توسعه یک علفکش پاش آهنگ متغیر آنی با استفاده از بینایی ماشین

نیشکر یکی از محصولات تجاری عمده در بسیاری از کشورهای جهان ازجمله تایلند است. تایلند اقلیم مناسبی برای کشت نیشکر دارد. امّا، پرورش دهندگان نیشکر تایلند با مشکلات هزینه های بالای تولید و عملکرد کم روبرو هستند.

---

نیشکر یکی از محصولات تجاری عمده در بسیاری از کشورهای جهان ازجمله تایلند است. تایلند اقلیم مناسبی برای کشت نیشکر دارد. امّا، پرورش دهندگان نیشکر تایلند با مشکلات هزینه های بالای تولید و عملکرد کم روبرو هستند که یکی از دلایل عمده آن کنترل ناکارآمد علف هرز می باشد.
با توجه به نقش کشاورزی دقیق در کاهش هزینه ها و آسیب های زیست محیطی و بهینه سازی مصرف، برای سمپاشی مزارع نیشکر در غالب کشاورزی دقیق دو روش بنظر درست می رسید. یکی استفاده از نقشه های ماهواره های محصول و دیگری استفاده از حسگرهای بینایی ماشین که بعلت دقت بیشتر دومی انتخاب شد.
مدلهای مختلف پردازش تصویر که توسط محققین در موارد مشابه اتخاذ شده بود مورد بررسی نویسندگان قرار گرفت و این مقاله بکارگیری بینایی ماشین برای بسط بکارگیرنده آهنگ متغیر سوار بر یک تراکتور چهارچرخ کوچک برای کنترل علف هرز در مزارع نیشکر تایلند را نشان می دهد. هیچ طرح تحقیقاتی پیشتری در مورد چنین کاربردهای مدنظر در این تحقیق یافت نشد.
در این مطالعه تمامی سبزینه هایی که بین ردیفهای نیشکر رشد می کنند، علف های هرز تلقی شدند. فریم های تصویرگرفته شده در طی آمدوشد سمپاش پردازش می شدند تا درصد سبزی برآورد شود و با کمیت علفهای هرز همبسته می شدند. شدت رنگ سبز به چهار سطح تقسیم بندی می شود که بمنظور کنترل آهنگ جریان نازل های سمپاش بکار می رفتند. تغییر سطح درصد رنگ سبز و چرخه کار PWM (%) چنین عملکردی را داشت: سبزی 0-5 درصد، بدون علف هرز فرض شد و پاششی صورت نگرفت؛ با سبزی 5.1-20 درصد، مقدار علف هرز کمینه فرض شد و آهنگ کم بکارگیری اعمال شد؛ با سبزی 20.1-40 درصد، مقدار علف هرز متوسط فرض شد و آهنگ متوسط بکارگیری انجام شد؛ سبزی 40.1-100 درصد نشاندهنده مقدار علف هرز زیاد فرض شد و آهنگ زیاد بکارگیری اعمال گردید.
مدولاسیون پهنای پالس (PWM)، کنترل سرعت موتور پمپ را که با درصد سبزی همبستگی دارد، برعهده دارد. برنامه Borland C++ builder بمنظور درجه بندی پیکسلهای رنگ سبز تصاویر دوربین وب استفاده شد.
اجزای عمده سامانه عبارتند از: الف) سامانه فراگیری و پردازش تصویر؛ ب) سامانه مکاترونیک؛ پ) سامانه پایش سرعت زمینی؛ ت) چهارچوب و لوازم سوارشونده و تراکتور.
بمنظور ثبت سرعت کار بطور خودکار به واسطه حسگر سرعت زمینی، نرم افزار را می توان برای ثبت دستی یا خودکار فریم گیری در زمانی که نمونه نخست در کالیبراسیون یا عملیات واقعی در مزرعه است برنامه ریزی کرد.
سامانه سمپاش آهنگ متغیر نمونه نخست بر تراکتور سوار شد. اجزای متنوع این سمپاش عبارت بودند از یک حسگر سرعت چرخ، مدار PWM، دوربین وب و کنترلگر (رایانه نوت بوک)، ساختار پلاستیک سفید برای کنترل نور، بوم سمپاش با نازلهای نوع دمنده با ارتفاع قابل تنظیم که بر یک فاصله قابل تنظیم cm 75 مرتب شده بودند، یک مخزن با ظرفیت 100 لیتر، دو چرخ پشتیبانی برای چهارچوب عقب، یک پمپ الکتریکی جریان مستقیم 12 ولتی دارای بیشینه آهنگ جریان lit/min 3.785 در فشار کاری 275.8 کیلوپاسکال.
ارزیابی عملکرد نمونه نخست بمنظور یافتن ارتباط بین آهنگ بکارگیری و چرخه کار PWM درصد انجام شد.از نتایج برای برقراری برنامه نرم افزاری استفاده شده در چرخه کار PWM 70.5 و 90%، آهنگهای بکارگیری 1.78، 2.32 و 2.6 لیتر بر دقیقه بودند. این به ترتیب با کمینه، متوسط و بیشینه آهنگهای جریان بکارگیری همبستگی داشت. معلوم شد که هردوی ارتفاع سمپاشی و فاصله نازلی باید 40 سانتیمتر باشد. اندازه تصویر گرفته شده از دوربین وب cm 84×cm 62 بود و بعنوان تنظیم اندازه فریم تصویر در برنامه استفاده می شد. دقتهای موقعیت و آهنگ جریان در فرضیات آزمایشگاهی ارزیابی شدند. دقت موقعیت برای پنج سرعت مانند 0.46، 0.61، 0.77، 0.92 و 1.08 متربرثانیه آزمون شد. دقت آهنگ جریان با جمع آوری خروجی پاشش بر ظروف پلاستیکی چین دار با ترتیب ویژه با شماره های فاصله برآن برآورد شد که در امتداد کناره تراکتور برای فاصله عملیات 9.6 متر کار گذاشده شده بود. در این آزمون ویژه، خروجی بوم سمپاش به سمت ظرف هدایت می شد و مایع با استفاده از بافتهای جاذب الرطوبه جمع آوری می شد و از تغییر در این بافتها آهنگ جریان برآورد می شد. شماره های موقعیت در تصویر گرفته شده باتوجه به آهنگ جریان بکارگیری از تجزیه و تحلیل نازلها که بمنظور برآورد دقت آهنگ جریان تجزیه و تحلیل شدند، نشان داده شد.
آزمون بمنظور ارزیابی دقت بکارگیری انجام شد؛ تا مسافت بین دوربین وب و نازلهای پاشش مشخص شود که نشان داد که یک ثانیه زمان برنامه ریزی برای اقدام تأخیر ایجاد می کند. بنابراین یک عقب افتادگی مسافت 0.77 متری در زمانی که ماشین با سرعت m/s 0.77 حرکت می کرد، رخ داد. موقعیت پاشش برای سرعتهای عملیات 0.46، 0.61، 0.77، 0.92 و 1.08 متر بر ثانیه کافی بود. در تمامی دورهای آزمون، قطعات سبز کاملاً همپوشانیده شده با سطح بکارگیری مستطیلی یافت شدند، که با اندازه فریم گزفتن همبسته بودند.
دقت در درصد خروجی رنگ سبز با مقایسه درصد سطح سبز بدست آمده از پردازش تصویر گرفته شده توسط نرم افزار و ارزش برآورد شده از تجزیه و تحلیل گرافیکی تأیید شد. خروجی با استفاده از شبکه های 75×100 اندازه فریم تصویر cm84×cm 62 کالیبره شد. خطا حدود 0.31% با انحراف معیار 0.25± یافت شد.
نمونه نخستین برای دقت جریان بکارگیری بیشتر آزمون شد که در آن آهنگ جریان از کمیت مایع جمع آوری شده در شیارهای شماره دار مسافت ظرف پلاستیکی تجزیه و تحلیل شد. بعلاوه، موقعیتهای بکارگیری همبسته بر تصویرهای گرفته شده در طی دورهای آزمون ثبت می شدند. نتایج سپس با تنظیمات چرخه کار PWM مقایسه می شدند. دقت آهنگ جریان بکارگیری 91.7% بدست آمد.
تجزیه و تحلیل بیشتر که با تمرکز بر نگرانیهای اقتصادی و زیست محیطی انجام گرفت آشکارکرد که در سرعت معمول عملیات m/s 0.77 و با آهنگ بکارگیری یکنواخت lit/min 2.62، مقدار علفکش مورد نیاز برای یک هکتار حدود 709 لیتر بود؛ درحالیکه روش بسط داده شده آهنگ متغیر در یک مزرعه آزمون می توانست این مقدار را تا 146 لیتر کاهش دهد. میانگین چرخه بکارگیری آهنگ متغیر lit/min 2.08 بود، که معادل 20.6% کاهش نسبت به آهنگ بکارگیری معمول بود.
بکارگیرنده بسط داده شده نتایج امیدبخشی نشان داد، که فنّآوری کمینه هزینه متناسب بکارگرفته شده را برای استفاده در کشتزارهای متوسط و بزرگ نیشکر که بطور معمول در اغلب کشورهای درحال توسعه منطقه موجود هستند متناسب می سازد. علاوه براین، ماشین بسط داده شده با چند اصلاح قادر خواهد بود تا برای بکارگیری مواد مغذی در بعضی محصولات استفاده شود. مثلاً بکارگیری NPK برپایه تنوع رنگ محصول.
بکارگیرنده آنی تراکتور سوار آهنگ متغیر علفکش تحت شرایط واقعی مزرعه بطور رضایت بخشی عمل کرد. سامانه بسط داده شده انعطاف پذیری قابل تنظیمی برای نسبت RGB، سطح آستانه رنگ سبز درصد، سطح آستانه کار درصد PWM، اندازه تصویر گیری، جبران سرعت پیشروی داشت و می توانست پیش از آغاز کار توسط کاربر دوباره تنظیم شود. آزمون کردن سمپاش بسط داده شده حداقل 20% کاهش در مقدار علفکش را نشان داد.