自动施药机器人及可变量控制系统研究

农业生产方式历经数千年演变,从刀耕火种到机械化大生产、到精确农业。在人口增长而自然资源短缺、生态环境恶化的大背景下,精确农业和精确林业是解决问题的上策。二十多年来,精确农业研究风靡全球,硕果累累,前景看好。本文分析了精确农业的研究现状,并且重点分析了可变量技术和农药精确施用技术。 为了进一步降低除草剂的用量并消除农药雾滴飘移现象,本文创新性地提出除草剂直接施药方法,即首先切割杂草,然后再往杂草的切口涂抹除草剂。田间和温室的除草剂药效试验结果显示,该方法能节约90%的农药。如果考虑到农田杂草的空间分布,实际可以节约96.4%的农药。 本文开发研究了自动除草机器人,主要由摄像头、计算机、行走机构、机械臂、农药传输系统、机器人躯体等构成。计算机从地面图像中识别出杂草目标,再发出指令控制机械臂切割杂草并涂抹除草剂。 通过反复探索,本课题设计出效率高、性能可靠的机械臂末端执行器,由该执行器去完成切割杂草并涂抹除草剂的动作。 图像处理和机械臂控制软件用VC++编写,试验结果显示,该软件能准确地从田间地面识别出杂草目标并准确地控制机械臂动作。 本文在分析机器视觉和数字图像处理技术在工业、农业领域应用的基础上,开发了基于机器视觉和模糊控制原理的智能化树木喷雾施药系统。该系统能融合树冠面积信息和距离信息,通过模糊推理和决策来判断树木的“大”或“小”,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。与传统的喷雾方法相比,该系统在树木缺棵时停止喷雾动作,并根据树木大小和距离调节喷头射程,因此可以实现精确喷雾、大幅减少杀虫剂的用量,环境是最大的受益者。 基于试验,本文研究了脉宽调制喷头的性能。结果显示,脉宽调制喷头可以在不改变喷雾形态的情况下改变喷雾流量,从而实现可变量施药。但由于试验中使用的电磁阀的开关频率较低,所以有待于利用开关频率更高的电磁阀开展进一步的研究。