竇漢杰，翟長遠(yuǎn)，王 秀，鄒 偉，李 琪，陳立平※

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，楊凌 712100；2. 北京市農(nóng)林科學(xué)院智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097；3. 國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100097）

0 引 言

農(nóng)藥噴灑是果園病蟲害防治的主要方式，可減少66%～90%果品損失。果園風(fēng)送噴藥技術(shù)是聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的一種高效施藥技術(shù)，已在果園病蟲害防治中得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的果園風(fēng)送噴藥采用連續(xù)均勻噴藥的方式，不僅增加農(nóng)藥使用量，而且多余的農(nóng)藥飄移到空氣和地面造成環(huán)境污染。為解決這一問題，出現(xiàn)了基于傳感器的果園風(fēng)送對(duì)靶變量噴藥技術(shù)，該技術(shù)可根據(jù)果樹位置、冠層體積、枝葉稠密度等特征信息進(jìn)行變量噴藥，大大減少農(nóng)藥用量。

目前，果園風(fēng)送對(duì)靶噴藥采用的傳感器主要有紅外、超聲和激光雷達(dá)（Light Detection And Ranging, LiDAR）傳感器。紅外傳感器是最早用于果園對(duì)靶噴藥的傳感器，其通過探測(cè)果樹樹干或樹冠位置控制噴頭開啟時(shí)間實(shí)現(xiàn)對(duì)靶噴藥。He等基于紅外傳感器研發(fā)了一種果園精準(zhǔn)對(duì)靶噴藥控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可節(jié)約50%～75%的農(nóng)藥使用量。翟長遠(yuǎn)等采用探測(cè)樹干估算樹冠位置的方法，使用紅外傳感器設(shè)計(jì)了幼樹靶標(biāo)探測(cè)器。李麗等采用紅外傳感器實(shí)時(shí)探測(cè)果園靶標(biāo)位置，并根據(jù)探測(cè)結(jié)果實(shí)施對(duì)靶噴藥控制。由于紅外對(duì)靶噴藥只能根據(jù)果樹有無進(jìn)行選擇性噴藥，無法根據(jù)果樹冠層體積和枝葉稠密度進(jìn)行變量噴藥，基于超聲傳感的對(duì)靶噴藥技術(shù)出現(xiàn)。Maghsoudi等運(yùn)用超聲波傳感器實(shí)時(shí)獲取果樹靶標(biāo)冠層體積，并基于冠層體積變化進(jìn)行變量噴藥，相比傳統(tǒng)噴藥平均節(jié)省了34.5%的藥量。Gil等基于超聲波傳感器研發(fā)了一種可根據(jù)果樹冠層體積變化進(jìn)行變量噴藥的果園噴霧機(jī)，可節(jié)約21.9%農(nóng)藥使用量。姜紅花等基于超聲波傳感器研發(fā)履帶自走式果園自動(dòng)對(duì)靶風(fēng)送噴霧機(jī)，可實(shí)現(xiàn)大于30%的藥量節(jié)約。相比紅外和超聲波傳感器，LiDAR能獲取更多的果樹特征信息。Liu等基于270°LiDAR和速度傳感器開發(fā)了可根據(jù)雙側(cè)果樹特征信息和作業(yè)速度進(jìn)行噴藥量調(diào)控的噴藥控制系統(tǒng)，可節(jié)約超過50%的農(nóng)藥使用量。Zhu等基于LiDAR研發(fā)了果園對(duì)靶噴藥機(jī)，并與傳統(tǒng)噴藥機(jī)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，該機(jī)不僅可減少農(nóng)藥使用量，而且病蟲害防治效果更好。Cai等基于LiDAR獲取的果樹冠層點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立了冠層體積網(wǎng)格化計(jì)算模型，冠層體積計(jì)算相對(duì)誤差小于5%。并基于該模型研發(fā)了果園對(duì)靶變量噴霧機(jī)，可根據(jù)果樹冠層體積變化實(shí)現(xiàn)對(duì)靶變量噴藥。Li等基于LiDAR研發(fā)了可根據(jù)果樹冠層體積進(jìn)行噴藥量和風(fēng)量調(diào)控的噴霧機(jī)，在0.8 m/s作業(yè)速度下，風(fēng)量和藥量的聯(lián)合調(diào)控可進(jìn)一步提高農(nóng)藥利用率。張美娜等基于LiDAR提出果樹靶標(biāo)葉面積密度計(jì)算方法，并基于該方法研發(fā)基于靶標(biāo)葉面積密度參數(shù)的噴霧控制系統(tǒng)。江世界等基于LiDAR研發(fā)果園噴霧機(jī)器人靶標(biāo)探測(cè)與追蹤系統(tǒng)，可適應(yīng)不同形態(tài)果樹中下部對(duì)靶施藥需求。

綜上所述，LiDAR在果樹特征信息獲取方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，研究表明，激光對(duì)靶精準(zhǔn)施藥技術(shù)可節(jié)約農(nóng)藥用量60%～67%、施藥時(shí)間27%～32%、勞動(dòng)力和化學(xué)燃料28%，每年可節(jié)約殺蟲劑使用成本1 420～1 750美元/hm。但由于LiDAR需要高性能處理器進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，且不同類型果樹的冠層特征信息探測(cè)模型存在差異和不同類型果園噴藥機(jī)噴藥控制模型存在差異。目前國內(nèi)外關(guān)于激光對(duì)靶精準(zhǔn)施藥技術(shù)的研究整體上處于樣機(jī)研發(fā)階段，尚未形成商業(yè)化應(yīng)用。本文以塔式果園風(fēng)送噴霧機(jī)為研究對(duì)象，采用CAN總線、PWM控制和比例積分微分（Proportion Integration Differentiation，PID）控制技術(shù)研發(fā)果園對(duì)靶變量噴藥控制系統(tǒng)，獲得常規(guī)果園風(fēng)送噴藥作業(yè)速度1 m/s下噴藥延時(shí)補(bǔ)償距離和最佳網(wǎng)格寬度，并基于對(duì)靶控制原理提出對(duì)靶噴藥控制精度檢測(cè)方法，通過試驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，為后續(xù)開展果園激光對(duì)靶變量噴藥技術(shù)研究提供參考。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

本研究選用南通黃海藥械有限公司生產(chǎn)的3WG-1200A型果園風(fēng)送噴霧機(jī)作為試驗(yàn)樣機(jī)，該噴霧機(jī)出風(fēng)口采用塔式結(jié)構(gòu)，噴灑幅寬大于20 m，噴藥流量在20～70 L/min，出風(fēng)口最大風(fēng)速為23 m/s，適用于蘋果園、桃園和櫻桃園等噴藥作業(yè)。

如圖1所示，系統(tǒng)主要由LiDAR、工業(yè)平板電腦、噴藥流量控制器（Spray Flow Controller，SFC）、電磁閥、控制閥組和測(cè)速裝置等組成。其中控制閥組安裝在噴藥管路系統(tǒng)中，由調(diào)壓閥和流量傳感器組成，流量傳感器選用寧波市力成農(nóng)用噴霧技術(shù)有限公司生產(chǎn)的FT-100型流量傳感器，流量范圍2～100 L/min，最大壓力2 MPa，脈沖信號(hào)輸出，1 L流量輸出136個(gè)脈沖，誤差±2%，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管路系統(tǒng)流量。SFC根據(jù)系統(tǒng)壓力變化控制調(diào)壓閥的開度大小實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)；SFC基于單片機(jī)STM32F105R8T6最小系統(tǒng)和多路固態(tài)繼電器模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)噴頭流量的PWM控制，每路SFC可獨(dú)立控制5路電磁閥工作，同時(shí)支持CAN總線和RS232通訊，可通過CAN總線實(shí)現(xiàn)與工業(yè)平板電腦通訊；測(cè)速裝置由測(cè)速碼盤和光電傳感器組成，通過光電傳感器測(cè)量噴藥機(jī)車輪內(nèi)側(cè)測(cè)速碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)頻率實(shí)現(xiàn)作業(yè)速度測(cè)量；LiDAR采用德國SICK公司生產(chǎn)的LMS10100系列二維激光雷達(dá)，角度掃描范圍-45°～225°，可同時(shí)獲取兩側(cè)果樹冠層信息，并通過網(wǎng)口實(shí)時(shí)傳輸給工業(yè)平板電腦；基于C#開發(fā)的車載計(jì)算機(jī)界面可設(shè)置LiDAR參數(shù)（安裝高度、探測(cè)距離、距噴頭距離、起始檢測(cè)高度和網(wǎng)格寬度）和實(shí)時(shí)顯示作業(yè)信息（冠層體積、作業(yè)速度、噴霧壓力、實(shí)時(shí)流量和噴藥量）。

圖1 對(duì)靶變量噴藥控制系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1 Target-oriented variable-rate spraying control system composition

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

果園對(duì)靶變量噴藥控制系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖Fig.2 System flow chart

工作時(shí)，安裝在噴藥機(jī)藥箱前面的LiDAR實(shí)時(shí)掃描兩側(cè)果樹冠層，通過網(wǎng)口將掃描的果樹冠層點(diǎn)云數(shù)據(jù)發(fā)送給工業(yè)平板電腦，在工業(yè)平板電腦上運(yùn)行的上位機(jī)界面讀取到點(diǎn)云數(shù)據(jù)后將通過果樹冠層體積計(jì)算模型實(shí)時(shí)計(jì)算出不同網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格體積，并根據(jù)事先建立的藥量需求模型計(jì)算出不同網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)所需藥量，藥量需求數(shù)據(jù)將以消息隊(duì)列的形式進(jìn)行存儲(chǔ)。一旦噴頭到達(dá)指定位置后，相應(yīng)位置的藥量需求數(shù)據(jù)將被調(diào)出，并通過CAN總線傳送給SFC，SFC根據(jù)藥量需求分別計(jì)算出不同位置噴頭控制所需PWM值，進(jìn)而控制不同噴頭位置處電磁閥執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)藥量按需調(diào)控。同時(shí)，噴霧系統(tǒng)壓力信息會(huì)通過壓力傳感器實(shí)時(shí)發(fā)送給SFC，SFC根據(jù)系統(tǒng)壓力變化控制調(diào)壓閥的開度大小進(jìn)行系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)，確保系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。實(shí)時(shí)噴藥量、作業(yè)速度、噴霧壓力、累計(jì)噴藥量等信息也會(huì)通過SFC實(shí)時(shí)傳送給上位機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)作業(yè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。

1.2.1 果樹冠層體積計(jì)算

果樹冠層體積精確計(jì)算是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)對(duì)靶變量噴藥的前提，作者團(tuán)隊(duì)前期基于LiDAR提出了一種果樹冠層體積計(jì)算方法。該方法根據(jù)LiDAR到果樹行所在平面的檢測(cè)距離、安裝高度、網(wǎng)格高度及寬度等參數(shù)條件，建立了果樹冠層網(wǎng)格體積計(jì)算模型，如式（1）所示。其中，為減小控制系統(tǒng)運(yùn)算量，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，取-45°～45°（行走方向左側(cè)）和135°～225°（行走方向右側(cè)）范圍內(nèi)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行果樹冠層體積計(jì)算。前期基于該果樹冠層體積計(jì)算方法開展了果樹冠層網(wǎng)格體積在線探測(cè)試驗(yàn)，在不同探測(cè)速度及網(wǎng)格寬度條件下，針葉型仿真樹以及蘋果幼樹兩種樹形的總體積最大變異系數(shù)分別為7.8%和4.1%，該探測(cè)方法具有較高探測(cè)精度，可用于果樹冠層體積在線探測(cè)。

式中V為果樹冠層網(wǎng)格體積，mm；為測(cè)距序列個(gè)數(shù)；為測(cè)距值個(gè)數(shù)；為測(cè)距序列編號(hào)；為測(cè)距值編號(hào)；h為第個(gè)測(cè)距序列中第個(gè)測(cè)距點(diǎn)對(duì)應(yīng)的高度值，mm；d為第個(gè)測(cè)距序列中第個(gè)測(cè)距點(diǎn)到果樹行所在平面的距離，mm；w為相鄰測(cè)距序列之間激光雷達(dá)行進(jìn)的距離，即亞網(wǎng)格寬度值，mm；H為激光雷達(dá)的安裝高度，mm；D為激光雷達(dá)到果樹行所在平面的檢測(cè)距離，mm；α為第個(gè)測(cè)距序列中第個(gè)測(cè)距點(diǎn)在測(cè)距序列中對(duì)應(yīng)的角度值，(°)；R為第個(gè)測(cè)距序列中第個(gè)測(cè)距點(diǎn)的測(cè)距值，mm；為網(wǎng)格組中的網(wǎng)格編號(hào)，取1～范圍；為網(wǎng)格組中劃分的縱向網(wǎng)格個(gè)數(shù)。

1.2.2 噴頭流量PWM控制

噴藥機(jī)不同位置的噴頭對(duì)應(yīng)果樹冠層上的噴藥范圍不同，為實(shí)現(xiàn)根據(jù)果樹冠層體積進(jìn)行精準(zhǔn)對(duì)靶變量噴藥，需要對(duì)不同位置處噴頭流量進(jìn)行獨(dú)立控制。由于噴藥機(jī)隔膜泵藥液出口到不同位置噴頭管路長度不同，各個(gè)位置噴頭流量控制模型存在差異。為了建立不同位置噴頭流量PWM控制模型，進(jìn)行不同PWM占空比下單噴頭流量測(cè)量試驗(yàn)，如圖3所示。其中，噴頭流量使用自行研發(fā)的單噴頭流量測(cè)量裝置進(jìn)行測(cè)量。每次試驗(yàn)同時(shí)測(cè)量噴霧機(jī)左右兩側(cè)對(duì)稱位置2個(gè)噴頭流量，其他位置噴頭不工作，將噴頭夾子固定在噴頭上，使用噴頭流量PWM控制軟件分別設(shè)定PWM占空比（頻率為10 Hz）依次為10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%和90%，控制電磁閥工作直至穩(wěn)定后，啟動(dòng)噴藥機(jī)噴霧系統(tǒng)，通過控制閥組中調(diào)壓閥調(diào)節(jié)噴霧系統(tǒng)壓力，使其保持為1 MPa。觀察流量測(cè)量裝置流量示數(shù)，待流量穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。

圖3 單噴頭流量測(cè)試Fig.3 Single nozzle flow test

對(duì)獲取的左右兩側(cè)1～20號(hào)噴頭流量隨PWM占空比變化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出圖4所示噴頭流量與PWM占空比之間關(guān)系?？梢钥闯?，噴霧壓力1 MPa下，各噴頭控制最佳PWM占空比位于0～60%之間；不同位置噴頭流量隨PWM占空比變化關(guān)系存在差異，需建立不同位置噴頭流量PWM控制模型進(jìn)行單噴頭流量獨(dú)立控制。

利用二次多項(xiàng)式函數(shù)對(duì)各個(gè)位置噴頭流量與PWM占空比數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，獲得1～20號(hào)噴頭流量與PWM占空比關(guān)系表達(dá)式，如式（2）。

式中為PWM占空比；為噴頭流量，L/min；、和為不同位置噴頭流量系數(shù)關(guān)系，各噴頭對(duì)應(yīng)參數(shù)如表1所示。

為實(shí)現(xiàn)噴霧機(jī)的噴頭流量根據(jù)果樹冠層網(wǎng)格體積進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，需要在噴頭噴霧范圍與冠層各個(gè)位置網(wǎng)格范圍之間建立一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖5所示。不同位置噴頭在果樹冠層上噴霧范圍由各噴頭與水平面的夾角決定，如式（3）。

圖4 噴頭流量與PWM占空比關(guān)系Fig.4 The relationship between the nozzle flow and the Pulse Width Modulation(PWM) duty cycle

表1 噴頭流量PWM控制模型參數(shù)Table 1 Model parameters of nozzles flow PWM control

圖5 噴頭與冠層網(wǎng)格體積對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.5 Correspondence between nozzles and canopy grid volume

式中L為處于同一高度上的噴頭間距，m。

根據(jù)噴頭流量計(jì)算公式和果樹冠層網(wǎng)格體積值，得到單一噴頭的流量計(jì)算公式，如式（4）。

式中為單位冠層體積所需藥量，L/m，根據(jù)相關(guān)研究，將其設(shè)定為0.1 L/m；V為網(wǎng)格組中的單一網(wǎng)格體積值，m；Δ為噴頭經(jīng)過網(wǎng)格組中的單一網(wǎng)格體積所需時(shí)間，s。

1.2.3 噴霧系統(tǒng)壓力PID調(diào)控

在單噴頭流量調(diào)節(jié)過程中，噴頭開啟狀態(tài)變化會(huì)引起噴霧系統(tǒng)壓力波動(dòng)，壓力變化影響噴藥效果。為減小壓力變化影響，基于增量式PID控制方法實(shí)現(xiàn)噴霧系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)，控制過程如圖6所示。

根據(jù)上述PID控制原理，搭建壓力調(diào)控系統(tǒng)，通過對(duì)PID參數(shù)的整定，獲取PID調(diào)節(jié)參數(shù)，比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)分別為1、1和0.01。壓力調(diào)控系統(tǒng)的穩(wěn)定時(shí)間小于3 s，壓力控制偏差小于0.15 MPa。噴藥過程中，電磁閥頻繁開閉（PWM波動(dòng)變化時(shí)間為0.1 s）會(huì)導(dǎo)致噴藥系統(tǒng)壓力周期性變化，前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在帶回流攪拌的噴霧系統(tǒng)中，該周期性變化幅度較小。本文PID壓力調(diào)控對(duì)象為噴藥系統(tǒng)主管路壓力，調(diào)控目的是穩(wěn)定系統(tǒng)某一時(shí)間段內(nèi)壓力，不是針對(duì)單次PWM調(diào)節(jié)引起的噴頭壓力瞬間變化進(jìn)行調(diào)控。因此，PID調(diào)控系統(tǒng)響應(yīng)可以滿足要求。

圖6 壓力PID調(diào)控過程Fig.6 Proportion Integration Differentiation (PID) control process of spraying pressure

1.2.4 對(duì)靶噴藥控制

LiDAR與噴頭之間有一定安裝距離，當(dāng)噴頭未到達(dá)對(duì)應(yīng)噴藥位置時(shí)，LiDAR獲得的果樹冠層信息以消息隊(duì)列形式進(jìn)行存儲(chǔ)。一旦噴頭到達(dá)對(duì)應(yīng)網(wǎng)格組位置時(shí)，消息隊(duì)列按先入先出調(diào)出當(dāng)前位置對(duì)應(yīng)施藥量信息，并發(fā)送給SFC，SFC控制對(duì)應(yīng)噴頭流量實(shí)現(xiàn)對(duì)靶噴藥。為準(zhǔn)確判別噴頭是否到達(dá)相應(yīng)的噴藥位置，SFC需要實(shí)時(shí)讀取測(cè)速裝置碼盤反饋的脈沖信號(hào)，根據(jù)脈沖信號(hào)數(shù)量計(jì)算出噴霧機(jī)移動(dòng)距離，如式（5）。

式中為噴霧機(jī)移動(dòng)距離，m；S為測(cè)速裝置發(fā)出一個(gè)脈沖噴霧機(jī)移動(dòng)距離，m；為測(cè)速裝置反饋脈沖數(shù)。

測(cè)速裝置碼盤均勻布置，避免噴藥機(jī)運(yùn)行速度參與計(jì)算，降低了噴藥機(jī)移動(dòng)距離計(jì)算誤差。由于噴頭開閉存在延時(shí)，為提高系統(tǒng)對(duì)靶噴藥精度，加入延時(shí)補(bǔ)償算法。整個(gè)對(duì)靶噴藥控制過程如圖7所示。噴藥過程中，SFC根據(jù)測(cè)速裝置反饋脈沖信號(hào)實(shí)時(shí)計(jì)算噴藥機(jī)移動(dòng)距離，并同LiDAR與噴頭之間安裝距離進(jìn)行比較。當(dāng)大于時(shí)，表明噴藥機(jī)噴頭已到達(dá)對(duì)應(yīng)網(wǎng)格組位置，上位機(jī)控制程序向SFC發(fā)送當(dāng)前位置所需噴藥量信息，SFC根據(jù)噴藥量信息控制不同位置噴頭流量實(shí)現(xiàn)對(duì)靶變量噴藥。完成當(dāng)前位置噴藥后，當(dāng)前位置噴藥量和探測(cè)位置信息被釋放，SFC開始新的噴藥機(jī)移動(dòng)距離計(jì)算，當(dāng)滿足噴頭開啟條件時(shí)，按照上述過程完成對(duì)靶變量噴藥。

圖7 對(duì)靶變量噴藥控制流程Fig.7 Target-oriented variable-rate spraying control process

1.2.5 通信協(xié)議

由于需要獨(dú)立控制20路噴頭流量，控制指令相對(duì)復(fù)雜，為了規(guī)范果園噴藥作業(yè)，采用ISO 11783串行控制和通信數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)總線標(biāo)準(zhǔn)制定通訊協(xié)議。

對(duì)果園風(fēng)送對(duì)靶變量噴藥控制系統(tǒng)而言，由于單個(gè)數(shù)據(jù)幀最多包含8個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，考慮到后續(xù)多源信息擴(kuò)展的傳輸需求，根據(jù)ISO 11783-3:2014規(guī)定，本協(xié)議采用多包消息的方式，將報(bào)文參數(shù)組編號(hào)（Parameter group No.，PGN）的數(shù)據(jù)信息，包含作業(yè)速度、噴霧壓力、實(shí)時(shí)流量和噴藥量等數(shù)據(jù)分包發(fā)送。其中，將每個(gè)包數(shù)據(jù)域首字節(jié)定義為數(shù)據(jù)包序列號(hào)，并按遞增順序發(fā)送。由于最多可分配255個(gè)序列號(hào)，可滿足果園噴藥作業(yè)信息擴(kuò)展需求。參照ISO 11783-7:2015對(duì)機(jī)具消息應(yīng)用層的規(guī)定，制訂表2所示果園風(fēng)送對(duì)靶變量噴霧機(jī)相關(guān)參數(shù)的報(bào)文，如定義噴霧機(jī)作業(yè)啟?？刂频腜GN為00F401，更新周期為100 ms，字節(jié)長度為8字節(jié)（bytes）。其中，字節(jié)1、2表示作業(yè)速度校核指令；字節(jié)3、4表示開始作業(yè)指令；字節(jié)5、6表示停止作業(yè)指令；其余未定義位保留。

表2 CAN通訊協(xié)議Table 2 CAN communication protocol

1.2.6 上位機(jī)控制界面設(shè)計(jì)

基于C#語言開發(fā)果園精準(zhǔn)對(duì)靶變量噴藥控制系統(tǒng)上位機(jī)界面，如圖8所示。該界面可進(jìn)行LiDAR安裝高度、探測(cè)距離、距噴頭距離、起始檢測(cè)高度和網(wǎng)格寬度參數(shù)的設(shè)置，可實(shí)時(shí)顯示不同網(wǎng)格冠層內(nèi)網(wǎng)格體積、作業(yè)速度、噴霧壓力、實(shí)時(shí)流量和噴藥量信息，同時(shí)可進(jìn)行LiDAR網(wǎng)口通訊參數(shù)和流量控制器通訊參數(shù)的設(shè)置。測(cè)速裝置進(jìn)行不同類型作業(yè)機(jī)具速度測(cè)量時(shí)會(huì)存在一定誤差，為了提高作業(yè)速度測(cè)量精度，在上位機(jī)界面中增加了速度校準(zhǔn)功能。速度校準(zhǔn)中首先設(shè)定校準(zhǔn)距離，在校準(zhǔn)距離起始和停止位置分別點(diǎn)擊“開始校準(zhǔn)”和“停止校準(zhǔn)”按鈕，SFC會(huì)記錄測(cè)速傳感器發(fā)出的脈沖數(shù)，并結(jié)合設(shè)定網(wǎng)格寬度計(jì)算噴藥機(jī)每移動(dòng)1個(gè)網(wǎng)格寬度對(duì)應(yīng)脈沖數(shù)，將該值作為修正值發(fā)送給SFC，完成速度校準(zhǔn)。

圖8 上位機(jī)界面Fig.8 PC interface

2 性能試驗(yàn)

2.1 噴頭開閉時(shí)間測(cè)量

在進(jìn)行對(duì)靶噴藥時(shí)，噴頭開閉存在延時(shí)，延時(shí)時(shí)間影響對(duì)靶控制精度。為測(cè)量在真實(shí)噴藥環(huán)境下噴頭開閉時(shí)間，在實(shí)驗(yàn)室搭建單噴頭噴霧系統(tǒng)，如圖9所示。

圖9 噴頭開閉時(shí)間測(cè)量試驗(yàn)Fig.9 Measurement tests of nozzle opening and closing time

噴霧系統(tǒng)采用微型高壓隔膜泵（DP-150，上海新西山實(shí)業(yè)有限公司），最大流量5.3 L/min，最大壓力1 MPa。試驗(yàn)過程中，調(diào)節(jié)噴霧系統(tǒng)壓力為1 MPa，通過噴頭流量PWM控制軟件分別設(shè)定PWM占空比為0、100%控制電磁閥關(guān)閉與開啟，每次試驗(yàn)重復(fù)開閉噴頭3次，使用美國SVSI公司GigaView高分辨率高速相機(jī)對(duì)噴頭開閉過程進(jìn)行拍攝（500幀/s）。拍攝結(jié)束后，使用配套軟件對(duì)噴頭開閉過程進(jìn)行分析，截取噴頭從關(guān)閉到完全打開和噴頭打開到關(guān)閉全過程視頻，分析計(jì)算出噴頭開閉時(shí)間，如圖10所示。最終分析獲得噴頭開啟時(shí)間為0.112 s，噴頭關(guān)閉時(shí)間為0.08 s?；趪婎^開閉時(shí)間，在對(duì)靶變量噴藥控制系統(tǒng)中加入延時(shí)補(bǔ)償。取噴頭開閉時(shí)間的平均值（0.096 s）作為延時(shí)補(bǔ)償時(shí)間。果園風(fēng)送噴藥常規(guī)作業(yè)速度一般選擇為1 m/s，則延時(shí)補(bǔ)償距離為96 mm。

圖10 噴頭開閉過程Fig.10 Nozzle opening and closing process

2.2 對(duì)靶精度

為評(píng)價(jià)系統(tǒng)加入延時(shí)補(bǔ)償距離后對(duì)靶控制精度，設(shè)計(jì)了階梯型控制精度標(biāo)定板，檢測(cè)原理如圖11所示。由于測(cè)速裝置碼盤上相鄰兩檢測(cè)點(diǎn)之間對(duì)應(yīng)水平位移為70 mm，為保證LiDAR能夠?qū)?biāo)定板的每級(jí)階梯最多檢測(cè)1次，設(shè)計(jì)標(biāo)定板每個(gè)階梯的寬度為70 mm。試驗(yàn)過程中，LiDAR能對(duì)標(biāo)定板中每一級(jí)階梯進(jìn)行檢測(cè)并計(jì)算網(wǎng)格體積和所需藥量，進(jìn)而控制不同高度噴頭進(jìn)行對(duì)靶噴藥。根據(jù)噴霧起始位置處產(chǎn)生噴霧動(dòng)作的噴頭數(shù)量判斷LiDAR在標(biāo)定板上的起始檢測(cè)位置，將噴藥起始位置與對(duì)應(yīng)的標(biāo)定板階梯位置進(jìn)行比較（通過高速相機(jī)記錄相應(yīng)位置），獲得對(duì)靶噴藥控制超前噴藥或滯后噴藥的水平距離誤差。

結(jié)合前期研究，選用140、210和280 mm的網(wǎng)格寬度進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)在北京市昌平區(qū)小湯山國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究示范基地進(jìn)行，地面為平坦的瀝青路面，LiDAR距標(biāo)定板檢測(cè)距離為1.5 m。啟動(dòng)對(duì)靶變量噴藥系統(tǒng)，駕駛拖拉機(jī)以1 m/s速度移動(dòng)，高速相機(jī)以240幀/s的速度對(duì)噴藥過程進(jìn)行錄制，每次試驗(yàn)重復(fù)3次。試驗(yàn)結(jié)束后，使用圖像分析軟件對(duì)噴藥過程進(jìn)行回放，比較噴頭開閉位置與對(duì)應(yīng)的階梯位置，以兩個(gè)位置間的時(shí)間差與移動(dòng)速度乘積計(jì)算出兩個(gè)位置的距離差，作為對(duì)靶噴藥控制誤差。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

圖11 對(duì)靶精度檢測(cè)原理Fig.11 Detection principle of target-oriented accuracy

表3 不同網(wǎng)格寬度下對(duì)靶精度檢測(cè)結(jié)果Table 3 Test results of target-oriented accuracy under different grid widths

由表3可知，隨著網(wǎng)格寬度增大，噴頭開啟由超前變?yōu)闇?，噴頭關(guān)閉一直為滯后，且對(duì)靶誤差先減小后增大，當(dāng)網(wǎng)格寬度為210 mm時(shí)，噴頭開閉延時(shí)誤差最小，該對(duì)靶變量控制系統(tǒng)最優(yōu)網(wǎng)格寬度選擇為210 mm，此時(shí)的噴頭開啟和關(guān)閉滯后距離分別為19和41 mm。實(shí)際噴藥中，隨著作業(yè)速度增加，噴藥機(jī)通過一定網(wǎng)格寬度所需時(shí)間減小，理論上對(duì)靶精度會(huì)降低，其最優(yōu)網(wǎng)格寬度會(huì)發(fā)生變化，且速度越大，最優(yōu)網(wǎng)格寬度應(yīng)越大。本文選擇的最優(yōu)網(wǎng)格寬度是在果園風(fēng)送噴藥推薦作業(yè)速度1 m/s下獲得的，由于最佳網(wǎng)格寬度不受噴藥機(jī)類型影響，該網(wǎng)格寬度適用于對(duì)靶變量噴藥控制系統(tǒng)在其他類型噴藥機(jī)上使用，具有一定應(yīng)用價(jià)值。

2.3 樣機(jī)試驗(yàn)

2.3.1 樣機(jī)

將果園激光對(duì)靶變量噴藥控制系統(tǒng)搭載在南通黃海藥械有限公司生產(chǎn)的3WG-1200A型果園風(fēng)送噴藥機(jī)上，如圖12所示。拖拉機(jī)選用山東濰坊拖拉機(jī)廠生產(chǎn)的TY404拖拉機(jī)，后端噴藥機(jī)通過動(dòng)力輸出軸與拖拉機(jī)連接，拖拉機(jī)帶動(dòng)噴藥機(jī)水泵和風(fēng)機(jī)工作進(jìn)行果園風(fēng)送噴藥，噴藥機(jī)技術(shù)參數(shù)如表4。

圖12 對(duì)靶變量噴霧機(jī)樣機(jī)Fig.12 Target-oriented variable-rate sprayer prototype

表4 噴藥機(jī)性能參數(shù)Table 4 Sprayer performance parameters

試驗(yàn)在北京市昌平區(qū)小湯山國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究示范基地桃園進(jìn)行，桃園為5年果園，品種為瑞光8號(hào)，果樹行距4.5 m，株距5.0 m。試驗(yàn)過程中，在距離被噴果樹20 m位置放置自行研發(fā)的田間小型氣象站，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度、濕度、光照強(qiáng)度、風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)。

2.3.2 樣機(jī)對(duì)靶精度

為進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)在真實(shí)果樹上對(duì)靶精度，進(jìn)行樣機(jī)對(duì)靶控制精度檢測(cè)試驗(yàn)，如圖13所示。試驗(yàn)時(shí)間為2021年10月24日，選擇高度為2.3 m和平均寬度為2.4 m的桃樹為靶標(biāo)，在桃樹對(duì)立面放置白布（寬3 m，高3 m），白布用攝影架支撐，白布距LiDAR距離為2.0 m。試驗(yàn)過程中，修改控制系統(tǒng)程序代碼，使右側(cè)LiDAR探測(cè)到靶標(biāo)時(shí)控制左側(cè)噴頭開啟。為了便于測(cè)量白布上噴霧寬度，配置一定濃度羅丹明溶液加入噴藥機(jī)藥箱，使噴霧機(jī)噴出霧滴變?yōu)榧t色，紅色霧滴會(huì)清晰呈現(xiàn)在白布上。試驗(yàn)過程中，駕駛噴藥機(jī)以1 m/s作業(yè)速度從北向南進(jìn)行對(duì)靶噴藥，試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次。試驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)量白布上噴霧寬度相對(duì)果樹冠層寬度變化，沿噴霧機(jī)行走方向，以白布左側(cè)起始噴霧位置相對(duì)果樹冠層左側(cè)邊緣距離為噴頭開啟誤差，以白布右側(cè)終止噴霧位置相對(duì)果樹冠層右側(cè)邊緣距離為噴頭關(guān)閉誤差。試驗(yàn)過程中平均風(fēng)速為1.23 m/s，風(fēng)向?yàn)?16.58°（西北風(fēng)）。

圖13 對(duì)靶控制精度檢測(cè)試驗(yàn)Fig.13 Detection tests of target-oriented control accuracy

試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，可知，針對(duì)桃樹，噴頭開啟滯后距離平均值為122 mm，噴頭關(guān)閉滯后距離平均值為185 mm。相比實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，噴頭開啟和關(guān)閉延時(shí)滯后增加，這是由于試驗(yàn)過程中自然風(fēng)方向沿噴霧機(jī)行走方向，霧滴從噴霧機(jī)出口到白布傳播的過程中，自然風(fēng)導(dǎo)致霧滴沿噴霧機(jī)行進(jìn)方向移動(dòng)，致使延時(shí)距離滯后。

表5 對(duì)靶控制精度試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Test results of target-oriented spraying control accuracy

2.3.3 變量噴藥性能試驗(yàn)

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)在果園噴藥過程中對(duì)靶變量噴藥性能，于2021年10月25日在上述桃園開展了果園對(duì)靶變量噴藥試驗(yàn)。選擇相鄰的3顆果樹為試驗(yàn)對(duì)象，樹1寬度2.5 m，深2.6 m，高2.4 m；樹2寬度2.7 m，深2.4 m，高2.3 m；樹3寬度2.5 m，深2.6 m，高2.1 m。試驗(yàn)分為連續(xù)噴藥試驗(yàn)和對(duì)靶噴藥試驗(yàn)，為評(píng)價(jià)兩種噴藥方式的噴藥效果，在3棵果樹冠層前、中、上、下、左、右6個(gè)位置放置水敏紙，如圖14所示。水敏紙用曲別針固定在葉片表面。同時(shí)，通過流量傳感器實(shí)時(shí)記錄試驗(yàn)過程中噴藥用量。整個(gè)試驗(yàn)中平均風(fēng)速、風(fēng)向、溫度和空氣濕度分別為0.22 m/s、293.85°、19.55 ℃和29.38%。

圖14 果園對(duì)靶變量噴藥試驗(yàn)Fig.14 Orchard target-oriented variable-rate spraying test

試驗(yàn)過程中，根據(jù)3棵果樹位置，選擇噴藥行走距離為15 m，控制連續(xù)噴藥和對(duì)靶變量噴藥均為單邊噴藥（試驗(yàn)果樹一側(cè)），噴霧壓力設(shè)定為1 MPa，噴藥機(jī)以1 m/s作業(yè)速度分別進(jìn)行連續(xù)和對(duì)靶變量噴藥，每種噴藥方式試驗(yàn)重復(fù)3次，每次試驗(yàn)記錄總噴藥量數(shù)據(jù)，并用帶有標(biāo)記的塑封袋收集各個(gè)采樣點(diǎn)的水敏紙，待試驗(yàn)結(jié)束后，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。

利用天彩電子（深圳）有限公司研發(fā)的TSN450型掃描儀對(duì)試驗(yàn)采樣水敏紙進(jìn)行掃描，獲取水敏紙灰度圖像，然后用重慶六六山下有限公司研發(fā)的霧滴沉積分析軟件對(duì)水敏紙掃描圖片進(jìn)行分析，獲得霧滴覆蓋率和沉積點(diǎn)密度等各項(xiàng)噴霧效果檢測(cè)指標(biāo)。根據(jù)水敏紙上霧滴沉積分布數(shù)據(jù)分析結(jié)果，利用Origin軟件生成果樹冠層不同位置霧滴覆蓋率均值、沉積密度分布圖，如圖15和表6所示。

圖15 噴藥性能試驗(yàn)結(jié)果Fig.15 Spraying performance test results

由圖15可知，相比連續(xù)噴藥，對(duì)靶變量噴藥下3棵果樹冠層上霧滴覆蓋率均明顯降低，兩種噴藥方式下，霧滴沉積點(diǎn)密度均大于20滴/cm，滿足果樹病蟲害防治要求。相關(guān)研究表明，霧滴覆蓋率大于30%被認(rèn)為是過量噴藥，導(dǎo)致農(nóng)藥浪費(fèi)。對(duì)靶變量噴藥霧滴覆蓋率在30%以下，連續(xù)噴藥霧滴覆蓋率在30%以上，說明該系統(tǒng)可根據(jù)果樹冠層不同位置處網(wǎng)格體積變化調(diào)節(jié)噴頭流量，實(shí)現(xiàn)對(duì)靶變量噴藥，降低冠層內(nèi)霧滴覆蓋率和提高農(nóng)藥利用率。針對(duì)連續(xù)噴藥，冠層前的霧滴沉積密度小于冠層中間的，這是由于連續(xù)噴藥作業(yè)時(shí)噴頭流量較大，霧滴附著在水敏紙上出現(xiàn)重疊形成大霧滴，較小霧滴被較大霧滴覆蓋。而在變量噴藥下，隨著噴藥量的減小，這一現(xiàn)象被減弱，在果樹2和果樹3較為明顯，而果樹1未發(fā)生改變，可能因?yàn)楣麡?的體積和枝葉稠密度大于果樹2和3。

表6 連續(xù)和對(duì)靶變量噴藥量對(duì)比Table 6 Comparison of spray volume between constant-rate spraying and variable-rate spraying

由表6可知，在設(shè)定試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)，連續(xù)和對(duì)靶變量噴藥的農(nóng)藥用量分別為4.53和1.71 L，相比連續(xù)噴藥，對(duì)靶變量噴藥可節(jié)約藥量62.25%。該結(jié)果與美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究局針對(duì)激光對(duì)靶省藥量的研究結(jié)果相符（激光對(duì)靶精準(zhǔn)施藥技術(shù)可節(jié)約農(nóng)藥用量60%～67%）。

3 討 論

由于噴頭或噴霧壓力的變化會(huì)引起噴頭流量和噴霧角度變化，進(jìn)而改變冠層網(wǎng)格體積與單噴頭控制流量之間對(duì)應(yīng)關(guān)系，本文PWM噴頭流量控制模型是在1 MPa壓力下建立的，如果更換噴頭或改變噴霧壓力，需要更換為對(duì)應(yīng)的流量模型。但對(duì)于同種型號(hào)的噴藥機(jī)和特定的噴霧壓力，用戶在正常使用過程中模型是不用變化的。針對(duì)PWM噴頭流量控制模型通用性問題，后續(xù)將開展針對(duì)性研究，以提高控制模型和控制系統(tǒng)的通用性。

本文研發(fā)對(duì)靶變量噴藥系統(tǒng)在0～100%占空比所對(duì)應(yīng)的施藥量是該噴藥機(jī)的噴藥范圍，在使用該噴藥機(jī)進(jìn)行噴藥時(shí)，所需噴施藥量應(yīng)在這個(gè)噴藥范圍內(nèi)。如果需要增大或減小施藥量范圍，需要更換不同型號(hào)噴頭。本文在進(jìn)行對(duì)靶變量噴藥控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)所需藥量范圍超出噴藥機(jī)最大噴施藥量范圍時(shí)，默認(rèn)PWM占空比為100%。目前，國內(nèi)老式果園采用非標(biāo)準(zhǔn)化種植，冠層體積較大，激光對(duì)靶變量噴藥技術(shù)在老式果園噴藥中可能存在所需噴施藥量范圍不夠的情況，這時(shí)需要更換大流量噴頭。但隨著果園種植模式朝著矮化密植方向發(fā)展，這一問題將不再存在，激光對(duì)靶變量噴藥在新式標(biāo)準(zhǔn)化果園中應(yīng)用前景廣闊。

本文試驗(yàn)期間，北京市昌平區(qū)小湯山爆發(fā)冰雹天氣，果樹葉片受冰雹淋洗導(dǎo)致葉片掉落，致使試驗(yàn)果樹冠層稀疏。而桃樹每年一般需噴農(nóng)藥8次左右。第一次在發(fā)芽前，第二次在開花前，第三次在5月下旬，第四五六次在6月，第7次在7月上旬，第8次在8月上旬。而在桃樹發(fā)芽、開花和樹葉逐漸長出過程中，桃樹冠層相對(duì)掛果期較稀疏，與本文試驗(yàn)桃樹冠層類似。因此，本文試驗(yàn)選用桃樹雖然冠層稀疏，但試驗(yàn)結(jié)果適用于桃樹生長早期噴藥，研究結(jié)果具有一定意義。同時(shí)，本文設(shè)計(jì)的基于LiDAR的果園對(duì)靶變量噴藥控制系統(tǒng)還有許多需要改進(jìn)的地方，如不同生長時(shí)期桃樹冠層的變化是否會(huì)影響對(duì)靶變量控制系統(tǒng)噴霧精度。后續(xù)擬開展全生長周期試驗(yàn)，進(jìn)一步明確果樹冠層變化對(duì)系統(tǒng)噴霧精度的影響。

4 結(jié) 論

1）針對(duì)塔式果園風(fēng)送噴霧機(jī)，基于先前建立的果樹冠層網(wǎng)格化體積探測(cè)方法建立噴頭流量PWM控制模型，獲得PWM占空比最佳調(diào)節(jié)范圍為0～60%；根據(jù)果園噴藥作業(yè)需求建立CAN總線通訊協(xié)議和開發(fā)果園精準(zhǔn)對(duì)靶變量噴藥上位機(jī)界面；通過高速相機(jī)獲取噴頭開閉時(shí)間，基于噴頭開閉時(shí)間確定系統(tǒng)延時(shí)補(bǔ)償距離為96 mm；通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)確定作業(yè)速度1 m/s下的最佳網(wǎng)格寬度為210 mm；最終融合對(duì)靶噴藥控制方法研發(fā)可根據(jù)果樹位置和冠層體積變化進(jìn)行藥量按需調(diào)控的果園對(duì)靶變量噴藥控制系統(tǒng)。

2）將研發(fā)的系統(tǒng)與果園噴藥機(jī)融合集成研發(fā)果園對(duì)靶變量噴藥機(jī)樣機(jī)，開展實(shí)驗(yàn)室和果園對(duì)靶精度探測(cè)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)室條件下，噴頭開啟滯后距離為19 mm，噴頭關(guān)閉滯后距離為41 mm；果園條件下，噴頭開啟滯后距離為122 mm，噴頭關(guān)閉滯后距離為185 mm。該對(duì)靶變量噴藥控制系統(tǒng)可根據(jù)果樹冠層位置實(shí)現(xiàn)對(duì)靶噴藥控制。

3）開展桃園對(duì)靶變量噴藥試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，在霧滴沉積密度大于20滴/cm下，相比連續(xù)噴藥，該對(duì)靶變量噴藥控制系統(tǒng)可大大降低霧滴覆蓋率（低于過量噴藥界定閾值30%）和提高霧滴沉積效果，根據(jù)果樹冠層不同位置處的體積變化實(shí)現(xiàn)對(duì)靶變量噴藥；在設(shè)定試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)，連續(xù)和對(duì)靶變量噴藥的農(nóng)藥用量分別為4.53和1.71 L，該控制系統(tǒng)可節(jié)約藥量62.25%。