病虫害智能识别喷药装置设计——基于PC图像处理和近红外光谱分析

在自动化喷施农药过程中,为了准确识别病虫害作物、节约农药和降低农业对环境的污染,以及提高药物的去虫效率,提出了一种基于PC图像处理和近红外光谱分析的作物病虫害智能识别喷药装置。该装置分为3个模块,包括近红外病虫害识别模块、喷药自动化调节模块和车载设备,其控制模块为安装在车上的PC机,利用近红外识别装置可以判断作物是否被病虫害污染,并且识别作物污染的等级,采用喷药自动化调节模块可以实现农药的定量调节,利用车载设备实现了全自动化喷药。对装置的性能进行了测试,结果表明:采用近红外识别装置和主成分分析法可有效地识别病虫害污染的作物,识别准确率较高;喷药自动化装置可根据病虫害的等级进行变量化喷药,减少了农药使用量,得到了较高的去虫率,从而验证了装置的可行性和可靠性。     

果园自动对靶施药系统设计与试验

针对果园作物生长环境复杂、农药利用率低且易流失造成环境污染问题,设计了果园自动对靶施药系统。该系统采用红外光电传感器探测果树,根据传感器信号控制电磁阀状态实现自动对靶施药;采用红外测距传感器实时检测周围环境,实现避障及转弯。室内模型实验表明:该系统能够自主行走、垄间穿行、果树识别和向果树对靶施药,小车行走速度约0.5 m/s时对靶喷药时间约20 ms。该研究为在果园中实施自动对靶施药技术提供了理论依据。     

基于激光扫描的果树树形重构系统研究

为了实现果园机械自动对靶喷药中树形的识别,采用激光测距传感器进行果树二维图像的绘制,通过对车载激光传感器采集的果树点云信息的筛选和变换,完成果树点距离信息的选取;利用MATLAB的绘图功能,将筛选后的距离信息与二维图像的灰度值进行融合,实现扫描距离到图像灰度值的转变.实验表明,该系统可以很好地将扫描距离信息融人到二维灰度图像的绘制当中,使图像中所包含的信息量更大、更全面.     

基于红外探测的果园自动喷药机控制系统

果园作物为非连续种植,喷洒在果树间的药液会造成农药的浪费和环境污染。为此,应用漫反射式红外光电开关检测果树有无,产生开关信号,通过单片机进行处理,产生控制信号控制电磁阀开闭,以实现间歇式喷施,进而可以实现喷药机械自动对靶控制喷药,有效减少农药浪费,降低对环境的污染。     

基于Mask R-CNN的单株柑橘树冠识别与分割

针对在复杂果园背景中难以识别分割单株果树树冠的问题，研究了基于Mask R-CNN 神经网络模型实现单株柑橘树冠识别与分割的方法。通过相机获取柑橘园图像数据，利用Mask R-CNN神经网络实现单株柑橘树冠的识别与分割，根据测试集的预测结果评估模型的性能和可适应性，并分析模型的影响因素。结果表明：参与建模的果园单株树冠识别分割准确率为97%，识别时间为0.26s，基本上可满足果园精准作业过程中的树冠识别要求；未参与建模果园的单株树冠识别分割准确率为89%，说明模型对不同品种、不同环境的果园具有一定的适应性；与SegNet模型相比，本文模型准确率、精确率和召回率均约高5个百分点，说明在非目标树冠较多的复杂果园图像中具有较好的识别分割效果。本研究可为对靶喷药、病虫害防护、长势识别与预估等果园精准作业提供重要依据。     

自动对靶精准施药机研究——基于图像边缘检测和目标识别

为了提高施药作业的效率和实际着药量,降低喷药成本和给环境造成的负担,提出了准确精量的对靶施药系统的设计理念,并给出了施药平台的原理和结构构成,最后对施药平台的图像处理系统进行了重点设计。为了验证方案的可行性,以传统的施药机械为搭载平台,将PC图像处理器嵌入到了精准对靶控制系统中,选择地势平坦的果园为实验场地,对施药平台进行了实验研究。实验结果表明:基于图像边缘检测和目标识别的自动对靶施药平台即使在光线不好的条件下,仍可以准确地得到果树果实和枝叶的位置信息,施药平台的实际着药量要比传统施药平台更高,而成本却更低,从而验证了方案的可行性。     

基于单片机的智能喷药控制系统设计

设计了一种基于单片机的智能喷药控制系统,是安装于大型农业自动化设备自动喷药机上,适用于农业规模化大田种植。该系统可根据不同地块的病虫害情况,自动进行配药、喷药,有效的对农作物进行喷洒。该系统的控制芯片选用STC15F2K60S2单片机,对储药罐压力、储药罐药量实时监控。该系统操作简单,自动化程度高,改善了劳动条件,防止农药对作业人员的毒害,对病虫害的去除和预防作用覆盖范围更广。     

基于嵌入式和图像处理技术的精准自动施药平台研究

介绍了精准自动施药平台的结构及HSI颜色模型,并利用直方图均衡化处理、中值滤波和迭代阈值算法等图像处理技术,实现了杂草目标和背景的分离,从软硬件两方面设计了精准自动施药平台嵌入式控制系统。测试结果表明:精准自动施药平台准确率达到了91.5%以上,说明该平台具有很高的喷药精度和稳定性,能够满足对果园除草喷药的要求。     

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。     

果园喷药机智能管控平台的建设研究

分析了我国果园喷药机以及农业智能管控平台的相关研究现状。从喷药机自身性能、果园种植管理标准及配套设施等方面指出了当前喷药机智能化管控平台建设存在的问题,给出了对应的建议,提出建设果园喷药机智能管控平台的初步方案,以期实现果园喷药全程自动化、智能化管理,提高喷药效率与农药利用率,实现经济与环境的可持续发展。     

果园自主导航兼自动对靶喷雾机器人

为同时实现果园智能植保机自主导航及自动对靶喷雾,研制了一种果园自主导航兼自动对靶喷雾机器人。首先采用单个3D LiDAR（Light Detection and Ranging）采集果树信息确定兴趣区（Region of Interest,ROI）,对ROI内点云进行2D化处理得到果树质心坐标,通过随机一致性（Random Sample Consensus,RANSAC）算法得到果树行线,并确定果树行中间线（导航线）,进而控制机器人沿导航线行驶。通过编码器及惯性测量单元（Inertial Measurement Unit,IMU）确定机体速度及位置,IMU矫正采集到的果树分区冠层信息,最后通过程序判断分区冠层的有无控制喷头是否喷雾。结果表明,机器人自主导航时最大横向定位偏差为21.8 cm,最大航向偏角为4.02°,相比于传统连续喷雾机施药液量、空中漂移量及地面流失量分别减少20.06%、38.68%及51.40%。本研究通过单个3D LiDAR、编码器及IMU在保证喷雾效果的前提下,实现了喷雾机器人自主导航及自动对靶喷雾,降低了农药使用量及飘失量。     

果园自动变距精准施药系统设计与试验

针对我国北方果园施药设备自动化程度不高、农药利用率低、适应性差等问题,设计了基于冠层体积估算的果园自动变距精准施药系统。施药系统的喷施臂在控制系统的控制下可以在水平和垂直方向调整喷雾距离和喷施高度,以适应不同果园的果树特征。为实现精准喷施,利用红外测距传感器组成了传感器阵列,通过该阵列探测冠层,将测得的数据用数学方法构建了冠层体积估算模型,并设计了喷雾参数调整方案,使得喷雾距离与喷雾量可进行相应调整。为验证施药系统的性能,测试了喷施臂在接收到移动指令时的响应时间与运动实际耗时以及冠层体积估算模型的准确率,并选用仿真桃树进行了定距和变距两组自动对靶喷施试验。结果表明,喷施臂的移动可实现瞬间响应,运动实际耗时与理论耗时几乎一致,冠层体积估算模型的相对误差为11.27%;与定距对靶喷雾相比,自动变距对靶喷施的农药附着率提高了18.66%,节约了30.25%的药液。     

基于超声靶标探测的果园变量喷药控制系统设计

开发了一套基于超声波靶标探测的果园变量喷药控制系统,采用超声波传感器列阵探测果树靶标,通过对调压阀的PID调节来稳定管道压力,通过高压电磁阀的PWM驱动来调节喷头施药量,实现了果园对靶变量施药。喷药主控制系统以西门子S7-224XP作为控制核心,电磁阀驱动模块控制核心采用mega16单片机,二者通过485总线进行数据交互。果园施药试验结果表明:系统可以在一定程度上稳定管道压力,并根据果树靶标探测数据实现了变量施药,单喷头流量调节最大误差为9.5%。     

矮化密植果园喷雾机选型试验研究

为了提升林果生产机械化水平,北京市正大力推广林果矮化密植技术。为此,针对目前市场林果植保机械型号多及喷雾质量参差不齐的问题,开展了适合林果新种植模式下的植保机械选型试验研究,并选取了4种喷雾机。试验结果表明:针对果园篱壁型冠层,3种地面喷雾机在喷量为喷枪常规喷量条件下(施药量108L/6 6 7 m2),冠层雾滴分布平均密度均超过100个/cm2,对靶风送式变量喷雾机在施药量40L/(667m2)条件下,雾滴沉积平均密度达62个/cm2,植保多旋翼无人机在施药量为1L/(667m2)时,雾滴沉积平均密度达67个/cm2,均远超过20个/cm2的行业标准。因此,建议选用风量、施药量可调喷雾机或喷雾机配备不同型号喷头,以实现不同冠层密度变量施药。     

在线自动对靶喷雾控制系统研究

为了提高喷雾装置的自动对靶精度,实现流量控制的实时自动化调节过程,提出了一种基于二值化图像分割和微波测距的自动对靶喷雾控制系统。该系统利用植物叶间灰度的动态阈值来调控电磁阀,实现了实时变流量喷雾过程。为了提高微波测距的精度和图像二值化过程的效率及鲁棒性,使用了神经网络算法对测距误差进行修正,采用了动态阈值方法对图像的二值化进行迭代计算。最后,对实时自动对靶喷雾控制系统进行了测试,由测试结果可以看出:采用神经网络和动态阈值二值化方法可以大大提升控制系统的精度,提高了喷雾的效率和准确性,为现代化农药喷雾技术的研究提供了理论参考。     

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。     

毒饵喷撒机的改进设计与试验研究

草原毒饵喷撒机在灭鼠作业中,经常会出现排毒饵器堵塞及毒饵喷撒分布不均匀的现象。如果此问题不能及时解决,就会严重影响毒饵喷撒机灭鼠的效果和效率。为了提高毒饵喷撒机的灭鼠性能,在原毒饵喷撒机相关研究的基础上,设计了一种排毒饵器排毒饵的自动控制系统和摆动机构摆动频率调节装置,根据风机的转速控制排毒饵器是否排毒饵,根据毒饵喷撒机前进速度调节喷筒摆动的频率。同时,通过试验得到一组最佳的毒饵喷撒机作业性能参数,使毒饵喷撒机在草原灭鼠作业过程中不出现排毒饵器堵塞且使喷撒毒饵均匀,达到最佳的使用效果。     

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。