魏旭超，宋堅(jiān)利，馬清俊，劉 洋，李曉越，宋衛(wèi)堂**

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 100083；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，北京 100083）

設(shè)施園藝植保作業(yè)是設(shè)施生產(chǎn)中重要環(huán)節(jié)，是減少溫室作物病蟲害發(fā)生，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)增收的有效手段[1-2]。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，設(shè)施園藝裝備的機(jī)械化、自動(dòng)化程度不斷提高，在田間管理環(huán)節(jié)，自動(dòng)化噴藥成為近些年研究的一個(gè)重要課題[3-4]。設(shè)施農(nóng)機(jī)裝備不斷發(fā)展的同時(shí)，衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)、精準(zhǔn)路徑規(guī)劃、機(jī)群協(xié)同作業(yè)等新興技術(shù)也在不斷創(chuàng)新發(fā)展[5-6]，很多發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)將最新技術(shù)融合到田間管理自動(dòng)化施藥裝備當(dāng)中，并已經(jīng)能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。國(guó)外針對(duì)溫室噴霧作業(yè)，已研發(fā)了多款大型裝備及作業(yè)機(jī)器人：實(shí)際生產(chǎn)中，溫室大棚軌道式噴霧機(jī)應(yīng)用較多，此類噴霧機(jī)多由中央計(jì)算機(jī)控制，自動(dòng)化程度與工作效率都非常高[7-8]。

目前國(guó)內(nèi)設(shè)施園藝植保作業(yè)大部分為傳統(tǒng)背負(fù)式人工施藥，作業(yè)時(shí)，施藥人員直接暴露在農(nóng)藥彌霧中，農(nóng)藥?kù)F滴通過呼吸道和皮膚滲透等方式進(jìn)入人體，危害作業(yè)人員健康，尤其溫室密閉、高溫環(huán)境，更增加了人體體表對(duì)農(nóng)藥吸收的風(fēng)險(xiǎn)[9-12]。另外，還有一些半自動(dòng)化施藥機(jī)械也逐步推廣使用，但由于噴藥方式及設(shè)計(jì)工藝等問題，此類半自自動(dòng)化植保設(shè)備的農(nóng)藥利用率僅為20%～30%[13-14]，并仍需施藥者與機(jī)具共同作業(yè)，農(nóng)藥暴露侵害現(xiàn)象并沒有得到根本上的解決。因此，需要研究一種更為有效的設(shè)施園藝植保作業(yè)施藥方法及裝備，在降低操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度、提高作業(yè)效率的同時(shí)，能夠真正實(shí)現(xiàn)“人機(jī)分離”，保護(hù)作業(yè)人員健康。

總體結(jié)構(gòu)與工作原理

整機(jī)結(jié)構(gòu)

溫室噴霧機(jī)全景影像遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)搭載在溫室履帶自走式風(fēng)送噴霧機(jī)（圖1）上[15]，由基于無(wú)線全景影像的遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)和基于4G 網(wǎng)絡(luò)云平臺(tái)的遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)兩部分組成。其中，遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)可以協(xié)助操作人員進(jìn)行植保作業(yè)，施藥人員利用遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控實(shí)現(xiàn)對(duì)噴霧機(jī)具作業(yè)狀態(tài)的監(jiān)視與控制，它包括機(jī)載全景影像系統(tǒng)和通信與控制系統(tǒng)。機(jī)載全景影像系統(tǒng)利用布置在車輛上的4 個(gè)魚眼攝像頭，通過處理器內(nèi)置的算法程序，對(duì)四路單獨(dú)拍攝的影像視頻進(jìn)行處理，經(jīng)過畸變校正和圖像拼接等圖像處理流程，實(shí)時(shí)輸出一幅無(wú)縫融合的鳥瞰圖像，360。全景影像能夠較好地彌補(bǔ)二維影像的不足，幫助操作者了解車輛周邊視線盲區(qū)，擴(kuò)大視野，形象直觀。通信與控制系統(tǒng)將機(jī)載全景影像系統(tǒng)處理后的視頻圖像實(shí)時(shí)傳輸給操控者，操作人員借助視頻影像完成遠(yuǎn)程視頻操控。遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)由魚眼攝像頭、中央處理器、遙控發(fā)射器、圖傳發(fā)射器、圖傳接收機(jī)等組成?；?G 網(wǎng)絡(luò)云平臺(tái)的遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)可在云端監(jiān)控中心實(shí)時(shí)獲取噴霧機(jī)的各類狀態(tài)信息，該系統(tǒng)主要由攝像頭、一體機(jī)顯示屏和遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)等部分組成。

工作原理

系統(tǒng)工作原理如圖2 所示，作業(yè)時(shí)操作人員在溫室外，通過視頻影像接收設(shè)備，在顯示器前實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)噴霧機(jī)周圍作業(yè)環(huán)境，根據(jù)傳回的影像信息，及時(shí)調(diào)整噴霧機(jī)工作狀態(tài)。進(jìn)行噴霧機(jī)行走控制時(shí)，通過手柄遙控器發(fā)出控制信號(hào)，噴霧機(jī)履帶底盤中的無(wú)線接收器收到相關(guān)信號(hào)后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行解析，并傳輸至電子控制器，電子控制器控制機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)行，無(wú)刷電機(jī)在得到控制信號(hào)后運(yùn)轉(zhuǎn)輸出動(dòng)力，動(dòng)力經(jīng)過傳動(dòng)箱后進(jìn)行減速，最后作用于履帶驅(qū)動(dòng)輪，控制履帶底盤的運(yùn)轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制機(jī)具自由行走和換向功能。進(jìn)行噴霧作業(yè)控制時(shí)，操作人員發(fā)出的噴霧控制信號(hào)經(jīng)由通信與控制系統(tǒng)，最終傳遞給管路電磁閥，電磁閥根據(jù)控制信號(hào)做出相應(yīng)的動(dòng)作，控制噴霧功能的啟停。在噴霧機(jī)進(jìn)行作業(yè)的同時(shí)，噴霧機(jī)機(jī)載GPS 定位模塊接收位置信息，監(jiān)管系統(tǒng)的影像采集攝像頭記錄機(jī)具周圍環(huán)境工作影像信息，這些數(shù)據(jù)首先存儲(chǔ)在本地內(nèi)存中，當(dāng)連接4G 網(wǎng)絡(luò)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換后通過4G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至云端服務(wù)器，作業(yè)人員可在計(jì)算機(jī)或手機(jī)對(duì)應(yīng)監(jiān)管軟件上，遠(yuǎn)程查看噴霧機(jī)工作狀態(tài)、作業(yè)路徑等信息。

圖2 溫室噴霧機(jī)全景影像操控系統(tǒng)原理圖

主要器件選型及構(gòu)建

基于無(wú)線全景影像的遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)構(gòu)建

攝像頭選型

為保證操作人員可監(jiān)測(cè)到噴霧機(jī)周邊的影像，要求攝像頭能夠采集較大的影像視野，同時(shí)，考慮作業(yè)環(huán)境較為潮濕，攝像頭應(yīng)具有一定的防水效果，經(jīng)過對(duì)比相關(guān)攝像頭參數(shù)信息，選用Sony225 型魚眼攝像頭，拍攝視角為170°，防水等級(jí)IP67。

中央處理器主機(jī)選型及參數(shù)設(shè)定

中央處理器主機(jī)主要對(duì)4 個(gè)魚眼攝像頭拍攝的圖像進(jìn)行畸變矯正、圖像拼接及亮度均衡等處理，選用天安盛科技研發(fā)的Spelink 主機(jī)。進(jìn)行圖像處理使用的算法包括：基于特征點(diǎn)提取的SIFT 算法，采用非線性LM 算法進(jìn)行優(yōu)化，使用線性加權(quán)平滑算法對(duì)圖像進(jìn)行融合拼接，最終生成全景圖像。

遠(yuǎn)程控制器件與選型

針對(duì)大型日光溫室對(duì)信號(hào)傳輸范圍和穩(wěn)定性要求，遙控發(fā)射器選用樂迪AT9S-2.4G 型控制器，該控制器信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)，在空曠場(chǎng)地遙控距離可達(dá)3400 m，信號(hào)頻率范圍為2400.0～2483.5 MHz（IMS 波段），可以滿足溫室內(nèi)信號(hào)傳輸需要。

圖像傳輸器件選型

考慮溫室高溫、高濕對(duì)圖像傳輸?shù)挠绊?，圖像傳輸設(shè)備應(yīng)選擇較為穩(wěn)定、耐用的工業(yè)級(jí)數(shù)傳收發(fā)裝置。選用RC-932 5.8G 圖傳發(fā)射器，具有32 個(gè)雙向信道，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)搜頻，自動(dòng)與接收器對(duì)頻；接收器型號(hào)為SKYDROID-UCV 5.8G手機(jī)圖傳接收機(jī)，通過外接連線與顯示屏連接，理論傳輸距離大于500 m，可滿足設(shè)施內(nèi)圖像傳輸需要。

基于4G 網(wǎng)絡(luò)云平臺(tái)的遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)構(gòu)建

一體機(jī)顯示屏選型

由于噴霧機(jī)履帶底盤空間較為狹小，且遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)的中心處理器需要同時(shí)對(duì)視頻信號(hào)、4G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)、GPS 信號(hào)進(jìn)行綜合處理，因此選擇集成度較高的一體式監(jiān)管系統(tǒng)，該系統(tǒng)將各功能模塊、顯示屏及中控處理器集成在一起，便于接線和安裝。本系統(tǒng)選用順心航科技的4G 遠(yuǎn)程一體式監(jiān)管系統(tǒng)，屏幕為10.1 寸IPS 顯示屏。

相關(guān)模塊型號(hào)選型

攝像頭模塊選用順心航科技的SXZ-CA08型無(wú)光夜視攝像頭。GPS 定位模塊分為主機(jī)芯片和收發(fā)天線兩部分。主機(jī)芯片采用高靈敏度導(dǎo)航芯片SIRF4，內(nèi)置于一體機(jī)顯示屏中；收發(fā)天線固定在噴霧機(jī)車架上，用以接收信號(hào)，其收發(fā)頻率為1575MHz。4G 通信模塊為上海移遠(yuǎn)通QUECTEL-EC20 4G 通信模組，在傳輸良好的環(huán)境下，其最大下行速率可達(dá)150 Mbps，最大上行速率可達(dá)50 Mbps，支持各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。

遠(yuǎn)程監(jiān)管平臺(tái)

遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)軟件使用CMSV6 監(jiān)管平臺(tái)，該系統(tǒng)應(yīng)用了GPS 定位、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通訊及云計(jì)算平臺(tái)等技術(shù)，可以滿足實(shí)際應(yīng)用且性能較為穩(wěn)定、可靠。

試驗(yàn)與分析

為驗(yàn)證溫室噴霧機(jī)全景影像遠(yuǎn)程操控與監(jiān)管系統(tǒng)方案的合理性，將全景影像操控系統(tǒng)搭載在溫室履帶自走式風(fēng)送噴霧機(jī)樣機(jī)上，于浙江省溫州種子種苗科技園進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，分別進(jìn)行了噴霧機(jī)行走性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)、攝像頭布置位置效果測(cè)試試驗(yàn)以及云端傳輸效果測(cè)試試驗(yàn)。

搭載全景影像操控系統(tǒng)的溫室噴霧機(jī)行走性能評(píng)價(jià)

試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)溫室東西走向，共有11 個(gè)開間，每個(gè)開間長(zhǎng)度為4 m，東西總長(zhǎng)度為44 m；共4 跨，每跨寬度4.8 m，連棟溫室總跨度為19.2 m。試驗(yàn)大棚在寬度方向上可為南北兩側(cè)，每側(cè)分別種植5 壟番茄，相鄰兩壟間過道寬度為90 cm，南北兩側(cè)種植區(qū)域間隔過道為180 cm。為保證噴霧機(jī)能正常在行間行走，對(duì)行間雜物提前進(jìn)行清理。為保證噴霧機(jī)能正常轉(zhuǎn)壟，栽培行兩端預(yù)留直徑0.5 m，弧度180 rad 的圓弧路徑。為避免重復(fù)施藥，提高作業(yè)效率，噴霧機(jī)在溫室內(nèi)以“梭形”路徑行走，在路邊作業(yè)時(shí)單側(cè)噴藥，在壟間作業(yè)時(shí)雙側(cè)噴藥。遠(yuǎn)程作業(yè)小車在連棟棚內(nèi)的作業(yè)路徑如圖3 所示。

圖3 遠(yuǎn)程施藥小車作業(yè)路徑

（1）噴霧機(jī)進(jìn)門進(jìn)壟行走測(cè)試

如圖4 所示，在溫室外，噴霧機(jī)上層橫流風(fēng)機(jī)為折疊狀態(tài)，作業(yè)時(shí)，由作業(yè)人員將上層橫流風(fēng)機(jī)展開、固定，隨后作業(yè)人員離開溫室，通過遠(yuǎn)程視頻影像，來(lái)操作噴霧機(jī)進(jìn)入番茄行內(nèi)進(jìn)行作業(yè)。在作業(yè)過程中，通過實(shí)時(shí)視頻影像，及時(shí)對(duì)噴霧機(jī)的行進(jìn)姿態(tài)作出調(diào)整，若噴霧機(jī)路徑偏差過大，與栽培壟有相碰撞的危險(xiǎn)時(shí)及時(shí)停止工作，待原地糾偏后繼續(xù)施藥。

圖4 噴霧機(jī)進(jìn)門進(jìn)壟試驗(yàn)

（2）噴霧機(jī)轉(zhuǎn)彎轉(zhuǎn)壟測(cè)試

在完成進(jìn)門和直線行駛的測(cè)試后，操控噴霧機(jī)行駛至作物行間盡頭處，開始轉(zhuǎn)彎換行。轉(zhuǎn)彎過程中完成行進(jìn)方向糾偏后進(jìn)入另一個(gè)植株行間，如圖5 所示為噴霧機(jī)轉(zhuǎn)彎行走測(cè)試過程，主要包括準(zhǔn)備進(jìn)彎、彎道糾偏、即將出彎和完成轉(zhuǎn)壟四個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)。

圖5 噴霧機(jī)轉(zhuǎn)壟測(cè)試過程

（3）可操控性評(píng)價(jià)

關(guān)于人機(jī)協(xié)同工作的舒適度評(píng)價(jià)已有一套完整的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和理論體系，舒適度主要指人體各個(gè)部位感官的綜合主觀感受，是對(duì)周圍環(huán)境刺激的具體反應(yīng)，當(dāng)周圍環(huán)境對(duì)人員個(gè)體從物理上、心理上和生理上的影響都達(dá)到平衡的時(shí)候，此時(shí)可以認(rèn)定主觀感受為舒適的。對(duì)于舒適度的評(píng)價(jià)可以分為主、客觀評(píng)價(jià)法，其中客觀評(píng)價(jià)法基于大量的數(shù)據(jù)研究分析，目前已經(jīng)形成成熟的標(biāo)準(zhǔn)文件，可供評(píng)價(jià)者參考。

對(duì)于舒適度的評(píng)價(jià)是對(duì)主觀感受的定量描述，會(huì)受到多種因素的共同影響，因此，對(duì)舒適度的評(píng)價(jià)也多方面的。借鑒已有的對(duì)于車輛操控舒適度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合本試驗(yàn)的試驗(yàn)探究，設(shè)計(jì)了一套噴霧機(jī)可操作性評(píng)價(jià)指標(biāo)，遠(yuǎn)程影像噴霧機(jī)的可操控性評(píng)價(jià)主要可以從以下幾個(gè)方面入手：操控人員觀看遠(yuǎn)程視頻的方式及設(shè)備、遠(yuǎn)程視頻的實(shí)時(shí)性、遙控操控的便捷性、操作信號(hào)發(fā)出后噴霧機(jī)做出動(dòng)作的延時(shí)等。通過上述幾個(gè)指標(biāo)，評(píng)價(jià)噴霧機(jī)與作業(yè)人員的配合程度，量化一些主觀性的操控指標(biāo)，以此來(lái)反映遠(yuǎn)程影像噴霧機(jī)的可操控性。

在人工遠(yuǎn)程操控下，每完成一次直線行駛和一次轉(zhuǎn)壟作為一個(gè)測(cè)試組，根據(jù)測(cè)試前小車行走所規(guī)劃的梭性路徑，完成整個(gè)試驗(yàn)區(qū)施藥作業(yè)需要進(jìn)行六個(gè)測(cè)試組，記錄每完成一次行進(jìn)施藥所用的時(shí)間，測(cè)試具體包括直線行駛、壟內(nèi)糾偏和調(diào)整噴霧姿態(tài)等操作。根據(jù)現(xiàn)有對(duì)于車輛操控舒適度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮無(wú)線圖像傳輸延遲、噴霧機(jī)操控信號(hào)延遲、機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)作延遲等影響噴霧機(jī)行進(jìn)速度的因素，將噴霧機(jī)的可操控性評(píng)價(jià)指標(biāo)分為“快”“較快”“舒適”“較慢”“慢”五個(gè)檔次，通過操控者主觀評(píng)價(jià)，分析噴霧機(jī)行駛速度與可操控之間的關(guān)系，以得到最佳的行進(jìn)速度范圍。

試驗(yàn)結(jié)果及分析

操作人員在遠(yuǎn)程控制下，噴霧機(jī)完成了進(jìn)入溫室、進(jìn)入作業(yè)壟、轉(zhuǎn)壟等作業(yè)環(huán)節(jié)，噴霧機(jī)可以在作物行間完成直線行走、糾正偏移。在轉(zhuǎn)壟試驗(yàn)過程中，需要提前進(jìn)行轉(zhuǎn)壟操作，不然會(huì)錯(cuò)過最佳轉(zhuǎn)向角度，造成這一現(xiàn)象的原因主要是由于噴霧機(jī)作業(yè)時(shí)負(fù)載較大，差速電機(jī)無(wú)法達(dá)到較高的控制精度，因此無(wú)法及時(shí)駐車轉(zhuǎn)向。

經(jīng)過3 次重復(fù)的連棟溫室模擬試驗(yàn)，噴霧機(jī)可由作業(yè)人員遠(yuǎn)程控制，在作物行間較好的按照預(yù)先設(shè)定的路線行進(jìn)，且行進(jìn)方向的誤差偏離較小。在直線行駛較遠(yuǎn)距離后，噴霧機(jī)的行駛軌跡稍有偏離中心線，需要操控人員及時(shí)糾正偏差。對(duì)噴霧機(jī)較遠(yuǎn)距離直線行駛產(chǎn)生偏移的原因進(jìn)行分析，可能有以下原因：①噴霧機(jī)底盤兩側(cè)履帶分別由兩臺(tái)獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)電流、電壓不穩(wěn)定時(shí)，兩臺(tái)電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速不會(huì)完全同步；②履帶采用非剛性橡膠材料，與路面接觸可能會(huì)產(chǎn)生彈性形變，使整個(gè)履帶產(chǎn)生偏移；③小車行進(jìn)路徑部分區(qū)域凸凹不平，引起噴霧機(jī)行進(jìn)路徑偏移。

如表1 所示，為試驗(yàn)過程中噴霧機(jī)按圖3 所示路徑順序，以過道一端作為起點(diǎn)，每通過一個(gè)過道，并轉(zhuǎn)壟至另一過道一端，所需的具體時(shí)間及平均速度。從表格數(shù)據(jù)及綜合評(píng)價(jià)可以看出，噴霧機(jī)可操控性較好的行駛速度范圍為0.28～0.33 m/s，綜合考慮信號(hào)傳輸延時(shí)的問題，若速度過快會(huì)導(dǎo)致影像視頻無(wú)法即使傳輸，畫面卡頓嚴(yán)重，對(duì)遠(yuǎn)程操作帶來(lái)不便；若速度過慢會(huì)導(dǎo)致噴頭同一位置植株重復(fù)施藥，造成農(nóng)藥浪費(fèi)。初步確定噴霧機(jī)最佳行駛速度之后，即可確定施藥量，進(jìn)而為后續(xù)施藥噴頭的壓力、噴口大小的改進(jìn)提供參考依據(jù)。

表1 噴霧機(jī)行駛速度及可操控性評(píng)價(jià)

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，搭載溫室全景影像操控系統(tǒng)的噴霧機(jī)，可實(shí)現(xiàn)真正意義上“人機(jī)分離”作業(yè)。進(jìn)行噴霧作業(yè)時(shí)，操作人員只需在溫室外，根據(jù)傳送的全景畫面，操控噴霧機(jī)完成噴霧作業(yè)，避免了作業(yè)人員長(zhǎng)時(shí)間暴露在農(nóng)藥彌霧中，保護(hù)了作業(yè)人員健康安全。同時(shí)，通過遙控方式進(jìn)行作業(yè)，在噴霧機(jī)行進(jìn)速度在較為舒適的區(qū)間內(nèi)，與傳統(tǒng)人工植保相比，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，并提高了作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量。

攝像頭布置位置效果測(cè)試試驗(yàn)

試驗(yàn)材料與方法

根據(jù)人體工程學(xué)原理，分別就攝像頭位置高低、拍攝角度、焦距，設(shè)計(jì)了兩種布置方式，用以研究如何使實(shí)現(xiàn)人、農(nóng)機(jī)、設(shè)施之間的最佳匹配，使遠(yuǎn)程操作人員能及時(shí)、準(zhǔn)確、舒適的進(jìn)行操控。

（1）攝像頭布置方式1

噴霧機(jī)周圍四個(gè)攝像頭具體布置方式如圖6所示，該布置方式將前視攝像頭布置在施藥架結(jié)構(gòu)上距離履帶底盤1.8 m 處，鏡頭朝向噴霧機(jī)前進(jìn)方向，拍攝角度為俯拍30°；左視攝像頭和右視攝像頭分別固定在中部橫流風(fēng)機(jī)架結(jié)構(gòu)的左右兩側(cè)，距離履帶底盤1.3 m 高度處，鏡頭拍攝視角為平視；后視攝像頭固定在施藥架第一個(gè)橫梁上，距離履帶底盤1.4 m 位置，鏡頭朝向噴霧機(jī)后方，拍攝視角為俯拍30°。

圖6 攝像頭布置方式1

（2）攝像頭布置方式2

噴霧機(jī)周圍四個(gè)攝像頭具體布置方式如圖7所示，該布置方式將前視攝像頭布置在噴霧機(jī)履帶底盤上，距離地面30 cm 處，鏡頭朝向噴霧機(jī)前進(jìn)方向，拍攝角度為俯拍30°，左視攝像頭、右視攝像頭和后視攝像頭布置方式與1 相同。

圖7 攝像頭布置方式2

試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用布置方式1，攝像頭可以拍攝到更大視野，能夠查看到整個(gè)作業(yè)行全貌（圖8），但在進(jìn)行實(shí)際作業(yè)時(shí)，由于圖像傳輸存在一定的延遲，操作人員在遠(yuǎn)程監(jiān)控界面無(wú)法及時(shí)注意到噴霧機(jī)行進(jìn)的路況。當(dāng)通過顯示的影像發(fā)現(xiàn)噴霧機(jī)出現(xiàn)輕微偏移時(shí)，噴霧機(jī)底盤可能已經(jīng)出現(xiàn)較大距離的偏移，易導(dǎo)致噴霧機(jī)碰撞栽培行。因此，將攝像頭布置于較高位置雖然可保證較廣闊的視野，但不便于觀察噴霧機(jī)輕微偏移，操作人員無(wú)法及時(shí)糾正噴霧機(jī)前進(jìn)路徑的偏差。

圖8 攝像頭布置方式1 成像效果

采用布置方式2，將前視攝像頭固定在噴霧機(jī)履帶底盤上，攝像頭位置與壟面基本平齊，視角高度降低，攝像頭可以拍攝到較為清晰的路面狀況（圖9），操作人員在遠(yuǎn)程監(jiān)控界面觀測(cè)到的噴霧機(jī)行進(jìn)偏移距離與實(shí)際距離也相差較小，可以及時(shí)糾正噴霧機(jī)前進(jìn)路徑的偏差。

圖9 攝像頭布置方式2 成像效果

云端傳輸效果測(cè)試試驗(yàn)

試驗(yàn)材料和方法

打開CMSV6 軟件（圖10），設(shè)置IP 地址和端口號(hào)并登錄系統(tǒng)，登錄成功后在“實(shí)時(shí)預(yù)覽”對(duì)話框下，可以看到噴霧機(jī)所搭載的遠(yuǎn)程視訊系統(tǒng)傳回的圖像，前后左右四路攝像頭分別顯示，在等待系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)試完成后，開啟噴霧機(jī)風(fēng)送開關(guān)和噴霧開關(guān)，開始遠(yuǎn)程施藥作業(yè)。分別在日間和夜間對(duì)工作中遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)成像效果進(jìn)行測(cè)試。

圖10 客戶端主窗體界面

試驗(yàn)結(jié)果與分析

在日間光線較好時(shí)，通過遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)，可獲得噴霧機(jī)上4 路攝像頭拍攝的四個(gè)方向較為清晰的環(huán)境影像（圖11）。每一路攝像頭也可單獨(dú)顯示（圖12），可將前視攝像頭的影像框放大，獲取更大的視野，方便操控。

圖11 四路影像監(jiān)管界面

圖12 單路影像監(jiān)管界面

夜間光線較暗的環(huán)境下，攝像頭的成像效果如圖13 所示，影像效果較差，表明該系統(tǒng)目前不適用于在夜間作業(yè)，后期的研究可換用專用紅外夜視相機(jī)，提升成像效果以滿足夜間噴霧作業(yè)要求。

圖13 實(shí)時(shí)影像夜間效果圖

結(jié)論

本文主要設(shè)計(jì)了一種溫室噴霧機(jī)全景影像遠(yuǎn)程操控與監(jiān)管系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后搭載于溫室自走式風(fēng)送噴霧機(jī)上進(jìn)行性能測(cè)試。結(jié)果表明，該機(jī)具能夠?qū)崿F(xiàn)溫室大棚等設(shè)施內(nèi)的半無(wú)人化植保施藥作業(yè)，可有效降低施藥人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，消除農(nóng)藥對(duì)人體的危害，保護(hù)作業(yè)人員的健康。

（1）將全景影像技術(shù)與無(wú)線圖傳收發(fā)裝置相結(jié)合，為噴霧機(jī)搭建了一套直觀可視的全景影像操控系統(tǒng)。選用技術(shù)成熟、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)的FPV 圖傳系統(tǒng)進(jìn)行視頻信號(hào)傳輸，理論傳輸距離可達(dá)500 m 以上，視頻圖像的傳輸延遲時(shí)間小于1 s，滿足實(shí)時(shí)操控的需要。

（2）針對(duì)噴霧機(jī)的行走性能和影像效果進(jìn)行測(cè)試。綜合考慮測(cè)試時(shí)各方面的影響因素，通過操控者對(duì)噴霧機(jī)的可操控性評(píng)價(jià)，確定了噴霧機(jī)可操控性較高的行駛速度范圍為0.28～0.33 m/s。通過兩種攝像頭布置方案的對(duì)比，優(yōu)化了攝像頭的位置，提高了影像傳輸?shù)馁|(zhì)量和機(jī)具的可操控性。

（3）設(shè)計(jì)了一套基于4G 網(wǎng)絡(luò)和云平臺(tái)的遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)影像傳送至云端，操作者可以在實(shí)時(shí)觀看現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)視頻，并針對(duì)作業(yè)情況對(duì)噴霧機(jī)做出相應(yīng)的姿態(tài)調(diào)整與控制。該套系統(tǒng)兼有GPS 定位和視頻回放功能，可以實(shí)現(xiàn)噴霧機(jī)械的綜合管理。