溫室種植精準對靶噴霧機器人的研究

喻 晨

（新疆農(nóng)業(yè)科學院 農(nóng)業(yè)機械化研究所，新疆維吾爾自治區(qū) 烏魯木齊 830000）

就當前植物植保機械來講，采用的手動噴霧器80%依然是背負式。噴霧器在應用過程當中存在明顯的跑、冒、滴、漏等情況，對于農(nóng)藥利用率造成很大影響，而且在噴藥過程中，時常出現(xiàn)施藥中毒情況，尤其是在溫室環(huán)境條件下進行噴藥，中毒事件時有發(fā)生。為此，對于植株和病害部位進行精準對靶噴霧施藥成為當前的研究重點[1]。但就目前情況來講，在溫室種植過程當中，精準對靶噴霧機器人方面的研究尚處于初始階段，還有很多問題亟待探索，尤其是非結(jié)構(gòu)環(huán)境條件下噴霧機器人工作過程當中，面對作業(yè)對象多義性的形態(tài)和顏色以及復雜的背景信息，溫室作業(yè)過程中空間改變以及光照條件改變，都給機器人感知信息、運行控制和規(guī)劃軌跡帶來很大影響[2-5]。基于此，本文主要以溫室種植過程中黃瓜霜霉病為研究對象，充分考慮黃瓜種植模式以及溫室環(huán)境，對精準對靶噴霧機器人進行設(shè)計，通過計算機視覺，來獲取黃瓜病害信息，通過系統(tǒng)分析，開展對靶噴霧。

1 對靶噴霧機器人結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)原理

該系統(tǒng)主要包括機械臂以及移動平臺、變量噴嘴和病害診斷分析系統(tǒng)等幾部分（見圖1）。其中1 為移動平臺屬于高架軌道，通過電機（0.1～0.3 m/s）進行驅(qū)動，2 為導軌和黃瓜壟相互垂直，設(shè)置在和地面相差3.0 m 的高度，移動平臺能夠通過黃瓜植株頂部進行運動。噴桿運動利用機械臂控制，達到對靶效果，在直角坐標系統(tǒng)上機械臂可以自由地進行各個方向運動，運用剪切式升降結(jié)構(gòu)控制z向運動，直線導軌控制x、y方向，噴桿和旋轉(zhuǎn)定位相平行，x向通過腕部來達到控制效果。

圖1 對靶噴霧機器人結(jié)構(gòu)示意Fig.1 The schematic diagram of target spraying robot structure

對于病害信息診斷系統(tǒng)而言，主要在y 軸直線導軌4 上安裝固定2 臺彩色攝影機（由雙目視覺系統(tǒng)構(gòu)成），對前視場作物具體情況進行實時圖像采集，同時對作物病害情況做出準確判斷，控制施藥量。

噴桿8 長為1.2 m，噴嘴6 按照0.2 m 的距離均勻分布其上，主要利用高速電磁閥實現(xiàn)控制，機器人針對噴嘴區(qū)域相應病害信息，利用PLC 來實現(xiàn)電磁閥控制，保證噴藥過程中，噴藥時間和培養(yǎng)量的控制。

在機器人運行過程中，根據(jù)溫室黃瓜栽培壟的特點，將磁定位預設(shè)在導軌之上，噴霧機器人有效啟動，而且在導軌運動基礎(chǔ)上將機器人啟動實施噴霧。首先進行定位檢測，準確標記，之后停車，根據(jù)對應位置，下降剪切式升降臺，當與黃瓜高度1/2 相符合時，噴桿隨著x向伸出，同時運用腕關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)，使其垂直。當前的場景圖像利用雙目視覺系統(tǒng)來完成，對圖像當中存在的病害情況進行判斷，然后根據(jù)直線導軌y向、x向直線導軌以及噴稈從一側(cè)端部移動至另一側(cè)，找準病害位置，合理控制電磁閥，保證對靶噴霧，直至將所有工作全部完成。

2 自由度機械臂設(shè)計

植株在溫室結(jié)構(gòu)條件下都是規(guī)則的生長，所以進行機械臂整體構(gòu)架機器人設(shè)計中，逆運動學是對靶噴霧機器人的主要特征，而且擁有解耦3 個關(guān)節(jié)。因此，為了避免有運動學奇異點發(fā)生，控制和減少系統(tǒng)復雜性，在圖1 當中，施藥4 自由度機械臂在移動平臺下吊裝，可以自由地針對各個方向植物病害進行精準對靶噴藥，利用回轉(zhuǎn)腕關(guān)節(jié)來實現(xiàn)噴桿控制，讓其確保合適的姿態(tài)來精準噴藥，機械臂具體運動參數(shù)見表1。

表1 機械臂關(guān)節(jié)參數(shù)Tab.1 The joint parameters of manipulator

系統(tǒng)中z向運動是難點，剪叉式升降吊架不僅具有很好的剛性強度，而且具有較大的工作范圍。在移動軌道運動平臺過程中，升降吊架保持在收縮的狀態(tài)，使移動過程當中機器人與導軌和黃瓜植株出現(xiàn)的干涉問題得到很好解決，并確保機器人穩(wěn)定運行。

剪叉式升降吊架在固定端進行驅(qū)動，其操作的角度應當進行8°～35°保持，為了實現(xiàn)相應的工作高度，對靶噴霧機器人運用10 個剪刀叉來實現(xiàn)相應高度，地面位置上確保0.9～2.5 m 有效行程，運用2副剪叉構(gòu)成整體結(jié)構(gòu)，在前后方向上布置，充分考慮操作角度，在吊架最低點位置上合理設(shè)定，水平線和剪叉桿保持30°夾角，使吊架具有較好的整體穩(wěn)定性。

3 獲取靶標信息

為使靶標信息更加準確獲取，應對植株病害作出全面分析，確保定量精準性。如對黃瓜霜霉病信息進行獲取時，通過計算機視覺獲取病害信息，依照感染葉片病害及其紋理、顏色，判斷其感染情況，黃瓜間距為1.4 m，其株距為0.4 m。

通過雙目視覺系統(tǒng)應用，搭載OK_AC1300 型2 臺攝像機，工作位置相距黃瓜中心0.9 m，攝像機間距為0.6 m，可以完成1.2 m×1.2 m采集范圍。

直接計數(shù)法以及分級計數(shù)法是測定傳統(tǒng)植物病害情況的主要方法，然而針對對靶實時噴霧系統(tǒng)，發(fā)生病害在時間以及空間上存在非均勻性的特點，植株不同以及不同的葉片，和較大差異性的病害程度，所以需要構(gòu)建適于溫室條件下評價病害的標準。文中把圖像采集區(qū)域進行6×6 個單元劃分，各單元當中按照0.2 m×0.2 m 設(shè)置最小的靶標單元，設(shè)置最小的單個噴嘴噴幅，處理圖像之后，對各個單元病害感染情況進行統(tǒng)計，噴霧過程當中，依照感染情況，確定噴霧時間。

4 結(jié)語

運用精準對靶噴霧，可以使農(nóng)藥用量大幅度減少，還能保證作業(yè)安全，避免對環(huán)境造成更大污染，保證食品質(zhì)量。本文對精準對靶噴霧系統(tǒng)進行研究分析表明，噴霧系統(tǒng)采用高架導軌模式，在溫室種植過程當中，可以根據(jù)籬架型作物，按壟種植特點精準噴霧。自由度噴霧機器人運用直角坐標，聯(lián)合應用電磁閥對噴嘴進行控制，實施對靶精準變量噴霧。研制的溫室種植精準對靶噴霧機器人，可以精準地獲取黃瓜病害，對作物病害感染情況以及分布特征等精確確定，能夠?qū)崿F(xiàn)精準對靶施藥。