束義平，李秋潔，周宏平，陶冉，許林云

（南京林業(yè)大學機械電子工程學院，南京 210037）

噴霧植保是目前農(nóng)林業(yè)病蟲害防治的普遍技術。據(jù)統(tǒng)計，每年因農(nóng)藥的使用，約45%的農(nóng)產(chǎn)品避免了病蟲害損失［1］。目前我國的施藥技術和藥械與國外相比尚存在一定的差距［2-3］。據(jù)統(tǒng)計，2015 年我國農(nóng)藥利用率為36.6%［4］。因此，對于提高農(nóng)藥利用率，減少浪費的智能噴霧系統(tǒng)的研究尤為必要。

目前，變量對靶噴霧系統(tǒng)主要采用紅外、超聲波、激光雷達、可見光相機等探測靶標信息［5-10］。紅外、超聲波、可見光相機等技術存在一定的局限性［11-15］，二維激光雷達2D?LiDAR 具有精度高，裝置簡單等優(yōu)勢，是目前變量對靶噴霧的研究重點。Chen 等［16-17］、Liu 等［18］研發(fā)了基于車載二維激光掃描技術的風送式噴霧機，是目前最成熟的技術，已投入生產(chǎn)應用中。Escolà 等［19］設計了一種基于二維激光雷達的葡萄園噴霧機，并試驗驗證了冠層截面積與噴霧流速之間的相關性。Cai 等［20］、胡培等［21］開發(fā)了基于二維激光雷達的上位機系統(tǒng)，試驗驗證了樹冠體積采集的準確性。李龍龍等［22］采用二維激光雷達設計了一種基于變風量與變噴霧量的果園自動仿形噴霧機。

系統(tǒng)最終需實現(xiàn)變量噴霧，其控制方式有變壓力控制、變濃度控制和脈寬調(diào)制（PWM 占空比）控制。脈寬調(diào)制控制能夠有效改善前兩者存在的壓力不穩(wěn)定及濃度非指定值的弊端，是目前最有效的控制方式［23］。Giles 等［24］分析了不同PWM 占空比、信號頻率與噴嘴流量之間的關系。Liu 等［18，25］實現(xiàn)PWM 占空比控制的果園變量對靶噴霧，同時建立了噴嘴平均流量與PWM 占空比之間的線性關系。蔣煥煜等［26］采用卡爾曼濾波分析了噴霧瞬時壓力，推導出PWM 占空比與噴嘴噴霧流量之間的關系。鄒偉等［27］通過噴頭流量控制試驗得知：在恒壓條件下，噴頭流量與頻率和PWM 占空比呈正相關。

變量對靶噴霧的實時性主要研究系統(tǒng)響應時間，并對其進行補償。Yang［28］研究了一個商業(yè)變量控制系統(tǒng)，結果表明控制器的動態(tài)響應時間大約為1 s。Jeon 等［29］使用每秒200 幀的高速攝影儀測量得到噴霧機系統(tǒng)的平均觸發(fā)延時為296 ms，噴霧機能夠提前45～125 mm 檢測靶標同步觸發(fā)噴嘴噴霧。Chen 等［16，30］、Shen 等［31］采用光束傳感器獲取激光雷達檢測物體時間，采用水傳感器獲取噴頭噴霧時間，計算得到變量噴霧系統(tǒng)平均響應時間為0.16 s。

筆者針對信息采集的傳感器、控制變量噴霧的方式以及系統(tǒng)的實時性問題，以雙排噴霧為模型，建立通用的2D?LiDAR 變量噴霧控制系統(tǒng)，同時分析系統(tǒng)各個部分之間的響應時間，以確保系統(tǒng)的實時性。

1 變量噴霧控制系統(tǒng)硬件結構

系統(tǒng)由2D?LiDAR、上位機、下位機、電磁閥構成。2D?LiDAR 型號為UTM?30LX，掃描范圍270°，角度分辨率0.25°，可檢測1 081 個點，掃描周期25 ms，上位機選用32 位得利瓏工業(yè)平板電腦G530?N18，下位機選用STC12C5604AD 單片機進行控制。電磁閥選用亞德客2V025?08，直動式二口二位，頻率10 Hz。2D?LiDAR 獲取靶標極坐標信息；上位機處理數(shù)據(jù)信息，生成指令并發(fā)送給下位機；下位機根據(jù)獲取的指令控制電磁閥進行噴霧。

2 變量噴霧控制算法

2.1 體積計算

本研究中雙排噴霧裝置中一列具有k個噴嘴，兩列平行放置，其中2D?LiDAR 激光雷達盲區(qū)垂直向下安裝在噴霧裝置中心前方，如圖1 所示，激光雷達分別探測噴霧機兩側各540 個靶標點，因此需靶標數(shù)據(jù)預處理（公式（1）、（2））。坐標原點為2D?LiDAR 的初始位置，x軸為噴霧機的移動方向；y軸為2D?LiDAR 朝向靶標樹木的方向；z軸垂直地面向上，如圖2 所示。

圖1 雙排噴霧裝置及激光雷達安裝位置Fig.1 Double row sprayer and LiDAR installation location

式中：ρ為靶標點距離值，m；θ為對應靶標點的角度，（°）；i為每個周期中第i個點；j為激光雷達獲取靶標的第j幀，即第j周期。

圖2 二維激光雷達坐標系Fig.2 Data coordinate system of 2D?LiDAR

本研究是根據(jù)對應噴嘴區(qū)域的樹冠靶標點將樹冠離散化為若干個小長方體計算樹冠體積。系統(tǒng)將N個激光雷達周期的樹冠體積累積生成對應噴嘴的PWM 占空比。其中：

計算對應噴嘴的樹冠體積前，需獲取對應噴嘴的單側靶標冠層厚度：

式中：DC為樹冠中心到激光雷達距離，m。

然后計算第j幀內(nèi)兩個檢測點z方向的距離：

其后計算第k個噴嘴N幀樹冠在yz平面上的單側截面積：

式中：Z（k）為k噴頭作用區(qū)域；Ω為第j幀內(nèi)的第i和i＋1 靶標點在z方向的均值屬于k噴頭高度范圍內(nèi)的所有點的集合。

以計算得到的單側樹冠體積近似另一側的體積，最后計算第k個噴嘴N幀樹冠體積：

式中：Δt為激光雷達數(shù)據(jù)采集周期，s；v為噴霧機行走速度，m/s；Syz｜k為第k個噴嘴N幀樹冠在yz平面上的單側截面積，m2。

2.2 PWM 占空比計算

對應噴嘴的樹冠體積還需轉化為PWM 占空比，下位機通過PWM 占空比控制電磁閥啟閉，以此實現(xiàn)變量噴霧。

相對時間內(nèi)對應噴頭噴霧量Qk（L）：

式中：qk為第k個噴頭的流速，L/s。

對應噴嘴的噴霧量和其作用區(qū)域的樹冠體積呈正比，可將相對樹冠體積轉化為對應噴嘴的噴霧量：

式中：▽為理想噴射率，文中取0.1 L/m3。

由公式（8）、（9）、（10）聯(lián)立可獲得噴頭流速與對應樹冠截面積之間的關系：

噴霧系統(tǒng)中電磁閥PWM 占空比Pk決定了對應噴頭噴霧流速qk，兩者間呈線性關系：

式中：a為斜率；b為截距；a、b為常數(shù)，可通過變量噴霧試驗獲得。

聯(lián)立公式（11）、（12）可得PWM 占空比與對應噴嘴的樹冠截面積之間的關系：

2.3 實時控制

2.3.1 延時分析

設激光雷達與噴頭之間的垂直距離為L，系統(tǒng)時間tsystem為噴霧機以勻速v行駛L所花時間：

設tinherent＿delay為系統(tǒng)響應時間，當tsystem＞tinherent＿delay時，噴霧機可通過延時補償實現(xiàn)靶標檢測與噴霧的一致性；當tsystem＜tinherent＿delay時，從結構方面改進距離L，實現(xiàn)對靶噴霧：

系統(tǒng)響應時間主要由5 個部分構成，分別為：

1）前端測量時間t1。此部分時間為激光雷達從某個部分開始檢測時經(jīng)過25 ms 后上位機才能讀取到的數(shù)據(jù)。

2）上位機計算樹冠體積并轉化為PWM 時間t2。此部分的時間可在軟件中設置時鐘函數(shù)clock（）計算，可設start1 ＝clock（）作為樹冠體積開始計算時刻，設end1 ＝clock（）作為靶標轉為PWM 占空比的結束時刻，兩者之間的差值t2即為上位機計算樹冠體積并轉為PWM 占空比的時間。

3）上位機與下位機之間的通信時間t3。

式中：B為串口通信波特率，bit/s；n為串口通信字節(jié)數(shù)。

4）上、下位機串口通信及PWM 控制電磁閥響應時間t4。此部分時間可通過下述電磁閥相關試驗獲取。

5）上位機累積N幀靶標信息時間t5。

2.3.2 緩存區(qū)FIFO 延時補償

系統(tǒng)延時補償可利用緩存區(qū)FIFO 的數(shù)據(jù)緩存來實現(xiàn)，其延時補償原理如圖3 所示。緩存區(qū)FIFO 用于存儲對應噴嘴累積N幀的樹冠體積，F(xiàn)IFO 每一層可存儲nozzle＿num 個噴嘴的樹冠體積V＿volume［nozzle＿num］。樹冠體積V＿volume［nozzle＿num］從0 區(qū)開始存儲，計數(shù)器每計數(shù)1 次緩存區(qū)數(shù)據(jù)下移一層，經(jīng)過ndelay次計數(shù)后從FIFO尾端ndelay區(qū)讀取。

圖3 緩存區(qū)延時原理Fig.3 Buffer delay principle

首先，計算系統(tǒng)補償時間：

式中：tsoft＿delay為系統(tǒng)補償延時。

其次，通過計數(shù)器對累積的樹冠體積進行計數(shù)，每計數(shù)1 次，累積的樹冠體積在FIFO 緩存區(qū)中整體下移1 層，空出的1 層繼續(xù)存儲累積的樹冠體積。對延時計數(shù)值ndelay進行設定：

當計數(shù)器的值小于延時計數(shù)值時，不能獲取緩存區(qū)FIFO 中的樹冠體積；當計數(shù)器次數(shù)大于等于設定值后從延時緩存區(qū)FIFO 尾部讀取累積的樹冠體積進行下一步數(shù)據(jù)處理。

3 變量噴霧控制軟件設計

3.1 上位機控制軟件設計

3.1.1 多線程架構

系統(tǒng)上位機可通過MFC（microsoft foundation classes）模塊實現(xiàn)，界面主線程主要實現(xiàn)人機交互的噴霧啟停、參數(shù)設置、噴頭狀態(tài)顯示等功能；工作線程主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、靶標計算和噴頭啟閉狀態(tài)發(fā)送。兩線程之間通過全局變量方式傳遞噴頭參數(shù)及狀態(tài)信息。多線程架構如圖4 所示。

圖4 多線程架構Fig.4 Framework of multi?threading

上位機界面主線程和工作線程之間的互動采用消息傳遞的方式實現(xiàn)，系統(tǒng)軟件工作流程見圖5。

圖5 軟件工作流程Fig.5 Software workflow

3.1.2 界面設計

用戶界面由基于對話框的MFC 應用程序設計而成，用戶界面如圖6 所示。界面中噴頭狀態(tài)指示燈和按鈕是通過加載位圖的方式使之在不同狀態(tài)下呈現(xiàn)不同的外觀。

圖6 用戶界面Fig.6 User interface

用戶界面需實現(xiàn)兩個功能：

1）系統(tǒng)參數(shù)設置。噴霧系統(tǒng)啟動前需設置相關參數(shù)，包括噴霧機移動速度、一列樹的中心與激光雷達之間距離（用樹行距離表示）、靶標檢測高度范圍、靶標檢測深度范圍4 個參數(shù)。考慮到自走式噴霧機噴霧高度以及噴霧靶標多為苗木，因此系統(tǒng)初始化狀態(tài)中默認噴霧機速度為1 m/s，樹行距離為1 m，靶標高度范圍為0～2 m，靶標深度范圍為0.5～1.5 m。

2）噴頭狀態(tài)顯示。用戶界面可以通過不同的位圖對應不同的PWM 占空比來顯示噴頭噴霧狀況。

3.1.3 工作線程設計

工作線程主要實現(xiàn)二維激光雷達數(shù)據(jù)采集、靶標數(shù)據(jù)處理及PWM 占空比發(fā)送。其中噴霧響應函數(shù)流程如圖7 所示。

圖7 噴霧響應函數(shù)Fig.7 Response function of spray

3.2 上下位機通信

上下位機之間采用異步串口通信，波特率為9 600 bit/s，其噴霧命令格式如下所示：

采用8 個十六進制數(shù)表示電磁閥PWM 占空比，電磁閥PWM 占空比與對應數(shù)如表1 所示。

表1 PWM 占空比數(shù)據(jù)情況Table 1 PWM duty cycle and corresponding value

上位機每100 ms 發(fā)送1 次PWM 給下位機，下位機由兩塊單片機電路板并聯(lián)而成，通過接收上位機發(fā)送的PWM 實現(xiàn)電磁閥啟閉。首先，上位機通過串口發(fā)送噴霧機一側對應噴嘴的PWM 給控制相應電磁閥的單片機電路板，其串口通信地址為00H，然后再發(fā)送另一側對應噴嘴的PWM 給另一塊單片機電路板，其串口通信地址為01H。噴霧命令格式中校驗碼為其相關數(shù)據(jù)的累加和：

下位機在接收數(shù)據(jù)后進行相同的數(shù)據(jù)累加，然后與校驗碼進行比較，若兩者相等則接收正確，進行后續(xù)處理，否則丟棄數(shù)據(jù)。

3.3 下位機控制軟件設計

下位機控制軟件開發(fā)平臺是Keil C51，其串口中斷子程序流程如圖8 所示。下位機先對接收的數(shù)據(jù)進行累加校驗，若數(shù)據(jù)正確則控制電磁閥進行噴霧，否則丟棄數(shù)據(jù)，電磁閥不做相應動作。

圖8 下位機串口中斷子程序Fig.8 Serial interrupt subroutine of lower computer

4 試 驗

4.1 上位機體積計算試驗

4.1.1 試驗目的及內(nèi)容

本試驗旨在進行樹冠體積計算方法驗證，通過試驗結果評估其檢測效果。試驗內(nèi)容主要包括：

1）利用滑臺帶動二維激光雷達分別以3 種速度勻速運動，二維激光雷達在3 種速度下多次采集不同距離下的球體、圓柱體和長方體的靶標信息，然后保存成txt 文檔；

2）利用MATLAB 軟件處理保存下來的靶標文檔，計算3 種物體在不同檢測速度和檢測距離下的體積；

3）記錄試驗結果，取多次試驗結果的平均值，然后分別與實際值進行比較，計算其相對誤差值；

4）對試驗結果進行分析，評估樹冠體積計算方法的精確性以及分析試驗過程中相關因素對試驗的影響。

4.1.2 試驗材料及方法

靶標檢測平臺如圖9 所示，主要包括：勻速滑臺、2D?Lidar、12 V 鋰電池、步進電機控制器、STC51單片機、24 V 直流電源，PC 電腦以及卷尺。

圖9 靶標檢測平臺Fig.9 System of target test

為了進行定量分析，選擇3 種規(guī)則物體作為試驗對象，其相關尺寸如表2 所示。

試驗時，激光雷達分別以10，30，50 mm/s 的速度檢測物體距離激光雷達中心分別為1 000，1 500，2 000 mm 的體積。對3 種速度和3 種檢測距離進行兩兩組合，分別獲取3 種物體的試驗體積。為了減小試驗誤差，相同條件下進行5 次重復試驗，取重復試驗結果的平均值作為試驗結果。

表2 試驗對象尺寸大小Table 2 Sizes of the targets for detection

4.1.3 試驗結果及分析

對試驗結果進行處理，獲取3 種物體在不同檢測距離下的速度?體積折線圖，如圖10 所示。經(jīng)處理后得知3 種檢測對象的最大相對誤差分別為9.32%，8.84%和8.53%，最大相對誤差小于10%，因此計算樹冠體積的方法可以應用到實際中，而試驗結果比實際體積小，主要是因為物體體積計算方法本身存在誤差，且試驗時存在試驗系統(tǒng)誤差。由折線圖可知在相同檢測距離下，計算體積隨著速度的增加而減小，但其相對誤差波動變化在5%以內(nèi)，因此可忽略激光雷達的移動速度對靶標體積的影響；而在相同速度下，隨著檢測距離的增加，計算體積逐漸減小，這是因為試驗時物體高度一定，隨著檢測距離的增加，物體在激光雷達中檢測點減少，離散化計算體積時精度降低。

圖10 體積?速度變化圖Fig.10 Volume?velocity change chart

4.2 電磁閥控制參數(shù)與響應時間試驗

4.2.1 試驗目的及內(nèi)容

本試驗旨在獲取給泵提供不同電壓時噴頭噴霧流速q與占空比P之間的關系參數(shù)a、b的值，以及電磁閥在不同PWM 占空比下的響應時間t4。試驗內(nèi)容主要包括：

1）分別給隔膜泵提供6，9，12 V 的電壓，利用串口助手軟件給下位機電路板分別發(fā)送8 種PWM占空比，然后通過流量計獲取3 種電壓下8 種不同PWM 占空比的噴嘴流速，并采用高速攝影儀獲取噴頭的噴霧頻率；

2）獲取3 種電壓下不同PWM 占空比對應的噴嘴流速，生成q?P散點圖并進行曲線擬合；

3）分析高速攝影儀的電磁閥響應結果，確定電磁閥響應時間；

4）對試驗獲取的結果進行分析。

4.2.2 試驗材料及方法

本試驗材料主要有：滴露DP?251 型號的隔膜泵；噴嘴XR8006VS；噴頭座25612；轉子流量計LZT?1501；下位機電路板；PC；24 V 直流電源；電源箱；2V025?08 電磁閥；VRI 的Phantom 系列高速攝影儀。

試驗器材連接示意圖如圖11 所示。分別設置可調(diào)電源箱輸出電壓為6，9，12 V 進行試驗。每組試驗通過PC 串口助手給下位機分別發(fā)送8 種PWM 占空比，使其控制電磁閥啟閉，分別讀取8 種PWM 下的流量計讀數(shù)；采用高速攝影儀以每秒1 000 幀的頻率采集噴頭噴霧情況。簡化PWM 占空比，分別從1 取到8，每組進行3 次重復性試驗，取3 次試驗結果平均值作為試驗結果。

圖11 試驗器材連接Fig.11 Experiment equipment connection

4.2.3 試驗結果及分析

對試驗結果進行處理，繪制3 組電壓下試驗結果散點圖及擬合曲線圖，其結果如圖12 所示，擬合函數(shù)如表3 所示。

圖12 PWM 分布與流速的關系Fig.12 Relationship between PWM and flow rate

表3 擬合函數(shù)Table 3 Fitting function

由圖12 可知，3 種不同電壓下的噴霧流速整體趨勢隨著PWM 占空比的增大而增大。相同PWM 占空比下，噴霧流速隨著泵的電壓增大而增大，其主要原因是泵的電壓增大，泵與噴嘴之間水的壓強隨之增大，在噴嘴不變的情況下，水的流速變大。由表3 擬合函數(shù)可知，擬合優(yōu)度R2隨著電壓的增大而輕微降低。其中擬合優(yōu)度無法達到1，噴霧流速在擬合曲線上下波動，主要原因是泵在持續(xù)工作，而電磁閥依據(jù)PWM 占空比進行頻繁啟閉，導致轉子流量計處于動平衡狀態(tài)，讀取試驗結果時存在讀數(shù)誤差。綜合來看，3 組試驗結果的函數(shù)擬合優(yōu)度均超過0.97，說明噴頭噴霧流速與PWM 占空比之間呈線性關系。因此，在變量對靶噴霧系統(tǒng)中PWM 占空比可實現(xiàn)噴霧流速控制。

選取6，9，12 V 3 組電壓下8 種PWM 占空比試驗結果，然后采用高速攝影儀自帶的軟件分別進行逐幀播放，獲取噴頭噴霧效果相同的相鄰兩幀圖片對應的時間，其結果如圖13 所示，這里只給出6 V 電壓下一次試驗結果中的單個PWM 占空比下圖。取每組3 次試驗結果的平均值作為最終試驗結果，獲取8 種PWM 占空比的電磁閥響應時間，結果如表4 所示。由表4 可知，8 種PWM 占空比控制的電磁閥響應周期近乎為120 ms，也即下位機控制電磁閥啟閉時間為120 ms。與電磁閥額定周期100 ms 相比，試驗結果存在著一定的差異性，其主要原因為電磁閥的電信號能夠達到100 ms 響應一次，但閥體的機構部分響應沒有電信號快。因此在后續(xù)研究中一方面可選擇額定頻率更高的電磁閥進行替代；另一方面可適當降低電磁閥響應頻率，降低噴霧的精確性，確保電磁閥的響應一致。

圖13 電磁閥響應試驗結果Fig.13 Response test results of solenoid valve

表4 電磁閥響應頻率試驗結果Table 4 Test results of response frequency of solenoid valve

5 結論

本研究設計了一套通用的激光雷達探測的變量噴霧控制系統(tǒng)，包括上位機軟件設計、下位機軟件設計，并進行了相關算法試驗驗證，得到如下結論：

1）體積計算試驗結果表明體積計算誤差小于10%，可用于實際應用中，而且在相同速度下，隨著檢測距離的增加，計算體積逐漸減小。

2）對系統(tǒng)中各個部分的延時進行了分析，并給出了各個部分響應時間通用的計算方法。

3）控制參數(shù)及電磁閥響應試驗結果表明，PWM 占空比與噴嘴流速呈正比關系，兩者之間的曲線擬合優(yōu)度達0.97；電磁閥的響應時間為120 ms，其機械響應落后于電信號響應20 ms。

本試驗還有部分不足的地方需要進一步研究，首先需研究持續(xù)噴霧與采用本系統(tǒng)控制的變量噴霧的霧滴沉積分布；其次需定量研究變量噴霧相比于傳統(tǒng)噴霧對于藥液的節(jié)約量等。