脉宽调制（PWM）变量喷雾及视觉辅助对靶植保技术研究

作     者：周鸣川 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：蒋焕煜

授予年度：2015年

学科分类：081104[工学-模式识别与智能系统] 08[工学] 09[农学] 0904[农学-植物保护] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：对靶 变量 机器视觉 控制系统 蒙特卡洛 

摘      要：变量对靶喷雾是减少喷雾使用量的有效途径,对发展可持续农业具有重要的理论意义和实用价值。为了有效减少田间喷雾植保作业过程中农药的使用量,本文以脉宽调制(PWM)变量喷雾及机器视觉技术为基本技术手段,设计并优化变量对靶喷雾机器人,设计并研发相应农业装备。 论文主要研究内容如下： 1、为实现在线快速建立PWM喷雾流量模型,本文搭建了一套可采集测量喷头出压力数据的PWM高速电磁阀变量喷雾实验平台。根据喷头压力与流量关系特性,利用卡尔曼滤波算法得出喷雾瞬时流量数据,并对其积分得到喷雾平均流量。设计一个自动分段线性拟合方法,将滤波后得到的喷雾平均流量与PWM占空比相关联,最终建立PWM喷雾流量模型。分别在喷雾压力为0.2MPa、0.3MPa以及0.4MPa的条件下,对各喷雾流量模型进行喷雾流量控制实验。结果表明：三种压力条件下所建立的PWM喷雾流量模型决定系数(R2)均在0.995以上,喷雾流量控制误差范围在±6%以内。证明该方法可以为在线快速建立喷雾控制模型提供参考。 2、喷雾均匀性是喷雾植保作业过程中的重要作业指标。由于PWM变量喷雾作业过程中喷头不连续作业,喷雾的均匀性特别是喷雾机运动方向上的均匀性较难控制。为了确定PWM变量喷雾技术参数对喷雾均匀性的影响,本文搭建了一套动态PWM变量喷雾实验平台,进行动态雾滴分布均匀性实验。采用水敏试纸获取动态雾滴的分布状态,运用图像处理技术,以区域内雾滴覆盖率的变异系数作为动态雾滴分布均匀性判定指标,评估在不同PWM控制信号频率、不同PWM控制信号占空比及不同喷雾压力下单个喷头动态雾滴分布均匀程度。结果表明：变异系数随控制信号占空比的增大而减小;控制信号频率对动态喷雾雾滴分布均匀性有较大影响,变异系数随控制信号频率的增大而减小;喷雾压力对变异系数的影响较小,喷雾压力越大变异系数越大。 3、在对靶喷雾过程中,电磁阀是整个系统中至关重要且唯一的机械部件,其响应速度是影响喷雾精准性的重要因素,本文引入一种改进型PWM控制波形并通过响应面法(RSM)减少农业喷雾系统中电磁阀的响应时间。其控制参数及范围为：驱动电压(10,12和14V)、保持时间(15,40和65ms)及高频PWM占空比(5,15和25%)。通过压力传感器获得喷雾操作压力并由此获得电磁阀的响应时间。在此参数范围内本文获得的最小响应时间的条件为驱动电压12V,保持时间为15ms及高频PWM占空比为5%。实验结果与预测值一致,表明：与普通控制方法相比,RSM减少了21.2%的响应时间。 4、搭建基于机器视觉技术的对靶喷雾平台,以VS2010及OpenCV为开发工具完成对绿色植株目标的有效提取及喷雾技术参数的计算。以RS232为通讯接口完成上位机与以STM32F407为控制核心的下位机之间的数据传输。在此基础上,设计田间智能植保装备及相关部件。 5、尝试了对靶喷雾的机理研究。改变喷雾技术参数以提高喷雾雾滴沉积率,通过三维相机采集植株点云,运用拉格朗日粒子轨迹计算方法描述雾滴粒子,研究粒子轨迹与植株点云的相交判别。运用Matlab编写动态喷雾模拟环境并进行可重复性验证实验,但模拟结果的准确性有待进一步研究。