航測像控點(diǎn)測量與布設(shè)下的智能施藥作業(yè)研究

麻麗明,沈海軍,王貴麗,周 燕

(河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系,河北 邢臺 054000)

0 引言

為推進(jìn)精確農(nóng)業(yè)發(fā)展,利用植保無人機(jī)對果樹噴霧施藥區(qū)域像控點(diǎn)進(jìn)行測量,通過激光雷達(dá)掃描果樹施藥目標(biāo)區(qū)域,并與布設(shè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,生成噴霧施藥目標(biāo)點(diǎn)和施藥噴頭仰角控制指令,且基于增量式PID控制算法對噴頭仰角進(jìn)行追蹤控制,達(dá)到施藥噴頭的精準(zhǔn)控制,旨在為施藥精準(zhǔn)化智能控制裝備的設(shè)計(jì)提供參考。

1 像控點(diǎn)測量與目標(biāo)追蹤

在研究智能施藥控制時(shí),采用的施藥機(jī)器人為一種履帶驅(qū)動(dòng)式跟隨噴霧機(jī)構(gòu),利用激光雷達(dá)進(jìn)行施藥區(qū)域目標(biāo)對象探測;跟隨式噴霧施藥系統(tǒng)為多噴頭對稱式噴霧裝置,噴霧角度能夠根據(jù)施藥目標(biāo)自動(dòng)調(diào)節(jié),并可根據(jù)作業(yè)需求進(jìn)行左右兩側(cè)左右調(diào)節(jié),使用離心式風(fēng)機(jī)對噴霧氣流進(jìn)行調(diào)節(jié),輔助施藥霧化控制程度[1-2]。表1為智能施藥系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。

智能施藥系統(tǒng)主要用于樹冠層底部位置的施藥作業(yè),與植保機(jī)配合,形成地空協(xié)同式立體植保作業(yè)模式[3]。

圖1為地空協(xié)同式植保作業(yè)模式示意圖。其中,植保機(jī)用于對地面施藥目標(biāo)圖像進(jìn)行測量,形成航測像控位置點(diǎn);噴霧施藥機(jī)器人對樹冠層下部進(jìn)行施藥,實(shí)現(xiàn)智能施藥控制[4]。

表1 智能施藥系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

圖1 地空協(xié)同式植保作業(yè)示意圖Fig.1 Schematic diagram of ground air cooperative plant protection operation

智能施藥目標(biāo)區(qū)域探測與施藥目標(biāo)追蹤硬件控制框圖如圖2所示。控制系統(tǒng)主單元采用STM32單片機(jī),接受無人機(jī)航測像控點(diǎn)圖像數(shù)據(jù),利用脈沖調(diào)制方式進(jìn)行施藥噴霧電推桿的伸縮和升降機(jī)構(gòu)升降控制,根據(jù)編碼器脈沖反饋信號進(jìn)行實(shí)時(shí)作業(yè)控制,工控機(jī)用于對激光雷達(dá)掃描結(jié)果和圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,從而得出噴霧施藥目標(biāo)位置坐標(biāo)和噴霧施藥仰角,并將控制參數(shù)發(fā)送至主控制單元[5-6]。

圖2 目標(biāo)探測與追蹤系統(tǒng)硬件框圖Fig.2 Hardware block diagram of target detection and tracking system

智能噴霧施藥系統(tǒng)作業(yè)前,作業(yè)人員根據(jù)果樹的整體生長高度趨勢設(shè)計(jì)噴霧施藥機(jī)構(gòu)高度調(diào)節(jié)范圍,使施藥噴頭頭能夠覆蓋噴霧施藥區(qū)域[7]。作業(yè)過程中,噴霧施藥系統(tǒng)能夠自主在施藥區(qū)域內(nèi)進(jìn)行行走,根據(jù)航測像控點(diǎn)測量數(shù)據(jù)對施藥目標(biāo)區(qū)域的間隙、方位以及高度進(jìn)行表征,控制系統(tǒng)根據(jù)雷達(dá)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)探測目標(biāo)對象位置,并根據(jù)施藥目標(biāo)位置調(diào)整施藥仰角[8]。圖3所示為智能噴霧施藥系統(tǒng)作業(yè)流程圖。

2 噴霧施藥區(qū)域探測方法

智能噴霧施藥裝置采用激光雷達(dá)作為傳感器,可在360°范圍內(nèi)進(jìn)行掃描,掃描頻率為8～20Hz,最遠(yuǎn)掃描距離為40m,能夠滿足噴霧施藥作業(yè)過程需求[9]。掃描探測過程中,為了避免雜草和其他作物的干擾,降低系統(tǒng)作業(yè)過程的數(shù)據(jù)運(yùn)算量,假設(shè)存在雷達(dá)掃描的單側(cè)有效區(qū)域內(nèi)梯形ABCD,C為雷達(dá)探測中心,AB為探測區(qū)域上限,CD為探測區(qū)域下限,以雷達(dá)探測點(diǎn)所在平面為基準(zhǔn),基準(zhǔn)以上掃描角度為正值,基準(zhǔn)以下掃描角度為負(fù)值。

在噴霧施藥目標(biāo)點(diǎn)選取過程中,當(dāng)噴頭距離目標(biāo)點(diǎn)位置過小時(shí),會導(dǎo)致噴霧施藥仰角過大,施藥上噴頭超過目標(biāo)噴霧區(qū)域上限,施藥下噴頭超過目標(biāo)噴霧區(qū)域下限;噴霧施藥仰角過大或者過小,均會導(dǎo)致農(nóng)藥脫離目標(biāo)區(qū)域[10,11]。

圖3 智能噴霧施藥系統(tǒng)作業(yè)流程圖Fig.3 Flow chart of intelligent spray spraying system

利用無人機(jī)航測像控點(diǎn)測量得到施藥區(qū)域平均直徑為

其中,ri為第i個(gè)施藥點(diǎn)的區(qū)域半徑;n為施藥點(diǎn)總數(shù)。

為確定施藥點(diǎn)位置,需要確定施藥點(diǎn)M的極角,根據(jù)施藥噴頭的電動(dòng)推桿結(jié)構(gòu)尺寸以及行程參數(shù),施藥噴頭的最小仰角為0°,施藥噴頭的最大仰角為αmax,施藥點(diǎn)極角與施藥噴頭仰角極限值和激光雷達(dá)與噴頭之間的相對位置有關(guān)[12],如圖4所示。其中,圖4(a)為施藥點(diǎn)最小極角位置示意圖,圖4(b)為施藥點(diǎn)最大極角位置示意圖。

圖4 施藥點(diǎn)極角幾何關(guān)系Fig.4 Geometric relationship of polar angle of application point

當(dāng)施藥噴頭運(yùn)動(dòng)平面映射到掃描平面時(shí),假設(shè)雷達(dá)探測中心為坐標(biāo)原點(diǎn)O,水平面為x軸,豎直面為y軸,H為施藥噴頭旋轉(zhuǎn)中心與施藥機(jī)器人底盤之間的高度差。當(dāng)噴霧仰角為αmax時(shí),施藥點(diǎn)極角為上邊界δmax;當(dāng)噴霧仰角為0°時(shí),施藥點(diǎn)極角為下邊界δmin,則根據(jù)幾何關(guān)系可以得出

施藥噴頭中心軸線與施藥點(diǎn)M之間的夾角表示施藥目標(biāo)仰角,施藥噴頭運(yùn)動(dòng)過程平面映射到雷達(dá)掃描平面[13],故由幾何求解可以得出

為保證施藥噴頭仰角角度控制精度,在設(shè)計(jì)智能控制系統(tǒng)時(shí),采用增量式PID噴頭仰角控制算法。控制系統(tǒng)首先采集電動(dòng)推桿編碼器脈沖信號及施藥目標(biāo)點(diǎn)的目標(biāo)仰角,主控制器對脈沖信號進(jìn)行采集和計(jì)算分析,獲取動(dòng)態(tài)施藥仰角,將仰角實(shí)測值與仰角目標(biāo)值對比,求解誤差值;由PID控制器進(jìn)行誤差修正,向電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)器發(fā)送控制指令[14]。圖5所示為智能施藥控制系統(tǒng)模型。

圖5 智能施藥控制系統(tǒng)模型Fig.5 Model of intelligent pesticide application control system

3 系統(tǒng)試驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證施藥噴頭控制過程中航測像控點(diǎn)與目標(biāo)仰角定位控制的準(zhǔn)確性,在長40m、寬12米的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行噴霧施藥試驗(yàn)。區(qū)域內(nèi)種植果樹行距和株距均為3m,果樹高度4m,果樹主枝干高1m。

試驗(yàn)過程中,施藥噴頭安裝在高度為500mm的履帶機(jī)器人本體上,激光雷達(dá)安裝于機(jī)器人最前方,激光雷達(dá)與履帶點(diǎn)上表面之間的高度差為470mm。噴霧施藥過程中,機(jī)器人本體運(yùn)行速度為0.5m/s,到達(dá)終端位置時(shí)自動(dòng)調(diào)轉(zhuǎn)行駛方向,對另一行果樹繼續(xù)噴霧施藥。試驗(yàn)完成后,隨機(jī)挑選3棵果樹,對噴霧施藥目標(biāo)區(qū)域中心點(diǎn)與目標(biāo)仰角數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。果樹施藥噴頭高度變化數(shù)據(jù)、噴頭仰角與脈沖數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 噴頭高度、仰角與脈沖數(shù)據(jù)

從表2中數(shù)據(jù)可以看出:施藥噴頭的目標(biāo)區(qū)域中心集中于高度2～3m范圍內(nèi),對于5m高的果樹,該高度區(qū)域可滿足樹冠下部的噴霧施藥作業(yè)需求。;棵果樹的最小施藥噴頭仰角為48°,最大施藥噴頭仰角為52°,在5°變化范圍內(nèi),脈沖數(shù)調(diào)節(jié)時(shí)間為0.02s,可滿足噴霧施藥過程中的時(shí)效需求。

4 結(jié)論

基于無人機(jī)航測點(diǎn)測量與布設(shè)技術(shù),設(shè)計(jì)一種用于果園噴霧的智能探測與控制追蹤系統(tǒng)。系統(tǒng)采用雷達(dá)獲取果樹的點(diǎn)云數(shù)據(jù),利用分割算法進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理,獲取施藥目標(biāo)點(diǎn)區(qū)域信息,并基于對航測點(diǎn)數(shù)據(jù)分析得到噴霧施藥仰角,實(shí)現(xiàn)智能化精準(zhǔn)施藥控制,為農(nóng)業(yè)智能化施藥研究提供了參考。