背负式喷雾器变量喷雾控制系统设计与特性分析

为了实现背负式喷雾器的变量喷雾,该文采用频率为8kHz、占空比可调的方波信号控制微型电动隔膜泵,通过改变隔膜泵直流电机导通和关断时间,实现了基于脉宽调制(pulse width modulation,PWM)技术的背负式喷雾器变量喷雾调节控制,并研究了此种变量控制系统的喷雾特性。结果表明:喷雾量随着占空比的增大而增大,但增大率逐渐减小,最小喷雾量为0.66L/min,最大喷雾量为1.13L/min。随着占空比的增大,喷雾量逐渐增大,雾量分布显著向两边区域分散,喷雾角也呈现平缓增大的趋势,最低值41.53o,最高值为61.78o。雾滴粒径随占空比的增大逐渐减小,但基本维持在100～135μm之间。雾滴速度随占空比的增大逐渐增大,喷雾速度场基本呈现由上而下逐渐减小的趋势,中间喷雾速度明显大于两边。随着占空比的变化,喷雾质量的变化仍在可采用的范围,该变量喷雾控制系统工作性能稳定可靠,可操作性好,与背负式喷雾器相兼容,能有效应用于农业生产。     

基于虚拟现实的拖拉机双目视觉导航试验

针对农机导航系统的传统田间试验方式受作物生长状态的约束性较强,错过适当的作物生长时期将直接导致开发周期延长、成本增加等问题,该文提出了一种基于虚拟现实技术的拖拉机双目视觉导航试验方法。该方法以拖拉机为作业机械,苗期棉花为目标作物,在虚拟现实环境下建立田间作物行场景的三维几何模型,用于模拟田间试验场景;建立虚拟现实环境下的拖拉机物理引擎,根据实车参数及试验场景信息快速、准确地解算拖拉机的动力学参数,并且根据解算所得的状态参数在虚拟试验场景中实时渲染拖拉机的位姿状态;设计路径跟踪控制器,以经过双目视觉方法识别的田间路径为目标路径,根据拖拉机当前行驶路径与目标路径的相对位置关系解算并控制拖拉机前轮转向角度。以某型拖拉机参数为实车参数,采用大小行距方式布置5行曲线形态的苗期棉花作物行场景开展虚拟导航试验。拖拉机以不大于2 m/s的车速跟踪作物行时,平均位置偏差的绝对值不大于0.072 m、位置偏差的标准差不大于0.141 m;平均航向偏差的绝对值不大于2.622°、航向偏差的标准差不大于4.462°。结果表明:该文设计的拖拉机虚拟试验系统能够在虚拟现实环境下,模拟田间作物行环境开展基于双目视觉的导航试验,可为导航控制系统的测试及改进提供理论依据和试验数据。     

菠萝采收机械低成本双目视觉平台搭建与田间试验

摘要：视觉系统是菠萝采摘机械的关键部件之一,可为采摘终端提供待采果实的位置导航信息。考虑到菠萝果形较大,易于识别,以及系统应用于农业领域,需尽可能降低成本。该研究选取双目视觉技术,采用低成本的CMOS视觉传感器,辅以三脚架、双目云台,以及计算机、软件系统,搭建低成本双目视觉标定平台;研究了标定模型及流程,并基于C++和OpenCV v1.1环境以及Matlab标定工具箱的软件环境平台,采用张正友标定算法,分别对视觉传感器进行标定试验,选取了适合本平台的标定方法。基于此平台和开发的菠萝果实识别算法,在湛江菠萝田间进行果实深度测量试验发现,果实测试距离小于1 m时,深度误差在6～8 cm范围内,经软件算法校正后,误差控制在2～3 cm范围内,该平台试验结果良好,表明低成本试验平台具有可行性。该研究可为菠萝采摘机器人视觉系统的开发提供参考。     

变量喷雾装置响应性能的试验研究

采用GPS定位和雷达测速技术,构建了一套变量喷雾装置,并开发设计出其相应的软件控制系统。在试验研究过程中,通过实时监测喷雾参数来描述喷雾过程的动态特性,以此测定该变量喷雾控制系统的响应能力,并为喷雾处方图与变量喷雾装置的精度匹配提供可靠依据。试验结果表明,变量喷雾装置的定量喷雾误差控制在4.65%以内前提之下,响应延时会影响到变量喷雾作业的均匀性,选择合适的行进速度以及设置一定的预留时间能在一定程度上减少这种影响。     

基于变量喷雾的果园自动仿形喷雾机的设计与试验

为提高果园喷雾机自动化与精准喷雾作业性能,设计了一种基于变风量与变喷雾量的果园自动仿形喷雾机,喷雾系统以冠层分割模型作为变量处方,采用扫描精度高的激光传感器作为探测源,以电磁阀和无刷直流风机为执行元件,通过探测果树冠层体积调节电机和电磁阀的脉宽调制(pulse width modulation,PWM)信号以实时调节风机转速和喷头流量。设计了可独立调节风量和喷雾量的雾化单元,通过各个独立风机产生的高速气流协助雾滴穿透冠层;喷雾机最大作业高度4.2 m。田间试验结果表明,在行株距为5 m×2 m的单株苹果树左右两侧平均沉积量分别为1.92和1.37 u L/cm2,最少雾滴数为46.2个/cm2,大于常用方法对风送喷雾中雾滴喷幅界定的20个/cm2;树冠轮廓与沉积量和风速变化拟合结果显示,设计的喷雾机能够根据树冠信息实现仿形变量施药。该研究为果树病虫害防治提供新方法与新装备,为精准植保机具的结构设计和性能优化提供理论与方法参考。     

脉宽调制间歇喷雾变量喷施系统的静态雾量分布特性

由于脉宽调制(PWM)间歇喷雾式变量喷施系统的间歇喷雾特性,其雾量分布均匀性较难控制,为此该文采用隔膜泵、比例溢流阀、高速开关电磁阀、TR80-05型空心圆锥雾喷头和工控机测控系统等构建了一套PWM间歇喷雾式变量喷施试验系统,并对其静态雾量分布特性进行了试验研究。在不同喷雾压力、不同PWM信号频率和占空比下,采用矩阵式雾量收集装置对PWM喷头的静态雾量分布进行了测试,并采用非线性回归分析法确立了喷雾压力0.3MPa、PWM信号频率2Hz、不同PWM信号占空比下的集雾单元尺度上的静态雾量分布模型。结果表明:TR80-05型空心圆锥雾喷头的静态雾量分布模型呈中心对称的圆环状,且近似符合二维双正态分布;随喷雾压力的增大,雾量沉积量增加,且雾量分布圆环区域半径增大;PWM信号占空比与雾量沉积量近似呈正比关系,而对雾量分布圆环区域半径的影响较小;PWM信号频率对静态雾量分布影响很小。     

基于双目立体视觉的番茄定位

为提高番茄采摘机器人视觉系统的定位精度,该文提出了一种基于组合匹配方法及深度校正模型的双目立体视觉测距方法。该方法在形心匹配的基础上,将形心匹配得到的视差值作为区域匹配时设定视差范围的参考值。这样可以减小区域匹配计算量及误匹配的概率。区域匹配后,利用三角测距原理得到番茄区域对应的深度图,并将区域的深度均值作为其深度维的坐标。试验发现定位误差与测量距离间具有很好的线性相关性。通过回归分析,建立了线性回归模型,并对深度测量结果进行校正。结果表明,工作距离小于650mm时,定位误差约为-7～5mm,工作距离小于1050mm时,定位误差约为±10mm,可满足番茄采摘机器人视觉系统在大多数采摘作业环境下的工作要求。     

脉宽调制变量控制喷头雾化性能及风洞环境雾滴沉积特性

脉宽调制(pulse width modulation, PWM)技术是实现变量喷雾的重要手段,其工作参数与环境条件决定着施药的精准性。为探究PWM变量喷头雾化及风洞环境沉积特性,该文研制了脉宽调制变量喷雾系统,以农业施药常用空心圆锥雾化喷头喷雾的雾化、沉积特性为研究对象,在IEA-II型常规风速风洞内,通过点阵式放置电容式雾滴沉积传感器测定计算雾滴沉积与沉积评价指数(deposition evaluation index,DEIX),并利用Spraytec雾滴粒径仪测试其雾滴体积中径(volume median diameter,VMD)和雾滴相对分布跨度(relative span,RS)。试验结果表明:占空比在10%～40%间,随占空比增大,雾滴体积中径呈减小趋势,与占空比10%时相比,占空比40%时的雾滴体积中径下降了7.9%;PWM占空比60%时分布跨度最小,较占空比20%时雾滴分布跨度下降9.52%,雾滴谱最窄,获得的雾滴粒径分布最集中。雾滴沉积方面,风速1 m/s条件下,雾滴主要沉积在距喷头3.3 m内,此范围内沉积量占总沉积量的95.7%,当风速超过3 m/s时,在气流作用下,雾滴沉降距离增大,导致雾滴运动偏离施药靶标区域。PWM占空比增加,雾滴沉积评价指数DEIX值降低,雾滴的飘移率增大;相同工况下,风速及喷头高度越大,DEIX越小,施药雾滴越易飘移。该研究可为农业田间实际生产中脉宽调制变量施药技术应用及其工况参数的选择提供依据,为PWM变量调节装置的进一步优化提供研究基础。     

农业车辆双目视觉障碍物感知系统设计与试验

为保证智能化农业机械在自主导航过程中的安全可靠性,该研究将嵌入式AI计算机Jetson TX2作为运算核心,设计一套基于双目视觉的农业机械障碍物感知系统.使用深度卷积神经网络对作业环境中的障碍物进行识别,并提出一种基于改进YOLOv3的深度估计方法.将双目相机抓取的左右图像分别输入至改进的YOLOv3模型中进行障碍物检...     

变量喷雾流量阀的变论域自适应模糊PID控制

为解决变量喷雾过程中实时混药时农药微小流量的控制问题,采用小型针阀、直流电动机及减速器设计了机电流量控制阀。构建了机电流量控制阀传递函数的数学模型,并为之设计了变论域自适应模糊PID控制算法。对该流量控制阀进行了变论域自适应模糊PID控制和PID控制的MATLAB仿真,比较结果表明：PID控制的响应时间为3.5 s,最大超调量约为39.0%,变论域自适应模糊PID的响应时间为0.93 s,超调量最大不超过2.9%。系统稳定性,准确性和快速性等指标完全满足农业技术要求。     

小车避障双目视觉识别系统的研发

For the reasons of the complex working environment and plenty of obstacles in facility agriculture, this paper studied the problem of identifying the obstacles by binocular vision recognition system.Binocular vision system was built up at first.OpenCV and Matlab were used for the binocular camera calibration respectively.Secondly, Bouguet algorithm was used to rectify the input images and analyse three kinds of matching algorithms.Then the smallest enclosing moment of the object could be extracted.At last, the distance between the objects was calculated and 3D reconstruction was used.The experimental results showed that the binocular vision system had high reliability, high real time, strong anti-interference ability and lower cost which can identify different obstacles with a wide application rage.It could satisfy the operational requirements of the unmanned control vehicle’s automatic obstacle avoidance in facility agriculture, and laid the foundation for vehicle obstacle avoidance and navigation.     

基于多喷头组合的变量喷药系统的设计与试验

为了克服传统压力式和脉宽调制（pulse width modulation）调节控制方式的缺点,以及目前变量喷药系统的“较复杂,实现成本较高”的不足,该文设计了基于多喷头组合的变量喷药系统,建立了变量喷药影响因素模型,设计了变量喷药系统的管路、上位机处理系统及变量喷药控制器,运用流体网络理论建立喷药网络的数学模型,分析了系统的流阻。在喷雾试验台上搭建了变量喷药系统,试验数据分析表明多喷头组合的变量喷药系统是可行的,每种方式下喷药量与理论值误差均小于10%,可调节喷药量范围宽,农药的施用量大幅度减少。     

基于双目立体视觉的葡萄采摘防碰空间包围体求解与定位

无损收获是采摘机器人的研究难点之一,葡萄采摘过程中容易因机械碰撞而损伤果实,为便于机器人规划出免碰撞路径,提出一种基于双目立体视觉的葡萄包围体求解与定位方法。首先通过图像分割获得葡萄图像质心及其外接矩形,确定果梗感兴趣区域并在该区域内进行霍夫直线检测,通过寻找与质心距离最小的直线来定位果梗上的采摘点,运用圆检测法获取外接矩形区域内果粒的圆心和半径。然后运用归一化互相关的立体匹配法求解采摘点和果粒圆心的视差,利用三角测量原理求出各点的空间坐标。最后以采摘点的空间坐标为原点构建葡萄空间坐标系,求解葡萄最大截面,再将该截面绕中心轴旋转360°得到葡萄空间包围体。试验结果表明:当深度距离在1 000 mm以内时,葡萄空间包围体定位误差小于5 mm,高度误差小于4.95%,最大直径误差小于5.64%,算法时间消耗小于0.69 s。该研究为葡萄采摘机器人的防损采摘提供一种自动定位方法。     

基于LiDAR的果园对靶变量喷药控制系统设计与试验

传统果园喷药方式带来的非靶标区域农药沉积和飘移造成了环境污染,同时农药过量喷施导致农药残留。该研究基于前期获得的果树冠层网格化体积计算方法建立单喷头流量脉宽调制（Pulse Width Modulation,PWM）控制模型,根据果园喷药作业需求建立控制器局域网络（Controller Area Network, CAN）总线通讯协议,采用高速摄影方法获得喷头开闭延时补偿距离为96 mm,通过实验室试验确定作业速度1m/s下的最佳网格宽度为210 mm,融合对靶喷药控制方法研发果园激光对靶变量喷药控制系统,并将该系统搭载在果园喷药机上集成研制果园对靶变量喷药机样机。实验室试验表明,喷头开启滞后距离为19 mm,喷头关闭滞后距离为41 mm。果园试验表明,喷头开启滞后距离为122 mm,喷头关闭滞后距离为185 mm;雾滴沉积密度大于20滴/cm2下,对靶变量喷药的雾滴覆盖率低于30%;在设定试验区域内,连续和对靶变量喷药的农药用量分别为4.53和1.71 L,对靶变量喷药节约药量62.25%。该系统可根据果树冠层位置和冠层体积变化实现对靶变量喷药。本研究将推动果园精准喷药技术的快速发展和应用。     

基于Census变换的双目视觉作物行识别方法

针对基于双目视觉技术的作物行识别算法在复杂农田环境下,立体匹配精度低、图像处理速度慢等问题,该文提出了一种基于Census变换的作物行识别算法。该方法运用改进的超绿-超红方法灰度化图像,以提取绿色作物行特征;采用最小核值相似算子检测作物行特征角点,以准确描述作物行轮廓信息;运用基于Census变换的立体匹配方法计算角点对应的最优视差,并根据平行双目视觉定位原理计算角点的空间坐标;根据作物行生长高度及种植规律,通过高程及宽度阈值提取有效的作物行特征点并检测作物行数量;运用主成分分析法拟合作物行中心线。采用无干扰、阴影、杂草及地头环境下的棉田视频对算法进行对比试验。试验结果表明,对于该文算法,在非地头环境下,作物行中心线的正确识别率不小于92.58%,平均偏差角度的绝对值不大于1.166°、偏差角度的标准差不大于2.628°;图像处理时间的平均值不大于0.293 s、标准差不大于0.025 s,能够满足田间导航作业的定位精度及实时性要求。     

基于尺度不变特征转换算法的棉花双目视觉定位技术

为了给采棉机器人提供运动参数,设计了一套双目视觉测距装置以定位棉株。对获取的左右棉株图像进行经背景分割等预处理。求取其在8个尺度下的高斯图,通过尺度不变特征转换SIFT(scale-invariant feature transform)算法在相邻高斯差分图中提取出SIFT关键点;计算每个高斯图中关键点邻域内4×4个种子点的梯度模值,得到128维特征向量。分割右图关键点构成的128维空间,得到二叉树;利用最优节点优先BBF(best bin first)算法在二叉树中寻找到172个与左图对应的粗匹配点。由随机采样一致性RANSAC(random sample consensus)算法求出基础矩阵F,恢复极线约束,剔除误匹配,得到分布在11朵棉花上的151对精匹配。结合通过标定和F得到的相机内外参数,最终重建出棉花点云的三维坐标。结果表明,Z轴重建结果比较接近人工测量,平均误差为0.039 3 m,能够反映棉花间的相对位置。     

变量喷施系统电磁阀响应时间对液压冲击的影响

为研究电磁阀响应时间对脉冲宽度调制（pulse width modulation,PWM）变量喷施系统液压冲击的影响,该文构建PWM变量喷施系统流道的三维仿真模型,设定不同的电磁阀开启和闭合时间,利用Fluent软件模拟分析了电磁阀启闭时系统管路内液压冲击的变化。模拟结果表明：电磁阀启闭时所产生的液压冲击随电磁阀响应时间的增加而减小。利用PWM变量喷施系统对电磁阀启闭过程中的管路压力变化进行了试验测试,试验结果与模拟结果吻合,最大水击压强之间的相对误差小于10%。对电磁阀闭合所引起的液压冲击进行理论分析,间接最大水击压强公式适用于PWM变量喷施系统中电磁阀高速闭合时所引起的液压冲击的计算,并且电磁阀开启与闭合所引起的液压冲击呈线性关系,比例系数为1.91。研究可为系统中其他液压元件动态特性的研究提供理论支持。