基本信息
- 项目名称：
- 变量对靶喷药除草机器人研制
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 以田间杂草为研究对象，利用机器视觉技术获取杂草位置分布和面积大小信息，采用串口通信方式将信息发送到自适应神经模糊控制器，控制器结合移动平台前进速度信息进行模糊决策后选择不同喷头组合，实现对靶喷药，结合PWM技术，通过控制电磁阀单位时间内导通时间，实现变量喷药。基于数字信号处理技术实现自然环境下杂草动态识别与定位，根据移动平台速度及杂草面积信息设计自适应神经模糊控制器，实现对杂草变量对靶喷施。
- 详细介绍：
- 本作品以田间杂草为研究对象，利用机器视觉技术获取杂草位置分布和面积大小信息，采用串口通信方式将这些信息发送到自适应神经模糊控制器，控制器结合移动平台前进速度信息进行模糊决策后选择不同喷头组合，实现对靶喷药，结合PWM技术，通过控制电磁阀单位时间内导通时间，实现变量喷药。基于数字信号处理技术实现自然环境下杂草动态识别与定位，根据移动平台速度及杂草面积信息设计自适应神经模糊控制器，实现对杂草变量对靶喷施，研制了可在田间行驶的电控液压驱动移动平台是本作品创新。
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 主要技术指标： 田间杂草是农业生产的大敌，与农作物争水、争肥、争光，影响作物的产量和质量，增加管理用工和生产成本，杂草还会助长病虫害的滋生和蔓延。因此，降低杂草危害程度，减少除草劳动力，实现田间杂草控制的精确化、智能化已成为一个很现实和迫切需要解决的课题。 本作品旨在将基于机器视觉杂草实时识别技术、数字信号处理技术、嵌入式系统、自适应神经模糊控制变量喷施等技术相结合，研制出一种能根据不同杂草位置及面积大小实现变量对靶喷施除草剂的机器人。 实现实时准确识别出杂草，将杂草位置及面积大小信息发送到模糊控制器，控制器结合检测到的移动平台速度信息实现变量对靶喷施除草剂，是本作品的技术关键。 本作品设计制造出基于机器视觉的变量对靶喷药除草机器人1台，该装置对杂草实时识别率大于90%，对杂草喷施精度高于85%；与传统喷施方式相比，可节省除草剂用量40%以上。
科学性、先进性
- 与国内外已有杂草控制技术相比，本作品具有以下技术特点： 本作品采用一种新型动态快速的杂草识别算法，利用机器视觉技术获取杂草位置和面积大小信息，采用数字信号处理技术对采集的图像进行处理。设计了一种智能移动平台，采用遥控方式实现转向、前进、后退及停止等功能，且前进后退速度可调节；在平台上安装了视觉系统和喷药系统，利用所设计的自适应神经模糊控制器，可根据接收到的杂草位置和面积大小信息，控制不同电磁阀的开闭及喷头的喷药量大小，实现变量对靶喷施。 作品科技性和主要技术特点：1. 基于机器视觉技术的田间杂草实时识别与准确定位，2. 建立除草机器人变量对靶喷施系统，3.研究DSP实时图像采集处理及信息发送、模糊控制器接收信息并及时响应、检测机器人前进速度、实时控制系统流量及压力等因素的匹配，实现变量对靶喷施。将除草机器人各部分组合成能正常工作的系统，实现实时喷药，准确喷药。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、产品、图片、录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 通过研究，建立一套利用嵌入式Linux的智能对靶喷施除草机器人系统，通过DSP处理器处理采集的图像，AR处理器控制电磁阀的开关，在室外棉田自然条件下能实现自动识别出棉花和杂草，针对不同杂草实现草多多喷、草少少喷、无草不喷的。 与传统农田喷药机具相比，本系统安装了液压马达、液压泵、液压缸等，实现遥控前进、后退、停止和转向等功能；安装了摄像头和DSP图像处理系统，能实时识别作物和杂草；配备了喷施系统和ARM控制器，针对不同杂草实现变量对靶喷施。具有较广的适用性，修改识别算法后，可在棉花、玉米、甜菜等种植行间距较大作物中实现精确喷施除草。 利用该变量喷药技术，实现变量对靶喷药，提高农药有效利用率40％以上，节省农药使用量25％以上。我国目前年销售各种制剂农药达100多万吨，按每年全国10%的作物采用高效喷雾技术，可节省农药2.5万吨。按每吨农药2万元计算，全国每年可节约农药费用5亿元。本作品完成后，通过高效施药装备的产业化，可以给生产企业和相关行业企业带来巨大的经济效益。
同类课题研究水平概述
- 随着机器视觉、变量喷施等技术的发展及其在农业生产中的应用，喷药除草机器人技术也取得了快速的发展。除草机器人的应用可以减少除草剂用量，保护生态环境，减轻劳动强度，提高农业除草设备的自动化和智能化水平。 美国堪萨斯大学的NING WANG（2002）设计了一个基于实时嵌入式系统的麦田杂草识别和对靶喷施系统，该系统微处理器与计算机间采用CAN总线方式通信。麦田实验结果表明杂草识别率约为80%，但该系统中视觉系统及喷施系统均在喷药机械一侧，只适用在路边田地等除草。 2007年丹麦农业工程研究院开发了一种农田自主移动机器人平台，在该平台上装有基于形状特征的杂草识别系统、精确微量喷施系统及GPS系统，但该系统不能实现实时喷药。 丹麦奥胡斯大学农业研究所Claus G（2006）等，研制出一种能在田间识别杂草的机器人，不会对周围环境造成污染，能根据外形来识别有害植物。在丹麦甜菜田里进行的试验结果表明，机器人发现并有选择地消除杂草，可使除草剂用量减少70%，但该研究未提及是否能实现变量喷药。 荷兰瓦格宁根大学Tijmen Bakker（2009），利用结构化设计方法设计了一种自主导航移动机器人平台。它通过便携式电脑和微控制器获得轮子转向角度、前进速度、作物行位置信息，GPS数据信息及远程控制信息。该移动机器人平台能实现自主行走及视觉导航，但没有结合喷药系统，不能实现实时喷药。 南京林业大学陈勇（2005）提出了一种首先切割杂草，然后再往杂草切口上涂抹除草剂的方案，设计了自动除草装置，开发了基于机器视觉和模糊控制原理的智能化树木精确喷雾施药系统。葛玉峰、赵茂程，（2003）搭建了一个室内模拟农药精确对靶施药系统，研究了在实验室环境下农药精确对靶施用系统。 目前，国内外在杂草识别、变量喷施、移动平台设计等方面做了较多的研究工作，但多局限某一领域，没有组合成完整的能实现精确对靶喷药除草的机器人系统。根据不同田间情况，设计制造出一些样机，由于农业生产所具有的技术和经济方面的特殊性，这些样机一般都是在处于实验室阶段，尚没有成型的在田地里能实现自主行走和变量对靶施药的机械。已研制的除草机械一般是挂载在拖拉机等大型机械后，将杂草分布制成处方图形式，不能实现自主移动及实时喷药除草。因此，研制出一种能在在实时状况下，实现自主移动变量对靶喷施的除草机械尤为重要。
