多功能智能探测与土壤水含量检测装置论文和设计-胡进峰

全文摘要

本实用新型公开了一种多功能智能探测与土壤水含量检测装置，属于智能农业环境技术领域。本实用新型包括智能移动机器人平台、以及设置在其上的探地雷达和多功能智能探测与土壤水含量检测仪；其中智能移动机器人平台用于实时探测待检测区域的环境信息并发送给多功能智能探测与土壤水含量检测仪，探地雷达用于采集待检测区域的土壤信息并发送给多功能智能探测与土壤水含量检测仪；多功能智能探测与土壤水含量检测仪基于预置的规划方式确定当前的最优探测路线并反馈给智能移动机器人平台，从而控制器检测运动路线；以及基于采集的土壤信息进行土壤水含量分析仪并实时显示。本实用新型的实施，实现了全智能的土壤水含量检测分析，提高检测精度与效率。

主设计要求

1.多功能智能探测与土壤水含量检测装置，其特征在于，包括智能移动机器人平台、探地雷达和多功能智能探测与土壤水含量检测仪；其中，多功能智能探测与土壤水含量检测仪和探地雷达设置在所述智能移动机器人平台上；所述智能移动机器人平台包括传感器、承载结构、移动控制模块和移动执行结构；其中，传感器用于感知待检测区域的环境信息；并将感知的环境信息发送给多功能智能探测与土壤水含量检测仪；承载结构用于放置探地雷达和多功能智能探测与土壤水含量检测仪；移动控制模块用于接收来自多功能智能探测与土壤水含量检测仪反馈的最优探测路线，并基于驱动移动执行结构按照所述最优探测路线移动智能移动机器人平台；所述探地雷达用于采集土壤数据并发送给多功能智能探测与土壤水含量检测仪；所述多功能智能探测与土壤水含量检测仪包括智能探测路线规划模块和土壤水含量分析模块；其中智能探测路线规划模块包括多个路径规划子模块和路径筛选子模块；每个路径规划子模块内置不同的局部路径规划方式，用于基于当前输入的环境信息确定智能移动机器人平台的局部路径规划结果，并发送给路径筛选子模块；所述路径筛选子模块从多个局部路径规划结果中选择最短路径长度作为当前最优探测路线并反馈给智能移动机器人平台的移动控制模块；所述土壤水含量分析模块包括杂波抑制模块、土壤水含量检测模块、存储单元和显示模块；所述杂波抑制模块，用于对当前输入的土壤数据进行杂波抑制处理，并将处理后的土壤数据存储至存储单元；所述土壤水含量检测模块，从存储单元读取杂波抑制模块处理后的土壤数据，执行探地雷达波速估计处理，并基于探地雷达波速估计结果计算土壤水含量检测结果并通过显示模块输出显示；其中，土壤水含量检测模块包括多个雷达波速估计子模块和运算处理模块，各雷达波速估计子模块分别内置不同的雷达波束估计方法，用于确定对应当前读取的土壤数据的探地雷达波速估计结果并发送给运算处理模块；所述运算处理模块基于预置的每种探地雷达波速估计结果的权值，对接收的多种探地雷达波速估计结果进行加权融合，并将融合结果输出至显示模块，作为最终的探地雷达波速估计结果；以及基于预置的雷达波速与土壤水含量的映射关系，计算土壤水含量检测结果并输出至显示模块。

设计方案

1.多功能智能探测与土壤水含量检测装置，其特征在于，包括智能移动机器人平台、探地雷达和多功能智能探测与土壤水含量检测仪；

其中，多功能智能探测与土壤水含量检测仪和探地雷达设置在所述智能移动机器人平台上；

所述智能移动机器人平台包括传感器、承载结构、移动控制模块和移动执行结构；其中，传感器用于感知待检测区域的环境信息；并将感知的环境信息发送给多功能智能探测与土壤水含量检测仪；承载结构用于放置探地雷达和多功能智能探测与土壤水含量检测仪；移动控制模块用于接收来自多功能智能探测与土壤水含量检测仪反馈的最优探测路线，并基于驱动移动执行结构按照所述最优探测路线移动智能移动机器人平台；

所述探地雷达用于采集土壤数据并发送给多功能智能探测与土壤水含量检测仪；

所述多功能智能探测与土壤水含量检测仪包括智能探测路线规划模块和土壤水含量分析模块；其中智能探测路线规划模块包括多个路径规划子模块和路径筛选子模块；每个路径规划子模块内置不同的局部路径规划方式，用于基于当前输入的环境信息确定智能移动机器人平台的局部路径规划结果，并发送给路径筛选子模块；所述路径筛选子模块从多个局部路径规划结果中选择最短路径长度作为当前最优探测路线并反馈给智能移动机器人平台的移动控制模块；

所述土壤水含量分析模块包括杂波抑制模块、土壤水含量检测模块、存储单元和显示模块；

所述杂波抑制模块，用于对当前输入的土壤数据进行杂波抑制处理，并将处理后的土壤数据存储至存储单元；

所述土壤水含量检测模块，从存储单元读取杂波抑制模块处理后的土壤数据，执行探地雷达波速估计处理，并基于探地雷达波速估计结果计算土壤水含量检测结果并通过显示模块输出显示；

其中，土壤水含量检测模块包括多个雷达波速估计子模块和运算处理模块，各雷达波速估计子模块分别内置不同的雷达波束估计方法，用于确定对应当前读取的土壤数据的探地雷达波速估计结果并发送给运算处理模块；

所述运算处理模块基于预置的每种探地雷达波速估计结果的权值，对接收的多种探地雷达波速估计结果进行加权融合，并将融合结果输出至显示模块，作为最终的探地雷达波速估计结果；以及基于预置的雷达波速与土壤水含量的映射关系，计算土壤水含量检测结果并输出至显示模块。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，智能探测路线规划模块包括五个路径规划子模块：弹性带路径规划模块、人工势场法路径规划模块、模糊控制逻辑法路径规划模块、神经网络算法路径规划模块和遗传算法路径规划模块。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，杂波抑制模块包括三个杂波抑制子模块：直耦杂波抑制子模块、地表杂波抑制子模块和地下非均匀杂波抑制子模块，其中直耦杂波抑制子模块用于生成能对消探地雷达的天线直耦回波信号中的杂波信号的第一抑制信号；地表杂波抑制子模块用于生成能对消地表回波信号中的杂波信号的第二抑制信号；地下非均匀杂波抑制子模块用于生成能对消地下介质非均匀产生回波信号中的杂波信号的第三抑制信号；各杂波抑制子模块用于生成对应回波信号中的杂波信号相位接近相反、幅度基本一致的抑制信号，通过耦合器实现对杂波信号的实时对消。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，土壤水含量检测模块包括三个雷达波速估计子模块：基于霍夫变换方法的雷达波速估计子模块、基于曲线拟合方法的雷达波速估计子模块和基于合成孔径成像技术的雷达波速估计子模块。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于智能农业环境技术领域，具体涉及一种多功能智能探测与土壤水含量检测仪。

背景技术

目前，基于探地雷达土壤水含量分析仪受到广泛应用，因为相比于烘干法、中子法、时域反射仪法和遥感测定等这些中能作用于小区域、对土壤具有一定破坏性的方法，基于探地雷达土壤水含量分析仪不仅解决了中等区域土壤湿含量检测技术缺失的问题，而且还具有准确、快速方便的特点。

探地雷达是通过介质介电常数和速度的变化来反映土壤的体积水含量。因为土壤水含量直接决定了土壤的介电常数，土壤介电常数则决定了雷达的电磁波在土壤中的传播速度，利用探地雷达探测的数据来估计雷达波速，可准确计算出土壤水含量，因此，探地雷达是无损探测，与烘干法等需要取样方法以及中子法等定点检测的方法相比，更快捷方便。尽管基于探地雷达的土壤水含量检测系统突破了传统土壤水含量检测方法，但目前应用的探地雷达需要在地面拖动雷达才可检测土壤水含量，是一件又耗时又耗力的工作，而且人拖或车载探地雷达进行水含量检测时探测路线是人为规划的，会导致重复检测、漏检等问题，从而导致检测精度不高，消耗大等问题。

实用新型内容

本实用新型的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种多功能智能探测与土壤水含量分析系统。

本实用新型的多功能智能探测与土壤水含量检测仪包括：智能移动机器人平台、探地雷达和多功能智能探测与土壤水含量检测仪；

其中，多功能智能探测与土壤水含量检测仪和探地雷达设置在所述智能移动机器人平台上；

所述智能移动机器人平台包括传感器、承载结构、移动控制模块和移动执行结构；其中，传感器用于感知待检测区域的环境信息，主要是待检测区域的地面环境信息，如地面平坦情况，是否有障碍物等；并将感知的环境信息发送给多功能智能探测与土壤水含量检测仪；承载结构用于放置探地雷达和多功能智能探测与土壤水含量检测仪；移动控制模块用于接收来自多功能智能探测与土壤水含量检测仪反馈的最优探测路线，并基于驱动移动执行结构按照所述最优探测路线移动智能移动机器人平台；

所述探地雷达用于采集土壤数据并发送给多功能智能探测与土壤水含量检测仪；

其中，局部路径规划是指：在移动机器人所处的运行环境完全不知或者部分未知的情况下，按照一定的策略确定从起始点运动到目标点的运动路线(运动路径)。常用的局部路径规划方法(策略)包括弹性法、人工势场法、模糊控制逻辑法、神经网络算法块、遗传算法等。本实用新型中，可设置五个路径规划子模块，具体为：弹性带路径规划模块、人工势场法路径规划模块、模糊控制逻辑法路径规划模块、神经网络算法路径规划模块和遗传算法路径规划模块。

进一步的，智能探测路线规划模块还包括障碍物检测模块、约束条件选择模块；其中障碍物检测模块基于内置的目标对象检测器，对智能移动机器人平台的图像采集装置传输的图像信息进行障碍物检测处理，并将障碍物检测结果反馈给约束条件选择模块；例如若监测到障碍物，则基于A接口向约束条件选择模块发送触发信号；否则基于B接口向约束条件选择模块发送触发信号；

所述约束条件选择模块基于障碍物检测结果选择局部路径规划的约束条件，并发送给每个路径规划子模块：若监测到障碍物，则对应的局部路径规划的约束条件为：探测区域边界约束、路径不重复约束、区域覆盖约束和不碰撞障碍物约束；否则对应的局部路径规划的约束条件为：探测区域边界约束、路径不重复约束和区域覆盖约束；从而保证待探测区域内的所有地方都被检测到，且不碰撞可能存在的障碍物。

所述土壤水含量分析模块包括杂波抑制模块、土壤水含量检测模块、存储单元和显示模块；

所述杂波抑制模块，用于对当前输入的土壤数据进行杂波抑制处理，并将处理后的土壤数据存储至存储单元；

具体的，杂波抑制模块包括三个杂波抑制子模块：直耦杂波抑制子模块、地表杂波抑制子模块和地下非均匀杂波抑制子模块，其中直耦杂波抑制子模块用于生成能对消探地雷达的天线直耦回波信号中的杂波信号的第一抑制信号；地表杂波抑制子模块用于生成能对消地表回波信号中的杂波信号的第二抑制信号；地下非均匀杂波抑制子模块用于生成能对消地下介质非均匀产生回波信号中的杂波信号的第三抑制信号；即各杂波抑制子模块用于生成对应回波信号中的杂波信号相位接近相反、幅度基本一致的抑制信号，通过耦合器实现对杂波信号的实时对消；

所述运算处理模块基于预置的每种探地雷达波速估计结果的权值，对接收的多种探地雷达波速估计结果进行加权融合(例如通过加法器和乘法器实现加权融合运算)，并将融合结果输出至显示模块，作为最终的探地雷达波速估计结果；以及基于预置的雷达波速与土壤水含量的映射关系，计算土壤水含量检测结果并输出至显示模块。

具体的，本实用新型包括三个雷达波速估计子模块：基于霍夫变换方法的雷达波速估计子模块、基于曲线拟合方法的雷达波速估计子模块和基于合成孔径成像技术的雷达波速估计子模块。

本实用新型在探测区域工作时，通过传感器在智能移动机器人平台感知周围的环境后，多功能智能探测与土壤水含量检测仪为智能移动机器人平台规划最优探测路线，从而控制智能移动机器人平台实现全自动最优探测，并且基于探地雷达探测到的土壤数据，在多功能智能探测与土壤水含量检测仪的显示屏上实时输出土壤水含量数值等分析结果。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

(1)本实用新型的多功能智能探测与土壤水含量检测仪与已有的探地雷达和智能移动机器人平台结合可实现全自动探测与水含量检测，提高检测精度，节省人力。

(2)本实用新型对环境具有自适应性，可用于复杂环境的智能探测与土壤水含量检测。

(3)本实用新型可广泛应用其他领域，例如：水文和气候模型的边界参数检测、植被水分研究、旱情监测、农作物估产等；可用于智能农业、指导农业生产、选种播种和农业的智能准确灌溉；可用于指导沙化区人工林营造。

附图说明

图1是本实用新型的系统结构示意图；

图2是具体实现方式的结构图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本实用新型作进一步地详细描述。

参见图1和图2，本实用新型的多功能智能探测与土壤水含量检测装置，包括智能移动机器人平台、以及设置在其上的探地雷达和多功能智能探测与土壤水含量检测仪；

其中，多功能智能探测与土壤水含量检测仪通过通信接口1接收来自探地雷达的土壤行数据(探测数据)；通过通信接口2接收来自智能移动机器人平台的传感器的环境信息，并通过通信接口3向智能移动机器人平台实时反馈最优探测路线。

其中探地雷达可以是任一商用探地雷达，常见的探地雷达包括时钟、定时电路、脉冲生成器、发射天线，接收天线、时变增益、采样控制、采样保持电路和数模转换电路(ADC)，如图1所示，本实用新型的通信接口1主要与ADC连接，用于读取\/接收探地雷达采集的土壤数据。

智能移动机器人平台包括传感器和控制系统(移动控制模块和移动执行结构)，控制系统基于多功能智能探测与土壤水含量检测仪反馈的最优探测路线控制智能移动机器人平台移动。

本实用新型的具体工作具体流程如下：

(1)将探地雷达安装在智能移动机器人平台上，并与多功能智能探测与水含量检测仪相连，同时连接多功能智能探测与水含量检测仪和智能移动机器人平台，得到本实用新型的多功能智能探测与土壤水含量检测装置。

(2)将连接好的新型多功能智能探测与土壤水含量检测装置放置在待检测区域，通过支架统一调整智能移动机器人平台和探地雷达相对于地面的高度和角度。

(3)开启智能移动机器人平台和探地雷达，获取周围环境信息，以及采集土壤数据，获取和采集完成后进行数据存储。

(4)将获取的环境信息通过通信接口2传送到多功能智能探测与土壤水含量检测仪，该多功能智能探测与土壤水含量检测仪综合分析弹性带路径规划法、人工势场法路、模糊控制逻辑法、神经网络算法、遗传算法等自动规划探测路线，基于路径最短原则从多种局部路径规划结果中选择一条路径长度最短的作为最优探测路线并存储；

(5)通信接口3将当前最优探测路线存输出至智能移动机器人平台的控制系统，实现智能探测。

(6)同时，对探地雷达采集的土壤数据通过通信接口1传送到多功能智能探测与土壤水含量检测仪的杂波抑制模块进行杂波抑制，其中包括直耦杂波抑制、地表杂波抑制、地下非均匀杂波抑制，并对抑制后的数据进行存储。

(7)通信接口将存储的杂波抑制后的数据传送到水含量检测平台进行水含量检测和分析，并将检测和分析的结果进行存储，并向土壤水含量检测模块发送一个使能信号。

(8)土壤水含量检测模块从存储模块中读取最近的杂波抑制后的数据，执行探地雷达波速估计处理，并基于探地雷达波速估计结果计算土壤水含量检测结果并通过显示模块输出显示。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和\/或步骤以外，均可以任何方式组合。

设计图

多功能智能探测与土壤水含量检测装置论文和设计

多功能智能探测与土壤水含量检测装置论文和设计-胡进峰

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