CN115349338A - 一种基于作物长势的变量追肥控制系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明关于一种基于作物长势的变量追肥控制系统与方法，涉及农业机械技术领域。包括机体、工业相机、机载控制器、肥箱和追肥量调节机构；工业相机安装在机体首端，机载控制器设置于机体顶部，肥箱安装在机体尾端，肥箱底端开设有落肥口，追肥量调节机构安装在机体上，并位于落肥口底端；工业相机与追肥量调节机构均与机载控制器电连接。本发明通过工业相机识别水稻、小麦的冠层信息，通过机载控制器计算出实时的追肥量，控制追肥量调节机构进行精准追肥，从而提升肥料的利用率，达到绿色增效的目标。

Description

一种基于作物长势的变量追肥控制系统与方法
技术领域
本发明涉及农业机械技术领域，具体为一种基于作物长势的变量追肥控制系统与方法。
背景技术
氮肥是含有影响水稻、小麦生长发育最为活跃的营养元素氮的化肥。大量研究表明:在一定范围内，增施氮肥能增加水稻、小麦的产量；在相同施氮量下，降低基肥施用比例，增加中后期追肥比例，既有利于延缓植株衰老和提高籽粒产量，又有利于形成合理的群体和产量结构，还有利于提高籽粒蛋白质、改善水稻、小麦品质。因此，追氮对水稻、生产具有十分重要的意义。
水稻、小麦追氮方式采用传统粗放的作业形式，缺乏相应的精准追肥控制系统，严重制约现代农业的发展。针对这一突出问题，国内研究主要集中在排肥机构、监测设备、管理决策系统以及变量控制等局部环节上，而有关智能化、集成化、易操作的精准变量追肥控制系统的研究较少。
因此，如何提供一种基于作物长势的变量追肥控制系统与方法成为了本领域技术人员急需解决的技术问题。
发明内容
本发明主要目的在于提供一种基于作物长势的变量追肥控制系统与方法，以解决上述问题。
为达上述目的，本发明提供了一种基于作物长势的变量追肥控制系统，包括：机体、工业相机、机载控制器、肥箱和追肥量调节机构；其中，工业相机安装在所述机体首端，所述机载控制器设置于所述机体顶部，所述肥箱安装在所述机体尾端，所述肥箱底端开设有落肥口，所述追肥量调节机构安装在所述机体上，并位于所述落肥口底端；所述工业相机与所述追肥量调节机构均与所述机载控制器电连接。
进一步的，追肥量调节机构包括撒肥盘、挡板、连杆、直流电动机、舵机和角度传感器；所述舵机固定在肥箱落肥口一侧，所述挡板位于所述落肥口底部并与所述落肥口贴合，所述舵机输出端与所述挡板相连，用于控制落肥口的开度大小；所述角度传感器设置于所述舵机的一侧，用于检测落肥口的开度；所述直流电动机安装在所述机体上，所述撒肥盘位于所述挡板的下方，并且所述撒肥盘通过所述连杆与所述直流电动机传动连接，用于控制单位时间内的施肥量。
进一步的，机体上安装有组态显示屏，所述组态显示屏与所述机载控制器电连接。
一种基于作物长势的变量追肥控制方法，包括如下步骤：
①完成对变量追肥控制系统各功能模块进行自检；
②自检显示各变量追肥控制系统功能模块正常后，工业相机拍摄作物冠层的图像，将图像输入到DeepLabv3+冠层图像分割模块，识别分割出图像中作物的叶片区域；
③统计叶片区域内图像R分量、G分量、B分量、H分量、S分量均值信息，并将其作为输入量传输进入BP神经模块，预测出作物冠层实时的NDVI值Fndvi；将Fndvi输入到目标追肥量计算模型，得到目标追肥量Fm；
④执行转速调节优先，开度调节补充的原则；读取角度传感器数据，计算落肥口开度Jc，将Fm和Jc输入控制量计算模型，得到直流电动机目标转速Rm；
⑤读取直流电动机转速，得到直流电动机的实时转速Rc；判断直流电动机目标转速Rm是否在[0，100r/min]范围内，如果在这个范围内，调节直流电动机转速，控制追肥量；
⑥如果Rm不在[0，100r/min]范围内，将Fm和Rc输入控制量计算模型，得到落肥口目标开度Jm；判断落肥口目标开度Jm是否在[0，30°]范围内，如果不在这个范围内，舵机正转，增大落肥口开度3°，跳转到步骤④；
⑦Jm在[0，30°]范围内，调节舵机，控制肥口开度。
进一步的，完成对变量追肥控制系统各功能模型进行自检的方法为：基于作物长势的变量追肥工作开始，变量追肥控制系统首先进行初始化，对变量追肥控制系统各功能模型进行自检，如果存在功能模块工作不正常，则弹出错误信息提示对话框，要求操作人员对系统进行检查。
进一步的，步骤⑤调节直流电动机转速，控制追肥量的方法为：直流电动机目标转速Rm在[0，100r/min]范围内，继续比较Rm和Rc的大小，如果Rm>Rc，加大输出电压，提升直流电动机转速，从而加大追肥量；否则减少输出电压，降低直流电动机转速，从而减少追肥量；之后判断是否作业结束，如果是，则系统结束作业；否则回到步骤②继续执行。
进一步的，步骤⑦Jm在[0，30°]范围内，调节舵机，控制肥口开度的方法为：Jm在[0，30°]范围内，继续比较Jm和Jc的大小，如果Jm>Jc，舵机正转，加大落肥口开度，从而加大追肥量；否则控制舵机反转，减小落肥口开度，从而减少追肥量；之后判断是否作业结束，如果是，则系统结束作业；否则回到步骤②继续执行。
本发明的有益效果在于：
本发明通过工业相机识别水稻、小麦的冠层信息，通过机载控制器计算出实时的追肥量，控制追肥量调节机构进行精准追肥，从而提升肥料的利用率，达到绿色增效的目标。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的方法流程图。
图3为本发明的作物冠层图像叶片区域识别图。
图4为本发明基于BP神经网络的作物冠层Fndvi预测模型。
其中，1-工业相机；2-相机连接线；3-机载控制器；4-控制总线；5-直流电动机；6-舵机；7-角度传感器；8-连杆；9-挡板；10-落肥口；11-肥箱；12-组态显示屏。
具体实施方式
为达成上述目的及功效，本发明所采用的技术手段及构造，结合附图就本发明较佳实施例详加说明其特征与功能。
实施例1
如图1所示，本发明中提供了一种基于作物长势的变量追肥控制系统，包括：机体、工业相机1、机载控制器3、肥箱11和追肥量调节机构；其中，工业相机1安装在机体首端，机载控制器3设置于机体顶部，肥箱11安装在机体尾端，肥箱11底端开设有落肥口10，追肥量调节机构安装在机体上，并位于落肥口10底端；工业相机1通过相机连接线2与机载控制器3电连接，追肥量调节机构通过控制总线4与机载控制器3电连接。
追肥量调节机构包括撒肥盘、挡板9、连杆8、直流电动机5、舵机6和角度传感器7；舵机6固定在肥箱11落肥口10一侧，挡板9位于落肥口10底部并与落肥口10贴合，舵机6输出端与挡板9相连，用于控制落肥口10的开度大小；角度传感器7设置于舵机6的一侧，用于检测落肥口10的开度；直流电动机5安装在机体上，撒肥盘位于挡板9的下方，并且撒肥盘通过连杆8与直流电动机5传动连接，用于控制单位时间内的施肥量。
舵机6调节落肥口10开度：
舵机6固定在肥料箱落肥口10一侧的机体上，挡板9通过固定螺丝与舵机6直接连接。当舵机6正转，会带动挡板9正向旋转，遮挡住部分落肥口10，落肥口10的开度减少，挡板9遮挡落肥口10的面积增大；当舵机6反转，会带动挡板9反向旋转，挡板9遮挡落肥口10的面积减少，落肥口10的开度增大，单位时间内的落肥料就增大；从而通过控制舵机6正反转，便能实现落肥口10开度的调控。
直流电机调节施肥量：
施肥机肥箱11内的肥料通过落肥口10落到撒肥盘，撒肥盘上安装有法兰联轴器，法兰联轴器将直流电机输出轴与连杆8于撒肥盘固定。直流电机输出转速越大，撒肥盘的转速越快，单位时间内的施肥量就越大；直流电机输出转速越小，撒肥盘的转速越慢，单位时间内的施肥量就越小；从而通过控制直流电机的转速，便能实现施肥量的实时调控。
本实施例中，机体上安装有组态显示屏12，组态显示屏12与机载控制器3电连接。
本发明基于作物长势的变量追肥控制系统通过工业相机拍摄水稻、小麦的冠层彩色图像，基于DeepLabv3+分割识别作物的冠层叶片区域，获取作物冠层的图像中叶片区域内的R分量、G分量、B分量、H分量、S分量均值信息；将R分量、G分量、B分量、H分量、S分量均值信息作为输入信息输入到BP神经网络，预测作物冠层的NDVI值；根据预测的NDVI值计算目标追肥量，根据机载控制器的控制量计算模型实时控制直流电动机的转速和舵机的角度，从而实时的调节追肥量，到达变量精准追肥的目标。
实施例2
参考图2，本发明还提供了一种基于作物长势的变量追肥控制方法，包括如下步骤：
①基于作物长势的变量追肥工作开始，变量追肥控制系统首先进行初始化，对系统各功能模块进行自检，如果存在功能模块工作不正常，则弹出错误信息提示对话框，要求操作人员对系统进行检查。
②自检显示各系统功能模块正常后，变量追肥控制系统控制工业相机拍摄作物冠层的图像，将图像输入到DeepLabv3+冠层图像分割模块，识别分割出图像中作物的叶片区域。
③系统统计叶片区域内图像R分量、G分量、B分量、H分量、S分量均值信息，并将其作为输入量传输进入BP神经模块，预测出作物冠层实时的NDVI值Fndvi。将Fndvi输入到目标追肥量计算模型，得到目标追肥量Fm。
④变量追肥控制系统执行转速调节优先，开度调节补充的原则。变量追肥控制系统通过系统控制总线读取角度传感器数据，计算落肥口开度Jc，将Fm和Jc输入控制量计算模型，得到直流电动机目标转速Rm。
⑤变量追肥控制系统通过系统控制总线读取直流电动机转速，得到直流电动机的实时转速Rc。系统判断直流电动机目标转速Rm是否在[0，100r/min]范围内，如果在这个范围内，那么继续比较Rm和Rc的大小，如果Rm>Rc，系统加大输出电压，提升直流电动机转速，从而加大追肥量；否则系统减少输出电压，降低直流电动机转速，从而减少追肥量。之后判断是否作业结束，如果是，则系统结束作业；否则回到程序②继续执行。
⑥如果Rm不在[0，100r/min]范围内，将Fm和Rc输入控制量计算模型，得到落肥口目标开度Jm。系统判断落肥口目标开度Jm是否在[0，30°]范围内，如果不在这个范围内，舵机正转，增大落肥口开度3°，程序跳转到④。
⑦Jm在[0，30°]范围内，那么继续比较Jm和Jc的大小，如果Jm>Jc，舵机正转，加大落肥口开度，从而加大追肥量；否则系统控制舵机反转，减小落肥口开度，从而减少追肥量。之后判断是否作业结束，如果是，则系统结束作业；否则回到程序②继续执行。
本发明通过工业相机识别水稻、小麦的冠层信息，通过机载控制器计算出实时的追肥量，控制追肥量调节机构进行精准追肥，从而提升肥料的利用率，达到绿色增效的目标。
应用例
变量追肥作业前，在高地隙植保机上安装变量追肥控制系统，确保各系统连接正确，各系统功能模块工作正常。
(1)冠层图像获取。
工业相机安装于机体的前端，距离作物冠层的距离1.5m，变量追肥控制系统控制工业相机拍摄作物冠层的图像，将图像保存到嵌入式开发板Jetson TX2存储空间，图片格式为.jpg，图像尺寸为1280*1024。
(2)基于改进的DeepLabv3+冠层图像分割，分割识别图像内叶片区域。
如图3所示，采用改进的DeepLabv3+网络模型，将变量追肥控制系统拍摄的图像作为输入图像，通过改进的DeepLabv3+网络模型分割识别图像内叶片区域。
原始输入图像I0经过1×1卷积、Batchnorm、ReLU6处理后，在进行3×3深度可分离卷积、Batchnorm、ReLU6处理后，再经过1×1卷积、Batchnorm处理后与I0相加，得到初步特征层I1。
对初步特征层I1分别进行1×1卷积、空洞率为6的3×3卷积、空洞率为12的3×3卷积、空洞率为18的3×3卷积、最大池化获得5个特征图像，并将这5个图像融合后在进行一次1×1卷积后，通过4倍上采样得到分割识别特征层I2。
对I1进行一次1×1卷积后，与I2进行融合，在经过3×3卷积和4倍上采样得到最终的输出识别图像It。从而完成工业相机所拍摄的图像中作物叶片区域的识别分割。
(3)统计叶片区域的图像信息，基于BP神经网络预测得到叶片冠层的NDVI值。
在完成工业相机所拍摄的图像中作物叶片区域的识别分割后，变量追肥控制系统在RGB和HSV颜色空间统计该区域内的R分量、G分量、B分量、H分量、S分量均值信息，各参数的计算如下：
Figure BDA0003802856600000081
Figure BDA0003802856600000082
Figure BDA0003802856600000083
Figure BDA0003802856600000084
Figure BDA0003802856600000085
式中
Figure BDA0003802856600000086
-图像中作物叶片区域的像素点的R均值；
n-图像中作物叶片区域的像素点的数量；
i-图像中作物叶片区域的第i个像素点，i＝[1,2,3,…,n]；
xRi-图像中作物叶片区域的第i个像素点的R值；
Figure BDA0003802856600000091
-图像中作物叶片区域的像素点的G均值；
xGi-图像中作物叶片区域的第i个像素点的G值；
Figure BDA0003802856600000092
-图像中作物叶片区域的像素点的B均值；
xBi-图像中作物叶片区域的第i个像素点的B值；
Figure BDA0003802856600000093
-图像中作物叶片区域的像素点的H均值；
xHi-图像中作物叶片区域的第i个像素点的H值；
Figure BDA0003802856600000094
-图像中作物叶片区域的像素点的S均值；
xSi-图像中作物叶片区域的第i个像素点的V值。
变量追肥系统在得到R分量、G分量、B分量、H分量、S分量均值后，将其作为BP神经网络的输入，预测作物冠层的NDVI值Fndvi。BP神经网络如图4所示，采用三层神经网络结构，包括1个输入层、1个隐含层节点和1个输出层；将R分量、G分量、B分量、H分量、S分量均值5方面的特征参数值作为神经网络分类器的输入值，经过反复的训练和测试后，进行概率神经网络训练，得到作物冠层的NDVI分布情况，得到预测模型；作物冠层的NDVI值Fndvi作为输出值；神经网络的具体参数为：网络学习效率为0.02；训练最大迭代数为200；目标最小误差为0.001；附件动量因子为0.09；最大失败次数为1000。
(4)通过NDVI值计算出目标追肥量。
变量追肥系统通过BP神经网络模块得到作物冠层的NDVI值Fndvi，利用作物冠层的NDVI值可以求得目标追肥量Fm，其计算公式如下：
Figure BDA0003802856600000101
式中
Fm-目标追肥量，kg/hm2；
Fndvi-作物冠层的NDVI值；
D-播种到追肥前气温稳定高于0℃的天数；
η-一个与氮肥利用率有关的常数，其取值范围为0.5-0.7，优选为0.6。
(5)根据目标追肥量，当前电机转速、落肥口开度，实现变量追肥精准调控。
变量追肥系统计算得到目标追肥量Fm后，系统通过控制总线读取角度传感器和直流电动机的输出信号，得到追肥装置当前的追肥转速和落肥口开度，其中角度传感器的输出信号是0-5v的电压值Uj，直流电动机的输出信号是0-5v的电压值Ur。角度传感器的输出信号Uj、直流电动机的输出信号Ur与落肥口开度检测值Jc、直流电动机转速检测值Rc之间的对应关系为：
Jc＝18.801Uj-1.0846 (7)
Rc＝6.165Ur+0.9023 (8)
式中
Ur-直流电动机的输出信号，v；
Uj-角度传感器的输出信号，v；
Jc-落肥口开度检测值，°；
Rc-直流电动机转速检测值，r/min。
变量追肥控制系统中，目标追肥量Fm和落肥口开度、直流电动机转速之间的控制模型为：
Figure BDA0003802856600000111
式中
Fm-目标追肥量，kg/hm2；
Jm-落肥口开度目标值，取值范围0-30°；
Rm-直流电动机转速目标值，取值范围0-100r/min；
v-变量追肥作业速度，m/s。
变量追肥系统采用的是转速调节优先，落肥口开度辅助调节的调控策略。
因此，变量追肥作业时，变量追肥系统首先将Fm和落肥口开度检测值Jc带入到公式(9)中，这个时候Jm＝Jc，计算出直流电动机转速目标值Rm，系统判断电机目标转速Rm是否在[0，100r/min]范围内，如果在这个范围内，那么继续比较Rm和Rc的大小，如果Rm>Rc，系统加大输出电压，提升电机转速，从而加大追肥量；否则系统减少输出电压，降低电机转速，从而减少追肥量。
如果Rm不在[0，100r/min]范围内，变量追肥系统将Fm和Rc输入公式(9)中，计算得到落肥口目标开度Jm。系统判断落肥口目标开度Jm是否在[0，30°]范围内，如果不在这个范围内，系统舵机正转，增大落肥口开度3°，变量追肥系统重新落肥口的开度值Jc，将Fm和落肥口开度检测值Jc带入到公式(9)中，这个时候Jm＝Jc，计算出直流电动机转速目标值Rm，在进行相关比较，直到满足调控要求。
如果Jm在[0，30°]范围内，那么继续比较Jm和Jc的大小，如果Jm>Jc，系统舵机正转，加大落肥口开度，从而加大追肥量；否则系统控制舵机反转，减小落肥口开度，从而减少追肥量。
以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种基于作物长势的变量追肥控制系统，其特征在于，包括：机体、工业相机、机载控制器、肥箱和追肥量调节机构；其中，工业相机安装在所述机体首端，所述机载控制器设置于所述机体顶部，所述肥箱安装在所述机体尾端，所述肥箱底端开设有落肥口，所述追肥量调节机构安装在所述机体上，并位于所述落肥口底端；所述工业相机与所述追肥量调节机构均与所述机载控制器电连接。
2.如权利要求1所述的一种基于作物长势的变量追肥控制系统，其特征在于，追肥量调节机构包括撒肥盘、挡板、连杆、直流电动机、舵机和角度传感器；所述舵机固定在肥箱落肥口一侧，所述挡板位于所述落肥口底部并与所述落肥口贴合，所述舵机输出端与所述挡板相连，用于控制落肥口的开度大小；所述角度传感器设置于所述舵机的一侧，用于检测落肥口的开度；所述直流电动机安装在所述机体上，所述撒肥盘位于所述挡板的下方，并且所述撒肥盘通过所述连杆与所述直流电动机传动连接，用于控制单位时间内的施肥量。
3.如权利要求1所述的一种基于作物长势的变量追肥控制系统，其特征在于，机体上安装有组态显示屏，所述组态显示屏与所述机载控制器电连接。
4.一种基于作物长势的变量追肥控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
①完成对变量追肥控制系统各功能模块进行自检；
②自检显示各变量追肥控制系统功能模块正常后，工业相机拍摄作物冠层的图像，将图像输入到DeepLabv3+冠层图像分割模块，识别分割出图像中作物的叶片区域；
③统计叶片区域内图像R分量、G分量、B分量、H分量、S分量均值信息，并将其作为输入量传输进入BP神经模块，预测出作物冠层实时的NDVI值Fndvi；将Fndvi输入到目标追肥量计算模型，得到目标追肥量Fm；
④执行转速调节优先，开度调节补充的原则；读取角度传感器数据，计算落肥口开度Jc，将Fm和Jc输入控制量计算模型，得到直流电动机目标转速Rm；
⑤读取直流电动机转速，得到直流电动机的实时转速Rc；判断直流电动机目标转速Rm是否在[0，100r/min]范围内，如果在这个范围内，调节直流电动机转速，控制追肥量；
⑥如果Rm不在[0，100r/min]范围内，将Fm和Rc输入控制量计算模型，得到落肥口目标开度Jm；判断落肥口目标开度Jm是否在[0，30°]范围内，如果不在这个范围内，舵机正转，增大落肥口开度3°，跳转到步骤④；
⑦Jm在[0，30°]范围内，调节舵机，控制肥口开度。
5.如权利要求4所述的一种基于作物长势的变量追肥控制方法，其特征在于，完成对变量追肥控制系统各功能模型进行自检的方法为：基于作物长势的变量追肥工作开始，变量追肥控制系统首先进行初始化，对变量追肥控制系统各功能模型进行自检，如果存在功能模块工作不正常，则弹出错误信息提示对话框，要求操作人员对系统进行检查。
6.如权利要求4所述的一种基于作物长势的变量追肥控制方法，其特征在于，步骤⑤调节直流电动机转速，控制追肥量的方法为：直流电动机目标转速Rm在[0，100r/min]范围内，继续比较Rm和Rc的大小，如果Rm>Rc，加大输出电压，提升直流电动机转速，从而加大追肥量；否则减少输出电压，降低直流电动机转速，从而减少追肥量；之后判断是否作业结束，如果是，则系统结束作业；否则回到步骤②继续执行。
7.如权利要求4所述的一种基于作物长势的变量追肥控制方法，其特征在于，步骤⑦Jm在[0，30°]范围内，调节舵机，控制肥口开度的方法为：Jm在[0，30°]范围内，继续比较Jm和Jc的大小，如果Jm>Jc，舵机正转，加大落肥口开度，从而加大追肥量；否则控制舵机反转，减小落肥口开度，从而减少追肥量；之后判断是否作业结束，如果是，则系统结束作业；否则回到步骤②继续执行。
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