基于微波探測的植株對靶精確施藥機研制

汪小志，吳東明

(1.南昌大學，南昌 330031；2.焦作師范高等專科學校，河南 焦作 454000；3.南昌工學院，南昌 330108)

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基于微波探測的植株對靶精確施藥機研制

汪小志1,3，吳東明2

(1.南昌大學，南昌 330031；2.焦作師范高等?？茖W校，河南 焦作 454000；3.南昌工學院，南昌 330108)

為了提高施藥的精度和效率，將微波探測技術引入到了精確施藥機的設計過程中，設計了一種具有自主定位能力的高精度施藥機。該裝置通過微波傳感器獲得植株標靶靶向信息和距離信息，通過速度傳感器獲得機器人移動速度，將兩者綜合處理后，輸出控制信號，控制電磁閥的啟閉，實現精確對靶施藥。為了驗證施藥機的精確施藥效果，采用調頻連續三角波微波傳感器，對同一植株靶，在不同實驗條件下，對分辨率、探測范圍與探測距離進行了實驗。實驗結果表明：以植株作為探測靶標時，探測分辨率與植株間距具有相關性，光照強度、溫度和濕度對探測效果的影響不大。微波探測對環境的適應能力較強，因此可以將微波探測技術應用到高精度施藥機的設計中，提高施藥機施藥的精確性和效率。

微波探測；精確對靶；噴霧施藥；傳感器；電磁閥

0 引言

病蟲害防治是農業生產中非常重要的環節，農藥的利用率和病蟲害的防治效果主要受農藥、施藥技術和作業機械影響。目前，我國農藥生產技術的水平已經處于世界領先地位，但施藥器械的研究和施藥技術依然相對落后，農藥利用率低，對環境污染較為嚴重。從20世紀80年代開始，我國對精確施藥技術展開了研究，進入21世紀后，精確對靶施藥技術有了突破性的進展。精確對靶技術可以有效地對植株進行選擇性施藥，提高農藥在植株上的附著，降低農藥在非靶區域的沉降，從而獲得較好的施藥效果，降低成本，減少環境污染。

目前，精確對靶定位傳感技術中使用最多的是紅外線探測和微波探測：紅外線探測對于植株對靶受環境因素影響較大，抗干擾的能力較弱，測量的距離較短，該技術的應用受到了限制；微波探測是一種新型的探測技術，相對于紅外線探測技術，其抗干擾能力較強，不受熱、噪音、濕度、氣流塵埃等影響，對環境的適應能力較強，且測距較強。將微波測距應用在施藥對靶方面的研究并不多，因此微波測距植株對靶的研究及對高精度施藥技術和施藥器械的設計具有重要的意義。

1 微波對靶探測施藥機總體設計

本設計的微波對靶探測施藥機共有8部分組成，包括微波傳感模塊、速度傳感模塊、電氣控制模塊、藥箱和藥泵、電磁閥、低藥量噴頭、風送機和動力輸出模塊，將這些部分安裝到機器人移動裝置上，便可以設計出基于微波探測的高精度施藥機，其設計框架如圖1所示。

圖1 微波探測施藥系統結構框架圖

微波探測施藥系統分為4部分，包括行駛裝置部分、電氣控制部分、供藥部分和送風部分，其電氣控制部分為設計的核心。行駛裝置采用自主導航模式的移動機器人，可對壟行進行自主準確定位；供藥部分由藥泵和藥箱組成；送風裝置主要是對噴出的藥物進行霧化，提高施藥效果。電氣控制部分主要是實現微波對靶和速度檢測，通過微波傳感器獲得植株標靶信息，并得到距離信息，通過速度傳感器獲得機器人移動速度，將兩者傳送給系統處理器；通過綜合處理后，輸出控制信號，控制電磁閥的啟閉，實現精確對靶施藥。

圖2為微波對靶的電器控制系統的設計框架。硬件控制部分主要分為5個部分，包括核心控制器、信號調節器、電源模塊、控制輸出模塊和人機交互模塊。微波探測器將信號調理后，輸入到計數器中，通過單片機計算1個周期內的同步信號，從而得到施藥機和植株靶的距離；速度信號也通過計數器和單片機計算出來，綜合兩方面的信息后，發出控制信號，實現對噴霧的控制。

圖2 微波對靶探測電氣控制系統硬件電路框圖

圖3為施藥機的機械結構圖。施藥機的結構主要為信息獲取、信息處理及末端執行3大部分。信息的獲取可以通過視覺系統和測試機構實現，信息處理主要依靠PC機上位機和單片機實現，末端執行部分由橫移機構及噴施器件構成。信息的獲取主要是植株靶的距離和方向信息，兩者在控制上相互獨立，但是控制的結果是相關的。

圖3 施藥機機械結構圖

2 植株精確對靶微波探測原理

植物的精確對靶采用微波探測的原理實現。假設雷達發射的功率是Pt，天線的增益是Gt，則在自由空間進行工作時，在與雷達天線相距R處的功率密度可以表示為

(1)

當目標植株被電磁波照射時會產生散射回波，散射功率的大小與功率密度S1及植株的特性有關。假設目標植株的散射截面積σ表示散射特性，目標可以將功率無損耗的輻射出去，可以得到二次輻射功率為

(2)

假設P2表示均勻輻射，接收天線收到的回波的功率密度為

(3)

假設接收天線的有效截面積為Ar，則回波功率為

(4)

根據天線理論，有效面積Ar和天線增益G的關系為

(5)

其中，λ表示所使用的波長，于是接收的回波功率可以寫成

(6)

(7)

反射功率在經過雙倍的距離路程后，能力衰減較大，當Pr與Simin相等時，微波雷達才能可靠的發現目標，其關系為

(8)

或

(9)

(10)

利用雷達測距方程，采用三角波信號作為微波調制信號，反射信號與發射信號的形狀相同，只是在時間上有一個延遲Δt，其計算的表達式為

Δt=2R/c

(11)

其中，c表示光速。根據三角關系可得

(12)

其中，T表示三角波調制的周期；ΔF表示調制帶寬，則目標距離R的值為

(13)

由此可以看出：目標植株距離R與輸出信號的頻率為正比。

3 微波探測植株對靶精確施藥機實驗

為了測試施藥機微波探測精確對靶的效果，本次研究采用中心頻率為10.6GHz的連續調頻三角波微波傳感器，對植株的微波對靶進行了測試，輸出信號通過后接示波器輸出。本次測試主要針對植株間距、光照強度、溫度和濕度等參量，對微波對靶的影響因素進行了深入的分析研究。對靶實驗的操作如圖4所示。

圖4 對靶試驗操作示意圖

在實驗操作時，將探頭固定，y軸為探頭的中心軸線，植株沿著y軸的正方向移動，感應區區間記作(y)，與y軸垂直的直線作為x軸，探頭沿著x軸方向移動。

3.1 植株間距對探測效果的影響

微波探測器發射天線為喇叭口天線，其發射出的信號為類似立體椎體形狀。由于植株漫發射存在放大信號的延遲，因此探測器探測到的無目標區間要比實際的植株間距要小。假設微波探測器的分辨率為δ，實際的植株間距為d，微波探測的區間為d'，則

(14)

對微波探測器的移動速度進行固定，調節植株間距分別為30、20、10cm，然后進行微波植株對靶探測實驗，植株間距分別為2、4、6cm，對分辨率進行計算，最終得到了如表1所示的結果。

表1 不同植株間距微波探測分辨率計算結果

Table 1 Calculation results of microwave detection resolution of different plant spacing

由表1可以看出:當植株間距降低到一定值時，探測器的分辨率降低為0，從而無法區分個體植株，植株間距與分辨率存在正相關，對靶植株距離探測器越高，分辨率越高。

3.2 自然光照強度對探測效果的影響

自然光照的強度可以用太陽輻射的等級來表示，太陽輻射等級可以通過太陽高度角計算得到，選擇不同的光照強度對微波對靶進行測試，通過測試得到了如圖5所示的結果。

圖5 不同光照條件下微波探測范圍和距離測試結果

圖5中，R1和R2分別表示兩種不同的光照強度。由圖5曲線結果可以看出：在不同光照條件下，對于同植株，同一物體在不同光照強度下的探測效果影響并不明顯。實驗結果表明：光照對微波探測的影響不大，施藥機可以在不同的光照條件下，完成植株的對靶。

3.3 溫度和濕度對微波探測的影響

在自然光照條件下，利用空氣調節和加濕的方式，對室內的溫度和濕度進行調節，測試不同溫度和濕度條件下的施藥機植株對靶效果，在相同的光照條件下，將溫度分別調節為36、26、16℃，通過實驗測試，得到了如圖6所示的結果。

圖6 不同溫度條件下微波探測范圍和距離測試結果

圖6中，t1、t2和t3分別表示3種不同的溫度。由圖6曲線結果可以看出：在不同溫度條件下，對于同植株，在相同的光照條件下，不同溫度對微波探測的效果影響也不明顯。在相同自然光照強度、相同溫度t條件下，繼續對不同高濕度的微波對靶探測效果進行測試，將濕度分別設置90%、70%和50%，通過計算得到了如圖7所示的測試結果。

圖7 不同濕度條件下微波探測范圍和距離測試結果

圖7中，M1、M2和M3分別表示3種不同的濕度。由圖7曲線結果可以看出：在不同濕度條件下，對于同植株，在相同的光照和溫度條件下，不同濕度對微波探測的效果影響也不明顯。綜合上述測試可以發現，外部環境對施藥機的微波探測效果影響不大，從而驗證了施藥機對環境的適應能力較強，對靶效果較好。

4 結論

利用微波探測測距和定位技術，采用傳感器和單片機設計了一種高效的施藥機。該施藥機具有自主定位能力，對環境能力的適應性較強。該裝置通過微波傳感器可以有效地獲得植株標靶靶向信息和距離信息，通過速度傳感器可以獲得機器人移動速度，將兩者綜合處理后可以決定是否施藥和施藥量。對施藥機進行了實驗測試，測試使用的調頻連續三角波微波傳感器，對不同實驗條件下分辨率、探測范圍與探測距離進行了實驗。由測試實驗結果發現：外部環境對施藥機的微波探測效果影響不大，施藥機對環境的適應能力非常強，可以有效地提高施藥的精度和效率。

[1] 陳運鵬,龍慧,劉志杰.我國施肥技術與施肥機械的研究現狀及對策[J].農機化研究,2015，37(4):255-260.

[2] 姬江濤,鄭治華,杜蒙蒙.農業機器人的發展現狀及趨勢[J].農機化研究,2014,36(12):1-4.

[3] 喬永亮,何東鍵,趙川源,等.基于多光譜圖像和SVM的玉米田間雜草識別[J].農機化研究,2013,35(8):30-34.

[4] 姬長英,周俊.農業機械導航技術發展分析[J].農業機械學報,2014,45(9):44-54.

[5] 孟慶寬,何潔,仇瑞承，等.基于機器視覺的自然環境下作物行識別與導航線提取[J].光學學報，2014,34(7): 1-7.

[6] 劉金龍,鄭澤鋒,丁為民，等.對靶噴霧紅外探測器的設計與探測距離測試[J].江蘇農業科學,2013,41 (7):368-370.

[7] 傅錫敏,薛新宇.基于我國施藥技術與裝備現狀的發展思路[J].中國農機化,2008(6):72-76.

[8] 傅澤田,祁力鈞,王俊紅.精確施藥拉術研究進展與對策[J].農業機械學報,2007,38(1):189-192.

[9] 郭輝,韓長杰.精確施藥技術的研究與應用現狀[J].農業技術與裝備,2009(4):42-46.

[10] 呂太國.靜電噴霧系統特性研究[J].農機化研究,2009，31(5):54-70.

[11] 燕明德,賈衛東,張斌,等.國內外靜電噴霧施藥技術及機具研究[J].農業機械,2008(8):53-54.

[12] 劉金龍,丁為民,鄧巍.果園對靶噴霧紅外探測系統的設計與試驗[J].江蘇農業科學,2012,40(12):370-372.

[13] 李麗,李恒,何雄奎.紅外靶標自動探測器的研制及試驗[J].農業工程學報,2012,28(12):159-162.

[14] 裴文超,陳樹人,尹東富.基于DSP和單片機的實時對靶噴施除草系統[J].農機化研究，2012，34(1):149-153.

[15] 張俊雄,馬锃宏,李偉,等.基于土壤基質的播種精度檢測試驗研究[J].農業機械學報，2012,43(12):62-66.

[16] 馬锃宏,李南,王漢斌,等.溫室株間電驅鋤草控制系統設計與試驗[J].農業機械學報，2015,46(1):89-93.

[17] 張二鵬,馬锃宏,耿長興,等.溫室懸掛噴施機跨壟作業控制系統設計[J].中國農業大學學報，2013,18(6): 170-174.

[18] 馬锃宏,李南,李濤,等.缽體苗帶式供苗移栽機的設計與試驗[J].中國農業大學學報，2015,20(3):216-222.

[19] 張春龍,黃小龍,劉衛東,等.苗間鋤草機器人信息獲取方法的研究[J].農業工程學報,2012,28(9):142- 146.

[20] 胡煉,羅錫文,曾山,等.基于機器視覺的株間機械除草裝置的作物識別與定位方法[J].農業工程學報, 2013,29(10):12-18.

[21] 朱鳳武,于豐華,鄒麗娜,等.農業機器人研究現狀及發展趨勢[J].農業工程，2013,3(6):10-13.

[22] 吳巖,杜立宇,高明和,等.農業面源污染現狀及其防治措施[J].農業環境與發展.2011(1):64-67.

[23] 楊慧,劉立晶,劉忠軍,等.我國農田化肥施用現狀分析及建議[J].農機化研究，2014，36(9):260-264.

[24] 張霞,蔡宗壽,李歡.我國化肥生產能源消費現狀分析[J].現代化工，2014,34(10):12-15.

[25] 付麗霞,李云樂.農業面源污染的現狀、問題及對策探析[J].食品安全質量檢測學報，2014,5(7):2285- 2289.

[26] 欒江,仇煥廣,井月,等.我國化肥施用量持續增長的原因分解及趨勢預測[J].自然資源學報,2013, 28(11):1869-1878.

[27] 沈德軍.農作物葉面施肥的意義、機理及技術要點[J].安徽農學通報,2012,18(12):111-112.

[28] 魚彩彥.葉面施肥技術在農業生產中的應用[J].農業與技術,2013,33(12):30.

Microwave Detection Plants Based on Target Precision Spraying Machine

Wang Xiaozhi1,3, Wu Dongming2

(1.Nanchang University, Nanchang 330031, China;2.Jiaozuo Teachers College, Jiaozuo 454000, China;3.Nanchang Institute of Science & Technology, Nanchang 330108, China)

With the development of mobile communication technology, array technology has been widely used, and formed the research field of smart antenna, which has adaptive and anti-jamming capability of linear array antenna is a hot research. Based on this, a field with the auto disturbance rejection ability of the field to follow the car control system, and the design of the car's mechanical and transmission structure. The vehicle can be used to control the signal with simple and flexible operation, so as to obtain the ideal spatial directional beam, and make full use of the user's signal, and delete or inhibit the interference signal. Design of experiment of tracing robot prototype, and the design of a linear array of composed of N number of antenna elements, found by testing, car after external interference torque, system of horizontal and vertical channels can still good follow their respective set value, has better robustness, can guarantee in the field of complex environment and signal interference, with high working efficiency and precision.

linear array; follow the car; directional beam; robustness; adaptive; anti jamming

2015-12-04

國家自然科學基金青年科學基金項目(41505015)

汪小志(1981-)，女，武漢人，副教授，博士研究生，(E-mail)fiberhome@126.com。

S491；TN958

A

1003-188X(2017)01-0127-05