自动施药机器人及可变量控制系统研究

论文题目: 自动施药机器人及可变量控制系统研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 机械设计及理论

作者: 陈勇

导师: 郑加强

关键词: 精确农业,精确林业,可变量技术,除草剂使用,机器视觉,机器人,模糊控制,脉宽调制喷头

文献来源: 南京林业大学

发表年度: 2005

论文摘要: 农业生产方式历经数千年演变,从刀耕火种到机械化大生产、到精确农业。在人口增长而自然资源短缺、生态环境恶化的大背景下,精确农业和精确林业是解决问题的上策。二十多年来,精确农业研究风靡全球,硕果累累,前景看好。本文分析了精确农业的研究现状,并且重点分析了可变量技术和农药精确施用技术。 为了进一步降低除草剂的用量并消除农药雾滴飘移现象,本文创新性地提出除草剂直接施药方法,即首先切割杂草,然后再往杂草的切口涂抹除草剂。田间和温室的除草剂药效试验结果显示,该方法能节约90%的农药。如果考虑到农田杂草的空间分布,实际可以节约96.4%的农药。 本文开发研究了自动除草机器人,主要由摄像头、计算机、行走机构、机械臂、农药传输系统、机器人躯体等构成。计算机从地面图像中识别出杂草目标,再发出指令控制机械臂切割杂草并涂抹除草剂。 通过反复探索,本课题设计出效率高、性能可靠的机械臂末端执行器,由该执行器去完成切割杂草并涂抹除草剂的动作。 图像处理和机械臂控制软件用VC++编写,试验结果显示,该软件能准确地从田间地面识别出杂草目标并准确地控制机械臂动作。 本文在分析机器视觉和数字图像处理技术在工业、农业领域应用的基础上,开发了基于机器视觉和模糊控制原理的智能化树木喷雾施药系统。该系统能融合树冠面积信息和距离信息,通过模糊推理和决策来判断树木的“大”或“小”,进而选择不同的喷头组合,并控制喷雾系统的流量和喷头射程,实现对树木目标的智能喷雾。与传统的喷雾方法相比,该系统在树木缺棵时停止喷雾动作,并根据树木大小和距离调节喷头射程,因此可以实现精确喷雾、大幅减少杀虫剂的用量,环境是最大的受益者。 基于试验,本文研究了脉宽调制喷头的性能。结果显示,脉宽调制喷头可以在不改变喷雾形态的情况下改变喷雾流量,从而实现可变量施药。但由于试验中使用的电磁阀的开关频率较低,所以有待于利用开关频率更高的电磁阀开展进一步的研究。

论文目录:

中文摘要

英文摘要

1.绪论

1.1 精确农业及其研究现状

1.2 精确林业及其研究现状

1.3 可变量技术及其研究现状

1.3.1 可变量技术组成分析

1.3.2 可变量喷头及可变量应用系统研究

1.4 课题研究意义及内容

2.杂草控制方法研究

2.1 杂草危害以及传统的控制方法

2.1.1 杂草危害分析

2.1.2 杂草防治方法

2.1.3 化学除草方法

2.2 精确杂草控制方法研究

2.3 新颖杂草控制方法分析

2.3.1 除草剂喷雾中的雾滴飘移

2.3.2 除草剂施用新方法构想

2.3.3 除草剂施用新方法的药效试验研究

2.3.3.1 试验方法

2.3.3.2 试验结果与分析

3.自动施药机器人设计

3.1 直接施药方法探索

3.1.1 注射式结构

3.1.2 旋转圆桶式结构和旋转尼龙绳结构

3.1.3 旋转刀盘式结构

3.2 农业机器人的研究与发展

3.3 自动施药机器人及试验系统

4.机械臂设计与控制

4.1 机械臂结构设计

4.2 机构运动学分析与求解

4.3 机械臂运动控制

4.4 自动施药机器人药液控制方法

5.机器视觉和数字图像处理研究

5.1 图像的色彩模式

5.2 机器视觉和图像处理技术应用概况

5.3 杂草目标识别

6.基于模糊控制技术的精确农药使用可变量技术研究

6.1 模糊控制技术及其应用

6.2 可变量模糊控制系统研究

6.2.1 可变量喷雾控制系统

6.2.2 模糊推理和决策

6.2.3 模糊控制器电路设计

6.2.4 控制系统程序设计

6.3 脉宽调制喷头试验研究

7.总结

7.1 结论

7.2 创新点

7.3 后续研究展望

参考文献

附录1:试验图片

附录2:攻读博士学位期间论文发表情况

发布时间: 2005-12-30

参考文献

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