一种变量喷药系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种变量喷药系统及其控制方法，属于变量喷药技术领域，本发明专利技术提出了一种基于截尾均值自适应遗传PID控制算法的变量喷药智能系统，利用图像处理技术采集农田杂草信息，根据快速处理算法得出决策喷药量，变量喷药控制系统采用截尾均值自适应遗传PID控制算法，自适应寻取最优控制参数，根据实际喷药量与决策喷药量的差值输出控制电压，控制电动阀的开度大小，实现对喷药量的精确快速控制，同时还能完成系统压力、液位、流量信息的监测。本发明专利技术从图像信息的采集到变量喷药作业的完成，无需人工判断，节省了人力物力，系统响应速度快，喷药控制误差小，精度高，减少了农药的浪费和对生态环境的污染，提高了农产品的安全性。

A Variable Spraying System and Its Control Method

The invention discloses a variable spraying system and its control method, which belongs to the field of variable spraying technology. A variable spraying intelligent system based on truncated mean adaptive genetic PID control algorithm is proposed. The information of weeds in farmland is collected by image processing technology, and the decision spraying quantity is obtained by fast processing algorithm. The variable spraying control system adopts truncated mean adaptive. The genetic PID control algorithm adaptively finds the optimal control parameters, outputs the control voltage according to the difference between the actual spraying quantity and the decision-making spraying quantity, controls the opening of the electric valve, realizes the accurate and fast control of the spraying quantity, and also completes the monitoring of the system pressure, liquid level and flow information. The invention saves manpower and material resources, has fast response speed, small spraying control error, high precision, reduces the waste of pesticides and the pollution to the ecological environment, and improves the safety of agricultural products, from the collection of image information to the completion of variable spraying operation.

【技术实现步骤摘要】
一种变量喷药系统及其控制方法
本专利技术属于变量喷药
，具体涉及一种变量喷药系统及其控制方法。
技术介绍
在当前的农业生产环境下，农药普遍采用粗放地喷洒方式，按照杂草覆盖程度一致的原则，对整个农田进行统一施药，这样不仅造成农药的浪费和生产成本的增加，而且对生态环境和农产品安全造成负面影响，不利于农业的可持续发展。变量喷药技术根据农田内每个区域的具体病虫草害情况按需投入，精细准确地调整农药的施用量，最大限度地发挥了农药的利用率，避免农田环境破坏，提高了农产品的安全性，有力地推动了现代农业的可持续发展。目前，最为常用的变量喷药方式主要是压力式和脉宽调制式(PWM)。压力式是通过调节喷药系统内部的压力实现变量喷药控制。但是该方法会严重改变喷嘴原有的雾化特性，且流量调节范围窄，进而影响农药喷洒的实际效果。脉宽调制法(PWM)是指通过改变驱动线圈的脉宽信号占空比实现变量喷药作业。而PWM式对系统的频率有着极为苛刻的要求，频率高会降低电磁阀的使用寿命，频率低则影响喷雾效果。
技术实现思路
针对现有变量喷药控制方式的不足，本专利技术的目的在于提出一种基于截尾均值自适应遗传PID控制算法的变量喷药智能系统，该系统能够实现按需喷药，提高农药的利用率，降低生产成本，减少对生态环境的污染。该系统还能实现喷头堵塞报警并实时显示药箱药量、系统压力、决策喷药量和实际喷药量等性能指标，对喷药状态进行全面监测。本专利技术通过如下技术方案实现：一种变量喷药系统，包括喷药装置、图像采集与处理系统、变量喷药控制系统、监测系统及供电系统27组成；所述喷药装置包括药箱1、喷药管路、过滤器3、药泵4、压力表5、安全阀6、分配器10、电磁阀11及喷头12；所述药箱1通过过滤器3与药泵4相连，所述药泵4的出水口分为两路，一路依次经过压力表5及安全阀6回流至药箱1，另一路注入喷药管路一端，喷药管路的另一端与分配器10连接，所述喷药管路上依次设置有压力传感器7、电动阀8及流量传感器9，所述分配器10与电磁阀11及喷头12连接，所述分配器10与电磁阀11及喷头12位于喷药试验台上方；所述图像采集与处理系统，包括安装在喷药装置上的摄像头14，用于采集农田图像，并根据判定公式求取决策喷药量Q；其中A为单垄所对应的杂草面积，V为农业机械的行驶速度，W为喷头间距，C＝R/A，R为每公顷所需喷药量；并将决策喷药量Q通过无线通信模块25传输至变量喷药控制系统；所述的变量喷药控制系统，采用STM32微控制器26，根据图像采集与处理系统发送的决策喷药量和监测系统返回的实际喷药量求取两者的差值，再根据喷药量差值，采用截尾均值自适应遗传PID算法计算当前应该输出的控制电压值，控制电磁阀11的开度，实现变量喷药；所述监测系统，用于实时检测变量喷药系统的工作状态并显示在变量喷药控制系统的显示屏上；所述监测系统包括传感器、信号采集电路23、显示模块28及报警电路30；所述传感器用于实时监测变量喷药系统的工作状态，信号采集电路23采集传感器信号，经变量喷药控制系统处理后，在显示模块28上显示系统的工作状态；所述供电系统27用于为图像采集与处理系统和变量喷药控制系统提供电源。进一步地，所述的喷药装置还包括防漏棚15、水泵16、蓄水池17、支撑悬梁18及杂草模型19；所述杂草模型19位于喷药试验台上，所述水泵16位于喷药试验台下方，防漏棚15位于水泵16上方，用于保护水泵16，所述蓄水池17与水泵16的一端连接，水泵16的另一端与药箱连接；所述支撑悬梁18通过螺钉和卡壳固定在喷药装置内壁两侧，起到支撑的作用。进一步地，所述电磁阀11及喷头12的个数为3个。进一步地，所述监测系统的传感器包括流量传感器20、压力传感器21、液位传感器22，流量传感器20和压力传感器21安装在喷药管路中，用于检测喷药管路的压力和实际喷药量；液位传感器22安装在所述药箱1中，用于检测药箱1的药量；三个传感器均与STM32微控制器26相连，经过信号采集电路23将模拟量转换为数字信号量并送入微控制器26，微控制器26根据各传感器的数据进行计算得出实际的物理量，在液晶显示屏上显示变量喷药系统的工作状态，并在发生故障时及时报警。进一步地，所述供电系统27包括5v电源模块、5v转3.3v稳压芯片、12v电源模块、24v电源模块，为摄像头14和变量喷药控制系统提供电源。本专利技术的另一目的在于提供一种变量喷药智能系统的截尾均值自适应遗传PID控制算法，根据决策喷药量和实际喷药量的差值，实时调整喷药量。进一步地，所述的变量喷药控制系统的控制方法，具体步骤如下：步骤1：在变量喷药控制系统中设置PID参数(Kp，Ki，Kd)种群，其中，Kp为比例系数，Ki为积分系数，Kd为微分系数，随机产生初始化种群，种群规模M，最大进化代数T设为100，分别将Kp、Ki、Kd的取值范围设为[0,100],[0,20],[0,5]；步骤2：依据图像采集与处理系统的决策信息，在变量喷药控制系统中输入决策喷药量；步骤3：根据步骤2采集的决策喷药量、流量传感器测得的实际喷药量及调节时间构建适应度函数F，其中，e(t)为喷药误差，u(t)为微控制器输出电压值，tu为调节时间，所述调节时间为系统从开始运行到实际喷药量达到决策喷药量的时间，w1、w2、w3为权值，w1、w2、w3取值分别为0.999,0.001,2.0，计算每个PID参数个体的适应度值；步骤4：根据下面(1)式使用截尾均值算子去除待选参数个体中的不良性状和极端变异个体，再根据适应度值进行轮盘赌选择，挑选优质个体遗传至下一代；式中X(x1,x2,……xn)是原种群的所有个体，X表示个体的集合，即种群，其中的x1,x2,……xn就是对应的个体，favg是原种群个体的平均适应度，XL是原种群中的极端变异个体和不良性状个体的集合，f′avg是截尾操作后种群的平均适应度，Xnew(x1,x2,……xm)是截尾均值比较后得到的种群；步骤5：采用(2)式的交叉算子将步骤4得到的PID参数种群内的个体进行两两交叉，得到新一代的PID参数种群；fmax为群体中最大的适应度值，favg为每代群体的平均适应度值，f′为交叉的两个个体中大的适应度值；Pc为交叉概率，Pc1，Pc2分别为交叉概率的最大值和最小值；步骤6：采用(3)式确定的变异概率，对步骤5产生的新的PID参数种群个体进行基因位变异，再次生成新的参数种群。fmax为群体中最大的适应度值，favg为每代群体的平均适应度值，f为变异个体的适应度值；Pm为变异概率，Pm1，Pm2分别为变异概率的最大值和最小值；步骤7：判断是否到达进化代数的最大值T，若判断结果为否，返回执行步骤3，重新计算适应度值；若判断结果为是，则输出PID优化参数以及系统响应曲线，喷药流程完成。进一步地，步骤1所述的种群规模M为10-50。与现有技术相比，本专利技术的优点如下：本专利技术利用图像处理技术采集农田杂草信息，根据快速处理算法得出决策喷药量，变量喷药控制系统采用截尾均值自适应遗传PID控制算法，自适应寻取最优控制参数，根据实际喷药量与决策喷药量的差值输出控制电压，控制电动阀的开度大小，实现对喷药量的精确快速控制，同时还能完成系统压力、液位、流量信息的监测。本专利技术从图像信息的采集到变本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种变量喷药系统，其特征在于，包括喷药装置、图像采集与处理系统、变量喷药控制系统、监测系统及供电系统(27)组成；所述喷药装置包括药箱(1)、喷药管路、过滤器(3)、药泵(4)、压力表(5)、安全阀(6)、分配器(10)、电磁阀(11)及喷头(12)；所述药箱(1)通过过滤器(3)与药泵(4)相连，所述药泵(4)的出水口分为两路，一路依次经过压力表(5)及安全阀(6)回流至药箱(1)，另一路注入喷药管路一端，喷药管路的另一端与分配器(10)连接，所述喷药管路上依次设置有压力传感器(7)、电动阀(8)及流量传感器(9)，所述分配器(10)与电磁阀(11)及喷头(12)连接，所述分配器(10)与电磁阀(11)及喷头(12)位于喷药试验台上方；所述图像采集与处理系统，包括安装在喷药装置上的摄像头(14)，用于采集农田图像，并根据判定公式

【技术特征摘要】
1.一种变量喷药系统，其特征在于，包括喷药装置、图像采集与处理系统、变量喷药控制系统、监测系统及供电系统(27)组成；所述喷药装置包括药箱(1)、喷药管路、过滤器(3)、药泵(4)、压力表(5)、安全阀(6)、分配器(10)、电磁阀(11)及喷头(12)；所述药箱(1)通过过滤器(3)与药泵(4)相连，所述药泵(4)的出水口分为两路，一路依次经过压力表(5)及安全阀(6)回流至药箱(1)，另一路注入喷药管路一端，喷药管路的另一端与分配器(10)连接，所述喷药管路上依次设置有压力传感器(7)、电动阀(8)及流量传感器(9)，所述分配器(10)与电磁阀(11)及喷头(12)连接，所述分配器(10)与电磁阀(11)及喷头(12)位于喷药试验台上方；所述图像采集与处理系统，包括安装在喷药装置上的摄像头(14)，用于采集农田图像，并根据判定公式求取决策喷药量Q；其中A为单垄所对应的杂草面积，V为农业机械的行驶速度，W为喷头间距，C＝R/A，R为每公顷所需喷药量；并将决策喷药量Q通过无线通信模块(25)传输至变量喷药控制系统；所述的变量喷药控制系统，采用STM32微控制器(26)，根据图像采集与处理系统发送的决策喷药量和监测系统返回的实际喷药量求取两者的差值，再根据喷药量差值，采用截尾均值自适应遗传PID算法计算当前应该输出的控制电压值，控制电磁阀(11)的开度，实现变量喷药；所述监测系统，用于实时检测变量喷药系统的工作状态并显示在变量喷药控制系统的显示屏上；所述监测系统包括传感器、信号采集电路(23)、显示模块(28)及报警电路(30)；所述传感器用于实时监测变量喷药系统的工作状态，信号采集电路(23)采集传感器信号，经变量喷药控制系统处理后，在显示模块(28)上显示系统的工作状态；所述供电系统(27)用于为图像采集与处理系统和变量喷药控制系统提供电源。2.如权利要求1所述的一种变量喷药系统，其特征在于，所述的喷药装置还包括防漏棚(15)、水泵(16)、蓄水池(17)、支撑悬梁(18)及杂草模型(19)；所述杂草模型(19)位于喷药试验台上，所述水泵(16)位于喷药试验台下方，防漏棚(15)位于水泵(16)上方，用于保护水泵(16)，所述蓄水池(17)与水泵(16)的一端连接，水泵(16)的另一端与药箱连接；所述支撑悬梁(18)通过螺钉和卡壳固定在喷药装置内壁两侧，起到支撑的作用。3.如权利要求1所述的一种变量喷药系统，其特征在于，所述电磁阀(11)及喷头(12)的个数为3个。4.如权利要求(1)所述的一种变量喷药系统，其特征在于，所述监测系统的传感器包括流量传感器(20)、压力传感器(21)、液位传感器(22)，流量传感器(20)和压力传感器(21)安装在喷药管路中，用于检测喷药管路的压力和实际喷药量；液位传感器(22)安装在所述药箱(1)中，用于检测药箱(1)的药量；三个传感器均与STM(32)...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐艳蕾，王新东，李陈孝，付大平，周婧，刘媛媛，孟笑天，何润，
申请(专利权)人：吉林农业大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22