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温室生产环境高温高湿，易导致病虫害高频发生。目前，喷施农药依然是控制病虫害的最重要也是最经济的手段。农药的喷施方法是影响喷施效果的重要因素之一。然而，在许多现代化温室中却依然在使用传统的手持式农药喷施设备或恒量农药喷施模式，不仅喷雾效率低、效果差，而且农药用量不易控制，影响食品安全和环境安全。基于激光传感器的温室变量施药系统可以根据植物体积调整施药量，可显著提高施药效率、减少农药浪费和降低环境污染。本文以提高施药精准性和施药效率为目标，搭建了温室变量施药系统，在施药过程中利用激光传感器检测植物冠层大小，控制喷头以特定的喷雾速率输出与植物大小相匹配的农药喷施量，从而在保证施药质量的同时减少农药浪费，提高喷雾效率，进而降低对环境的污染。主要研究内容与结论如下:
(1)研究了激光传感器在室内条件下对复杂形状、大小、颜色和表面粗糙度的物体的三维尺寸测量性能。在不同传感器检测高度(0.25、0.5、0.75和1.0m)、不同运动速度(1.6、2.4、3.2、4.0和4.8kmh-1)和距离传感器不同的横向距离(0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0和3.5m)的条件下，利用激光传感器对表面光滑的粉球、表面粗糙的红黑相间的篮球、棕色长方体纸盒、表面光滑的白色圆柱体以及两种不同冠层形状的仿真植物(以下简称“粉球、篮球、长方体、圆柱体、植物1和植物2)进行扫描，并利用激光传感器检测数据重构物体三维表面图像，进而与照相机在相同高度下拍摄到的数码图像相对比，通过视觉观察直观地验证激光传感器的检测效果。此外，根据激光传感器检测数据计算物体沿X方向(物体横向宽度方向)、Y方向(激光传感器运动方向)和Z方向(垂直高度方向)的三维尺寸，并与物体沿上述方向的实际尺寸进行对比，通过均方根误差(root mean square error，RMSE)和变异系数(coefficient of variation，CV)来验证激光传感器的三维尺寸检测准确性。最后，通过对激光传感器检测原理的分析，计算传感器检测物体时的理论误差，论证将传感器应用到温室施药系统的可行性。试验结果表明，激光传感器在Y方向(激光传感器运动方向)和Z方向(垂直高度方向)的检测结果与物体沿该方向的实际尺寸吻合良好。激光传感器在X方向(沿物体横向宽度方向)、Y方向(激光传感器运动方向)以及Z方向(垂直高度方向)的RMSE和CV的最大值分别为83mm和50.9％、41mm和15.2％以及16mm和14.0％。这些试验结果表明将激光传感器应用到温室变量施药系统是可行的。
(2)验证了激光传感器在室内条件下对复杂形状、大小、颜色和表面粗糙度的物体的边缘检测性能。边缘检测是目标识别的重要组成部分，图像的边缘可以表征图像的边界和重要的结构信息，能够精确地测量和定位图像中边缘，那么，实际的物体也就能够被定位和测量，包括物体的面积、直径和形状等。因此，为了进一步验证激光传感器的检测性能，弥补激光传感器沿X方向(物体横向宽度方向)、Y方向(激光传感器运动方向)和Z方向(垂直高度方向)三个特定方向的尺寸信息在表征植物冠层方面的不足，在不同检测高度(0.25、0.5、0.75和1.0m)、不同运动速度(1.6、2.4、3.2、4.0和4.8kmh-1)和距离传感器不同横向距离(0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0和3.5m)的条件下，利用激光传感器对不同形状物体(粉球、篮球、长方体、圆柱体、植物1和植物2)进行了检测。基于激光传感器的检测原理，分析了传感器在X、Y和Z方向的检测分辨率。利用传感器检测数据重构物体表面，然后分别对重构图像和数码相机图像进行物体边缘提取，利用ESS(edge similarity score)分析激光传感器的边缘检测性能。试验结果表明，激光传感器的边缘检测准确性受到激光传感器检测分辨率的影响。传感器的运动速度轻微地影响传感器的边缘检测准确性，物体距离传感器的横向距离和激光传感器的检测高度对传感器边缘检测效果影响显著。较高的传感器检测高度可以弱化横向距离对激光传感器沿X方向(横向距离方向)的检测分辨率(DRH)造成的不利影响，从而提高激光传感器的检测分辨率(DR)。为了使激光传感器的检测性能更好，激光传感器最佳的工作参数是检测高度为1.0m和运动速度为1.6kmh-1。同时，激光传感器对表面更加平整或者摆放间隔距离较小的物体边缘检测性能更好。总体来说，激光传感器可以在不同的传感器检测高度和运动速度条件下对距离传感器不同横向距离复杂形状物体进行检测。
(3)设计了基于激光传感器的温室变量施药系统并对系统的施药性能进行了评估。温室变量施药系统的主要组成部分有激光传感器、嵌入式计算机、喷雾控制单元、3.60米长的喷杆和12个喷头组件等。每个喷头与一个PWM(pulsewidthmodulated，脉冲宽度调制)电磁阀相连接，可以根据植物的大小实时控制每个喷头输出与植物冠层体积相匹配的施药量。温室施药系统的工作参数可以根据温室中喷杆设备的实际情况进行灵活设置，包括激光传感器的检测高度、垂直和水平检测范围、运动速度、喷雾率、喷头位置和喷头流量，使温室变量施药系统能够适用于多种喷杆设备，实现对至多40个喷头的独立控制，具有较高的广泛适应性。在室内模拟的温室喷雾环境下，选用XR8004喷嘴类型，以自来水作为喷雾液体，四种规则形状物体(粉球、篮球、长方体和圆柱体)和两种仿真植物(植物1和植物2)为检测目标，在不同传感器检测高度(0.5、0.75和1.0m)和不同运动速度(1.6、2.4、3.2、4.0和4.8kmh-1)以及不同的延迟距离(0.6、0.75和1.0m)条件下对基于激光传感器的温室变量施药系统的施药性能进行了评估。试验结果表明，尽管温室变量施药系统到达植物边界区域触发喷头开启时的距离(以下简称“到达距离”)和超出植物边界区域的关闭喷头时的距离(以下简称“超出距离”)会受到不同传感器检测高度、运动速度以及延迟距离的影响，但是无论位于喷雾区域内的喷雾目标是单独还是连续排列的，施药系统都可以准确地控制喷头开启或关闭，保证喷雾输出完全覆盖目标，且避免在空白区域误喷。同时，实际施药体积(VM, mL)与基于传感器的检测数据的施药体积(VD，mL)以及基于物体几何体积的施药体积(VG，mL)吻合良好。为了使VM与VD更加接近，温室变量施药系统的传感器检测高度和运动速度建议值分别为1m和1.6kmh-1。与传统恒量施药模式相比，温室变量施药系统可以在保证施药效果的同时，显著降低农药喷施量，提高施药效率和农药利用率。
(4)将所设计的温室变量施药系统安装在商业温室中，验证施药系统在真实的温室环境对真实植物的实际施药效果和性能。以不同品种、大小和摆放模式的温室盆栽植物一品红为喷雾对象，使用水敏纸来测量一品红冠层和空白地面区域的雾滴覆盖率，研究系统在不同的运动速度条件下在一品红冠层的喷雾覆盖率。试验结果证明，在不更换喷雾设备和喷嘴类型以及不人为干涉喷雾速率的情况下，温室变量施药系统能够在不同运动速度(0.8、1.1和1.6kmh-1)条件下检测一品红的大小和摆放模式，自动控制喷雾速率，使喷施量与植物大小相匹配，并在超出植物边界的区域关闭喷嘴，在空白地面区域保持喷头关闭，并在到达植物边界区域触发喷嘴开启。统计分析显示不同的运动速度以及不同的一品红品种、尺寸和摆放模式对温室变量施药系统在一品红冠层内产生的喷雾覆盖率没有显著影响。与传统的恒量施药模式相比，温室变量施药系统可以减少21.3％到89.3％喷施量。农药喷施量的节省比例在系统运动速度较低、植物尺寸较小或摆放较稀疏的一品红区块更为明显。试验结果证明基于激光传感器的温室变量施药系统是一种可安全有效在温室进行农药变量喷施的装备。
(1)研究了激光传感器在室内条件下对复杂形状、大小、颜色和表面粗糙度的物体的三维尺寸测量性能。在不同传感器检测高度(0.25、0.5、0.75和1.0m)、不同运动速度(1.6、2.4、3.2、4.0和4.8kmh-1)和距离传感器不同的横向距离(0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0和3.5m)的条件下，利用激光传感器对表面光滑的粉球、表面粗糙的红黑相间的篮球、棕色长方体纸盒、表面光滑的白色圆柱体以及两种不同冠层形状的仿真植物(以下简称“粉球、篮球、长方体、圆柱体、植物1和植物2)进行扫描，并利用激光传感器检测数据重构物体三维表面图像，进而与照相机在相同高度下拍摄到的数码图像相对比，通过视觉观察直观地验证激光传感器的检测效果。此外，根据激光传感器检测数据计算物体沿X方向(物体横向宽度方向)、Y方向(激光传感器运动方向)和Z方向(垂直高度方向)的三维尺寸，并与物体沿上述方向的实际尺寸进行对比，通过均方根误差(root mean square error，RMSE)和变异系数(coefficient of variation，CV)来验证激光传感器的三维尺寸检测准确性。最后，通过对激光传感器检测原理的分析，计算传感器检测物体时的理论误差，论证将传感器应用到温室施药系统的可行性。试验结果表明，激光传感器在Y方向(激光传感器运动方向)和Z方向(垂直高度方向)的检测结果与物体沿该方向的实际尺寸吻合良好。激光传感器在X方向(沿物体横向宽度方向)、Y方向(激光传感器运动方向)以及Z方向(垂直高度方向)的RMSE和CV的最大值分别为83mm和50.9％、41mm和15.2％以及16mm和14.0％。这些试验结果表明将激光传感器应用到温室变量施药系统是可行的。
(2)验证了激光传感器在室内条件下对复杂形状、大小、颜色和表面粗糙度的物体的边缘检测性能。边缘检测是目标识别的重要组成部分，图像的边缘可以表征图像的边界和重要的结构信息，能够精确地测量和定位图像中边缘，那么，实际的物体也就能够被定位和测量，包括物体的面积、直径和形状等。因此，为了进一步验证激光传感器的检测性能，弥补激光传感器沿X方向(物体横向宽度方向)、Y方向(激光传感器运动方向)和Z方向(垂直高度方向)三个特定方向的尺寸信息在表征植物冠层方面的不足，在不同检测高度(0.25、0.5、0.75和1.0m)、不同运动速度(1.6、2.4、3.2、4.0和4.8kmh-1)和距离传感器不同横向距离(0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0和3.5m)的条件下，利用激光传感器对不同形状物体(粉球、篮球、长方体、圆柱体、植物1和植物2)进行了检测。基于激光传感器的检测原理，分析了传感器在X、Y和Z方向的检测分辨率。利用传感器检测数据重构物体表面，然后分别对重构图像和数码相机图像进行物体边缘提取，利用ESS(edge similarity score)分析激光传感器的边缘检测性能。试验结果表明，激光传感器的边缘检测准确性受到激光传感器检测分辨率的影响。传感器的运动速度轻微地影响传感器的边缘检测准确性，物体距离传感器的横向距离和激光传感器的检测高度对传感器边缘检测效果影响显著。较高的传感器检测高度可以弱化横向距离对激光传感器沿X方向(横向距离方向)的检测分辨率(DRH)造成的不利影响，从而提高激光传感器的检测分辨率(DR)。为了使激光传感器的检测性能更好，激光传感器最佳的工作参数是检测高度为1.0m和运动速度为1.6kmh-1。同时，激光传感器对表面更加平整或者摆放间隔距离较小的物体边缘检测性能更好。总体来说，激光传感器可以在不同的传感器检测高度和运动速度条件下对距离传感器不同横向距离复杂形状物体进行检测。
(3)设计了基于激光传感器的温室变量施药系统并对系统的施药性能进行了评估。温室变量施药系统的主要组成部分有激光传感器、嵌入式计算机、喷雾控制单元、3.60米长的喷杆和12个喷头组件等。每个喷头与一个PWM(pulsewidthmodulated，脉冲宽度调制)电磁阀相连接，可以根据植物的大小实时控制每个喷头输出与植物冠层体积相匹配的施药量。温室施药系统的工作参数可以根据温室中喷杆设备的实际情况进行灵活设置，包括激光传感器的检测高度、垂直和水平检测范围、运动速度、喷雾率、喷头位置和喷头流量，使温室变量施药系统能够适用于多种喷杆设备，实现对至多40个喷头的独立控制，具有较高的广泛适应性。在室内模拟的温室喷雾环境下，选用XR8004喷嘴类型，以自来水作为喷雾液体，四种规则形状物体(粉球、篮球、长方体和圆柱体)和两种仿真植物(植物1和植物2)为检测目标，在不同传感器检测高度(0.5、0.75和1.0m)和不同运动速度(1.6、2.4、3.2、4.0和4.8kmh-1)以及不同的延迟距离(0.6、0.75和1.0m)条件下对基于激光传感器的温室变量施药系统的施药性能进行了评估。试验结果表明，尽管温室变量施药系统到达植物边界区域触发喷头开启时的距离(以下简称“到达距离”)和超出植物边界区域的关闭喷头时的距离(以下简称“超出距离”)会受到不同传感器检测高度、运动速度以及延迟距离的影响，但是无论位于喷雾区域内的喷雾目标是单独还是连续排列的，施药系统都可以准确地控制喷头开启或关闭，保证喷雾输出完全覆盖目标，且避免在空白区域误喷。同时，实际施药体积(VM, mL)与基于传感器的检测数据的施药体积(VD，mL)以及基于物体几何体积的施药体积(VG，mL)吻合良好。为了使VM与VD更加接近，温室变量施药系统的传感器检测高度和运动速度建议值分别为1m和1.6kmh-1。与传统恒量施药模式相比，温室变量施药系统可以在保证施药效果的同时，显著降低农药喷施量，提高施药效率和农药利用率。
(4)将所设计的温室变量施药系统安装在商业温室中，验证施药系统在真实的温室环境对真实植物的实际施药效果和性能。以不同品种、大小和摆放模式的温室盆栽植物一品红为喷雾对象，使用水敏纸来测量一品红冠层和空白地面区域的雾滴覆盖率，研究系统在不同的运动速度条件下在一品红冠层的喷雾覆盖率。试验结果证明，在不更换喷雾设备和喷嘴类型以及不人为干涉喷雾速率的情况下，温室变量施药系统能够在不同运动速度(0.8、1.1和1.6kmh-1)条件下检测一品红的大小和摆放模式，自动控制喷雾速率，使喷施量与植物大小相匹配，并在超出植物边界的区域关闭喷嘴，在空白地面区域保持喷头关闭，并在到达植物边界区域触发喷嘴开启。统计分析显示不同的运动速度以及不同的一品红品种、尺寸和摆放模式对温室变量施药系统在一品红冠层内产生的喷雾覆盖率没有显著影响。与传统的恒量施药模式相比，温室变量施药系统可以减少21.3％到89.3％喷施量。农药喷施量的节省比例在系统运动速度较低、植物尺寸较小或摆放较稀疏的一品红区块更为明显。试验结果证明基于激光传感器的温室变量施药系统是一种可安全有效在温室进行农药变量喷施的装备。