基于PWM的电控精量喷雾控制方法与试验
这是一篇关于变量喷雾,喷头,PWM,农药,处方图的论文, 主要内容为我国是农业生产大国,作物病虫草害防治是农业生产中的重要组成部分,决定着农作物最终的质量和产量,化学防治是众多防治效果中最有效的防治方法。但目前喷洒农药多采用统一均匀的喷洒方式,作业时不能考虑病虫草害的区域性分布、作物生长状况的空间性差异以及不同农田作物病虫草害的严重程度是否与施药量一致,造成了农药的大量浪费,加剧了环境污染。随着精准农业的快速发展,变量施药方式成为解决上述问题的主要方法。针对目前喷头不能独立控制喷药量,病虫草害区域性分布而施药机连续施药导致的施药精确度低、农药有效利用率低等问题,本文基于脉冲宽度调制(Pulse width modulation,PWM)提出了电控精量喷雾控制方法,完成了电控精量喷雾控制系统的软硬件设计和试验分析测试,以期实现喷头的独立控制和按需精准施药的作业效果,提高变量喷雾的精准化和智能化程度。本文的主要开展了以下研究:(1)电控精量喷嘴体的设计与试验。根据精量喷雾系统工作需求,基于电磁学理论设计了由电磁线圈、定铁芯、阀芯和复位弹簧组成的电磁吸合机构,实现阀芯的高频往复运动。结合喷嘴体水流通道结构和阀芯往复运动过程,设计了阀芯末端型式和双向通水阀,实现水流的通断控制。采用脉冲宽度调制(Pulse width modulation,PWM)信号控制电磁吸合机构的动作状态,改变每个周期内出水通道的开启时间,实现喷头流量的实时调节。设置不同的PWM信号频率和占空比、水泵压力,并采用高速相机测量电控精量喷嘴体在不同压力下单个周期内的喷雾时间,验证所设计的电控精量喷嘴体的工作性能。试验结果表明,当PWM信号频率为20Hz、系统压力为0.3MPa时,阀芯可开启的最小占空比为7%,阀芯可关闭的最大占空比为96%;在占空比区间[7%,96%]内,单个周期喷雾时间的平均相对误差为7.5%,相对误差最大值为55.1%;在占空比区间[20%,96%]内,单个周期喷雾时间的平均相对误差为3.1%,相对误差最大值为13.1%。说明该电控精量喷嘴体在占空比[7%,19%]范围内控制效果较差,在占空比[20%,96%]范围内具备良好的控制稳定性和准确性,能够满足精量喷雾的基本要求。(2)电控精量喷雾控制系统的开发。基于脉宽调制技术(PWM)的流量控制原理,设计开发了电控精量喷雾控制系统。该系统以PIC18F258单片机为核心,主要由上位机、喷雾控制器、电子开关、电控喷嘴体组成;采用HMI串口屏作为上位机,接收用户设置的喷药量,通过CAN总线通讯实时发送到喷雾控制器;喷雾控制器根据接收的施药量计算出对应喷头的PWM占空比,实时调节各个喷头单位时间的通断时间,从而实现喷头的独立控制。(3)面向处方图的变量喷雾控制方法研究。设计了面向处方图的变量喷雾控制系统,此系统包括上位机、定位装置、喷雾控制器和喷施装置。采用定位装置实时获取施药机的位置、速度和航向信息,根据施药机结构尺寸,计算所有喷头在全球坐标系下的位置。基于全球坐标系与处方图间的映射关系,提取每个喷头对应处方图中像素点的喷雾量,喷雾控制器根据喷雾量控制所有喷头的工作状态。(4)电控精量喷雾系统试验研究。将电控精量喷雾控制系统安装到喷雾试验台上,验证电控精量喷雾控制系统的工作性能。在脉冲频率10 Hz时,系统压力分别为0.3、0.4、0.5 MPa时,测量了喷雾系统的在单个周期内的喷雾时间、系统响应时间以及不同占空比下的喷头流量。试验结果表明:在系统压力分别为0.3、0.4、0.5 MPa下,喷头流量与PWM占空比之间呈线性变化关系,线性拟合度均大于0.95。电控喷嘴体通断时间误差最大值分别是2.5、2.98、2.9 ms,相对误差最大值分别是6.6%、6.6%、6.8%,RMS误差分别为2.37、2.54、2.27 ms,喷雾系统最大响应时间分别为0.179、0.176、0.167s。以高地隙喷杆喷药机为平台,测试了变量喷雾系统的定位精度、速度测量精度以及喷雾流量精度。试验结果表明:喷药机在直线行驶模式下航向角偏差和横向偏差的最大值分别为6.79°和22.12 cm,平均误差分别为5.39cm和1.75°;测速相对误差绝对值最大值为2.23%。误差均在可控范围,表明本文开发的电控精量喷雾控制系统具有较高的控制精度。
基于激光雷达的猕猴桃园变量喷雾控制系统设计与试验研究
这是一篇关于猕猴桃园,点云语义分割,深度学习,变量喷雾的论文, 主要内容为目前果园内病虫害防治主要依靠化学农药喷施,传统喷雾机大容量、全面积地喷施未考虑果树冠层靶标与枝叶稠密度的差异,造成果园空间内存在无效喷施和过量喷施等现象,导致农药大量浪费、流失,既影响果实品质还造成了果园环境污染。精准变量喷雾系统可以根据冠层探测信息的枝叶特征来决定施药量多少,从而减少农药用量,实现果品安全生产与保护环境的目的。本文基于激光雷达传感系统,使用深度学习的方法对猕猴桃冠层枝叶等信息进行语义分割,并针对分割出的冠层叶信息设计了变量喷雾控制系统,主要研究内容与结论如下:(1)基于点云语义分割的猕猴桃园冠层叶密度测量方法研究。开发了基于激光雷达的猕猴桃冠层测量系统,使用激光雷达扫描猕猴桃冠层建立点云数据集,利用Rand LA-Net神经网络模型并通过6折交叉验证的方法对猕猴桃冠层的树叶、树枝和T型架点云进行语义分割,模型的平均总体精度OA达到92%以上,平均交并比m Io U为81.4%,可以满足猕猴桃树冠各部分信息的分割要求。开发了叶属性测量软件完成对冠层叶片数与实测叶面积的计算,使用加权最小残差的最小二乘法对真实叶属性和叶点云表面积进行回归分析,实测叶面积与叶点云表面积的相关性较高,相关系数R为0.78,并得到相应关系式。使用Alpha-shape算法完成对猕猴桃树冠的三维重建并计算冠层体积。对猕猴桃树冠区域进行网格划分,通过计算小网格叶面积和体积的方法生成叶密度处方信息,为变量喷雾控制系统提供有效决策。(2)基于CFD技术的冠层雾滴沉积规律及施药决策模型构建。通过数值模拟的方法对已有的果园风送式喷雾机进行流体分析,得到了喷雾系统各喷头对猕猴桃树冠的雾滴沉积结果与喷施范围,并设计相关验证试验。雾滴沉积量试验值与仿真值的拟合程度较高,相关系数R2为0.92,均方根误差RMSE为0.042,证明了使用流体仿真的方法可以模拟真实的冠层沉积情况。基于猕猴桃树冠叶密度处方信息和仿真沉积数据,开发了基于决策系数的冠层施药沉积量模型。针对仿真结果中出现的喷头喷雾重合现象,调整了喷施策略,得到了各喷头处阀门开闭度的计算方法。(3)变量喷雾控制系统硬件与程序设计。在已有果园风送式喷雾机的基础上,确定了变量喷雾控制系统的相关硬件。确定了各硬件在喷雾机上的安装位置与供电方式。针对上位机算力不足的问题,使用内网穿透技术与TCP/IP的通讯方式实现语义分割服务器与上位机的通信,设计了喷雾策略程序与喷雾执行程序确保控制系统顺利运行。(4)基于激光雷达变量喷雾系统性能试验。针对所开发的变量喷雾控制系统,搭建了猕猴桃模拟冠层,使用清水作为喷雾溶液并根据各喷头喷施区域设置水敏纸的位置。采用常量与变量两种模式对两个枝叶分布不同的猕猴桃冠层进行喷雾试验。冠层沉积试验的结果表明,变量组与常量组喷雾造成的雾滴沉积均符合植保机械通用试验方法的要求。在变量喷雾中,雾滴沉积量与决策系数K的相关程度较好。相比常量模式,变量喷雾对两个树冠的省药率达到54.3%与34.8%,地面流失分别减少75.5%和38.6%。
基于激光雷达的猕猴桃园变量喷雾控制系统设计与试验研究
这是一篇关于猕猴桃园,点云语义分割,深度学习,变量喷雾的论文, 主要内容为目前果园内病虫害防治主要依靠化学农药喷施,传统喷雾机大容量、全面积地喷施未考虑果树冠层靶标与枝叶稠密度的差异,造成果园空间内存在无效喷施和过量喷施等现象,导致农药大量浪费、流失,既影响果实品质还造成了果园环境污染。精准变量喷雾系统可以根据冠层探测信息的枝叶特征来决定施药量多少,从而减少农药用量,实现果品安全生产与保护环境的目的。本文基于激光雷达传感系统,使用深度学习的方法对猕猴桃冠层枝叶等信息进行语义分割,并针对分割出的冠层叶信息设计了变量喷雾控制系统,主要研究内容与结论如下:(1)基于点云语义分割的猕猴桃园冠层叶密度测量方法研究。开发了基于激光雷达的猕猴桃冠层测量系统,使用激光雷达扫描猕猴桃冠层建立点云数据集,利用Rand LA-Net神经网络模型并通过6折交叉验证的方法对猕猴桃冠层的树叶、树枝和T型架点云进行语义分割,模型的平均总体精度OA达到92%以上,平均交并比m Io U为81.4%,可以满足猕猴桃树冠各部分信息的分割要求。开发了叶属性测量软件完成对冠层叶片数与实测叶面积的计算,使用加权最小残差的最小二乘法对真实叶属性和叶点云表面积进行回归分析,实测叶面积与叶点云表面积的相关性较高,相关系数R为0.78,并得到相应关系式。使用Alpha-shape算法完成对猕猴桃树冠的三维重建并计算冠层体积。对猕猴桃树冠区域进行网格划分,通过计算小网格叶面积和体积的方法生成叶密度处方信息,为变量喷雾控制系统提供有效决策。(2)基于CFD技术的冠层雾滴沉积规律及施药决策模型构建。通过数值模拟的方法对已有的果园风送式喷雾机进行流体分析,得到了喷雾系统各喷头对猕猴桃树冠的雾滴沉积结果与喷施范围,并设计相关验证试验。雾滴沉积量试验值与仿真值的拟合程度较高,相关系数R2为0.92,均方根误差RMSE为0.042,证明了使用流体仿真的方法可以模拟真实的冠层沉积情况。基于猕猴桃树冠叶密度处方信息和仿真沉积数据,开发了基于决策系数的冠层施药沉积量模型。针对仿真结果中出现的喷头喷雾重合现象,调整了喷施策略,得到了各喷头处阀门开闭度的计算方法。(3)变量喷雾控制系统硬件与程序设计。在已有果园风送式喷雾机的基础上,确定了变量喷雾控制系统的相关硬件。确定了各硬件在喷雾机上的安装位置与供电方式。针对上位机算力不足的问题,使用内网穿透技术与TCP/IP的通讯方式实现语义分割服务器与上位机的通信,设计了喷雾策略程序与喷雾执行程序确保控制系统顺利运行。(4)基于激光雷达变量喷雾系统性能试验。针对所开发的变量喷雾控制系统,搭建了猕猴桃模拟冠层,使用清水作为喷雾溶液并根据各喷头喷施区域设置水敏纸的位置。采用常量与变量两种模式对两个枝叶分布不同的猕猴桃冠层进行喷雾试验。冠层沉积试验的结果表明,变量组与常量组喷雾造成的雾滴沉积均符合植保机械通用试验方法的要求。在变量喷雾中,雾滴沉积量与决策系数K的相关程度较好。相比常量模式,变量喷雾对两个树冠的省药率达到54.3%与34.8%,地面流失分别减少75.5%和38.6%。
基于固态激光雷达的温室作物变量喷雾系统设计与试验
这是一篇关于固态激光雷达,点云补全,冠层体积,三维尺寸测量,变量喷雾,温室的论文, 主要内容为温室作为一种调控植物生长环境的设施,往往因为温度、湿度等因素管理不善,导致病虫害的发生。现阶段,防治病虫害的主流方法仍然是施用农药。然而,传统的农药施用方式存在效率低下、施用效果不佳等问题,同时农药使用量不易准确控制,对食品安全和环境保护造成潜在风险。针对上述问题,本研究提出了一种基于固态激光雷达的温室作物变量喷雾系统,旨在根据植物冠层体积特征自动调整喷药量,从而提高农药的施用效率、减少非目标农药沉积和降低环境污染。该系统利用固态激光雷达获取温室植物冠层的点云信息,通过深度学习技术对冠层的点云信息进行补全,从而获取植物冠层几何特征数据。根据上述数据调节喷头输出与冠层体积相匹配的喷药量,以实现提高农药利用率目标。同时,本研究为温室精准智能变量喷药技术提供了技术参考和依据。主要研究内容包括:(1)本研究在室内条件下,评价固态激光雷达检测规则物体(五种不同尺寸纸箱)和不规则物体(三种仿真植物)的三维尺寸测量精准性。均方根误差(RMSE)和变异系数(CV)评估激光雷达传感器在物体三维尺寸检测方面的准确性。并引入速度(0.1、0.3、0.6和0.9 m/s)因素,验证固态激光雷达传感器在运动过程中的检测性能,通过边缘相似性评分(ESS)验证激光雷达传感器的边缘检测性能。试验结果表明,X(长度)、Y(宽度)和Z(高度)方向上的最大RMSE(mm)和 CV(%)分别为 14.3 mm 和 14.3%、14.3 mm 和 14.3%以及 10.8 mm 和 10.8%。ESS均大于0.90,证明固态激光雷达传感器及其配套算法能够有效地适应复杂目标的结构参数和外形轮廓测量,为温室精准智能变量喷雾系统设计提供了有益的参考依据。(2)设计了 一种基于深度学习的点云补全网络,即多分辨率补全网络(MRC-Net),用于对固态激光雷达传感器获取的残缺点云进行补全。首先,利用生成器生成残缺点云的粗略完整点云,并通过迭代最远点采样(IFPS)技术对生成器生成的完整点云进行不同分辨率的采样。其次,通过设计的多分辨率退化机制对生成的点云进行不同尺度的退化。从而提高网络对语义信息和几何结构信息的提取能力。最后,借鉴二维图像中的多判别器思想,设计了多尺度特征匹配损失函数,使其在不同分辨率基础上运行,并以最优方式调整生成器的输出分布,以生成更为符合实际物体几何特征的完整点云。(3)为改善MRC-Net生成的点云数据较少且无法直接利用点云数据计算体积的问题,本研究分别采用点云上采样方法和点云三角网格化方法。其中,点云上采样采用基于Voronoi图的方法。随后利用泊松重建算法和贪婪投影三角化算法分别对规则纸箱的点云数据与不规则仿真植物的点云数据进行三角网格化。试验结果表明,泊松重建算法可以生成更加平滑的三维网格面,而贪婪重建算法则更适用于不规则结构的点云三角网格化。最后,运用投影法计算三角网格化的点云体积,为变量喷雾系统的施药量计算提供决策依据。(4)设计了一种适用于温室作物的变量施药系统,并对其性能进行了评价。温室变量喷雾系统的主要组成部分包括以STM32F407为核心的单片机、光电传感器、喷雾控制单元和喷头等组件。试验结果显示,基于固态激光雷达的温室变量喷雾系统能够满足施药作业的需求。与温室常规恒量喷雾模式相比,温室变量喷雾系统在保证施药效果达到病虫害防护目标的同时,能显著降低农药使用量。此外,该系统在喷雾雾滴覆盖率和雾滴沉积密度方面表现出优异性能,大幅提高了施药效率和农药利用率。
基于固态激光雷达的温室作物变量喷雾系统设计与试验
这是一篇关于固态激光雷达,点云补全,冠层体积,三维尺寸测量,变量喷雾,温室的论文, 主要内容为温室作为一种调控植物生长环境的设施,往往因为温度、湿度等因素管理不善,导致病虫害的发生。现阶段,防治病虫害的主流方法仍然是施用农药。然而,传统的农药施用方式存在效率低下、施用效果不佳等问题,同时农药使用量不易准确控制,对食品安全和环境保护造成潜在风险。针对上述问题,本研究提出了一种基于固态激光雷达的温室作物变量喷雾系统,旨在根据植物冠层体积特征自动调整喷药量,从而提高农药的施用效率、减少非目标农药沉积和降低环境污染。该系统利用固态激光雷达获取温室植物冠层的点云信息,通过深度学习技术对冠层的点云信息进行补全,从而获取植物冠层几何特征数据。根据上述数据调节喷头输出与冠层体积相匹配的喷药量,以实现提高农药利用率目标。同时,本研究为温室精准智能变量喷药技术提供了技术参考和依据。主要研究内容包括:(1)本研究在室内条件下,评价固态激光雷达检测规则物体(五种不同尺寸纸箱)和不规则物体(三种仿真植物)的三维尺寸测量精准性。均方根误差(RMSE)和变异系数(CV)评估激光雷达传感器在物体三维尺寸检测方面的准确性。并引入速度(0.1、0.3、0.6和0.9 m/s)因素,验证固态激光雷达传感器在运动过程中的检测性能,通过边缘相似性评分(ESS)验证激光雷达传感器的边缘检测性能。试验结果表明,X(长度)、Y(宽度)和Z(高度)方向上的最大RMSE(mm)和 CV(%)分别为 14.3 mm 和 14.3%、14.3 mm 和 14.3%以及 10.8 mm 和 10.8%。ESS均大于0.90,证明固态激光雷达传感器及其配套算法能够有效地适应复杂目标的结构参数和外形轮廓测量,为温室精准智能变量喷雾系统设计提供了有益的参考依据。(2)设计了 一种基于深度学习的点云补全网络,即多分辨率补全网络(MRC-Net),用于对固态激光雷达传感器获取的残缺点云进行补全。首先,利用生成器生成残缺点云的粗略完整点云,并通过迭代最远点采样(IFPS)技术对生成器生成的完整点云进行不同分辨率的采样。其次,通过设计的多分辨率退化机制对生成的点云进行不同尺度的退化。从而提高网络对语义信息和几何结构信息的提取能力。最后,借鉴二维图像中的多判别器思想,设计了多尺度特征匹配损失函数,使其在不同分辨率基础上运行,并以最优方式调整生成器的输出分布,以生成更为符合实际物体几何特征的完整点云。(3)为改善MRC-Net生成的点云数据较少且无法直接利用点云数据计算体积的问题,本研究分别采用点云上采样方法和点云三角网格化方法。其中,点云上采样采用基于Voronoi图的方法。随后利用泊松重建算法和贪婪投影三角化算法分别对规则纸箱的点云数据与不规则仿真植物的点云数据进行三角网格化。试验结果表明,泊松重建算法可以生成更加平滑的三维网格面,而贪婪重建算法则更适用于不规则结构的点云三角网格化。最后,运用投影法计算三角网格化的点云体积,为变量喷雾系统的施药量计算提供决策依据。(4)设计了一种适用于温室作物的变量施药系统,并对其性能进行了评价。温室变量喷雾系统的主要组成部分包括以STM32F407为核心的单片机、光电传感器、喷雾控制单元和喷头等组件。试验结果显示,基于固态激光雷达的温室变量喷雾系统能够满足施药作业的需求。与温室常规恒量喷雾模式相比,温室变量喷雾系统在保证施药效果达到病虫害防护目标的同时,能显著降低农药使用量。此外,该系统在喷雾雾滴覆盖率和雾滴沉积密度方面表现出优异性能,大幅提高了施药效率和农药利用率。
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