閆成功，徐麗明，袁全春，馬 帥，牛 叢，趙詩(shī)建

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083）

0 引 言

變量噴霧技術(shù)是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)噴霧的一個(gè)重要方面[1]，該技術(shù)根據(jù)作物的實(shí)際生長(zhǎng)需要實(shí)現(xiàn)藥量的在線調(diào)節(jié)和變量噴灑，從而達(dá)到減藥增產(chǎn)、綠色節(jié)本和保證食品安全等目的[2-3]。變量噴霧技術(shù)被提出以來(lái)，相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者進(jìn)行了很多有益的探索，這些研究可以分為 2類：基于作物處方圖的變量噴霧和根據(jù)實(shí)時(shí)傳感器檢測(cè)作物信息的變量噴霧[4-5]。其中前者主要以作業(yè)處方圖、衛(wèi)星定位信息以及機(jī)具的前進(jìn)速度為依據(jù)實(shí)現(xiàn)變量噴灑作業(yè)，如Carrara等[6-8]提出的方案均具有一定的可行性，但基于作物處方圖的變量噴霧技術(shù)大多針對(duì)大田作物，對(duì)于果園的變量噴霧則主要以實(shí)時(shí)檢測(cè)作物信息的傳感器技術(shù)為主要研究方向。

如何實(shí)現(xiàn)果園冠層特征信息的在線探測(cè)是實(shí)現(xiàn)果園變量噴霧的關(guān)鍵[9-10]。Moltó等[11]使用超聲波傳感器探測(cè)果樹位置實(shí)現(xiàn)噴頭滿噴、半噴和不噴的 3態(tài)控制策略，實(shí)現(xiàn)了 37%的節(jié)藥效果。隨著技術(shù)的發(fā)展，更精準(zhǔn)的果樹冠層信息采集技術(shù)不斷涌現(xiàn)，其中可行性較高的包括立體視覺法、超聲波傳感法和 LIDAR傳感法[12]。Maghsoudi等[13]使用超聲波傳感器建立了開心果樹冠層體積的在線預(yù)測(cè)算法，其試驗(yàn)樣機(jī)的節(jié)藥效果達(dá)到了34.5%且各項(xiàng)噴霧指標(biāo)與常規(guī)噴霧具有較好的一致性，但超聲波束的擴(kuò)散角度大，限制了其對(duì)冠層特征信息進(jìn)行精確探測(cè)的能力。Sanz等[14]使用LIDAR掃描儀建立了用于預(yù)測(cè)籬架型果樹葉面積的LIDAR 3D動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，在蘋果園、梨園和葡萄園的試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)可以對(duì)籬架型果樹的葉面積進(jìn)行有效的估算，但LIDAR傳感器的價(jià)格普遍較高。李龍龍等[15]使用激光傳感器探測(cè)冠層體積、采用多組噴頭和離散式獨(dú)立風(fēng)機(jī)組合的方式同時(shí)實(shí)現(xiàn)了噴霧量與送風(fēng)量的單獨(dú)調(diào)控，為風(fēng)送式精準(zhǔn)噴藥裝備的研發(fā)提供了新思路。在立體視覺法方面，Kise等[16]使用立體攝像機(jī)可以對(duì)果樹的高度和冠層體積達(dá)到厘米級(jí)估計(jì)，這項(xiàng)研究成果表明立體視覺法在冠層結(jié)構(gòu)的測(cè)量精度方面具有優(yōu)勢(shì)，但是該技術(shù)對(duì)硬件要求很高且對(duì)光照敏感。消費(fèi)級(jí)雙目相機(jī)的出現(xiàn)或許可以彌補(bǔ)立體視覺法的不足，Milella等[17]使用這種相機(jī)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了葡萄冠層體積的有效估計(jì)和葡萄串的識(shí)別計(jì)數(shù)，這項(xiàng)研究進(jìn)一步表明雙目相機(jī)在果園變量噴霧方面可能具有應(yīng)用前景。

脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）技術(shù)具有調(diào)流范圍廣、霧化特性一致性好、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)PWM在變量噴霧方面的應(yīng)用進(jìn)行了研究[18-21]。Silva等[22]研究了果園風(fēng)送式噴霧機(jī)PWM占空比和噴頭個(gè)數(shù)對(duì)流量的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在無(wú)調(diào)壓和恒壓2種條件下，當(dāng)占空比從20%增加到90%時(shí)總流量均隨之線性增加，且所擬合的占空比和流量的回歸方程的決定系數(shù)均大于 98%。魏新華等[23]通過試驗(yàn)測(cè)試得出了所設(shè)計(jì)的PWM變量噴施系統(tǒng)的施藥量控制模型，發(fā)現(xiàn)當(dāng)目標(biāo)噴霧流量大于0.3 L/min時(shí)，該模型的流量控制誤差在±4%以內(nèi)，且當(dāng)目標(biāo)噴霧流量較大時(shí)，噴霧流量的控制精度較高。蔣煥煜等[24]通過構(gòu)建的 PWM 變量噴霧實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和水敏試紙?jiān)u估了不同PWM控制信號(hào)頻率、占空比及噴霧壓力下霧滴覆蓋率的變異系數(shù)，發(fā)現(xiàn)PWM控制信號(hào)頻率對(duì)變異系數(shù)的影響最大而噴霧壓力對(duì)變異系數(shù)的影響最小，并且使用較高的PWM控制頻率進(jìn)行流量調(diào)控可以獲得較好的霧滴均勻性。

本文以籬架式葡萄園為對(duì)象，以實(shí)現(xiàn)變量噴霧一致性和提高節(jié)藥效果為目標(biāo)，擬在現(xiàn)有的常規(guī)商用果園風(fēng)送式噴霧機(jī)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一套基于雙目相機(jī)實(shí)時(shí)探測(cè)葡萄葉幕深度并結(jié)合機(jī)具前進(jìn)速度計(jì)算冠層體積，從而為 PWM 變量噴施系統(tǒng)提供決策依據(jù)的葡萄園變量噴霧控制系統(tǒng)；提出冠層體積計(jì)算方法和流量調(diào)控模型，并通過試驗(yàn)測(cè)試冠層體積的探測(cè)精度和靜態(tài)條件下控制系統(tǒng)的變量噴霧一致性；最后，通過田間試驗(yàn)對(duì)變量控制系統(tǒng)的實(shí)際噴霧流量與理論預(yù)測(cè)流量的線性擬合決定系數(shù)、變量噴霧和常量噴霧模式下的霧滴霧化參數(shù)進(jìn)行量化和評(píng)價(jià)，以期為果園變量噴霧技術(shù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)層面的應(yīng)用提供參考。

1 變量噴霧控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

3WF-400Z型噴霧機(jī)是北京豐茂植保機(jī)械有限公司生產(chǎn)的一種背負(fù)式風(fēng)送噴霧機(jī)，工作轉(zhuǎn)速540 r/min，與22 kW以上拖拉機(jī)配套使用。該噴霧機(jī)通過拖拉機(jī)的后動(dòng)力輸出軸為液泵和風(fēng)機(jī)提供動(dòng)力，未改裝前只能進(jìn)行傳統(tǒng)的常量噴霧作業(yè)。藥箱容量400 L，液泵排量102 mL/r，共配備10個(gè)（左右兩側(cè)各5個(gè)）D3型圓錐霧化噴頭，額定噴霧壓力范圍0.5～1.0 MPa，單個(gè)噴頭噴霧量1.5～2.4 L/min可調(diào)，最大噴幅半徑可達(dá)6 m。依據(jù)本試驗(yàn)樣機(jī)改裝前在葡萄園中的實(shí)際作業(yè)情況，僅使用原噴霧機(jī)一側(cè)的1～4號(hào)噴頭及另一側(cè)的7～10號(hào)噴頭（按順時(shí)針）能更好地適應(yīng)葡萄園冠層的實(shí)際高度，故本研究將原噴霧機(jī)頂部中央的5、6號(hào)噴頭關(guān)閉。改裝后整機(jī)的總體結(jié)構(gòu)與噴霧系統(tǒng)回路如圖1所示。

1.2 硬件設(shè)計(jì)

如圖2所示，變量噴霧控制系統(tǒng)主要由雙目相機(jī)、光電編碼器、觸摸屏、筆記本電腦、控制板、繼電器、電磁閥、渦輪流量計(jì)和壓力傳感器等組成。本研究在拖拉機(jī)前方兩側(cè)的鋁型材支架上正對(duì)葡萄葉幕各垂直安裝1臺(tái)雙目相機(jī)（小覓智能，S1030-IR-120型標(biāo)準(zhǔn)版、像素間距 6.0μm、焦距 2.1 mm、視場(chǎng)角 146° ×122°×76°）分別用于探測(cè)左右兩側(cè)葡萄葉幕的冠層深度，其深度分辨率為752×480(像素)，深度探測(cè)范圍為0.8～5 m。該相機(jī)具備標(biāo)準(zhǔn)的USB3.0接口，通過編寫程序可以通過深度矩陣形式輸出探測(cè)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)所有有效探測(cè)像素點(diǎn)處的深度值(若未成功探測(cè)到某像素點(diǎn)處的深度值，程序自動(dòng)將其認(rèn)定為無(wú)效探測(cè)點(diǎn)并以“invalid”字符串形式返回填充至深度矩陣中的對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)處)。使用筆記本電腦作為運(yùn)行 2臺(tái)雙目相機(jī)的上位機(jī)支持平臺(tái)，并在筆記本電腦上編寫了用于處理深度數(shù)據(jù)的上位機(jī)程序。在緊鄰每個(gè)噴頭的管道上游各安裝 1個(gè)電磁閥（HOPE72型、常閉、12VDC、工作壓力0～1.0 MPa），用于根據(jù)由控制器提供的多路獨(dú)立可調(diào)PWM信號(hào)實(shí)時(shí)調(diào)控各噴頭流量，流量大小具體取決于冠層體積。在噴霧機(jī)的后方單獨(dú)安裝地輪并使用光電編碼器（E6B2-CWZ3E型、5～12VDC、1024脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)）測(cè)量地輪轉(zhuǎn)速，從而間接獲得噴霧機(jī)組的前進(jìn)速度。在噴霧機(jī)的主回路中安裝 1個(gè)壓力傳感器（CYT-102型、量程0～1.0 MPa、輸出1～5VDC、精度±0.5%F.S）檢測(cè)噴霧壓力；在兩側(cè)的回路支路上各安裝1個(gè)渦輪流量計(jì)（LWGB-DN6型、量程0.1～0.6 m3/h、輸出1～5VDC、精度±1.0%F.S），分別用于檢測(cè)噴霧機(jī)一側(cè)的1～4號(hào)噴頭及另一側(cè)的7～10號(hào)噴頭的總流量。使用觸摸屏（廣州大彩串口屏DC80480F070_6111_OC）實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

下位機(jī)主控制器型號(hào)為STM32F107（意法半導(dǎo)體公司），使用該控制器的 4個(gè)串口通信模塊與筆記本電腦和觸摸屏進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，其中 COM1、COM2用于根據(jù)機(jī)具前進(jìn)距離觸發(fā)串口中斷后由下位機(jī)向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)更新指令，上位機(jī)收到指令后立即分別通過COM1與COM2返回此時(shí)由 2臺(tái)雙目相機(jī)獲取并經(jīng)上位機(jī)程序處理得到的雙線程深度數(shù)據(jù)；COM3用于將下位機(jī)的工作數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)單向傳輸并保存到筆記本電腦中；COM4用于接收觸摸屏中輸入的數(shù)據(jù)指令并實(shí)時(shí)顯示機(jī)具的工作信息。使用定時(shí)器TIM2產(chǎn)生8路模擬PWM控制信號(hào)，并通過數(shù)字I/O模塊控制繼電器進(jìn)而控制電磁閥的高速開閉；TIM3獲取光電編碼器測(cè)得的脈沖信號(hào)計(jì)算前進(jìn)速度。使用模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊從流量傳感器和壓力傳感器獲取噴霧回路中的流量和壓力數(shù)據(jù)?？刂葡到y(tǒng)所需的電力由拖拉機(jī)上的車載12 V蓄電池提供。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

為了方便數(shù)據(jù)交互，應(yīng)用觸摸屏界面開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)人機(jī)交互軟件，操作界面如圖3所示。通過交互界面可以選擇噴霧機(jī)的工作模式（常量模式或變量模式），控制噴霧作業(yè)的啟停，輸入行距、PWM控制頻率等以及實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前機(jī)組的前進(jìn)速度、壓力、流量等。

變量噴霧控制程序流程如圖4所示。系統(tǒng)初始化完成后，通過觸摸屏選擇噴霧機(jī)的工作模式。在變量模式下，系統(tǒng)首先讀取在觸摸屏上輸入的單位體積施藥量、PWM 控制頻率和行距。由于控制系統(tǒng)從獲取冠層數(shù)據(jù)到?jīng)Q策出最終的占空比以及霧滴從噴頭噴出后到達(dá)目標(biāo)冠層的表面均需要一定時(shí)間，這可能會(huì)導(dǎo)致實(shí)際的噴灑區(qū)域落后于目標(biāo)區(qū)域[25]。解決這一問題的通常做法是將傳感器安裝在噴頭前方并與之保持合理的距離，這一距離可以通過系統(tǒng)的延遲時(shí)間和前進(jìn)速度（約1 m/s）估算得到[26-27]。

經(jīng)測(cè)算，控制系統(tǒng)的延遲時(shí)間約為0.45 s，因此雙目相機(jī)的提前安裝距離為0.45 m左右。受實(shí)際安裝結(jié)構(gòu)限制，本研究中雙目相機(jī)的最佳安裝位置位于拖拉機(jī)車頭前側(cè)，與位于拖拉機(jī)尾部的噴頭相隔5 m。因此本研究在參考翟長(zhǎng)遠(yuǎn)等[28]數(shù)組游標(biāo)式編程思想的基礎(chǔ)上，借鑒隊(duì)列思想在上位機(jī)程序中使用循環(huán)數(shù)組對(duì)當(dāng)前所獲取的深度值進(jìn)行緩存處理，并將該數(shù)組所存儲(chǔ)的深度數(shù)據(jù)最佳緩存?zhèn)€數(shù)（即數(shù)組長(zhǎng)度）確定為 9個(gè)。隨著噴霧機(jī)組的前進(jìn)，上位機(jī)每隔0.5 m對(duì)雙目相機(jī)所獲取的當(dāng)前原始二維像素深度矩陣進(jìn)行處理，包括根據(jù)單元冠層的寬度和高度提取目標(biāo)冠層區(qū)域內(nèi)的深度值、去除無(wú)效及明顯異常數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)有效深度個(gè)數(shù)并做平均處理、對(duì)各單元冠層的平均深度進(jìn)行編碼并進(jìn)入循環(huán)數(shù)組緩存等。

當(dāng)系統(tǒng)根據(jù)機(jī)具的前進(jìn)距離判斷噴頭到達(dá)目標(biāo)冠層區(qū)域后，下位機(jī)向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)更新指令，上位機(jī)將循環(huán)數(shù)組中的隊(duì)首編碼發(fā)送給下位機(jī)，之后在數(shù)組中移除該隊(duì)首編碼并把第2～9個(gè)編碼依次填充至該數(shù)組的第1～8個(gè)元素位置處，將最新獲取的平均深度編碼存入隊(duì)尾，即第 9個(gè)元素位置處。以此循環(huán)，下位機(jī)對(duì)接收到的編碼進(jìn)行解碼得出目標(biāo)冠層的平均深度，結(jié)合光電編碼器獲得的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算出目標(biāo)冠層體積，并進(jìn)一步?jīng)Q策出當(dāng)前各噴灑區(qū)域所需要的噴灑流量和各電磁閥的工作占空比，從而自動(dòng)實(shí)現(xiàn)各噴頭的變量噴灑。在常量模式下，系統(tǒng)根據(jù)在觸摸屏中輸入的 8個(gè)電磁閥占空比使各噴頭以恒定流量進(jìn)行噴霧。2種工作模式下的作業(yè)數(shù)據(jù)均可以（如實(shí)時(shí)的冠層體積、前進(jìn)速度、壓力和流量）顯示在觸摸屏上，并通過串口通信和軟件調(diào)試助手傳輸、保存在筆記本電腦中。

2 冠層體積計(jì)算

通過測(cè)量獲得進(jìn)行田間試驗(yàn)的葡萄園種植行距為3 m，最大葉幕高度為1.92 m。根據(jù)相機(jī)成像規(guī)律和該葡萄園的實(shí)際情況，確定雙目相機(jī)距噴霧機(jī)中心軸線的距離e為0.1 m，距地面的安裝高度為0.96 m（冠層高度方向上的中心位置），此時(shí)相機(jī)的成像視野高度亦為1.92 m。對(duì)于其他不同種植行距和葉幕生長(zhǎng)情況的葡萄園，可以通過輸入行距和調(diào)整相機(jī)安裝位置，使雙目相機(jī)的成像視野在最大限度保留探測(cè)精度的同時(shí)適應(yīng)葡萄園的實(shí)際冠層高度。本文僅以試驗(yàn)葡萄園的實(shí)際情況為例，對(duì)冠層體積計(jì)算方法進(jìn)行闡述。如圖5所示，雙目相機(jī)探測(cè)到冠層深度d后，根據(jù)公式（1）計(jì)算對(duì)應(yīng)的冠層厚度：

式中CWj為冠層表面有效深度像素點(diǎn)Pj到樹干中心的水平距離，本研究將其定義為冠層厚度，m；R為行距，R=3 m；e為雙目相機(jī)成像平面距噴霧機(jī)中心軸線的距離，本文中e=0.1 m；d為雙目相機(jī)探測(cè)到的冠層深度，即雙目相機(jī)成像平面距像素點(diǎn)Pj之間的水平距離，m。

冠層體積的測(cè)量原理如下：設(shè)定噴霧機(jī)每前進(jìn)0.5 m時(shí)，相機(jī)以當(dāng)前成像視野內(nèi)探測(cè)到的冠層深度值作為計(jì)算原始數(shù)據(jù)。當(dāng)控制系統(tǒng)根據(jù)機(jī)具前進(jìn)速度判斷需要獲取下一目標(biāo)區(qū)域的冠層深度信息時(shí)，如公式（2）所示，在相機(jī)當(dāng)前輸出的深度矩陣范圍內(nèi)，根據(jù)成像原理計(jì)算出噴霧目標(biāo)區(qū)域的像素范圍。

式中f為雙目相機(jī)的焦距，本文中f=2.1 mm；Lp為噴霧目標(biāo)區(qū)域在成像平面上的像素高度，mm；Wp為噴霧目標(biāo)區(qū)域在成像平面上的像素寬度，mm；CH為葡萄冠層的平均高度，CH=1 920 mm；SL為沿噴霧機(jī)前進(jìn)方向上的冠層寬度，SL=500 mm。

將f、R、e、CH和SL的值代入公式（2），求得噴霧目標(biāo)區(qū)域在成像平面上的像素高度Lp和像素寬度Wp分別為2.88和0.75 mm。雙目相機(jī)的像素間距為6.0μm，用像素寬度Wp和像素高度Lp分別除以像素間距，求得噴霧目標(biāo)區(qū)域內(nèi)對(duì)應(yīng)的像素個(gè)數(shù)為125×480（寬×高），因此選取相機(jī)中央視野內(nèi)125×480（寬×高）像素區(qū)域內(nèi)的深度值作為目標(biāo)冠層體積的計(jì)算區(qū)域。結(jié)合實(shí)際研究的噴頭數(shù)量，每個(gè)冠層噴霧單元對(duì)應(yīng) 1個(gè)噴頭，將雙目相機(jī)視野內(nèi)連續(xù)的葡萄冠層離散為上、中上、中下和下 4個(gè)長(zhǎng)方體[29]。如圖6所示，每一單元噴霧目標(biāo)區(qū)域的冠層體積計(jì)算公式為

式中CV為單元噴霧目標(biāo)冠層的體積，m3；CW為單元噴霧目標(biāo)區(qū)域的平均冠層厚度，m。

鑒于正常生長(zhǎng)的葡萄冠層厚度在較短的株距方向上并不會(huì)發(fā)生劇烈變化，對(duì)每一單元噴霧目標(biāo)區(qū)域所探測(cè)到的冠層厚度CWj進(jìn)行濾波和平均處理，將得到的厚度平均值CW作為該噴霧單元的平均冠層厚度。同時(shí)，若當(dāng)前單元噴霧目標(biāo)區(qū)域的有效深度像素點(diǎn)個(gè)數(shù)占比小于10%，則認(rèn)為當(dāng)前區(qū)域不存在冠層，對(duì)應(yīng)噴頭停止噴霧。

3 變量噴霧調(diào)控決策

PWM通過控制電磁閥啟、閉時(shí)間的占空比調(diào)節(jié)噴頭實(shí)際流量[30]，綜合考慮噴霧均勻性和實(shí)際調(diào)試中電磁閥的響應(yīng)效果，確定電磁閥的PWM控制頻率為5 Hz。魏新華等[23]發(fā)現(xiàn)當(dāng)占空比較低時(shí)，隨著噴霧壓力的增大，會(huì)促使電磁閥的響應(yīng)效果變差從而導(dǎo)致噴施效果畸變嚴(yán)重。本文結(jié)合原噴霧機(jī)的額定噴霧壓力范圍（0.5～1.0 MPa），在噴霧壓力為0.5 MPa條件下進(jìn)行占空比與噴頭噴霧流量標(biāo)定試驗(yàn)，采用單因素線性擬合法建立占空比與噴頭噴霧流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系模型，擬合結(jié)果如圖7所示。當(dāng)占空比在10%～70%范圍內(nèi)變化時(shí)，噴頭流量與占空比的關(guān)系為

式中q0.5為0.5 MPa噴霧壓力下的噴頭噴霧流量，L/min；α為PWM控制信號(hào)占空比，%。

該模型的決定系數(shù)R2為0.996，表明占空比在10%～70%范圍內(nèi)變化時(shí)，噴頭流量與占空比具有較強(qiáng)的線性關(guān)系。

為合理確定目標(biāo)冠層區(qū)域的施藥量，本文將單位冠層體積所需要噴灑的藥液量定義為應(yīng)用系數(shù)。根據(jù)每個(gè)果園的實(shí)際防控需求，應(yīng)用系數(shù)根據(jù)藥劑生產(chǎn)商的推薦用藥量、田間試驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)確定，本研究在參考李龍龍等[15,26]研究的基礎(chǔ)上，將該系數(shù)確定為0.1 L/m3。單元噴霧目標(biāo)區(qū)域的施藥量Q（單位：L）根據(jù)公式（5）確定。

式中i0為應(yīng)用系數(shù)，本文中i0=0.1 L/m3。

根據(jù)施藥量與噴頭流量的關(guān)系、噴霧機(jī)行進(jìn)速度與單位冠層寬度SL的關(guān)系以及公式（5），每個(gè)噴頭的實(shí)時(shí)流量根據(jù)公式（6）確定。

式中v為噴霧機(jī)的前進(jìn)速度，m/s。

當(dāng)占空比小于 10%或大于 70%時(shí)，由于電磁閥無(wú)法正確響應(yīng)，占空比與流量之間不存在線性關(guān)系。當(dāng)噴霧機(jī)以1 m/s的前進(jìn)速度工作時(shí)，考慮噴頭的實(shí)際標(biāo)定結(jié)果，整理式（4）、式（6），得到噴霧機(jī)的噴霧流量控制模型為

4 靜態(tài)性能測(cè)試試驗(yàn)

4.1 冠層體積探測(cè)精度測(cè)試

由于室外的光照環(huán)境會(huì)對(duì)雙目相機(jī)的探測(cè)精度產(chǎn)生較大影響，且通過實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在不同深度探測(cè)范圍內(nèi)雙目相機(jī)的冠層深度探測(cè)誤差也隨之不同。結(jié)合葡萄冠層的實(shí)際深度和相機(jī)的安裝位置，本研究的冠層探測(cè)深度在900～1 400 mm之間。為使冠層深度探測(cè)結(jié)果可以較好地反映冠層的實(shí)際深度，在葡萄園中對(duì)雙目相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。具體的標(biāo)定方法為：隨機(jī)選取葉片分布均勻、葉幕輪廓平整的葡萄冠層作為標(biāo)定樣本，將雙目相機(jī)正對(duì)冠層并固定在距葡萄藤干1 400 mm、距地面960 mm處，使用卷尺測(cè)量標(biāo)定樣本輪廓表面與相機(jī)成像平面之間的垂直距離，并與雙目相機(jī)探測(cè)到的冠層深度進(jìn)行比較。選取不同的標(biāo)定樣本進(jìn)行多次標(biāo)定和統(tǒng)計(jì)分析后，最終確定冠層深度補(bǔ)償值為150 mm。在葡萄園中進(jìn)行體積探測(cè)精度試驗(yàn)，試驗(yàn)當(dāng)天平均氣溫20 ℃，照度100 lux。如圖8所示，隨機(jī)選取3處寬度為1 m的葡萄冠層作為樣本點(diǎn)，然后從樣本中心開始向兩側(cè)將葉幕分為 0.25、0.5、0.75和1 m寬度。運(yùn)行上位機(jī)程序，分別獲取4個(gè)寬度下葉幕從上至下每一單元噴霧目標(biāo)區(qū)域的冠層厚度，并通過公式（3）計(jì)算出各噴霧單元的冠層體積。最后，通過對(duì)每個(gè)噴霧單元的體積求和獲得每個(gè)樣本寬度下的冠層體積。

為與雙目相機(jī)的探測(cè)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，對(duì)每個(gè)樣本寬度下的冠層體積進(jìn)行手動(dòng)測(cè)量。參考 Rosell等[31]手動(dòng)測(cè)量葡萄冠層體積的方法，首先在高度和寬度方向上，將葉幕部分由下至上劃分為0.48 m高、0.125 m寬的測(cè)量單元，最上層高度不足480 mm的測(cè)量單元測(cè)量其實(shí)際高度。在垂直于葡萄行的平面內(nèi)，對(duì)每個(gè)測(cè)量單元的冠層厚度測(cè)量 3次并取平均值，將此平均厚度乘以相應(yīng)的實(shí)際高度和樣本寬度計(jì)算出每個(gè)測(cè)量單元的冠層體積，通過對(duì)每個(gè)測(cè)量單元的體積求和獲得每個(gè)樣本寬度下的冠層體積。

4.2 靜態(tài)變量一致性測(cè)試

由于控制系統(tǒng)及硬件的綜合響應(yīng)能力可能會(huì)使各噴頭的實(shí)際噴霧量與目標(biāo)噴霧量存在一定差異，參考沈景新等[32]方法，本研究在田間試驗(yàn)之前首先進(jìn)行靜態(tài)條件下實(shí)際噴霧量與目標(biāo)噴霧量的一致性測(cè)試試驗(yàn)。試驗(yàn)的具體實(shí)施方法為：用純凈水代替藥液,忽略噴頭間的差異，選定 1號(hào)噴頭為測(cè)試噴頭。參考魏新華等[23]方法進(jìn)行噴霧響應(yīng)測(cè)試。除 1號(hào)噴頭外其他噴頭的模擬冠層厚度均設(shè)置為550 mm（對(duì)應(yīng)占空比為100%，即電磁閥全程打開）。在下位機(jī)變量噴霧程序中設(shè)定噴霧機(jī)的工作速度為1 m/s，在上位機(jī)程序中設(shè)置好模擬冠層厚度0、50、100、150、200、250、300、350、400、450和500 mm，并依次發(fā)送給下位機(jī)。下位機(jī)根據(jù)冠層厚度和工作速度計(jì)算出冠層體積和每一設(shè)定體積下的占空比，并進(jìn)行變量噴霧。在每個(gè)冠層厚度下，用清潔干燥的自封袋收集1號(hào)噴頭噴出的霧滴，連續(xù)收集30 s，然后用精度為±0.01 g的電子天平稱量收集到的霧滴質(zhì)量，并換算為 1號(hào)噴頭的噴霧流量。

不同冠層體積對(duì)應(yīng)的實(shí)際噴霧流量與理論噴霧流量如圖10所示。在模擬冠層厚度下，1號(hào)噴頭的實(shí)際流量響應(yīng)范圍為0.45～1.45 L/min。本研究共使用了8個(gè)可以獨(dú)立進(jìn)行流量調(diào)控的電磁閥—噴頭組合，如果忽略各電磁閥—噴頭組合間的硬件差異，則變量噴霧系統(tǒng)允許的最小變量范圍為3.6～11.6 L/min，流量調(diào)節(jié)范圍較寬；當(dāng)葉幕的單元冠層體積小于0.036 m3時(shí)，即在葉幕非常稀少時(shí)實(shí)際流量大于冠層所需要的理論流量。這種情況在實(shí)際作業(yè)中可能會(huì)導(dǎo)致少數(shù)局部冠層區(qū)域內(nèi)農(nóng)藥噴灑過量，但是可以有效防止稀薄葉幕處漏噴情況的發(fā)生；當(dāng)葉幕的單元冠層體積大于0.036 m3時(shí)，1號(hào)噴頭的實(shí)際流量與理論流量的線性擬合決定系數(shù)R2為0.990，表明程序的實(shí)時(shí)性、硬件響應(yīng)能力以及不同冠層體積與實(shí)際噴霧流量的一致性較好。

5 田間試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)地點(diǎn)：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)涿州試驗(yàn)基地；試驗(yàn)時(shí)間：2020年9月15日；試驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度15 ℃，平均空氣流速0.6 m/s，照度100 lux。試驗(yàn)對(duì)象為籬架型葡萄，行距為 3 m，最大葉幕高度及葉幕厚度分別為 1 920和500 mm。主要試驗(yàn)設(shè)備包括504型時(shí)風(fēng)風(fēng)云拖拉機(jī)（山東時(shí)風(fēng)集團(tuán)有限責(zé)任公司）、雙目視覺葡萄園變量噴霧機(jī)樣機(jī)、水敏紙（35 mm×55 mm）。

用純凈水代替藥液，設(shè)置溢流閥的溢流壓力為0.5 MPa，噴霧機(jī)以正常的噴藥作業(yè)速度（約1 m/s）進(jìn)行2次田間試驗(yàn)，每次的試驗(yàn)距離為15 m。首先在人機(jī)交互界面中選擇常量模式，輸入8個(gè)噴頭的占空比為100%，按下開始按鈕進(jìn)行常量噴霧作業(yè)；第 2次在人機(jī)交互界面中選擇變量模式，輸入應(yīng)用系數(shù)0.1 L/m3、PWM控制頻率5 Hz、行距3 m，按下開始按鈕進(jìn)行變量噴霧作業(yè)。試驗(yàn)之前，隨機(jī)選取5處葉幕寬度為0.5 m的葡萄冠層作為樣本點(diǎn)，將每個(gè)樣本點(diǎn)分為上、中上、中下和下 4個(gè)部分（距地面高度分別約為0.6、1.0、1.4和1.8 m），在每一部分冠層外部的左、中、右各隨機(jī)選擇 1個(gè)葡萄葉片并在葉片正面固定一張水敏紙。每次試驗(yàn)完成待水敏紙干燥后，將水敏紙及時(shí)取下、編號(hào)并逐一掃描為 PNG格式的黑白圖像。按照重慶六六山下植?？萍加邢薰眷F滴分析軟件對(duì)水敏紙的掃描要求，設(shè)置掃描儀（惠普，LJ M129-M134）的顏色格式為灰度掃描，分辨率為600像素。試驗(yàn)完成后，根據(jù)試驗(yàn)過程中程序自動(dòng)保存的深度數(shù)據(jù)和前進(jìn)速度數(shù)據(jù)計(jì)算冠層體積。

5.2 結(jié)果與分析

如圖12所示，使用六六山下霧滴分析軟件對(duì)常量噴霧和變量噴霧2次試驗(yàn)后的水敏紙進(jìn)行分析[26]，2種噴霧模式下的霧化參數(shù)如表1所示。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[33-35]，風(fēng)送式果園噴霧機(jī)械防治葉面病蟲害時(shí)的霧滴直徑應(yīng)在30～150μm以內(nèi)，霧滴密度應(yīng)不小于25 個(gè)/cm2，覆蓋率應(yīng)不小于 33%。同類研究中，李龍龍等[15]研究的變量噴霧機(jī)在蘋果園不同冠層上的平均沉積量為1.65μL/cm2，平均霧滴密度為60 個(gè)/cm2。表1表明，在滿足評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的前提下，加裝變量噴霧系統(tǒng)后，試驗(yàn)樣機(jī)雖然在藥液覆蓋率及沉積量方面略有降低，但是總體上與未改裝前仍保持著較好的一致性，且霧滴密度增加至113.22 個(gè)/cm2（增加了79.31 個(gè)/cm2），霧滴密度與沉積量均優(yōu)于李龍龍等[15]的研究結(jié)果。本研究提出的方法還可以在一定程度上細(xì)化霧滴直徑，其中霧滴的數(shù)量中值直徑（Number Median Diameter，NMD）和體積中值直徑（Volume Median Diameter，VMD）分別減小了87.71和182.79μm。結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)觀察到的噴霧效果，分析其原因可能是由于常量模式下的噴藥量超過實(shí)際需求，導(dǎo)致霧化后的液滴在到達(dá)冠層葉片表面后重新凝聚造成霧滴尺寸偏大；而變量模式因不會(huì)產(chǎn)生過量噴灑，從而可以改善藥液的霧滴尺寸和空間分布。

表1 兩種噴霧方式下的霧化參數(shù)Table 1 Atomization parameters of two spraying modes

圖13為變量噴霧時(shí)左右兩側(cè)噴頭的實(shí)際噴霧流量與冠層體積的變化趨勢(shì)。限于流量傳感器的瞬態(tài)檢測(cè)精度，實(shí)際流量的變化趨勢(shì)并不總與冠層體積的變化一致，但總的趨勢(shì)基本相同。

常量噴霧時(shí)，無(wú)論冠層大小，平均噴霧流量為6.73 L/min。通過計(jì)算15 m內(nèi)2種不同噴霧模式下的施藥量，相較于常量噴霧，變量噴霧模式節(jié)省了約55.27%的農(nóng)藥用量。薛秀云等[10]提出的變量噴霧方法在單株型仿真樹上的試驗(yàn)結(jié)果表明，與常規(guī)連續(xù)噴霧和對(duì)靶定量噴霧相比，變量噴霧的節(jié)藥率分別為68.34%和32.77%。對(duì)于應(yīng)用于連續(xù)型密集果園（如葡萄園）的變量噴霧，由于不存在大量果樹間隙，因此本研究中的節(jié)藥率略低于單株型稀疏果園的節(jié)藥率。

圖14為變量噴霧模式下左右兩側(cè)噴頭的實(shí)際噴霧流量與理論預(yù)測(cè)流量的線性擬合結(jié)果，其中左側(cè)1～4號(hào)噴頭擬合后的決定系數(shù)R2=0.897，右側(cè) 7～10號(hào)噴頭擬合后的決定系數(shù)R2=0.877。實(shí)際噴霧流量與理論預(yù)測(cè)流量存在較強(qiáng)的相關(guān)性，進(jìn)一步表明實(shí)際噴霧流量與冠層體積間具有較好的一致性。

6 結(jié) 論

1）本研究在3WF-400Z果園風(fēng)送式噴霧機(jī)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套由雙目相機(jī)、電磁閥、觸摸屏、光電編碼器和上下位機(jī)控制程序?yàn)橹饕M成部分的葡萄園變量噴霧控制系統(tǒng)。系統(tǒng)利用雙目相機(jī)探測(cè)葡萄葉幕深度，結(jié)合噴霧機(jī)前進(jìn)速度計(jì)算冠層體積，通過PWM實(shí)時(shí)調(diào)控多路電磁閥的占空比，實(shí)現(xiàn)了基于葡萄冠層體積的變量噴霧。

2）確定了雙目相機(jī)的探測(cè)深度補(bǔ)償值為 150 mm；當(dāng)探測(cè)距離為1 400 mm時(shí)，對(duì)葡萄冠層進(jìn)行了體積探測(cè)試驗(yàn)并與手動(dòng)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了線性擬合，其決定系數(shù)為0.933，說(shuō)明所提出的基于雙目相機(jī)探測(cè)冠層體積的計(jì)算方法具有較好的準(zhǔn)確性；在靜態(tài)條件下對(duì)控制系統(tǒng)的變量噴霧一致性進(jìn)行了測(cè)試，當(dāng)冠層體積大于0.036 m3時(shí)單噴頭實(shí)際流量與理論流量的線性擬合決定系數(shù)為0.990。

3）田間試驗(yàn)結(jié)果表明，加裝變量噴霧系統(tǒng)后的試驗(yàn)樣機(jī)在保證藥液覆蓋率和沉積量基本不變的情況下，可以在一定程度上細(xì)化霧滴直徑并增加霧滴密度，其中霧滴的數(shù)量中值直徑和體積中值直徑分別減小了 87.71和182.79μm，霧滴密度增加了79.31個(gè)/cm2；噴霧機(jī)樣機(jī)左、右兩側(cè)噴頭的理論預(yù)測(cè)流量與實(shí)際噴霧流量的線性擬合決定系數(shù)分別為0.897和0.877，且實(shí)際噴霧流量與冠層體積的總體變化趨勢(shì)基本一致，表明變量噴霧模式可以更好地適應(yīng)作物冠層的實(shí)際幾何特征。相對(duì)于常量噴霧，變量噴霧模式節(jié)省了約55.27%的農(nóng)藥用量。