基于冠層信息的馬鈴薯噴霧機(jī)噴桿高度控制系統(tǒng)研究

王相友 曲軍哲 許英超 李學(xué)強(qiáng) 肖正偉 王琳琳

(1.山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院,淄博 255091; 2.山東省馬鈴薯生產(chǎn)裝備智能化工程技術(shù)研究中心,德州 253600;3.山東思代爾農(nóng)業(yè)裝備有限公司,德州 253600)

0 引言

馬鈴薯是繼水稻、小麥、玉米之后的世界第四大糧食作物,隨著馬鈴薯種植面積的不斷增加,馬鈴薯田間病蟲草害的防治成為提高馬鈴薯產(chǎn)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1-4]。目前,國(guó)內(nèi)大田種植的馬鈴薯通過寬幅噴桿式噴霧機(jī)進(jìn)行植保作業(yè),現(xiàn)有的馬鈴薯噴霧機(jī)具有幅寬大、施藥量大等特點(diǎn),其作業(yè)幅寬普遍大于12 m,甚至可達(dá)42 m[5-8]。在田間作業(yè)時(shí),為保證噴霧效果,噴霧機(jī)噴桿與馬鈴薯植株冠層需要始終保持最佳施藥距離[9-11],但因植株長(zhǎng)勢(shì)不均勻以及地勢(shì)不平,噴霧機(jī)車身受外部激勵(lì)就會(huì)引起噴桿噴藥高度的變化,導(dǎo)致藥液噴灑不均勻,造成多噴或漏噴等問題[12-13],嚴(yán)重時(shí)噴桿末端還會(huì)觸碰地面或作物冠層,造成噴桿或植被損壞[14-16]。因此,實(shí)現(xiàn)噴桿高度的自動(dòng)調(diào)節(jié),實(shí)時(shí)檢測(cè)噴霧機(jī)噴桿相對(duì)作物冠層姿態(tài)是十分必要的。

近年來國(guó)內(nèi)外研究人員基于噴霧機(jī)田間作業(yè)時(shí)噴桿的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),并利用傳感器檢測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)噴桿高度自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究報(bào)道較多[17-22]。但實(shí)踐證明在針對(duì)噴桿高度控制的研究中,僅僅考慮噴桿的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而忽略對(duì)噴施作物冠層信息的研究,會(huì)導(dǎo)致噴霧機(jī)作業(yè)時(shí)噴桿相對(duì)冠層高度控制不準(zhǔn)確,難以達(dá)到精準(zhǔn)施藥的最終目的。目前針對(duì)作物冠層高度信息的研究較少,主要集中在采用超聲波傳感器來探測(cè)噴桿相對(duì)作物冠層高度,有研究表明超聲波傳感器可以檢測(cè)作物冠層的輪廓、高度和體積[23],但其易受外界環(huán)境干擾,對(duì)于冠層高度不均勻的作物檢測(cè)精度較差,尤其是在馬鈴薯從現(xiàn)蕾到初花期這個(gè)最佳噴藥時(shí)間段,此時(shí)段馬鈴薯植株枝葉錯(cuò)綜復(fù)雜,超聲波傳感器并不能夠準(zhǔn)確地獲取噴桿相對(duì)區(qū)域作物冠層頂部距離,從而會(huì)引起噴桿誤調(diào)節(jié)。近年來,激光雷達(dá)探測(cè)技術(shù)逐漸應(yīng)用在農(nóng)業(yè)作物冠層信息的檢測(cè)中[24],通過數(shù)學(xué)方法處理激光雷達(dá)高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以獲取植株冠層高度信息,與超聲波傳感器測(cè)量法相比,該技術(shù)具有測(cè)量精度高、掃描范圍大、速度快等優(yōu)點(diǎn)。

為此,本文設(shè)計(jì)一套基于激光雷達(dá)冠層信息測(cè)量的馬鈴薯噴霧機(jī)噴桿高度控制系統(tǒng),通過激光雷達(dá)探測(cè)技術(shù)并融合姿態(tài)傳感器、位移傳感器實(shí)現(xiàn)噴霧機(jī)噴桿相對(duì)作物冠層的距離檢測(cè)與高度精確控制,并通過試驗(yàn)驗(yàn)證田間作業(yè)時(shí)噴桿高度控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

噴桿高度控制系統(tǒng)基于山東思代爾農(nóng)業(yè)裝備有限公司生產(chǎn)的3WP-1500型馬鈴薯噴霧機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì),整體結(jié)構(gòu)主要由噴桿、機(jī)架、減震機(jī)構(gòu)、噴桿液壓控制系統(tǒng)、激光雷達(dá)探測(cè)裝置等組成,如圖1所示。噴霧機(jī)噴桿幅寬24 m,整體噴桿左右結(jié)構(gòu)對(duì)稱(圖1已省略左側(cè)噴桿),共分為9段,平衡架及右側(cè)各段噴桿長(zhǎng)度分別為2、3、3.2、2.8、2 m。

圖1 噴霧機(jī)噴桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

整體噴桿鉸接在機(jī)架上,通過噴桿升降調(diào)節(jié)油缸可以使整體噴桿在300～1 200 mm的離地高度范圍進(jìn)行作業(yè)。噴桿左右兩側(cè)大臂鉸接在平衡架兩側(cè),通過傾角調(diào)節(jié)油缸使噴桿相對(duì)平衡架進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng),從而調(diào)節(jié)左右兩側(cè)噴桿的作業(yè)高度。同時(shí),3個(gè)激光雷達(dá)探測(cè)裝置分別水平安裝在左側(cè)、右側(cè)四臂與左側(cè)、右側(cè)三臂鉸接點(diǎn)70 cm處以及平衡架中段,分別測(cè)量噴桿兩端及噴桿整體相對(duì)冠層高度。激光雷達(dá)探測(cè)裝置主要由二維激光雷達(dá)、姿態(tài)傳感器和步進(jìn)電機(jī)等組成,如圖2所示,整個(gè)探測(cè)裝置通過“U”型螺栓固定在噴桿方管上,激光雷達(dá)與姿態(tài)傳感器平行安裝并垂直于地面,激光雷達(dá)掃描平面距激光雷達(dá)探測(cè)裝置與噴桿方管接觸面垂直距離80 mm。激光雷達(dá)用于掃描馬鈴薯作物冠層;姿態(tài)傳感器用于獲取三軸角度,y軸數(shù)據(jù)表現(xiàn)為噴桿水平傾斜角度,x軸數(shù)據(jù)表現(xiàn)為激光雷達(dá)掃描平面與地面的夾角;步進(jìn)電機(jī)用于修正激光雷達(dá)初始位姿,作業(yè)前調(diào)整激光雷達(dá)掃描平面垂直于地面。

圖2 探測(cè)裝置示意圖

1.2 控制系統(tǒng)組成及工作原理

噴桿高度控制系統(tǒng)主要分為數(shù)據(jù)采集與處理模塊和噴桿控制模塊,硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示,選用ARK-2230型微型計(jì)算機(jī)為中央處理器,西門子PLC S7-200 smart為輸出控制。微型計(jì)算機(jī)通過串口接收傳感器及激光雷達(dá)數(shù)據(jù),通過以太網(wǎng)接口連接PLC交換數(shù)據(jù)。液壓閥組選用電磁比例換向閥,改變油路方向,實(shí)現(xiàn)油缸伸縮。速度傳感器選用BHM12-C10NA型霍爾傳感器,安裝在噴霧機(jī)拖拉機(jī)輪軸處,獲取整機(jī)行駛速度[25]。ES02型拉繩式位移傳感器檢測(cè)油缸伸縮長(zhǎng)度。

圖3 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

噴桿高度控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)原理如圖4所示。噴霧機(jī)田間作業(yè)時(shí),激光雷達(dá)實(shí)時(shí)掃描馬鈴薯冠層,通過串口通信將激光雷達(dá)掃描的冠層點(diǎn)云數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī),通過濾波算法、高度信息解算方法實(shí)時(shí)獲取噴桿相對(duì)馬鈴薯作物冠層頂部距離,當(dāng)檢測(cè)到噴桿下待噴施區(qū)域馬鈴薯植株長(zhǎng)勢(shì)發(fā)生變化或噴霧機(jī)受到外部激勵(lì),噴桿噴藥高度發(fā)生變化時(shí),計(jì)算機(jī)向PLC發(fā)出比例換向閥控制指令,驅(qū)動(dòng)噴桿升降調(diào)節(jié)油缸或傾角調(diào)節(jié)油缸調(diào)節(jié)噴桿高度,直至噴桿調(diào)整至最佳噴藥高度時(shí)停止調(diào)節(jié)。

2 基于LiDAR的噴桿相對(duì)馬鈴薯冠層高度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

噴桿高度控制系統(tǒng)的目的是為了噴霧機(jī)在田間作業(yè)時(shí),噴桿始終與作物冠層保持在一個(gè)最佳噴霧距離范圍之內(nèi)。馬鈴薯生長(zhǎng)期內(nèi)需多次進(jìn)行噴藥作業(yè),且大田種植的馬鈴薯存在區(qū)域內(nèi)作物長(zhǎng)勢(shì)不均以及種植區(qū)域地勢(shì)起伏的情景,為了提高噴霧效率,合理利用藥液,需要對(duì)噴桿相對(duì)作物冠層高度實(shí)時(shí)進(jìn)行精確控制。本文選用二維激光雷達(dá)檢測(cè)馬鈴薯冠層,根據(jù)田間馬鈴薯種植模式分割地塊單元,通過激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理方法獲取精確的噴桿相對(duì)區(qū)域作物冠層高度信息,實(shí)現(xiàn)噴桿高度實(shí)時(shí)控制。

2.1 冠層單元分割

根據(jù)單壟單行種植模式的馬鈴薯植株冠層分布特點(diǎn),以實(shí)現(xiàn)噴桿相對(duì)冠層高度信息精確檢測(cè)為目標(biāo)設(shè)計(jì)冠層分割模型。所選二維激光雷達(dá)以線掃描方式進(jìn)行測(cè)距,原理如圖5所示。激光雷達(dá)數(shù)據(jù)坐標(biāo)系以掃描中心為坐標(biāo)原點(diǎn),垂直地面方向?yàn)閅軸,水平方向?yàn)閄軸,激光雷達(dá)掃描平面垂直于地面,激光雷達(dá)發(fā)射出激光到目標(biāo)冠層被反射到激光雷達(dá)內(nèi)部單光子接收單元,形成一個(gè)測(cè)距點(diǎn)k,一個(gè)掃描周期內(nèi)所有測(cè)距點(diǎn)的集合為一幀冠層點(diǎn)云數(shù)據(jù),噴桿與冠層測(cè)距點(diǎn)的垂直高度為

Hki=ρicosαi(i=1,2,…,j)

(1)

式中Hki——噴桿與植株冠層測(cè)距點(diǎn)的垂直高度,mm

ρi——測(cè)距點(diǎn)到激光雷達(dá)掃描中心的距離,mm

αi——測(cè)距激光與雷達(dá)0°測(cè)距激光的夾角,(°)

j——單幀數(shù)據(jù)中測(cè)距點(diǎn)的個(gè)數(shù)

在實(shí)際測(cè)量中,僅掃描單壟作物冠層難以準(zhǔn)確表現(xiàn)噴施區(qū)塊的整體冠層高度,而掃描過多壟數(shù)冠層數(shù)據(jù)會(huì)降低激光雷達(dá)的掃描精度,并且存在數(shù)據(jù)量過大、冠層點(diǎn)云數(shù)據(jù)不連續(xù)等問題。為了提高獲取高度信息的效率和精度,本試驗(yàn)采用激光雷達(dá)單次掃描至少3壟馬鈴薯植株冠層的方法,如圖6所示(L為馬鈴薯種植壟距,m;u為激光雷達(dá)相鄰兩次掃描水平間隔距離,m;F1,F2,…,Fn為高度信息序列;W1,W2,…為高度判斷單元),噴霧機(jī)勻速行駛時(shí)將單次掃描1幀包含3壟馬鈴薯作物冠層頂部的高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)定義為1條高度信息序列F,將沿從第一條高度信息序列起始的1個(gè)株距長(zhǎng)度l內(nèi)所包含的若干高度信息序列定義為一個(gè)高度解算單元W,由此沿噴霧機(jī)行駛方向?qū)⒓す饫走_(dá)所需掃描區(qū)域內(nèi)田間作業(yè)地塊分割為若干個(gè)高度解算單元。

噴桿相對(duì)噴施單元內(nèi)冠層頂部垂直距離H的一般計(jì)算方法為

(2)

其中

(3)

式中n——單位單元內(nèi)高度信息序列個(gè)數(shù)

Favei——噴桿相對(duì)冠層頂部的垂直距離,m

f——激光雷達(dá)掃描頻率,Hz

v——噴霧機(jī)行駛速度,m/s

[·]——取整運(yùn)算函數(shù)

2.2 傳感器選型與參數(shù)設(shè)定

根據(jù)需求,本文選用鐳神智能M10P型二維激光雷達(dá),該傳感器掃描角度為360°,角度分辨率為0.22°,測(cè)點(diǎn)速率為20 000點(diǎn)/s,掃描頻率為12 Hz,量程10 m,工作電壓3.3～15 V,標(biāo)準(zhǔn)串口輸出數(shù)據(jù);維特智能JY901S型姿態(tài)傳感器,輸出數(shù)據(jù)為三軸角度,角度范圍為:X軸和Z軸±180°、Y軸±90°,角度精度為:X軸和Y軸0.2°、Z軸1°,工作電壓為3.3～5 V,標(biāo)準(zhǔn)串口通信方式;ES02型拉繩式位移傳感器,量程2 000 mm,分辨率0.25 mm,拉線速度最大2 m/s,RS485通信方式。

為了激光雷達(dá)掃描時(shí)能夠至少獲取3壟馬鈴薯植株冠層頂部點(diǎn)云數(shù)據(jù)且不造成數(shù)據(jù)冗余,在單壟單行種植模式馬鈴薯種植壟距0.8 m,株距0.5～0.7 m,最佳噴霧距離取0.5 m,噴桿升降離地高度0.3～1.2 m等參數(shù)指導(dǎo)下,激光雷達(dá)掃描寬度應(yīng)大于1.6 m且小于2.4 m,因此將激光雷達(dá)數(shù)據(jù)輸出角度范圍設(shè)為140°,并對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾,如圖7a所示,冠層點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)系XOY以激光雷達(dá)掃描中心為原點(diǎn),垂直地面方向?yàn)閅軸,水平方向?yàn)閄軸,激光雷達(dá)輸出角度為[70°,290°]。在實(shí)際測(cè)量中,對(duì)噴霧機(jī)單邊噴桿高度調(diào)節(jié)時(shí),單側(cè)噴桿相對(duì)鉸接點(diǎn)旋轉(zhuǎn),安裝在噴桿兩端的激光雷達(dá)掃描范圍隨之旋轉(zhuǎn),為了保證激光雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)的計(jì)算精度,使用姿態(tài)傳感器獲取的水平方向角度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)修正激光雷達(dá)輸出數(shù)據(jù)范圍。如圖7b所示,A、B為該時(shí)刻角度修正后數(shù)據(jù)幀輸出角度左右邊界,在某一時(shí)刻,姿態(tài)傳感器檢測(cè)到噴桿水平角度傾斜θ,使用角度θ修正激光雷達(dá)數(shù)據(jù)輸出范圍,該時(shí)刻二維激光雷達(dá)數(shù)據(jù)幀的輸出角度范圍為[70°-θ,290°-θ],其中θ∈[-15°,15°]。

圖7 激光雷達(dá)數(shù)據(jù)過濾及角度修正

2.3 噴桿相對(duì)冠層高度數(shù)據(jù)處理方法

本文通過對(duì)目標(biāo)作物冠層單元分割,采用二維激光雷達(dá)掃描植株冠層,并對(duì)多幀冠層點(diǎn)云數(shù)據(jù)應(yīng)用算法處理,最終獲取噴桿實(shí)時(shí)相對(duì)作物冠層頂部距離。數(shù)據(jù)處理流程主要包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波、多幀數(shù)據(jù)融合、MLS曲線擬合和加權(quán)平均垂直高度。

2.3.1數(shù)據(jù)預(yù)處理

田間作業(yè)時(shí),噴霧機(jī)作業(yè)環(huán)境復(fù)雜,塵土飛揚(yáng)、霧滴飄移等情景會(huì)對(duì)激光雷達(dá)測(cè)距激光造成干擾,產(chǎn)生數(shù)據(jù)噪聲,以及測(cè)距激光束穿過冠層枝葉會(huì)產(chǎn)生離群干擾點(diǎn),為了保證獲取高度信息的準(zhǔn)確性,故需對(duì)冠層點(diǎn)云原始數(shù)據(jù)濾波處理,同時(shí)為了濾波時(shí)不破壞原始點(diǎn)云數(shù)據(jù),選用非線性濾波器——中值濾波對(duì)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理,設(shè)濾波滑動(dòng)窗口為 7,任一高度判斷單元中任一條高度信息序列F=(k1,k2,…,kn),濾波后的高度信息序列F′為

F′=(K1,K2,…,Ki,…,Kn) (n∈Z)

(4)

其中

Ki=Med(ki-7,ki-6,…,ki,…,ki+7)

(i∈[1,n])

(5)

式中Med(ki-7,ki-6,…,ki,…,ki+7)為該數(shù)據(jù)序列的中值化處理。綜上,將一個(gè)單元內(nèi)的n條高度信息序列疊加并濾波處理(此處n=3),如圖8為中值濾波前后數(shù)據(jù)對(duì)比,可以看出經(jīng)中值濾波后消除了大部分噪點(diǎn)且冠層點(diǎn)云數(shù)據(jù)更加平滑。

圖8 冠層點(diǎn)云數(shù)據(jù)中值濾波結(jié)果

2.3.2基于MLS的噴桿相對(duì)冠層距離信息獲取算法

多株馬鈴薯冠層點(diǎn)云能夠直觀地表現(xiàn)出植株的冠層頂部輪廓,通過擬合濾波后的冠層點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以較準(zhǔn)確地獲取噴桿相對(duì)冠層頂部的垂直距離。本文采用移動(dòng)最小二乘法(Moving least squares,MLS)對(duì)一維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線高精度擬合,通過最小化加權(quán)誤差平方和、快速劃分冠層頂端所在區(qū)域、加權(quán)平均各區(qū)域極值點(diǎn),實(shí)現(xiàn)噴桿相對(duì)冠層垂直高度信息解算。

移動(dòng)最小二乘法是處理大量離散數(shù)據(jù)擬合曲線的理想算法,與傳統(tǒng)最小二乘法相比,此方法引入了緊支撐的概念,MLS將每個(gè)冠層數(shù)據(jù)點(diǎn)周圍的鄰域視為一個(gè)支撐域,并使用該區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合,通過引入一個(gè)權(quán)函數(shù),可以對(duì)不同距離的數(shù)據(jù)點(diǎn)賦予不同的權(quán)重,從而避免全局最小二乘法可能出現(xiàn)過度擬合問題。MLS將擬合子域的局部擬合函數(shù)f(x)表示為基函數(shù)向量p(x)和系數(shù)向量a(x)組合的形式,即

(6)

式中m——基函數(shù)的項(xiàng)數(shù)

對(duì)于一維的冠層點(diǎn)云數(shù)據(jù)曲線擬合,選取不同的基函數(shù)和權(quán)函數(shù)對(duì)擬合曲線有不同的效果,為了提高對(duì)大量離散冠層點(diǎn)云數(shù)據(jù)的擬合速率和精度,取基函數(shù)p(x)=(1,x),權(quán)函數(shù)為三次樣條函數(shù),系數(shù)a(x)通過局部近似函數(shù)在數(shù)據(jù)點(diǎn)x鄰域內(nèi)各點(diǎn)誤差的加權(quán)最小平方和J來確定,有

(7)

令Y=(y1,y2,…,yn)T,式(7)對(duì)a(x)求偏導(dǎo)可得

A(X)a(x)-B(X)Y=0

(8)

得

a(x)=A-1(x)B(x)Y

(9)

式中n1——點(diǎn)x鄰域內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)

yi——x等于xi處的節(jié)點(diǎn)值

w(x-xi)——數(shù)據(jù)點(diǎn)xi處的權(quán)函數(shù),在數(shù)據(jù)點(diǎn)xi的鄰域內(nèi)大于零,鄰域外則為零

本文取三次樣條權(quán)函數(shù)為

(10)

其中

s=|x-xi|/r

式中s——相對(duì)距離

r——支撐域半徑,mm

綜上,取支撐域半徑r=30 mm,通過MLS算法對(duì)一個(gè)單元內(nèi)的冠層高度信息序列濾波后進(jìn)行曲線擬合,圖9為兩例多幀點(diǎn)云數(shù)據(jù)曲線擬合結(jié)果。

圖9 冠層點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合曲線

由圖9可知,激光雷達(dá)掃描獲取到的馬鈴薯植株冠層點(diǎn)云數(shù)據(jù)整體呈“弧形”,且每個(gè)單元內(nèi)各壟冠層點(diǎn)云數(shù)據(jù)頂部密度較大,經(jīng)MLS算法擬合后,程序通過將點(diǎn)云數(shù)據(jù)橫坐標(biāo)代入擬合函數(shù)獲取對(duì)應(yīng)點(diǎn)縱坐標(biāo)并繪出擬合曲線,曲線所包含的冠層頂部區(qū)域會(huì)存在極小值點(diǎn),圖10為兩例冠層數(shù)據(jù)擬合曲線極值點(diǎn)分布情況,程序根據(jù)數(shù)學(xué)極小值判定條件:擬合函數(shù)在極小區(qū)間內(nèi)(本文區(qū)間長(zhǎng)度取20),存在自變量取值x的某點(diǎn),且存在比其大與比其小的自變量,這些自變量所對(duì)應(yīng)的函數(shù)值y均大于x對(duì)應(yīng)的函數(shù)值,判斷該點(diǎn)為極小值點(diǎn),由此得出的這些極小值點(diǎn)則表現(xiàn)為噴桿相對(duì)冠層頂部垂直距離點(diǎn)。由于受田間植株枝葉復(fù)雜等情況的影響,所獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合出的曲線在冠層頂部區(qū)域往往存在不少于1個(gè)極小值點(diǎn)的情況,如圖10b所示,針對(duì)這種情況在解算高度時(shí),根據(jù)植株冠層點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分布特點(diǎn)以及數(shù)據(jù)幀輸出角度范圍,程序按照雷達(dá)數(shù)據(jù)過濾及中值濾波后,點(diǎn)云數(shù)據(jù)橫坐標(biāo)最大值與最小值之差的總區(qū)間長(zhǎng)度將擬合曲線從左至右橫向分割為1∶2∶1的3個(gè)解算區(qū)域,加權(quán)平均3個(gè)區(qū)域中極小值點(diǎn)中的最小值,最終得到噴桿相對(duì)單元內(nèi)冠層實(shí)際垂直距離H為

圖10 冠層擬合曲線極值分布情況與區(qū)域分割

(11)

式中Favemin1、Favemin2、Favemin3——各區(qū)域極值點(diǎn)最小值,mm

w1——權(quán)重系數(shù),取0.3

w2——權(quán)重系數(shù),取0.4

2.4 噴桿高度控制策略

為了噴桿兩端高度調(diào)節(jié)時(shí)能夠快速到達(dá)目標(biāo)高度,根據(jù)液壓油缸活塞桿伸縮長(zhǎng)度、噴桿水平方向變化角度和噴桿調(diào)節(jié)高度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系優(yōu)化控制策略。右側(cè)噴桿相對(duì)運(yùn)動(dòng)示意圖如圖11所示,a、b分別為油缸與平衡架和噴桿方管的鉸接點(diǎn),c為噴桿與平衡架的鉸接點(diǎn),d為噴桿末端高度對(duì)應(yīng)點(diǎn)。噴桿末端高度調(diào)節(jié)時(shí),液壓缸伸縮帶動(dòng)噴桿繞著鉸接點(diǎn)c轉(zhuǎn)動(dòng),推導(dǎo)出液壓缸長(zhǎng)度變化與噴桿末端高度變化的關(guān)系為

lm=l1+Δl=

(12)

式中l(wèi)1——噴桿水平位置液壓缸長(zhǎng)度,mm

lm——高度調(diào)節(jié)后液壓缸長(zhǎng)度,mm

Δl——液壓缸長(zhǎng)度變化量,mm

lac——噴桿方管ac的長(zhǎng)度,mm

lcb——噴桿方管cb的長(zhǎng)度,mm

Δh——噴桿垂直高度的調(diào)節(jié)量,mm

l2——噴桿鉸接點(diǎn)到末端的長(zhǎng)度,mm

液壓油缸的行程短,通過位移傳感器檢測(cè)油缸伸縮長(zhǎng)度,在控制程序發(fā)出噴桿升降控制命令后,更加快速調(diào)節(jié)噴桿到達(dá)目標(biāo)高度附近。根據(jù)式(12)將噴桿高度的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換為液壓油缸伸縮位移的調(diào)節(jié),并設(shè)定液壓缸長(zhǎng)度調(diào)節(jié)閾值δ2以及噴桿高度調(diào)節(jié)閾值δ1,當(dāng)Δh≤δ1或|lm-l1|≤δ2時(shí)完成高度調(diào)節(jié)。采用雙閾值的策略可以使程序能夠較為快速接收到噴桿高度調(diào)節(jié)到位的反饋信號(hào),在一定程度上避免因噴桿反復(fù)調(diào)節(jié)導(dǎo)致噴桿振蕩的問題,提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性,從而提高噴桿高度調(diào)節(jié)的響應(yīng)速度以及調(diào)節(jié)精度。

噴桿調(diào)節(jié)時(shí),整體噴桿分為中段噴桿與兩側(cè)噴桿,為了噴桿高度調(diào)節(jié)時(shí)能夠協(xié)調(diào)中段噴桿與噴桿兩端的調(diào)節(jié)動(dòng)作,避免超調(diào),在噴桿控制策略中根據(jù)具體調(diào)節(jié)量設(shè)定高度調(diào)節(jié)動(dòng)作,假設(shè)當(dāng)前激光雷達(dá)裝置檢測(cè)到中段噴桿及兩側(cè)噴桿相對(duì)冠層高度分別為H1、H2、H3,預(yù)設(shè)噴藥高度為Ht,則控制系統(tǒng)將驅(qū)動(dòng)噴桿整體液壓調(diào)節(jié)油缸升降中段噴桿高度H1-Ht,并分別驅(qū)動(dòng)兩側(cè)噴桿液壓油缸升降噴桿末端高度H2+|H1-Ht|-Ht、H2+|H1-Ht|-Ht,僅當(dāng)噴桿相對(duì)冠層實(shí)時(shí)高度與預(yù)設(shè)噴藥高度之差小于或等于任一調(diào)節(jié)閾值后停止調(diào)節(jié)。

2.5 軟件設(shè)計(jì)

噴桿高度控制軟件系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集處理模塊與噴桿控制模塊。數(shù)據(jù)采集處理模塊基于Python語言開發(fā),運(yùn)行平臺(tái)為ARK-2230型微型計(jì)算機(jī),并基于Python-pyqt5設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可視化界面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)噴霧機(jī)作業(yè)參數(shù)。噴桿控制模塊基于西門子PLC S7-200 smart開發(fā),控制噴桿升降。兩模塊之間通過以太網(wǎng)S7協(xié)議連接通信。噴桿高度控制主程序如圖12所示。

圖12 主程序流程圖

系統(tǒng)啟動(dòng)后先進(jìn)行初始化。通過顯示屏輸入預(yù)噴藥高度和調(diào)節(jié)閾值δ1、δ2,并啟動(dòng)激光雷達(dá)探測(cè)裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)噴桿相對(duì)冠層高度,當(dāng)檢測(cè)到噴桿高度需要調(diào)節(jié)時(shí),根據(jù)噴桿控制策略分別驅(qū)動(dòng)兩側(cè)以及中段噴桿液壓油缸進(jìn)行升降調(diào)節(jié),當(dāng)高度偏差小于任一調(diào)節(jié)閾值時(shí)停止調(diào)節(jié),當(dāng)高度偏差大于高度調(diào)節(jié)閾值時(shí)繼續(xù)進(jìn)行升降調(diào)節(jié),直至噴桿相對(duì)冠層高度調(diào)節(jié)到位。

3 試驗(yàn)

為了測(cè)試高度控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性,分別進(jìn)行了高度檢測(cè)精度試驗(yàn)和噴桿高度調(diào)節(jié)試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)均開啟噴霧系統(tǒng),以水代替藥液。試驗(yàn)情景如圖13所示。

圖13 試驗(yàn)機(jī)具與場(chǎng)景

3.1 試驗(yàn)材料與方法

噴桿高度控制系統(tǒng)基于3WP-1500型背負(fù)式馬鈴薯噴桿式噴霧機(jī)進(jìn)行測(cè)試,其他試驗(yàn)測(cè)量工具有:水平儀(輔助矯正姿態(tài)傳感器初始讀數(shù))、卷尺等。于2022年7—8月在河北省張家口市某馬鈴薯種植基地試驗(yàn)田進(jìn)行試驗(yàn),采集對(duì)象為“希森6號(hào)”馬鈴薯。試驗(yàn)田內(nèi)地況平坦,馬鈴薯植株長(zhǎng)勢(shì)較為均勻,田內(nèi)馬鈴薯采用單壟單行種植模式,壟距L為0.8 m,株距l(xiāng)為0.25 m,株高D為0.5～0.7 m。根據(jù)GB/T 24677.2—2009《噴桿式噴霧機(jī) 試驗(yàn)方法》和GB/T 24680—2009《農(nóng)用噴霧機(jī) 噴桿穩(wěn)定性 試驗(yàn)方法》分別進(jìn)行了高度檢測(cè)精度試驗(yàn)和噴桿高度調(diào)節(jié)性能驗(yàn)證試驗(yàn)。

3.2 高度檢測(cè)精度試驗(yàn)

高度檢測(cè)精度試驗(yàn)如圖14所示,選取試驗(yàn)田內(nèi)一塊5 m×24 m平坦的馬鈴薯田間地塊,按照0.25 m的株距長(zhǎng)度將該試驗(yàn)地段從1到20逐段編號(hào)。試驗(yàn)前噴霧機(jī)整體噴桿初始對(duì)地垂直距離設(shè)置為1 m,試驗(yàn)時(shí)噴霧機(jī)以速度2 km/h駛過馬鈴薯田間地塊,期間僅開啟激光雷達(dá)探測(cè)裝置,噴桿高度無調(diào)節(jié)。數(shù)據(jù)采集程序按照作業(yè)距離每0.25 m記錄1份激光雷達(dá)所掃描地塊作物冠層信息樣本,共獲取冠層點(diǎn)云數(shù)據(jù)樣本20份,對(duì)應(yīng)地段編號(hào)1～20。

圖14 高度精度檢測(cè)試驗(yàn)

為了能夠方便計(jì)算出激光雷達(dá)動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)的高度檢測(cè)誤差,試驗(yàn)時(shí)將獲取植株冠層的高度代替噴桿相對(duì)冠層高度,按照地段編號(hào)順序手工測(cè)量并根據(jù)式(11)的權(quán)重系數(shù)計(jì)算該地段植株冠層高度信息,對(duì)照樣本數(shù)據(jù)共20份。

表1為噴霧機(jī)左側(cè)噴桿所經(jīng)過田間地塊內(nèi)冠層高度的系統(tǒng)測(cè)量值與人工測(cè)量值對(duì)比,可以看出通過激光雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)量冠層高度的結(jié)果和人工測(cè)量結(jié)果的最小相對(duì)誤差為0.14%,最大相對(duì)誤差為7.16%,平均相對(duì)誤差為3.95%,由此可見基于激光雷達(dá)動(dòng)態(tài)測(cè)量高度的準(zhǔn)確性良好。

表1 馬鈴薯植株冠層高度系統(tǒng)測(cè)量值與人工測(cè)量值對(duì)比

3.3 噴桿高度調(diào)節(jié)試驗(yàn)

噴桿高度調(diào)節(jié)試驗(yàn)如圖15所示,選取試驗(yàn)田內(nèi)一塊10 m×24 m地勢(shì)平坦且植株長(zhǎng)勢(shì)均勻的馬鈴薯田間地段,將整體噴桿初始相對(duì)冠層高度調(diào)節(jié)為0.5 m,預(yù)設(shè)調(diào)節(jié)噴桿相對(duì)冠層高度為0.7 m,液壓缸調(diào)節(jié)閾值δ2分別設(shè)為3.5、2.5、1.5 mm,噴桿高度調(diào)節(jié)閾值δ1分別設(shè)為7、5、3 cm,試驗(yàn)時(shí)噴霧機(jī)以3.6 km/h的速度駛過10 m×24 m的馬鈴薯田間地塊,連續(xù)記錄多次噴霧機(jī)從初始點(diǎn)A行駛到點(diǎn)B處的噴桿對(duì)作物冠層高度的實(shí)際測(cè)量值,并分析在不同調(diào)節(jié)閾值δ1、δ2組合下噴桿高度控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能。

圖15 噴桿高度調(diào)節(jié)試驗(yàn)示意圖

在不同調(diào)節(jié)閾值組合下啟動(dòng)噴桿控制系統(tǒng),得到預(yù)設(shè)高度與實(shí)際測(cè)量高度數(shù)據(jù)。噴桿高度調(diào)節(jié)試驗(yàn)數(shù)據(jù)折線圖如圖16所示,在開啟高度控制系統(tǒng)后,設(shè)置不同的調(diào)節(jié)閾值,噴霧機(jī)左側(cè)噴桿相對(duì)冠層高度從初始500 mm均能調(diào)節(jié)到700 mm附近,噴桿高度調(diào)節(jié)誤差隨著調(diào)節(jié)閾值增大而增大,但是當(dāng)高度調(diào)節(jié)閾值為3 cm時(shí),因噴桿過長(zhǎng),調(diào)節(jié)閾值過于靈敏,液壓油缸出現(xiàn)反復(fù)調(diào)節(jié)現(xiàn)象,噴桿末端會(huì)產(chǎn)生小幅振蕩,導(dǎo)致高度調(diào)節(jié)精度較差且系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定;當(dāng)高度調(diào)節(jié)閾值為7 cm時(shí),噴桿控制系統(tǒng)運(yùn)行較為穩(wěn)定,未出現(xiàn)反復(fù)調(diào)節(jié)現(xiàn)象,但調(diào)節(jié)誤差較大;當(dāng)高度調(diào)節(jié)閾值為5 cm時(shí),高度調(diào)節(jié)誤差較小,且系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)。

圖16 不同調(diào)節(jié)閾值組合下噴桿調(diào)節(jié)試驗(yàn)結(jié)果

表2為高度試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果,可得當(dāng)高度調(diào)節(jié)閾值為3 cm,液壓油缸調(diào)節(jié)閾值為1.5 mm時(shí),噴桿控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能最差,標(biāo)準(zhǔn)偏差為53.62 mm,平均相對(duì)誤差為8.31%;當(dāng)高度調(diào)節(jié)閾值為5 cm,液壓油缸調(diào)節(jié)閾值為2.5 mm時(shí),系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能表現(xiàn)最好,標(biāo)準(zhǔn)偏差為21.81 mm,平均相對(duì)誤差為3.08%,系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn),滿足噴霧機(jī)大田作業(yè)時(shí)噴桿相對(duì)冠層高度自動(dòng)調(diào)節(jié)需求。

表2 高度調(diào)節(jié)試驗(yàn)分析結(jié)果

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了基于激光雷達(dá)的馬鈴薯噴霧機(jī)噴桿高度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用二維激光雷達(dá)并融合姿態(tài)傳感器對(duì)馬鈴薯冠層進(jìn)行掃描,并根據(jù)田間植株冠層分布特點(diǎn),基于中值濾波方法、MLS曲線擬合算法實(shí)現(xiàn)了噴桿相對(duì)冠層的垂直距離信息的實(shí)時(shí)解算。并設(shè)計(jì)了雙閾值高度調(diào)節(jié)的控制策略,實(shí)現(xiàn)了噴桿相對(duì)冠層高度的自動(dòng)控制,滿足田間作物仿形噴霧的需求。

(2)高度檢測(cè)精度試驗(yàn)表明,通過激光雷達(dá)探測(cè)裝置動(dòng)態(tài)掃描馬鈴薯植株冠層,并基于MLS算法進(jìn)行高度信息解算,最終獲取的冠層高度最小相對(duì)誤差為0.14%,最大相對(duì)誤差為7.16%,平均相對(duì)誤差為3.95%,說明激光雷達(dá)檢測(cè)噴桿相對(duì)冠層距離的方案可行,并且檢測(cè)精度良好。

(3)噴桿高度調(diào)節(jié)試驗(yàn)表明,在開啟噴桿高度控制系統(tǒng)后設(shè)置高度調(diào)節(jié)閾值為5 cm,液壓缸調(diào)節(jié)閾值為2.5 mm時(shí),噴桿能夠較為準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)到預(yù)設(shè)噴藥高度,高度調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)偏差為21.81 mm,平均相對(duì)誤差為3.08%,且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。