LiDAR探测自动对靶喷雾控制系统设计

Li DAR(Light Detection and Ranging,激光雷达)能快速获取靶标完整形貌,是目前最先进的靶标探测技术。为此,设计了基于上下位机结构的Li DAR探测自动对靶喷雾控制系统。其上位机采用MFC多线程编程,实现点云数据采集、靶标探测及喷雾时间补偿,同时具有喷雾模式及作业参数设置、喷头状态显示等人机交互功能;下位机采用C51编程,实现喷雾指令接收与喷头启闭控制。通过MatLab靶标探测算法仿真及上下位机联合调试,验证了所采用开发方式的有效性。     

基于靶标叶面积密度参数的变量喷雾控制系统开发与性能试验

变量喷雾技术是提高农药利用率、节省农药用量的重要手段之一。为达到果园施药减量增效的效果,本研究开发了一种变量喷雾控制系统,提出了叶面积密度参数与执行机构脉宽调制（Pulse Width Modulation,PWM）占空比的计算方法。该系统上位机基于激光LiDAR传感器探测的点云密度表征叶面积密度作为施药参数,并根据喷药处方计算各喷头对应电磁阀的PWM占空比,通过RS485通讯实时发送施药处方到下位机的可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller,PLC）,下位机PLC根据接收的PWM占空比控制对应电磁阀的开关频率实现喷头喷雾流量的调节。通过试验测量了施药单元网格尺寸、系统延时时间以及PWM占空比与喷头流量之间的模型参数三部分关键系统参数。结果表明在0.2、0.3和0.4 MPa压力下PWM占空比与喷头流量之间均为线性关系,线性拟合优度均在0.98以上。最后,通过喷雾试验验证变量喷雾样机的有效性,试验结果表明,采样点水敏纸上单位面积（cm²）最少雾滴个数为35滴,达到了有效喷雾效果;当靶标冠幅与总冠幅比为39.9%时,变量喷雾模式相比于连续恒定式喷雾省药71.96%,相比于对靶开关式喷雾省药29.72%,达到了减量效果。     

果树对靶喷雾机柔性喷臂控制设计及试验

由于生态环境问题日益严峻,农药喷雾必然是朝着低污染、高精度、智能化与安全化的趋势发展。现有的对靶喷雾机虽然可以针对有无靶标植株进行喷药,但其喷雾架通常是固定不变的,难以同时适用于不同靶标植株。为此,提出喷臂变形以使中心喷头对准靶标植株树冠中心的柔性喷雾架方案,通过安装在拖拉机侧面的激光测距传感器对靶标植株进行距离探测,采用安装在喷臂上的角度传感器对柔性喷雾架的形状进行实时检测。根据上述检测结果,通过程序内部运算,获得控制量,驱动电推杆对喷雾架进行形状调整,同时由安装在十字架上的超声波传感器对喷雾架下的靶标植株进行实时的识别探测,并设计了一种能同时满足不同靶标植株形状的对靶喷雾控制机构。为了减小调节时间和由于机构抖动造成的系统误动作,在喷臂调节算法的基础上增加了调整死区。通过试验分析,喷雾架可以根据拖拉机侧面与靶标植株树干的距离进行柔性对靶调节,喷雾架最大的调节时间为5.8s,满足对靶喷雾的实时性要求。     

基于LiDAR的对靶喷雾实时控制系统设计与试验

针对自动对靶喷雾中延时喷雾问题设计了实时控制对靶喷雾系统,该系统以二维激光雷达（Laser detection and ranging,LiDAR）作为探测器,利用地速传感器（True ground speed sensor,TGSS）获取喷雾车实时速度,建立了自适应延时喷雾模型,模型可不断调整喷雾延时时间。自适应延时喷雾模型包括延时存储器和延时计数器。延时存储器利用FIFO缓存区暂存喷雾指令;延时计数器指向延时存储器地址,其利用当前车速计算延时指数,取出对应延时存储器地址的喷雾指令并发送给电磁阀控制器,实现对靶喷雾。试验部分首先对系统响应时间进行分析,包括识别靶标时间、计算喷雾指令时间、通信时间、电磁阀响应时间,试验结果表明,系统响应时间为160ms,延时存储器共42个延时单元;其次通过Proteus仿真比较了单片机在采用M法、T法计算TGSS发出信号频率的准确性,结果表明M法更适合于本文所述测速系统的频率计算;在TGSS安装角确定后,喷雾车速度与方波信号的频率成正比关系,通过拟合确定了比例系数0.0099,拟合优度为0.9998;最后通过试验验证了系统的整体有效性,并测量了实时控制对靶喷雾系统的可识别最小间距,试验结果表明,可识别的最小间距在80~180mm之间,系统可识别靶标间距的能力随着喷雾车速度的提升而降低,当靶标间距大于180mm时,系统均可有效识别靶标。     

基于PLC自动对靶喷雾控制系统的设计与试验

为提高喷雾装置的工作效率,实现实时对靶喷雾。本文利用PLC开发一套自动对靶喷雾控制系统,该系统利用激光测距传感器探测喷雾机和植株之间的距离,PLC根据激光测距传感器反馈回的距离数值判断是否存在植株,从而决定是否开启对应位置喷头喷雾。喷头输出口安装有液体流量传感器,用于实时监控液体流量。人机界面用于实时显示喷雾机工作状态和存储记录每次工作完毕后液体输出流量值。试验选取行间距约为3m,树龄约为4年的苹果园为试验基地,试验前调整喷雾机行驶速度为3km/h,喷雾压力为0.8MPa,分别在启用激光测距传感器和未启用激光测据传感器两种情况下进行十次喷药试验,研究发现采用对靶喷药功能比未采用对靶喷药功能情况下,喷雾效率提升34.76%。     

一种智能喷药车控制部分设计

基于单片机控制的智能喷药车控制系统,对自动控制部分进行设计,分为上位机和下位机两部分。上位机主要功能是进行果树植株图像的采集和处理。下位机主要根据上位机的植株信息,驱动电磁阀调整工作台方位,通过电磁单向阀控制喷药液压系统执行喷雾,从而实现自动对靶喷雾。     

基于PWM的电控精量喷雾控制系统设计与试验

针对现有变量喷雾系统精准化程度低、农药有效利用率低等问题,设计一种基于PWM的电控精量喷雾控制系统。该系统以PIC18F258单片机为核心,主要由上位机、喷雾控制器、电子开关、电控喷嘴体组成。采用HMI串口屏作为上位机,接收用户设置的喷药量,通过CAN总线通讯实时发送到喷雾控制器;喷雾控制器根据接收的施药量计算出对应喷头的PWM占空比,实时调节各个喷头单位时间的通断时间,从而实现喷头的独立控制。为验证系统控制的精确性,在脉冲频率为10 Hz,系统压力分别为0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa时,测量喷雾系统在单个周期内的喷雾时间、系统响应时间以及不同占空比下的喷头流量。试验结果表明：在系统压力分别为0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa下,喷头流量与PWM占空比之间均为线性关系,线性拟合度均大于0.95。电控喷嘴体通断时间误差最大值分别是2.5 ms、2.98 ms、2.9 ms,相对误差最大值分别是6.6%、6.6%、6.8%,RMS误差分别为2.37 ms、2.54 ms、2.27 ms,喷雾系统最大响应时间分别为0.179 s、0.176 s、0.167 s。     

基于PLC的水质监测系统的设计

文章阐述了基于PLC的水质监测系统,本系统采用西门子的S7-200 PLC为控制器,通过以太网通讯,将下位机采集的水质各参数传输给触摸屏显示,同时在计算机上应用iFIX组态软件实现数据的实时传输以实现远程监控.水质检测系统能根据下位机收集的数据与设置的标准数据进行对比,实现对水质的监测.整个系统包括编写逻辑控制程序、搭建触摸屏组态画面、iFIX组态软件画面.     

基于水下机器人寻物追踪检测系统

水资源是地球的宝贵资源财库,在不同的生产条件下,对水质是有一定要求的。同时也有比较多的工程是建立在水下,例如水下管道、海底隧道以及桥墩等,因此水下作业需要一系列的水下检测控制系统来支撑。基于此,笔者设计了一款水下机器人控制检测系统,该系统由上位机和下位机共同组成,通过WiFi通讯,下位机搜寻数据,上位机显示、分析、储存数据,从而实现对水环境实时检测以及水下资源进行探测,对水环境的保护、水下工程监测以及水下资源的探索有很大积极的作用。     

果园对靶喷药控制系统的设计及试验

针对目前果园喷药作业现状,设计了果园对靶喷药控制系统。该系统根据霍尔(测速)传感器实时检测拖拉的行驶速度,采用红外传感器列阵探测果树树冠,根据靶标检测信息和行驶速度来控制电磁阀的频率与占空比,从而调节喷头流量,实现了基于果树树冠检测的对靶变量施药。室外对靶施药试验结果显示:在传感器探测范围内,果树靶标识别率100%,喷药覆盖率100%;当拖拉机速率不超过1.16m/s时,对于同一靶标区域,速度几乎不影响靶标的检测宽度;同等条件下,速度越大,喷药宽度的相对误差越小。     

基于激光传感器检测树冠大小的实验平台设计

为实现果树的对靶变量喷药,需要实时监测果树的树冠大小,因此设计精确检测果树体积的靶标体积检测系统。该系统通过PC机调节步进电机的转速及激光传感器的扫描频率,利用步进电机带动激光传感器精确运动来检测果树的体积,同时PC机完成数据的显示、存储及分析。在相同实验条件下,通过设置不同的电机转速和传感器扫描频率,做了相应的体积检测实验。实验结果表明,该系统可以实现对果树体积的有效测量。     

基于无线数据采集技术的整车控制系统的设计

针对中国大学生方程式汽车大赛规则,引入μC/OS-III实时操作系统,使用无线数传模块并开发了上位机监控软件,设计并实现了一种纯电动车的基于无线数据采集技术的整车控制系统。该系统由整车控制器、仪表控制器和无线数据采集系统组成。整车控制器负责采集加速踏板和制动踏板传感器信号,将从查表得到所需扭矩和刹车等信号发送给MCU,使MCU驱动电机;仪表控制器从CAN总线中获得BMS和MCU的数据并显示,采集传感器信号,并将得到的数据无线发送给上位机监测软件。自主开发出无线数据采集系统的监测软件,可以监控整车运行状态并诊断车辆的故障状况。     

变量施肥机下位机控制系统的设计

为实现变量施肥机氮磷钾(N/P/K)配比施肥,本文设计基于下位单片机的电控液压传动闭环变量施肥控制系统,该系统与上位控制系统共同组成变量施肥机施肥控制系统,下位控制器完成对上位机控制系统施肥信息数据帧解析并实现对3组液压马达与电磁比例调速阀的控制,同时将采集到施肥机状态数据信息发送给上位机系统,确保变量施肥控制系统实现施肥机N/P/K按需配比施肥功能,对我国变量施肥技术的发展具有重要意义。     

喷灌喷头水量分布特性自动测试系统

通过分析水量信息传感器利用翻斗将水量转换成数字量的测试机理,建立了传感器的A/D转换模型。用可编程控制器(PLC)作下位机对分布在试验场地的各个传感器输出信号进行测试,将数据通过分布式总线传给上位计算机,由上位机进行各点水量的实时计算和显示,用ADO技术将所有数据与Excel数据库连接,在Excel电子表中通过预先编程自动生成喷头的水量分布特性曲线和数据表,实现了喷头水量分布特性的自动测试。     

基于机器视觉的马铃薯智能分选方法与实现

为实现马铃薯智能检测与自动分级,提高马铃薯分级效率,本文在现有水果机械分选机的基础上,加装机器视觉系统和智能分级控制系统,提出马铃薯外观品质检测算法,实现马铃薯智能分选系统。首先下位机发送信号给上位机机器视觉系统控制摄像头拍照;然后上位机根据马铃薯形状、颜色和缺陷特点,采用近似椭圆法进行形状检测,采用逐点检测法检测绿皮区域,采用自适应阈值分割法分离缺陷区域,并以缺陷面积比进行缺陷检测;最后上位机将检测结果通过串口发送给下位机,分级执行器执行分级结果将次品拣出,再配合机械分选的压力传感器信号进一步实现正常品的重量分级。经测试:本文提出的分级检测算法对形状、绿皮和缺陷的检测正确率分别为93.3%、94.1%和88.3%,综合检测准确率可达到90%。本文构建的分级系统运行稳定,每秒可分选25个马铃薯,基本满足马铃薯实时分选的需求。     

触摸屏在自动移栽机检测系统中的应用设计

现有的自动移栽机未设置对工作状态信息进行检测和显示的装置。设计一个由触摸屏和PLC组成的自动移栽机检测系统,将触摸屏作为人机交互界面,利用触摸屏反应速度快、易于交流等特点,使上位机和下位机进行通信连接。传感器采集移栽机的工作状态信息,通过触摸屏实现移栽机动作信息显示、数据信息显示和报警信息显示的功能。测试表明,触摸屏可显示移栽机的实时工作状态信息,当出现异常时能及时通知报警,并在触摸屏上显示故障点,方便工作人员查找故障。     

蓝莓种植环境自适应光照调控系统设计

针对蓝莓种植环境光照调节耗力和效率低的问题,研制了蓝莓种植环境的自适应光照系统。该系统包括下位机和上位机两部分,下位机以STM32单片机为核心,通过BH1750光照传感器检测光照强度,其检测范围能达到1～65 535 Lx,根据外界环境的光自适应地改变输出,并以PID算法调整输出PWM信号,从而驱动大功率LED照明器实现补光;上位机是运行在Labview平台中开发的监测软件,可实时显示光照强度值并进行相关数据统计和曲线描绘。试验证明,系统能满足长时间低功耗运行的要求,并对蓝莓的生长起到促进作用,可为其他作物的动态补光提供技术参考。      

基于PWM的远程控制新型变量喷雾系统设计

针对目前地面植保喷雾机械的局限性,开发了一种新型的变量喷雾系统。该系统在保持电动离心喷头压力和流量不变的前提下,采用离心雾化方式,雾化盘由三相无感无刷直流电机带动,利用ARM控制器输出频率固定占空比不同PWM信号作为无刷直流电机电子调速器的油门转速信号,改变雾化盘的转速,从而改变雾滴的粒径大小及覆盖率等参数。该系统采用了一个功率较大的无线收发模块SI4432,最大距离达到2km范围(这也是和其他远程喷雾系统相比根本的优势),用单片机和上位机远程实时地控制雾化盘的转速,同时在上位机和液晶屏幕上显示占空比。最后,利用设计的变量喷雾平台,在喷头压力为0.5MPa、流量为2L/min、雾化盘直径为5 8 mm的条件下,获得了离心雾化喷头在不同的占空比对应的雾滴中值直径和覆盖率大小,通过上位机就可以实现电动离心喷头转速的较大范围的调整,可以在不同喷雾环境下针对不同的农作物使用这套系统。     

基于CAN总线的铁路道岔监测系统设计

为了实现对铁路道岔处尖轨横向窜动和纵向爬行量的实时在线监测,文章设计了一种基于CAN总线的铁路道岔监测系统。该系统以拉绳位移传感器、激光位移传感器为检测装置、STM32单片机为主控制器对道岔参数进行采集,STM32单片机一方面对道岔参数进行数字滤波处理,另一方面通过CAN总线构成的通信网络将滤波后的道岔参数打包发送给监控中心,监控中心采用上位机组态软件实现对道岔参数的实时显示,测试结果证明了该系统的有效性。     

履带自走式果园自动对靶风送喷雾机研究

为提高较小树龄或稀疏果园的雾滴沉积量和省药率,将风送施药技术与物联网技术相结合,设计了履带自走式果园自动对靶风送喷雾机。该机主要由机架、操控系统、动力部分、行走系统、传动系统和风送系统等组成,其中控制部分由超声波传感器感知层、单片机数据处理层、Wi-Fi无线传输层及手机上位机控制层组成。手机能实时显示施药状态参数并向微处理器发送操控指令。对样机进行了性能试验,试验结果表明：有风送时雾滴沉积量相对无风送时提高了34.57%,变异系数降低了13.39个百分点;自动对靶风送喷雾比普通喷雾综合省药率大于30%;风机气流提高了雾滴的靶标附着率和沉积均匀性;超声波传感器及在线处理喷药状态参数的控制系统实现了对有效靶标的间歇性喷药,节省了农药使用量,降低了农药残留量。该机尺寸小、行动灵活、通过性强,满足矮化果园植保机械作业要求。