基于機器學習的精準施肥控制系統設計與分析

孫 沛

(成都文理學院 信息工程學院,成都 610401)

0 引言

合理有效的施肥過程能夠為農作物的生長發育過程提供充分營養保障,從而提高農作物產量。農業種植過程施肥方式多樣,但普遍存在施肥過程肥料消耗大、肥料利用率低的現象;施肥量的控制也是主要依據農業種植經驗來決策,施肥深度和施肥位置也對肥料利用率造成不同程度的影響[1-2]。為此,基于果園開溝施肥方式,利用精準施肥控制方案設計了果樹精準施肥控制系統,可根據果園的不同施肥工藝要求和果樹生長階段差異,實施適量精準施肥控制,降低肥料使用量,提高了肥料利用率。

1 精準施肥控制系統總體方案設計

果園精準施肥控制系統搭載于傳統機械開溝施肥機上,主要包含系統控制模塊、施肥模塊以及施肥位置控制模塊[3-5],如圖1所示。

圖1 精準施肥控制系統框架Fig.1 Framework of precision fertilization control system

精準施肥過程中,通過雙目視覺傳感器對施肥位置信息進行探測,與機器學習結果進行比對,經控制器數據解調分析后,獲取精準施肥位置信息,將肥料在施肥溝內精準拋灑,完成精準施肥過程[6-7]。精準施肥過程對施肥量的控制通過排肥器的打開時間和關閉時間進行直接控制;施肥位置的控制是通過雙目視覺傳感器與機器學習算法的比對判斷,在獲取到施肥位置中心點后,控制施肥過程的起始位置和終止位置[8]。控制系統在獲取到施肥機的行進速度和位置信息后,發送施肥控制信號,在預定位置進行施肥控制,將定量的肥料顆粒進行撒施;完成撒施后,重復以上過程,達到連續、精準施肥控制的目的[9]。

2 機器學習控制算法與視覺引導

精準施肥過程中,控制系統采用機器學習算法主動學習施肥過程數據,對已知施肥數據進行分析,獲取數據概率分布,在機器算法認知回歸方程中載入機器學習過程,從而提高機器學習和控制過程效率[10]。

為獲取精準施肥過程中的位置信息,采用雙目視覺攝像機獲取果樹位置信息,數據處理后得到精準施肥位置信息,并通過串口通信的方式將施肥指令發送至驅動控制器,從而達到間歇性施肥的目的[11]。雙目視覺進行位置信息采集時,以非接觸的測量方式精準獲取位置圖像信息和目標輪廓,對施肥對象的質心坐標進行精準化分析[12]。圖2為精準施肥控制雙目視覺攝像機獲取位置圖像工作原理圖。

圖2 精準施肥視覺系統工作原理圖Fig.2 Working principle diagram of precision fertilization vision system

精準施肥控制系統機器學習過程中,首先利用雙視覺傳感器為精準視自變量進行采集x=(x1,x2…,xn),取均值得到系統測量數據矩陣X=(x1,x2…,xm)n。其協方差矩陣可表示為

求精準位置認知元素,即

其中,p1、p2…、pm為協方差矩陣的特征根λi對應的單位正交向量。

求解認知元素的方差潛在概率,即

由此得出認知元素數量a對應的累計潛在概率為

建立自變量與因變量y之間的認知回歸方程,系數可表示為

其中,α為回歸常數;T為認知觀測系數。

利用機器學習方式對雙目視覺采集數據進行認知,獲取認知回歸系數,對電機轉速變化的認知程度進行改善,從而實現施肥過程的精準化控制[13]。

3 精準施肥控制系統硬件結構設計

精準施肥控制系統以控制模塊的方式搭建系統,主控制器選用STM32,采用大規模集成電路將各種功能集成,外部晶振可達到8M。時鐘晶振32 768Hz,采用插針引出的方式實現輸入輸出擴展。

控制系統驅動模塊為精準施肥過程動力模塊,采用直流減速電機進行動力輸出,以兩路直流電機驅動板為驅動模塊。表1為電機技術參數,表2為電機驅動模塊技術參數。

表1 電機技術參數Table 1 Technical parameters of motor

綜上所述分析,精準施肥控制系統硬件結構圖如圖3所示。

圖3 精準施肥控制系統硬件結構圖Fig.3 Hardware structure diagram of precision fertilization control system

4 精準施肥控制系統軟件結構設計

精準施肥控制系統軟件主要用于工作過程中設定施肥量和行進速度,對施肥長度進行設定,通過改變參數輸入值來模擬精準施肥控制,并能夠對過程參數進行讀取;對雙目視覺信號進行讀取,并能夠對控制系統當中的串口通信數據和編碼器信號進行分析處理,將施肥控制指令發送至主控制器;當施肥控制系統主控制器接收到施肥控制指令后,對相關控制參數進行比對,計算步進電機脈沖信號周期,控制步進電機的啟動和停止,從而實現間歇性施肥控制。圖4為精準施肥控制系統軟件框架原理。

圖4 精準施肥控制系統軟件框架原理Fig.4 Software framework and principle of precision fertilization control system

控制系統運行過程中,系統主控制器接收到串口通信數據,對施肥位置信息進行精準獲取,并根據編碼器傳輸到的速度信息進行計算,得出步進電機驅動器脈沖周期值,實現精準化施肥控制。精準施肥控制系統主控制流程圖如圖5所示。

圖5 精準施肥控制系統主控制流程圖Fig.5 Main control flow chart of precision fertilization control system

5 控制系統性能試驗分析

為了對精準施肥控制系統性能進行驗證,通過試驗的方式驗證施肥效果。試驗因素主要為行進速度、設定施肥量及設定施肥長度。其中,設定施肥過程行進速度分別為0.1、0.2、0.3m/s,根據果樹的生長需求確定施肥量為500、1000、1500g,設定施肥長度為600mm。試驗結果如表3所示。

表3 精準施肥試驗結果Table 3 Precision fertilization test results

由表3可知:在施肥行進速度與排肥轉軸轉速自適應匹配過程中,行進速度隨之增大,排肥轉軸轉速也增大,此時肥料箱當中的充肥量發生變化,導致肥料箱沒有充滿的狀態下開始排肥,影響施肥量的精準控制;排肥軸轉速控制過程具有時間差,轉速未達到設定值,實際排肥量相對較小。

6 結論

隨著現代化果園種植的推廣,因種植差異性較大、不同生長階段的果樹對肥料需求量偏差較大,故采用精準施肥控制系統針對不同的生長需求,在不同的施肥器進行精準施肥,針對有效控制施肥量偏差,系統運行過程具有較高的適應性和適用可靠性。