基于LiDAR的溫室對(duì)靶噴霧機(jī)器人的設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 楊征鶴1 陳毅飛2 楊會(huì)民2 喻 晨2 王學(xué)農(nóng)2 1 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 烏魯木齊 830052 2 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所烏魯木齊 830091 摘 要 為提高溫室中農(nóng)藥利用率 減少溫室環(huán)境中的農(nóng)藥污染 設(shè)計(jì)了一種基于LiDAR 激光雷達(dá) 的溫室對(duì) 靶噴霧機(jī)器人 其上位機(jī)采用ROS機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行控制 stm32單片機(jī)作為下位機(jī) 采用Komodo 1履帶式底盤 能夠自主行走 工作時(shí) 激光雷達(dá)能夠檢測兩側(cè)15 范圍內(nèi)的作物信息 若有作物則上位機(jī)分析作物角度與距離 信息并向下位機(jī)發(fā)送 下位機(jī)判斷并延時(shí)開啟相應(yīng)一側(cè)電磁閥打開噴頭 確保了噴霧的實(shí)時(shí)性 實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)對(duì)靶 噴霧 同時(shí) 測試了激光雷達(dá)在不同速度 不同靶標(biāo)間距下的最小識(shí)別間距 發(fā)現(xiàn)0 5m s的速度下在有效檢測 范圍內(nèi)可以識(shí)別最小0 3m的間距 1m s時(shí)可以識(shí)別最小0 35m的間距 并根據(jù)最小識(shí)別間距設(shè)置了3株仿 真樹進(jìn)行測試 分析了連續(xù)與對(duì)靶兩種狀態(tài)下不同位置的霧滴覆蓋率 結(jié)果表明 對(duì)靶噴霧機(jī)器人能夠在作物空 隙中有效減少約41 噴霧量 且在作物的前 中 后3個(gè)冠層位置霧滴覆蓋率的變異系數(shù)CV值分別為10 0 10 4 12 5 噴霧效果良好 關(guān)鍵詞 對(duì)靶噴霧 LiDAR ROS 識(shí)別間距 霧滴覆蓋率 溫室 中圖分類號(hào) S625 3 TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 1003 188X 2022 11 0083 07 0 引言 由于溫室密閉 高溫高濕的環(huán)境 導(dǎo)致了病蟲害 發(fā)病嚴(yán)重 繁殖快和防治困難等問題 目前采用的最 主要的措施是化學(xué)防治 但是 溫室中的農(nóng)藥利用率 僅為20 40 1 其余都被噴灑在空氣 土地 水源 中 加劇了病蟲害抗藥性的進(jìn)程 也導(dǎo)致了蔬菜農(nóng)藥 殘留過高 造成了食品安全問題 過量施藥也造成土 地及水源的污染 從而影響蔬菜的產(chǎn)量和品質(zhì) 近些年 國內(nèi)外學(xué)者為提高農(nóng)藥的利用率 減少 農(nóng)產(chǎn)品中的藥物殘留及對(duì)施藥人員的傷害 進(jìn)行了大 量的研究 Giles等 2 3 提出了基于機(jī)器視覺的對(duì)靶噴 霧 由機(jī)器視覺引導(dǎo)噴嘴進(jìn)行噴霧 但工作效率較低 Francisco等 4 提出了一種基于超聲波傳感器的溫室 噴霧機(jī) 超聲波傳感器能夠檢測0 0 5m范圍內(nèi)的作 物信息 但超聲波傳感器較大的發(fā)散角限制了測量的 分辨率和準(zhǔn)確性 Rafiq等 5 設(shè)計(jì)了一種溫室中基于 管道行走的噴霧機(jī)器人 當(dāng)機(jī)器人經(jīng)過放置地 收稿日期 2020 12 07 基金項(xiàng)目 自治區(qū)重大專項(xiàng) 20219860 作者簡介 楊征鶴 1994 男 山東菏澤人 碩士研究生 E mail 247329956 qq com 通訊作者 王學(xué)農(nóng) 1964 男 陜西漢中人 研究員 碩士生導(dǎo)師 E mail xjwxn2010 sina com 面上的反光標(biāo)記時(shí) 控制系統(tǒng)會(huì)打開或關(guān)閉噴頭 實(shí) 現(xiàn)選擇型噴霧 何雄奎等 6 研制了一種基于紅外傳 感器的對(duì)靶靜電噴霧機(jī) 通過紅外傳感技術(shù)探測靶標(biāo) 的有無并使用靜電噴霧技術(shù)保證了施藥效果 顏杰 等 7 基于超聲波傳感器設(shè)計(jì)了一種溫室遙控對(duì)靶噴 霧機(jī) 達(dá)到了較好的噴霧效果 曹崢勇等 8 設(shè)計(jì)了一 種溫室對(duì)靶機(jī)器人 通過預(yù)先安裝靶標(biāo)實(shí)現(xiàn)病蟲害的 定位 從而實(shí)現(xiàn)定向施藥 許林云等 9 對(duì)果園對(duì)靶噴 霧機(jī)進(jìn)行研制和試驗(yàn) 選擇了紅外 超聲波及激光3 種傳感器進(jìn)行測試 發(fā)現(xiàn)激光傳感器在識(shí)別間距 穩(wěn) 定性 響應(yīng)速度方面好于其他兩者 故將激光傳感器 作為自動(dòng)對(duì)靶噴霧機(jī)的探測裝置 針對(duì)溫室環(huán)境中農(nóng)藥浪費(fèi)高 農(nóng)作物及環(huán)境污染 嚴(yán)重等問題 筆者設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)對(duì)靶噴霧機(jī)器人 噴霧機(jī)器人由上位機(jī)ROS系統(tǒng)和下位機(jī)stm32單片 機(jī)控制 激光雷達(dá)以固定頻率檢測一定范圍內(nèi)的作物 信息 當(dāng)檢測到作物出現(xiàn)時(shí) 上位機(jī)分析作物距離信 息和角度信息并向下位機(jī)發(fā)送 下位機(jī)控制兩側(cè)電磁 閥的開閉 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制 達(dá)到減少農(nóng)藥浪費(fèi)和控制 溫室環(huán)境污染的目的 1 硬件組成 噴藥機(jī)器人主要由硬件系統(tǒng)及控制系統(tǒng)兩部分組 成 其整體機(jī)構(gòu)如圖1所示 38 2022年11月 農(nóng)機(jī)化研究 第11期 1 橫流風(fēng)機(jī) 2 噴頭 3 支架部分 4 電磁閥 5 泵 6 藥液回路 7 底盤部分 8 電池倉 9 控制柜 10 激光雷達(dá) 11 水桶 圖1 噴霧機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)示意圖 Fig 1 Overall structure diagram of spray robot 1 1 底盤部分 底盤部分選擇極創(chuàng)公司的Komodo 1通用底盤 具體參數(shù)如表1所示 該底盤采用激光雷達(dá)在ROS 機(jī)器人系統(tǒng)中使用SLAM 同步定位與地圖構(gòu)建 技 術(shù) 在作物行中建圖后設(shè)置路線 底盤便會(huì)按照設(shè)定 的路線圖行走 激光雷達(dá)測量范圍廣 頻率高 有效 地保證了噴霧機(jī)器人在溫室作物行中的運(yùn)行精度 表1 Komodo 1通用底盤參數(shù) Table 1 Komodo 1 general chassis parameters 參數(shù)單位數(shù)值 電壓V 48 最大載重kg 80 防護(hù)等級(jí) IP54 續(xù)航時(shí)間h 1 5 整體尺寸mm 960 700 320 1 2 激光雷達(dá) 噴霧機(jī)器人選用北科天繪公司的R Fans 32線 程激光雷達(dá) 激光波長為905nm 測程遠(yuǎn) 回波強(qiáng)度較 為準(zhǔn)確 測量精度較高 同時(shí)兼顧了俯仰方向的角度 覆蓋和角分辨率 能夠有效抵抗背景光的干擾 參數(shù) 如表2所示 1 3 噴霧單元部分 為提高藥液的穿透性與減少霧滴漂移 噴霧單元 選擇風(fēng)送式噴霧技術(shù) 風(fēng)送式噴霧方式能夠?qū)㈧F化 后的液滴定向吹向作物 在這一過程中將液滴再次細(xì) 化 且風(fēng)機(jī)吹出的氣流能夠?qū)⒅参锕趯佣秳?dòng) 翻轉(zhuǎn) 提 高藥物在葉片正反面的附著效果 改善了藥液分布狀 態(tài) 10 11 表2 R Fans 32激光雷達(dá)參數(shù)表 Table 2 LiDAR parameters of R fans 32 參數(shù)單位數(shù)值 激光幀頻Hz 5 20 水平角度視場 360 豎直角度視場 32 最大探測距離m 200 距離分辨率mm 4 測距精度mm tv時(shí) 噴霧機(jī) 器人通過調(diào)整激光雷達(dá)與噴霧單元的水平距離來保 證目標(biāo)檢測與噴霧的實(shí)時(shí)性 當(dāng)tv ts時(shí) 通過調(diào)整下 位機(jī)stm32中的延時(shí)器 3 試驗(yàn) 3 1 靶標(biāo)間隙試驗(yàn) 激光雷達(dá)的作物最小識(shí)別間距X是自動(dòng)對(duì)靶噴 霧機(jī)器人性能的重要參數(shù) 本試驗(yàn)的目的為測試激光 雷達(dá)在不同速度和與作物不同距離下的最小識(shí)別間 距 首先 用A4紙制作6個(gè)目標(biāo)靶 高度為0 8m 激光雷達(dá)前進(jìn)方向與目標(biāo)靶平行 為保證激光雷達(dá)的 運(yùn)行速度與運(yùn)行方向 將激光雷達(dá)安裝到滑軌平臺(tái) 中 滑軌平臺(tái)總長度為1 5m 通過步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū) 動(dòng) 精度 穩(wěn)定性較好 速度可調(diào) 能夠適用于本試驗(yàn) 根據(jù)噴霧機(jī)器人有效工作距離設(shè)定激光雷達(dá)的檢 測范圍 噴霧機(jī)器人最大工作距離為激光雷達(dá)直徑 1m 設(shè)置激光雷達(dá)檢測作物范圍為兩側(cè)各15 的檢 測范圍 如圖6所示 設(shè)置15 的意義為在激光雷達(dá) 最遠(yuǎn)的工作狀態(tài)1m時(shí) 能夠檢測到的最小障礙物間 距理論值 約為0 26m 在溫室作物種植中 作物株 距一般為0 3m 同時(shí)這個(gè)最小距離隨著作物離激光 雷達(dá)的距離而減小 圖6 激光雷達(dá)檢測范圍示意圖 Fig 6 Schematic diagram of lidar detection range 當(dāng)激光雷達(dá)檢測到兩側(cè)植物信息時(shí) rfans obsta cle節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)出作物的距離和角度信息 當(dāng)檢測不到 時(shí) 則會(huì)一直顯示運(yùn)行和等待作物位置信息的發(fā)送 同時(shí)通過stm32單片機(jī)上的二極管燈進(jìn)行確認(rèn) 當(dāng)檢 68 2022年11月 農(nóng)機(jī)化研究 第11期 測不到作物時(shí)燈會(huì)滅 從而確認(rèn)該間距下激光雷達(dá)能 否識(shí)別出該間隙 激光雷達(dá)靜態(tài)下的識(shí)別間隙試驗(yàn)是將激光雷達(dá)運(yùn) 行后人工緩慢從雷達(dá)前方向后方移動(dòng)目標(biāo)靶 當(dāng)激光 雷達(dá)能夠檢測到作物信息并在ROS發(fā)布靶標(biāo)信息變 為等待信息時(shí) 緩慢移動(dòng)第二個(gè)目標(biāo)靶使ROS系統(tǒng)能 夠剛好從等待信息變化為檢測并發(fā)送作物信息 此時(shí) 兩目標(biāo)靶的間距則為激光雷達(dá)靜態(tài)的最小識(shí)別間距 設(shè)置目標(biāo)靶間距為X 激光雷達(dá)與靶標(biāo)距離為B 設(shè)置激光雷達(dá)前進(jìn)速度v分別為0 5 1m s 其動(dòng)態(tài)測 試結(jié)果如表3所示 由表3知 0 5m s的速度下在 有效檢測范圍內(nèi)可以識(shí)別最小間距0 3m 1m s時(shí)可 以識(shí)別0 35m的最小間距 識(shí)別效果良好 表3 激光雷達(dá)動(dòng)態(tài)檢測測試結(jié)果 Table 3 Test results of lidar dynamic detection 靶標(biāo)間距 m v 0 5m s B 0 5 B 0 6 B 0 7 B 0 8 B 0 9 B 1 0 v 1m s B 0 5 B 0 6 B 0 7 B 0 8 B 0 9 B 1 0 0 15 0 20 0 25 0 30 0 35 3 2 對(duì)靶噴霧試驗(yàn) 設(shè)置激光雷達(dá)與仿真樹主桿水平距離為1m 噴霧 機(jī)器人以0 5m s的速度平行與作物行行駛 根據(jù)激 光雷達(dá)動(dòng)態(tài)檢測最小間距情況 選擇0 5m的株距X 選取3顆仿真樹進(jìn)行試驗(yàn) 將單顆仿真樹分為上 中 下 左 中 右9個(gè)部分 每個(gè)部分放置一塊水敏紙 相 鄰的仿真樹中間同樣放置一片水敏紙 見圖7 放置 范圍為激光雷達(dá)的檢測范圍之外 記錄噴霧機(jī)器人噴 霧時(shí)的漏噴 誤噴 檢測噴霧機(jī)器人的對(duì)靶噴霧性能 圖7 圖水敏紙放置示意圖 Fig 7 Schematic diagram of water sensitive paper placement 選擇水敏紙的尺寸為35mm 110mm將完成噴霧 后的水敏紙干燥后 通過掃描儀完成掃描上傳 在電腦 中進(jìn)行霧滴覆蓋率計(jì)算 處理過程如圖8所示 根據(jù) 不同工作狀態(tài)下的霧滴覆蓋率繪制的每個(gè)位置霧滴覆 蓋濃度折線圖 如圖9所示 由圖9可知 在對(duì)靶噴霧 狀態(tài)下作物各個(gè)位置冠層能夠與連續(xù)噴霧狀態(tài)下保持 基本一致 圖8 水敏紙?zhí)幚磉^程 Fig 8 Water sensitive paper treatment process 圖9 兩種噴霧方式下霧滴覆蓋率變化趨勢 Fig 9 Variation trend of droplet coverage under two spray modes 78 2022年11月 農(nóng)機(jī)化研究 第11期 在噴霧覆蓋率測試中 一般用變異系數(shù)CV評(píng)判 噴霧的均勻性 當(dāng)CV值在10 左右時(shí) 認(rèn)為噴霧效果 較好 當(dāng)大于15 時(shí) 認(rèn)為噴霧效果較差 不能滿足植 保作業(yè)要求 13 變異系數(shù)的計(jì)算方法為 CV x 100 7 式中 CV 變異系數(shù) 霧滴覆蓋率標(biāo)準(zhǔn)差 x 平均值 對(duì)靶噴霧下的前冠層霧滴覆蓋率小于連續(xù)噴霧狀 態(tài)下的霧滴覆蓋率 是因?yàn)橄到y(tǒng)檢測到噴頭開啟會(huì)有 一定的時(shí)間差 噴頭未完全開啟 造成了點(diǎn)2 6 10的 霧滴覆蓋率較低 圖9中對(duì)靶狀態(tài)下的點(diǎn)1 5 9 13霧 滴覆蓋率小于連續(xù)狀態(tài)下的霧滴覆蓋率 說明噴霧機(jī) 器人能夠做到在無作物時(shí)停止噴霧 在有作物時(shí)做到 及時(shí)開啟 保證噴霧效果的同時(shí) 節(jié)省了藥液使用 在 仿真樹空隙點(diǎn)1 5 9 13處 對(duì)靶狀態(tài)下的水敏紙有 較小的霧滴覆蓋率 是因?yàn)樵趪婌F過程中霧滴發(fā)生了 漂移 表4為根據(jù)不同位置冠層檢測出的覆蓋率及變 異系數(shù) 由表4可知 連續(xù)與對(duì)靶兩種噴霧狀態(tài)下 變異系數(shù)相差不大 噴霧效果大致相同 表4 各冠層霧滴覆蓋率 Table 4 Droplet coverage of each canopy 連續(xù) 前中后 對(duì)靶 前中后 覆蓋率 53 3 62 4 70 7 45 9 60 7 66 0 55 3 48 8 50 6 43 6 50 3 49 3 66 5 52 3 60 3 52 7 51 8 59 6 平均 CV 58 4 54 5 60 9 47 4 54 3 58 3 12 2 13 0 13 6 10 0 10 4 12 5 4 結(jié)論 1 設(shè)計(jì)了一種基于LiDAR的溫室對(duì)靶噴霧機(jī)器 人 通過市場調(diào)研 確定了關(guān)鍵零部件的選型與設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)由上位機(jī)ROS機(jī)器人系統(tǒng)和下位機(jī)stm32 單片機(jī)組成 激光雷達(dá)掃描兩側(cè)15 范圍內(nèi)的作物信 息 避免了因?yàn)樽魑镄兄休^小的作物間隙而頻繁開閉 電磁閥影響噴霧效果 并分析了噴霧過程中的延時(shí) 保證了噴霧的實(shí)時(shí)性 2 測試了激光雷達(dá)在0 5 1 0m s速度下不同靶 標(biāo)間距 靶標(biāo)與激光雷達(dá)間距下的最小識(shí)別間距 在 0 5m s時(shí) 系統(tǒng)在有效檢測距離內(nèi)可以識(shí)別0 3m以 上的間距 在1 0m s時(shí) 系統(tǒng)可以識(shí)別0 35m上的間 距 3 對(duì)靶噴霧試驗(yàn)結(jié)果表明 在噴霧機(jī)器人在檢測 到有作物時(shí)能夠及時(shí)打開噴頭 且作物前 中 后3個(gè) 位置冠層的霧滴覆蓋率變異系數(shù)分別為10 0 10 4 12 5 與連續(xù)噴霧效果保持基本一致 在作 物空隙位置 噴霧機(jī)器人能夠自主關(guān)閉噴霧 減少藥 物浪費(fèi) 在作物空隙位置能夠有效減少約41 噴霧 量 能夠滿足設(shè)計(jì)要求 參考文獻(xiàn) 1 何雄奎 蔬菜高效施藥裝備與技術(shù)研發(fā)應(yīng)用 J 蔬菜 2018 8 1 7 2 D L BROWN D K GILES M N OLIVERP et al Targeted spray technology to reduce pesticide in runoff from 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this paper The upper computer of the robot was controlled by ROS robot system stm32 MCU was used as the lower computer and Komodo 1 tracked chassis was adopted which was able to move independently The LiDAR can detect the crop informa tion within the range of 15 on both sides If there are crops the upper computer will analyze the crop Angle and dis tance information and send it to the downward machine The lower machine will judge and delay the opening of the corre sponding side solenoid valve to open the nozzle ensuring the real time performance of spraying and realizing the auto matic target spraying The experimental part tested the minimum identification distance of the lidar at different speeds and different target distances indicating that the minimum identification distance of 0 3m at 0 5m s and 0 35m at 1m s can be identified within the effective detection range And according to the minimum set up three strains of simulation test to identify spacing continuous and analyzed two kinds of target coverage of droplets of different position the test shows that the target spray robot can effectively reduce about 42 in the crop gap spraying quantity and in the crops before during and after the three canopy position CV value of variation coefficient of spray coverage are 10 0 10 4 and 12 5 re spectively the spray effect is good Key words target spray LiDAR ROS identify spacing droplet coverage greenhourse 98 2022年11月 農(nóng)機(jī)化研究 第11期