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。     

基于图像矩的室内喷雾机器人自动对靶研究

针对间距较大作物的精准喷雾作业要求,提出了一种基于图像矩的喷雾机器人自动对靶方法。该方法采用单目场景/单目(多目)手眼混合视觉结构。场景相机用于作物目标的预定位,研究了基于其图像的作物形心三维定位算法。手眼相机用于目标的跟踪对靶,提出了一种基于图像矩的视觉跟踪方法,并就矩特征组选取、图像雅可比矩阵计算以及目标深度实时估算等问题进行了研究。仿真结果表明,该视觉跟踪方法能够完成对靶任务,且可达到较高的控制精度。为进一步验证所提自动对靶方法的可行性,搭建了具有一个喷雾机械臂的简化样机并进行了室内对靶实验,实验测得样机移动速度在150~200 mm/s时,喷头X、Y、Z向定位误差均小于等于6.5 mm。     

果园自动对靶喷雾机的研制

将红外探测技术、自动控制技术使用于喷雾机上，研制了新型的农药喷雾机具——果园自动对靶喷雾机。本文详细介绍了喷雾机的对靶喷雾技术。试验表明该机具有良好的性能，较好地解决了现行果园中存在的浪费农药、污染环境等问题。     

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。     

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。     

果园自动对靶喷雾机的研制

将红外探测技术、自动控制技术使用于喷雾机上,研制了新型的农药喷雾机具——果园自动对靶喷雾机。本文详细介绍了喷雾机的对靶喷雾技术。试验表明该机具有良好的性能,较好地解决了现行果园中存在的浪费农药、污染环境等问题。     

果园自动对靶喷雾机

应用红外线自动对靶技术,成功地实现了对果树靶标的定向精确喷雾,有效地改善了雾滴在作物表面的沉积附着和分布,减少了细小雾滴的飘移。农药雾滴的有效附着率达到55％,可有效减少农药浪费和对环境的污染。     

可调节式对靶农药喷雾装置设计与试验

研发了一种可调节式对靶喷药装置.为了测试装置的性能,采用对果树连续喷雾的方式和对所设计装置的3种控制方式进行了测试,测试的果树植株间距为4m、植株平均高度为1.7m、树冠的平均直径为1.2m,测试的指标为树冠上农药雾滴的沉积率.测试结果表明:采用连续喷雾的方式的雾滴沉积率为40％,3种控制方式的雾滴沉积率分别为50.5...     

基于机器视觉的对靶喷雾系统时延估计方法研究

对靶喷雾系统中的时延估计是关系到整个系统实际喷雾命中率的关键问题。首先对经典的机载对靶喷雾模型进行了分析,总结出理论上机载设备长度、硬件延时、算法耗时、农机运行速度和理论对靶精确度之间的关系;然后,在此基础上提出了一套基于双目机器视觉的核心速度测算方法,并设计了喷雾时延估计模型;最后,通过搭建完整软硬件实验平台实现了对算法的有效性验证。实验结果表明:该算法可以在常用的基于机器视觉的农机装备中实现准确的常规对靶喷雾时延估计。     

喷雾施药植株红外对靶试验

以实体植株为试验对象,对喷雾施药技术中红外对靶探测效果的不同影响因素进行实测分析,并在不同环境条件下对不同种类的植株进行试验研究.结果表明,植株外形、光照强度、探测器行走速度和植株间距对探测效果影响较为显著,而植株外形和光照强度的影响尤为明显.植株疏密度和光照强度与探测距离和探测范围均成正比.红外植株对靶更适用于枝叶茂密的大目标物且在较高光照强度下进行,同时在探测距离中点附近具有最好的探测分辨率,且对叶面反射率高的植株探测效果较好.探测器行走速度与个体植株能够被有效区分的最小间距之间满足线性关系.植株间距与探测器分辨率单调相关.温度和湿度对探测效果影响不大.不同植株红外对靶探测效果各具特点,但也具有普适规律.     

果园自动控制喷药系统的试验研究

以果园喷雾小车的喷雾系统为研究对象,设计了空间和平面两种试验方案,通过改变小车油门和试验面与喷嘴的相对位置来改变小车行车速度和喷雾距离,并利用MATLAB和Excel对试验数据进行分析处理,得到试验效果图。试验结果表明,喷雾距离是影响喷雾均匀性的首要条件,喷雾速度影响不显著。当距离在1.5m左右时,均匀性不高,但是药物沉积量高;当距离在1.8m左右时,均匀性最高。     

喷杆喷雾机旋翼悬浮式喷杆自动收放控制系统研究

旋翼悬浮式喷杆分别融合了地面机械和空中无人机的优点,可简化复杂的桁架结构并通过旋翼下压风场能减小雾滴飘移造成的二次污染,具有较好的应用前景。传统的收放方式难以收放旋翼悬浮式喷杆,为此提出了一种以正四边形滚筒为主体的喷杆自动收放装置,建立了喷杆收放过程的D-H坐标系和正运动学模型,通过牛顿-欧拉法构建了动力学模型,并采用三次均匀B样条曲线轨迹规划获取了喷杆收放最优轨迹。以喷杆收放的运动时间、关节冲击和能量消耗为多目标函数,通过NSGA-Ⅱ算法求解Pareto解集,选取解集中喷杆展开时间为56、61、66、71、76、81 s,喷杆收卷时间为54、59、64、69、74、79 s轨迹进行喷杆收放试验。试验结果表明：喷杆运动时间与喷杆角度标准差存在显著性关系,运动时间越短,喷杆稳定性越差、关节冲击越大、能量消耗越多。取喷杆收放时间59、61 s对应轨迹为喷杆收放最优轨迹时,滚筒转速与规划转速的平均跟踪误差不超过0.201(°)/s,关节3、4、5实际运动角度与规划角度的平均跟踪误差不超过6.201°,喷杆能较好地跟踪最优轨迹完成收放。该研究验证了喷杆自动收放装置的有效性和喷杆收放最优轨迹的准...     

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。     

喷杆喷雾机旋翼悬浮式喷杆自动调平控制系统研究

现有的大型喷杆喷雾机的喷杆大多采用传统桁架结构,随着喷杆长度的增加,配套机构、设计复杂度及整机质量相应增加,整机质量大,农田中行走的通过性差,陷车风险高;喷杆平衡控制难度加大,降低了整机的可靠性和便利性;特别是在水田喷施作业中,大型喷杆喷雾机的功能受到很大限制。本文提出了一种旋翼悬浮式喷杆,分别融合地面机械高续航、载重大和空中无人机作业灵活、受地形地貌限制小的优点,并设计了自动调平控制系统以实现喷雾机喷杆在喷施作业过程中保持水平姿态。分析了喷杆的受力情况,对自动调平控制系统进行了辨识和建模,采用“陀螺仪+激光雷达”进行双传感器融合控制的方式,开展了旋翼悬浮式喷杆自动调平控制算法的仿真试验、台架试验和田间试验。试验结果表明：采用双传感器融合的模糊PID控制算法优于单传感器的角度PID控制算法,可较好地避免出现失稳状态;在田间试验中,当喷杆进入稳定状态后,整根喷杆各点离地高度均值在1.4~1.5m之间,标准差不大于0.1027m,具有较好的水平度;所采集的10个不同时刻喷杆各点高度均值的变异系数为1.40%,说明喷杆悬浮高度的稳定性较好。该研究验证了旋翼悬浮式喷杆作业方法的可行性。     

考虑风扰的对靶喷雾机械臂药液喷洒动力学建模与试验

为实现对靶标杂草的有效覆盖和提高对靶施药精度,减少药液浪费和生态污染,采用基于二自由度机械臂的对靶施药方式,优化了除草机器人的对靶喷施性能;除草机器人药液喷洒模型的建立是提高对靶喷施精度的关键,在考虑风扰的前提条件下,根据液滴粒子轨迹动力学方程,结合机械臂连杆和关节变量参数,建立液滴喷洒轨迹模型,并推导得到液滴理论沉积覆盖区域;在此基础上通过计算机数值模拟,分析了喷头位姿、车速和风速对液滴落地沉积覆盖区域的影响,并对靶标点进行了坐标重构;在室内搭建了小型开口直流低速风洞并进行药液喷洒验证试验,利用图像处理技术获取试验的液滴落地沉积覆盖区域,对比其与理论沉积覆盖区域,形心误差范围为4.1~7.2 mm,区域匹配误差范围为9.1%~17.8%。试验结果表明:理论沉积覆盖区域与试验测定的结果误差较小,两者具有较高的一致性。     

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。     

RBF神经网络增量式PID自动转向控制系统设计

平地机在田间作业环境下存在复杂非线性时变系统,很难建立精确模型,而传统的PID控制仅仅局限应用于线性系统,控制效果不佳等问题.为了提高田间作业时的转向控制精度,提出了一种基于RBF神经网络增量式PID的控制方法.该方法采用RBF神经网络对增量式PID增益参数进行自适应调整和辨识,并针对控制模型通过仿真实验对比分析了所提...