ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. ОБЗОР СИСТЕМ ТОЧЕЧНОГО ВНЕСЕНИЯ ХИМИКАТОВ 7
1.1. WeedSeeker 7
1.2. WEEDit 8
1.3. GreenSeeker (RT200) 11
1.4. H-Sensor 13
1.5. OptRX 14
1.6. Yara N-Sensor 16
1.7. Yara N-Sensor ALS 17
1.8. Сравнительная таблица конкурентов 18
ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ОБНАРУЖЕНИЯ РАСТИТЕЛЬНОСТИ 20
2.1. Спектральный коэффициент яркости 21
2.2. Общая теория по отражательной способности различных природных
образований 21
2.3. Метод №1. Определение наличия растений с помощью оптических
датчиков в видимом диапазоне 25
2.4. Метод №2. Определение наличия растений с помощью оптических
датчиков по коэффициенту отражения от объекта наблюдения на длинах волн свыше 700 нм 26
2.5. Метод №3. Определение наличия растений с помощью индекса
вегетации биомассы NDVI 28
2.6. Метод №4. Определение наличия растений с помощью камеры на длинах волн свыше 600 нм 29
ГЛАВА 3. ПОСТРОЕНИЕ ПРОТОТИПА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ФОРСУНКАМИ РАСПРЫСКИВАТЕЛЯ ХИМИКАТОВ 32
3.1. Камера OmniVision OV7670 - главный оптический датчик 32
3.2. XMOS startKIT - контроллер, блок анализа и управления 36
3.3. Arduino Due - контроллер, блок анализа и управления 37
3.4. MAX44008 - вспомогательный датчик освещенности 38
3.5. ИК-подсветка и светофильтр 39
3.6. Сборка прототипа системы управления форсунками распрыскивателя
химикатов 39
3.7. Программная часть прототипа 41
3.7.1. Разработка управляющей программы для опроса датчика
MAX44008 41
3.7.2. Разработка управляющей программы для опроса камеры
OmniVision 7670 43
3.8. Тестирование прототипа 46
3.8.1. Проверка получения изображения с камеры OV7670 46
3.8.2. Проверка отражательной способности ИК-излучения растениями
при помощи искусственно созданной подсветки 47
3.8.3. Тестирование алгоритма выделения растений по интенсивности
отраженного светового потока 49
3.8.4. Тестирование прототипа в облачную погоду 50
3.8.5. Тестирование прототипа в пасмурную погоду после дождя 55
3.8.6. Тестирование прототипа в ясную погоду на солнечном свету и в
тени 59
3.8.7. Тестирование прототипа в сумерки и в ночное время 62
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 68
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 70
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 73
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 86
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 87
Современная проблема необходимости автоматизации процессов производства все больше набирает обороты. Связано это с необходимостью упрощения труда на производстве и с увеличением производственных оборотов. Появляются новые профессии, старые - упраздняются. Разработка системы управления форсунками направлена на автоматизацию процессов обработки сельскохозяйственных земель [12].
В настоящее время в России хотя и идет внедрение дифференцированных систем внесения химикатов, в большинстве случаев, используется сплошной метод опрыскивания сорных растений, который в виду повышенного расхода гербицидов, наносит вред почвам и приводит к повышенному экономическому расходу. Точечный метод распыления химикатов позволяет предотвратить подобного рода «проблемы» [12].
Одним из важных аспектов технологии «Точное Земледелие» является экономия. На экономию влияют несколько аспектов и факторов, одним из которых является снижение затрат на материалы при использовании специализированных методик внесения химикатов [12].
Что подразумевает под собой дифференцированное внесение химикатов? Дифференцированное внесение - это точечное внесение веществ на участках для посева сельскохозяйственных культур, учитывающее такой аспект как неоднородность каждого из участков поля. Если говорить о методиках точечного внесения, то существует 2 способа:
1) обработка с предварительной подготовкой;
2) обработка в режиме реального времени [12].
При предварительной подготовке сначала происходит сканирование поля, строится карта, а при повторном заходе, производится соответствующая обработка [12].
Во втором случае - решение по обработке принимается на месте, в режиме реального времени [12].
Что же такое методика «Точного Земледелия»? “Это стратегия менеджмента, которая использует информационные технологии, извлекая данные из множественных источников с тем, чтобы принимать правильные решения по управлению сельскохозяйственным предприятием” [10, 12].
Такие технологии рассматривают каждое поле как неоднородное по почвенному покрову, рельефу, агрохимическому составу [12].
За рубежом уже несколько лет в ходу подобные автоматизированные системы, речь о которых и пойдет ниже [12].
Цель: разработать прототип системы управления форсунками
распрыскивателя химикатов. Данная система необходима для определения наличия сорных растений под форсункой распрыскивателя для дальнейшего распыления гербицидных веществ (использование на полях, не засеянных культурными растениями).
Для обеспечения фактора гибкости предусмотрен другой вариант использования - удобрение культивируемых растений (использование на полях, с взошедшими ростками).
Для реализации поставленной цели, необходимо:
1) провести подробный анализ литературы;
2) структурировать собранную теоретическую базу;
3) провести обзор аналогичных устройств, представленных на рынке РФ и за рубежом;
4) подобрать элементную базу для прототипа системы;
5) разработать алгоритм работы системы и управляющую программу;
6) собрать прототип системы из элементной базы и провести тестовые испытания;
7) в случае необходимости провести калибровку прототипа.
При всей своей сложности настройки камеры, во время проведения научно-исследовательской работы был получен весомый результат.
Сложности заключались в правильной настройке конфигурации камеры, которая “на своем борту” имеет 201 8-битный регистр, большинство из которых являются настраиваемыми. В свою очередь, каждый бит или группа бит отвечают за какую-либо настройку и при неверно выставленной конфигурации (или случайно неверно выставленном бите) камера отказывалась работать, выводить информацию, или вовсе “сваливалась” в засветку.
Результаты испытаний прототипа показали положительный результат касательно возможности использования выбранного метода для детекции растений.
Поставленные задачи были выполнены с максимально приложенными стараниями и в полном объеме с имеющимися возможностями:
1) был проведен анализ литературы и теории в выбранной области исследования;
2) сделан обзор аналогичных устройств на мировом рынке;
3) теория, была сгруппирована по группам, а результат представлен в виде таблиц и графиков;
4) рассмотрены методы обнаружения зеленых растений, выбран путь реализации прототипа системы управления форсунками распрыскивателя химикатов;
5) подобрана элементная база для прототипа системы;
6) собран прототип;
7) разработана управляющая программа;
8) поставлена серия экспериментов, подытожены результаты.
Использование автоматизированного способа обработки сорных растений, позволит сократить количество распыляемого гербицида. Как показывает практика и анализ подобных устройств, можно добиться экономии экономии 69 веществ до 90% [9]. Следствием этого будет являться благодатная и плодородная почва с меньшей степенью загрязнения гербицидными веществами [12].
