漆海霞，周靖康，李承杰，陳鵬超，梁 鈺，黃桂珍，鄒 軍

（1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州 510642；2. 國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)國際聯(lián)合研究中心，廣州 510642； 3. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)電子工程學(xué)院，廣州 510642；4. 嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642）

0 引言

中國的農(nóng)田覆蓋面積遼闊，可達(dá)1.5億hm2，但病蟲害依然是國內(nèi)農(nóng)業(yè)發(fā)展所面臨的一個重大問題。中國在病蟲害防治中普遍采用農(nóng)藥的“粗放式”管理，據(jù)統(tǒng)計中國單位面積的農(nóng)藥使用量是世界平均水平的2.5倍，每年防治面積達(dá)到4億～5億hm2[1-2]，過量的使用農(nóng)藥不僅造成了農(nóng)藥利用率低，還產(chǎn)生大量的農(nóng)藥殘余，造成嚴(yán)重的水污染，使農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降、生態(tài)系統(tǒng)失衡，甚至嚴(yán)重威脅食品安全[3]，因此依照實(shí)際病蟲害情況，使用精準(zhǔn)變量施藥的方式，可以在保證施藥效果的情況下，有效減少農(nóng)藥使用，從而達(dá)到農(nóng)藥減施增效的目的。

近年來，中國航空施藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，與傳統(tǒng)的人工施藥和地面機(jī)械施藥方式相比，航空施藥可以在丘陵和山地等人工和地面大型機(jī)械難以作業(yè)的區(qū)域進(jìn)行噴施作業(yè)，同時能快速應(yīng)對大規(guī)模的突發(fā)性病蟲害，有效緩解農(nóng)村勞動力不足，減少作業(yè)人員與農(nóng)藥的直接接觸，具有其他農(nóng)業(yè)機(jī)械不可替代的優(yōu)勢[4-6]。針對不同的噴施要求，與不同的噴施作業(yè)環(huán)境，為了在達(dá)到最佳防治效果的同時，又不造成農(nóng)藥浪費(fèi)，對無人機(jī)施藥的準(zhǔn)確性和作業(yè)效率提出了較高要求[7-11]。在植保作業(yè)過程中，無人機(jī)施藥量根據(jù)實(shí)時作業(yè)位置和作業(yè)處方圖，實(shí)時調(diào)節(jié)施藥流量和施藥粒徑，在保證施藥效果的條件下，實(shí)現(xiàn)按需變量施藥，能有效減少重噴漏噴等現(xiàn)象。實(shí)時作業(yè)處方位置的獲取依賴于GPS位置信息的獲取，但是其精度不足以滿足在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中的需求，因此為獲取更高的精度而使用了實(shí)時差分技術(shù)（Real-Time Kinematic, RTK）[12]。國內(nèi)外學(xué)者對于變量施藥技術(shù)與差分定位技術(shù)有很多研究，Thomas等[13]使用脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）技術(shù)噴施農(nóng)藥，使用了壓力式噴頭，驗(yàn)證了PWM噴霧器與適當(dāng)?shù)膲毫M合能產(chǎn)生最佳的除草劑滴數(shù)，并將數(shù)據(jù)儲存在數(shù)據(jù)庫用于精確農(nóng)業(yè)的實(shí)踐。Perez-Ruiz等[14]將使用安裝了GPS-RTK裝置的農(nóng)機(jī)進(jìn)行農(nóng)作物地理空間制圖，實(shí)際地圖誤差為2 cm，95%以上的植株都長在生長植株半徑為5.58 cm的圓內(nèi)。Tewari等[15]研究了基于圖像的可變速率的噴灑系統(tǒng)，系統(tǒng)使用攝像機(jī)獲取圖像，使用電腦進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)處理，并通過微處理器控制輸出信號，從而調(diào)節(jié)水泵輸出，使得化學(xué)藥劑的使用量至少減少了33%。羅錫文等[16]將基于RTK-GPS的自動導(dǎo)航系統(tǒng)用在東方紅X-804拖拉機(jī)上，使用PID作為模型控制器，在行駛速度為0.8 m/s時，平均跟蹤誤差小于0.03 m。王大帥等[17]設(shè)計了一種基于ARM架構(gòu)的植保無人機(jī)動態(tài)變量施藥系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)施藥流量與飛行速度的自匹配，實(shí)際流量與目標(biāo)流量的偏差值為1.9%，噴幅約5 m。徐穎章[18]使用了RTK的方式改善GPS定位精度，且RTK程序能夠在硬件內(nèi)存有限的情況下正常運(yùn)行，并通過試驗(yàn)分析，能實(shí)現(xiàn)1 cm內(nèi)級別的相對定位精度。張瑞瑞等[19]設(shè)計了一種有人直升機(jī)變量施藥系統(tǒng)，以STM32為系統(tǒng)主控器，完成速度與流量的采集，在飛行速度小于160 km/h時，誤差在10%以內(nèi)。孫文峰等[20]設(shè)計了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定的PID控制變量施藥系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用壓力式噴頭進(jìn)行試驗(yàn)，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法修正控制參數(shù)，施藥結(jié)果表明在不同速度下，霧滴沉積的標(biāo)準(zhǔn)差均小于1.4個/cm2，系統(tǒng)平均調(diào)節(jié)時間0.72 s。目前國內(nèi)外學(xué)者對于網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)和離心噴頭的研究應(yīng)用較少，網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是無需假設(shè)基準(zhǔn)站，而是使用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備從數(shù)據(jù)處理中心的基準(zhǔn)站網(wǎng)獲取修正信息，基準(zhǔn)站網(wǎng)甚至能在上百公里以外，突破了基站距離的限制，也減輕了基準(zhǔn)站的架設(shè)費(fèi)用[21-24]；與壓力式噴霧不同，離心噴頭的優(yōu)點(diǎn)是液滴在離心力的作用下由轉(zhuǎn)盤甩出，霧滴進(jìn)入噴頭時一般由重力作用流出，所以對水泵的壓力的需求不高，同時由于霧滴流出噴嘴的過程互不干涉，因此流量和粒徑可以獨(dú)立控制[25-28]。

為提高無人機(jī)田間作業(yè)精度和作業(yè)效率，驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)在無人機(jī)施藥上的可能性，本文設(shè)計了一種基于網(wǎng)絡(luò)RTK的離心式無人機(jī)變量施藥系統(tǒng)，并通過田間試驗(yàn)，分析處方交界區(qū)域施藥量及粒徑的變化情況，并驗(yàn)證施藥裝置的精度，對網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)以及離心式變量施藥技術(shù)的改良提供方向和參考。

1 系統(tǒng)組成

1.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

系統(tǒng)的組成如圖1所示，包含處方圖生成、機(jī)載硬件系統(tǒng)數(shù)據(jù)及控制信號處理和監(jiān)控平臺作業(yè)數(shù)據(jù)顯示，首先由機(jī)載多光譜相機(jī)、地物波譜儀、手持式GPS儀獲取農(nóng)田農(nóng)情信息分布，在上位電腦中使用ArcGIS軟件生成作業(yè)處方圖，然后通過機(jī)載硬件系統(tǒng)接收并處理傳感器數(shù)據(jù)、根據(jù)處方信息執(zhí)行具體施藥指令，最后遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺實(shí)時監(jiān)控機(jī)載系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，完成無人機(jī)變量施藥任務(wù)。

1.2 處方圖生成

本研究使用無人機(jī)搭載多光譜相機(jī)以及地物波譜儀獲取作物農(nóng)情信息并轉(zhuǎn)化為處方信息，使用手持GPS儀獲取高精度的地面經(jīng)緯度信息，根據(jù)農(nóng)田位置的分布構(gòu)建地塊的shapefile文件，把處理后的處方信息錄入到屬性表中，同時進(jìn)行網(wǎng)格化處理，并將處方圖在符號化（Symbology）選項(xiàng)中按照處方信息值的大小進(jìn)行顯示。在進(jìn)行試驗(yàn)前，將shapefile格式的文件導(dǎo)出為CSV文件，將文件中的位置數(shù)據(jù)、處方數(shù)據(jù)輸入到變量施藥系統(tǒng)主板中，施藥過程中則根據(jù)實(shí)時GPS位置搜尋作業(yè)裝置所在網(wǎng)格，并將網(wǎng)格中對應(yīng)的處方數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，再控制變量施藥裝置執(zhí)行。

1.3 機(jī)載系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計

變量施藥系統(tǒng)的硬件由變量施藥系統(tǒng)主板、變量執(zhí)行器、無線數(shù)傳模塊、GPS網(wǎng)絡(luò)差分模塊組成。硬件系統(tǒng)組成如圖2所示。

該硬件系統(tǒng)搭載在植保無人機(jī)上，以施藥系統(tǒng)主板為核心，通過網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)獲取高精度的GPS定位信息，并調(diào)用出處方?jīng)Q策信息，按照處方信息及GPS數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)變量施藥執(zhí)行裝置參數(shù)，同時采用無線數(shù)傳將無人機(jī)作業(yè)信息傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控平臺中。

1.3.1 施藥系統(tǒng)控制主板

本裝置以STM32F103VCT6微處理器為核心，設(shè)計并制作了施藥系統(tǒng)控制主板，完成高精度的位置信息采集、變量施藥執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制信號的輸出、處方信息的解析、施藥系統(tǒng)和上位機(jī)的信息交換等任務(wù)。板卡內(nèi)部電路包含最小系統(tǒng)電路、電源電路、變量執(zhí)行裝置驅(qū)動電路和串口驅(qū)動電路等。

1.3.2 GPS網(wǎng)絡(luò)差分模塊

網(wǎng)絡(luò)差分模塊包括高精度的GPS板卡和DTU模塊，GPS板卡使用上海司南導(dǎo)航生產(chǎn)的K726板卡，該板卡的輸入電壓為3.3～5 V，使用雙天線輸入，支持BDS B1/B2，GPS L1/L2，GLONASS L1/L2三系統(tǒng)雙頻信號高精度測姿功能，RTK解算后的精度能達(dá)到1 cm，支持常用的數(shù)據(jù)格式；DTU模塊使用的是廈門四信通訊生產(chǎn)的F2A16-DK模塊，支持全網(wǎng)頻段，能實(shí)現(xiàn)上網(wǎng)功能。本研究采用千尋位置提供的網(wǎng)絡(luò)RTK差分服務(wù)，可以提供7×24 h的水平精度2 cm，高程精度為4 cm的實(shí)時定位服務(wù)。

網(wǎng)絡(luò)差分具體實(shí)現(xiàn)的方式是通過司南導(dǎo)航K726板卡實(shí)現(xiàn)GPS原始數(shù)據(jù)的收集，在采集完GPS初始GPGGA數(shù)據(jù)后，板卡通過串口將該數(shù)據(jù)上傳至廈門四信通訊F2A16-DK模塊，該模塊將通過撥號功能使用千尋位置提供的FindCM服務(wù)將GPGGA數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳獲取差分信息，并將差分?jǐn)?shù)據(jù)通過串口傳至GPS模塊，最后GPS模塊將解算后的GPGGA（衛(wèi)星定位信息）信息和GPVTG（地面速度信息）信息通過另一串口上傳至施藥系統(tǒng)主板，施藥系統(tǒng)主板提取GPGGA信息中的經(jīng)緯度位置信息、定位信息狀態(tài)信息和海拔高度信息，提取GPVTG信息中的地面速度信息，為保證數(shù)據(jù)獲取的實(shí)時性和解析的準(zhǔn)確性，在經(jīng)過測試后將數(shù)據(jù)傳輸速度定為每0.2 s傳輸一次導(dǎo)航信息。

1.3.3 變量施藥執(zhí)行器

在本文中變量施藥執(zhí)行器由離心噴頭和蠕動泵組成，其中通過控制離心噴頭的轉(zhuǎn)速來控制霧滴粒徑，通過控制蠕動泵的轉(zhuǎn)速來控制變量系統(tǒng)的施藥量。

變量執(zhí)行器中的噴頭采用的是極飛科技生產(chǎn)的P20系列離心噴頭和蠕動泵。兩種設(shè)備控制方案相似，都是通過調(diào)節(jié)STM32處理器的I/O口輸出的PWM信號，并通過的反相施密特觸發(fā)器和場效應(yīng)管將輸出信號信號放大，從而控制離心噴頭的轉(zhuǎn)速和蠕動泵的流量。單路水泵/噴頭控制電路圖如圖3所示。本設(shè)計的施藥量和施藥粒徑的變化是通過蠕動泵和離心噴頭的輸出功率來控制的，將PWM波的輸出頻率固定為1kHZ，在試驗(yàn)過程中通過調(diào)整占空比的大小來控制蠕動泵和離心噴頭輸出功率，調(diào)節(jié)范圍為20%～80%。

1.3.4 無線數(shù)傳模塊

無線數(shù)傳采用的是DL-43模塊，DL-43模塊內(nèi)部采用CC2592芯片和CC2530F256芯片，共16個信道，使用IPEX天線，有效傳輸距離可達(dá)1 000 m，該模塊能通過AT指令或者按鍵修改控制參數(shù)，具有低功耗、高性能等特點(diǎn)。

機(jī)載硬件系統(tǒng)與監(jiān)控平臺通過無線數(shù)傳模塊配置為點(diǎn)對點(diǎn)傳輸模式，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控平臺與硬件系統(tǒng)的通訊，并確保上位機(jī)具有唯一控制權(quán)，在DL-43模塊運(yùn)行過程中，機(jī)載硬件向DL-43模塊A端發(fā)送串口數(shù)據(jù)包，監(jiān)控平臺通過調(diào)用DL-43模塊B端實(shí)時捕獲串口數(shù)據(jù)，解析后顯示到監(jiān)控平臺上。串口數(shù)據(jù)包如表1所示，各個數(shù)據(jù)之間由逗號隔開。

表1 串口數(shù)據(jù)包 Table 1 Serial port data packet

1.3.5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

變量控制系統(tǒng)的硬件程序是在STM32F1平臺下開發(fā)設(shè)計的，具體的程序流程如圖4所示。在系統(tǒng)啟動時，先初始化各硬件串口等配置，讀取處方信息，調(diào)用GPS子函數(shù)讀取GPGGA數(shù)據(jù)并處理，判斷是否進(jìn)入差分，并獲取準(zhǔn)確的經(jīng)緯度信息，檢索出該位置的處方信息，將處方所給的施藥量轉(zhuǎn)化為PWM的占空比大小，通過調(diào)節(jié)PWM的占空比控制蠕動泵輸出不同的施藥量；將處方所給的目標(biāo)粒徑大小轉(zhuǎn)化為目標(biāo)轉(zhuǎn)速大小，再將目標(biāo)轉(zhuǎn)速大小轉(zhuǎn)化為PWM的占空比大小，通過調(diào)節(jié)PWM的占空比來控制離心噴頭的轉(zhuǎn)速。后通過無線數(shù)傳傳至上位機(jī)，在監(jiān)控平臺中完成數(shù)據(jù)的可視化處理，并將試驗(yàn)數(shù)據(jù)保存。

本文是根據(jù)處方信息實(shí)現(xiàn)變量施藥，因此在作業(yè)過程中，將根據(jù)提取的無人機(jī)作業(yè)位置信息進(jìn)行網(wǎng)格識別。因此在獲得施藥系統(tǒng)經(jīng)緯度信息后，采用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)和行列掃描的方式識別作業(yè)位置網(wǎng)格標(biāo)號識別無人機(jī)作業(yè)位置的網(wǎng)格標(biāo)記。其中坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)公式為[29-30]。

式中x'，y'為旋轉(zhuǎn)后的經(jīng)緯度， (°)；x，y為GPS網(wǎng)絡(luò)差分模塊獲取的原始GPS經(jīng)緯度，(°)；α為旋轉(zhuǎn)前后坐標(biāo)系間的夾角，(°)。

經(jīng)緯度坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換結(jié)束后，針對轉(zhuǎn)換后的無人機(jī)作業(yè)位置坐標(biāo)（x',y')，首先對無人機(jī)所在位置的經(jīng)度進(jìn)行行掃描，當(dāng)xi≤x'≤x(i+1)時，鎖定作業(yè)位置行號i（0＜i≤行最大值）；后進(jìn)行列掃描，當(dāng)yj≤y'≤y(j+1)時，鎖定作業(yè)位置列號j（0＜j≤列最大值）。在檢索到橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)的行號和列號后，通過讀取網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號即可查詢到對應(yīng)的處方施藥決策信息。

1.4 監(jiān)控平臺軟件

監(jiān)控平臺接收機(jī)載硬件系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)包，通過提取數(shù)據(jù)包中指定數(shù)據(jù)來解析作業(yè)系統(tǒng)當(dāng)前作業(yè)狀態(tài)。系統(tǒng)所設(shè)計的采集監(jiān)控平臺，用于顯示無人機(jī)的實(shí)時作業(yè)狀態(tài)，通過調(diào)用串口數(shù)據(jù)的方式，讀取施藥系統(tǒng)控制主板上傳的串口數(shù)據(jù)包，串口數(shù)據(jù)包內(nèi)容如表1所示，將數(shù)據(jù)包解析后將數(shù)據(jù)顯示在主界面中，并通過web控件 連接百度地圖的API，將經(jīng)緯度信息進(jìn)行實(shí)時解析并繪制作業(yè)軌跡。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料與場地

試驗(yàn)于廣東省廣州市華南農(nóng)業(yè)大學(xué)增城校區(qū)教學(xué)科研基地進(jìn)行。試驗(yàn)地塊的長度為90 m，寬度為5 m，該地塊以行距為0.6 m，株距為0.4 m種植3種不同品種的玉米，按照長30 m，寬5 m劃分成3個處方區(qū)域，如圖5a所示。3個不同的處方區(qū)域?yàn)閍區(qū)，b區(qū)和c區(qū)，其中a區(qū)和b區(qū)的交界位置為處方交界A區(qū)域，簡稱A區(qū)，b區(qū)和c區(qū)的交界區(qū)域?yàn)樘幏浇唤鏐區(qū)域，簡稱B區(qū)。其中L3和L10排為兩個處方交界線，即變量施藥位置。每個區(qū)域的設(shè)定的不同施藥量和目標(biāo)粒徑，形成不同的處方信息，采用3 cm×8 cm的水敏紙在處方交界地帶布置采樣點(diǎn)（圖5b），共布置14×7個采樣點(diǎn)。其中L1～L5，L8～L12的按照玉米的行距大小設(shè)置間距為0.6 m，L5與L6、L12與L13的排間間距為1 m（含壟溝寬度），L0、L7、L14在所處處方區(qū)域的中心，R1-R7綜合株距以及無人機(jī)噴幅設(shè)計列間間距為0.8 m。

試驗(yàn)采用型號為大疆MG-1P的八旋翼無人機(jī)，并掛載自研變量施藥系統(tǒng)，同時無人機(jī)的作業(yè)信息將會上傳至監(jiān)控平臺中。在試驗(yàn)過程中控制無人機(jī)距離作物2 m的高度進(jìn)行施藥作業(yè)，以2 m/s的速度進(jìn)行噴霧試驗(yàn)，通過水敏紙來測量在無人機(jī)處方交界地帶A區(qū)和B區(qū)無人機(jī)施藥量和施藥粒徑變化情況。

2.2 作業(yè)參數(shù)設(shè)計

此次試驗(yàn)主要是測試課題開發(fā)的無人機(jī)變量施藥系統(tǒng)實(shí)際工作情況，試驗(yàn)通過改變處方區(qū)域的施藥量、目標(biāo)粒徑大小來形成不同的處方信息進(jìn)行變量施藥試驗(yàn)。作業(yè)參數(shù)如表2所示，其中環(huán)境參數(shù)采用的是深圳市虹源博科技有限公司生產(chǎn)的HberW6-3便攜式微型自動氣象站進(jìn)行測量所得。試驗(yàn)時間為2021年1月29日，實(shí)驗(yàn)時平均氣溫約為20 ℃，風(fēng)向?yàn)槠憋L(fēng)。

如表2所示，試驗(yàn)組G1、G2調(diào)節(jié)的是施藥量大小，G3、G4、G5調(diào)節(jié)的是粒徑大小，G6為對照組。其中，本研究主要通過分析DV0.5來研究作業(yè)系統(tǒng)施藥粒徑變化情況，DV0.5的含義是按照霧滴中值粒徑從小到大進(jìn)行排序，位于50%位置的霧滴中徑的值，μm。

表2 試驗(yàn)參數(shù)表 Table 2 Test parameters table

2.3 實(shí)際的采集及處理

在采集完成每一組數(shù)據(jù)后，待霧滴干燥后，按照編號收集放入密封袋中，等施藥結(jié)束后帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行處理。將采集的水敏紙逐一用試驗(yàn)室的hp4678掃描儀進(jìn)行掃描，圖像采集后通過DepositScan對每個采樣區(qū)域的水敏紙進(jìn)行分析，可以獲得每一個采樣點(diǎn)的沉積量、覆蓋密度和粒徑大小。其中霧滴的沉積量是通過霧滴的體積來計算的，霧滴體積的計算公式為

式中V為單個霧滴的體積，μm3；d為霧滴的直徑，μm。而單位面積內(nèi)的霧滴沉積量則為采樣面積內(nèi)的霧滴體積累加[31]。

本研究的噴霧均勻性由沉積性的變異系數(shù)表示，由各個采樣區(qū)域的沉積量計算得出，其計算公式為

式中C為變異系數(shù)，%；S為霧滴沉積量標(biāo)準(zhǔn)差，μL/cm2；Xi為各采集點(diǎn)沉積量，μL/cm2；為采用區(qū)域霧滴平均沉積量，μL/cm2；n為采樣區(qū)域有效采集點(diǎn)個數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同占空比對流量和粒徑的影響

為了分析不同占空比下蠕動泵流量以及離心噴頭轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的關(guān)系，在進(jìn)行施藥試驗(yàn)之前使用量杯以及轉(zhuǎn)速儀對施藥執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)定，試驗(yàn)所得的部分占空比與施藥量以及噴頭轉(zhuǎn)速的關(guān)系如表3所示。

通過表3中的數(shù)值可以得出不同占空比下水泵和噴頭的擬合函數(shù)：

式中y1為蠕動泵流量，mL/min；y2為離心噴頭轉(zhuǎn)速，r/min；p為占空比，%；為擬合函數(shù)的擬合程度。

由于離心噴頭的轉(zhuǎn)速會影響施藥粒徑的大小，因此在試驗(yàn)室內(nèi)模擬無人機(jī)作業(yè)高度、作業(yè)風(fēng)場使用水敏紙測試了噴頭轉(zhuǎn)速與粒徑的關(guān)系，部分結(jié)果如表4所示。

表4 轉(zhuǎn)速與粒徑的關(guān)系 Table 4 Relationship between rotating speed and particle size

通過表4可得不同離心噴頭轉(zhuǎn)速下施藥粒徑的擬合函數(shù)：

式中y為施藥粒徑大小，μm；N為離心噴頭轉(zhuǎn)速，r/min；R為擬合函數(shù)擬合程度。

本文設(shè)計的施藥裝置在作業(yè)時，將讀取處方中目標(biāo)施藥量和目標(biāo)粒徑后通過式（4）和式（5）轉(zhuǎn)化為不同的PWM波占空比，從而執(zhí)行施藥決策。

3.2 施藥精度分析

通過對照試驗(yàn)組G6來確定施藥系統(tǒng)的施藥精度，參照《農(nóng)業(yè)航空作業(yè)質(zhì)量技術(shù)》中的指標(biāo)，超低容量的農(nóng)藥噴灑時霧滴覆蓋密度應(yīng)大于10個/cm2，如表5所示，試驗(yàn)中霧滴覆蓋密度大于10個/cm2的采集點(diǎn)為有效采集點(diǎn)，由圖5b可知垂直于飛行方向的采集點(diǎn)R1～R7的間距為0.8 m，考慮到作業(yè)無人機(jī)在L5、L6、L9、L10、L11的有效覆蓋點(diǎn)的數(shù)量都在4個及以上，且L7排采集點(diǎn)的邊緣位置R2和R4，以及L8排的采集點(diǎn)的邊緣位置R4和R6的霧滴覆蓋密度都大于40個/cm2，因此L7排與L8排可能是由于采集時下旋風(fēng)場過大，且水敏紙布置方式不佳，導(dǎo)致水敏紙向下彎曲程度過大，同時采集邊緣位置本身霧滴較少，導(dǎo)致采集霧滴數(shù)量較少而出現(xiàn)了誤差。綜上，本次試驗(yàn)無人機(jī)的列間有效采集點(diǎn)為4～5個，有效噴幅為2.4～3.2 m。

根據(jù)表2中G6組的處方信息可知施藥裝置在由a區(qū)進(jìn)入b 區(qū)后開始施藥，進(jìn)入c區(qū)后停止施藥，由圖5a可知預(yù)設(shè)變量施藥點(diǎn)分別在L3和L10，由表5知在A區(qū)在L3出現(xiàn)有效采集點(diǎn)，在L3、L4有效采集點(diǎn)的覆蓋密度為10～32個/cm2，考慮到藥液在離心噴頭作用下會沿著轉(zhuǎn)盤邊緣呈螺旋線狀噴出的特性，可以得出施藥裝置在L3與L4之間開始執(zhí)行施藥，且霧滴的覆蓋密度隨著系統(tǒng)的穩(wěn)定而逐漸增加；在B區(qū)域在L8、L9、L10的有效采集點(diǎn)的覆蓋密度為13～86個/cm2，在L11的有效采集點(diǎn)的覆蓋密度為10～43個/cm2，覆蓋密度大小呈現(xiàn)較明顯下降趨勢，且L12只在1個采集點(diǎn)大于10個/cm2，因此施藥系統(tǒng)在L10與L11之間停止施藥。由于本研究設(shè)計變量施藥位置在L3與L10，作業(yè)速度為2 m/s，L1～L5、L8～L12列間間距為0.6 m，由此判斷施藥系統(tǒng)的精度在0.6 m以內(nèi)，處方解析與執(zhí)行時間小于0.3 s。

3.3 霧滴沉積量分布

在不同有效采集點(diǎn)采集到的施藥沉積量以及霧滴均勻性如表6所示，其中由于L0、L7、L14采集點(diǎn)位于當(dāng)前處方區(qū)域中心位置，距離前后處方變換區(qū)域有一定距離，施藥狀態(tài)已穩(wěn)定，故用L0、L7、L14檢測施藥系統(tǒng)在處方區(qū)域的實(shí)際施藥情況。在G1組試驗(yàn)中L0的平均沉積量為0.073 6μL/cm2，略高于預(yù)設(shè)值0.07μL/cm2，L7的平均沉積量為 0.077 6μL/cm2，略低于預(yù)設(shè)值0.08μL/cm2，L14的平均沉積量為0.085 8μL/cm2，略微高于預(yù)設(shè)值0.085μL/cm2，因此在該G1組試驗(yàn)過程中變量施藥系統(tǒng)能按照處方值進(jìn)行變量施藥作業(yè)，同理G2組也滿足條件，即本文設(shè)計的變量施藥系統(tǒng)能正常執(zhí)行施藥決策。

由表6可知，在A區(qū)和B區(qū)的L1～L5、L8～L12區(qū)域的施藥量出現(xiàn)明顯的波動，因此存在一個不穩(wěn)定區(qū)域，施藥與前后處方區(qū)域的預(yù)設(shè)值相差較大，這是主要是由兩部分原因組成：施藥系統(tǒng)在進(jìn)入處方變量點(diǎn)L3、L10后，目標(biāo)施藥量大小發(fā)生了變化，施藥系統(tǒng)無法立即進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)；由于離心噴頭的施藥特性，在作業(yè)時離心噴頭能同時影響前后幾列采集點(diǎn)的霧滴沉積情況，因此造成部分區(qū)域的沉積效果出現(xiàn)較大震蕩。

在G1組試驗(yàn)中，L6的平均沉積量為0.075μL/cm2，比L7的平均沉積量少0.002 6μL/cm2，L13的平均沉積量為0.084 2μL/cm2，比L14的平均沉積量少0.001 6μL/cm2；在G2組試驗(yàn)中，L6平均沉積量為0.090 38μL/cm2，比L7的平均沉積量少0.002 28μL/cm2，在L13平均沉積量為0.109 4μL/cm2，比L14的平均沉積量多0.001μL/cm2，均相差不大，因此可以判斷無人機(jī)在L6、L13的位置時施藥量的增加已經(jīng)趨于穩(wěn)定，結(jié)合采樣點(diǎn)的布置方法圖5b可知L6、L13位置距離變量施藥位置L3、L10的距離是2.2 m，由此判斷本文研究的變量施藥系統(tǒng)的施藥量能在2.2 m內(nèi)趨向穩(wěn)定。

3.4 霧滴粒徑大小

分析G3、G4、G5組的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證試驗(yàn)裝置是否能根據(jù)處方信息實(shí)現(xiàn)變粒徑施藥。如表7所示為G3、G4、G5組試驗(yàn)處于各處方柵格中心L0、L7、L14的DV0.5情況，各處方區(qū)域的粒徑大小均隨著目標(biāo)值的減少而減少，與預(yù)設(shè)處方值相符，說明本課題組研制的變量施藥系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)變粒徑的變量施藥。同時實(shí)際平均粒徑和目標(biāo)粒徑的偏差值會隨著目標(biāo)粒徑大小的減小而增加，這是由于霧滴的粒徑大小由離心噴頭的轉(zhuǎn)速來控制的，在目標(biāo)粒徑足夠小的情況下，受氣象等外界因素的影響，實(shí)際的粒徑變化并不會隨著轉(zhuǎn)速的增加呈線性變化，導(dǎo)致偏差增加。

表7 各采樣位置粒徑分析 Table 7 Particle size analysis of each sampling location

如圖6所示為G3、G4、G5組不同采集位置的平均DV0.5大小，其中L3、L10為處方變換點(diǎn)，霧滴在經(jīng)過變換點(diǎn)后，在L4～L6和L11～L13采樣位置霧滴粒徑大小都有不同程度的波動，相較與L7和L14采樣位置粒徑普遍偏大，這種現(xiàn)象在目標(biāo)粒徑較大的組別如G3組和G4組較為明顯，對于目標(biāo)粒徑較小的G5組影響較小，因此在轉(zhuǎn)速相對較小時，施藥系統(tǒng)噴頭轉(zhuǎn)速的增加會在處方交界區(qū)域產(chǎn)生較為明顯的震蕩，粒徑大小呈現(xiàn)波動下降的趨勢，而在轉(zhuǎn)速較大時，粒徑大小能以更平滑的方式趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)論與展望

本文以STM32F103為平臺設(shè)計并搭建了基于網(wǎng)絡(luò)RTK的變量施藥硬件及軟件，并通過田間試驗(yàn)得到以下結(jié)論：

1）本文設(shè)計了一種基于網(wǎng)絡(luò)RTK的變量施藥裝置，該裝置能通過GPS模塊和DTU模塊實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)，通過ArcGIS軟件和農(nóng)情信息生成處方圖，通過位置匹配檢索無人機(jī)處方信息，并根據(jù)處方信息執(zhí)行施藥決策，并通過試驗(yàn)采集了處方區(qū)域的霧滴沉積數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了該裝置能執(zhí)行變量施藥任務(wù)；

2）在使用離心噴頭進(jìn)行變量施藥時，由于施藥系統(tǒng)的穩(wěn)定性和離心噴頭的施藥特性，處方交界區(qū)域的施藥沉積會有較大的波動值，無法立即達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，因此在使用離心噴頭進(jìn)行變量施藥時應(yīng)該考慮不穩(wěn)定區(qū)域的寬度。

3）在使用離心噴頭進(jìn)行變粒徑試驗(yàn)時，實(shí)際粒徑會隨目標(biāo)粒徑減小，但是粒徑大小的變化并未呈線性變化，粒徑越小偏差值越大，這是由于在粒徑過小時，更容易受到作業(yè)環(huán)境的影響；同時離心噴頭在較高轉(zhuǎn)速下進(jìn)行變量作業(yè)時，處方交界區(qū)域的粒徑變化較平緩；

本文將網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)與無人機(jī)變量施藥技術(shù)結(jié)合，驗(yàn)證了網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)在田間運(yùn)用的可能性，并通過試驗(yàn)研究了離心噴頭在處方交界位置的藥液及粒徑分布情況，該變量施藥裝置的變量精度在0.6 m以內(nèi)，執(zhí)行與解析時間約為0.3 s，能在2.2 m以內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，這與測試方法、網(wǎng)絡(luò)速率、作業(yè)速度、系統(tǒng)執(zhí)行和解析時間都有較大關(guān)系。在下一步的研究中；將通過其他聯(lián)網(wǎng)方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)差分運(yùn)算，避免在田間因?yàn)镈TU網(wǎng)絡(luò)連接信號較差而出現(xiàn)的誤差；同時根據(jù)作業(yè)速度、系統(tǒng)執(zhí)行與解析時間等計算出施藥裝置的提前量，并通過提前量的設(shè)置，提高施藥的準(zhǔn)確性。