基于LiDAR的温室对靶喷雾机器人的设计与试验.pdf

基于LiDAR的温室对靶喷雾机器人的设计与试验 杨征鹤1 陈毅飞2 杨会民2 喻 晨2 王学农2 1 新疆农业大学机电工程学院 乌鲁木齐 830052 2 新疆农业科学院农业机械化研究所乌鲁木齐 830091 摘 要 为提高温室中农药利用率 减少温室环境中的农药污染 设计了一种基于LiDAR 激光雷达 的温室对 靶喷雾机器人 其上位机采用ROS机器人系统进行控制 stm32单片机作为下位机 采用Komodo 1履带式底盘 能够自主行走 工作时 激光雷达能够检测两侧15 范围内的作物信息 若有作物则上位机分析作物角度与距离 信息并向下位机发送 下位机判断并延时开启相应一侧电磁阀打开喷头 确保了喷雾的实时性 实现了自动对靶 喷雾 同时 测试了激光雷达在不同速度 不同靶标间距下的最小识别间距 发现0 5m s的速度下在有效检测 范围内可以识别最小0 3m的间距 1m s时可以识别最小0 35m的间距 并根据最小识别间距设置了3株仿 真树进行测试 分析了连续与对靶两种状态下不同位置的雾滴覆盖率 结果表明 对靶喷雾机器人能够在作物空 隙中有效减少约41 喷雾量 且在作物的前 中 后3个冠层位置雾滴覆盖率的变异系数CV值分别为10 0 10 4 12 5 喷雾效果良好 关键词 对靶喷雾 LiDAR ROS 识别间距 雾滴覆盖率 温室 中图分类号 S625 3 TP242 文献标识码 A文章编号 1003 188X 2022 11 0083 07 0 引言 由于温室密闭 高温高湿的环境 导致了病虫害 发病严重 繁殖快和防治困难等问题 目前采用的最 主要的措施是化学防治 但是 温室中的农药利用率 仅为20 40 1 其余都被喷洒在空气 土地 水源 中 加剧了病虫害抗药性的进程 也导致了蔬菜农药 残留过高 造成了食品安全问题 过量施药也造成土 地及水源的污染 从而影响蔬菜的产量和品质 近些年 国内外学者为提高农药的利用率 减少 农产品中的药物残留及对施药人员的伤害 进行了大 量的研究 Giles等 2 3 提出了基于机器视觉的对靶喷 雾 由机器视觉引导喷嘴进行喷雾 但工作效率较低 Francisco等 4 提出了一种基于超声波传感器的温室 喷雾机 超声波传感器能够检测0 0 5m范围内的作 物信息 但超声波传感器较大的发散角限制了测量的 分辨率和准确性 Rafiq等 5 设计了一种温室中基于 管道行走的喷雾机器人 当机器人经过放置地 收稿日期 2020 12 07 基金项目 自治区重大专项 20219860 作者简介 杨征鹤 1994 男 山东菏泽人 硕士研究生 E mail 247329956 qq com 通讯作者 王学农 1964 男 陕西汉中人 研究员 硕士生导师 E mail xjwxn2010 sina com 面上的反光标记时 控制系统会打开或关闭喷头 实 现选择型喷雾 何雄奎等 6 研制了一种基于红外传 感器的对靶静电喷雾机 通过红外传感技术探测靶标 的有无并使用静电喷雾技术保证了施药效果 颜杰 等 7 基于超声波传感器设计了一种温室遥控对靶喷 雾机 达到了较好的喷雾效果 曹峥勇等 8 设计了一 种温室对靶机器人 通过预先安装靶标实现病虫害的 定位 从而实现定向施药 许林云等 9 对果园对靶喷 雾机进行研制和试验 选择了红外 超声波及激光3 种传感器进行测试 发现激光传感器在识别间距 稳 定性 响应速度方面好于其他两者 故将激光传感器 作为自动对靶喷雾机的探测装置 针对温室环境中农药浪费高 农作物及环境污染 严重等问题 笔者设计了一种自动对靶喷雾机器人 喷雾机器人由上位机ROS系统和下位机stm32单片 机控制 激光雷达以固定频率检测一定范围内的作物 信息 当检测到作物出现时 上位机分析作物距离信 息和角度信息并向下位机发送 下位机控制两侧电磁 阀的开闭 实现实时控制 达到减少农药浪费和控制 温室环境污染的目的 1 硬件组成 喷药机器人主要由硬件系统及控制系统两部分组 成 其整体机构如图1所示 38 2022年11月 农机化研究 第11期 1 横流风机 2 喷头 3 支架部分 4 电磁阀 5 泵 6 药液回路 7 底盘部分 8 电池仓 9 控制柜 10 激光雷达 11 水桶 图1 喷雾机器人整体结构示意图 Fig 1 Overall structure diagram of spray robot 1 1 底盘部分 底盘部分选择极创公司的Komodo 1通用底盘 具体参数如表1所示 该底盘采用激光雷达在ROS 机器人系统中使用SLAM 同步定位与地图构建 技 术 在作物行中建图后设置路线 底盘便会按照设定 的路线图行走 激光雷达测量范围广 频率高 有效 地保证了喷雾机器人在温室作物行中的运行精度 表1 Komodo 1通用底盘参数 Table 1 Komodo 1 general chassis parameters 参数单位数值 电压V 48 最大载重kg 80 防护等级 IP54 续航时间h 1 5 整体尺寸mm 960 700 320 1 2 激光雷达 喷雾机器人选用北科天绘公司的R Fans 32线 程激光雷达 激光波长为905nm 测程远 回波强度较 为准确 测量精度较高 同时兼顾了俯仰方向的角度 覆盖和角分辨率 能够有效抵抗背景光的干扰 参数 如表2所示 1 3 喷雾单元部分 为提高药液的穿透性与减少雾滴漂移 喷雾单元 选择风送式喷雾技术 风送式喷雾方式能够将雾化 后的液滴定向吹向作物 在这一过程中将液滴再次细 化 且风机吹出的气流能够将植物冠层抖动 翻转 提 高药物在叶片正反面的附着效果 改善了药液分布状 态 10 11 表2 R Fans 32激光雷达参数表 Table 2 LiDAR parameters of R fans 32 参数单位数值 激光帧频Hz 5 20 水平角度视场 360 竖直角度视场 32 最大探测距离m 200 距离分辨率mm 4 测距精度mm tv时 喷雾机 器人通过调整激光雷达与喷雾单元的水平距离来保 证目标检测与喷雾的实时性 当tv ts时 通过调整下 位机stm32中的延时器 3 试验 3 1 靶标间隙试验 激光雷达的作物最小识别间距X是自动对靶喷 雾机器人性能的重要参数 本试验的目的为测试激光 雷达在不同速度和与作物不同距离下的最小识别间 距 首先 用A4纸制作6个目标靶 高度为0 8m 激光雷达前进方向与目标靶平行 为保证激光雷达的 运行速度与运行方向 将激光雷达安装到滑轨平台 中 滑轨平台总长度为1 5m 通过步进电机进行驱 动 精度 稳定性较好 速度可调 能够适用于本试验 根据喷雾机器人有效工作距离设定激光雷达的检 测范围 喷雾机器人最大工作距离为激光雷达直径 1m 设置激光雷达检测作物范围为两侧各15 的检 测范围 如图6所示 设置15 的意义为在激光雷达 最远的工作状态1m时 能够检测到的最小障碍物间 距理论值 约为0 26m 在温室作物种植中 作物株 距一般为0 3m 同时这个最小距离随着作物离激光 雷达的距离而减小 图6 激光雷达检测范围示意图 Fig 6 Schematic diagram of lidar detection range 当激光雷达检测到两侧植物信息时 rfans obsta cle节点会发出作物的距离和角度信息 当检测不到 时 则会一直显示运行和等待作物位置信息的发送 同时通过stm32单片机上的二极管灯进行确认 当检 68 2022年11月 农机化研究 第11期 测不到作物时灯会灭 从而确认该间距下激光雷达能 否识别出该间隙 激光雷达静态下的识别间隙试验是将激光雷达运 行后人工缓慢从雷达前方向后方移动目标靶 当激光 雷达能够检测到作物信息并在ROS发布靶标信息变 为等待信息时 缓慢移动第二个目标靶使ROS系统能 够刚好从等待信息变化为检测并发送作物信息 此时 两目标靶的间距则为激光雷达静态的最小识别间距 设置目标靶间距为X 激光雷达与靶标距离为B 设置激光雷达前进速度v分别为0 5 1m s 其动态测 试结果如表3所示 由表3知 0 5m s的速度下在 有效检测范围内可以识别最小间距0 3m 1m s时可 以识别0 35m的最小间距 识别效果良好 表3 激光雷达动态检测测试结果 Table 3 Test results of lidar dynamic detection 靶标间距 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 对靶喷雾试验 设置激光雷达与仿真树主杆水平距离为1m 喷雾 机器人以0 5m s的速度平行与作物行行驶 根据激 光雷达动态检测最小间距情况 选择0 5m的株距X 选取3颗仿真树进行试验 将单颗仿真树分为上 中 下 左 中 右9个部分 每个部分放置一块水敏纸 相 邻的仿真树中间同样放置一片水敏纸 见图7 放置 范围为激光雷达的检测范围之外 记录喷雾机器人喷 雾时的漏喷 误喷 检测喷雾机器人的对靶喷雾性能 图7 图水敏纸放置示意图 Fig 7 Schematic diagram of water sensitive paper placement 选择水敏纸的尺寸为35mm 110mm将完成喷雾 后的水敏纸干燥后 通过扫描仪完成扫描上传 在电脑 中进行雾滴覆盖率计算 处理过程如图8所示 根据 不同工作状态下的雾滴覆盖率绘制的每个位置雾滴覆 盖浓度折线图 如图9所示 由图9可知 在对靶喷雾 状态下作物各个位置冠层能够与连续喷雾状态下保持 基本一致 图8 水敏纸处理过程 Fig 8 Water sensitive paper treatment process 图9 两种喷雾方式下雾滴覆盖率变化趋势 Fig 9 Variation trend of droplet coverage under two spray modes 78 2022年11月 农机化研究 第11期 在喷雾覆盖率测试中 一般用变异系数CV评判 喷雾的均匀性 当CV值在10 左右时 认为喷雾效果 较好 当大于15 时 认为喷雾效果较差 不能满足植 保作业要求 13 变异系数的计算方法为 CV x 100 7 式中 CV 变异系数 雾滴覆盖率标准差 x 平均值 对靶喷雾下的前冠层雾滴覆盖率小于连续喷雾状 态下的雾滴覆盖率 是因为系统检测到喷头开启会有 一定的时间差 喷头未完全开启 造成了点2 6 10的 雾滴覆盖率较低 图9中对靶状态下的点1 5 9 13雾 滴覆盖率小于连续状态下的雾滴覆盖率 说明喷雾机 器人能够做到在无作物时停止喷雾 在有作物时做到 及时开启 保证喷雾效果的同时 节省了药液使用 在 仿真树空隙点1 5 9 13处 对靶状态下的水敏纸有 较小的雾滴覆盖率 是因为在喷雾过程中雾滴发生了 漂移 表4为根据不同位置冠层检测出的覆盖率及变 异系数 由表4可知 连续与对靶两种喷雾状态下 变异系数相差不大 喷雾效果大致相同 表4 各冠层雾滴覆盖率 Table 4 Droplet coverage of each canopy 连续 前中后 对靶 前中后 覆盖率 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 结论 1 设计了一种基于LiDAR的温室对靶喷雾机器 人 通过市场调研 确定了关键零部件的选型与设计 控制系统由上位机ROS机器人系统和下位机stm32 单片机组成 激光雷达扫描两侧15 范围内的作物信 息 避免了因为作物行中较小的作物间隙而频繁开闭 电磁阀影响喷雾效果 并分析了喷雾过程中的延时 保证了喷雾的实时性 2 测试了激光雷达在0 5 1 0m s速度下不同靶 标间距 靶标与激光雷达间距下的最小识别间距 在 0 5m s时 系统在有效检测距离内可以识别0 3m以 上的间距 在1 0m s时 系统可以识别0 35m上的间 距 3 对靶喷雾试验结果表明 在喷雾机器人在检测 到有作物时能够及时打开喷头 且作物前 中 后3个 位置冠层的雾滴覆盖率变异系数分别为10 0 10 4 12 5 与连续喷雾效果保持基本一致 在作 物空隙位置 喷雾机器人能够自主关闭喷雾 减少药 物浪费 在作物空隙位置能够有效减少约41 喷雾 量 能够满足设计要求 参考文献 1 何雄奎 蔬菜高效施药装备与技术研发应用 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 dormant orchards J Crop protection 2007 27 3 545 552 3 GILES DK SLAUGHTER DC Precision band spraying with machine vision guidance and adjustable yaw nozzles J Transaction of ASAE 1997 40 1 132 140 4 FRANCISCO C P EZ V CTOR J RiINC N JULI N S NC HEZ HERMOSILLA et al Implementation of a low cost crop detection prototype for selective spraying in greenhouses J Springer US 2017 18 6 1011 1023 5 RAFIQ A KALANTARI D MASHHADIMEYGHANI H Construction and development of an automatic sprayer for greenhouse J Agricultural engineering international the cigr e journal 2014 16 2 36 40 6 何雄奎 严苛荣 储金宇 等 果园自动对靶静电喷雾机 设计与试验研究 J 农业工程学报 2003 6 78 80 7 颜杰 温室遥控对靶喷雾机控制系统设计与试验研究 D 镇江 江苏大学 2017 8 曹峥勇 张俊雄 耿长兴 等 温室对靶喷雾机器人控制 系统 J 农业工程学报 2010 26 S2 228 233 9 许林云 张昊天 张海锋 等 果园喷雾机自动对靶喷雾 控制系统研制与试验 J 农业工程学报 2014 30 22 1 9 10 DERKSEN R C KRAUSE C R Spray delivery to nursery trees by air curtain and axial fan orchard sprayer J Envi ron hort 2004 22 1 17 22 11 PEZZI F RONDELLI V The performance of an air assis ted sprayer operating in vineyard J Agricultural engineer ing Res 2000 76 331 340 12 管晨曦 基于ROS的室内巡检机器人系统设计与研究 J 机电信息 2020 30 128 129 88 2022年11月 农机化研究 第11期 13 王璐 陈永成 苏迪 等 喷杆式喷雾分布均匀性试验研究 J 农机化研究 2015 37 10 193 196 200 Design and Experiment of Target Spray Robot in Greenhouse Based on LiDAR Yang Zhenghe1 Chen Yifei2 Yang Huimin2 Yu Chen2 Wang Xuenong2 1 College of Mechanical and Electrical Engineering Xinjiang Agricultural University U r u mqi 830052 China 2 Ag ricultural Mechanization Institute Xinjiang Academy of Agricultural Science U r u mqi 830091 China Abstract In order to improve the utilization rate of pesticides in the greenhouse and reduce pesticide pollution in the greenhouse environment a greenhouse target spray robot based on LiDAR laser radar was designed in 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 农机化研究 第11期