大田環(huán)境下智能移動(dòng)噴藥機(jī)器人系統(tǒng)研究.pdf

1、隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化和機(jī)器人智能化的發(fā)展，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展方向已經(jīng)逐步轉(zhuǎn)向智能農(nóng)業(yè)、設(shè)施農(nóng)業(yè)和高效農(nóng)業(yè)。高效、智能和精細(xì)成了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展目標(biāo)。這一學(xué)科集合了機(jī)械、電子、控制理論以及植物保護(hù)等諸多領(lǐng)域最前沿的研究成果。一定程度上小型移動(dòng)熱霧機(jī)在病蟲害防治方面填補(bǔ)了玉米、高粱、甘蔗等高大作物中后期難以防治的空白，具有極大的發(fā)展空間和研究意義。
　　大田環(huán)境下病蟲害的防治是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究的核心問(wèn)題之一。為了實(shí)現(xiàn)小型移動(dòng)熱霧機(jī)器人在田間自動(dòng)

2、實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥的均勻噴灑，本文以機(jī)械化種植并生長(zhǎng)到中后期的玉米為研究對(duì)象，針對(duì)移動(dòng)機(jī)器人在作物行間大面積均勻施藥展開核心技術(shù)研究，自主研發(fā)了作物行間小型移動(dòng)噴霧機(jī)器人，對(duì)機(jī)器人移動(dòng)中噴霧的霧滴沉積均勻性進(jìn)行了研究。針對(duì)多行均勻噴霧過(guò)程中機(jī)器人速度保持下的自主行走的問(wèn)題，提出了基于徑向基函數(shù)的單目視覺(jué)路徑規(guī)劃方法，分析了在不同移動(dòng)速度下多行噴霧的霧滴沉積特性，并進(jìn)行了試驗(yàn)和分析。本文主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:
　　(1)針對(duì)熱霧機(jī)工作原理進(jìn)

3、行分析，分解熱霧機(jī)噴霧過(guò)程。通過(guò)將熱霧機(jī)噴霧到霧滴沉積在作物表面的過(guò)程分解為藥液的霧化和霧滴在空氣中運(yùn)動(dòng)至沉積位置兩步驟，根據(jù)前人的研究成果，分析熱霧機(jī)實(shí)現(xiàn)大面積噴霧的機(jī)理。選用同型號(hào)不同孔徑噴藥嘴時(shí)，霧滴最終沉積趨勢(shì)相似，然而在施藥有效距離、平均粒徑和覆蓋率上仍有差異。
　　(2)針對(duì)搭載于移動(dòng)平臺(tái)的噴霧系統(tǒng)在不同移動(dòng)速度下的霧滴分布均勻性、覆蓋率和有效距離這三個(gè)熱霧機(jī)工作效率的重要指標(biāo)。本文提出了一種在大田實(shí)驗(yàn)中水敏試紙半定量

4、研究霧滴沉積分布的方法。水敏試紙中反應(yīng)區(qū)域通過(guò)450-455nm波長(zhǎng)藍(lán)色圓周陣列的光源的照射與試紙本底進(jìn)行區(qū)別，減小了雜散光的干擾，提高了所采集圖像二值化分割的效果。引入置信區(qū)間估算的方法去除采集數(shù)據(jù)中的噪聲數(shù)據(jù)。對(duì)圖像處理的數(shù)據(jù)可信區(qū)間上下限分析進(jìn)一步去減低系統(tǒng)誤差，提高檢測(cè)精度。此方法對(duì)于霧滴的覆蓋率計(jì)算的系統(tǒng)重復(fù)測(cè)量誤差低于5％;當(dāng)霧滴覆蓋率在10％-20％時(shí)，對(duì)于霧滴Dv0.5系統(tǒng)重復(fù)測(cè)量誤差也同樣低于5％。利用此方法對(duì)機(jī)器人噴

5、霧系統(tǒng)在不同速度下霧滴沉積的特性進(jìn)行研究，分別進(jìn)行霧滴分布均勻性、覆蓋率和有效距離的分析。測(cè)繪了熱霧機(jī)移動(dòng)過(guò)程中霧滴覆蓋率的分布曲線。
　　(3)研究了機(jī)器人在狹小作物行間基于單目視覺(jué)的導(dǎo)航方法。通過(guò)采取增一強(qiáng)光照的方法來(lái)削弱光照不均對(duì)結(jié)果的影響。通過(guò)對(duì)秸稈圖像塊的主成分分析、形態(tài)學(xué)分割和相機(jī)的標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)了圖像中秸稈根部位置的定位;最后利用簡(jiǎn)化的徑向基函數(shù)算法根據(jù)所得秸稈位置坐標(biāo)規(guī)劃行走路徑，提高了秸稈塊提取的容錯(cuò)能力。采用本系統(tǒng)

6、的導(dǎo)航方法，機(jī)器人保持速度為0.6m/s時(shí)，與秸稈的最大碰撞率為6.38％。系統(tǒng)的圖像處理平均耗時(shí)220ms，路徑規(guī)劃的平均耗時(shí)為30ms，可以滿足運(yùn)行速度1.2m/s以下的直線自主行駛的響應(yīng)需求。
　　最后，本文實(shí)驗(yàn)樣機(jī)在渦陽(yáng)及懷遠(yuǎn)實(shí)驗(yàn)田中進(jìn)行了多行作業(yè)的霧滴沉積研究，測(cè)試了在不同速度下霧滴沉積的均勻性和覆蓋率，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)施藥的優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)得到樣機(jī)的噴霧效率曲線并對(duì)各因素進(jìn)行針對(duì)性的分析。研究結(jié)果為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)小型移動(dòng)熱霧機(jī)器人在大