基于二维激光雷达的果树在线探测方法及对靶变量喷药技术研究

发布时间：2020-04-26 01:10

【摘要】：化学防治是植保作业中防治病虫害的主要方法,传统喷药机的连续喷雾作业方式将造成大量农药浪费以及农药残留,同时对环境造成严重污染。果园精准施药技术能够大幅度提高农药利用率,是解决这一矛盾的重要途径。为达到化学农药减施增效的目的,本文对果园精准施药的关键技术进行研究,实现了基于二维激光雷达的果园对靶变量喷药作业,对提高果园施药技术水平具有重要意义。主要研究内容与结论如下:1.提出了果树冠层网格划分方法以及网格化体积模型,并分析了二维激光雷达的探测角度误差对网格体积计算精度的影响。基于二维激光雷达探测技术提出了果树冠层在线探测方法,并分别进行了规则物体及果树冠层的网格体积在线探测试验。规则物体探测试验结果显示长方体、三棱柱及圆柱体等三种规则物体网格体积最大探测误差分别为3.3%,7.9%和9.4%。在不同探测速度下各规则物体总体积最大相对误差为5%,具有较高的探测精度。对发芽期以及茂盛期两种不同树冠密度的海棠树探测试验结果显示:根据网格体积的三维重建模型均能够较好地反映出树冠外形特征;检测高度及检测距离在一定范围内变化时,总体积检测结果均能保持较好的一致性,两种海棠树的总体积最大变异系数分别为0.058与0.017。试验结果表明该探测方法能够适用于不同树行间距的果树探测。在探测速度分别为1.5、3.0以及4.5km/h时,针叶型仿真树以及苹果幼树冠层的总体积计算结果能够保持一致,但随着网格宽度的增大,总体积的标准差逐渐增大。该结果表明所提出的探测方法不受探测速度的影响,果树冠层的探测精度及稳定性随着二维激光雷达扫描间距的增大而有所降低。在不同探测速度及网格宽度条件下,针叶型仿真树以及苹果幼树两种树形的总体积最大变异系数分别为0.078及0.041,表明该探测方法具有较高的探测精度,能够稳定地获取树冠网格体积,为变量喷药模型提供可靠的理论依据。2.提出了变量喷药模型以及基于PWM控制的施药数据计算方法。基于增量式PID控制设计了恒压喷雾系统,分别在恒压喷雾系统以及喷药机喷雾系统中进行了基于PWM控制的喷头流量标定试验。结果表明在不同的系统压力下,在10%～60%的PWM占空比范围内所使用的喷药机喷头流量与占空比呈现出较好的线性关系;在60%～90%范围内,虽然电磁阀能够频繁开闭,但喷头流量保持不变,失去了流量调节功能。同时,在喷药机喷雾系统中,随着喷头安装高度以及管路长度的增加,喷头流量的调节范围逐渐变小。按照喷头流量变化规律分组建立了喷头流量模型以保证施药量的准确性,为喷头流量控制提供依据。通过分析液体管路沿程压力损失,提出了变量喷药机中电磁阀安装方式的优化方案,即应当尽量缩短喷头与电磁阀之间的管路长度,减少沿程压力损失,获得最优的喷头流量调节范围。3.设计了基于二维激光雷达的果园对靶变量喷药控制系统以及喷药机样机。为了消除行驶速度对于对靶喷药控制精度的影响,提出了对靶喷药控制方法。对靶喷药控制精度试验结果显示:对靶喷药距离误差随网格宽度的增大而变大;当二维激光雷达的扫描间距确定后,在行驶速度分别为1.0、1.5以及2.0m/s时,喷药机的对靶喷药位置误差范围分别保持一致。结果表明在正常的作业速度范围内,对靶喷药控制精度不受行驶速度的影响。在二维激光雷达的扫描间距为210mm的探测方式下,通过增加延时喷药距离补偿的方式有效地将对靶喷药误差范围减小到-35mm至35mm之间,表明该对靶喷药控制方法具有较高的控制精度。4.通过在不同扫描间距条件下的喷药试验研究网格宽度对雾滴沉积特性的影响。试验结果显示,变量喷药机能够根据冠层网格体积实现变量喷药,但随着网格宽度增大,雾滴覆盖率的均匀性不断下降。实际作业中需要根据作业速度对网格宽度进行合理的设定,即在保证控制系统稳定运行的基础上,通过减小网格宽度来提高雾滴覆盖率均匀性。同时,通过在不同速度下的喷药试验研究喷药机作业速度对雾滴沉积特性的影响。试验结果显示,当网格宽度为0.21m时,对于果树宽度为1.3m的果树,变量喷药机能够结合树冠网格体积及作业速度进行变量喷药,较好地保证总体施药量的均匀性;对于果树宽度为2.4m的果树,变量喷药机对果树的总体施药量随着作业速度的增大而降低。与常规风送喷药机相比,在不同作业方式下,变量喷药机对果树各位置处以及树间无树冠位置处产生的雾滴覆盖率均明显低于常规喷药机,表明该变量喷药机在满足果园病虫害防治要求的基础上能够有效地减少过量喷药,提高农药利用率。
【图文】：

超声波传感器,体积模型,农药,树冠

果园生产作业中最主要的管理作业是病虫害的化学防治，据统计显示，果树在一年内要喷施逡逑农药８？１５次Ｗ。然而目前国内植保机械与施药技术方面的发展较为缓慢大面积防治作业常逡逑采用大容量淋洗式连续喷药方式，如图１－１所示，喷药机作业时无视果树种植模式及果树间的差逡逑异性，按相同的喷药量进行喷药。使用这种粗放的施药方式使得农药利用率及作业效率都非常低，逡逑果树枝叶上的农药沉积率只有１５％？２０％，即使喷雾机喷洒出去的农药中也仅约有２５％？５０％能逡逑在作物上沉积，大约２０％？３０％以上的细小农药雾滴会随气流飘移至非施药目标区域农药飘逡逑移至作业区域以外，不仅会造成农药及水资源的浪费，降低对病虫害的防治效果，而且会严重污逡逑染环境；同时经过过量施药的农产品中，农药残留量超标，一方面将严重危害人们的身体健康，逡逑另一方面将影响中国农产品的出口及农业生产的可持续发展【７，邋８］。随着人们对环境保护意识不断逡逑增强，以及对农产品质量与安全要求的不断提高，相对落后的果园施药作业方式己成为制约现代逡逑化果园发展的重要因素。总结来看

喷药机,风送,激光雷达,变量

Ｃｈｅｎ邋Ｙｕ等首先将二维激光雷达集成到果园风送式喷药机上进行了对靶变量喷药研究，逡逑提出了网格体积计算模型以及变量施药模型，将树冠在高度方向上均匀划分成２０等份，并将喷逡逑头按组分布，如图１－３所示，实现了单侧果树树冠网格化体积的探测以及对靶变量喷药。后续对逡逑雾滴沉积以及漂移的检测试验中，对果树不同位置、株间及地表的药物沉积进行测定。试验结果逡逑表明，在不同的作业速度下，果树喷药覆盖率的均匀性较好，有效降低了无果树区域的药量损失。逡逑然而，由于喷药机未安装速度传感器，变量施药模型不能根据作业速度进行改变，，喷药机需要按逡逑设定的速度运行。逡逑Ｆｉｖｅ＞ｐｏｒｔ逡逑ｎｏｚｓｒｋｅ邋ｍａｎｉｉｏｌｄ逡逑ＰＷＭ逡逑ｓｏｌｅｎｏｉｄ邋＾－４＾．逡逑ｖａｌｖｅｓ邋、’．＇「ＴｆｃｌＴ逡逑图１－３基于二维激光雷达的风送式变量喷药机样机逡逑Ｌｉｕ邋Ｈｕｉ等［７８－８（）］使用２７０。探测范围的二维激光雷达搭载于变量喷药机上实现了对树行两侧果逡逑树的同时探测，并开发了变量喷药控制系统，使用高精度的多普勒雷达速度传感器实时获取喷药逡逑机速度。试验结果表明，随着喷药机作业速度的提高，雾滴沉积量以及覆盖率均有所降低，与连逡逑续均匀喷药方式相比，该变量喷药机能够节省５０％以上的喷药量。随着变量喷药机的不断完善，逡逑Ｚｈｕ邋Ｈｅｐｉｎｇ等［８１＃］将基于激光雷达的变量喷药机与不同类型的传统风送式喷药机进行喷药性能逡逑对比
【学位授予单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S491

【参考文献】