербицида на живое растение и снижении расхода гербицида. 5 ил.

Система обнаружения сорняков и обработки их гербицидами при предпосевной обработке почвы, включающая линейный оптический датчик, выполненный в виде параллельно расположенных по обе стороны горизонтальной оси двух линейных фотоматриц, при этом каждая матрица имеет свой отдельный световой фильтр, пропускающий световой поток с фиксированной длиной волны, двух объективов, между которыми расположены два зеркала под углом 45 градусов относительно каждого из объективов, причем зеркала сходятся торцами друг к другу так, что в сечении образуют угол в 90 градусов, при этом линейный оптический датчик соединен с микроконтроллером, который по полученным от линейного оптического датчика данным вычисляет индекс растительности NDVI, по вычисленному индексу NDVI определяет наличие живых растений и управляет опрыскивателем таким образом, чтобы осуществлять опрыскивание только там, где определено наличие живых растений.