CN102726358A - 激光灭蚊器 - Google Patents

Abstract

本发明是采用激光作为杀灭蚊子的能量源，在此基础上增加一种用声波引诱蚊子的功能，以提高灭蚊设备附近的蚊子密度，从而提高杀灭效率。本装置包括摄像头，微控制器，激光器，对准系统，摄像头跟微控制器电气连接，微控制器跟激光器电气连接，微控制器跟对准系统电气连接，激光器跟对准系统机械连接；此外本装置还包括声波引蚊装置，跟微控制器连接。

Description

激光灭蚊器

技术领域：这是一种灭蚊设备。

 

背景技术：

现有的灭蚊方法，包括化学杀灭、物理杀灭，物理杀灭包括高压电杀灭，激光杀灭等。其中激光杀灭是用激光作为杀灭武器，有关技术可参考中国专利200410081488.1 激光灭蚊机，和美国知识风险公司2008年的一个同类设计。本发明的目的是在此基础上做出一个改进，即增大灭蚊设备附近的蚊子密度，以提高杀灭效率。

 

技术方案：

本发明是采用激光作为杀灭蚊子的能量源，在此基础上增加一种用声波引诱蚊子的功能，以吸引蚊子向设备附近聚拢，而后杀灭。

产品类方案：

方案1 一种激光灭蚊装置，包括两个或更多摄像头，微控制器，激光器，对准系统，摄像头跟微控制器电气连接，微控制器跟激光器电气连接，微控制器跟对准系统电气连接，激光器跟对准系统机械连接；特征是它还包括声波引蚊装置。

本方案的好处是提高了杀灭效率。

方案2 如1所述装置，特征是所述声波引蚊装置包括波形产生电路，发声元件，波形产生电路发声元件连接。

好处是波形产生电路产生声波波形，驱动发声元件发声，达到吸引蚊子的效果。

方案3如1所述装置，特征是所述波形产生电路是振荡电路、单片机、可编程逻辑电路或ASIC。

振荡电路结构简单成本低廉，单片机、可编程电路、ASIC可以实现动态系统配置，或储存多种声音数据，实现灵活的功能。

方案4 如1所述装置，特征是所述单片机、可编程逻辑电路或ASIC是预先编程为可产生方波或PWM波的器件。

方波生成简单，PWM波谐波成分较少。

方案5 如2、3或4所述装置，特征是所述发声元件是扬声器或压电陶瓷发声片。

扬声器在音频中低频频响好，压电陶瓷片体积小、功率小，可以根据产品具体场合选择。

方案6 如1所述装置，特征是所述声波引蚊装置的发声的基频是300~400Hz。

本方案的好处是，这个频率范围对蚊子比较有效。

方案7 如1所述装置，特征是所述对准系统是云台系统，包括两个转轴调节部分，两个转轴不平行，各转轴与激光光轴也不平行。

本方案的好处是可以调节发出激光的方向，以便对准目标。

方案8 如7所述装置，特征是两个调节部分的转轴和激光光轴两两垂直。

本方案的好处是正交的转轴瞄准角度容易计算，便于微控制器给出云台转轴的旋转角度参数。

方案9 如1所述装置，特征是所述对准系统是摆镜系统，包括2个摆镜，其摆轴不平行，各摆轴与激光光轴也不平行。

本方案的好处是，摆镜惯性小，调节比较容易，快速，可实现更快的对准。

方案10 如9所述装置，特征是各摆镜摆轴和激光光轴两两垂直。

本方案的好处是，正交的摆镜转轴调节角度容易计算，，便于微控制器给出摆镜转轴的旋转角度参数。

方法类方案：

方案11 一种激光灭蚊方法，特征是通过声波吸引蚊子，并用两个或更多摄像头拍摄蚊子图像，之后通过图像识别确定其空间坐标，并通过对准系统控制激光器瞄准，发射激光杀死或杀伤蚊子。

本方案的好处是提高了杀灭效率。

方案12 如11所述方法，特征是所述声波引蚊是用如下步骤实现的，用波形产生电路产生波形信号，再用波形信号驱动发声元件发声。这样可以产生所需的声音。

方案13 如12所述方法，特征是所述波形产生电路产生波形的方法可以是通过振荡电路、单片机、可编程逻辑电路或ASIC产生的。

振荡电路结构简单成本低廉，单片机、可编程电路、ASIC可以实现动态系统配置，或储存多种声音数据，实现灵活的功能。

方案14 如13所述方法，特征是通过单片机、可编程逻辑电路、ASIC或振荡电路产生的波形信号是方波或PWM波。

方波生成简单，PWM波谐波成分较少。

方案15 如11所述方法，特征是产生的声波基频是300~400Hz。

本方案的好处是，这个频率范围对蚊子比较有效。

方案16 如1所述方法，特征是所述对准由两个轴向的角度调节来实现，两轴不平行，两轴与激光光轴也不平行。

本方案的好处是可以调节发出激光的方向，以便对准目标。

方案17 如16所述方法，特征是所述的云台两轴调节部分的转轴和激光光轴两两垂直。

本方案的好处是正交的角度转轴调节容易计算，便于微控制器给出云台转轴的旋转角度参数。

方案18 如11所述方法，特征是所述对准系统是摆镜系统，包括2个摆镜，其摆轴不平行，两摆轴与激光光轴也不平行。

本方案的好处是，摆镜的调节比较容易，快速，可实现更快的对准。

方案19 如18所述方法，特征是两摆轴和激光光轴两两垂直。

本方案的好处是，正交的摆镜转轴调节容易计算，便于微控制器给出摆镜转轴的旋转角度参数。此处的摆轴指“摆镜转轴”。

方案20 如11所述方法，特征是连续跟踪目标一段时间得到其速度参数，瞄准时对目标作提前量修正。

本方法好处是提高命中率。

 

附图说明：

图1 灭蚊设备工作示意图

   11 微控制器，12 激光器，13 云台系统，14 摄像机，15 声波引蚊模块，16 蚊子。

图2 立体坐标计算原理示意图

   21 视场，22目标在视场中的空间坐标T(X,Y,Z)，23 2号摄像机成像光轴，24 2号摄像机透镜组，25 2号摄像机成像T2(x2,y2,z2)，26目标在2号摄像机成像中的坐标，27 1号摄像机成像光轴，28 1号摄像机透镜组，29 1号摄像机成像T1(x1,y1,z1)，210 目标在1号摄像机成像中的坐标。

   O是视场中的坐标原点，O1是1号摄像机成像中的坐标原点，O2是2号摄像机成像中的坐标原点，d是两个光轴间距的一半，Z是透镜组到视场的距离，Z0是透镜组到成像平面的距离。

图3 灭蚊步骤方框图

图4 瞄准提前量示意图

图5 云台系统角度计算原理示意图

图6 微控制器软件结构方框图

具体实施方式：

声波吸引部分：

   生物学原理：

雄蚊会被300~400Hz的声波欺骗，它们会误以为是雌蚊发出的声波，从而向声源聚集，利用这个特点可以集中杀灭雄蚊，破坏其种群平衡，破坏其繁殖链，从而达到生态灭绝的效果。

   电路原理：

   首先用波形发生器，产生这个频率的波形，可以是正弦波，三角波，方波等多谐振荡波形，然后作功率放大，驱动发声元件。波形发生器可以是三极管振荡电路，也可以用多谐振荡器集成电路，还可以用数字频率合成（DDS）技术。

 

   波形发生器最好能够实现对频率的现场调节，因为不同地域（以几百km为限的地域）的蚊子敏感的频率略有不同，现场调节频率可以实现更好的引蚊效果。

      对三极管振荡电路的频率调节，可以通过调节电容、电阻实现，

      对多谐振荡器集成电路（例如555时基集成电路）可以通过调节其外置RC实现，

      对DDS电路，可以通过设置其步进相位来实现，这些都是公知技术。

   发声元件可以用动圈式扬声器，也可以用压电陶瓷发声片，或其他发声元件，在其他条件限定不重要的基础上，优先选择于300~400Hz频响较好的发声元件。

 

激光杀灭部分：

如图1所示，蚊子在空中飞舞时，微控制器11通过摄像头14摄像，可以对蚊子16进行识别，并提取其三维坐标，甚至可以对其翅膀精确定位，然后控制激光器12的云台13调整姿态对准蚊子，并向其发射激光，激光的热作用瞬间摧毁蚊子身体组织（主要是水分和碳水化合物），或只烧毁蚊子的翅膀－－这需要更精确的识别和控制，让其不再有叮咬、传播病毒之危害。

 

图像识别：两个摄像头，对准空中一个区域，它们同步地作视频采集，形成两路平面的视频信号，对每路信号作运动目标检测，例如用差分法，并作目标识别，这通过建立蚊子的图形特征，这些特征可以是面积，纹理，灰度，飞行速度等，然后在实时识别算法中判断目标是否符合来实现；识别为蚊子目标后，计算目标的实时质心坐标，两路信号可以得到两个质心坐标，结合起来可以计算出蚊子相对于摄像头的三维空间坐标，进而计算出激光器应该对准的方向，根据这个计算结果调节激光器的对准系统，据此对准目标，发射激光束摧毁之。

 

蚊子坐标计算方法如图2所示：

视场21在两个摄像机中对应两个成像：25、29：

Z0是摄像机的物理参数，也可以用一个已知距离u、尺寸为v的物的像的大小v0求出：u/Z0=v/v0。

这里不妨设两个光轴平行，两个透镜组与视场21等距，其中对应目标的坐标有如下关系

(X+d)/x1=(X-d)/x2=Y/y1=Z/Z0, y1=y2, z1=z2=Z0,

说明：当x1=0时，X=-d；

当x2=0时，X=d；

当y1=0时，Y=0。

解此方程组，可以得到T的坐标（X,Y,Z），此即蚊子在空间中的坐标。该坐标系原点在两个透镜组连线中点。

 

对准系统可以是云台系统，也可以是摆镜系统。

云台包括至少两个调节轴，彼此不平行，也不跟光轴平行，最好是彼此正交，这样激光器可以在一个立体角范围内任意调节。当然，如果两轴不平行，也是可以实现双轴调节的，只是公式略有不同。

通过调节两个轴的角度来调节激光器瞄准的方向，角度的计算如图5所示：

不妨设云台的两个调节轴轴线跟激光光轴相交于固定的点L（x3,y3,z3），

当目标在T（X,Y,Z）时，激光的水平角度（激光在水平面xOz平面内投影跟z轴正方向夹角）φ＝arctg（（X-x3）/(Y-y3)），这里不妨设这个角度在正负90度间。其他角度范围的计算可以类似导出；

激光在竖直方向的角度（激光与其在水平面xOz平面内投影的夹角）θ＝arctg（Y-y3）/Sqrt((Z-z3)^2+(X-x3)^2)，这里不妨设这个角度在正负90度间。其他角度范围的计算可以类似导出；

这就是调节云台的角度参数。

摆镜系统包括两个摆镜，两个摆轴、激光器光轴两两正交，这样激光由谐振腔发出后，可以实现在一个立体角范围内快速调节。

其调节参数类似于云台系统的计算方法。

微控制器软件结构方框图如图6所示：

主程序main启动后经过初始化进入等待状态，即不停扫描“图像数据就绪标志”，发现其置位后去识别其是否为目标，并复位该标志，是目标的话计算其（质心）坐标，瞄准、射击；

摄像机采集的图像数据驱动微控制器产生中断信号，中断服务例程ISR被此信号启动，然后初始化并传输数据（也可能产生中断信号的同时一帧数据已经传输完毕），每传输一段数据，例如每个图像通道采集一帧数据之后，设置“图像数据就绪标志”，从ISR中返回，继续执行主程序。

优选地，可以作瞄准提前量计算：

因为摄像到发射激光要经过一个延迟，这个延迟可能导致发射光束脱靶，所以瞄准要纳入提前量的考虑。不妨设蚊子飞行轨迹是线性轨迹，即在比较短的时间内是直线飞行，通过对蚊子的一段时间的跟踪得出其速度矢量是（Vx，Vy，Vz）――注意这是个变量，而摄像到发射激光经历的时间是t，当0时刻得到图像，那么可以预测蚊子已经飞到了T1（X＋Vx.t，Y+Vy.t，Z＋Vz.t），瞄准时应对准T1。类似地，可以对蚊子的飞行轨迹作其他模型的预测，例如高阶预测，比方说加速度也是可以预测的。

整体：

系统开机后，声波发生器开始工作，吸引雄蚊飞来，同时摄像头开始采集视频信号，视频处理单元也开始辨别飞动的目标，当辨识结果是蚊子时开始跟踪，调节激光枪方向，完成调节时发射激光脉冲，杀伤蚊子或破坏蚊子翅膀。整个设备可以安置在一个云台上，以增加工作角度。

Claims (21)

1.一种激光灭蚊装置，包括两个或更多摄像头，微控制器，激光器，对准系统，摄像头跟微控制器电气连接，微控制器跟激光器电气连接，微控制器跟对准系统电气连接，激光器跟对准系统机械连接；特征是它还包括声波引蚊装置。

2.如权利要求1所述装置，特征是所述声波引蚊装置包括波形产生电路、发声元件，波形产生电路与发声元件连接。

3.如权利要求1所述装置，特征是所述波形产生电路是振荡电路、单片机、可编程逻辑电路或ASIC。

4.如权利要求1所述装置，特征是所述单片机、可编程逻辑电路或ASIC是预先编程为可产生方波或PWM波的器件。

5.如权利要求2、3或4所述装置，特征是所述发声元件是扬声器或压电陶瓷发声片。

6.如权利要求1所述装置，特征是所述声波引蚊装置的发声的基频是300~400Hz。

7.如权利要求1所述装置，特征是所述对准系统是云台系统，包括两个转轴调节部分，两个转轴不平行，各转轴与激光光轴也不平行。

8.如权利要求7所述装置，特征是两个调节部分的转轴和激光光轴两两垂直。

9.如权利要求1所述装置，特征是所述对准系统是摆镜系统，包括2个摆镜，其摆轴不平行，各摆轴与激光光轴也不平行。

10.如权利要求9所述装置，特征是各摆镜摆轴和激光光轴两两垂直。

11.一种激光灭蚊方法，特征是通过声波吸引蚊子，并用两个或更多摄像头拍摄蚊子图像，之后通过图像识别确定其空间坐标，并通过对准系统控制激光器瞄准，发射激光杀死或杀伤蚊子。

12.如权利要求11所述方法，特征是所述声波引蚊是用如下步骤实现的，用波形产生电路产生波形信号，再用波形信号驱动发声元件发声。

13.如权利要求12所述方法，特征是所述波形产生电路产生波形的方法可以是通过振荡电路、单片机、可编程逻辑电路或ASIC产生的。

14.如权利要求13所述方法，特征是通过单片机、可编程逻辑电路、ASIC或振荡电路产生的波形信号是方波或PWM波。

15.如权利要求11所述方法，特征是产生的声波基频是300~400Hz。

16.本方案的好处是，这个频率范围对蚊子比较有效。

17.如权利要求11所述方法，特征是所述对准由两个轴向的角度调节来实现，两轴不平行，两轴与激光光轴也不平行。

18.如权利要求16所述方法，特征是所述的云台两轴调节部分的转轴和激光光轴两两垂直。

19.如权利要求11所述方法，特征是所述对准系统是摆镜系统，包括2个摆镜，其摆轴不平行，两摆轴与激光光轴也不平行。

20.如权利要求18所述方法，特征是两摆轴和激光光轴两两垂直。

21.如权利要求11所述方法，特征是连续跟踪目标一段时间得到其速度参数，瞄准时对目标作提前量修正。

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