基于模糊控制的变量施药系统的研究
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摘要
农作物的病虫草害的防治是农业生产中最普遍的一项农事活动。有关资料表明，如果农业生产中不使用农药，农作物收成将减少30％，农副产品价格将至少上涨50％～70％。总之发展农业就离不开农药的使用。但是在农药使用上存在着很多问题，如施药过程中忽视了田间病虫草害发生的差异性和作物信息的差异性，从而使大量的农药流失到非靶标环境中，造成严重的环境污染。要彻底地克服这些传统方法的弊端，唯有实行精准施药技术，然而发达国家发展起来的精准施药技术是建立在“3S”等一系列高科技基础上的。而我国现阶段国情使得精准施药技术难以推广和应用。所以我国精准施药技术不应该是“3S”技术的简单照抄，应该是“变量施药技术思维”方式指导下的农药施药设备与过程的革新，改造。基于这个思想，本文提出了一种适合我国现状的新型模糊施药控制系统。本系统主要包括自动物体识别子系统和施药量模糊控制子系统。
自动物体识别子系统中提出用归一颜色分量法处理了光照强度和阴影对图像的影响，以及采用直方图均衡化来解决由此而产生的灰度值过度集中的问题：列举了三种图像增强方法，通过实验我们选用了自适应邻域平均法；通过对比分析，选用最小误差法来自适应地实现图像的二值化；运用形态滤波消除了二值图像中的一些小空洞和孤立点；最后通过比较决定从二值化图像提取相对面积比这个特征信息。实验结果表面这个特征可以准确地反映作物密度的变化。
本文根据专家知识和实践经验设计了模糊控制器。这其中包括，输入输出变量的论域、模糊子集以及各子集隶属度函数的确定；模糊控制规则的设计；模糊推理系统的设计等几个方面的内容。然后利用Simulink对所设计的模糊模型进行了仿真，并分析了仿真结果，结果说明所设计的模糊控制器基本符合实践经验
此外本文在编程方面采用的是VC++与MATLAB混合编程的方法。主程序采用VC++编写，而一些具体的算法采用MATLAB编写。结合两种软件的优点，从而保证准确性，提高了编程效率。
综上所述，本文详细地阐述了这种新型精准施药控制系统的设计，并对设计出的系统讲行了大量试验，并通过仿真的方法评价了系统的准确性。
The controlling of agricultural Crops Pests is the most common agricultural activity .The relative data shows that if we don't apply pesticide ,the harvest of agricultural products will decrease by 30%,the price will increase by 50%~70% at least. In a word, to develop agriculture couldn't lack the applying of pesticides. But there are many problems in pesticide applications. For examples, The difference of crop pest and crop information is ignored during the process of pesticide application, It makes large quantities of pesticide is lost into non-target environment, and caused a series environment problem. In order to thoroughly overcome the corrupt practice of those traditional ways, what we only can do is to apply precision applying pesticide. But the technique of precision applying pesticide developed in the developed country is based on "3S". At present our country situation make it difficult to popularize and apply the technique. So we shouldn't follow "3S"blindly,On the contrary we should follow "Varia
ble applying pesticide" to reform the equipment and the process. Based on the thought ,the paper advance a new precision applying pesticide controller system. The system is composed of automatic recognition subsystem and pesticide rate fuzzy control subsystem.
In the automatic recognition subsystem, it applies the normalization color component method to rectify the impact on image caused by light variety and shade; apply the technology of histogram equalization to resolve gray level excessive concentration; enumerate three image enhancement methods and select the collative adjacent region average method; through experiment we select the minimum error method to approach image binaryzation. By contrast analysis apply the composite morphological filtering to eliminate the little hole-filling and isolated point in the binary image, Extract the relative areas ratio as signature information after analysis . The experiment results show that the signature can reflect the variety of crops density precisely.
The paper design a fuzzy controller based on experts knowledge and practice experiment. Which includes the choice of input-output variable domain fuzzy sets and membership function ,the design of fuzzy controller rules and fuzzy logical .after it was designed we used the SIMULINK to simulate the designed controller. The simulation result indicate that it fits the practice experiment.
Furthermore, the paper apply the combination program method of VC++ and MATLAB. The main program is written with VC++. The application Algorithms is
accuracy is ensured and the programming efficiency is greatly improved.
Sum up, The paper expatiate the design of the new system in detail. Many examinations have been done on it. The simulation result shows it is useful.
自动物体识别子系统中提出用归一颜色分量法处理了光照强度和阴影对图像的影响，以及采用直方图均衡化来解决由此而产生的灰度值过度集中的问题：列举了三种图像增强方法，通过实验我们选用了自适应邻域平均法；通过对比分析，选用最小误差法来自适应地实现图像的二值化；运用形态滤波消除了二值图像中的一些小空洞和孤立点；最后通过比较决定从二值化图像提取相对面积比这个特征信息。实验结果表面这个特征可以准确地反映作物密度的变化。
本文根据专家知识和实践经验设计了模糊控制器。这其中包括，输入输出变量的论域、模糊子集以及各子集隶属度函数的确定；模糊控制规则的设计；模糊推理系统的设计等几个方面的内容。然后利用Simulink对所设计的模糊模型进行了仿真，并分析了仿真结果，结果说明所设计的模糊控制器基本符合实践经验
此外本文在编程方面采用的是VC++与MATLAB混合编程的方法。主程序采用VC++编写，而一些具体的算法采用MATLAB编写。结合两种软件的优点，从而保证准确性，提高了编程效率。
综上所述，本文详细地阐述了这种新型精准施药控制系统的设计，并对设计出的系统讲行了大量试验，并通过仿真的方法评价了系统的准确性。
The controlling of agricultural Crops Pests is the most common agricultural activity .The relative data shows that if we don't apply pesticide ,the harvest of agricultural products will decrease by 30%,the price will increase by 50%~70% at least. In a word, to develop agriculture couldn't lack the applying of pesticides. But there are many problems in pesticide applications. For examples, The difference of crop pest and crop information is ignored during the process of pesticide application, It makes large quantities of pesticide is lost into non-target environment, and caused a series environment problem. In order to thoroughly overcome the corrupt practice of those traditional ways, what we only can do is to apply precision applying pesticide. But the technique of precision applying pesticide developed in the developed country is based on "3S". At present our country situation make it difficult to popularize and apply the technique. So we shouldn't follow "3S"blindly,On the contrary we should follow "Varia
ble applying pesticide" to reform the equipment and the process. Based on the thought ,the paper advance a new precision applying pesticide controller system. The system is composed of automatic recognition subsystem and pesticide rate fuzzy control subsystem.
In the automatic recognition subsystem, it applies the normalization color component method to rectify the impact on image caused by light variety and shade; apply the technology of histogram equalization to resolve gray level excessive concentration; enumerate three image enhancement methods and select the collative adjacent region average method; through experiment we select the minimum error method to approach image binaryzation. By contrast analysis apply the composite morphological filtering to eliminate the little hole-filling and isolated point in the binary image, Extract the relative areas ratio as signature information after analysis . The experiment results show that the signature can reflect the variety of crops density precisely.
The paper design a fuzzy controller based on experts knowledge and practice experiment. Which includes the choice of input-output variable domain fuzzy sets and membership function ,the design of fuzzy controller rules and fuzzy logical .after it was designed we used the SIMULINK to simulate the designed controller. The simulation result indicate that it fits the practice experiment.
Furthermore, the paper apply the combination program method of VC++ and MATLAB. The main program is written with VC++. The application Algorithms is
accuracy is ensured and the programming efficiency is greatly improved.
Sum up, The paper expatiate the design of the new system in detail. Many examinations have been done on it. The simulation result shows it is useful.
引文
[1] 袁会珠．21世纪的农药使用技术．中国农业科学院植物保护研究所
[2] 沈齐英．农药的使用现状及发展趋势．北京石油华工学院学报，2003，(1)
[3] 贾乃新．病虫草害防治中的精准施药问题．《农业与技术》
[4] http://www.xminfo.net.cn/xmkj/2001/3/2001325.htm
[5] 杨小兵．农药污染与食品安全控制．预防医学情报杂志，2003，19(1)
[6] 屠豫钦．关于农药与环境问题的反思．垦殖与稻作，2003，1
[7] 马辉．我国应大力发展农药精准施药技术，《农药》2002(6)
[8] 吕朝辉，陈晓光等．用BP神经网络进行秧苗图象分割．农业工程学报，2001，17(3)：146-148
[9] 赵榕椿，赵忠明等编著．数字图象处理导论，西北工业大学出版社，2000，8
[10] 张兆礼等．现代图象处理技术及Matlab实现．人民邮电出版社．2001年12月
[11] 徐飞 施晓红等 Matlab应用图象处理 西安电子科技大学出版社 2002
[12] 王德民，王庆麟．一种新的图象平滑方法及其性能评价[J]．自动化学报，1986，12(4)：354-359
[13] 吴一全，朱兆达．图象处理中阈值选取方法30年(1962-1992)的进展(一)[J]．数据采集与处理，1993，8(3)：193-201
[14] 吴一全，朱兆达．图象处理中阈值选取方法30年(1962-1992)的进展(二)[J]．数据采集与处理，1993，8(4)：268-278
[15] Huang L K, Wang M J.Image thresholding by minimizing the measures of fuzziness[J].Pattern Recognition, 1995, 28(1): 41-51.
[16] 徐昉．基于图象识别的粮虫检测系统的研究[D]．郑州大学硕士学位论文．2001．5
[17] 崔屹．图象处理技术与应用[M]．北京：电子工业出版社，1998
[18] Kenneth R Castleman．数字图象处理[M]．北京：电子工业出版社，1998．
[19] 张成花，基于图象识别的储粮害虫分类的研究，郑州大学硕士学位论文
[20] 薛景浩 林行刚等，二维遗传算法用于图象动态分割．自动化学报，2000，26(5)：687-689．
[21] 连石柱，基于分离度的图象特征提取与识别方法．中国图象图形学报，1996，1(3)：196-200
[22] 于新文，沈佐锐．昆虫数字图象的分割技术研究．农业工程学报，2001，17(3)：137-141
[23] 王荣本等．基于机器视觉的玉米施肥智能机器系统设计概念．农业工程学报，2001，17(2)：151-153．
[24] 徐贵力等．缺素叶片彩色图象颜色特征提取的研究．农业工程学报，2002，18(2)：150-154．
[25] 李少昆，王崇桃．图象及机器视觉技术在作物科学中的应用进展．石河子大学学报，2002，6(1)：79-85．
[26] 相阿荣，王一鸣．利用色度法识别杂草和土壤背景物．中国农业大学学报，2000，5(4)98-100．
[27] 纪寿文，王容本等．应用计算机图象处理技术识别玉米苗期田间杂草的研究．农业工程学报，2001，17(2)：154-156．
[28] 张健钦，屈平等．计算机视觉技术在杂草识别中的应用研究进展．河北大学学报，2002，22(4)：410-414．
[29] 陈晓光，于海业等．应用图象处理技术进行蔬菜苗特征量识别．农业工程学报，1995，11(4)：23-25．
[30] 周云山，李强等．计算机视觉在蘑菇采摘机器人上的应用．农业工程学报，1995，11(4)：27-32．
[31] 冯斌，汪懋华．计算机视觉技术识别水果缺陷的一种新方法．中国农业大学学报，2002，7(4)：73-76．
[32] 何东健，张海亮等．农业自动化领域中计算机视觉技术的应用．农业工程学报，2002，18(2)：171-175．
[34] 黄文清，汪亚明等．计算机视觉技术在工业领域中的应用．浙江工程学院学报，2002，19(2)．
[35] 徐贵力等．基于计算机视觉技术参考物法测量叶片面积．农业工程学报，2002，18(1)：154-157．
[36] 孙明，凌云等．在Matlab环境中基于计算机视觉技术的大米垩白检测．农业工程学报，2002，18(4)：146-149
[37] 杨劲峰，陈清等．数字图象处理技术在蔬菜叶片面积测量中应用．农业工程学报，2002，18(2)：155-157
[38] 孙明，凌云．基于计算机视觉技术的萝卜幼苗自动识别技术．农业机械学报，2002，33(5)：74-78．
[39] 边肇祺，张学工．模式识别，清华大学出版社，2002．
[40] 唐新蓬．模糊控制在汽车防抱死制动系统中的应用研究．华中科技大硕士论文．
[41] 蒲小琼．模糊控制——21世纪的一项核心技术．计算机应用研究，1998(4)：3-5
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[43] 贺仲雄．模糊数学及其应用，天津科学技术出版社，1983
[44] 肖位枢．模糊数学基础应用．航空工业出版社，1992
[45] 何平，王鸿绪．模糊控制器的设计及应用．科学出版社，1997
[46] 诸静．模糊控制原理与应用．机械工业出版社，1995
[47] 陈贻源．模糊数学．华中工学院出版社，1984
[48] 王凡．模糊数学与工程数学．哈尔滨工业大学出版社，1988
[49] 林小峰，廖志伟等．隶属函数对模糊控制性能的作用与影响．电机与控制学报，1998，2(4)：197-200
[50] 欧进萍，张吉礼．模糊控制基本推理方法及其效果分析．哈尔滨建筑大学学报，2000，33(2)：2-7
[51] Jan Jantzen, Design of Fuzzy Controllers, Technical University of Denmark, 1998
[52] 李友善，李军．模糊控制理论及其在工程控制中的应用．国防工业出版社，1993
[53] 张文修，梁广锡．模糊控制与系统．西安交通大学出版社，1998
[54] 丁峰，赵书强等．基于Matlab的模糊电力系统稳定器设计与仿真．计算机仿真，2003，20(8)：58-60
[55] 陈淑燕，何捷等．电弧炼钢炉电极模糊控制系统的设计与实现．小型微型计算机系统，2003，24(8)：1566-1568
[56] 孙茂松，郭耀华等．模糊控制在小型热水锅炉温度控制中的应用．机床电器，2001，4
[57] 闫如忠，陈云等．一种基于模糊控制的电炉温度实时控制器．机电一体化，2002，4
[58] 人造金刚石合成工艺中应用模糊控制的探讨．超硬材料与宝石，2003，15(2)：5-8
[59] 赵建钢．泄洪闸门系统分布式物理图网建模及仿真研究．华中科技大学硕士论文．2002
[60] 吴重光．过程系统仿真技术．中国石化出版社．1998
[61] 姜玉宪．控制系统仿真．北京航天航空出版社．1998
[62] 王勇，张勇．液压仿真软件的研究进展．系统仿真学报．1998，10：54-57
[63] 林青．关于仿真系统建模的探讨．计算机仿真，2000，17(6)：11-13
[64] 邱公伟．增益自调整的神经原二自由度PID控制及其MATLAB／SIMULINK仿真研究．福州大学硕士论文，2001
[65] 刘孟祥．基于SIMULINK的柴油机及其控制系统的建模与仿真研究．湖南大学硕士论文，2001
[66] 高金贵．带锯机机械式张紧系统的计算机仿真与实验研究．东北林业大学硕士论文，2001
[67] 张宵鹏．门座起重机状态监控系统的研究．武汉理工大学硕士论文，2001
[68] 飞思科技产品研发中．MATLAB6.5应用接口编程．电子工业出版社，2003．
[69] 杨李成，杨智．MATLAB与Visual C++混合编程的实现
[70] http://passmatlab.myetang.com/matlab/file/p 10.htm
[71] 江鷁，汤丽萍等．利用Mtalab引擎实现VC和Matlab的混合编程．电脑学习，2000，3
[72] 张邦礼．基于神经网络的遗传算法的板坯缺陷预报和参数优化系统的研究．重庆大学硕士论文，2001
[73] 肖永韧，解习农等．VC与MATLAB混合编程之DLL实现方法．计算机工程与应用，2001，13：174-176
[74] 贾振华，齐建玲等．MATLAB与Visual C++的混合编程．华北航天工业学院学报．2003，13(1)：12-14
[75] 朱宁仪，张弓等．VC++与MATLAB混合编程用于SAR图象处理．计算机测量与控制．2003，11(7)528-530
[76] 石丹，桑农．Matlab与VC++混合编程的研究及其在图象处理中应用．计算机工程．2000，26(5)：35-38
[77] 曹柳林，胡耀辉．Matlab与VC++的混合编程在化工计算中的应用．北京化工大学学报．2003，30(3)：74-76
[78] 谭志芳，刘一峰等．Matlab与C／C++语言混合编程的几种方法．微型机与应用，2001 2
[2] 沈齐英．农药的使用现状及发展趋势．北京石油华工学院学报，2003，(1)
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[14] 吴一全，朱兆达．图象处理中阈值选取方法30年(1962-1992)的进展(二)[J]．数据采集与处理，1993，8(4)：268-278
[15] Huang L K, Wang M J.Image thresholding by minimizing the measures of fuzziness[J].Pattern Recognition, 1995, 28(1): 41-51.
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[67] 张宵鹏．门座起重机状态监控系统的研究．武汉理工大学硕士论文，2001
[68] 飞思科技产品研发中．MATLAB6.5应用接口编程．电子工业出版社，2003．
[69] 杨李成，杨智．MATLAB与Visual C++混合编程的实现
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[75] 朱宁仪，张弓等．VC++与MATLAB混合编程用于SAR图象处理．计算机测量与控制．2003，11(7)528-530
[76] 石丹，桑农．Matlab与VC++混合编程的研究及其在图象处理中应用．计算机工程．2000，26(5)：35-38
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[78] 谭志芳，刘一峰等．Matlab与C／C++语言混合编程的几种方法．微型机与应用，2001 2