樹(shù)木保溫材料纏繞、涂白與病蟲(chóng)害智能識(shí)別防治一體機(jī)的設(shè)計(jì)

張智勇 楊宇 錢(qián)青

摘?要：隨著城市綠化建設(shè)的不斷推進(jìn)，樹(shù)木凍害、蟲(chóng)害的防治逐步成為園林綠化部門(mén)的工作重點(diǎn)。傳統(tǒng)人工作業(yè)效率較低，一致性不高，因此，急需一種低成本、高質(zhì)、高效的綠化樹(shù)木防寒防治設(shè)備。通過(guò)分析研究連續(xù)纏繞機(jī)械裝置的結(jié)構(gòu)原理及其工作負(fù)載的產(chǎn)生機(jī)理，建立基于百度AI的EasyDL定制化訓(xùn)練和服務(wù)平臺(tái)的病蟲(chóng)害圖譜智能識(shí)別模型，優(yōu)化涂白工藝參數(shù)，設(shè)計(jì)精準(zhǔn)施藥裝置，開(kāi)發(fā)了樹(shù)木保溫材料纏繞、涂白與病蟲(chóng)害智能識(shí)別防治一體機(jī)。實(shí)現(xiàn)了保溫材料連續(xù)纏繞、涂白、病蟲(chóng)害圖像智能識(shí)別及精準(zhǔn)施藥治理等功能的集成一體化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊、功能多樣、可操作性較強(qiáng)、地形適用范圍廣，可高質(zhì)高效的完成綠化樹(shù)木保溫材料纏繞、病蟲(chóng)害監(jiān)管與施藥治理等工作。

關(guān)鍵詞：綠化樹(shù)木;防寒;病蟲(chóng)害;連續(xù)纏繞;智能識(shí)別;精準(zhǔn)施藥

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(guó)工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，自動(dòng)化技術(shù)的推廣應(yīng)用已深入各行各業(yè)。實(shí)現(xiàn)機(jī)器設(shè)備、系統(tǒng)或過(guò)程（生產(chǎn)、管理過(guò)程）在無(wú)人或較少人的直接參與下，經(jīng)自動(dòng)檢測(cè)、信息處理、分析判斷、操縱控制，達(dá)到預(yù)期的任務(wù)要求。機(jī)械自動(dòng)化已經(jīng)被提出多年，但在行道、公園綠化樹(shù)木的防寒和病蟲(chóng)害檢測(cè)、預(yù)防等進(jìn)程仍然較為緩慢[1-2]。

城市綠化建設(shè)過(guò)程中許多樹(shù)木需要移植栽培，易受到各類(lèi)創(chuàng)傷，導(dǎo)致成活率降低。為了提高綠化樹(shù)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(shù)木表面，以達(dá)到保溫、保濕、遮陽(yáng)等目的[3-4]。在寒冷的冬季，樹(shù)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(shù)木保溫材料不能根據(jù)季節(jié)變化進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，冬季給樹(shù)木纏繞保溫材料，春季需及時(shí)卸下，如不及時(shí)進(jìn)行人工更換處理則會(huì)引起病菌害蟲(chóng)，影響綠化樹(shù)木的健康生長(zhǎng)。因此，季節(jié)更替導(dǎo)致綠化樹(shù)木每年都需要進(jìn)行防寒和病蟲(chóng)害防治工作，然而傳統(tǒng)綠化養(yǎng)護(hù)基本采用人工操作，工作量大、質(zhì)量一致性較差且效率較低[5]。保護(hù)綠化樹(shù)木抵御寒冷安全越冬，一直以來(lái)都是國(guó)內(nèi)外植物防治領(lǐng)域的重要研究方向。目前國(guó)內(nèi)采用的防寒、病蟲(chóng)害治理措施，仍以人工作業(yè)為主，尚無(wú)成熟的機(jī)械自動(dòng)化解決方案。

1?設(shè)計(jì)思路及總體方案

調(diào)查分析樹(shù)木保溫材料纏繞、涂白與病蟲(chóng)害智能識(shí)別防治一體機(jī)的使用環(huán)境和行走轉(zhuǎn)移工況，設(shè)計(jì)合理的行走機(jī)構(gòu)，確保行走轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的便捷性與可靠性。研究柔性保溫材料連續(xù)纏繞機(jī)械裝置的機(jī)構(gòu)原理及其工作負(fù)載的產(chǎn)生機(jī)理，設(shè)計(jì)可不間斷連續(xù)實(shí)施柔性保溫材料纏繞的機(jī)構(gòu)。建立基于百度AI的EasyDL定制化訓(xùn)練和服務(wù)平臺(tái)的病蟲(chóng)害圖譜智能識(shí)別模型。優(yōu)化涂白霧化噴射速度、角度等參數(shù)，設(shè)計(jì)高精度定位裝置，實(shí)現(xiàn)基于蟲(chóng)洞位置的治理藥物的自動(dòng)化精準(zhǔn)施藥，具體如圖1所示。

2?機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本機(jī)械設(shè)備整機(jī)主要分為：行走轉(zhuǎn)移與升降裝置、連續(xù)纏繞裝置、可調(diào)節(jié)涂白裝置、圖像智能識(shí)別系統(tǒng)、精密施藥治理裝置五個(gè)部分，各部分共同配合工作，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)定的目標(biāo)功能，實(shí)物如圖2所示。

2.1?行走移動(dòng)與升降裝置的設(shè)計(jì)

行走移動(dòng)與升降裝置中的水平行走移動(dòng)機(jī)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備在需要養(yǎng)護(hù)的樹(shù)木之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移。其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由水平驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器、動(dòng)力傳遞機(jī)構(gòu)和滾輪組成，減速器的輸入端連接水平驅(qū)動(dòng)電機(jī)，輸出端連接動(dòng)力傳遞機(jī)構(gòu)，通過(guò)減速增矩作用提高驅(qū)動(dòng)力矩，動(dòng)力傳遞機(jī)構(gòu)將驅(qū)動(dòng)力矩傳遞給滾輪，實(shí)現(xiàn)水平行走移動(dòng)功能，如圖3所示。

2.2?連續(xù)纏繞裝置的設(shè)計(jì)

連續(xù)纏繞機(jī)構(gòu)的作用是帶動(dòng)柔性保溫材料繞著樹(shù)干做連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將柔性保溫材料均勻纏繞在樹(shù)干上。連續(xù)纏繞機(jī)構(gòu)主要由緩存纏繞環(huán)、滾柱、壓緊彈簧片、同步帶輪、同步帶、同步帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)、支撐滾輪和定位滾輪組成，如圖4所示。同步帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)與同步帶輪連接，驅(qū)動(dòng)同步帶輪旋轉(zhuǎn)，同步帶周向固定在緩存纏繞環(huán)底部?jī)?nèi)側(cè)，與同步帶輪嚙合，同步帶輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)緩存纏繞環(huán)旋轉(zhuǎn)。緩存纏繞環(huán)由周向布置的8個(gè)支撐滾輪支撐于底板上，定位滾輪安裝在底板圓環(huán)結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)，與裝有同步帶的緩存纏繞環(huán)內(nèi)側(cè)底部接觸，將緩存纏繞環(huán)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的偏心量控制在規(guī)定的范圍以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)緩存纏繞環(huán)的同心旋轉(zhuǎn)。8個(gè)滾柱周向均勻布置在緩存纏繞環(huán)上端平面上，因?yàn)槿嵝员夭牧弦欢吮粖A具固定在樹(shù)干表面，故旋轉(zhuǎn)后滾柱帶動(dòng)柔性保溫材料纏繞，一部分柔性保溫材料纏繞在樹(shù)干表面，一部分存儲(chǔ)纏繞在緩存纏繞環(huán)上，當(dāng)存儲(chǔ)量達(dá)到目標(biāo)值時(shí)，暫停纏繞，剪切機(jī)構(gòu)執(zhí)行柔性保溫材料的剪切操作。剪切后繼續(xù)啟動(dòng)實(shí)施纏繞作業(yè)，柔性保溫材料末端由布置在緩存纏繞環(huán)上端平面邊緣的8個(gè)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(shù)木上纏繞的總?cè)?shù)為

N=H÷hn=nHh（圈）（1）

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

纏繞一棵樹(shù)所使用的繃帶總長(zhǎng)度L為

L=2πr·N （m）（2）

2.3?可調(diào)節(jié)涂白裝置設(shè)計(jì)

工作緩存纏繞環(huán)上裝有6個(gè)卡扣，卡扣上裝有噴嘴。6個(gè)噴嘴的安裝周向互成60°，實(shí)現(xiàn)圍繞樹(shù)木360°范圍內(nèi)有效噴涂。在纏繞裝置上升的過(guò)程中，噴嘴通過(guò)所連接的橡膠軟管連接涂白劑，實(shí)現(xiàn)一邊上升一邊噴涂。在到達(dá)指定的纏繞最高高度時(shí)，結(jié)束噴涂，取下噴嘴，后續(xù)完成纏繞繃帶或者草繩。此優(yōu)勢(shì)在于與其他功能不發(fā)生干涉影響，從而達(dá)到涂白目的，也可僅完成涂白工作，限制較小。

2.4?精準(zhǔn)施藥裝置設(shè)計(jì)

精準(zhǔn)施藥裝置主要由注射頭精準(zhǔn)定位機(jī)構(gòu)和藥物劑量控制兩部分組成。定位過(guò)程分為粗定位和精定位兩步，粗定位沿樹(shù)干上下方向升降動(dòng)作由行走移動(dòng)與升降裝置中的絲杠導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，沿樹(shù)干周向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由纏繞裝置實(shí)現(xiàn)，初步尋徑確定蟲(chóng)洞的大概位置。精準(zhǔn)定位機(jī)構(gòu)包括十字微調(diào)滑臺(tái)、激光掃描器、支撐柱、電動(dòng)推桿和注射頭，粗定位結(jié)束后，電動(dòng)推桿推送注射頭和激光掃描器向目標(biāo)蟲(chóng)洞運(yùn)動(dòng)，激光掃描器不斷掃描，判斷注射頭偏離蟲(chóng)洞的方位和距離，通過(guò)十字微調(diào)滑臺(tái)和電動(dòng)推桿控制空間三個(gè)坐標(biāo)方向的微調(diào)，從而尋徑到洞口實(shí)施藥物注射。藥物劑量控制任務(wù)由流量計(jì)量泵完成，流量計(jì)量泵和藥物儲(chǔ)蓄罐與微調(diào)裝置支撐柱一樣，安裝在緩存纏繞環(huán)上，藥物輸送軟管一端連接計(jì)量泵一端連接注射頭，即可實(shí)現(xiàn)藥物的定量注射。

3?控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，由伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器、PLC控制器等組成。通過(guò)對(duì)伺服電機(jī)的速度反饋控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)柔性保溫材料旋轉(zhuǎn)纏繞、涂白升降、旋轉(zhuǎn)圖像采集、注藥殺蟲(chóng)的動(dòng)態(tài)及穩(wěn)態(tài)的控制要求。主要分為三個(gè)功能模塊：連續(xù)纏繞控制系統(tǒng)、涂白控制系統(tǒng)、精準(zhǔn)施藥裝置控制系統(tǒng)。

3.1?連續(xù)纏繞控制系統(tǒng)

連續(xù)纏繞裝置控制系統(tǒng)分為七個(gè)部分：高度控制、夾持控制、計(jì)長(zhǎng)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(zhuǎn)纏繞的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定特性，是連續(xù)纏繞裝置控制系統(tǒng)的關(guān)鍵;夾持控制和推送控制負(fù)責(zé)將柔性保溫材料推送至樹(shù)干表面，完成柔性保溫材料的初步固定任務(wù);剪切控制負(fù)責(zé)在樹(shù)干纏繞即將完成時(shí)，剪切柔性保溫材料;最后的收尾控制需要完成膠裝的任務(wù);計(jì)長(zhǎng)控制主要任務(wù)就是負(fù)責(zé)計(jì)算柔性保溫材料的已使用量，纏繞量達(dá)到頂峰時(shí)使纏繞裝置停止工作。各個(gè)模塊的組合實(shí)現(xiàn)機(jī)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(tǒng)

涂白控制系統(tǒng)控制6個(gè)噴嘴，自上而下噴涂涂白劑。設(shè)置涂白高度，啟動(dòng)提升裝置，到達(dá)設(shè)置高度，開(kāi)啟涂白泵，涂白裝置下降。到達(dá)底部時(shí)，通過(guò)限位開(kāi)關(guān)，關(guān)閉涂白泵，控制電機(jī)停止下降。

3.3?精準(zhǔn)施藥裝置控制系統(tǒng)

注藥裝置安裝在攝像頭正上方，設(shè)置一定的高度差。當(dāng)攝像頭正面垂直捕捉到蟲(chóng)洞時(shí)，PLC控制旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)，控制垂直提升伺服電機(jī)，將提升裝置下降一個(gè)高度差，實(shí)現(xiàn)了蟲(chóng)洞的粗定位。通過(guò)激光掃描找到蟲(chóng)洞，十字滑臺(tái)實(shí)現(xiàn)精確定位，電動(dòng)推桿將注藥針頭送至蟲(chóng)洞口，注藥針頭伸出，針頭壓力傳感器大于設(shè)定值時(shí)即表明針頭伸入蟲(chóng)洞內(nèi)，開(kāi)啟注藥泵，藥水從側(cè)面針孔注入蟲(chóng)洞內(nèi)部毒殺害蟲(chóng)，控制系統(tǒng)如圖6所示。

4?病蟲(chóng)害圖譜智能識(shí)別防治系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地識(shí)別出林木病害、蟲(chóng)害是有效開(kāi)展病情、蟲(chóng)情防治工作的重要前提。目前，我國(guó)林業(yè)病蟲(chóng)害的診斷方法主要是依靠人工識(shí)別，主觀因素大，實(shí)時(shí)性差[6-7]。本設(shè)備集成了基于深度學(xué)習(xí)的樹(shù)木病蟲(chóng)害圖像智能識(shí)別系統(tǒng)，包括樹(shù)干360°旋轉(zhuǎn)圖像采集、移動(dòng)客戶端、云服務(wù)端和樹(shù)木病蟲(chóng)害圖像智能識(shí)別模型，實(shí)現(xiàn)病蟲(chóng)害高效、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確識(shí)別與防治。

樹(shù)木病蟲(chóng)害圖像智能識(shí)別系統(tǒng)核心使用了百度AI的EasyDL定制化訓(xùn)練和服務(wù)平臺(tái)，通過(guò)上傳樹(shù)木病蟲(chóng)害圖譜訓(xùn)練模型獲取樹(shù)木病蟲(chóng)害、人工標(biāo)注學(xué)習(xí)獲取病蟲(chóng)害識(shí)別模型，系統(tǒng)通過(guò)云端Rest API調(diào)用模型，實(shí)現(xiàn)病蟲(chóng)害圖像智能識(shí)別。系統(tǒng)作業(yè)的主要流程如圖7所示。首先通過(guò)360°旋轉(zhuǎn)圖像采集獲取樹(shù)干表面原始圖像，經(jīng)過(guò)WiFi送至主機(jī)進(jìn)行圖像拼接和病蟲(chóng)斑分割;其次將分割后病蟲(chóng)斑圖像送至樹(shù)木病蟲(chóng)害圖像識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別;識(shí)別后的病蟲(chóng)害信息、樹(shù)木直徑和地理位置信息存入信息系統(tǒng)供管理人員使用，實(shí)現(xiàn)病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)、防治。

5?結(jié)論

樹(shù)木保溫材料纏繞、涂白與病蟲(chóng)害智能識(shí)別防治一體機(jī)作為一種綠化樹(shù)木自動(dòng)化養(yǎng)護(hù)設(shè)備，集柔性保溫材料連續(xù)纏繞、涂白、病蟲(chóng)害圖像智能識(shí)別和蟲(chóng)洞精準(zhǔn)施藥多種功能于一體，可實(shí)現(xiàn)綠化樹(shù)木的高質(zhì)、高效、低成本養(yǎng)護(hù)與防治。解決當(dāng)前國(guó)內(nèi)綠化樹(shù)木防寒防治機(jī)械設(shè)備研制功能單一、自動(dòng)化程度不高的難題，發(fā)展方向先進(jìn)，性價(jià)比高，引導(dǎo)了城市綠化養(yǎng)護(hù)設(shè)備自動(dòng)化升級(jí)進(jìn)程。對(duì)于城市建設(shè)養(yǎng)護(hù)部門(mén)而言，本產(chǎn)品適合大面積推廣應(yīng)用，產(chǎn)業(yè)化前景良好。

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