在线自动对靶喷雾控制系统研究

1 系统设计原理

1． 1 系统工作原理
数据采集模块负责获取植物间距信息和叶间的图像信息。其中，植物叶间图像通过双目 CCD 作为信息采集端，植物间距信息采用微波测距来实现，车速风速信息的采集采用传感器系统来实现。其基本原理框架如图1 所示。

数据采集构件主要对植物间距和图像数据进行采集，采集得到的数据传输到数据处理构件进行加工处理。在数据处理过程中，首先要将图像以 256 色图像进行保存分析，并对图像的噪声和干扰信号进行滤除，通过动态阈值算法提取最佳分割阈值，将图像按灰度分割。其主要流程如图2 所示。
图像的二值化过程主要采用动态阈值的迭代方法，将图像按阈值分割，提取灰度值，按照灰度值的大小形成流量控制决策，对树木形状、喷雾目标及其与喷头的距离等做出判断，进行智能变量喷雾。


1． 2 微波测距神经网络算法
微波测距时反射信号和发射信号是相同的，只是在时间上有一个延迟，这个延迟可以记作t 。时间和所测距离的关系可以表示为

因此，所测目标距离主要和信号的频率有关。微波探测过程中，频率信号的误差是影响探测精度的主要因素，因此可以采用 BP 神经网络算法对信号的误差进行训练，最终提高微波距离探测。BP 神经网络算法的基本原理是利用信号的正向传播和误差的反向传递来降低误差对信号的影响。
图3 表示微波雷达测距误差的神经网络示意图。其中，f1i表示频率信号输入值; f2i表示频率信号输出值。为了得到植物体叶间的疏密程度，采用二值化方法对机器视觉扫描得到的图像进行处理，得到图像的灰度值。wij、wkl分别表示从输入层到隐含层和隐含层到输出层的网络连接权值，则微波测距信号向前传播的输入层的输入和输出可以表示成




1． 3 图像二值化过程
图像的二值化处理就是将图像上的点的灰度置为0 或 255，也就是将整个图像呈现出明显的黑白效果。其基本过程如图4 所示。

利用灰度值将图像分割，在不同的灰度值情况下采用不同的电磁控制方式，实现喷雾的变流量调节过程。为了提高图像二值化过程的鲁棒性，采用动态阈值迭代计算的方式求解阈值，首先求解图像的最大灰度值Hmax和最小灰度值 Hmin。取阈值的初始值为 H0=(Hmax+ Hmin)/2 ，假设一幅图像的灰度值为 i ∈［0，255］，阈值为 Ti，根据初始值 T0将图像分割成两部分，并求出灰度值 H0和 Hx。求解公式为

通过迭代计算得到最佳分割阈值，将图像进行分割处理，在不同的灰度值位置采用不同的喷雾流量，便可以实现喷雾的自动对靶和变流量喷雾控制。

2 系统硬件和软件设计

2． 1 系统硬件设计
在线自动对靶喷雾施药控制系统硬件电路主要由4 部分组成，包括电源模块、信号采集模块、电磁阀模块、电动球阀等4 个子模块。系统硬件电路总体框架如图5 所示。

系统工作时，电磁阀采用独立开关控制，电磁阀工作状态信号经采集后，通过 GPIO 接口传输至处理单元且在系统界面显示。其控制和动作决策过程如表1 所示。
系统工作时，需要根据微波探测得到的植物间距对电动球阀的开关进行控制。当装置运行到植物体时，为了实现变量控制喷雾和对靶，使用电磁阀的开启状态来控制流量大大小:对灰度值较高、叶间密度较大的部分采用全开的方式;对灰度值较小、叶间密度较小的地方采用半开的方式，以降低农业的喷洒量，实现流量的智能控制。


2． 2 系统软件设计
系统软件部分的设计主要是对驱动程序的设计。本研究采用 C 语言程序对下位机进行控制，其原理主要是对灰度阈值进行响应。主要流程如图6 所示。

为了实现农药喷施的变流量控制，通过二值化灰度阈值对喷头的电磁阀进行控制。其中，主要设备的驱动程序如下:



3 系统测试结果

在实际的喷雾试验中，将喷雾车模型的速度进行调节，让其在 1 ～ 10km/h 的速度区间内进行行驶操作，采用不同的喷雾控制方法对喷雾效率进行对比，如表2 所示。

由表2 可以看出:利用微波测距和二值化方法可以大大提高喷雾的效率，其效率在不同速度下都要比单纯使用 CCD 相机和微波测距的效率高，并且可以根据叶间疏密进行喷雾操作，节省了农药。为了验证本文设计的算法的可靠性，从中取出 1 组车速工况下喷雾效率比较高的作为研究对象，对不同控制方法的喷雾准确率进行测试，得到了如图7 所示的结果曲线。
由图7 可以看出:随着车速的升高，3 种方法喷雾的准确率都有所降低;但是利用神经网络调节的微波测距控制方法的喷雾准确率最高，并且随着速度的增加，其准确率最稳定。测试结果表明:神经网络信号误差训练算法的有效性和可靠性较高，在高精度的对靶喷雾要求下可以使用该控制方法。


4 结论
1) 设计了一种新的喷雾自动对靶系统。该系统采用微波测距原理探测植物间距，利用二值化分割阈值的方法对叶间密度进行灰度提取，通过距离和灰度值来调控电磁阀的闭合状态，从而实现了喷雾的变流量控制。
2) 采用神经网络算法对微波测距进行优化，使用动态阈值方法提高了图像二值化过程的效率和鲁棒性。对喷雾自动对靶系统进行了测试，通过测试发现:利用本文设计的算法不仅可以大大提高喷雾的效率，而且可以大幅度提升喷雾的准确性。
3) 该系统在农作物喷药变量控制方面发挥了重要作用，但系统的稳定性还有待于进一步研究，通过系统的升级优化，可以将其应用到更多的领域。
参考文献（略）