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%。     

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。     

丘陵果园自走式小型靶标跟随喷雾机设计与试验

针对丘陵果园传统大型施药装备入园难、施药劳动强度大、作业效率低及药液浪费严重等问题，根据丘陵果园农艺特点和病虫害防治需求，设计一种丘陵果园自走式小型靶标跟随喷雾机，可配合植保无人机作业，提升果树冠层药液覆盖效果。喷雾机上集成靶标探测追踪系统与自主导航系统，靶标跟随喷雾机构采用双喷头联动式设计，喷雾角度与高度的调节范围根据雾滴运动规律进行确定，实现了果园植保自主作业。果园试验结果表明，对靶喷雾时果树冠层不同高度叶片正面的平均雾滴沉积个数变异系数为34.22%，同一高度不同采样点叶片正面的平均雾滴沉积个数变异系数为34.56%，相比于非对靶喷雾，喷施用水量、地面流失量与冠后飘移流失量分别降低26.70%、84.93%和53.50%，在减少药液浪费的同时，有效提高了果树冠层中下部叶片正面的雾滴分布均匀性。     

果树靶标精准探测系统研究进展分析

果树靶标探测系统通过先进的传感器技术与数据处理方法获取靶标生物量信息,为变量施药提供数据基础,是减少农药危害的关键环节。本文从果树靶标探测传感器系统和树冠生物量信息提取方法两方面研究成果进行评述。靶标探测传感器系统方面,先后列举基于超声波传感器、激光雷达扫描传感器以及多传感器融合的靶标探测系统,指出利用多传感器融合提高靶标探测系统的精准性为今后的发展方向。树冠生物量信息提取方法方面,总结计算树冠生物量体积的3种方法,即规则几何体累加法、切片累加法与立方体元累加法,重点分析各种方法的优缺点。最后,对果树靶标探测系统今后的研究方向进行展望。     

基于移动激光扫描的靶标叶面积计算方法

针对疏枝果园的变量对靶施药问题,提出基于移动激光扫描(Mobile laser scanning,MLS)技术的靶标叶面积计算方法,为变量施药实时提供基础数据。为消除激光雷达(Light detection and ranging,LiDAR)探测距离和施药车辆行驶速度对点云密度的影响,在车辆行驶方向和激光雷达扫描方向上计算每个测量点的分辨率,为MLS点云数据建立变尺度格网,以格网面积作为被激光束覆盖的叶面积,建立靶标总体格网面积(Total grid area,TGA)与真实总体叶面积(Total leaf area,TLA)的线性回归模型。采用仿真树模拟疏枝果树靶标,搭建移动激光扫描测量系统,采集靶标点云数据,改变探测距离及移动速度,获取了4种不同疏枝程度靶标的108个样本数据。试验结果表明,随着探测距离的增加和移动速度的降低,靶标点云数显著减少,变异系数最小为0. 920 9,靶标格网面积能稳定提取,变异系数最大为0. 053 7,TGA与TLA的拟合优度为0. 909 0,叶面积测量相对误差均值为9. 16%。     

果园喷雾靶标探测技术现状分析

果园靶标探测技术是果园精准施药技术的关键。为此,分析了红外探测技术、超声波探测技术、激光探测技术及图像技术等在靶标探测中的应用。同时,介绍了基于红外光电技术实现最基本的靶标有无探测和靶标距离测量的靶标探测系统;介绍了利用超声波传感器和激光雷达扫描仪对靶标进行距离扫描,通过获得的靶标距离点云数据构建了靶标的数字三维模型方法;介绍了利用图像处理技术获取靶标叶面积指数和三维模型的探测系统。靶标探测技术虽有一定的发展,但还处于试验研究阶段,其将朝着实用化、产品化和低成本化方向发展,为对靶精准施药提供更有力的变量控制依据。     

基于PLC的可变量对靶弥雾喷药机控制系统设计

为保证果园作物生长需要,更好地进行果树病虫害防治,提高农药利用率,减少环境污染,设计了基于PLC的可变量对靶弥雾喷药机控制系统。系统以PLC为核心,包括人机界面、对靶弥雾子系统和电动阀开度调整子系统,利用红外线传感器和超声波传感器获取树木信息,通过支持Modbus协议的速度传感器和流量传感器获取弥雾机行驶速度信息和管道内液体总流量信息,并使用HC-Suk8102触摸屏完成人机交互界面设计。试验结果表明:将红外线传感器和超声波传感器数据融合可有效提高检测精度,根据不同行驶速度实现了可变量弥雾;当行驶速度在3～4km/h之间时,弥雾总流量为12.0L/min;当行驶速度小于3km/h时,总流量为9.8L/min;当行驶速度大于4km/h时,总流量为15.0L/min。系统实现了精准弥雾,性能稳定,应用前景广阔。     

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。     

对靶喷雾机喷雾参数对雾滴沉积分布的影响试验

为研究果园对靶喷雾机喷雾参数对雾滴沉积分布的影响,设置了不同的行驶速度和株距组合,3种采样冠层,对单排仿真树进行喷雾试验并与连续喷雾方式进行对比试验。试验结果表明:行驶速度对雾滴沉积分布影响明显,且行驶速度在对靶喷雾时的影响比连续喷雾时更显著,行驶速度为0.5m/s时仿真树冠层内的雾滴覆盖率最大,达到48%,冠层内雾滴沉积分布的均匀性最好,变异系数仅为14.3%;对靶喷雾时,要确保株距大于对靶传感器的最小靶标识别间距,当株距≤1m时对靶传感器无法准确识别靶标,容易造成误喷;由于对靶响应的延迟,会造成一定距离的滞后喷雾,使得雾滴沉积在冠层内呈现左侧低、中间和右侧高的特点。因此减缓行驶速度、选择合适的株距、降低对靶响应延迟时间,是提高对靶喷雾时雾滴在冠层内沉积分布均匀性和增强雾滴覆盖率的有效途径。     

3WGZ-500型喷雾机对靶喷雾系统设计与试验

为了提高果园喷雾的农药利用率,减少因农药地面流失而造成的环境污染,针对果园传统连续喷雾作业时存在过量喷洒和树间无效喷雾的特点,基于3WGZ-500型风送自走式喷雾机设计了自动对靶喷雾系统。该系统采用超声波传感器测距方式探测果树(传感器量程为0.35~2 m,发射角为60°,喷药机两侧分别以15°均布5个)。根据传感器信号,控制与相应位置喷头对应的上、中、下3组管路电磁阀的开合,实现自动对靶喷雾。以5 a树龄的苹果园为试验对象,在喷雾压力0.5 MPa时,开展不同作业速度(1.3、1.7、4.5、7.2 km/h)下果树冠层的有、无对靶喷雾试验,并与传统喷雾机喷药对照,结果表明:作业速度对3WGZ-500型喷雾机有、无对靶喷雾时的农药利用率影响不大,自动对靶喷雾系统开启时的农药利用率为35.8%,比关闭时的27.6%提高了29.7%,较传统喷雾机18.7%的农药利用率提高了91.4%,可大幅减少农药用量;3WGZ-500型喷雾机在不同作业速度的农药地面流失率十分接近,有对靶时地面流失率平均13.3%,相对无对靶时的18.86%降低了42%,说明对靶喷雾系统有效降低了对生态环境的污染。     

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。     

基于传感器融合阵列的果树冠层信息采集方法

针对果园上、中、下冠层不同稀疏度,提出一种多传感器阵列的果树冠层信息融合方法（简称传感器融合阵列）,并进行了相关试验及验证。首先设计了果园冠层宽度信息的无线采集系统,并对比分析了6种非接触式测距传感器的动态识别能力;其次采用筛选出的激光传感器及超声波传感器阵列,收集3种果园上、中、下果树冠层信息;最后选出适合3种果园的传感器融合阵列,依据Box-Benhnken 中心组合试验法设计试验,对采用同种传感器阵列与传感器融合阵列测距方案进行响应面试验,并对得出的试验结果进行统计分析。试验结果表明：影响果树整体测量精度显著性水平从大到小依次为测距方案、车体速度、果园类型。车速为0.3~0.5m/s时,与人工测量相比,采用超声波传感器阵列收集果园冠层信息,相对误差为14.70%~20.04%;采用激光传感器阵列时,相对误差为9.13%~16.02%,采用传感器融合阵列时,相对误差为4.2%~10.24%。采用传感器融合阵列比单种传感器阵列精度高,更适合果园变量喷雾作业。     

基于机器视觉和北斗定位的小麦变量喷雾系统研究

针对传统植保喷杆喷雾机作业时各喷头以同等药量喷洒的方式导致农药浪费、利用率低和污染环境等问题,以生长前期的小麦为研究对象,设计一种基于北斗定位系统和机器视觉的小麦变量喷雾作业系统。通过双平面高度投影法完成对感兴趣区域获取,研究了速度、植株密度对喷雾的影响,提出变量喷雾流量的控制方法。在定位系统规划的目标区域内,通过机器视觉处理实现变量喷雾,试验结果表明,相同机组速度下,植株密度稀疏区相对植株密度正常区的平均雾滴覆盖率平均减少12.06%;相同植株密度下机组前进速度0.75 m/s相对1.50 m/s的平均雾滴覆盖率平均增加3.94%。在满足喷雾标准的情况下,可以在不同速度、不同植株密度下实现变量喷雾。为验证目标区域边界行驶速度对等级变换准确度,进行定位传感器实时判断在目标区域边界喷头相对位置并控制开闭,试验结果表明,在行驶速度为0.50 m/s时准确度最高,区域边界行驶超出量误差平均值为48.72 cm;为验证行驶方式对喷雾等级变换准确度的影响,使用北斗定位系统在目标区域边界开展行驶方式对喷雾等级变换准确度的影响试验,试验结果表明,驶入目标区域超出量误差平均值为7.20 cm。     

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。     

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。     

喷杆喷雾机智能控制系统设计及试验

为提高喷雾均匀性和农药的有效利用率,针对大田作物施药的农艺要求,设计了一种安装于大田常用喷杆喷雾机的喷雾机智能控制系统,并介绍总体方案和工作原理。该系统主要包括变量施药、喷杆高度自动调节等功能,变量施药系统通过变量调节阀调节喷雾流量,通过喷雾量与作业速度自适应控制模型,实现作业过程中药液均匀喷施;喷杆高度调节系统采用超声波传感器检测喷头与作物顶端的距离,根据设定的目标高度,控制电动缸动作,调节喷杆高度。试验表明:变量喷雾控制系统能够根据设定喷量和作业速度的变化准确发出调控指令,控制流量调节阀动作进行流量调节,提高了喷雾作业的均匀性,喷雾精度误差最小为2.24%,能够有效提高喷药作业质量;喷杆高度调节最大误差为5.40%,提高了喷杆与作物顶端距离调整的准确度。     

基于VINS-MONO和改进YOLO v4-Tiny的果园自主寻筐方法

面向果园运输车果品采收自主运输作业场景，提出了一种基于VINS-MONO和改进YOLO v4-Tiny的果园自主寻筐方法。首先基于VINS-MONO视觉惯性里程计算法，进行果园运输车位置姿态的实时估计。然后基于改进YOLO v4-Tiny目标检测算法，根据图像数据进行果筐实时目标检测并获取对应深度信息。其次根据运输车当前位置姿态、果筐深度信息以及深度相机内参，进行被识别果筐位置更新。最后基于三次B样条曲线拟合原理，以被识别果筐位置为控制点，进行寻筐路径实时拟合，为果园运输车抵近果筐提供路线引导。试验结果表明：改进YOLO v4-Tiny果筐识别模型的平均识别精度为93.96%,平均推理时间为14.7 ms, 4 m内的果筐距离定位误差小于4.02%,果筐角度定位误差小于3°,果园运输车实测平均行驶速度为3.3 km/h,果筐搜寻路线平均更新时间为0.092 s,能够在果树行间和果园道路两种作业环境下稳定实现自主寻筐。该方法能够为果园运输车提供自主寻筐路径引导，为其视觉导航提供研究参考。     

精准有机肥施肥机的设计与试验

针对目前国内有机肥施肥机功能单一、撒施量和幅宽不可调节或调节范围小的现状,设计了一款精准有机肥施肥机,实现了大块肥料的二次破碎后撒施,肥料均匀性好;采用机械传动和液压传动相结合,实现拖拉机动力的合理使用;利用FPGA控制系统对输肥链板档位、肥门开度和肥料落点控制罩角度进行精准调节,实现了撒施量和撒施幅宽的可变,同时可对料箱内运行状况、撒施情况等实时监控。试验结果表明:施肥机破碎度高、撒施均匀性好,实现了自动驾驶及撒施量和撒施幅宽的精准可变控制,撒施幅宽4~7.2m,撒施量3495~5520kg/hm^2,纵向施肥变异系数20.7%,施肥量变异系数0.48%。     

基于物联网农业病虫害智能监控的自动喷药机研究

为了实现果园大面积自动化喷药,提高喷药装置智能化选择重点病虫害果树目标的能力,基于物联网和智能监控技术,设计了一种新的果园自动对靶喷药装置。利用新式的自动喷药装置,可以结合病虫害实时监控数据,对果树有选择性地进行自动喷药,利用红外线扫描技术可以精确地喷药对靶,采用AT89S52单片机实现了整个系统的自动化控制。模拟实际果树喷药环境,在实验室对喷药装置的自动对靶功能进行了实验研究,实验过程中分别采用了3种不同颜色的标的物。实验结果表明:在实验10m的范围内,智能喷药装置可以准确地识别3种颜色的盆栽目标,标准差最大仅为0.12,识别精度和效率较高,为果园自动喷药装置的研发提供了技术支持。