農(nóng)業(yè)無人精準(zhǔn)噴霧車的應(yīng)用現(xiàn)狀分析*

梁盛開，謝金冶，劉彬彬，施沛均，林 甄

(1.三亞學(xué)院，海南 三亞 572022；2.中國人民解放軍91515部隊(duì))

0 引言

經(jīng)濟(jì)發(fā)展離不開農(nóng)業(yè)，且我國是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大國，在社會(huì)飛速發(fā)展的同時(shí)，農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展顯得尤為重要。現(xiàn)階段對(duì)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)噴霧的需求日益增大，為了推動(dòng)機(jī)械化生產(chǎn)，無人設(shè)備進(jìn)入農(nóng)業(yè)已成為主流。無人精準(zhǔn)噴霧車輛具有高效性，靈活性，操作安全等優(yōu)點(diǎn)，其中，操作的效率是人工的數(shù)十倍。目前國內(nèi)外都已開展研究農(nóng)業(yè)無人精準(zhǔn)噴霧器械(如圖1)，其中農(nóng)用無人精準(zhǔn)噴霧車按動(dòng)力模塊可分為油動(dòng)無人車和電動(dòng)無人車。相對(duì)于電動(dòng)噴霧車，油動(dòng)的噴霧車優(yōu)點(diǎn)為負(fù)載量大、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，油動(dòng)車的噴霧泵壓力更大，霧滴的穿透能力更強(qiáng)，有效吸附率更大，噴灑作業(yè)能力遠(yuǎn)勝于電動(dòng)噴霧車；缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)試難度大，發(fā)動(dòng)機(jī)壽命有不確定性，維護(hù)門檻、成本較高。電動(dòng)噴霧車機(jī)械機(jī)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，易于控制，電調(diào)控制系統(tǒng)成熟，調(diào)試也方便，機(jī)械維護(hù)方便，但電動(dòng)噴霧的載荷能力弱，工作時(shí)間短，電池的循環(huán)次數(shù)也有限，僅為2000次。

圖1 巴西第三代自主式Arbus 4000 JAV噴霧機(jī)器人

1 噴霧技術(shù)

農(nóng)藥的霧滴噴灑是解決農(nóng)場(chǎng)地病害的主要方式之一，但是人工作業(yè)方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，費(fèi)水費(fèi)藥，效率低下安全系數(shù)也差。相比較，精準(zhǔn)噴霧車有以下優(yōu)點(diǎn)：

1) 超高的工作效率，且不受天氣地形影響，運(yùn)輸方便。

2) 施藥強(qiáng)度遠(yuǎn)大于人工作業(yè)，噴藥能力和精準(zhǔn)度也大大提高。大型噴霧泵產(chǎn)生的霧滴更細(xì)密，覆蓋率更廣，可對(duì)植株進(jìn)行全方位覆蓋[1-3]。

3) 節(jié)水省藥。無人噴霧車能進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別噴霧的范圍，并自動(dòng)進(jìn)行施藥量的判斷進(jìn)行噴藥，全自動(dòng)高效省時(shí)省力。

4) 快速部署能力強(qiáng)，針對(duì)作業(yè)農(nóng)田進(jìn)行地理位置勘探，進(jìn)行定位路徑規(guī)劃即可生成作業(yè)方案。

5) 安全系數(shù)高，操作人員可遠(yuǎn)距離監(jiān)視不接觸機(jī)器以及藥液。

6) 維護(hù)方便，模塊化設(shè)計(jì)使得機(jī)器拆卸方便，維護(hù)便捷。

噴霧的類型國內(nèi)普遍在用傳統(tǒng)壓力噴霧，使用動(dòng)力模塊基本為電動(dòng)柱塞泵以及油動(dòng)高壓泵。經(jīng)過大量研究以及實(shí)驗(yàn)證明，在傳統(tǒng)壓力噴霧方式基礎(chǔ)上，加裝靜電發(fā)生模塊，變成靜電噴霧，能有效提高霧滴附著率，從而實(shí)現(xiàn)霧滴的全面覆蓋，也能精準(zhǔn)地噴到對(duì)應(yīng)植株上。其中，靜電噴霧分為接觸方式產(chǎn)生電荷，感應(yīng)方式產(chǎn)生電荷和電暈產(chǎn)生電荷。

2 施藥技術(shù)

雖然國內(nèi)西南部部分地區(qū)天氣炎熱水分充足，植物生長(zhǎng)茂盛，但是針對(duì)某一植株，某一種狀態(tài)的植物的施藥，還是使用人工鑒別打理等方式。無人精準(zhǔn)噴霧車靈活，識(shí)別鑒別效率高，可高效快速解決部分地區(qū)機(jī)械化不足等問題[4-8](如圖2)。無人精準(zhǔn)噴霧車工作時(shí)主要是先識(shí)別植株類型，再進(jìn)行比對(duì)信息庫內(nèi)對(duì)應(yīng)植株，得到藥劑搭配的方案，方案信息傳到主控中心進(jìn)行處理，發(fā)出噴藥以及配藥指令，通過識(shí)別植株的位置或者需要噴霧的位置進(jìn)行自動(dòng)定點(diǎn)定向精準(zhǔn)噴霧。

3 識(shí)別技術(shù)

在當(dāng)代科技飛速發(fā)展的時(shí)代背景下，農(nóng)業(yè)識(shí)別技術(shù)領(lǐng)域需求越來越大，植株識(shí)別技術(shù)發(fā)展任重而道遠(yuǎn)。在小成本研究開發(fā)的情況下，可在精準(zhǔn)噴霧車上安裝農(nóng)作物以及植株識(shí)別模塊(如圖3)。小成本識(shí)別模塊可用K210、Open mv和Open Cv進(jìn)行圖像識(shí)別，作業(yè)區(qū)域識(shí)別率高，單個(gè)植株分辨率也高，離線識(shí)別數(shù)據(jù)庫龐大。也可通過使用Openmv視覺傳感器進(jìn)行機(jī)器人的巡線、定位、測(cè)距、功能區(qū)域劃分等，可以根據(jù)農(nóng)田場(chǎng)地需求靈活改動(dòng)參數(shù)，以達(dá)到適應(yīng)各類復(fù)雜地形的效果。

使用K210進(jìn)行YOLOv2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)現(xiàn)，精準(zhǔn)的目標(biāo)檢測(cè)，可以提高機(jī)器人的效率。采用低功耗的機(jī)器學(xué)習(xí)設(shè)備，可以在低成本的條件下，實(shí)現(xiàn)高精準(zhǔn)的識(shí)別[9-14]。

圖3 圖像處理模塊

4 結(jié)論

相比傳統(tǒng)識(shí)別邏輯，傳統(tǒng)識(shí)別模塊基于樹莓派或本地微型計(jì)算機(jī)運(yùn)行opencv實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測(cè)等算法，K210脫機(jī)運(yùn)行，不影響主機(jī)性能。K210滿功率運(yùn)行總功耗低，成本更低，運(yùn)行更穩(wěn)定，且不需要更多地考慮散熱問題。因此K210運(yùn)用在機(jī)器人上，可以提高整機(jī)穩(wěn)定性，不會(huì)因某些器件原因?qū)е抡麢C(jī)無法使用。模塊化設(shè)計(jì)，K210的脫機(jī)運(yùn)行可以更好地使我們的機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下發(fā)揮效能[15-19]?，F(xiàn)階段，高效的農(nóng)業(yè)機(jī)器需求量劇增，國家大力推進(jìn)農(nóng)業(yè)無人設(shè)備的發(fā)展，使無人設(shè)備在農(nóng)業(yè)作業(yè)中得到推廣及應(yīng)用，但目前的無人設(shè)備都處于不完美階段，存在大量問題，需要設(shè)備廠商之間相互兼容協(xié)調(diào)，調(diào)試與作業(yè)效率才能更高，使得問題更少，加速推動(dòng)進(jìn)入農(nóng)業(yè)智慧科技時(shí)代。