田间自走式对行喷雾机器人控制系统设计

摘要

农药是农业生产过程中防治病虫草害的有效手段，在传统的大田喷杆式喷雾过程中，由于缺少实时追踪作物行的手段，而采用大流量、宽角度的喷头对多作物行进行全覆盖喷雾，使大量农药沉积到行间土壤中，造成严重的环境污染;同时，由于农村青年劳动力转移造成农村劳动人口缺失以及人工施药过程中农药对人体造成严重的危害，使发展无人喷雾作业系统显得尤为重要。
　　本文基于GPS和机器视觉技术设计了田间自走式对行喷雾机器人，主要研究内容与结果如下:
　　(1)搭建了四轮独立转向机器人移动平台，具有高地隙特点，采用四对直流电机进行移动平台运动和转向控制，每个电机由一个单独的电机驱动器进行控制，利用增量式编码器采集电机转速和偏转角度，实现移动平台运动速度和转向角度的准确控制，解决了二轮转向移动平台在进行地头转向时需要较大转向半径的问题。
　　(2)采用DGPS和电子罗盘构建机器人田间自主导航控制系统，以机器人移动横向偏差和航向偏差作为输入量，以机器人转向电机角度作为控制量，基于模糊控制算法实现机器人田间直线导航，试验表明，机器人直线导航最大误差11.32cm。
　　(3)基于机器视觉技术设计了喷杆式施药机对行喷雾控制系统，通过相机获取作物行RGB图像，设计了以垂直投影法为基础的作物行中心线提取算法，提高了处理效率和识别准确性，试验表明，作物行中心线提取算法平均耗时12.51ms，喷杆横向偏移量计算误差小于0.44cm。
　　(4)基于AVR系列单片机ATMega16设计了电动喷杆控制系统，通过RS232串口接收上位机发送的喷杆横向偏移量，设计了延时策略和基于位移传感器的直流推杆电机位置控制方法，实现对电动喷杆位置的精确控制，试验表明，电动喷杆右移最大误差0.3cm，左移最大误差0.5cm。
　　(5)以四轮驱动农用小车为平台开展了对行喷雾控制实验室和田间试验，试验表明，小车平均速度为0.26m/s时，对倾角为5°、10°和15°的模拟作物行最大对行误差分别为3.22cm、2.86cm和2.51cm;小车平均速度为0.24m/s时，车身最大偏移距离14.05cm，对田间玉米幼苗的最大对行误差为4.86cm。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 田间作业机器人研究现状

1．2．2 GPS导航控制技术研究现状

1．2．3 作物行获取技术研究现状

1． 3 主要研究内容及方法

1． 4 技术路线

第二章 基于GPS的机器人自主导航控制系统设计

2．1 引言

2．2 机器人移动平台搭建

2．3 机器人移动平台运动控制方法

2．3．1 机器人移动平台转向半径计算

2．3．2 机器人移动平台运动控制系统

2．4 GPS自主导航控制系统搭建

2．4．1 位置信息获取

2．4．2 航向信息获取

2．5 基于模糊控制的路径规划算法研究

2．6 试验设计与结果分析

2．7 本章小结

第三章 基于机器视觉的对行喷雾控制系统设计

3．1 引言

3．2 对行喷雾控制系统总体设计

3．2．1 电动喷杆机械结构设计

3．2．1 控制系统设计

3．3 作物行中心线提取算法研究

3．3．1 图像预处理方法

3．3．2 中心线提取算法

3．4 电动喷杆横移控制算法

3．4．1 坐标系转换

3．4．2 喷杆横移延时控制算法

3．5 试验设计与结果分析

3．5．1 喷杆横向偏移量计算试验

3．5．2 电动喷杆移动位置测试试验

3．5．3 对行控制实验室试验

3．5．4 对行喷雾控制田间试验

3．6 本章小结

第四章 总结和展望

4．1 总结

4．2 创新点

4．3 展望

参考文献

致谢

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