溫室噴霧機全景影像遠程操控與監(jiān)管系統(tǒng)設計試驗＊

魏旭超，宋堅利，馬清俊，劉 洋，李曉越，宋衛(wèi)堂**

（1.中國農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，北京 100083；2.中國農(nóng)業(yè)大學理學院，北京 100083）

設施園藝植保作業(yè)是設施生產(chǎn)中重要環(huán)節(jié)，是減少溫室作物病蟲害發(fā)生，實現(xiàn)增產(chǎn)增收的有效手段[1-2]。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術的不斷進步，設施園藝裝備的機械化、自動化程度不斷提高，在田間管理環(huán)節(jié)，自動化噴藥成為近些年研究的一個重要課題[3-4]。設施農(nóng)機裝備不斷發(fā)展的同時，衛(wèi)星導航技術、精準路徑規(guī)劃、機群協(xié)同作業(yè)等新興技術也在不斷創(chuàng)新發(fā)展[5-6]，很多發(fā)達國家已經(jīng)將最新技術融合到田間管理自動化施藥裝備當中，并已經(jīng)能夠滿足實際生產(chǎn)的需要。國外針對溫室噴霧作業(yè)，已研發(fā)了多款大型裝備及作業(yè)機器人：實際生產(chǎn)中，溫室大棚軌道式噴霧機應用較多，此類噴霧機多由中央計算機控制，自動化程度與工作效率都非常高[7-8]。

目前國內(nèi)設施園藝植保作業(yè)大部分為傳統(tǒng)背負式人工施藥，作業(yè)時，施藥人員直接暴露在農(nóng)藥彌霧中，農(nóng)藥霧滴通過呼吸道和皮膚滲透等方式進入人體，危害作業(yè)人員健康，尤其溫室密閉、高溫環(huán)境，更增加了人體體表對農(nóng)藥吸收的風險[9-12]。另外，還有一些半自動化施藥機械也逐步推廣使用，但由于噴藥方式及設計工藝等問題，此類半自自動化植保設備的農(nóng)藥利用率僅為20%～30%[13-14]，并仍需施藥者與機具共同作業(yè)，農(nóng)藥暴露侵害現(xiàn)象并沒有得到根本上的解決。因此，需要研究一種更為有效的設施園藝植保作業(yè)施藥方法及裝備，在降低操作人員勞動強度、提高作業(yè)效率的同時，能夠真正實現(xiàn)“人機分離”，保護作業(yè)人員健康。

總體結構與工作原理

整機結構

溫室噴霧機全景影像遠程操控系統(tǒng)搭載在溫室履帶自走式風送噴霧機（圖1）上[15]，由基于無線全景影像的遠程操控系統(tǒng)和基于4G 網(wǎng)絡云平臺的遠程監(jiān)管系統(tǒng)兩部分組成。其中，遠程操控系統(tǒng)可以協(xié)助操作人員進行植保作業(yè)，施藥人員利用遠程視頻監(jiān)控實現(xiàn)對噴霧機具作業(yè)狀態(tài)的監(jiān)視與控制，它包括機載全景影像系統(tǒng)和通信與控制系統(tǒng)。機載全景影像系統(tǒng)利用布置在車輛上的4 個魚眼攝像頭，通過處理器內(nèi)置的算法程序，對四路單獨拍攝的影像視頻進行處理，經(jīng)過畸變校正和圖像拼接等圖像處理流程，實時輸出一幅無縫融合的鳥瞰圖像，360。全景影像能夠較好地彌補二維影像的不足，幫助操作者了解車輛周邊視線盲區(qū)，擴大視野，形象直觀。通信與控制系統(tǒng)將機載全景影像系統(tǒng)處理后的視頻圖像實時傳輸給操控者，操作人員借助視頻影像完成遠程視頻操控。遠程操控系統(tǒng)由魚眼攝像頭、中央處理器、遙控發(fā)射器、圖傳發(fā)射器、圖傳接收機等組成。基于4G 網(wǎng)絡云平臺的遠程監(jiān)管系統(tǒng)可在云端監(jiān)控中心實時獲取噴霧機的各類狀態(tài)信息，該系統(tǒng)主要由攝像頭、一體機顯示屏和遠程監(jiān)控平臺等部分組成。

工作原理

系統(tǒng)工作原理如圖2 所示，作業(yè)時操作人員在溫室外，通過視頻影像接收設備，在顯示器前實時監(jiān)測噴霧機周圍作業(yè)環(huán)境，根據(jù)傳回的影像信息，及時調(diào)整噴霧機工作狀態(tài)。進行噴霧機行走控制時，通過手柄遙控器發(fā)出控制信號，噴霧機履帶底盤中的無線接收器收到相關信號后，對信號進行解析，并傳輸至電子控制器，電子控制器控制機械結構運行，無刷電機在得到控制信號后運轉(zhuǎn)輸出動力，動力經(jīng)過傳動箱后進行減速，最后作用于履帶驅(qū)動輪，控制履帶底盤的運轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)遠程控制機具自由行走和換向功能。進行噴霧作業(yè)控制時，操作人員發(fā)出的噴霧控制信號經(jīng)由通信與控制系統(tǒng)，最終傳遞給管路電磁閥，電磁閥根據(jù)控制信號做出相應的動作，控制噴霧功能的啟停。在噴霧機進行作業(yè)的同時，噴霧機機載GPS 定位模塊接收位置信息，監(jiān)管系統(tǒng)的影像采集攝像頭記錄機具周圍環(huán)境工作影像信息，這些數(shù)據(jù)首先存儲在本地內(nèi)存中，當連接4G 網(wǎng)絡后，對數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換后通過4G 網(wǎng)絡發(fā)送至云端服務器，作業(yè)人員可在計算機或手機對應監(jiān)管軟件上，遠程查看噴霧機工作狀態(tài)、作業(yè)路徑等信息。

圖2 溫室噴霧機全景影像操控系統(tǒng)原理圖

主要器件選型及構建

基于無線全景影像的遠程操控系統(tǒng)構建

攝像頭選型

為保證操作人員可監(jiān)測到噴霧機周邊的影像，要求攝像頭能夠采集較大的影像視野，同時，考慮作業(yè)環(huán)境較為潮濕，攝像頭應具有一定的防水效果，經(jīng)過對比相關攝像頭參數(shù)信息，選用Sony225 型魚眼攝像頭，拍攝視角為170°，防水等級IP67。

中央處理器主機選型及參數(shù)設定

中央處理器主機主要對4 個魚眼攝像頭拍攝的圖像進行畸變矯正、圖像拼接及亮度均衡等處理，選用天安盛科技研發(fā)的Spelink 主機。進行圖像處理使用的算法包括：基于特征點提取的SIFT 算法，采用非線性LM 算法進行優(yōu)化，使用線性加權平滑算法對圖像進行融合拼接，最終生成全景圖像。

遠程控制器件與選型

針對大型日光溫室對信號傳輸范圍和穩(wěn)定性要求，遙控發(fā)射器選用樂迪AT9S-2.4G 型控制器，該控制器信號傳輸距離遠，在空曠場地遙控距離可達3400 m，信號頻率范圍為2400.0～2483.5 MHz（IMS 波段），可以滿足溫室內(nèi)信號傳輸需要。

圖像傳輸器件選型

考慮溫室高溫、高濕對圖像傳輸?shù)挠绊懀瑘D像傳輸設備應選擇較為穩(wěn)定、耐用的工業(yè)級數(shù)傳收發(fā)裝置。選用RC-932 5.8G 圖傳發(fā)射器，具有32 個雙向信道，可以實現(xiàn)自動搜頻，自動與接收器對頻；接收器型號為SKYDROID-UCV 5.8G手機圖傳接收機，通過外接連線與顯示屏連接，理論傳輸距離大于500 m，可滿足設施內(nèi)圖像傳輸需要。

基于4G 網(wǎng)絡云平臺的遠程監(jiān)管系統(tǒng)構建

一體機顯示屏選型

由于噴霧機履帶底盤空間較為狹小，且遠程監(jiān)管系統(tǒng)的中心處理器需要同時對視頻信號、4G網(wǎng)絡信號、GPS 信號進行綜合處理，因此選擇集成度較高的一體式監(jiān)管系統(tǒng)，該系統(tǒng)將各功能模塊、顯示屏及中控處理器集成在一起，便于接線和安裝。本系統(tǒng)選用順心航科技的4G 遠程一體式監(jiān)管系統(tǒng)，屏幕為10.1 寸IPS 顯示屏。

相關模塊型號選型

攝像頭模塊選用順心航科技的SXZ-CA08型無光夜視攝像頭。GPS 定位模塊分為主機芯片和收發(fā)天線兩部分。主機芯片采用高靈敏度導航芯片SIRF4，內(nèi)置于一體機顯示屏中；收發(fā)天線固定在噴霧機車架上，用以接收信號，其收發(fā)頻率為1575MHz。4G 通信模塊為上海移遠通QUECTEL-EC20 4G 通信模組，在傳輸良好的環(huán)境下，其最大下行速率可達150 Mbps，最大上行速率可達50 Mbps，支持各種網(wǎng)絡協(xié)議棧。

遠程監(jiān)管平臺

遠程監(jiān)管系統(tǒng)軟件使用CMSV6 監(jiān)管平臺，該系統(tǒng)應用了GPS 定位、移動網(wǎng)絡通訊及云計算平臺等技術，可以滿足實際應用且性能較為穩(wěn)定、可靠。

試驗與分析

為驗證溫室噴霧機全景影像遠程操控與監(jiān)管系統(tǒng)方案的合理性，將全景影像操控系統(tǒng)搭載在溫室履帶自走式風送噴霧機樣機上，于浙江省溫州種子種苗科技園進行實地測試，分別進行了噴霧機行走性能評價試驗、攝像頭布置位置效果測試試驗以及云端傳輸效果測試試驗。

搭載全景影像操控系統(tǒng)的溫室噴霧機行走性能評價

試驗材料與方法

試驗溫室東西走向，共有11 個開間，每個開間長度為4 m，東西總長度為44 m；共4 跨，每跨寬度4.8 m，連棟溫室總跨度為19.2 m。試驗大棚在寬度方向上可為南北兩側(cè)，每側(cè)分別種植5 壟番茄，相鄰兩壟間過道寬度為90 cm，南北兩側(cè)種植區(qū)域間隔過道為180 cm。為保證噴霧機能正常在行間行走，對行間雜物提前進行清理。為保證噴霧機能正常轉(zhuǎn)壟，栽培行兩端預留直徑0.5 m，弧度180 rad 的圓弧路徑。為避免重復施藥，提高作業(yè)效率，噴霧機在溫室內(nèi)以“梭形”路徑行走，在路邊作業(yè)時單側(cè)噴藥，在壟間作業(yè)時雙側(cè)噴藥。遠程作業(yè)小車在連棟棚內(nèi)的作業(yè)路徑如圖3 所示。

圖3 遠程施藥小車作業(yè)路徑

（1）噴霧機進門進壟行走測試

如圖4 所示，在溫室外，噴霧機上層橫流風機為折疊狀態(tài)，作業(yè)時，由作業(yè)人員將上層橫流風機展開、固定，隨后作業(yè)人員離開溫室，通過遠程視頻影像，來操作噴霧機進入番茄行內(nèi)進行作業(yè)。在作業(yè)過程中，通過實時視頻影像，及時對噴霧機的行進姿態(tài)作出調(diào)整，若噴霧機路徑偏差過大，與栽培壟有相碰撞的危險時及時停止工作，待原地糾偏后繼續(xù)施藥。

圖4 噴霧機進門進壟試驗

（2）噴霧機轉(zhuǎn)彎轉(zhuǎn)壟測試

在完成進門和直線行駛的測試后，操控噴霧機行駛至作物行間盡頭處，開始轉(zhuǎn)彎換行。轉(zhuǎn)彎過程中完成行進方向糾偏后進入另一個植株行間，如圖5 所示為噴霧機轉(zhuǎn)彎行走測試過程，主要包括準備進彎、彎道糾偏、即將出彎和完成轉(zhuǎn)壟四個作業(yè)環(huán)節(jié)。

圖5 噴霧機轉(zhuǎn)壟測試過程

（3）可操控性評價

關于人機協(xié)同工作的舒適度評價已有一套完整的國家標準和理論體系，舒適度主要指人體各個部位感官的綜合主觀感受，是對周圍環(huán)境刺激的具體反應，當周圍環(huán)境對人員個體從物理上、心理上和生理上的影響都達到平衡的時候，此時可以認定主觀感受為舒適的。對于舒適度的評價可以分為主、客觀評價法，其中客觀評價法基于大量的數(shù)據(jù)研究分析，目前已經(jīng)形成成熟的標準文件，可供評價者參考。

對于舒適度的評價是對主觀感受的定量描述，會受到多種因素的共同影響，因此，對舒適度的評價也多方面的。借鑒已有的對于車輛操控舒適度的評價標準，結合本試驗的試驗探究，設計了一套噴霧機可操作性評價指標，遠程影像噴霧機的可操控性評價主要可以從以下幾個方面入手：操控人員觀看遠程視頻的方式及設備、遠程視頻的實時性、遙控操控的便捷性、操作信號發(fā)出后噴霧機做出動作的延時等。通過上述幾個指標，評價噴霧機與作業(yè)人員的配合程度，量化一些主觀性的操控指標，以此來反映遠程影像噴霧機的可操控性。

在人工遠程操控下，每完成一次直線行駛和一次轉(zhuǎn)壟作為一個測試組，根據(jù)測試前小車行走所規(guī)劃的梭性路徑，完成整個試驗區(qū)施藥作業(yè)需要進行六個測試組，記錄每完成一次行進施藥所用的時間，測試具體包括直線行駛、壟內(nèi)糾偏和調(diào)整噴霧姿態(tài)等操作。根據(jù)現(xiàn)有對于車輛操控舒適度的評價標準，綜合考慮無線圖像傳輸延遲、噴霧機操控信號延遲、機械結構動作延遲等影響噴霧機行進速度的因素，將噴霧機的可操控性評價指標分為“快”“較快”“舒適”“較慢”“慢”五個檔次，通過操控者主觀評價，分析噴霧機行駛速度與可操控之間的關系，以得到最佳的行進速度范圍。

試驗結果及分析

操作人員在遠程控制下，噴霧機完成了進入溫室、進入作業(yè)壟、轉(zhuǎn)壟等作業(yè)環(huán)節(jié)，噴霧機可以在作物行間完成直線行走、糾正偏移。在轉(zhuǎn)壟試驗過程中，需要提前進行轉(zhuǎn)壟操作，不然會錯過最佳轉(zhuǎn)向角度，造成這一現(xiàn)象的原因主要是由于噴霧機作業(yè)時負載較大，差速電機無法達到較高的控制精度，因此無法及時駐車轉(zhuǎn)向。

經(jīng)過3 次重復的連棟溫室模擬試驗，噴霧機可由作業(yè)人員遠程控制，在作物行間較好的按照預先設定的路線行進，且行進方向的誤差偏離較小。在直線行駛較遠距離后，噴霧機的行駛軌跡稍有偏離中心線，需要操控人員及時糾正偏差。對噴霧機較遠距離直線行駛產(chǎn)生偏移的原因進行分析，可能有以下原因：①噴霧機底盤兩側(cè)履帶分別由兩臺獨立的電機驅(qū)動，當電流、電壓不穩(wěn)定時，兩臺電機輸出軸轉(zhuǎn)速不會完全同步；②履帶采用非剛性橡膠材料，與路面接觸可能會產(chǎn)生彈性形變，使整個履帶產(chǎn)生偏移；③小車行進路徑部分區(qū)域凸凹不平，引起噴霧機行進路徑偏移。

如表1 所示，為試驗過程中噴霧機按圖3 所示路徑順序，以過道一端作為起點，每通過一個過道，并轉(zhuǎn)壟至另一過道一端，所需的具體時間及平均速度。從表格數(shù)據(jù)及綜合評價可以看出，噴霧機可操控性較好的行駛速度范圍為0.28～0.33 m/s，綜合考慮信號傳輸延時的問題，若速度過快會導致影像視頻無法即使傳輸，畫面卡頓嚴重，對遠程操作帶來不便；若速度過慢會導致噴頭同一位置植株重復施藥，造成農(nóng)藥浪費。初步確定噴霧機最佳行駛速度之后，即可確定施藥量，進而為后續(xù)施藥噴頭的壓力、噴口大小的改進提供參考依據(jù)。

表1 噴霧機行駛速度及可操控性評價

上述試驗結果表明，搭載溫室全景影像操控系統(tǒng)的噴霧機，可實現(xiàn)真正意義上“人機分離”作業(yè)。進行噴霧作業(yè)時，操作人員只需在溫室外，根據(jù)傳送的全景畫面，操控噴霧機完成噴霧作業(yè)，避免了作業(yè)人員長時間暴露在農(nóng)藥彌霧中，保護了作業(yè)人員健康安全。同時，通過遙控方式進行作業(yè)，在噴霧機行進速度在較為舒適的區(qū)間內(nèi)，與傳統(tǒng)人工植保相比，大大降低了勞動強度，并提高了作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量。

攝像頭布置位置效果測試試驗

試驗材料與方法

根據(jù)人體工程學原理，分別就攝像頭位置高低、拍攝角度、焦距，設計了兩種布置方式，用以研究如何使實現(xiàn)人、農(nóng)機、設施之間的最佳匹配，使遠程操作人員能及時、準確、舒適的進行操控。

（1）攝像頭布置方式1

噴霧機周圍四個攝像頭具體布置方式如圖6所示，該布置方式將前視攝像頭布置在施藥架結構上距離履帶底盤1.8 m 處，鏡頭朝向噴霧機前進方向，拍攝角度為俯拍30°；左視攝像頭和右視攝像頭分別固定在中部橫流風機架結構的左右兩側(cè)，距離履帶底盤1.3 m 高度處，鏡頭拍攝視角為平視；后視攝像頭固定在施藥架第一個橫梁上，距離履帶底盤1.4 m 位置，鏡頭朝向噴霧機后方，拍攝視角為俯拍30°。

圖6 攝像頭布置方式1

（2）攝像頭布置方式2

噴霧機周圍四個攝像頭具體布置方式如圖7所示，該布置方式將前視攝像頭布置在噴霧機履帶底盤上，距離地面30 cm 處，鏡頭朝向噴霧機前進方向，拍攝角度為俯拍30°，左視攝像頭、右視攝像頭和后視攝像頭布置方式與1 相同。

圖7 攝像頭布置方式2

試驗結果與分析

采用布置方式1，攝像頭可以拍攝到更大視野，能夠查看到整個作業(yè)行全貌（圖8），但在進行實際作業(yè)時，由于圖像傳輸存在一定的延遲，操作人員在遠程監(jiān)控界面無法及時注意到噴霧機行進的路況。當通過顯示的影像發(fā)現(xiàn)噴霧機出現(xiàn)輕微偏移時，噴霧機底盤可能已經(jīng)出現(xiàn)較大距離的偏移，易導致噴霧機碰撞栽培行。因此，將攝像頭布置于較高位置雖然可保證較廣闊的視野，但不便于觀察噴霧機輕微偏移，操作人員無法及時糾正噴霧機前進路徑的偏差。

圖8 攝像頭布置方式1 成像效果

采用布置方式2，將前視攝像頭固定在噴霧機履帶底盤上，攝像頭位置與壟面基本平齊，視角高度降低，攝像頭可以拍攝到較為清晰的路面狀況（圖9），操作人員在遠程監(jiān)控界面觀測到的噴霧機行進偏移距離與實際距離也相差較小，可以及時糾正噴霧機前進路徑的偏差。

圖9 攝像頭布置方式2 成像效果

云端傳輸效果測試試驗

試驗材料和方法

打開CMSV6 軟件（圖10），設置IP 地址和端口號并登錄系統(tǒng)，登錄成功后在“實時預覽”對話框下，可以看到噴霧機所搭載的遠程視訊系統(tǒng)傳回的圖像，前后左右四路攝像頭分別顯示，在等待系統(tǒng)自動調(diào)試完成后，開啟噴霧機風送開關和噴霧開關，開始遠程施藥作業(yè)。分別在日間和夜間對工作中遠程監(jiān)管系統(tǒng)成像效果進行測試。

圖10 客戶端主窗體界面

試驗結果與分析

在日間光線較好時，通過遠程監(jiān)管系統(tǒng)，可獲得噴霧機上4 路攝像頭拍攝的四個方向較為清晰的環(huán)境影像（圖11）。每一路攝像頭也可單獨顯示（圖12），可將前視攝像頭的影像框放大，獲取更大的視野，方便操控。

圖11 四路影像監(jiān)管界面

圖12 單路影像監(jiān)管界面

夜間光線較暗的環(huán)境下，攝像頭的成像效果如圖13 所示，影像效果較差，表明該系統(tǒng)目前不適用于在夜間作業(yè)，后期的研究可換用專用紅外夜視相機，提升成像效果以滿足夜間噴霧作業(yè)要求。

圖13 實時影像夜間效果圖

結論

本文主要設計了一種溫室噴霧機全景影像遠程操控與監(jiān)管系統(tǒng)，系統(tǒng)設計完成后搭載于溫室自走式風送噴霧機上進行性能測試。結果表明，該機具能夠?qū)崿F(xiàn)溫室大棚等設施內(nèi)的半無人化植保施藥作業(yè)，可有效降低施藥人員的勞動強度，消除農(nóng)藥對人體的危害，保護作業(yè)人員的健康。

（1）將全景影像技術與無線圖傳收發(fā)裝置相結合，為噴霧機搭建了一套直觀可視的全景影像操控系統(tǒng)。選用技術成熟、傳輸距離遠、抗干擾能力強的FPV 圖傳系統(tǒng)進行視頻信號傳輸，理論傳輸距離可達500 m 以上，視頻圖像的傳輸延遲時間小于1 s，滿足實時操控的需要。

（2）針對噴霧機的行走性能和影像效果進行測試。綜合考慮測試時各方面的影響因素，通過操控者對噴霧機的可操控性評價，確定了噴霧機可操控性較高的行駛速度范圍為0.28～0.33 m/s。通過兩種攝像頭布置方案的對比，優(yōu)化了攝像頭的位置，提高了影像傳輸?shù)馁|(zhì)量和機具的可操控性。

（3）設計了一套基于4G 網(wǎng)絡和云平臺的遠程監(jiān)管系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過移動網(wǎng)絡將作業(yè)現(xiàn)場實時影像傳送至云端，操作者可以在實時觀看現(xiàn)場作業(yè)視頻，并針對作業(yè)情況對噴霧機做出相應的姿態(tài)調(diào)整與控制。該套系統(tǒng)兼有GPS 定位和視頻回放功能，可以實現(xiàn)噴霧機械的綜合管理。