基于机器学习的精准施肥控制系统设计与分析

孙 沛

(成都文理学院 信息工程学院,成都 610401)

0 引言

合理有效的施肥过程能够为农作物的生长发育过程提供充分营养保障,从而提高农作物产量。农业种植过程施肥方式多样,但普遍存在施肥过程肥料消耗大、肥料利用率低的现象;施肥量的控制也是主要依据农业种植经验来决策,施肥深度和施肥位置也对肥料利用率造成不同程度的影响[1-2]。为此,基于果园开沟施肥方式,利用精准施肥控制方案设计了果树精准施肥控制系统,可根据果园的不同施肥工艺要求和果树生长阶段差异,实施适量精准施肥控制,降低肥料使用量,提高了肥料利用率。

1 精准施肥控制系统总体方案设计

果园精准施肥控制系统搭载于传统机械开沟施肥机上,主要包含系统控制模块、施肥模块以及施肥位置控制模块[3-5],如图1所示。

图1 精准施肥控制系统框架Fig.1 Framework of precision fertilization control system

精准施肥过程中,通过双目视觉传感器对施肥位置信息进行探测,与机器学习结果进行比对,经控制器数据解调分析后,获取精准施肥位置信息,将肥料在施肥沟内精准抛洒,完成精准施肥过程[6-7]。精准施肥过程对施肥量的控制通过排肥器的打开时间和关闭时间进行直接控制;施肥位置的控制是通过双目视觉传感器与机器学习算法的比对判断,在获取到施肥位置中心点后,控制施肥过程的起始位置和终止位置[8]。控制系统在获取到施肥机的行进速度和位置信息后,发送施肥控制信号,在预定位置进行施肥控制,将定量的肥料颗粒进行撒施;完成撒施后,重复以上过程,达到连续、精准施肥控制的目的[9]。

2 机器学习控制算法与视觉引导

精准施肥过程中,控制系统采用机器学习算法主动学习施肥过程数据,对已知施肥数据进行分析,获取数据概率分布,在机器算法认知回归方程中载入机器学习过程,从而提高机器学习和控制过程效率[10]。

为获取精准施肥过程中的位置信息,采用双目视觉摄像机获取果树位置信息,数据处理后得到精准施肥位置信息,并通过串口通信的方式将施肥指令发送至驱动控制器,从而达到间歇性施肥的目的[11]。双目视觉进行位置信息采集时,以非接触的测量方式精准获取位置图像信息和目标轮廓,对施肥对象的质心坐标进行精准化分析[12]。图2为精准施肥控制双目视觉摄像机获取位置图像工作原理图。

图2 精准施肥视觉系统工作原理图Fig.2 Working principle diagram of precision fertilization vision system

精准施肥控制系统机器学习过程中,首先利用双视觉传感器为精准视自变量进行采集x=(x1,x2…,xn),取均值得到系统测量数据矩阵X=(x1,x2…,xm)n。其协方差矩阵可表示为

求精准位置认知元素,即

其中,p1、p2…、pm为协方差矩阵的特征根λi对应的单位正交向量。

求解认知元素的方差潜在概率,即

由此得出认知元素数量a对应的累计潜在概率为

建立自变量与因变量y之间的认知回归方程,系数可表示为

其中,α为回归常数;T为认知观测系数。

利用机器学习方式对双目视觉采集数据进行认知,获取认知回归系数,对电机转速变化的认知程度进行改善,从而实现施肥过程的精准化控制[13]。

3 精准施肥控制系统硬件结构设计

精准施肥控制系统以控制模块的方式搭建系统,主控制器选用STM32,采用大规模集成电路将各种功能集成,外部晶振可达到8M。时钟晶振32 768Hz,采用插针引出的方式实现输入输出扩展。

控制系统驱动模块为精准施肥过程动力模块,采用直流减速电机进行动力输出,以两路直流电机驱动板为驱动模块。表1为电机技术参数,表2为电机驱动模块技术参数。

表1 电机技术参数Table 1 Technical parameters of motor

综上所述分析,精准施肥控制系统硬件结构图如图3所示。

图3 精准施肥控制系统硬件结构图Fig.3 Hardware structure diagram of precision fertilization control system

4 精准施肥控制系统软件结构设计

精准施肥控制系统软件主要用于工作过程中设定施肥量和行进速度,对施肥长度进行设定,通过改变参数输入值来模拟精准施肥控制,并能够对过程参数进行读取;对双目视觉信号进行读取,并能够对控制系统当中的串口通信数据和编码器信号进行分析处理,将施肥控制指令发送至主控制器;当施肥控制系统主控制器接收到施肥控制指令后,对相关控制参数进行比对,计算步进电机脉冲信号周期,控制步进电机的启动和停止,从而实现间歇性施肥控制。图4为精准施肥控制系统软件框架原理。

图4 精准施肥控制系统软件框架原理Fig.4 Software framework and principle of precision fertilization control system

控制系统运行过程中,系统主控制器接收到串口通信数据,对施肥位置信息进行精准获取,并根据编码器传输到的速度信息进行计算,得出步进电机驱动器脉冲周期值,实现精准化施肥控制。精准施肥控制系统主控制流程图如图5所示。

图5 精准施肥控制系统主控制流程图Fig.5 Main control flow chart of precision fertilization control system

5 控制系统性能试验分析

为了对精准施肥控制系统性能进行验证,通过试验的方式验证施肥效果。试验因素主要为行进速度、设定施肥量及设定施肥长度。其中,设定施肥过程行进速度分别为0.1、0.2、0.3m/s,根据果树的生长需求确定施肥量为500、1000、1500g,设定施肥长度为600mm。试验结果如表3所示。

表3 精准施肥试验结果Table 3 Precision fertilization test results

由表3可知:在施肥行进速度与排肥转轴转速自适应匹配过程中,行进速度随之增大,排肥转轴转速也增大,此时肥料箱当中的充肥量发生变化,导致肥料箱没有充满的状态下开始排肥,影响施肥量的精准控制;排肥轴转速控制过程具有时间差,转速未达到设定值,实际排肥量相对较小。

6 结论

随着现代化果园种植的推广,因种植差异性较大、不同生长阶段的果树对肥料需求量偏差较大,故采用精准施肥控制系统针对不同的生长需求,在不同的施肥器进行精准施肥,针对有效控制施肥量偏差,系统运行过程具有较高的适应性和适用可靠性。