[发明专利]一种基于棉花生长期识别的变量施药控制方法

权利要求书

1.一种基于棉花生长期识别的变量施药控制方法，其特征在于：包括变量施药控制系统和变量施药控制过程；

所述的变量施药控制系统包括棉花感知装置、变量喷雾执行装置和施药控制系统；

所述的棉花感知装置包括摄像头、镜头和信号传输线；所述的摄像头为满足田间拍摄环境的工业相机，用于拍摄高质量棉花植株图像；所述的镜头安装在摄像头上，用于调整摄像头所获得棉花植株图像的景深和视角；所述的信号传输线一端与摄像头相连另一端与施药控制系统相连，用于将摄像头拍摄的图像传输到施药控制系统；

所述的变量喷雾执行装置包括承载装置和喷雾装置；所述的承载装置可以为无人机或小型拖拉机，用于载运棉花感知装置、施药控制系统和喷雾装置；所述的喷雾装置包括喷嘴、储药箱、电磁阀、输药管和风送辅助装置；所述的喷嘴为合适角度和流量的喷嘴，与输药管相连，用于将药液均匀地喷洒在棉花植株上；所述的储药箱固定在承载装置上，用于储存喷雾所需的药液；所述的电磁阀安装在输药管上，受施药控制系统控制，用于控制输药的流量；所述的输药管一端连接在储药箱上另一端连接喷嘴，中间安装电磁阀，用于从储药箱运输药液到喷嘴；所述的风送辅助装置固定在承载装置上，位于喷嘴前方，通过产生风幕增强喷雾沉积效果；

所述的施药控制系统包括拍摄控制程序和分类识别程序、喷雾参数优化程序和喷雾执行控制程序；所述的拍摄控制程序用于控制摄像头拍摄并将图像发送给分类识别程序；所述的分类识别程序接收来自拍摄控制程序的图像并通过基于卷积神经网络的图像识别技术从图像中提取合适的特征对棉花进行识别，从而判断出棉花的生长期并将棉花生长期识别结果发送给喷雾执行程序；所述的喷雾参数优化程序通过对每个生长期的棉花按照流量、风速和载具前进速度三个因素设置多个水平进行正交试验并建立高斯响应面，通过遗传算法求解每个生长期的最优流量、风速和前进速度来构建喷雾参数模型并将模型载入喷雾执行程序；所述的喷雾执行程序接收来自分类识别程序的棉花生长期信息并按照喷雾参数优化程序计算出的相应生长期的最优喷雾参数模型控制变量喷雾执行装置喷药；

所述变量施药过程步骤如下：

1）求解各生长期最优喷雾参数模型：选取流量、风速和载具前进速度三个实验因素设置多个水平针对每个生长期的棉花进行喷雾沉积实验得到每组实验的农药利用率和沉积均匀性；根据喷雾需求中对追求农药高效利用或药液均匀沉积的侧重不同给农药利用率和沉积均匀性赋予相应权重来构造喷雾目标函数；施药控制系统中的喷雾参数优化程序根据喷雾沉积实验的参数和实验结果建立高斯响应面，然后通过遗传算法求解每种喷雾目标函数的最优解从而得到各生长期在每种喷雾需求下的喷雾模型，然后将模型传输到喷雾执行控制程序；

2）训练棉花生长期识别的CNN模型：获取大量棉花图片并对每幅图片标定生长期；按照合适比例将所有图片划分为训练集和测试集；搭建卷积神经网络并以训练集棉花为输入数据训练卷积神经网络模型；以测试集为输入数据测试卷积神经网络模型的性能；根据测试集的验证结果适当调整卷积神经网络结构并重复训练和测试过程以优化卷积神经网络结构；最终将性能较好的卷积神经网络模型载入分类识别程序；

3）棉花图像采集：施药控制系统中的拍摄控制程序控制摄像头拍摄棉花图像并传输到分类识别程序；

4）棉花生长期识别：施药控制系统中的分类识别程序采用预先训练好的卷积神经网络模型对摄像头采集的棉花图像进行识别，然后将识别到的生长期信息发送给喷雾执行程序；

5）喷雾执行决策：施药控制系统中的喷雾执行程序根据喷雾需求是侧重于追求农药高效利用还是侧重于追求药液均匀沉积和分类识别程序中的识别结果选取相应喷雾模型并控制喷雾执行设备进行喷雾作业；

6）变量喷雾作业：变量喷雾执行装置接收喷雾执行程序中的控制信号，开闭对应电磁阀、调整风速风送辅助装置的风速和载具行进速度并进行喷雾；

7）重复执行3）-6）步，当喷雾需求和生长期信息未发生变化时变量喷雾执行装置保持原有喷雾模型进行喷雾作业，当喷雾需求或生长期信息发生变化则变量喷雾执行装置按照新的喷雾模型进行喷雾作业。