脈寬調(diào)制(PWM)變量噴霧及視覺輔助對靶植保技術(shù)研究.pdf

1、變量對靶噴霧是減少噴霧使用量的有效途徑，對發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。為了有效減少田間噴霧植保作業(yè)過程中農(nóng)藥的使用量，本文以脈寬調(diào)制(PWM)變量噴霧及機(jī)器視覺技術(shù)為基本技術(shù)手段，設(shè)計(jì)并優(yōu)化變量對靶噴霧機(jī)器人，設(shè)計(jì)并研發(fā)相應(yīng)農(nóng)業(yè)裝備。
　　論文主要研究內(nèi)容如下:
　　1、為實(shí)現(xiàn)在線快速建立PWM噴霧流量模型，本文搭建了一套可采集測量噴頭出壓力數(shù)據(jù)的PWM高速電磁閥變量噴霧實(shí)驗(yàn)平臺。根據(jù)噴頭壓力與流量關(guān)系特性，

2、利用卡爾曼濾波算法得出噴霧瞬時(shí)流量數(shù)據(jù)，并對其積分得到噴霧平均流量。設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)分段線性擬合方法，將濾波后得到的噴霧平均流量與PWM占空比相關(guān)聯(lián)，最終建立PWM噴霧流量模型。分別在噴霧壓力為0.2 MPa、0.3MPa以及0.4 MPa的條件下，對各噴霧流量模型進(jìn)行噴霧流量控制實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明:三種壓力條件下所建立的PWM噴霧流量模型決定系數(shù)(R2)均在0.995以上，噴霧流量控制誤差范圍在±6％以內(nèi)。證明該方法可以為在線快速建立噴霧控制

3、模型提供參考。
　　2、噴霧均勻性是噴霧植保作業(yè)過程中的重要作業(yè)指標(biāo)。由于PWM變量噴霧作業(yè)過程中噴頭不連續(xù)作業(yè)，噴霧的均勻性特別是噴霧機(jī)運(yùn)動(dòng)方向上的均勻性較難控制。為了確定PWM變量噴霧技術(shù)參數(shù)對噴霧均勻性的影響，本文搭建了一套動(dòng)態(tài)PWM變量噴霧實(shí)驗(yàn)平臺，進(jìn)行動(dòng)態(tài)霧滴分布均勻性實(shí)驗(yàn)。采用水敏試紙獲取動(dòng)態(tài)霧滴的分布狀態(tài)，運(yùn)用圖像處理技術(shù)，以區(qū)域內(nèi)霧滴覆蓋率的變異系數(shù)作為動(dòng)態(tài)霧滴分布均勻性判定指標(biāo)，評估在不同PWM控制信號頻率、不同

4、PWM控制信號占空比及不同噴霧壓力下單個(gè)噴頭動(dòng)態(tài)霧滴分布均勻程度。結(jié)果表明:變異系數(shù)隨控制信號占空比的增大而減小;控制信號頻率對動(dòng)態(tài)噴霧霧滴分布均勻性有較大影響，變異系數(shù)隨控制信號頻率的增大而減小;噴霧壓力對變異系數(shù)的影響較小，噴霧壓力越大變異系數(shù)越大。
　　3、在對靶噴霧過程中，電磁閥是整個(gè)系統(tǒng)中至關(guān)重要且唯一的機(jī)械部件，其響應(yīng)速度是影響噴霧精準(zhǔn)性的重要因素，本文引入一種改進(jìn)型PWM控制波形并通過響應(yīng)面法(RSM)減少農(nóng)業(yè)噴霧系

5、統(tǒng)中電磁閥的響應(yīng)時(shí)間。其控制參數(shù)及范圍為:驅(qū)動(dòng)電壓(10，12和14 V)、保持時(shí)間(15，40和65 ms)及高頻PWM占空比（5，15和25％）。通過壓力傳感器獲得噴霧操作壓力并由此獲得電磁閥的響應(yīng)時(shí)間。在此參數(shù)范圍內(nèi)本文獲得的最小響應(yīng)時(shí)間的條件為驅(qū)動(dòng)電壓12 V，保持時(shí)間為15 ms及高頻PWM占空比為5％。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測值一致，表明:與普通控制方法相比，RSM減少了21.2％的響應(yīng)時(shí)間。
　　4、搭建基于機(jī)器視覺技術(shù)的對靶

6、噴霧平臺，以VS2010及OpenCV為開發(fā)工具完成對綠色植株目標(biāo)的有效提取及噴霧技術(shù)參數(shù)的計(jì)算。以RS232為通訊接口完成上位機(jī)與以STM32F407為控制核心的下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)田間智能植保裝備及相關(guān)部件。
　　5、嘗試了對靶噴霧的機(jī)理研究。改變噴霧技術(shù)參數(shù)以提高噴霧霧滴沉積率，通過三維相機(jī)采集植株點(diǎn)云，運(yùn)用拉格朗日粒子軌跡計(jì)算方法描述霧滴粒子，研究粒子軌跡與植株點(diǎn)云的相交判別。運(yùn)用Matlab編寫動(dòng)態(tài)噴霧