基于觸覺感知的水稻行彎度測(cè)量裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

陳學(xué)深 黃柱健 馬 旭 齊 龍 方貴進(jìn)

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 廣州 510642)

0 引言

植保除草是水稻生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)[1-2]，鑒于化學(xué)除草的抗藥性、作物藥害、環(huán)境污染等問題[3-5]，大力發(fā)展機(jī)械除草是保證農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。然而，機(jī)械除草易傷苗，誘發(fā)作物病害，影響稻米品質(zhì)和產(chǎn)量[6-9]，嚴(yán)重制約了其規(guī)?；l(fā)展。機(jī)械傷苗的主要原因之一在于水田土壤硬底層深度、硬度不均，導(dǎo)致插秧機(jī)兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪限深及行駛阻力差異顯著，無(wú)論人工駕駛還是自動(dòng)導(dǎo)航，插秧作業(yè)時(shí)總會(huì)產(chǎn)生航向偏差[10-11]，使栽植后的稻苗呈現(xiàn)一定彎度，通過人為轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)對(duì)行避苗，存在除草部件調(diào)節(jié)相對(duì)機(jī)身運(yùn)動(dòng)具有一定的滯后性，在糾偏期間除草部件對(duì)稻苗不可避免造成損傷。因此，感知稻行彎曲程度，對(duì)除草部件的作業(yè)路徑實(shí)施差異化的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)智能化避苗控制技術(shù)十分必要。

快速、準(zhǔn)確地自動(dòng)獲取稻株的識(shí)別與定位信息是稻行信息獲取及智能避苗控制的關(guān)鍵。目前，基于機(jī)器視覺的實(shí)時(shí)信息獲取技術(shù)是作物信息感知的主流方法，主要根據(jù)作物的顏色、紋理、形狀進(jìn)行分類。金小俊等[12]根據(jù)雜草不同的顏色特征，提出了一種圖像分割算法，將農(nóng)田雜草識(shí)別出來(lái)。HAMUDA等[13]根據(jù)花椰菜葉片的飽和度、色調(diào)值等差異區(qū)分作物和雜草，對(duì)不同環(huán)境下的花椰菜識(shí)別率達(dá)99.04%。陳樹人等[14]基于5種不同顏色特征對(duì)棉田中鐵莧菜進(jìn)行識(shí)別，該方法對(duì)雜草中棉花識(shí)別的準(zhǔn)確率為82.1%。也有一些學(xué)者，從作物的紋理特征入手，TANG等[15]采用Garbor小波進(jìn)行紋理特征提取，設(shè)計(jì)了一個(gè)3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)田間雜草分類識(shí)別，對(duì)作物和雜草的正確識(shí)別率達(dá)100%。徐艷蕾等[16-17]提出了基于模糊順序形態(tài)學(xué)的植物葉片脈絡(luò)邊緣特征提取方法，試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能克服噪聲、有效提取葉片信息。還有一些學(xué)者通過形態(tài)進(jìn)行雜草識(shí)別，吳蘭蘭等[18-19]對(duì)獲取的圖像進(jìn)行處理，把目標(biāo)對(duì)象的形狀特征作為支持向量機(jī)的輸入向量，以實(shí)現(xiàn)玉米田間雜草識(shí)別，試驗(yàn)結(jié)果表明，其正確識(shí)別率達(dá)98.3%。上述作物信息獲取方式均以作物特征的有效表達(dá)與準(zhǔn)確提取為前提。然而，稻田積水反光、光照、倒影、綠藻等復(fù)雜背景影響，稻株(穴)間頂部葉冠相互遮掩，禾本科雜草與水稻形態(tài)相似，導(dǎo)致現(xiàn)階段基于視覺的作物信息獲取技術(shù)及設(shè)備的適應(yīng)范圍主要集中在背景差異顯著的旱田作物上，且識(shí)別對(duì)象多為特征明顯的葉菜類作物。針對(duì)水田這種復(fù)雜開放式、非結(jié)構(gòu)農(nóng)田環(huán)境，快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)稻株識(shí)別與定位還需采用創(chuàng)新性技術(shù)。

本文針對(duì)水田環(huán)境提出基于觸覺感知的稻株識(shí)別與定位技術(shù)，以及稻行彎度信息的實(shí)時(shí)獲取方法，為智能機(jī)械除草部件的避苗作業(yè)提供決策依據(jù)。

1 觸覺感知方式的農(nóng)藝基礎(chǔ)

在實(shí)際生產(chǎn)中由于單位面積上的取秧量不同[20-22]、稻穴內(nèi)生理分蘗數(shù)量不一致[23-25]，導(dǎo)致稻株個(gè)體差異顯著；另外，雜草分布具有隨機(jī)性、簇生性等特點(diǎn)[26]，對(duì)觸覺方式的稻株識(shí)別有一定的干擾；再有，水田作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，機(jī)具俯仰、搖擺及振動(dòng)等姿態(tài)變化，也使得觸覺傳感器與稻株的接觸位置不穩(wěn)定，而影響測(cè)量結(jié)果。因此，觸覺方式實(shí)現(xiàn)水稻的識(shí)別與定位具有一定難度。

圖1 除草期水稻與雜草的生長(zhǎng)狀態(tài)

稻株的觸覺感知要緊密圍繞水稻生長(zhǎng)的農(nóng)藝特點(diǎn)。首先，為使感知裝置測(cè)量不受機(jī)具姿態(tài)變化影響，充分利用除草期內(nèi)[8,27-28](移栽后7～22 d)稻田3～5 cm的淺水層[29](為保證稻苗在返青、扎根、活棵及分蘗時(shí)期生長(zhǎng)需要)，使感知裝置作業(yè)時(shí)，能漂浮在水面上，以保證與稻株接觸位置相對(duì)穩(wěn)定；在此基礎(chǔ)上，利用稻穴內(nèi)稻株群莖基部成束，相鄰稻株莖基部獨(dú)立，稻株株高遠(yuǎn)大于雜草的生理特點(diǎn)，選擇稻株莖基部與雜草冠層之間的位差空間作為稻株的觸覺識(shí)別區(qū)，可避開雜草干擾，如圖1所示。識(shí)別區(qū)內(nèi)偶爾有稻株與雜草共處情況，也可通過稻草生理抗彎剛度的差異進(jìn)行辨識(shí)，因此，基于觸覺的稻株信息獲取具有一定的識(shí)別和定位空間。

2 感知裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

感知裝置主要由彎曲傳感器、殼體及相關(guān)電子器件組成，如圖2所示。觸覺感知元件為兩排彎曲傳感器，每排對(duì)稱安裝于下殼體左右兩側(cè)，彎曲傳感器根部與圓形橡膠基座相連，防止田間積水從根部滲入殼體，并緩解彎曲傳感器根部的應(yīng)力集中。后排彎曲傳感器通過根部的調(diào)節(jié)螺母在滑槽上移動(dòng)，以適應(yīng)不同株距(11～22 cm)水稻的測(cè)量要求。同時(shí)，為保證殼體在稻行(行間為30 cm)左或右極限位置時(shí)，兩側(cè)彎曲傳感器都能與稻株接觸，殼體寬度設(shè)計(jì)為18 cm，單側(cè)彎曲傳感器設(shè)計(jì)為13 cm。仿形桿底部設(shè)有螺紋，與蓋板通過螺紋連接，仿形桿中部和頂部為三角形空心柱體，頂部與插秧機(jī)車架上改制的三角形套筒滑動(dòng)連接，并在仿形桿頂部設(shè)有一銷孔，與鎖銷配合防止滑動(dòng)極限時(shí)脫落。此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)防止感知裝置與機(jī)具發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)與機(jī)具的滑動(dòng)連接，也使該裝置在稻田水面上以漂浮狀態(tài)工作，不受機(jī)具起伏影響，保證了感知梁與稻株接觸作用位置的相對(duì)穩(wěn)定。

圖2 感知裝置

彎曲傳感器作為感知裝置的核心部件，采用形變敏感的懸臂梁結(jié)構(gòu)，本文將懸臂梁式彎曲傳感器簡(jiǎn)稱為感知梁。感知梁在與稻株接觸、形變、脫離過程中受到周期性的阻滯，產(chǎn)生的形變反映了稻株與感知梁接觸點(diǎn)的位置信息，經(jīng)過標(biāo)定將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)4根感知梁上的形變電壓特征，實(shí)現(xiàn)相鄰稻株橫向偏量的測(cè)量。為使測(cè)量的橫向偏量能為多個(gè)除草輪(一般為6或7個(gè))提供調(diào)控?cái)?shù)據(jù)，機(jī)具的作業(yè)路徑應(yīng)與插秧時(shí)的作業(yè)路徑一致；同時(shí)，為避免機(jī)具掉頭換行時(shí)，測(cè)量裝置處于稻行接縫處(此處稻行兩側(cè)的苗帶彎度不同)引起測(cè)量誤差，測(cè)量裝置放置在機(jī)尾中間位置。工作時(shí)，感知裝置漂浮稻田水面上，隨機(jī)具在稻行內(nèi)行進(jìn)，經(jīng)過某一稻列(方向與機(jī)具行進(jìn)方向垂直)時(shí)，感知梁與稻株莖基部相接觸，由同排左右兩側(cè)的感知梁產(chǎn)生的電壓(彎曲)差異可計(jì)算出感知裝置中心軸偏離稻行中心線的距離(偏距)。在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)行進(jìn)經(jīng)過下一稻列時(shí)，如果稻株移栽位置存在橫向偏量，裝置此時(shí)測(cè)量的偏距較上一稻列將發(fā)生改變，改變量大小表征了相鄰稻株的橫向偏量。因此，可通過感知梁在相鄰稻列間的彎曲差異建立稻株橫向偏量的定量關(guān)系模型，隨著感知裝置進(jìn)一步行進(jìn)，經(jīng)過的稻株橫向偏量將被持續(xù)測(cè)量，通過相應(yīng)計(jì)算，可測(cè)得由稻株偏量累積形成的稻行彎度。

3 感知梁設(shè)計(jì)

3.1 水稻莖基部彎曲受力模型建立

感知梁抗彎剛度對(duì)稻株識(shí)別與定位具有重要作用，剛度偏大，測(cè)量時(shí)易使稻株受迫變形，導(dǎo)致感知梁彎曲程度偏小，影響測(cè)量精度；剛度偏小，感知過于敏感，易受雜草干擾。因此，需要確定適宜的抗彎剛度，保證感知梁與稻株接觸測(cè)量時(shí)，稻株不變形或輕微變形。

測(cè)量裝置工作時(shí)，感知梁與稻株莖基部接觸過程中，稻株莖稈將產(chǎn)生不同程度的彎曲變形。由梁理論可知，水稻莖基部彎曲可分為自身重力引起的縱力彎曲和橫向作用力引起的橫力彎曲，如圖3a所示。取稻株莖基部OA段為受力體，高度為h，將OA段莖稈視為等剛度梁，彎曲剛度為EI，OA段的莖葉重力為P，e為稻株重心P與A點(diǎn)的水平距離。水稻莖基部受到感知梁在行進(jìn)方向的橫向作用力F，莖基部任意點(diǎn)撓度為γ，A點(diǎn)最大撓度為wmax，由此建立水稻莖基部彎曲的力學(xué)模型，如圖3b所示。

圖3 稻株力學(xué)分析圖

根據(jù)力平移定理及小撓度理論，可得出水稻莖基部彎矩方程為

M(x)=-[Pe+F(h-x)+P(wmax-γ)]

(1)

由于除草期內(nèi)稻葉數(shù)量較少，且重量較輕，因此忽略稻葉重量引起的縱力彎曲，式(1)可簡(jiǎn)化為

EIw″(x)=-M(x)=-F(h-x)

(2)

解微分方程(2)，得撓度通解為

(3)

(4)

式中C1、C2為任意常數(shù)。

將邊界條件x=w=0代入式(3)、(4)得

(5)

將C1、C2代入式(4)得撓度公式

(6)

由式(6)可知，在感知梁與稻株接觸高度一定的情況下，w(x)由橫向作用力F決定，橫向作用力F越大引起稻株的撓度也越大，稻株變形也越明顯。為此，確定感知梁抗彎剛度，應(yīng)根據(jù)稻株實(shí)際力學(xué)參數(shù)，并結(jié)合裝置的測(cè)量原理。本文以稻株與感知梁常見的接觸高度8 cm為基準(zhǔn)，應(yīng)用拉力計(jì)實(shí)測(cè)除草期內(nèi)稻株在此高度上的莖稈撓度，統(tǒng)計(jì)表明，當(dāng)施加作用力小于0.24 N時(shí)，稻莖撓度一般不超過1 cm，此位移量不會(huì)對(duì)測(cè)量精度造成太大影響。因此，為保證稻株在測(cè)量時(shí)僅發(fā)生小變形，感知梁抗彎剛度設(shè)計(jì)原則應(yīng)滿足在感知梁根部施加0.24 N作用力時(shí)，在作用力方向上感知梁的彎曲程度應(yīng)保證測(cè)量裝置能通過被測(cè)量對(duì)象。這樣感知梁任意位置與稻株作用時(shí)，既保證感知裝置可通過稻株，又減小了稻株變形。

3.2 感知梁制作

感知裝置的核心部件為Flex 2.2型柔性彎曲傳感器，由分子聚合物 PEDOT：PSS(聚3，4-乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸)薄膜制作而成。考慮到柔性彎曲傳感器自身彎曲剛度較小，過于敏感易受干擾，采用了不同厚度的薄鋼片作為彎曲傳感器的襯底以增加其彎曲剛度，片與片間通過多根橡膠套固定，結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中，襯底組成為3片0.2 mm、2片0.5 mm及1片1 mm的薄鋼片，不同厚度的薄鋼片，可以獲得相應(yīng)的抗彎剛度以適應(yīng)除草期內(nèi)的稻草力學(xué)參數(shù)；同時(shí)，多片結(jié)構(gòu)在彎曲或反彈時(shí)，橡膠套與鋼片、鋼片與鋼片之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的內(nèi)部摩擦也消耗了振動(dòng)能量，在一定程度上抑制了彎曲傳感器在相鄰稻株間非接觸狀態(tài)下的振動(dòng)，提高了數(shù)據(jù)采集的可靠性。

圖4 感知梁結(jié)構(gòu)圖

3.3 感知梁標(biāo)定

由于彎曲傳感器是電阻式傳感器，必須將彎曲傳感器檢測(cè)到的電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并將該信號(hào)值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)以便于被單片機(jī)識(shí)別。在設(shè)計(jì)的單片機(jī)系統(tǒng)中，單片機(jī)的供電電源為 5 V，因此轉(zhuǎn)換后的信號(hào)電壓范圍應(yīng)在0～5 V。彎曲傳感器數(shù)據(jù)采集電路如圖5所示。在該彎曲傳感器數(shù)據(jù)采集電路中，R1和R2為串聯(lián)電阻，R3為彎曲傳感器的電阻。為了保證采集到的電壓信號(hào)值處于合理的范圍內(nèi)(0～5 V之間)，串聯(lián)電阻均為10 kΩ。GND為接地端，與單片機(jī)接地端共地；VCC為電源電壓，設(shè)定VCC為5 V電源；Vout為采集電路信號(hào)輸出端電壓，則輸出電壓為

(7)

圖5 彎曲傳感器采集電路

為了實(shí)時(shí)獲取感知裝置與稻行中心線的距離，對(duì)前、后排彎曲傳感器分別進(jìn)行標(biāo)定，得到同排左右兩側(cè)感知梁的形變電壓差與感知裝置偏距(感知裝置中心與所在稻行中心線的距離)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，標(biāo)定裝置如圖6所示，包括導(dǎo)軌架、標(biāo)定桿、標(biāo)尺等。

圖6 標(biāo)定裝置實(shí)物圖

標(biāo)定桿用以模擬稻株莖稈，行距為300 mm，株距為150 mm，通過以每次10 mm的距離橫移左右兩側(cè)的標(biāo)定桿，獲得感知裝置從左側(cè)極限位置(左側(cè)感知梁根部與標(biāo)定桿接觸)至右側(cè)極限位置(右側(cè)感知梁根部與標(biāo)定桿接觸)的偏距。試驗(yàn)時(shí)，推動(dòng)測(cè)量裝置在導(dǎo)軌上滑動(dòng)，彎曲傳感器與標(biāo)定桿從接觸到脫離過程中，輸出電壓隨彎曲傳感器彎曲程度增加而逐漸增大，當(dāng)彎曲傳感器脫離標(biāo)定桿時(shí)，輸出電壓驟然減小。此時(shí)，記錄彎曲傳感器最大電壓(最大變形量)，并以同排左右兩側(cè)彎曲傳感器的電壓差作為x軸，對(duì)應(yīng)的裝置偏距作為y軸，建立坐標(biāo)并擬合標(biāo)定數(shù)據(jù)，規(guī)定y軸正向表示感知裝置在稻行偏左位置，反之在稻行偏右位置，y值為零表示在稻行正中間位置?？紤]電路電壓信號(hào)穩(wěn)定問題，對(duì)每次標(biāo)定試驗(yàn)重復(fù)3次，數(shù)據(jù)取平均值，擬合結(jié)果如圖7所示，可見裝置偏距與感知梁的電壓差呈非線性關(guān)系，具體映射關(guān)系為：前排y1=1.885 6x2+0.326x-6.675 1，后排y2=2.127 4x2-0.903 6x-6.407 7。因彎曲傳感器初始電阻不同(經(jīng)過剪短處理)，當(dāng)裝置偏距為零時(shí)，左右兩側(cè)彎曲傳感器的電壓差可能不為零。

圖7 裝置偏距與電壓差關(guān)系曲線

4 水稻行彎度測(cè)量方法

4.1 相鄰稻株橫向偏量計(jì)算方法

機(jī)插秧過程中，相鄰稻株產(chǎn)生的橫向偏量在苗帶內(nèi)的累積形成了稻行彎度，準(zhǔn)確獲取相鄰稻株的橫向偏量是水稻行精準(zhǔn)描述的關(guān)鍵。為此，利用多傳感器技術(shù)，以前后排獨(dú)立測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值為偏量數(shù)據(jù)，并將其與前后排共同測(cè)量的偏量數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證比較，剔除異常數(shù)據(jù)，以期提高稻株橫向偏量測(cè)量的精度及可靠性。

圖8 感知梁與相鄰稻株接觸測(cè)量過程示意圖

感知梁與相鄰稻株接觸測(cè)量過程如圖8所示。感知梁沿稻行行進(jìn)依次經(jīng)過任意稻列A0、A1，以前排彎曲傳感器與稻列A0剛好接觸為初始位置，如圖8a所示。繼續(xù)行進(jìn)，前排左右兩側(cè)的彎曲傳感器將受稻列A0阻滯而發(fā)生彎曲變形，進(jìn)一步行進(jìn)，前排彎曲傳感器在脫離稻列A0時(shí)刻后，彎曲的峰值將被記錄，如圖8b所示。因此，經(jīng)過同一稻列時(shí)左右兩側(cè)彎曲傳感器彎曲峰值差異可作為測(cè)量感知裝置偏離稻行中心線的距離，即裝置偏距。脫離稻列A0后的彎曲傳感器在梁材料自身彈性作用下形變量迅速減小至恢復(fù)線性狀態(tài)，直到與下一稻列A1接觸，如圖8c所示，同樣方法后排感知梁也可測(cè)量感知裝置處于稻列A1時(shí)的偏距。理想水稻移栽模式下，感知裝置在相鄰稻列A0、A1測(cè)得的偏距應(yīng)該相等。然而，實(shí)際中出現(xiàn)的偏距差異正是因?yàn)橄噜彽玖性谝圃詴r(shí)出現(xiàn)了橫向偏量。因此，相鄰稻株的橫向偏量可以用偏距差異量表示。

同理，相鄰稻列A0、A1間的偏量也可通過后排彎曲傳感器獲得，為了提高準(zhǔn)確性取前后排感知結(jié)果的平均值為相鄰稻列的偏量。但由于彎曲傳感器與稻株接觸及脫離過程中，稻田雜草阻礙干擾及機(jī)具在相鄰株距間航向略微變化等原因，難免會(huì)對(duì)稻株位置形成誤判，影響相鄰稻株偏量數(shù)值的準(zhǔn)確性。為此，采集前后排彎曲傳感器同時(shí)受到稻株阻礙而發(fā)生彎曲形變的數(shù)據(jù)，如圖8d所示，并記錄形變峰值，則此時(shí)由前后排感知梁分別獲取前后相鄰稻列A0、A1的偏距，可作為感知梁的偏量檢驗(yàn)量，并與前后排感知梁的平均偏量結(jié)果進(jìn)行比較，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)情況，當(dāng)兩種感知方式相差不超過規(guī)定范圍，則判定相鄰稻列的偏量為可靠數(shù)據(jù)，作為后續(xù)水稻行彎度計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4.2 水稻行彎度計(jì)算方法

為獲得稻行彎度信息，建立絕對(duì)坐標(biāo)系xOy，x軸為稻行方向，y軸為稻列方向，如圖9所示，Dn為任意偏植的稻株，過Dn作稻行x的平行線，則dn為相應(yīng)稻株的橫向偏量；稻株DnDn-1連線與y軸夾角δ為相鄰稻株的偏角，則D1Dn段稻行的彎度可表示偏角的累積之和，則有

(8)

公式(8)也可用稻株的橫向偏量表示為

(9)

式中l(wèi)Dn-1Dn——第n-1株與第n株稻株的距離

圖9 稻行彎度示意圖

5 田間試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)條件

稻行彎度可由相鄰稻株的偏角進(jìn)行量化描述，而偏角取決于相鄰稻株的橫向偏量。因此，稻株彎度測(cè)量試驗(yàn)的指標(biāo)選定為相鄰稻列的橫向偏量。同時(shí)，為了檢驗(yàn)水稻行彎度測(cè)量裝置在田間實(shí)際環(huán)境下的測(cè)量精度及穩(wěn)定性，選擇對(duì)測(cè)量結(jié)果有主要影響的實(shí)際生產(chǎn)因素進(jìn)行試驗(yàn)，明確裝置的行進(jìn)速度、稻穴株數(shù)及水層厚度等因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響規(guī)律。

田間試驗(yàn)在廣東省肇慶市國(guó)家水稻產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系綜合試驗(yàn)站進(jìn)行，稻行彎度的大小、數(shù)量及彎曲方向由插秧機(jī)操作人員根據(jù)常規(guī)作業(yè)情況隨機(jī)產(chǎn)生，如圖10所示。測(cè)試區(qū)長(zhǎng)度為150 m，劃分成若干測(cè)試段，每個(gè)測(cè)試段包含91個(gè)稻穴(共有90組相鄰稻株的橫向偏量)，測(cè)試段間預(yù)留10 m起步區(qū)，以保證機(jī)具進(jìn)入測(cè)區(qū)后速度穩(wěn)定。試驗(yàn)對(duì)象為移栽15 d的雜交稻五優(yōu)1179，水稻行距30 cm，株距15 cm，株高15～20 cm，稻穴株數(shù)2～6株，稻穴直徑2～3 cm。此時(shí)，雜草萌發(fā)主要以稗草、千金子等禾本科為主，株高為3～5 cm。

圖10 稻行彎度測(cè)量試驗(yàn)區(qū)

5.2 試驗(yàn)方法

水稻行彎度測(cè)量主要為機(jī)械除草避苗控制系統(tǒng)提供決策數(shù)據(jù)。本文選擇水稻行距30 cm，行間除草部件作業(yè)寬度20 cm為機(jī)械除草實(shí)況，規(guī)定除草輪與稻株安全距離為2 cm，則除草輪左右橫向避苗移動(dòng)的距離閾值為3 cm，因此，為使測(cè)量裝置對(duì)避苗控制系統(tǒng)有指導(dǎo)作用，測(cè)量的橫向偏量誤差應(yīng)小于3 cm。

試驗(yàn)時(shí)，測(cè)量裝置隨插秧機(jī)行進(jìn)，進(jìn)入測(cè)試區(qū)前調(diào)整好移動(dòng)速度，并在測(cè)試過程中保持速度穩(wěn)定。以測(cè)試區(qū)內(nèi)第1株稻株(穴)為基準(zhǔn)，測(cè)量與相鄰稻株橫向偏量，隨測(cè)量裝置行進(jìn)，相鄰稻株的橫向偏量將被持續(xù)記錄，直到測(cè)試區(qū)內(nèi)最后1株稻株(穴)為止。

5.2.1不同行進(jìn)速度的偏量測(cè)量試驗(yàn)

感知梁以不同行進(jìn)速度與稻株接觸產(chǎn)生的瞬時(shí)沖擊力是不同的，在稻草力學(xué)參數(shù)辨識(shí)上可能形成誤判；另外，在稻行間行進(jìn)，感知梁與稻株周期性作用產(chǎn)生的形變頻率也會(huì)隨行進(jìn)速度的提高而增加，造成懸臂式感知梁的擺動(dòng)干擾，可能影響測(cè)量精度。因此，需要分析不同行進(jìn)速度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

根據(jù)水田機(jī)械除草常規(guī)作業(yè)行進(jìn)速度，選擇0.5、1.0、1.5 m/s為試驗(yàn)因素，在水層厚度為5 cm情況下，統(tǒng)計(jì)測(cè)試段內(nèi)連續(xù)90組稻株的橫向偏量。在此基礎(chǔ)上，將測(cè)量結(jié)果與人工測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，獲得感知裝置測(cè)量結(jié)果的誤差分布情況。

5.2.2不同稻穴株數(shù)的偏量測(cè)量試驗(yàn)

除草期內(nèi)，稻穴內(nèi)稻株叢生，移栽時(shí)取秧量不同、生長(zhǎng)過程中分蘗數(shù)不一，測(cè)量時(shí)感知梁與稻株接觸作用的力值及位置將會(huì)影響稻株的識(shí)別與定位精度，因此，需要分析不同稻穴株數(shù)差異對(duì)測(cè)量誤差的影響規(guī)律。

為了比較不同稻穴株數(shù)的離散程度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，插秧機(jī)在多個(gè)測(cè)試區(qū)內(nèi)行駛，行進(jìn)速度為1.0 m/s，水層厚度為5 cm時(shí)，隨機(jī)選擇1～3株、4～5株及6株以上的稻穴各20組，檢驗(yàn)不同稻穴株數(shù)對(duì)測(cè)量精度及穩(wěn)定性的影響。

5.2.3不同水層厚度的偏量測(cè)量試驗(yàn)

根據(jù)裝置結(jié)構(gòu)和工作原理可知，感知裝置與稻株接觸測(cè)量位置由稻田水層厚度決定，在水田作業(yè)條件下，要求感知裝置對(duì)水層厚度應(yīng)具有一定的適應(yīng)性。因此，以除草期常規(guī)水層厚度3、4、5 cm為因素，在行進(jìn)速度為1.0 m/s時(shí)，統(tǒng)計(jì)測(cè)量段內(nèi)連續(xù)90組測(cè)量點(diǎn)的稻株橫向偏量。在此基礎(chǔ)上，將測(cè)量結(jié)果與人工測(cè)量結(jié)果比較，獲得感知裝置測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差分布情況。

5.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

5.3.1行進(jìn)速度與測(cè)量誤差分析

在3種行進(jìn)速度下，水層厚度為50 mm時(shí)各測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果與人工測(cè)量數(shù)值比較，誤差分布如圖11所示，從測(cè)量誤差的穩(wěn)定性看，行進(jìn)速度越大測(cè)量誤差分布越為離散，說明行進(jìn)速度的提高不利于測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性。相反，低速行進(jìn)的測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定性更好。從測(cè)量的精度看，行進(jìn)速度由低到高，3次重復(fù)的平均誤差分別為4.95、5.36、5.90 mm，最大誤差分別為6.6、7.4、8.3 mm。因此，在不同行進(jìn)速度下，就測(cè)量精度及穩(wěn)定性方面判斷觸覺作為一種稻株識(shí)別與定位的感知方式是可行的。

圖11 不同行進(jìn)速度的橫向偏量測(cè)量結(jié)果

5.3.2稻穴株數(shù)與測(cè)量誤差分析

不同稻穴株數(shù)的橫向偏量測(cè)量結(jié)果如表1所示，誤差大小與株數(shù)有一定的相關(guān)性。其中，稻穴株數(shù)為6株以上的測(cè)量誤差最小，平均誤差為2.56 mm，4～5株的平均誤差較大，為4.36 mm，1～3株測(cè)量的平均誤差最大，為6.17 mm。主要原因在于稻穴株數(shù)越多生理力學(xué)的抗彎剛度越大，在與感知梁接觸作用時(shí)自身變形就越小，感知梁測(cè)量也就越準(zhǔn)確。相對(duì)而言，1～3株稻株莖稈力較小，感知梁在其莖稈梳滑過程中莖稈的輕微變形會(huì)影響感知梁的彎曲程度，進(jìn)而影響測(cè)量結(jié)果，但從避苗控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用角度，測(cè)量的精度及對(duì)不同稻穴株數(shù)的適應(yīng)性滿足測(cè)量要求。

表1 不同稻穴株數(shù)的橫向偏量測(cè)量誤差統(tǒng)計(jì)

圖12 不同水層厚度的橫向偏量測(cè)量結(jié)果

5.3.3稻田水層厚度與測(cè)量誤差分析

為評(píng)價(jià)所設(shè)計(jì)的感知裝置是否適應(yīng)不同水層厚度的要求，在3種水層厚度下，進(jìn)行了相鄰稻株偏量測(cè)量試驗(yàn)，獲得的測(cè)量誤差變化如圖12所示。

由圖12可知，稻株橫向偏量的測(cè)量誤差與水層厚度沒有明顯相關(guān)性，測(cè)量點(diǎn)均在人工測(cè)量點(diǎn)附近上下浮動(dòng)，相鄰稻株橫向偏量的誤差控制在14 mm范圍內(nèi)。因此，感知裝置的測(cè)量結(jié)果受水層厚度影響較小，測(cè)量精度也滿足避苗作業(yè)的實(shí)際要求。

6 結(jié)論

(1)針對(duì)水田環(huán)境下稻株的識(shí)別與定位問題，提出了一種觸覺感知方法，農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝融合，根據(jù)稻草辨識(shí)的力學(xué)差異及除草期的生理高度，確定了感知梁的抗彎剛度，并進(jìn)行了傳感器標(biāo)定，建立了裝置偏距與感知梁電壓差的映射關(guān)系。

(2)設(shè)計(jì)了一種基于彎曲傳感器的感知梁，并結(jié)合多傳感器技術(shù)，通過4根感知梁形變的電壓特征測(cè)量出相鄰稻株的橫向偏量。在此基礎(chǔ)上，提出了一種稻行彎度計(jì)算方法。

(3)行進(jìn)速度試驗(yàn)表明，行進(jìn)速度的提高不利于測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性，在行進(jìn)速度為1.5 m/s時(shí)，平均誤差為5.90 mm，最大誤差8.30 mm；稻穴株數(shù)試驗(yàn)表明，稻穴株數(shù)為6株以上的測(cè)量誤差最小，平均誤差為2.56 mm，4～5株的平均誤差較大，為4.36 mm，1～3株測(cè)量的平均誤差最大，為6.17 mm；水層厚度試驗(yàn)表明，測(cè)量誤差與水層厚度沒有明顯相關(guān)性，相鄰稻株橫向偏量的誤差可控制在14 mm范圍內(nèi)。