喬白羽，何雄奎，王志翀，韓 冷，劉偉洪，董 祥，梁文鵬

基于LiDAR掃描的高地隙寬幅噴霧機(jī)變量施藥系統(tǒng)研制

喬白羽1，何雄奎1※，王志翀1，韓 冷1，劉偉洪1，董 祥2，梁文鵬3

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，北京 100193；2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京 100083；3. 廣西農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院有限公司，南寧 530007）

為提高甘蔗等高莖稈作物的機(jī)械化病蟲(chóng)害防治水平，解決普通噴霧機(jī)進(jìn)地困難、農(nóng)藥用量大且利用率低等問(wèn)題，該研究研制了一套基于三維LiDAR實(shí)時(shí)掃描的高地隙寬幅噴霧機(jī)變量施藥系統(tǒng)。該系統(tǒng)搭載的噴霧機(jī)作業(yè)幅寬24 m、地隙1.35 m，噴桿噴霧高度在0.5～2.5 m可調(diào)。變量施藥系統(tǒng)采用16線激光雷達(dá)傳感器，對(duì)作物的三維信息實(shí)時(shí)探測(cè)，安裝于機(jī)具后端的脈寬調(diào)制（PWM，Pulse-Width Modulation）控制器從CAN總線上獲取噴霧機(jī)的速度信息并傳遞給計(jì)算機(jī)，采用Python控制程序，融合激光雷達(dá)數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)速度信息繪制噴霧量處方圖并發(fā)送給PWM控制器。建立了作物冠層高度與施藥量之間的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)作物冠層所需要的噴霧量，由控制器控制電磁閥的開(kāi)閉實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)變量施藥。系統(tǒng)組裝完成后，在甘蔗地進(jìn)行田間試驗(yàn)測(cè)試。結(jié)果顯示：激光雷達(dá)能夠準(zhǔn)確識(shí)別甘蔗株高，最大識(shí)別誤差為8.42%，最小識(shí)別誤差為0.17%，平均誤差為4.59%，激光雷達(dá)將識(shí)別到的株高信息準(zhǔn)確傳遞給變量施藥系統(tǒng)。變量系統(tǒng)開(kāi)啟后，噴霧機(jī)會(huì)根據(jù)株高變化實(shí)時(shí)改變噴霧量，霧滴沉積密度滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。在變量施藥條件下，植株上中下3層的霧滴沉積密度變異系數(shù)均小于15%，滿足噴霧機(jī)(器)作業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，機(jī)具整體作業(yè)性能良好。變量施藥時(shí)布樣區(qū)施藥總量為56.43 L, 相比常量施藥的施藥總量78.96 L，減少農(nóng)藥用量22.53 L，減幅28.5%。該研究可為高莖稈作物病蟲(chóng)害高效精準(zhǔn)防治提供新的思路和方法，為新型精準(zhǔn)變量施藥機(jī)械的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和高效施藥技術(shù)性能優(yōu)化提供參考。

噴霧；農(nóng)藥；激光雷達(dá)；脈寬調(diào)制；變量施藥；高地隙；噴桿噴霧機(jī)

0 引 言

國(guó)外的植保機(jī)械多以大中型智能化的自走式植保機(jī)械為主，工作幅寬越來(lái)越大、作業(yè)速度越來(lái)越高，廣泛采用全液壓操縱、智能變量控制等技術(shù)[1-4]。精準(zhǔn)變量施藥技術(shù)可以根據(jù)靶標(biāo)探測(cè)信息的特征來(lái)決定施藥量的大小，以此改善農(nóng)藥使用的有效性和精準(zhǔn)性，實(shí)現(xiàn)對(duì)靶施藥、變量施藥、按需施藥，達(dá)到減少農(nóng)藥用量、實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)與農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)的目的[5-8]?，F(xiàn)階段，智能探測(cè)靶標(biāo)技術(shù)主要包括光傳感器、超聲波傳感器、立體視覺(jué)以及激光雷達(dá)掃描傳感器等各類檢測(cè)裝置[9-10]。其中，激光雷達(dá)掃描技術(shù)精度高、響應(yīng)快、能夠快速獲取靶標(biāo)作物的三維模型[11-13]。將激光雷達(dá)掃描技術(shù)與精準(zhǔn)變量施藥技術(shù)有效結(jié)合是防治病蟲(chóng)害的重要手段和發(fā)展趨勢(shì)[14-18]。國(guó)外對(duì)激光雷達(dá)探測(cè)和變量施藥系統(tǒng)的研究開(kāi)展較早，研究范圍廣，應(yīng)用成果多。Tian等[19]設(shè)計(jì)了一種雜草識(shí)別實(shí)時(shí)變量噴霧系統(tǒng)，該系統(tǒng)融合機(jī)器視覺(jué)，將變量噴霧技術(shù)應(yīng)用到雜草識(shí)別中，并在玉米和大豆田中進(jìn)行田間試驗(yàn)，可以減少除草劑用量52%～71%。Jaume 等[20]利用激光傳感器建立了作物參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，以葡萄樹(shù)為對(duì)象證實(shí)了利用激光雷達(dá)測(cè)量葉面積指數(shù)的可行性，為后續(xù)基于葉面積指數(shù)的變量施藥研究奠定基礎(chǔ)。Lebeau等[21-22]基于PWM（Pulse-Width Modulation）模塊設(shè)計(jì)了一種變量噴霧控制器，并通過(guò)試驗(yàn)建立了占空比和噴頭流量之間的關(guān)系。Liu等[23]發(fā)展了多路PWM集成化控制器，利用單獨(dú)的電磁閥對(duì)單個(gè)噴頭進(jìn)行獨(dú)立控制，該控制器可以靈活的選擇所需控制的噴頭個(gè)數(shù)，為寬幅噴桿的變量施藥提供了思路。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)智能探測(cè)和變量施藥技術(shù)也開(kāi)展了相關(guān)的研究。李龍龍等[24-25]針對(duì)果園精準(zhǔn)變量噴霧，設(shè)計(jì)了基于變風(fēng)量和變噴霧量的果園自動(dòng)仿形噴霧機(jī)，結(jié)合二維雷達(dá)探測(cè)和PWM變量技術(shù)根據(jù)樹(shù)冠信息實(shí)現(xiàn)仿形變量噴霧。翟長(zhǎng)遠(yuǎn)等[26]設(shè)計(jì)了一種車載式變量施藥機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠根據(jù)噴霧機(jī)的行走速度自動(dòng)變更噴藥量，且仿真和實(shí)際試驗(yàn)表明加速度小于0.4 m/s2時(shí)，實(shí)際施藥量與設(shè)定施藥量之間的誤差不超過(guò)8%，但并未針對(duì)某一種具體作物進(jìn)行田間驗(yàn)證試驗(yàn)。

上述研究主要集中在精準(zhǔn)變量零部件的研發(fā)或者果園變量噴霧，但在高莖稈作物變量噴霧的應(yīng)用比較少。高地隙噴霧機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是地隙高、噴桿噴霧高度可調(diào)、通過(guò)性能好[27-28]，可以對(duì)農(nóng)作物全生長(zhǎng)期內(nèi)進(jìn)行噴施作業(yè)。將智能探測(cè)變量施藥系統(tǒng)搭載在高地隙噴霧機(jī)上，能夠解決植株高度對(duì)噴施作業(yè)的限制，特別是能夠解決甘蔗等高莖稈作物后期施藥的難題[29-31]。本文將激光雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)和變量施藥系統(tǒng)集成到高地隙噴霧機(jī)上，探究高莖稈作物的精準(zhǔn)變量施藥。使用三維LiDAR對(duì)高莖稈作物冠層進(jìn)行掃描，獲取其三維信息和植株高度等特征參數(shù)，建立植株高度與施藥量之間的數(shù)學(xué)模型，利用PWM技術(shù)控制噴頭的開(kāi)閉程度和噴霧時(shí)間，根據(jù)植株高度變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)噴霧量，最終實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)變量施藥。

1 基于LiDAR掃描的高地隙寬幅噴霧機(jī)變量施藥系統(tǒng)

1.1 高地隙噴霧機(jī)結(jié)構(gòu)及變量施藥系統(tǒng)工作原理

針對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)田間作業(yè)機(jī)械的需求，本文研發(fā)了基于三維LiDAR掃描的高地隙寬幅噴霧機(jī)變量施藥系統(tǒng)，其中高地隙噴霧機(jī)底盤由現(xiàn)代農(nóng)裝科技股份有限公司制造。整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括駕駛室、激光雷達(dá)、變量控制系統(tǒng)、藥箱、底盤、行走機(jī)構(gòu)、懸掛機(jī)構(gòu)、噴霧系統(tǒng)等。

1.激光雷達(dá) 2.駕駛室 3.控制系統(tǒng) 4.藥箱 5.底盤 6.行走機(jī)構(gòu) 7.懸掛 8.噴霧系統(tǒng)

噴霧機(jī)離地間隙1.35 m、噴幅24 m，噴桿共分成5段，每段的噴頭個(gè)數(shù)分別為11、9、9、9和11，共計(jì)49個(gè)，各段噴桿的長(zhǎng)度分別為5、5、4、5和5 m，兩側(cè)噴桿沿中心軸對(duì)稱分布，各段噴桿均由獨(dú)立的PWM閥控制。藥箱容量3 000 L，輪距2.3～2.8 m可調(diào)，軸距3.6 m，噴桿噴霧高度在0.5～2.5 m可調(diào)。

變量施藥控制系統(tǒng)根據(jù)激光雷達(dá)掃描后實(shí)時(shí)輸入計(jì)算機(jī)的噴霧量處方圖信息，對(duì)各組電磁閥進(jìn)行自動(dòng)控制，根據(jù)田間作物的實(shí)際高度進(jìn)行變量噴施。根據(jù)前期對(duì)甘蔗等高莖稈作物的考察，發(fā)現(xiàn)該類作物植株高度存在差異，所以本文設(shè)計(jì)的變量施藥系統(tǒng)將植株高度作為控制變量。將激光雷達(dá)與變量施藥控制系統(tǒng)采用CAN通信模塊串口連接，其中CAN通信協(xié)議要求總線速率為250 kb/s。變量施藥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖2所示，激光雷達(dá)探測(cè)得到的植株三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)和PWM控制器從CAN總線上獲取的噴霧機(jī)速度信息傳遞給計(jì)算機(jī)，融合激光雷達(dá)數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)速度信息繪制噴霧量處方圖并發(fā)往PWM控制器，由控制器控制電磁閥開(kāi)閉實(shí)現(xiàn)變量施藥。

圖2 變量施藥系統(tǒng)工作原理圖

1.2 探測(cè)系統(tǒng)組成及數(shù)據(jù)處理

1.2.1 探測(cè)系統(tǒng)

探測(cè)系統(tǒng)主要包括電源模塊、激光雷達(dá)模塊、繼電控制模塊、計(jì)算機(jī)模塊，將各模塊集成后安裝在噴霧機(jī)駕駛室的變量控制箱內(nèi)。其中，繼電控制模塊給計(jì)算機(jī)提供220 V電壓，同時(shí)將220 V的交流電轉(zhuǎn)換成12 V的直流電給激光雷達(dá)供電。計(jì)算機(jī)采用Intel 760P微型計(jì)算機(jī)。激光雷達(dá)直接連接計(jì)算機(jī)主機(jī)，在顯示屏上實(shí)時(shí)顯示掃描后的植株三維點(diǎn)云圖。

探測(cè)傳感器采用16線激光LiDAR（北科天繪公司），型號(hào)為R-Fans-16。作業(yè)過(guò)程中，激光雷達(dá)將發(fā)射出的激光在雷達(dá)前方形成一個(gè)圓錐面，16條激光束各自形成一個(gè)掃描面進(jìn)行360°掃描，實(shí)現(xiàn)三維探測(cè)成像，每秒獲取32萬(wàn)個(gè)點(diǎn)，最大測(cè)距200 m，測(cè)距精度2 cm，水平視場(chǎng)角360°，垂直視場(chǎng)角30°（?15°～15°），垂直視場(chǎng)中每條掃描線之間的角度為2°，激光波長(zhǎng)905 nm。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理

激光雷達(dá)安裝在自走式噴霧機(jī)駕駛室頂部最前端的中心線上，距離駕駛室玻璃50 cm，保證掃描過(guò)程中激光束不被遮擋，離地高度3.6 m，如圖3所示。激光雷達(dá)的坐標(biāo)系定義如下：坐標(biāo)系原點(diǎn)位于設(shè)備的中心軸上，軸垂直于R-Fans底面，指向機(jī)器的前進(jìn)方向；軸垂直于地面，指向激光雷達(dá)側(cè)面纜線引出的方向；構(gòu)成右手坐標(biāo)系。

圖3 激光雷達(dá)安裝示意圖

為了實(shí)現(xiàn)作物參數(shù)的實(shí)時(shí)探測(cè)與獲取，需要將LiDAR傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，并與速度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，計(jì)算得到植株三維點(diǎn)云模型和噴霧量處方圖，并將獲取的三維極坐標(biāo)原始數(shù)據(jù)（,）轉(zhuǎn)變成三維直角坐標(biāo)()，計(jì)算方法如圖4所示。得到作物的三維點(diǎn)云后，模擬生成處方圖，從處方圖中得到對(duì)應(yīng)區(qū)域的施藥量。

注：P為激光雷達(dá)掃描范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)；x、y、z分別是P點(diǎn)對(duì)應(yīng)的三維坐標(biāo)值；d為雷達(dá)傳感器到掃描點(diǎn)的距離，m；α為P點(diǎn)相對(duì)Z軸的垂直角度，(°)；β為激光線的掃描角度，(°)；d、α、β均在掃描過(guò)程中直接獲取。

采用Python語(yǔ)言進(jìn)行編程，將編寫好的程序?qū)氲接?jì)算機(jī)中，運(yùn)行該程序，利用程序中的設(shè)定值計(jì)算激光雷達(dá)的三維極坐標(biāo)原始數(shù)據(jù)，換算出三維坐標(biāo)值。其中，激光雷達(dá)傳感器和噴桿之間的水平距離為7.70 m，激光雷達(dá)距離地面的高度為3.60 m，保證激光束不被噴霧機(jī)和地面所遮擋。

1.3 變量噴霧系統(tǒng)

變量噴霧系統(tǒng)主要包括PWM變量發(fā)生模塊、PWM變量調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行模塊、電磁閥、壓力傳感器、流量傳感器、液壓馬達(dá)（內(nèi)置速度傳感器）、藥箱、隔膜泵、藥液管路、控制閥、噴頭等。

電磁閥型號(hào)為2KS200-20B先導(dǎo)常開(kāi)型電磁閥（AIRTAC亞德客公司），電磁閥孔徑20 mm，最大耐壓1.5 MPa。每個(gè)電磁閥控制一段噴桿上噴頭的開(kāi)閉，該電磁閥的優(yōu)點(diǎn)是流量大、體積小、重量輕、拆裝方便。閥體材質(zhì)為SUS304不銹鋼，電磁線圈耐熱等級(jí)為B級(jí)。速度傳感器置于車輪馬達(dá)內(nèi)部，實(shí)時(shí)感知噴霧機(jī)作業(yè)速度，并將噴霧機(jī)行進(jìn)過(guò)程中的速度信息通過(guò)CAN總線實(shí)時(shí)傳遞給計(jì)算機(jī)。馬達(dá)型號(hào)為MS08低速馬達(dá)，額定壓力25 MPa；額定扭矩3 495 N·m。速度傳感器為T4旋轉(zhuǎn)式速度傳感器，速度檢測(cè)范圍1～200 r/min，響應(yīng)時(shí)間小于2 ms。

圖5為噴霧機(jī)的變量控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)管路與噴桿連接，安裝于機(jī)具后端，包含5路電磁閥與PWM變量控制器，電磁閥由機(jī)身電源供電后與PWM發(fā)生模塊連接，實(shí)時(shí)接收PWM波信號(hào)，并將信號(hào)傳遞給PWM執(zhí)行驅(qū)動(dòng)模塊。PWM變量控制器按照給定的占空比產(chǎn)生相應(yīng)的PWM波用于控制電磁閥驅(qū)動(dòng)器進(jìn)而控制電磁閥的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，改變各段對(duì)應(yīng)噴桿的噴頭流量。變量施藥主要通過(guò)調(diào)控電磁閥占空比實(shí)現(xiàn)，設(shè)置電磁閥的作業(yè)頻率為5 Hz，該頻率下占空比和流量的關(guān)系呈正相關(guān)。

1.五路電磁閥 2.PWM控制器

1.4 冠層分割模型

前期田間實(shí)測(cè)和調(diào)研發(fā)現(xiàn)，高莖稈作物的葉面積與植株高度正相關(guān)，且大部分植株的葉面積分布較為均勻，只有少數(shù)植株的長(zhǎng)勢(shì)出現(xiàn)明顯差異，所以本文將作物高度作為自變量，并建立其與施藥量之間的數(shù)學(xué)模型。為了獲取作物冠層參數(shù)信息，建立施藥量和冠層三維參數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型，將作業(yè)區(qū)域進(jìn)行單元格劃分，并對(duì)每個(gè)小單元格的體積疊加。如圖6所示，三維激光雷達(dá)掃描傳感器沿噴霧機(jī)行進(jìn)方向（即沿著軸從左到右）實(shí)時(shí)掃描。本次采用的R-Fans-16激光雷達(dá)共有5、10和20 Hz三個(gè)掃描頻率，為了方便計(jì)數(shù)，選取掃描頻率為10 Hz，即一個(gè)掃描周期為0.1 s，每掃描一次記為一個(gè)橫向分割單元，則一個(gè)橫向單元格在軸方向的掃描距離為

S=（1）

式中S為一個(gè)單元格在軸方向的掃描距離，m；為噴霧機(jī)的行駛速度，km/h。

噴霧機(jī)的噴幅為24 m，則激光雷達(dá)在方向的掃描距離為24 m，噴霧系統(tǒng)采用5個(gè)電磁閥分別控制各段噴桿，每段噴桿對(duì)應(yīng)一個(gè)冠層分割單元，將噴幅范圍內(nèi)的單元格分割成5個(gè)，因此由（1）可以確定每一個(gè)單元格的體積為

式中V為任一單元格的體積，m3；h為任一單元格的高度，m；為任一單元格在軸方向的距離，m。

試驗(yàn)所用電磁閥的作業(yè)頻率為5 Hz，作業(yè)周期為0.2 s。根據(jù)式（2）可以得到電磁閥每個(gè)作業(yè)周期內(nèi)各段噴桿掃描過(guò)的冠層總體積為

根據(jù)式（3）計(jì)算各段噴桿在一個(gè)噴霧周期內(nèi)所需要的噴霧量：

式中為任一段噴桿在任一噴霧周期內(nèi)所需要的施藥量，L；為冠層單位體積的施藥量，L/m3。

注：L為模擬冠層長(zhǎng)度，m；激光傳感器位于冠層上方，其豎直視場(chǎng)角為-15°～15°；Sz、yij、hij分別是任一冠層分割單元格的長(zhǎng)、寬、高，m；i為噴幅范圍內(nèi)任一冠層分割單元格編號(hào)，i=1，2，3，4，5；j為噴霧機(jī)行進(jìn)方向任一冠層分割單元格編號(hào)，j=1，2,…,L/v，其中T為激光雷達(dá)的掃描周期，s；ω為雷達(dá)內(nèi)部激光束的掃描旋轉(zhuǎn)角速度，rad·s-1。

根據(jù)式（4）可得：

式中q為第段噴桿任一噴頭的流量，L/min；n為第段噴桿對(duì)應(yīng)的噴頭個(gè)數(shù)。

由于在一定的壓力和頻率范圍條件下，單噴頭流量和占空比之間為線性關(guān)系：

其中x為第段噴桿對(duì)應(yīng)電磁閥的占空比；，為常數(shù)，取值跟頻率和壓力設(shè)定相關(guān)。

聯(lián)合式（5）~（6）可得：

所以，單段噴桿對(duì)應(yīng)電磁閥的占空比為

1.5 通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)主要由PC端、CAN總線通信模塊、PWM波發(fā)生模塊、PWM調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行模塊組成。其中，CAN 總線通信模塊既向CAN總線發(fā)送求解的數(shù)據(jù)，又從CAN總線接收響應(yīng)數(shù)據(jù)用于求解其他數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)返回給PC端。PWM波發(fā)生模塊通過(guò)串口接收來(lái)自CAN總線通信模塊發(fā)送的占空比，按照冠層檢測(cè)得到的實(shí)時(shí)占空比產(chǎn)生相應(yīng)的PWM波用于控制電磁閥開(kāi)閉動(dòng)作。PWM驅(qū)動(dòng)執(zhí)行模塊直接與5路電磁閥連接，電磁閥通過(guò)管路和噴頭連接。

本文設(shè)計(jì)的通信系統(tǒng)采用基于stm32單片機(jī)的CAN總線通信模塊，該模塊主要由stm32f103（u1）系列單片機(jī)與TJA1050（u2）芯片兩部分構(gòu)成。其中stm32f103系列單片機(jī)完成CAN總線的基本協(xié)議通信，包括接收總線數(shù)據(jù)、對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理、將處理后的數(shù)據(jù)返回CAN總線，主要由電源、晶振、復(fù)位電路組成。TJA1050芯片將單片機(jī)的TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為CAN總線電平，實(shí)現(xiàn)CAN總線協(xié)議的通信。

2 田間作業(yè)性能試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)條件

田間試驗(yàn)在廣西北海市合浦縣的甘蔗地進(jìn)行，合浦縣位于廣西西南部，常年種植甘蔗。試驗(yàn)地甘蔗株距17 cm，行距1.2 m，由于土壤肥力不均等因素，株高分布在1.2～2.0 m范圍，平均株高1.7 m左右。試驗(yàn)于2019年10月24日進(jìn)行，試驗(yàn)期間溫度22.0～24.4 ℃，濕度65.0%～70.0%，空氣流速0.9～1.5 m/s，噴霧機(jī)的行駛速度為5 km/h。

2.2 試驗(yàn)材料及方法

主要試驗(yàn)材料：基于LiDAR掃描的高地隙寬幅變量噴桿噴霧機(jī)（噴霧壓力0.3 MPa），POCKETWIND IV手持式風(fēng)速及溫濕度測(cè)量?jī)x（德國(guó)Lechler公司），ST110-05噴頭（德國(guó)Lechler公司），水敏紙（2.6 cm× 7.5 cm），掃描儀（HP Scanjet 5590）。

試驗(yàn)內(nèi)容與方法：對(duì)不同布樣區(qū)的冠層高度進(jìn)行掃描，并與實(shí)際測(cè)量高度進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)的株高探測(cè)準(zhǔn)確性。對(duì)不同高度冠層的變量施藥效果和同一冠層不同高度葉片的霧滴沉積分布進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)水敏紙上的霧滴個(gè)數(shù)及沉積密度對(duì)比變量施藥和常量施藥2種情況下的霧滴沉積分布狀態(tài)，驗(yàn)證該噴霧機(jī)雷達(dá)掃描系統(tǒng)與變量施藥系統(tǒng)與冠層高度的匹配性。試驗(yàn)結(jié)束后，采用Depositscan軟件對(duì)不同冠層高度的霧滴沉積密度進(jìn)行計(jì)算，分析變量施藥系統(tǒng)基于株高的施藥準(zhǔn)確性；利用葉片表面的霧滴沉積分布變異系數(shù)CV（Coefficient of Variation）描述植株垂直方向的霧滴沉積分布均勻性。其中，常量施藥是指電磁閥保持常開(kāi)狀態(tài)，激光雷達(dá)處于關(guān)閉狀態(tài)；變量施藥是指電磁閥和激光雷達(dá)均處于工作狀態(tài)。

試驗(yàn)區(qū)的總面積為200 m′24 m，基于噴桿噴霧機(jī)左右噴桿的對(duì)稱性，選取右側(cè)兩段噴桿及中間噴桿共3段噴桿掃過(guò)的3個(gè)區(qū)域作為布樣區(qū)，如圖7所示，共計(jì)9個(gè)布樣區(qū)，每個(gè)布樣區(qū)選取3處布樣點(diǎn)，每處選擇3株甘蔗進(jìn)行布樣，共計(jì)81株甘蔗樣本，將每株甘蔗按照莖稈高度等分為上中下3層，每層各布一個(gè)水敏紙，水敏紙用雙頭夾夾到甘蔗莖稈上，方向垂直于甘蔗莖稈，水平展開(kāi)。布樣前在噴霧機(jī)的行進(jìn)方向預(yù)留30 m作為加速區(qū)，布樣區(qū)后50 m作為減速緩沖區(qū)。

注：布樣區(qū)編號(hào)記為i-j，其中i為右側(cè)各段噴桿從右到左的編號(hào)，j為各段噴桿沿噴霧機(jī)具行進(jìn)方向掃過(guò)的面積分區(qū)，i=1，2，3；j=1，2，3。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

表1為甘蔗的實(shí)測(cè)株高和激光雷達(dá)掃描結(jié)果的對(duì)比，從表1中可以看出，株高掃描結(jié)果和測(cè)量結(jié)果的最大誤差為8.42%，最小誤差為0.17%，平均誤差為4.59%，說(shuō)明激光雷達(dá)對(duì)甘蔗株高的掃描準(zhǔn)確性良好。

表1 甘蔗株高實(shí)測(cè)值與激光雷達(dá)掃描結(jié)果對(duì)比

圖8為不同作業(yè)小區(qū)不同株高的常量施藥和變量施藥?kù)F滴沉積密度分布圖，從圖中可以看出：常量施藥時(shí)，霧滴沉積密度隨著植株高度的變化較小，基本保持在平均值86.7個(gè)/cm2左右；變量施藥時(shí)，霧滴密度隨著作物高度的不同而變化，植株高度越大，噴霧量越大，霧滴沉積密度越高，當(dāng)平均株高從1.50 m變化到1.76 m時(shí)，霧滴沉積密度增加73.37個(gè)/cm2，且最小霧滴沉積密度為34.2個(gè)/cm2，高于農(nóng)藥噴霧機(jī)田間操作規(guī)程及噴灑質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17997-2008最小霧滴沉積密度不少于30個(gè)/cm2的要求[32]。變量施藥時(shí)布樣區(qū)施藥總量為56.43 L，相比常量施藥的施藥總量78.96 L，減少農(nóng)藥用量22.53 L，減幅28.5%。該變量施藥系統(tǒng)在滿足病蟲(chóng)害防治要求的前提下，可以實(shí)現(xiàn)高莖稈作物的按需施藥。

圖8 不同株高的霧滴沉積密度

圖9為變量施藥的植株葉片表面霧滴分布，從圖中可以看出，在株高較低的2-2區(qū)，霧滴上、中、下3層沉積密度分別為34.2、32.1、30.6個(gè)/cm2；在株高較高的3-3區(qū)，霧滴上、中、下3層沉積密度分別為107.57、101.83、118.43個(gè)/cm2，各層霧滴沉積密度隨株高的增大而增大，其余區(qū)域呈現(xiàn)相同變化趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)計(jì)算，上、中、下3層的霧滴沉積密度CV值最大為13.19%，滿足噴霧機(jī)(器)作業(yè)質(zhì)量NY/T 650-2013[33]中對(duì)霧滴分布均勻性（變異系數(shù)）不大于15%的要求，機(jī)具作業(yè)性能良好。通常情況下霧滴沉積密度大小從上到下為上層、中層、下層，而個(gè)別中層或者下層霧滴密度大于上層是因?yàn)樵谧鳂I(yè)過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)上層作物葉片霧滴聚集滑落到中、下層的現(xiàn)象，導(dǎo)致中、下層的霧滴多于上層霧滴。

圖9 變量施藥的植株葉片表面霧滴分布

3 結(jié) 論

本文研制了基于三維LiDAR掃描的高地隙寬幅噴霧機(jī)變量施藥系統(tǒng)，根據(jù)田間試驗(yàn)結(jié)果得到以下主要結(jié)論：

1）設(shè)計(jì)的基于三維LiDAR掃描的高地隙噴霧機(jī)變量施藥系統(tǒng)，滿足設(shè)計(jì)需要，可以實(shí)現(xiàn)甘蔗等高莖稈作物不同生長(zhǎng)期內(nèi)的變量施藥。

2）利用三維激光雷達(dá)對(duì)甘蔗株高進(jìn)行掃描，掃描株高和測(cè)量株高的最大誤差為8.42%，最小誤差為0.17%，平均誤差為4.59%，說(shuō)明激光雷達(dá)的株高掃描結(jié)果準(zhǔn)確。

3）研發(fā)的變量施藥系統(tǒng)可以根據(jù)高莖稈作物生長(zhǎng)高度的變化進(jìn)行變量施藥，且施藥后的葉片霧滴沉積密度均高于農(nóng)藥噴霧機(jī)田間操作規(guī)程及噴灑質(zhì)量評(píng)定對(duì)作物病蟲(chóng)害防治的要求，該變量施藥系統(tǒng)在滿足病蟲(chóng)害防治要求的前提下，可以實(shí)現(xiàn)高莖稈作物的按需施藥。

4）開(kāi)啟變量施藥系統(tǒng)后，不同小區(qū)的植株上、中、下3層葉片的霧滴沉積密度隨高度變化呈現(xiàn)相同變化規(guī)律，且植株葉片上、中、下3層霧滴沉積密度變異系數(shù)最大為13.19%，滿足噴霧機(jī)(器)作業(yè)質(zhì)量中對(duì)霧滴分布變異系數(shù)不大于15%的要求，機(jī)具整體作業(yè)良好。

本文研制的變量施藥系統(tǒng)主要面向甘蔗等高莖稈作物，對(duì)于少數(shù)長(zhǎng)勢(shì)差異化較為明顯的植株，系統(tǒng)的適用性有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。

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Development of variable-rate spraying system for high clearance wide boom sprayer based on LiDAR scanning

Qiao Baiyu1, He Xiongkui1※, Wang Zhichong1, Han Leng1, Liu Weihong1, Dong Xiang2, Liang Wenpeng3

(1,100193,; 2.100083; 3.530007,)

In order to improve the level of mechanized pest control and pesticide application technology of crops with high stalk such as sugarcane, and solve the problems existed at present including field entry difficult, pesticides dosage large and utilization rate low for common sprayers, a variable-rate spraying system for the high clearance wide boom sprayer based on 3D LiDAR real-time scanning was developed. The sprayer used for the system had a width of 24 m, a ground clearance of 1.35 m and an adjustable boom height from 0.5 to 2.5 m. 16-line 3D LiDAR sensor was adopted to detect the three-dimensional information of crops in real time. The PWM（Pulse-Width Modulation）controller installed on the rear of the machine obtained the speed information of the sprayer from the CAN bus and transferred it to the computer in the sprayer cab. The control program was set up by Python software, and the relevant spray quantity prescription map was drawn by integrating the scanning data of LiDAR and real-time speed information, then the information obtained was sent out to PWM controller, each of which controlled one stage boom. A mathematical model between the crop canopy height and duty cycle of the solenoid valves was established to obtain the needed spraying volume by controlling the opening and closing of the solenoid valves by the controller. In order to verify the accuracy of the variable-rate spraying system, after the system was assembled, field tests were carried out in sugarcane fields in Guangxi province. The results showed that with the change of sugarcanes plant height, the maximum error between the height of sugarcanes scanned by LiDAR and measured was 8.42%, the minimum error was 0.17%, and the average error was 4.59%, the LiDAR had a good accuracy in scanning and identifying sugarcane height. The recognized information could be accurately transmitted to the variable-rate spraying system. When the variable-rate spraying system opened, the droplet density changed with the plant height，the higher the plant height, the greater the spray volume, and the higher the droplet deposition density. When the average plant height changed from 1.50 to 1.76 m, the droplet deposition density increased by 73.37 drops/cm2, and the minimum droplet deposition density was 34.2 drops/cm2, which was higher than the requirements of GB/T 17997-2008 not less than 30 drops/cm2, the maximum coefficient of variation of droplet deposition density in upper, middle and lower layers of the plants was 13.19%, which met the requirements of NY/T 650-2013, the variable-rate spraying system could meet the requirements of pest control and could achieve pesticide application on demand. The total amount of pesticide application was 56.43 L for variable-rate spraying, which was 22.53 L and 28.5% lower than 78.96 L of constant-rate spraying. This study provides a new idea and method for the high-efficient and precise control of plant diseases and insect pests, and provide a reference for the structural design of new precision variable-rate spraying machines.

spray; pesticide; LiDAR; PWM; variable-rate spray; high clearance; boom sprayer

喬白羽，何雄奎，王志翀，等.基于LiDAR掃描的高地隙寬幅噴霧機(jī)變量施藥系統(tǒng)研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(14)：89-95.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.011 http://www.tcsae.org

Qiao Baiyu, He Xiongkui, Wang Zhichong, et al. Development of variable-rate spraying system for high clearance wide boom sprayer based on LiDAR scanning[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(14): 89-95. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.011 http://www.tcsae.org

2020-03-07

2020-07-02

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFD0700903，2017YFD0200304）；基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（2019TC230）

喬白羽，博士生，主要從事植保機(jī)械與施藥技術(shù)研究。Email：992670374@qq.com

何雄奎，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事植保機(jī)械與施藥技術(shù)研究。Email：xiongkui@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.011

S491

A

1002-6819(2020)-14-0089-07