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1、第21卷第5期农业工程学报Vol.21No.52005年5月TransactionsoftheCSAEMay200569精确施药可变量喷雾控制系统的研究陈勇,郑加强(南京林业大学机械电子工程学院,南京210037)摘要:开发了基于机器视觉和模糊控制原理的精确农药可变量喷雾控制系统,并在实验室进行了试验研究。研究表明,系统能融合树冠面积信息和距离信息,通过模糊决策来判断树木大小和距离,进而选择不同的喷头组合,并控制喷雾系统的流量和喷头射程,实现对树木目标的智能喷雾,从而大幅减少农药用量。关键词:农药使用;机器视觉;模糊控制;可变量技术;树木中图分类号:S625文献标识码:A文章编号
2、:1002-6819(2005)05-0069-04陈勇,郑加强.精确施药可变量喷雾控制系统的研究[J].农业工程学报,2005,21(5):69-72.ChenYong,ZhengJiaqiang.Controlsystemforprecisionpesticideapplicationbasedonvariableratetechnology[J].TransactionsoftheCSAE,2005,21(5):69-72.(inChinesewithEnglishabstract)喷雾必须首先识别树木目标,并提取目标深度或距离信0引言息,再通过智能决策,精确地喷洒农药。化
3、学防治方法能高效、实时地控制突发性的病虫本系统由摄像头(美国3Com公司)、计算机、模糊害,在目前乃至今后相当长的一段时期内,化学防治、机控制器、超声波距离传感器(上海郎尚科茂公司)、变频械施药是我国树木病虫害防治的主要手段。器(德国西门子公司)、喷雾泵(台州市丰田喷洗机有限对树木喷洒农药,可使用背负式或担架式机动喷雾公司)、三相异步电动机(南京微分电机厂)、电磁阀(浙机、车载风送喷雾机、垂直喷杆喷雾机和航空喷雾等等。江鄞县宝得电磁阀厂)、喷头等构成。就目前现状,我国农药的有效利用率只有30%左右(发摄像头通过USB接口将采集到的树木图像送至计达国家为60%～70%)。这不仅浪费
4、了农药,还造成环算机;图像处理软件将树木图像从背景中提取出来,并[1]境污染,甚至人员中毒。在传统的森林病虫害防治过计算出树冠在一帧图像中所占面积;模糊控制器融合距程中,总是假定农药施用系统经过的区域没有个体区离信息和面积信息,经模糊决策处理后再选择喷头组合别,不管有无施药目标都采用均匀全面施药。而实际上,并通过变频器控制泵电机转速,从而控制流量、射程和树与树之间具有一定的株距,不同的树种有不同的树冠喷雾区域。形态,采用恒定的速率施药就会造成非靶标沉积而污染由于树冠大小与距离远近都是用模糊语言来描述环境和浪费农药。所以要积极研制智能控制的林木病虫的,难以建立精确的数学模型,因此,
5、研究中选择了模糊[2]害防治机械。控制技术。模糊控制更容易满足实时性要求,也满足本国外较早开展了农药精确施用方法的研究,以提高课题实际需要。[3-6]农药利用率、保护环境。在国内,中国农业大学研究如图1所示为用于树木喷雾的垂直喷杆,选择全部[7]了果园自动对靶静电喷雾机;南京林业大学研究了基7个喷头喷洒“大”树;根据目标大小选择若干喷头组合[8]于机器视觉的树木图像实时采集与识别系统,由于喷喷洒“小”树。雾过程的实时性和目标及距离信息的模糊性,首先必须开展基于机器视觉和模糊控制原理的控制系统以实现精确施药。本文研究基于机器视觉和模糊控制原理的树木农药精确喷雾控制系统,通过机器视觉
6、识别树木目标,模糊控制器根据目标大小控制垂直喷杆上的喷头组向树冠喷洒农药,从而可以大幅减少农药用量,减小环境污染。1系统整体设计当车载喷雾设备沿着道路前进时,要实现自动对靶图1用于树木喷雾的垂直喷杆收稿日期:2004-08-09修订日期:2004-11-08Fig.1Verticalboomforpesticidespraying基金项目:国家自然科学基金(30271078);国家留学基金资助作者简介:陈勇(1965-),男,汉族,江苏南京人,副教授,博士生,2模糊控制系统硬件设计主要从事机电一体化方面的研究。南京南京林业大学机械电子工程学院,210037。Email:cheny
7、ongnj@sohu.com模糊控制系统硬件主要由AT89C51单片机及其70农业工程学报2005年外围电路构成,图2是其原理图。AT89C51还支持二种软件可选的电源节电方式。其中,AT89C51是美国ATMEL公司采用CMOSMAX232实现电平转换,CD4502用于通道切换。[9]工艺生产的低功耗、高性能8位单片机。它与Intel公单片机与计算机通过串行口通信得到树冠面积信司MCS-51的指令和引脚兼容,内置4K字节闪烁可编息,另外,单片机通过串行口采集超声波传感器获取的程
