大田環(huán)境下智能移動噴藥機(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熱霧機(jī)在病蟲害防治方面填補了玉米、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)研究的核心問題之一。為了實現(xiàn)小型移動熱霧機(jī)器人在田間自動

2、實現(xiàn)農(nóng)藥的均勻噴灑，本文以機(jī)械化種植并生長到中后期的玉米為研究對象，針對移動機(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噴霧機(jī)器人，對機(jī)器人移動中噴霧的霧滴沉積均勻性進(jìn)行了研究。針對多行均勻噴霧過程中機(jī)器人速度保持下的自主行走的問題，提出了基于徑向基函數(shù)的單目視覺路徑規(guī)劃方法，分析了在不同移動速度下多行噴霧的霧滴沉積特性，并進(jìn)行了試驗和分析。本文主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下:
　　(1)針對熱霧機(jī)工作原理進(jìn)

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

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450-455nm波長藍(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，提高檢測精度。此方法對于霧滴的覆蓋率計算的系統(tǒng)重復(fù)測量誤差低于5％;當(dāng)霧滴覆蓋率在10％-20％時，對于霧滴Dv0.5系統(tǒng)重復(fù)測量誤差也同樣低于5％。利用此方法對機(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。測繪了熱霧機(jī)移動過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的導(dǎo)航方法。通過采取增一強(qiáng)光照的方法來削弱光照不均對結(jié)果的影響。通過對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，實現(xiàn)了圖像中秸稈根部位置的定位;最后利用簡化的徑向基函數(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，與秸稈的最大碰撞率為6.38％。系統(tǒng)的圖像處理平均耗時220ms，路徑規(guī)劃的平均耗時為30ms，可以滿足運行速度1.2m/s以下的直線自主行駛的響應(yīng)需求。
　　最后，本文實驗樣機(jī)在渦陽及懷遠(yuǎn)實驗田中進(jìn)行了多行作業(yè)的霧滴沉積研究，測試了在不同速度下霧滴沉積的均勻性和覆蓋率，實現(xiàn)了精準(zhǔn)施藥的優(yōu)化，實驗得到樣機(jī)的噴霧效率曲線并對各因素進(jìn)行針對性的分析。研究結(jié)果為進(jìn)一步實現(xiàn)小型移動熱霧機(jī)器人在大