【摘 要】
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化学农药是防治病虫害的主要方法,目前果园植保的普遍方式为人工背负喷雾器或驾驶风送式喷雾机进行恒定药剂量的连续喷淋作业,其作业效率低、污染环境,同时危害操作人员的健康。为提高果园喷雾机作业的效率和自主性,降低操作人员的劳动强度,促进农药的减施增效,本文研究了果园行间的自主变量喷雾控制系统,提出了基于3D LIDAR的果园行间自主导航算法,建立了基于垂直结构的变量施药模型,设计了实时匹配植株冠层特征变
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化学农药是防治病虫害的主要方法,目前果园植保的普遍方式为人工背负喷雾器或驾驶风送式喷雾机进行恒定药剂量的连续喷淋作业,其作业效率低、污染环境,同时危害操作人员的健康。为提高果园喷雾机作业的效率和自主性,降低操作人员的劳动强度,促进农药的减施增效,本文研究了果园行间的自主变量喷雾控制系统,提出了基于3D LIDAR的果园行间自主导航算法,建立了基于垂直结构的变量施药模型,设计了实时匹配植株冠层特征变化的变量喷雾控制系统,主要研究内容如下:（1）通过SolidWorks三维软件设计了果园变量喷雾机结构,搭建了以喷雾支架、喷头、水泵、变量喷雾电磁阀和风送系统等组成的变量喷雾作业系统;阿克曼移动底盘可通过遥控器或自主导航进行行走控制,实现人机分离,减少人员与药液直接接触;搭建了由三维激光雷达感知、二维激光雷达探测植株冠层特征、微型计算机处理算法、喷头变流量独立控制和以STM32F1为主控制器的果园行间自主变量喷雾机系统。（2）为了提高果园变量喷雾机的作业效率和自主性,提出了基于3D LIDAR的果园行间自主导航算法。首先,为提高果树检测的准确性和实时性,提出了基于3D LIDAR与优化DBSCAN算法的果树检测方法;然后,利用RANSAC算法对左右果树中心位置进行直线拟合并以树行中心为目标导航线;最后,使用纯跟踪算法控制果园变量喷雾机沿导航线自主行驶。试验结果表明,优化后的DBSCAN算法的果树检测平均正检率由89.42%提升至95.61%,算法耗时明显降低。当喷雾机行驶速度为0.3m/s、0.5m/s、0.8m/s时树行跟踪的横向偏差的均值分别为4.6cm、5.4cm、5.9cm,该方法能够满足果园喷雾机行间的自主作业要求。（3）为提高药液利用率、降低环境污染,设计了实时匹配植株冠层特征变化的变量喷雾控制系统。为独立计算各喷头所需的输出流量,提出了基于垂直结构的变量施药模型。结合二维激光雷达实时扫描冠层特征、喷雾机前进速度和延时喷雾控制,实现实时匹配植株特征变化的变量喷雾作业。试验结果表明基于激光探测的冠层体积测量精度较高,相较于传统恒量喷雾,变量喷雾在满足病虫害防治基础上有效降低了农药的使用量。
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