树木保温材料缠绕、涂白与病虫害智能识别防治一体机的设计

张智勇 杨宇 钱青

摘 要：随着城市绿化建设的不断推进，树木冻害、虫害的防治逐步成为园林绿化部门的工作重点。传统人工作业效率较低，一致性不高，因此，急需一种低成本、高质、高效的绿化树木防寒防治设备。通过分析研究连续缠绕机械装置的结构原理及其工作负载的产生机理，建立基于百度AI的EasyDL定制化训练和服务平台的病虫害图谱智能识别模型，优化涂白工艺参数，设计精准施药装置，开发了树木保温材料缠绕、涂白与病虫害智能识别防治一体机。实现了保温材料连续缠绕、涂白、病虫害图像智能识别及精准施药治理等功能的集成一体化设计，结构紧凑、功能多样、可操作性较强、地形适用范围广，可高质高效的完成绿化树木保温材料缠绕、病虫害监管与施药治理等工作。

关键词：绿化树木;防寒;病虫害;连续缠绕;智能识别;精准施药

中图分类号：TP242文献标识码：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.06.007

The Design of Tree Insulation Material winding， White Coating and

Intelligent Pest Identification and Control Machine

Zhang Zhiyong，Yang Yu，Qian Qing

（Yancheng Institute of Technology; School of mechanical engineering，Yancheng 224051，China）

Abstract：With the advancement of urban greening construction， The prevention and control of frost damage to trees and insect pests has gradually become the focus of the landscaping department.Traditional manual operationis inefficiency and interference.Therefore， a low-cost， high-quality and high-efficiency afforestation tree prevention and control equipment is urgently needed.This article analyzes the structure principle of continuous winding mechanism and the generating mechanism of its workload.It establishes intelligent pest map identification model based on EasyDL customized training and service platform of baidu AI，optimizes coating process parameters and designs precision medicine device.So we develops an all-in-one machine for twining thermal material，intelligent identification and control of diseases and insect pests.The functions of intelligent identification of image of white diseases and insect pests and precision medicine treatment are realized.The machine has some features whichcompact structure， diverse functions， strong maneuverability and wide range of terrain application，and it can competes tasks that twining thermal insulation material，pest control and pesticide application efficiencily.

Keywords：management of trees;cold-proof;plant diseases and insect pests;continuous winding;intelligent identification;precision medicine

0 引言

隨着我国工业化进程的不断推进，自动化技术的推广应用已深入各行各业。实现机器设备、系统或过程（生产、管理过程）在无人或较少人的直接参与下，经自动检测、信息处理、分析判断、操纵控制，达到预期的任务要求。机械自动化已经被提出多年，但在行道、公园绿化树木的防寒和病虫害检测、预防等进程仍然较为缓慢[1-2]。

城市绿化建设过程中许多树木需要移植栽培，易受到各类创伤，导致成活率降低。为了提高绿化树木的成活率，需采用草绳、植物绷带等柔性保温材料缠绕在树木表面，以达到保温、保湿、遮阳等目的[3-4]。在寒冷的冬季，树木表面需做到增温、减湿，而在炎热的夏季则相反，需做到降温、保湿、防晒。但目前绿化树木保温材料不能根据季节变化进行自我调节，冬季给树木缠绕保温材料，春季需及时卸下，如不及时进行人工更换处理则会引起病菌害虫，影响绿化树木的健康生长。因此，季节更替导致绿化树木每年都需要进行防寒和病虫害防治工作，然而传统绿化养护基本采用人工操作，工作量大、质量一致性较差且效率较低[5]。保护绿化树木抵御寒冷安全越冬，一直以来都是国内外植物防治领域的重要研究方向。目前国内采用的防寒、病虫害治理措施，仍以人工作业为主，尚无成熟的机械自动化解决方案。

1 设计思路及总体方案

调查分析树木保温材料缠绕、涂白与病虫害智能识别防治一体机的使用环境和行走转移工况，设计合理的行走机构，确保行走转移机构的便捷性与可靠性。研究柔性保温材料连续缠绕机械装置的机构原理及其工作负载的产生机理，设计可不间断连续实施柔性保温材料缠绕的机构。建立基于百度AI的EasyDL定制化训练和服务平台的病虫害图谱智能识别模型。优化涂白雾化喷射速度、角度等参数，设计高精度定位装置，实现基于虫洞位置的治理药物的自动化精准施药，具体如图1所示。

2 机械结构设计

本机械设备整机主要分为：行走转移与升降装置、连续缠绕装置、可调节涂白装置、图像智能识别系统、精密施药治理装置五个部分，各部分共同配合工作，从而实现预定的目标功能，实物如图2所示。

2.1 行走移动与升降装置的设计

行走移动与升降装置中的水平行走移动机构主要实现机械设备在需要养护的树木之间进行转移。其驱动系统由水平驱动电机、减速器、动力传递机构和滚轮组成，减速器的输入端连接水平驱动电机，输出端连接动力传递机构，通过减速增矩作用提高驱动力矩，动力传递机构将驱动力矩传递给滚轮，实现水平行走移动功能，如图3所示。

2.2 连续缠绕装置的设计

连续缠绕机构的作用是带动柔性保温材料绕着树干做连续旋转运动，将柔性保温材料均匀缠绕在树干上。连续缠绕机构主要由缓存缠绕环、滚柱、压紧弹簧片、同步带轮、同步带、同步带驱动电机、支撑滚轮和定位滚轮组成，如图4所示。同步带驱动电机与同步带轮连接，驱动同步带轮旋转，同步带周向固定在缓存缠绕环底部内侧，与同步带轮啮合，同步带轮旋转带动缓存缠绕环旋转。缓存缠绕环由周向布置的8个支撑滚轮支撑于底板上，定位滚轮安装在底板圆环结构的内侧，与装有同步带的缓存缠绕环内侧底部接触，将缓存缠绕环旋转过程中的偏心量控制在规定的范围以内，实现缓存缠绕环的同心旋转。8个滚柱周向均匀布置在缓存缠绕环上端平面上，因为柔性保温材料一端被夹具固定在树干表面，故旋转后滚柱带动柔性保温材料缠绕，一部分柔性保温材料缠绕在树干表面，一部分存储缠绕在缓存缠绕环上，当存储量达到目标值时，暂停缠绕，剪切机构执行柔性保温材料的剪切操作。剪切后继续启动实施缠绕作业，柔性保温材料末端由布置在缓存缠绕环上端平面边缘的8个压紧弹簧片压紧贴合，直至完成柔性保溫材料的缠绕工作。

绷带在树木上缠绕的总圈数为

N=H÷hn=nHh（圈）（1）

式中：r为树干的半径（m）;R为缓存缠绕环的半径（m）;h为绷带的高度（m）;H为树干缠绕高度（m）;n为绷带在树干上缠绕层数;N切为切割时的缠绕圈数。

缠绕一棵树所使用的绷带总长度L为

L=2πr·N （m）（2）

2.3 可调节涂白装置设计

工作缓存缠绕环上装有6个卡扣，卡扣上装有喷嘴。6个喷嘴的安装周向互成60°，实现围绕树木360°范围内有效喷涂。在缠绕装置上升的过程中，喷嘴通过所连接的橡胶软管连接涂白剂，实现一边上升一边喷涂。在到达指定的缠绕最高高度时，结束喷涂，取下喷嘴，后续完成缠绕绷带或者草绳。此优势在于与其他功能不发生干涉影响，从而达到涂白目的，也可仅完成涂白工作，限制较小。

2.4 精准施药装置设计

精准施药装置主要由注射头精准定位机构和药物剂量控制两部分组成。定位过程分为粗定位和精定位两步，粗定位沿树干上下方向升降动作由行走移动与升降装置中的丝杠导轨机构实现，沿树干周向旋转运动，由缠绕装置实现，初步寻径确定虫洞的大概位置。精准定位机构包括十字微调滑台、激光扫描器、支撑柱、电动推杆和注射头，粗定位结束后，电动推杆推送注射头和激光扫描器向目标虫洞运动，激光扫描器不断扫描，判断注射头偏离虫洞的方位和距离，通过十字微调滑台和电动推杆控制空间三个坐标方向的微调，从而寻径到洞口实施药物注射。药物剂量控制任务由流量计量泵完成，流量计量泵和药物储蓄罐与微调装置支撑柱一样，安装在缓存缠绕环上，药物输送软管一端连接计量泵一端连接注射头，即可实现药物的定量注射。

3 控制系统的设计

采用闭环控制系统，由伺服电机、步进电机、步进驱动器、PLC控制器等组成。通过对伺服电机的速度反馈控制，实现对柔性保温材料旋转缠绕、涂白升降、旋转图像采集、注药杀虫的动态及稳态的控制要求。主要分为三个功能模块：连续缠绕控制系统、涂白控制系统、精准施药装置控制系统。

3.1 连续缠绕控制系统

连续缠绕装置控制系统分为七个部分：高度控制、夹持控制、计长控制、推送控制、缠绕控制、剪切控制、收尾控制。高度控制和缠绕控制决定着柔性保温材料旋转缠绕的动态稳定特性，是连续缠绕装置控制系统的关键;夹持控制和推送控制负责将柔性保温材料推送至树干表面，完成柔性保温材料的初步固定任务;剪切控制负责在树干缠绕即将完成时，剪切柔性保温材料;最后的收尾控制需要完成胶装的任务;计长控制主要任务就是负责计算柔性保温材料的已使用量，缠绕量达到顶峰时使缠绕装置停止工作。各个模块的组合实现机器缠绕柔性保温材料的功能，如图5所示。

3.2 涂白控制系统

涂白控制系统控制6个喷嘴，自上而下喷涂涂白剂。设置涂白高度，启动提升装置，到达设置高度，开启涂白泵，涂白装置下降。到达底部时，通过限位开关，关闭涂白泵，控制电机停止下降。

3.3 精准施药装置控制系统

注药装置安装在摄像头正上方，设置一定的高度差。当摄像头正面垂直捕捉到虫洞时，PLC控制旋转伺服电机停止旋转，控制垂直提升伺服电机，将提升装置下降一个高度差，实现了虫洞的粗定位。通过激光扫描找到虫洞，十字滑台实现精确定位，电动推杆将注药针头送至虫洞口，注药针头伸出，针头压力传感器大于设定值时即表明针头伸入虫洞内，开启注药泵，药水从侧面针孔注入虫洞内部毒杀害虫，控制系统如图6所示。

4 病虫害图谱智能识别防治系统的设计与实现

实时准确地识别出林木病害、蟲害是有效开展病情、虫情防治工作的重要前提。目前，我国林业病虫害的诊断方法主要是依靠人工识别，主观因素大，实时性差[6-7]。本设备集成了基于深度学习的树木病虫害图像智能识别系统，包括树干360°旋转图像采集、移动客户端、云服务端和树木病虫害图像智能识别模型，实现病虫害高效、实时、准确识别与防治。

树木病虫害图像智能识别系统核心使用了百度AI的EasyDL定制化训练和服务平台，通过上传树木病虫害图谱训练模型获取树木病虫害、人工标注学习获取病虫害识别模型，系统通过云端Rest API调用模型，实现病虫害图像智能识别。系统作业的主要流程如图7所示。首先通过360°旋转图像采集获取树干表面原始图像，经过WiFi送至主机进行图像拼接和病虫斑分割;其次将分割后病虫斑图像送至树木病虫害图像识别系统识别;识别后的病虫害信息、树木直径和地理位置信息存入信息系统供管理人员使用，实现病虫害监测、防治。

5 结论

树木保温材料缠绕、涂白与病虫害智能识别防治一体机作为一种绿化树木自动化养护设备，集柔性保温材料连续缠绕、涂白、病虫害图像智能识别和虫洞精准施药多种功能于一体，可实现绿化树木的高质、高效、低成本养护与防治。解决当前国内绿化树木防寒防治机械设备研制功能单一、自动化程度不高的难题，发展方向先进，性价比高，引导了城市绿化养护设备自动化升级进程。对于城市建设养护部门而言，本产品适合大面积推广应用，产业化前景良好。

参考文献：

[1] 吴明明，王兴玉.一种树木防寒防虫漆自动涂刷装置设计[J].佳木斯职业学院学报，2017（12）：480+482.

[2] 王胜国，王泉，李立锋，等.树木防寒卷杆机包覆机构的实现及运动学仿真[J].农业科技与装备，2013（6）：44-46.

[3] 梁健明.城市绿化树病虫害综合防治技术及虫害分析[J].农业工程与能源，2017（4）：156-157.

[4] 成濮生.浅析绿化苗木冻害成因及越冬防寒措施[J].农业与技术，2018，38 （18）：163-164.

[5] 刘玉萍.我国北方地区道路绿地的防寒措施[J].现代园艺，2015（12）：175-176.

[6] 梁万杰，曹宏鑫.基于卷积神经网络的水稻虫害识别[J].江苏农业科学，2017，45 （20）：241-243.

[7] 赵瑶池，胡祝华，白勇.基于纹理差异度引导的DRLSE病虫害图像精准分割方法[J].农业机械学报，2015，46（2）：14-19.