靜態施藥模糊控制系統的研究與設計

方文杰 張發軍

（三峽大學 機械與材料學院，湖北 宜昌 443002）

農作物病蟲草害的防治是人類農業生產中最為普遍的一項農事活動，使用農藥防治農作物病蟲草害，其目的是要用最少量的農藥取得最佳防治效果，并且不引起人畜中毒和環境污染等負面效應［1］.

目前農村使用的施藥機械基本都是20世紀60年代定型的產品，技術落后，制造工藝粗糙，而實際上，從施藥器械噴灑出去的農藥只有25%～50%能沉積在作物葉片上，不足l%的藥劑能沉積在靶標害蟲上，只有不足0.03%的藥劑能起到殺蟲作用［1－2］.

精確施藥技術是精確林業中一個重要的組成部分，其原理是根據不同施藥對象及要求，通過計算機控制、機器視覺與圖像信息處理等方面的技術手段對施藥對象的位置、類別和數量等信息進行處理判斷，自動完成對施藥目標的跟蹤、施藥劑量與噴射壓力等方面的調節操作，從而實現對目標對象的實時動態作業，以達到精準而又定量施藥的目的，真正體現了“有的放矢”、“變量供給”的施藥原則.精確施藥技術的實施可有效避免傳統粗放型農、林、牧等行業的防治消殺作業中造成的資源浪費，以及減少因采用盲目施藥方法所帶來的環境污染等問題［3－5］.

本文利用模糊控制的方法，來研究與設計以“3WC－30－G車載式超低容量自動噴霧機”為載體的車載靜態施藥模糊控制系統，不僅為精確施藥研究領域探索出一條新的理論方法，而且具有重要的現實應用意義.

圖1 3WC－30－G型車載式超低容量噴霧機

1 靜態施藥模式施藥控制原理

靜態施藥模式實際上是一種車載行駛速度為零的施藥方式.其施藥過程是通過選定好具體的施藥對象后，車駛之跟前通過對靶噴頭的自動跟蹤運動來完成對施藥對象不同部位的精確施藥.

在此種模式施藥過程中，對靶噴頭的跟蹤運動軌跡如圖2所示.從圖中可看出，對靶噴頭先根據施藥對象圖幅輪廓信息空行程到施藥最高起點位置，再根據實時獲得的圖像處理信息進行水平勻速直線施藥，當噴霧到左右施藥邊緣時，對靶噴頭會自動改變仰角而調節至下一施藥軌跡，而后改變施藥運動方向.在此邊緣過程中，對靶噴頭會根據實時獲得的圖像處理信息確定對靶噴頭的拐彎過渡運動軌跡，之后便進行下一循環施藥過程，直至施藥到終點結束施藥過程，噴頭再空行程回到原點位置.此過程便完成了對一施藥對象的施藥全過程.

圖2 車載靜態施藥模式噴頭跟蹤運動軌跡路線圖

因此，在此種模式下的控制系統中，控制輸入變量因素主要表現為實時獲得的施藥對象圖像輪廓信息和對靶噴頭與施藥對象之間的距離大小，再者有控制藥液開啟信號的施藥對象辨別信息；在控制輸出方面主要為對噴頭水平擺角與噴射壓力的控制.

2 車載靜態施藥模式模糊控制系統設計

車載靜態施藥模式是在保持對靶噴頭水平勻速直線運動狀態的情況下，根據檢測到的樹冠輪廓冠幅寬度W與噴射距離D控制對靶噴頭的水平擺幅A的變化，同時通過檢測到的噴射距離D值與對圖幅色度因子C值的識別判斷，對噴射壓力PL的大小與施藥開啟信號進行控制，建立車載靜態施藥模式模糊控制系統原理方框圖如圖3所示.

圖3 車載靜態施藥模式模糊控制系統原理方框圖

從原理框圖中可以看出，3個控制輸入信號先經過一信號控制器進行輸入變量的前處理，此信號控制器的作用是根據輸入變量色度因子C的具體取值（0或1），來控制確定另外兩輸入變量冠幅寬度W 和對靶距離D是否被導通輸入模糊控制系統中.如果色度因子C的取值為零，則另外兩輸入變量冠幅寬度W 和對靶距離D的輸入信號被斷開；如果C的取值為1，則另外兩輸入變量W 和D 的輸入信號被接通輸入.模糊控制器1用來對噴頭水平擺幅A的模糊控制進行模糊近似推理運算；模糊控制器2用來對噴射壓力PL的模糊控制進行模糊近似推理運算.

2.1 控制變量的模糊化處理

根據實際的樹冠輪廓特征分布信息，冠幅寬度W 的取值范圍為：0.5～3m，在此控制系統的設計中，用以模糊控制設計的冠幅寬度輸入值實際上為施藥對象冠幅寬度反映在左邊或右邊的部分，故W 的論域為；同樣，噴射距離D 的取值范圍為：1～5m，則得其論域為.在控制輸出因素方面，取噴頭水平擺角A的取值范圍為：－90°～90°，正負號反映的是噴頭擺至左右位置的區分，故在模糊控制系統設計中取其論域為；噴射壓力PL的取值范圍為：3 000～4 000Pa，得其論域為

根據大量的實踐經驗，將各控制輸入、輸出變量的模糊子集描述如下.在控制輸入變量方面有：①冠幅寬度W，將其描述為5個等級：WS（窄）、WM（較窄）、WZ（適中）、WG（較寬）、WB（寬）；②噴射距離D，將其描述為5個等級：DS（近）、DM（較近）、DZ（適中）、DG（較遠）、DB（遠）.

同樣，對控制輸出變量方面也有：①噴頭水平擺角A，將其描述為5個等級：AS（小）、AM（較中）、AZ（適中）、AG（較大）、AB（大）；②噴射壓力PL，將其描述為5個等級：PLS（小）、PLM（較小）、PLZ（適中）、PLG（較大）、PLB（大）.

鑒于高斯（Gauss）函數具有良好的平滑性，各個模糊子集在相應論域上的隸屬函數均采用高斯函數分布，根據上述各控制輸入輸出變量模糊隸屬函數的定義，對各控制輸入、輸出變量的隸屬函數解析式分別如下所示.

2.2 模糊控制決策規則

車載靜態施藥模式模糊控制系統為一個三輸入兩輸出的系統，通過分析各控制變量因素的相互關系，其中對靶噴頭水平擺幅A的控制實際上只與樹冠的冠幅寬度W 與噴射距離D兩個輸入變量因素有關，可以將其設計為一個兩輸入單輸出的子控制系統；同樣，噴射壓力PL的大小也只與噴射距離D一個輸入變量因素有關，亦可以將其設計為一個單輸入單輸出的子控制系統.總結本行業領域內的實踐經驗，同時根據其各自模糊子集的定義與隸屬函數的確定，對于對靶噴頭水平擺幅A建立如表1所示的模糊控制規則.

表1 噴頭水平擺幅A模糊控制規則表

2.3 模糊近似推理

由表1所示的模糊控制規則可知，對靶噴頭水平擺幅A模糊控制的完備模糊控制規則數有25條，根據每一條模糊控制規則都能給出一個模糊蘊涵關系Ri（i＝1，2，…，25），則此模糊控制系統總的模糊蘊涵關系R是25個Ri的并，即有［6］

假設某一時刻控制系統的清晰輸入量為：W＝2，D＝3，根據以上控制輸入變量隸屬函數的分布可知，清晰量W＝2經模糊化后只映射到了模糊子集WM、WZ與WG上；同樣，清晰量D＝3經模糊化后也只映射到DM、DZ與DG上.由表1所示的對靶噴頭水平擺幅A的模糊控制規則表可知，這樣的控制輸入量只能激活表1中括弧所示的9條模糊控制規則，根據Mamdani模糊蘊涵關系算法進行近似推理計算出相應的系統控制輸出模糊量Ui（a），有：

1）對于控制規則“if W is WM and D is DM then A is AZ”，可得系統的控制輸出U1（a）有：

（0.22AZ）（a）為0.22與模糊子集 AZ（a）的數集，故（0.22AZ）（a）也為一模糊子集，其分布如圖4所示.

2）對于控制規則“if W is WZ and D is DM then

圖4 模糊控制規則（1）近似推理輸出結果分布

A is AG”，可得系統的控制輸出U4（a）有：

則（0.22AG）（a）的模糊子集分布如圖5所示.

圖5 模糊控制規則（4）近似推理輸出結果分布

3）對于控制規則“if W is WG and D is DM then A is AG”，可得系統的控制輸出U7（a）有：

模糊控制規則（7）近似推理輸出結果分布同圖5所示，其余各模糊控制規則對應的控制輸出均為零.于是，最后總輸出的模糊子集分別為這9個輸出模糊子集的并，則有：U（a）＝（a）＝（0.22AZ）（a）∪0∪0∪（0.22AG）（a）∪0∪0∪（0.22AG）（a）∪0∪0＝（0.22AZ）（a）∪（0.22AG）（a），則總近似推理輸出量的模糊子集為（0.22AZ）（a）與（0.22AG）（a）組成的分布，如圖6所示.

圖6 經過近似推理后輸出量的模糊分布

2.4 解模糊

經過近似推理后的控制輸出量仍然是模糊變量，解模糊化的方法，如前面所述的有很多種，這里選用了應用比較廣泛的面積重心法對近似推理輸出進行清晰化處理［6］.

如圖6所示，U（a）不是連續的函數，這就要求對U（a）的曲線各部分進行分段處理，取U（a）總的自變量a的變化范圍為，則可將其分為3段的自變量區間分別為：與，相應的a1與a2可通過如下方法求得.

則根據面積重心法的計算公式，有

3 車載靜態施藥模式模糊控制系統仿真

利用Matlab里的模糊控制仿真模塊分別設計出相應的模糊推理控制器，再根據靜態施藥模式模糊控制系統的原理框圖，建立模糊控制系統的仿真圖如圖7所示.為了便于在對比示波器中能同時很好地觀察到控制輸出變量與控制輸出變量之間的關系，在仿真圖的設計時，有意地把輸入變量在導入對比示波器之前進行了相應幅值的放大與上下方位的移動.同時，為了觀察控制輸入變量動態變化的特點，在模擬控制輸入變量信號時，均采用了一常數值與一信號發生器相合成的方式，在信號發生器里可以取不同的信號變化來動態地模擬控制輸入變量的變化.

圖7 靜態施藥模式模糊控制系統仿真圖

經過仿真，可得對靶噴頭水平擺幅A的模糊控制推理輸入、輸出量關系曲面圖與模糊控制系統仿真圖，分別如圖8與圖9所示.

從控制輸入與輸出量曲面關系圖可看出，控制輸出變量隨各控制輸入變量的改變而變化連續且平滑，輸入與輸出量之間的對應關系也很合理.從模糊控制系統仿真輸出結果可以看出，各模糊控制響應速度快，控制輸出幾乎無滯后，控制效果也很穩定，基本無振蕩與超調的現象.

當取樹冠寬度W 的值為2，且對靶距離D的值為3時，經過模糊控制系統推理運算后，可得對靶噴頭水平擺幅A的值為34.6，如圖10所示，這與前面式（2）計算理論計算出來的結果基本相近.

圖10 靜態施藥模式水平擺幅A模糊推理狀態圖

4 結 語

本文以“3WC－30－G車載式超低容量自動噴霧機”為研究載體，具體分析了其靜態施藥控制原理，再根據模糊控制的理論知識，結合實踐的知識經驗，對其各控制變量進行模糊化處理與模糊控制規則確立，建立其靜態施藥模式模糊控制系統原理框圖，經過理論計算與軟件仿真實驗表明：基于模糊控制方法的靜態施藥模式模糊控制系統響應速度快，幾乎無滯后，控制結果也很理想，控制效果很穩定，基本無振蕩與超調的現象.

［1］ 孫文峰，王立君，陳寶昌，等.農藥噴施技術國內外研究現狀及發展［J］.農機化研究，2009（9）：225－228.

［2］ 趙今凱.我國植保機械的應用現狀及發展建議［J］.農業技術與裝備，2011（1）：32－33.

［3］ 徐映明.農藥施用技術［M］.北京：化學工業出版社，1999：23－25.

［4］ 袁會珠.農藥使用技術指南［M］.北京：化學工業出版社，2004：78－80.

［5］ 張發軍.車載噴霧機及精確施藥關鍵技術研究［D］.武漢：武漢理工大學，2008.

［6］ 石辛民，郝整清.模糊控制及其 MATLAB仿真［M］.北京：清華大學出版社，2010：47－49.