樹木保溫材料纏繞、涂白與病蟲害智能識別防治一體機的設計

張智勇 楊宇 錢青

摘?要：隨著城市綠化建設的不斷推進，樹木凍害、蟲害的防治逐步成為園林綠化部門的工作重點。傳統人工作業效率較低，一致性不高，因此，急需一種低成本、高質、高效的綠化樹木防寒防治設備。通過分析研究連續纏繞機械裝置的結構原理及其工作負載的產生機理，建立基于百度AI的EasyDL定制化訓練和服務平臺的病蟲害圖譜智能識別模型，優化涂白工藝參數，設計精準施藥裝置，開發了樹木保溫材料纏繞、涂白與病蟲害智能識別防治一體機。實現了保溫材料連續纏繞、涂白、病蟲害圖像智能識別及精準施藥治理等功能的集成一體化設計，結構緊湊、功能多樣、可操作性較強、地形適用范圍廣，可高質高效的完成綠化樹木保溫材料纏繞、病蟲害監管與施藥治理等工作。

關鍵詞：綠化樹木;防寒;病蟲害;連續纏繞;智能識別;精準施藥

中圖分類號：TP242文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.06.007

The Design of Tree Insulation Material winding， White Coating and

Intelligent Pest Identification and Control Machine

Zhang Zhiyong，Yang Yu，Qian Qing

（Yancheng Institute of Technology; School of mechanical engineering，Yancheng 224051，China）

Abstract：With the advancement of urban greening construction， The prevention and control of frost damage to trees and insect pests has gradually become the focus of the landscaping department.Traditional manual operationis inefficiency and interference.Therefore， a low-cost， high-quality and high-efficiency afforestation tree prevention and control equipment is urgently needed.This article analyzes the structure principle of continuous winding mechanism and the generating mechanism of its workload.It establishes intelligent pest map identification model based on EasyDL customized training and service platform of baidu AI，optimizes coating process parameters and designs precision medicine device.So we develops an all-in-one machine for twining thermal material，intelligent identification and control of diseases and insect pests.The functions of intelligent identification of image of white diseases and insect pests and precision medicine treatment are realized.The machine has some features whichcompact structure， diverse functions， strong maneuverability and wide range of terrain application，and it can competes tasks that twining thermal insulation material，pest control and pesticide application efficiencily.

Keywords：management of trees;cold-proof;plant diseases and insect pests;continuous winding;intelligent identification;precision medicine

0?引言

隨著我國工業化進程的不斷推進，自動化技術的推廣應用已深入各行各業。實現機器設備、系統或過程（生產、管理過程）在無人或較少人的直接參與下，經自動檢測、信息處理、分析判斷、操縱控制，達到預期的任務要求。機械自動化已經被提出多年，但在行道、公園綠化樹木的防寒和病蟲害檢測、預防等進程仍然較為緩慢[1-2]。

城市綠化建設過程中許多樹木需要移植栽培，易受到各類創傷，導致成活率降低。為了提高綠化樹木的成活率，需采用草繩、植物繃帶等柔性保溫材料纏繞在樹木表面，以達到保溫、保濕、遮陽等目的[3-4]。在寒冷的冬季，樹木表面需做到增溫、減濕，而在炎熱的夏季則相反，需做到降溫、保濕、防曬。但目前綠化樹木保溫材料不能根據季節變化進行自我調節，冬季給樹木纏繞保溫材料，春季需及時卸下，如不及時進行人工更換處理則會引起病菌害蟲，影響綠化樹木的健康生長。因此，季節更替導致綠化樹木每年都需要進行防寒和病蟲害防治工作，然而傳統綠化養護基本采用人工操作，工作量大、質量一致性較差且效率較低[5]。保護綠化樹木抵御寒冷安全越冬，一直以來都是國內外植物防治領域的重要研究方向。目前國內采用的防寒、病蟲害治理措施，仍以人工作業為主，尚無成熟的機械自動化解決方案。

1?設計思路及總體方案

調查分析樹木保溫材料纏繞、涂白與病蟲害智能識別防治一體機的使用環境和行走轉移工況，設計合理的行走機構，確保行走轉移機構的便捷性與可靠性。研究柔性保溫材料連續纏繞機械裝置的機構原理及其工作負載的產生機理，設計可不間斷連續實施柔性保溫材料纏繞的機構。建立基于百度AI的EasyDL定制化訓練和服務平臺的病蟲害圖譜智能識別模型。優化涂白霧化噴射速度、角度等參數，設計高精度定位裝置，實現基于蟲洞位置的治理藥物的自動化精準施藥，具體如圖1所示。

2?機械結構設計

本機械設備整機主要分為：行走轉移與升降裝置、連續纏繞裝置、可調節涂白裝置、圖像智能識別系統、精密施藥治理裝置五個部分，各部分共同配合工作，從而實現預定的目標功能，實物如圖2所示。

2.1?行走移動與升降裝置的設計

行走移動與升降裝置中的水平行走移動機構主要實現機械設備在需要養護的樹木之間進行轉移。其驅動系統由水平驅動電機、減速器、動力傳遞機構和滾輪組成，減速器的輸入端連接水平驅動電機，輸出端連接動力傳遞機構，通過減速增矩作用提高驅動力矩，動力傳遞機構將驅動力矩傳遞給滾輪，實現水平行走移動功能，如圖3所示。

2.2?連續纏繞裝置的設計

連續纏繞機構的作用是帶動柔性保溫材料繞著樹干做連續旋轉運動，將柔性保溫材料均勻纏繞在樹干上。連續纏繞機構主要由緩存纏繞環、滾柱、壓緊彈簧片、同步帶輪、同步帶、同步帶驅動電機、支撐滾輪和定位滾輪組成，如圖4所示。同步帶驅動電機與同步帶輪連接，驅動同步帶輪旋轉，同步帶周向固定在緩存纏繞環底部內側，與同步帶輪嚙合，同步帶輪旋轉帶動緩存纏繞環旋轉。緩存纏繞環由周向布置的8個支撐滾輪支撐于底板上，定位滾輪安裝在底板圓環結構的內側，與裝有同步帶的緩存纏繞環內側底部接觸，將緩存纏繞環旋轉過程中的偏心量控制在規定的范圍以內，實現緩存纏繞環的同心旋轉。8個滾柱周向均勻布置在緩存纏繞環上端平面上，因為柔性保溫材料一端被夾具固定在樹干表面，故旋轉后滾柱帶動柔性保溫材料纏繞，一部分柔性保溫材料纏繞在樹干表面，一部分存儲纏繞在緩存纏繞環上，當存儲量達到目標值時，暫停纏繞，剪切機構執行柔性保溫材料的剪切操作。剪切后繼續啟動實施纏繞作業，柔性保溫材料末端由布置在緩存纏繞環上端平面邊緣的8個壓緊彈簧片壓緊貼合，直至完成柔性保溫材料的纏繞工作。

繃帶在樹木上纏繞的總圈數為

N=H÷hn=nHh（圈）（1）

式中：r為樹干的半徑（m）;R為緩存纏繞環的半徑（m）;h為繃帶的高度（m）;H為樹干纏繞高度（m）;n為繃帶在樹干上纏繞層數;N切為切割時的纏繞圈數。

纏繞一棵樹所使用的繃帶總長度L為

L=2πr·N （m）（2）

2.3?可調節涂白裝置設計

工作緩存纏繞環上裝有6個卡扣，卡扣上裝有噴嘴。6個噴嘴的安裝周向互成60°，實現圍繞樹木360°范圍內有效噴涂。在纏繞裝置上升的過程中，噴嘴通過所連接的橡膠軟管連接涂白劑，實現一邊上升一邊噴涂。在到達指定的纏繞最高高度時，結束噴涂，取下噴嘴，后續完成纏繞繃帶或者草繩。此優勢在于與其他功能不發生干涉影響，從而達到涂白目的，也可僅完成涂白工作，限制較小。

2.4?精準施藥裝置設計

精準施藥裝置主要由注射頭精準定位機構和藥物劑量控制兩部分組成。定位過程分為粗定位和精定位兩步，粗定位沿樹干上下方向升降動作由行走移動與升降裝置中的絲杠導軌機構實現，沿樹干周向旋轉運動，由纏繞裝置實現，初步尋徑確定蟲洞的大概位置。精準定位機構包括十字微調滑臺、激光掃描器、支撐柱、電動推桿和注射頭，粗定位結束后，電動推桿推送注射頭和激光掃描器向目標蟲洞運動，激光掃描器不斷掃描，判斷注射頭偏離蟲洞的方位和距離，通過十字微調滑臺和電動推桿控制空間三個坐標方向的微調，從而尋徑到洞口實施藥物注射。藥物劑量控制任務由流量計量泵完成，流量計量泵和藥物儲蓄罐與微調裝置支撐柱一樣，安裝在緩存纏繞環上，藥物輸送軟管一端連接計量泵一端連接注射頭，即可實現藥物的定量注射。

3?控制系統的設計

采用閉環控制系統，由伺服電機、步進電機、步進驅動器、PLC控制器等組成。通過對伺服電機的速度反饋控制，實現對柔性保溫材料旋轉纏繞、涂白升降、旋轉圖像采集、注藥殺蟲的動態及穩態的控制要求。主要分為三個功能模塊：連續纏繞控制系統、涂白控制系統、精準施藥裝置控制系統。

3.1?連續纏繞控制系統

連續纏繞裝置控制系統分為七個部分：高度控制、夾持控制、計長控制、推送控制、纏繞控制、剪切控制、收尾控制。高度控制和纏繞控制決定著柔性保溫材料旋轉纏繞的動態穩定特性，是連續纏繞裝置控制系統的關鍵;夾持控制和推送控制負責將柔性保溫材料推送至樹干表面，完成柔性保溫材料的初步固定任務;剪切控制負責在樹干纏繞即將完成時，剪切柔性保溫材料;最后的收尾控制需要完成膠裝的任務;計長控制主要任務就是負責計算柔性保溫材料的已使用量，纏繞量達到頂峰時使纏繞裝置停止工作。各個模塊的組合實現機器纏繞柔性保溫材料的功能，如圖5所示。

3.2?涂白控制系統

涂白控制系統控制6個噴嘴，自上而下噴涂涂白劑。設置涂白高度，啟動提升裝置，到達設置高度，開啟涂白泵，涂白裝置下降。到達底部時，通過限位開關，關閉涂白泵，控制電機停止下降。

3.3?精準施藥裝置控制系統

注藥裝置安裝在攝像頭正上方，設置一定的高度差。當攝像頭正面垂直捕捉到蟲洞時，PLC控制旋轉伺服電機停止旋轉，控制垂直提升伺服電機，將提升裝置下降一個高度差，實現了蟲洞的粗定位。通過激光掃描找到蟲洞，十字滑臺實現精確定位，電動推桿將注藥針頭送至蟲洞口，注藥針頭伸出，針頭壓力傳感器大于設定值時即表明針頭伸入蟲洞內，開啟注藥泵，藥水從側面針孔注入蟲洞內部毒殺害蟲，控制系統如圖6所示。

4?病蟲害圖譜智能識別防治系統的設計與實現

實時準確地識別出林木病害、蟲害是有效開展病情、蟲情防治工作的重要前提。目前，我國林業病蟲害的診斷方法主要是依靠人工識別，主觀因素大，實時性差[6-7]。本設備集成了基于深度學習的樹木病蟲害圖像智能識別系統，包括樹干360°旋轉圖像采集、移動客戶端、云服務端和樹木病蟲害圖像智能識別模型，實現病蟲害高效、實時、準確識別與防治。

樹木病蟲害圖像智能識別系統核心使用了百度AI的EasyDL定制化訓練和服務平臺，通過上傳樹木病蟲害圖譜訓練模型獲取樹木病蟲害、人工標注學習獲取病蟲害識別模型，系統通過云端Rest API調用模型，實現病蟲害圖像智能識別。系統作業的主要流程如圖7所示。首先通過360°旋轉圖像采集獲取樹干表面原始圖像，經過WiFi送至主機進行圖像拼接和病蟲斑分割;其次將分割后病蟲斑圖像送至樹木病蟲害圖像識別系統識別;識別后的病蟲害信息、樹木直徑和地理位置信息存入信息系統供管理人員使用，實現病蟲害監測、防治。

5?結論

樹木保溫材料纏繞、涂白與病蟲害智能識別防治一體機作為一種綠化樹木自動化養護設備，集柔性保溫材料連續纏繞、涂白、病蟲害圖像智能識別和蟲洞精準施藥多種功能于一體，可實現綠化樹木的高質、高效、低成本養護與防治。解決當前國內綠化樹木防寒防治機械設備研制功能單一、自動化程度不高的難題，發展方向先進，性價比高，引導了城市綠化養護設備自動化升級進程。對于城市建設養護部門而言，本產品適合大面積推廣應用，產業化前景良好。

參考文獻：

[1] 吳明明，王興玉.一種樹木防寒防蟲漆自動涂刷裝置設計[J].佳木斯職業學院學報，2017（12）：480+482.

[2] 王勝國，王泉，李立鋒，等.樹木防寒卷桿機包覆機構的實現及運動學仿真[J].農業科技與裝備，2013（6）：44-46.

[3] 梁健明.城市綠化樹病蟲害綜合防治技術及蟲害分析[J].農業工程與能源，2017（4）：156-157.

[4] 成濮生.淺析綠化苗木凍害成因及越冬防寒措施[J].農業與技術，2018，38 （18）：163-164.

[5] 劉玉萍.我國北方地區道路綠地的防寒措施[J].現代園藝，2015（12）：175-176.

[6] 梁萬杰，曹宏鑫.基于卷積神經網絡的水稻蟲害識別[J].江蘇農業科學，2017，45 （20）：241-243.

[7] 趙瑤池，胡祝華，白勇.基于紋理差異度引導的DRLSE病蟲害圖像精準分割方法[J].農業機械學報，2015，46（2）：14-19.