（机械设计及理论专业论文）自动施药机器人及可变量控制系统研究.pdf

摘要 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。田问 和温室的除草剂药效试验结果显示，该方法能节约9 0 的农药。如果考虑到农田 杂草的空间分布，实际可以节约9 6 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v c + + 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。 关键词：精确农业、精确林业、可变量技术、除草剂使用、机器视觉、机器人、 模糊控制、脉宽调制喷头 r e s e a r c h e so na u r 0 n o m o u sr o b o tf o r w e e dc o n t r o la n d s m a r ts p r j s y s t e mb a s e d0 nv a r i a b l er a t et e c h n o l o g y y o n g c h e n n a n j i n gf o r e s t r yu n i v e r s i t y a g r i c u l t u r eh a sb e e nd e v e l o p i n gf o rt h o u s a n d so fy e a r s ，f r o ma n c i e n ts t y l et om o d e m s t y l e w i t h g i a n tm a c h i n e r y ，a n d t h e nt o p r e c i s i o na g r i c u l t u r e w i t ht h ei n c r e a s e o f p o p u l a t i o n ，w ea r er u n n i n go u to f n a t u r a lr e s o u r c e s a tt h es a m et i m e ，t h ee n v i r o n m e n t d e t e r i o r a t e st e r r i b l y p r e c i s i o na g r i c u l t u r ea n dp r e c i s i o nf o r e s t r ya r et h eb e s ts o l u t i o nt o t h e s ep r o b l e m s f o rm o r et h a n2 0y e a r s ，p r e c i s i o na g r i c u l t u r eh a sb e e ns t u d i e da l lo v e r t h ew o r l da n dh a sb r o u g h tu sm a n y p o s i t i v er e s u l t s ，i n d i c a t i n gb e n e f i tf u t u r e i nt h i sp a p e r ， t h er e c e n t d e v e l o p m e n to fp r e c i s i o na g r i c u l t u r e ，e s p e c i a l l y ，t h e v r ta n dp r e c i s i o n c h e m i c a la p p l i c a t i o n ，w a sd i s c u s s e d i no r d e rt om i n i m i z et h eh e r b i c i d e d o s a g ea n dd r o p l e td r i f t ，a d i r e c th e r b i c i d e d e l i v e r i n gm e t h o d w a s f i r s t l ys u g g e s t e di nt h i sr e s e a r c h h e r b i c i d ew a sm o p p e d o n t ot h e w e e d ss u r f a c e ，a f t e rt h ew e e d sw e r ec u t c h e m i c a le x p e r i m e n t sb o t hi nf i e l da n di n g r e e n h o u s es h o w e dt h a ta b o u t9 0 h e r b i c i d ec o u l db es a v e du s i n gt h i sm e t h o d i ft h e s p a t i a ld i s t r i b u t i o nw a s c o n s i d e r e di nf i e l d a r o u n d9 6 4 h e r b i c i d ec o u l db es a v e d a na u t o n o m o u sr o b o tf o rw e e dc o n t r o lw a sd e v e l o p e di nt h i sr e s e a r c h ，w h i c h c o n s i s t e do fad i g i t a lc a m e r a , ac o m p u t e r ，ar o b o t i ca r m ，aw a l k i n gs y s t e m ，ac h e m i c a l d e l i v e r i n gs y s t e m ，ar o b o tb o d ya n de t c a f t e rw e e d sw e r ei d e n t i f i e di nt h ef i e l db yt h e m a c h i n ev i s i o ns y s t e m ，t h er o b o t i ca r mc o u l dr e a c ho u t ，c u tw e e d sa n dm o pc h e m i c a l o n t ot h e i rc u ts u r f a c e s ar o b o te n d e f f e c t o rw i t hh i g he f f i c i e n c y a n d s t a b i l i t y w a sd e v e l o p e d n e e n d e f f e c t o rc u tt h ew e e d sa n dm o p p e dc h e m i c a lo n t ot h ec u ts u r f a c e e x p e r i m e n t s s h o w e dt h a tt h e i m a g ep r o c e s s i n g a n dr o b o t c o n t r o l l i n g p r o g r a m w r i t t e ni nv c + + c o u l di d e n t i f yw e e d sf r o mf i e l db a c k g r o u n dc o r r e c t l ya n dc o n t r o lt h e r o b o t i ca l t np r e c i s e l y m a c h i n ev i s i o na n d i m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u e sh a v e w i d e a p p l i c a t i o n si ni n d u s t r y ， a sw e t la si na g r i c u l t u r e t h ea u t h o rd e v e l o p e das m a r tp e s t i e i d es p r a ys y s t e mf o rt r e e s b a s e do nm a c h i n ev i s i o na n d f u z z y c o n t r 0 1 a f t e rat r e ec a n o p ya n dt h ed i s t a n c eb e t w e e n t h et r e ea n dt h en o z z l e sw e r em e a s u r e da n di n t e g r a t e d ，t h et r e es i z ec o u l db e j u d g e db y f u z z yr e a s o n i n ga n dd e c i s i o n m a k i n g n 圯s y s t e mc o u l da p p l yp e s t i c i d ea c c o r d i n gt o d i f f e r e n tt r e es i z e sw i t hd i f f e r e n tn o z z l e sa n dw i t hv a r i a b l ef l o wr a t ea n dn o z z l es p r a y i n g r a n g e s t h es y s t e mc o u l db em o u n t e d o nat r a c t o r n o z z l e so p e n e dw h e nt h es y s t e m i d e n t i f i e dt r e e sa n dc l o s e dw h e nt h e r ew a sn ot r e ew i t ht h eh e l po f t h em a c h i n ev i s i o n i n t h i sw a y ，p e s t i c i d ec o u l db es a v e dc o n s i d e r a b l yc o m p a r e dt ot r a d i t i o n a ls p r a ym e t h o d s - e n v i r o n m e n ti st h eb i g g e s tb e n e f i c i a r y e x p e r i m e n t sw e r e d o n et os t u d y t h ec h a r a c t e r i s t i c so fp w mn o z z l e s r e s u l t s s h o w e dt h a tp w mn o z z l e sc o u l da l t e rf l o wr a t ew h i l em a i n t a i n i n gt h es a m e s p r a yp a t t e r n s o l e n o i dv a l v e sw i t hf a s t e rf r e q u e n c ya r en e e d e di nf u t u r er e s e a r c h e s k e yw o r d s ：p r e c i s i o na g r i c u l t u r e p r e c i s i o nf o r e s t r y ，v r t ，h e r b i c i d ea p p l i c a t i o n ， m a c h i n ev i s i o n ，r o b o t ，f u z z yc o n t r o l ，p w mn o z z l e 指导小组 郑加强博士、教授( 南京林业大学) 田磊博士、副教授 ( u n i v e r s i t yo fi l l i n o i sa tu r b a n a - c h a m p a i g n ，i l l i n o i s ，u s a ) 致谢 本课题研究是在郑加强博士( 教授) 和田磊博士( 副教授) 精心指导下完成 的。 郑老师的全力支持、帮助和信任使得课题得以顺利开展和完成。郑老师乐于 助人、学识渊博、治学严谨，为作者树立了良好的榜样。 在美国期间( 2 0 0 3 年1 月一2 0 0 4 年1 月) ，伊利诺依大学( u n i v e r s i t y o f i l l i n o i s a tu r b a n a c h a m p m g n ) 农业遥感实验室主任田磊博士指导作者进行了自动施药机 器人的开发研究并给予了全力支持和信任。感谢田老师及其家人对作者的工作和 生活的关心和照顾，尤其是在作者面临因难时。课题研究中，还得到了诸多人员 的帮助，他们是：伊利诺依大学农业与生物工程系主任、教授b o d el o r e n 博士， 副教授h a n s e na l a n 博士，副教授z h a n gq i n 博士，助理教授w a n gx i n l e i 博士、 t o n y eg r i f t 博士，农业技术推广专家f o r m e r r a n d y ，农场负责人l a r r yg m e y e r 。 访闼学者r e i n a l d ol u c i og o a i d e 博士( 巴西科学家) ，中国留学生y a oh a i b o 博 士、t a n gl i e 博士、z h u o r u i 博士、x i a n gh a i t a o 博士等。本科生r y a n t a lf e l l e l s 和j u n gh e r 协助作者完成了田间和温室的试验研究。在语言学习中受到英语教 师k e v i nm o o n 的热心指导。远在他乡，多有不便，许多好心人提供了真诚帮助， 在此，谨肉你们深表谢意，愿好人一生平安。 感谢中国国家留学基金管理委员会的资助，使作者得以在美国接触到学科前 沿并直接参加有关课题研究。感谢中华人民共和国驻芝加哥总领事馆唐裕华领事 对作者的关心和照顾。 感谢南京林韭大学机械电子工程学院周永钊教授、冯谦教授、张沂泉教授等 对作者的培养、照顾和教导。 感谢南京林业大学机械电子工程学院林业机械与动能科学系的同事们( 尤其 是周宏平副教授) 和研究生们对作者的支持和理解。 感谢中国国家自然科学基金委员会( 3 0 0 7 0 6 2 5 、3 0 2 7 1 0 7 8 ) 和美国农业部相 关课题对本论文研究的资助。 感谢所有在作者攻读博士学位期间给予帮助和支持的中外专家、校内外朋 友。困难时，你们向作者伸出援助之手：迷茫时，你们为作者指点迷津。谢谢! 作者：陈勇 2 0 0 5 年0 3 月 m a i nf i n i s h e dp a p e r sd u r i n gm yp h dp r o g r a m ： 1 h u a n gsh ，yc h e n ，w g a o t h ed e s i g nt e c h n i q u e so fl o wc u r r e n tc o n s u m p t i o nf o r a p p l i e ds y s t e m b a s e do nm i c r oc o n t r o l l e r i n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e r 2 0 0 1 ，1 4 ( 1 2 ) ： 6 2 6 3 2 h u a n gsh ，yc h e n ，wg a o a rm o d e lf o rd i a g n o s i so fr o t a t i n gm a c h i n e r yf a u l t t u r b i n e t e c h n o l o g y 2 0 0 1 ，4 3 ( 6 ) ：3 5 5 - 3 5 6 3 c h e nyt o r s i o n a lv i b r a t i o nt e s to fs t e a mt u r b i n eg e n e r a t o rr o t o rs y s t e m j o u r n a lo f n a n j i n gf o r e s t r yu n i v e r s i t y 2 0 0 2 ，2 6 ( 2 ) ：4 l - 4 3 4 c h e ny wml i m o d e m m a n u f a c t u r i n ge n g i n e e r i n g 2 0 0 2 ，4 ：7 - 7 5 c h e ny - sh h u a n g t h ei n t e r f a c et e c h n i q u eo fl c d b l o c kw i t hm i c r oc o n t r o l l e r , j o u r n a lo f n a n j i n g f o r e s t r yu n i v e r s i t y 2 0 0 2 ，2 6 ( 5 ) ：2 4 2 6 6 c h e ny ，jq z h e n g ，hpz h o u 。lt i a n r & do f v a r i a b l er a t et e c h n o l o g yi np r e c i s i o n a g r i c u l t u r e t r a n s a c t i o n so ft h ec s a m 2 0 0 3 ，3 4 ( 6 ) ：1 5 6 1 5 9 7 c h e nya n i n v e s t i g a t i o no f e x c i t a t i o nm e t h o df o rt o r s i o n a lt e s t i n go fa l a r g e s c a l e s t e a mt u r b i n eg e n e r a t o r t r a n s a c t i o n so f t h ea s m e 2 0 0 4 ，1 2 6 ( 1 ) ：1 6 3 1 6 7 8 z h e n g jq ，yc h e n ，e t c p i l o ts t u d yo n t o w a r d - t a r g e tp r e c i s i o np e s t i c i d ea p p l i c a t i o n i nf o r e s t r ya s a e c s a ea n n u a li n t e r n a t i o n a lm e e t i n g ，a u g u s t1 - 4 2 0 0 4 o t t a w a ， o n ，c a n a d a 9 c h e ny lt i a n 。jq z h e n g d i r e c th e r b i c i d ea p p l i c a t i o nw i t ha na u t o n o m o u sr o b o t f o rw e e dc o n t r 0 1 2 0 0 5a s a ea n n u a li n t e r n a t i o n a lm e e t i n g ，j u l y1 7 2 0 ，2 0 0 5 ，t a m p a ， f i o r i d a 1 0 c h e nyjq z h e n g ，s t u d yo nt h e p r e c i s i o ns p r a yc o n t r o ls y s t e mb a s e do l lv a r i a b l e r a t e t e c h n o l o g yf l nr e v i e w ) 自动施药机器人及可变量控制系统研究 第一章绪论 1 1 精确农业及其研究现状 精确农业( p r e c i s i o na g r i c u l t u r e 、p r e c i s i o nf a r m i n g ) 是一个新的农业耕作概 念，它优化化肥、杀虫剂、水等的施用，将环境危害降到最低。实现途径是，有 区别地处理每一小块土地的农业投入( 化肥、杀虫剂、水、管理等) ，而不像在 传统农业( t r a d i t i o n a la g r i c u l t u r e ) 中将整个农田看作是均匀的。 精确农业又被称作基于全球定位系统的农业( g l o b a lp o s i t i o n i n g s y s t e m b a s e da g r i c u l t u r e ，g p s - b a s e da g r i c u l t u r e ) ，或可变量农业( v a r i a b l er a t e f a r m i n g ) ，或处方农业( p r e s c r i p t i o n f a r m i n g ) ，或定点农业( s i t e s p e c i f i c f a r m i n g ) 等。 农田中每一小块土壤的具体情况( 含水率、有机物含量等) 各不相同，因此， 要适时控制或调节对农田中不同区域的农业投入( rlc l a r k ，1 9 9 6 ) 。例如，土 壤中有机物含量影响作物生长，也影响杂草的生长。杂草多的地方要喷洒较多的 除草剂，有机物含量少的地方就得多施肥。再如，气候干燥与潮湿影响昆虫的分 布，在潮湿的季节，可能整片农田都有病虫害，那就得全部喷洒农药：在干燥的 季节，也许只需对少数发现病虫害的地块喷洒农药。 精确农业需要集成三方面的要素： ( 1 ) 定位能力，目前主要是利用全球定位系统来确定设备的位置； ( 2 ) 实时机构，用来控制养料、杀虫剂、种子、水或其它投入： ( 3 ) 数据库或传感器，提供农业投入系统所需的信息。 相比之下，涉及( 1 ) 和( 2 ) 的技术较成熟。建立产量数据库将能更好地理 解各种因素如何影响作物产量，最终影响我们对农田投入的控制。 产量监测器( y i e l dm o n i t o r ) 一般是测量流入联合收割机的谷物流量，主要 包括谷物流量传感器、谷物湿度传感器、地面速度传感器、计算机或控制台。 对于手工收获，如采摘水果，可以通过记录重量来记录产量，并参照差分全 球定位系统( d i f f e r e n t i a lg p s o rd g p s ) 来确定产量的空间分布。 那么精确农业能为我们带来什么? ( 1 ) 提高作物产量； ( 2 ) 为做出更好的管理决策提供信息； ( 3 ) 通过提高利用率来降低化肥和除草剂等消耗； ( 4 ) 提供更精确的农业记录； ( 5 ) 扩大农业利润空间； ( 6 ) 减少污染。 美国、加拿大、巴西、英国、德国、荷兰、澳大利亚、新西兰、以色列、日 本等，从上世纪8 0 年代就开始精确农业方面的研究，并取得较多成就。研究范围 主要包括：传感器系统、数据处理与信息图生成、可变量技术( v a r i a b l er a t e t e c h n o l o g y ，v r t ) 、以及相关的软硬件开发等。在美国中西部，精确农业技术 已被应用多年。 土壤中化学与物理组成成分是变化多端的，因地而异。土壤的许多特性影响 作物产量，而且在农田里产量也随之因地而异。这些特性也影响土壤中的盐、杀 虫剂和化肥等在土壤中的流动，以及汇入地下水、汇入溪流与湖泊。美国农业部 的科学家研究了如何用移动设备建立土壤图。该研究有助于分析土壤质量随时间 变化，有助于提高产量、减少环境危害和合理利用资源。 信息技术的快速发展为科学家处理复杂的土壤一水一植物系统提供工具，而在 以往，这些复杂工作令人望而生畏，阻碍了精确农业的发展。 k e n g i l e s ( u n i v e r s i t yo f c a l i f o r n i a - d a v i s ) 开发并测试了基于地图的喷洒化 学药剂的可变量系统。该系统利用传感器、执行器、微控制器和g p s 导航系统来 控制施用率。每个喷头分别由一个电磁阀控制。喷头流量由电磁阀的开关频率决 定。在闭环控制系统中，还包括压力和流量传感器等。 美国伊利诺依大学( u n i v e r s i t y o f i l l i n o i sa t u r b a n a c h a m p a i g n ) 农业遥感实验 室l e it i a n 和s r e e k a l agb a j w a 研究了利用遥感技术( r e m o ms e n s i n g ) 建立大豆 田的杂草分布图( sg b a j w aa n d l f t i a n ，2 0 0 1 ) 。研究表明，杂草在近红外区 域的频谱反射模式与其实际分布状况吻合得很好。通过分析遥感图像，他们还研 究了土壤营养分布、玉米产量估计、玉米含氮量分析、以及大豆生长状态评估等， 并取得理想的结果( h y a oa n d l f t i a n ，2 0 0 2 ) 。 遥感技术还被用来研究土壤的湿度、农田的灌溉、作物与杂草模式识别、病 虫害与产量损失、产量评估等。 b r o n s o nk ( t e x a sa & m u n i v e r s i t y ) 研究了棉花田产量与土壤参数的变化关 系。他们利用全球定位系统确定位景，对相同地点年复一年地采样分析。 在澳大利亚，农学家利用产量图、g p s 土壤测试、g p s 植物组织分析、近红 外图像和土壤电磁导率分析等数据来实现作物的可变量管理。他们利用g i s 软件 处理和分析这些数据并开出处方。新南威尔斯( n e w s o u t hw a l e s ) 大约6 0 0 0 英 亩灌溉区的水稻田应用了该技术( r a l e i g h np ，2 0 0 4 ) 。 在新西兰，研究人员通过分析土壤电导率和地形图等研究改善牛奶厂排污对 环境的影响。 j o h nfr e i d 、q i nz h a n g 和t o n yeg r i f t 研究了农用车辆的基于g p s 和基于 机器视觉的导航技术( b e n s o n er ，jfr e i da n d qz h a n g ，2 0 0 3 ) 。 2 1 2 精确林业及其研究现状 “精确林业”是在林业工程中使用频率越来越多的一个新术语，该术语与农 业工程中的“精确农业”相对应。在过去2 0 多年中，“精确农业”概念演化成广 为人们接受的定义：定点地管理农业投入，如化肥、除草剂等，以减少浪费，增 加效益，并维护生态环境。 为了召集研究人员和从业人员讨论“精确林业”，第一届国际精确林业研讨 会于2 0 0 1 年6 月在美国西雅图举行。起初，人们认为“精确林业”应该与“精 确农业”有非常相似的含义。但是，随着研讨会综合当时有关精确林业的知识体 系，人们发现对“精确林业”含义的理解真是仁者见仁，智者见智。尽管精确农 业的许多方面适用于林业管理，但是，由于林业与农业之间存在着巨大的差别， 因此需要为“精确林业”定义一个与“精确农业”不同的、内涵更丰富的定义。 既然林业与农业之间存在许多差别，那么就不能将精确农业中的所有概念直 接用于林业。逐渐流行的“精确林业”定义为：计划和实施定点林业管理和操作， 以提高木材质量和利用率，减少浪费，增加效益，并维护生态环境( se t a y l o r ， 2 0 0 3 ) 。概言之，精确林业就是实现以最小资源投入、最小环境危害获得最大林 业收益( 郑加强，徐幼林，2 0 0 4 ) 。 “精确林业”大致分两类： ( 1 ) 基于空间地理信息的林业管理和计划； ( 2 ) 定点作业。 基于空间地理信息的林业管理和计划包括，利用空间地理信息为今后的作业 做定点的管理和计划的一系列活动。事实上，它包括现在的管理和计划活动，因 为许多工业和私有林场主使用空间地理工具来管理他们的林场。使用地理信息系 统( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) 是传统的例子，但定点管理才能称得 上“精确林业”。新的例子包括利用信息技术来优化将林产品从林场到最合适的 加工地的运输。无线通讯的发展使得信息可以在采伐者、运输者和加工者之间共 事。 定点作业涉及使用空间地理信息技术( 如g p s 和g i s ) 以及许多为精确农 业开发的技术，来提高作业效率并减少木材消耗。典型的技术包括利用g p s 和 可变量控制器来提高除草剂和化肥的效率。这些现成的技术正在林业作业中应 用。新的、为农业车辆开发的自动导航技术也可用于林业作业。 精确农业中的产量图概念还没有引进到林业，但在采伐系统中安装产品尺寸 传感器在技术上是可行性的。能够测量树木尺寸的仪器已经被开发出来，而且能 安装在采伐设备上。综合树木尺寸和g p s 位置信息就可以得到林业产量图。 因此，精确林业主要使用g p s 、g i s 和遥感等来定点管理、计划和作业。同 时，开发和利用广泛的信息源来帮助管理和决策。这些信息包括林产品生长和产 量数据、产品质量和环境条件，它们是位置和时间的函数。使用这些信息的关键 是建立反馈机制，也就是说，收集空间分布的产量数据，然后利用这些资料改善 以后的种植模式从而获取更大的投资回报。 其它信息图( 包括林木生长图、地形地貌信息、土壤图、土壤肥力图、野生 动物积聚图等) 都与产量图密切相关。 精确林业决不意味着每项工作都计算机化或自动化。许多定点作业不用自动 化也可以用合理的代价进行，精确林业意味着管理过程和作业活动强调为最小 的、实际的单元管理区域及区域数量作决策。 精确林业虽然起步较晚，但计算机技术、信息技术、电子技术等的发展为它 提供了强劲的技术支持，使得林业生产的规划和作业发生革命性的变化。这些技 术支持表现在： ( 1 ) 为林业机械和从业人员提供定位和导航系统； ( 2 ) 车载的、嵌入式的、或耐用的计算机； ( 3 ) 无线数据通信； ( 4 ) 先进的遥感和地理信息系统； ( 5 ) 数据的实时获取、存储和处理系统； ( 6 ) 信息可视化，以及耐用监视器。 1 3 可变量技术及其研究现状 可变量技术是精确农业系统重要组成部分。可变量技术是在处理大量信息基 础上做出决策后的执行。它包括用于在适当的时间和适当的地点向管理对象施用 适当的农业投入：种子、化肥、农药等。 1 3 1 可变量技术组成分析 可变量技术( v r t ) 通常包括基于地图的v r t 和基于传感器的v r t 。 基于地图的可变量系统已研究成熟并应用，但在地图生成方面还有很多工作 要做。一个解决办法就是基于传感器的可变量系统。 如图l - 1 所示，基于传感器的可变量施用系统一般包括；地理信息系统、计 算机( 控制器) 、田问定位系统、实时传感器、可变量施用设备、其它传感器等 ( r l c l a r k 1 9 9 6 ) 。 计算机( 控制器) 接收来自地理信息系统、田间定位系统、实时传感器等的 信息，然后控制可变量施用设备。与施用前对土壤的采样分析不同，实时传感器 ( 如c c d 摄像头) 提供有关所需施用量的实时信息。另外，还有一些传感器检 测实际施用量。实际施用量及其对应的地理位置将被记录下来，作为以后作业的 历史参考数据( 信息) 。人们通过对这些记录下来的信息进行分析，可以知道实 际施用效果，以便e 1 后对施用量作进一步修正。 4 图i - i 可变量施用系统组成 f i g u r e1 - 1 o v e r v i e wo f t h ec o m p o n e n t so f v a r i a b l er a t ea p p l i c a t i o ne q u i p m e n t 1 、控制器 控制器( 包括计算机硬件和软件平台) ，这是施用系统的核心部分。它完成 信息处理和信息图生成等工作。 计算机中存储着信息图、土壤、作物生长与产量、施用量的历史数据等，许 多信息还需及时更新。 2 、田间定位系统 田间定位系统涉及全球定位系统( g p s ) 或地磁导向系统( g e o m a g n e t i c d i r e c t i o ns y s t e m ，g d s ) 。该系统为每一块土壤，甚至每一个植株提供坐标定位， 并引导可变量施用设备( 通常为车载) 准确进入指定位置作业。 根据所用的技术不同，定位误差约为2 5 米、或1 米以内、或几厘米。 3 、传感器 实时传感器( 如c c d 摄像头和雷达测速传感器等) 向计算机提供实时信息， 实时调整施用量。另外一些传感器则是在施用前完成检测工作，预先向计算机提 供信息，如遥感技术、土壤特性采样等。 4 、可变量施用设备 可变量施用设备是可变量施用系统的关键组成部分。为了使v r t 电子控制 器能发挥作用，必须有一套机械装置来响应控制单元而精确改变应用量。能否充 分利用丰富的信息实现精确的作业就取决于施用设备的性能。 可变量施用设备包括可变量耕作设备、可变量施肥设备、可变量播种设备、 可变量喷雾设备、可变量灌溉设备，等等。 由于电磁阀可以直接并精确地实现控制，因而被广泛应用。电磁阀与喷头直 接相连，可实现在特定压力和喷雾尺寸范围内精确的农药施用量。 5 1 3 2 可变量喷头及可变量应用系统研究 ( i ) 可变量喷头 农林生产中，大量的水、化肥、农药等都是通过喷头投入到田间的，因此， 喷头是农用设备的关键组成部分。精确农业要求喷头的流量是可变的、是可以控 制的。十几年来，国外一些专家致力于开发研究可变量喷头，它基于实际需要和 产量潜力施肥、施药、喷灌等，而不是对整个农田规贝【j 地喷洒一遍。 w a l k e r 和b a n s a l 开发了一种可变出口的喷头( w a l k e rjta n db a n s a lrk ， 1 9 9 9 ) ，用于喷洒农药和化肥，喷头内有两块铰接的金属薄板调节喷头出口尺寸。 喷头流量取决于喷头出口大小、金属薄板厚度与材料强度特性、液体压力以及喷 头头部形状。但这种喷头的喷洒扇角较小。 a l v i nrw o m a c 等人开发了一种可变流量喷头( a l v i nrw o m a ca n dq u yd b u i ，2 0 0 1 ) ，如图1 - 2 所示。该喷头包括一个带内锥的壳体( 套管) 、一个调节 流量的活塞、一块金属隔膜和两个流体进口。活塞在壳体内的位置受到由a 口与 b 口注入液体的压力差调节。活塞头部有狭缝，液体经狭缝和壳体孔口流出。活 塞位置的变化引起狭缝宽度的变化，从而调节喷头流量。 图1 - 2 可变量喷头结构简图 f i g u r ei - 2s c h e m a t i co fv a r i a b l ef l o wf a nn o z z l e s t a r kjc 等开发了一套灌溉系统( s t a r kjc ，m c c a n nira n dk i n gba ， 1 9 9 3 ) ，该系统运用了组合式喷头。每个喷雾点设置3 个常规的喷头，每个喷头 各由一个微控制器控制开合。该组合式喷头的流量调节范围是0 、2 5 、5 0 、 7 5 、1 0 0 。组合式喷头的价格高，体积也较大。 c a m pcr 等开发了一种数控可变量灌溉喷头( c a m pcr ，s a d l e reja n d e v a n sde ，2 0 0 0 ) 。它的原理是：水以恒定压力流入某蓄水管道，蓄水管道中的 6 水被脉动的高压气流推出喷头，数控系统发出一定幅值的方波来控制气流。该喷 头的性能受下列因素影响：蓄水管道容积、空气和水的压力、工作循环时间与频 率。该系统需要附加空气压缩机。 g i l e sdk 等开发了脉宽调制( p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ，p w m ) 喷头应用于 车载化学农药喷雾设备( g i l e sdk ，h e n d e r s o ng wa n df u n kk ，1 9 9 6 ) 。在脉宽 调节控制系统中，农药与载体先在一个容器中混合，再通过调节p w m 的工作循 环来调节喷头流量，即通过调节喷头的开合时间比来调节流量。 t i a nl e i 等研究了p w m 喷头工作过程中的雾滴沉积分布情况( t i a nla n d z h e n gj q ，2 0 0 0 ) 。 脉宽调节喷头多用于流量较小的农药施用设备，不适用于大流量的灌溉系 统。因为灌溉系统中所需的电磁阀较大，价格昂贵。 k i n gba 等开发了变频喷雾系统。该系统利用变频器，通过调节电机频率和 有效电压幅值来控制水泵电机转速、液体压力和流量。该系统包括下列部分：整 流电路，将交流电源转换成直流电源；中问电路，调节直流电压；反相电路，给 电机输入一定电压；控制电路，调节输出电压与输入信号的比率。 k i n gba 等还开发了另一种可变流量的灌溉喷头( k i n gbaa n dk i n c a i dd c ，1 9 9 6 ) 。该喷头内有一个移动销，当销子向前推进时，喷头开口面积减小， 从而减小喷头流量；反之，增大喷头流量。流量可调范围是4 0 1 0 0 。由于 不能将流量控制在4 0 以下，所以这种喷头只能用于干旱地区，而不适宜潮湿的 农田。 直接式药剂喷头也能被用作可变流量喷头，这种喷头流量一定，通过改变行 进速度来实现流量的可变。但它存在延时问题，p a i c eme 、t o m p k i n sfd 和 s u d d n t hka 的定量研究表明，这种喷头用于喷洒化学药剂时可能产生较大面积 的施用误差。 ( 2 ) 可变量应用系统 对作物的定点施药需要基于可变量技术的智能喷雾系统，而可变量的实现又 依赖流量控制系统。智能喷雾系统要求控制系统( 包括电磁阀和喷头) 有较好的 动态特性。 图1 - 3 所示为一基于地图的可变量喷雾系统( c l a r kr la n dm c o u c k i nrl ， 1 9 9 6 ) 。雷达测速传感器检测喷雾系统的行进速度，计算机( 控制器) 依据这个 速度来调节农药施用量。该系统中农药与水不是事先混合的，而是根据实际需要， 在喷雾过程中液压泵将农药与水在注射器中混合。在安全性和混合药水管理等方 面，这种结构较预先混合有许多优点。液压泵能精确地控制农药提取量。水箱中 的液位传感器告知计算机水箱中还有多少水，计算机通过流量控制阀控制流向喷 杆的总流量。流量传感器检测实际流量并将此信息传送给计算机实现闭环控制。 喷雾系统行进过程中，实际农药施用量与相应的地理坐标位置都由计算机记录下 来并传送给地理信息系统。喷杆阀控制喷杆的开与关。 7 图b 3 可变量喷雾系统原理图 f i g u r e1 - 3s p r a y e rs c e n a r i o 人们已意识到定点施肥能提高化肥的利用率，需要研究的是如何获取关于作 物营养状况的数据，或者说哪种方法最有效、最经济。这些方法包括：传统的土 壤取样；用离子选择电极进行土壤分析；记录上一季作物从土壤中汲取的营养； 基于土壤特性与气候数据的计算机辅助决策模型。 h e e g e 等设计出一种分析作物对氮肥需求情况的方法( h e e gh e r m a n nja n d t h i e s s e ne i k o ，2 0 0 2 ) ，并开发了基于传感器的可变量施肥系统，如图1 - 4 所示。 他们利用光谱范围在4 5 0 8 5 0 纳米的分光计( 反射光传感器) 记录来自作物的 反射光信号，以此判断作物营养吸收状况。研究表明，在一定条件下，反射光信 号能精确地反映作物对氮肥的需求情况。 8 图1 - 4 可变量施肥设备 f i g u r el - 4 tf e r t i l i z e ra p p l i c a t i o ns y s t e m 1 4 课题研究意义及内容 由于人口增长导致食品需求的增长，这就迫使农林生产耗费更多的资源并可 能造成更多的环境危害。 早在上世纪9 0 年代，美国的农业人口就低于2 。即使加上季节性的劳动力， 从业人员也不足1 0 。而中国是人口大国，农民占大多数，土地束缚了大量劳动 力。农业机械化水平低，自动化水平则更低，农民的劳动强度大，效率低。农业 投入少，浪费相当严重。 中