楊文超 何 進(jìn) 周靖凱 李洪文 王慶杰 盧彩云

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部保護(hù)性耕作農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083)

0 引言

植保作業(yè)作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是確保豐產(chǎn)豐收的主要措施之一[1]。隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步以及植保機(jī)械的推廣與運(yùn)用[2]，其作業(yè)可有效提高工作效率，避免人工噴藥對身體帶來的副作用，同時(shí)作業(yè)所施用的化學(xué)農(nóng)藥可使農(nóng)產(chǎn)品損失減少45%[3]。

由于作業(yè)環(huán)境、作物品種以及噴霧目的和方式不同，植保機(jī)械的作業(yè)方式和手段也不盡相同。目前變量噴霧系統(tǒng)研究主要包括變量噴霧探測技術(shù)和變量噴霧流量控制技術(shù)。變量噴霧探測技術(shù)目前主要有美國Patchen公司[4]研制的Weedseeker噴藥系統(tǒng)，主要通過光學(xué)傳感器對非作物行檢測有無雜草存在，該系統(tǒng)對行間非作物區(qū)域噴灑除草劑節(jié)省農(nóng)藥噴施量60%～80%；OEBEL等[5]設(shè)計(jì)了基于處方圖的變量噴藥作業(yè)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)使用高精度GPS定位設(shè)備，通過施藥裝置的實(shí)時(shí)位置與處方圖相匹配，通過計(jì)算輸出控制信號來控制噴藥量。在變量噴霧流量控制技術(shù)方面CASE公司[6]設(shè)計(jì)的自走式變量噴藥機(jī)采用脈沖調(diào)控高速電磁閥來實(shí)現(xiàn)噴頭流量的調(diào)控，該方法提高了噴霧霧滴的均勻性。小麥在生長前期的植保主要為了預(yù)防病蟲害，由于土壤肥力、墑情不同，導(dǎo)致同一田塊不同區(qū)域小麥的生長密度存在差異，普通噴霧方式容易造成藥液浪費(fèi)和環(huán)境污染等問題[7]。近年來隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，變量噴霧技術(shù)也取得了一定的研究成果，對于小麥的變量噴霧則研究較少。

本文基于視覺傳感器的變量噴霧探測技術(shù)實(shí)時(shí)分析田間小麥植株密度，通過變量噴霧流量控制技術(shù)對生長前期的小麥實(shí)現(xiàn)變量噴霧。同時(shí)使用北斗定位系統(tǒng)對目標(biāo)噴霧區(qū)域做出規(guī)劃，以期較好地實(shí)現(xiàn)在指定區(qū)域內(nèi)對不同植株密度的小麥實(shí)現(xiàn)變量控制噴霧。

1 變量噴霧系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文變量噴霧系統(tǒng)主要通過對目標(biāo)區(qū)域內(nèi)小麥植株密度進(jìn)行識別，實(shí)行植株正常區(qū)域正常噴、植株稀疏區(qū)域少噴、無植株區(qū)域不噴以及對非目標(biāo)區(qū)域不噴?；谝陨显O(shè)計(jì)要求，提出一種基于機(jī)器視覺和北斗定位系統(tǒng)的變量噴霧系統(tǒng)。其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由定位傳感器、視覺傳感器、高度傳感器、噴桿、噴頭+電磁閥的變量噴頭和供藥系統(tǒng)等組成[8]。

圖1 變量噴霧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of variable spray system structure1.噴霧執(zhí)行機(jī)構(gòu) 2.高度傳感器 3.視覺傳感器 4.定位傳感器 5.中央處理器 6.供藥系統(tǒng)

變量噴霧系統(tǒng)功能框圖如圖2所示。系統(tǒng)主要由檢測裝置、中央處理器模塊和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。檢測裝置包括：視覺傳感器(威鑫視界SY002HD型攝像頭)、定位傳感器(AD300型GNSS-RTK定位系統(tǒng)，山東北斗華宸導(dǎo)航技術(shù)有限公司)、高度傳感器(MyAntenna L4型激光傳感器)；中央處理器模塊包括Raspberry pi 4B(操作系統(tǒng)Raspbian)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括：電磁閥(Zwqd/浙文2L030-08 06型)、噴頭和水系統(tǒng)。相關(guān)裝置具體參數(shù)如表1所示。

表1 技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters

圖2 系統(tǒng)功能框圖Fig.2 System function block diagram

載具采用自走式噴桿噴霧機(jī)，其為橫噴桿，可折疊，噴桿離地的高度可以通過液壓式調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)控制[9]。自走式噴桿噴霧車的噴桿為前置式自走式噴桿噴霧機(jī)。如圖3所示，為了使得變量噴霧探測機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的視覺傳感器可以實(shí)時(shí)探測田間情況，將相機(jī)固定于整個(gè)變量噴霧系統(tǒng)的最前端即噴桿正上方，且攝像頭會隨著噴桿的變化而變化，為了獲取噴桿前方的圖像數(shù)據(jù)，使得攝像頭與水平面呈一定的角度，相機(jī)俯仰角約25°。為了使得相機(jī)能夠盡可能多看到噴頭，攝像頭距離噴桿底部的高度H2約100 cm。在此高度下，每個(gè)攝像頭觀測到3個(gè)噴頭，兩個(gè)攝像頭之間的間距L1約130 cm。定位天線放置于車輛中心的正前方，且位于噴桿的后方，天線安裝架高度H1約170 cm，天線安裝位置與車前壁距離L2約25 cm。激光傳感器安裝于噴桿中心位置，用來測量噴桿高度H3。

圖3 變量噴霧探測機(jī)構(gòu)Fig.3 Diagrams of variable spray detection mechanism1.紅外激光傳感器 2.相機(jī)固定架 3.定位天線 4.定位天線固定架 5.噴桿 6.相機(jī)

中央處理器模塊是變量噴霧系統(tǒng)的核心部件之一，該模塊對噴藥系統(tǒng)的位置信息、航向信息、速度信息、圖像信息進(jìn)行處理，并判斷噴霧流量，根據(jù)流量和PWM信號占空比的關(guān)系[7]，輸出占空比信號，調(diào)節(jié)電磁閥開口時(shí)間，從而控制噴霧量。處理器主要用來同時(shí)接收定位模塊和視覺傳感器的圖像信息，經(jīng)過處理后根據(jù)噴藥量與PWM信號占空比的關(guān)系，輸出控制信號，從而控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作[10]。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)由供水系統(tǒng)和變量執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。供水系統(tǒng)由水泵、調(diào)壓閥、壓力傳感器和供水箱組成，負(fù)責(zé)對執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供壓力以及水流。變量執(zhí)行機(jī)構(gòu)由噴桿、噴頭和電磁閥組成，負(fù)責(zé)接收獲取的信號，從而改變噴頭流量。變量噴霧變流量執(zhí)行機(jī)構(gòu)原理如圖4所示。根據(jù)常規(guī)噴霧標(biāo)準(zhǔn)，大田噴桿噴霧機(jī)械通常采用110°錐形噴頭，噴頭間距約50 cm，由于對噴霧效果不做特殊要求，所以噴桿和噴頭與常用的噴霧器一致。

圖4 噴霧執(zhí)行機(jī)構(gòu)原理圖Fig.4 Schematic of spray actuator1.噴頭 2.電磁閥 3.控制器 4.壓力傳感器 5.水泵 6.調(diào)壓閥 7.水箱

1.2 工作原理及參數(shù)

采用3WP-280型自走式噴桿噴霧車作為系統(tǒng)搭載的平臺，液壓系統(tǒng)采用車輛內(nèi)燃機(jī)給予水泵動力，水泵將液體壓入水管，水管與電磁閥和噴頭組成的變量噴頭相連接。作業(yè)前通過定位系統(tǒng)設(shè)定特定噴霧目標(biāo)區(qū)域，當(dāng)機(jī)組進(jìn)入目標(biāo)工作區(qū)域，相機(jī)實(shí)時(shí)檢測特定區(qū)域的小麥生長情況，定位傳感器記錄速度、航向角、位置信息，當(dāng)植株密度和速度發(fā)生變化時(shí)，噴霧等級會相應(yīng)變化。實(shí)際作業(yè)過程中當(dāng)機(jī)組不處于目標(biāo)區(qū)域中，全部停止噴霧，當(dāng)機(jī)組處于目標(biāo)區(qū)域中，部分噴頭不處于目標(biāo)區(qū)域中，超出區(qū)域噴頭則停止噴霧，從而實(shí)現(xiàn)規(guī)定區(qū)域內(nèi)變量噴霧功能。變量噴霧機(jī)技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 變量噴霧機(jī)技術(shù)參數(shù)Tab.2 Technical parameters of variable sprayer

2 感興趣區(qū)域獲取方法

2.1 感興趣區(qū)域獲取平臺設(shè)計(jì)

感興趣區(qū)域獲取方法是以小麥田所在平面為基準(zhǔn)面，噴頭對應(yīng)區(qū)域?yàn)閷?shí)際檢測區(qū)域。根據(jù)上述需求，設(shè)計(jì)圖像感興趣區(qū)域獲取方法，并搭建了感興趣區(qū)域獲取試驗(yàn)平臺(圖5)。

圖5 視覺靜態(tài)感興趣區(qū)域獲取試驗(yàn)平臺Fig.5 Visual static ROI acquisition test platform1.綠色標(biāo)識板 2.相機(jī)坐標(biāo)系 3.紅外激光傳感器 4.紅色標(biāo)識板 5.地面坐標(biāo)系 6.噴桿平面坐標(biāo)系 7.單個(gè)噴頭管控區(qū)域

將噴頭標(biāo)識板固定于噴頭正上方用于標(biāo)識噴頭位置。將噴桿標(biāo)識板固定于平行于噴桿的位置，且與噴頭標(biāo)識板安裝于同一平面，用于標(biāo)識噴桿位置。噴桿標(biāo)識板長度為300 mm，寬度為90 mm，如圖6a所示；噴頭標(biāo)識板長度為190 mm，寬度為50 mm，如圖6b所示。噴頭標(biāo)識板和噴桿標(biāo)識板擬合直線得到的交點(diǎn)即為噴頭交點(diǎn)P0。

圖6 噴頭標(biāo)識板Fig.6 Sprinkler head labeling board

考慮到相機(jī)安裝于噴桿上實(shí)際要求，將噴頭對應(yīng)區(qū)域底邊與噴桿的距離h1設(shè)計(jì)為200 mm。綜合以上考慮，設(shè)計(jì)噴頭對應(yīng)區(qū)域的寬度h2為400 mm。一般扇形噴頭噴霧角為110°，實(shí)際噴霧高度在400～600 mm之間，在此高度下噴頭有效寬度為500～700 mm，設(shè)計(jì)噴頭對應(yīng)區(qū)域長度w為600 mm。

2.2 感興趣區(qū)域計(jì)算方法

設(shè)計(jì)了一種感興趣區(qū)域的快速計(jì)算方法，通過這種方法可以快速求得噴頭對應(yīng)區(qū)域在圖像中的位置，即感興趣區(qū)域。感興趣區(qū)域計(jì)算方法流程圖如圖7所示。

圖7 感興趣區(qū)域獲取方法流程Fig.7 Flow chart of ROI acquisition method

2.2.1噴頭交點(diǎn)計(jì)算

噴頭交點(diǎn)計(jì)算使用顏色識別的方式對噴桿標(biāo)識板和噴頭標(biāo)識板進(jìn)行識別，將識別結(jié)果進(jìn)行擬合求解獲得圖像中的噴頭交點(diǎn)，將噴頭交點(diǎn)映射到噴桿平面坐標(biāo)系，獲得噴桿平面噴頭交點(diǎn)，具體步驟如下：

(1)將棋盤格放置噴桿平面進(jìn)行圖像采集，使用標(biāo)定結(jié)果(預(yù)試驗(yàn)相機(jī)參數(shù)已標(biāo)定)對圖像進(jìn)行畸變矯正。將校正后的噴桿平面棋盤格圖像使用2G-B-R法和大津法進(jìn)行二值處理，得到噴桿標(biāo)識板的二值圖像，使用最小二乘法對該二值圖像下的True值像素點(diǎn)進(jìn)行擬合，得到噴桿標(biāo)識板的擬合直線，稱為噴桿擬合直線。如圖8a所示，噴桿擬合直線方程為

圖8 噴桿噴頭標(biāo)識擬合直線Fig.8 Spray rod and sprinkler head identification fitting straight line

z=-0.002 55i+662.58

(1)

式中z——像素坐標(biāo)系縱坐標(biāo)

i——像素坐標(biāo)系橫坐標(biāo)

(2)將校正后的噴桿平面圖像使用2R-G-B法和大津法進(jìn)行二值處理，處理結(jié)果如圖9所示。圖像中出現(xiàn)3個(gè)噴頭標(biāo)識板，需要對該圖進(jìn)行分區(qū)，使每個(gè)區(qū)域中只有一個(gè)噴頭標(biāo)識板，分割后再進(jìn)行最小二乘法直線擬合。

圖9 噴頭標(biāo)識板二值圖像Fig.9 Binary image of sprinkler head labeling board

(3)使用最小二乘法對二值圖像進(jìn)行擬合，得到每一個(gè)噴頭標(biāo)識板的擬合直線[11]，稱為噴頭擬合直線。如圖8b所示，每一個(gè)噴頭擬合直線表達(dá)式為：

噴頭1

z=-3.53i+1 040.73

(2)

噴頭2

z=-50.36i+29 851

(3)

噴頭3

z=14.28i-14 259.6

(4)

由式(1)～(4)可得噴頭交點(diǎn)在像素坐標(biāo)系下的坐標(biāo)分別為：(107.215，662.303)、(579.604，661.100)、(1 044.440，659.916)。

2.2.2噴頭交點(diǎn)映射和坐標(biāo)投影

將噴桿平面棋盤格圖像進(jìn)行單應(yīng)性矩陣估計(jì)，由單應(yīng)性矩陣可獲得噴頭坐標(biāo)點(diǎn)到噴桿平面，得到噴桿坐標(biāo)系的噴頭交點(diǎn)坐標(biāo)，計(jì)算方法為

(5)

式中 (x，y)——需轉(zhuǎn)換成目標(biāo)平面坐標(biāo)，即噴桿坐標(biāo)系下的坐標(biāo)

(X，Y)——已知平面的坐標(biāo)，即圖像坐標(biāo)系下的坐標(biāo)

u——比例因子

R3×3——由棋盤格圖像獲取的單應(yīng)性矩陣

通過投影方式預(yù)試驗(yàn)對雙平面投影法、單平面高度投影法和雙平面高度投影法3種方式的準(zhǔn)確度比較，最終選擇雙平面高度投影法。雙平面高度投影法通過拍攝一幅噴桿平面棋盤格圖像和一幅地面棋盤格圖像，使用紅外激光傳感器測量噴桿平面高度。通過估算噴桿平面棋盤格圖像和地面棋盤格圖像的外參矩陣，得到噴桿坐標(biāo)系和地面坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，使用激光傳感器獲取噴桿平面的高度，將噴頭交點(diǎn)轉(zhuǎn)換到地面坐標(biāo)系，令坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的噴頭交點(diǎn)坐標(biāo)的高度為噴桿高度，得到該噴頭交點(diǎn)在地面的投影坐標(biāo)。噴頭交點(diǎn)由噴桿坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為地面坐標(biāo)系的關(guān)系式為

(6)

式中Mp_c——4×4的噴桿坐標(biāo)系的外參矩陣

Mf_c——4×4的地面坐標(biāo)系的外參矩陣

(Xpw,Ypw,Zpw)——噴桿平面噴頭世界坐標(biāo)系坐標(biāo)

(Xf,Yf,Zf)——地面坐標(biāo)系下的噴頭投影點(diǎn)坐標(biāo)

h——測量所得噴桿平面的高度

2.2.3感興趣區(qū)域確定

不同的投影方式能夠影響感興趣區(qū)域準(zhǔn)確度和靈活性。采用雙平面高度投影法可以獲得較高的準(zhǔn)確度，并且具有較強(qiáng)的靈活性，即可以隨著高度的變換改變感興趣區(qū)域在圖像中的位置。噴頭投影點(diǎn)是由噴桿擬合直線間接求得，所以噴頭投影點(diǎn)都處于一條直線。選取兩側(cè)的投影點(diǎn)求取地面坐標(biāo)系噴桿投影直線y=kx+b，直線與坐標(biāo)系夾角α=arctanφ。如圖10所示，以其中一個(gè)噴頭為例，該噴頭在地面坐標(biāo)系下的投影坐標(biāo)是P1(Xf1,Yf1)，為了方便求得P1所對應(yīng)的4個(gè)地面感興趣區(qū)域點(diǎn)，求得4個(gè)感興趣區(qū)域點(diǎn)在地面世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為

圖10 地面坐標(biāo)系感興趣區(qū)域確定Fig.10 Determination of ROI in ground coordinate system

(7)

(8)

式中 (Xf1,Yf1)——噴頭交點(diǎn)在地面的投影坐標(biāo)

α——地面坐標(biāo)系噴桿投影直線與橫軸夾角

(X′f1,Y′f1)——地面坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)α后的噴頭交點(diǎn)投影坐標(biāo)

(Xf2,Yf2)、(Xf3,Yf3)、(Xf4,Yf4)、(Xf5,Yf5)為噴頭對應(yīng)區(qū)域的四點(diǎn)區(qū)域坐標(biāo)。

雙平面高度投影法結(jié)合了雙平面投影法和單平面高度投影法的優(yōu)點(diǎn)。如圖11所示，P0、P1、P2分別為理想交點(diǎn)坐標(biāo)所得地面投影坐標(biāo)、噴頭對應(yīng)區(qū)域近邊、噴頭對應(yīng)區(qū)域遠(yuǎn)邊，P′0、P′1、P′2分別為實(shí)際的交點(diǎn)坐標(biāo)所得地面投影坐標(biāo)、噴頭對應(yīng)區(qū)域近邊、噴頭對應(yīng)區(qū)域遠(yuǎn)邊，雙平面高度投影法將噴頭交點(diǎn)由噴桿平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到地面坐標(biāo)。由于雙平面高度投影法使用了與雙平面投影法相同的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方式，將噴頭交點(diǎn)由噴桿平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到地面坐標(biāo)，由于計(jì)算所得噴頭交點(diǎn)與噴桿距離較小，約7.5 cm，所以其中形變導(dǎo)致的高度誤差相對較小，且在計(jì)算地面噴頭投影點(diǎn)時(shí)引入了高度，可以使地面噴頭投影的Zf坐標(biāo)可以隨著高度的變化而變換，并且具有較高的交并比。

圖11 雙平面高度投影法投影誤差圖Fig.11 Projection error diagram of biplanar height projection method1.噴桿平面支撐架 2.紅外激光傳感器 3.噴頭標(biāo)識板 4.噴桿坐標(biāo)系 5.地面坐標(biāo)系

基于以上研究分析，本文綜合考慮了靈活性和感興趣區(qū)域的準(zhǔn)確度，在感興趣區(qū)域獲取方法的基礎(chǔ)上，采用雙平面高度投影法完成噴頭交點(diǎn)到地面的投影。

3 變量噴霧流量控制方法

變量噴霧流量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要通過植株密度和機(jī)組前進(jìn)速度來判斷相應(yīng)噴頭噴霧等級。使用PWM變量噴霧技術(shù)，建立占空比、流量、密度數(shù)據(jù)、速度的噴霧量模型，設(shè)計(jì)噴霧等級決策方法，實(shí)現(xiàn)流量等級的變換[12-14]。

3.1 噴霧量模型建立

噴頭流量需要和植株密度相匹配，單位植株密度所需噴霧量為設(shè)定值，該值與噴施藥物種類以及噴霧對象有關(guān)，根據(jù)上述條件，單位面積內(nèi)正常噴霧所需藥量計(jì)算公式為

(9)

式中u——單位面積內(nèi)正常噴霧所需藥量，L/m2

q——噴頭流量，mL/min

所使用噴頭流量q為615 mL/min。標(biāo)準(zhǔn)情況下行駛速度v為1.5 m/s；單個(gè)噴頭幅寬w選擇為0.6 m，可得u為11.38 mL/m2。

在實(shí)際噴霧過程中，存在單位面積植株覆蓋率D和行駛速度v等變量，需要根據(jù)這兩種情況做出變量噴霧決策，最終決策得噴頭流量q。

(1)植株覆蓋率對流量的影響

在實(shí)際噴霧過程中，由于土壤墑情等情況的影響[15]，難以達(dá)到覆蓋率為100%的情況，不同地塊的植株密度不同，單位面積植株覆蓋率D下單位面積所需藥量為

(10)

式中Q——單位面積所需要的藥量，L/m2

k——噴霧時(shí)期最大植株覆蓋率，%

(2)速度對流量的影響

在實(shí)際噴霧過程中，行駛速度難以保持一致。由此建立單位面積藥量Q和行駛速度v關(guān)系式為

(11)

聯(lián)立方程式(10)、(11)獲得噴頭流量q和單位面積植株覆蓋率D、行駛速度v的關(guān)系為

(12)

由式(12)可以看出，行駛速度越大，植株密度越大，需求噴嘴的流量越大。

3.2 噴頭流量等級決策方法

3.2.1噴頭流量占空比流量曲線

基于PWM控制的噴頭流量模型與噴嘴的流量型號、系統(tǒng)噴霧壓力、電磁閥的開關(guān)機(jī)械性能以及PWM控制信號頻率等因素相關(guān)。當(dāng)噴嘴的型號、系統(tǒng)噴霧壓力、電磁閥型號和PWM控制信號頻率等條件確定后，對噴頭流量和PWM信號占空比進(jìn)行標(biāo)定，從而可得噴頭流量與PWM占空比的線性方程為

q=As+b

(13)

式中A——特定壓力和頻率的流量占空比曲線的斜率

b——流量占空比曲線的截距

s——占空比

噴嘴采用迪科愛農(nóng)agrotop植保防漂移噴嘴，噴頭與電磁閥相結(jié)合，組成變量噴頭(圖12)。

圖12 變量噴頭Fig.12 Variable sprinkler1.電磁閥 2.噴嘴

變量噴霧中壓力越大，脈沖頻率越大，霧滴均勻性越好，根據(jù)以往研究成果，系統(tǒng)中PWM頻率采用9 Hz，噴霧系統(tǒng)壓力采用0.6 MPa[10]，在該環(huán)境下，對每一個(gè)噴頭進(jìn)行占空比和流量的標(biāo)定。標(biāo)定過程中，噴霧時(shí)間為1 min，通過設(shè)定PWM占空比，使用量筒記錄每一個(gè)噴頭的流量，獲取每個(gè)PWM占空比下的流量，取平均值后的標(biāo)定結(jié)果如表3所示。

如圖13所示，使用最小二乘法擬合直線，可得壓力0.6 MPa下，每個(gè)噴頭的占空比流量曲線y=0.003 75s+0.296。由表3可以看出，所使用的噴藥機(jī)噴頭在PWM占空比30%～90%范圍內(nèi)，呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系，流量可調(diào)節(jié)范圍為400～600 mL/min，流量調(diào)節(jié)范圍較大。當(dāng)占空比處于90%～100%范圍時(shí)，噴頭流量調(diào)節(jié)達(dá)到最大值。

表3 不同占空比時(shí)噴頭流量標(biāo)定結(jié)果Tab.3 Duty ratio and sprinkler flow mL/min

圖13 流量與占空比關(guān)系曲線Fig.13 Flow rate and duty cycle relationship curve

3.2.2噴霧等級決策

根據(jù)噴頭流量、速度、單位面積植株密度公式，聯(lián)立式(12)、(13)得到理論占空比和單位區(qū)域植株密度以及速度之間的關(guān)系，由標(biāo)定可得A=0.003 75、b=0.296，可得

(14)

由于每時(shí)刻的速度不同，每幀圖像所得植株密度不同，為了減小占空比頻繁變換的情況，本文將理論占空比通過等級決策值，劃分相應(yīng)的占空比。設(shè)定小于總流量15%的等級決策值，即s≤-69%時(shí)，等級為0，對應(yīng)占空比為0，關(guān)閉電磁閥；設(shè)定處于總流量15%～50%的等級決策值，即-55%

4 目標(biāo)區(qū)域變量噴霧

變量噴霧作為系統(tǒng)的核心部分[16-17]，噴頭需要能夠根據(jù)實(shí)際工作要求準(zhǔn)確進(jìn)行噴霧等級的變換[18]。實(shí)際的工作環(huán)境中存在秧苗生長密度不同、機(jī)組在田間地頭調(diào)轉(zhuǎn)方向使得部分噴頭在非目標(biāo)區(qū)域內(nèi)等實(shí)際問題。因此目標(biāo)區(qū)域內(nèi)噴霧作業(yè)時(shí)通過機(jī)器視覺對不同的生長密度的作物實(shí)現(xiàn)噴霧等級變換；目標(biāo)區(qū)域邊界的非目標(biāo)區(qū)域噴霧根據(jù)GNSS定位傳感器實(shí)時(shí)判斷控制噴頭停止噴霧。

4.1 基于機(jī)器視覺目標(biāo)區(qū)域內(nèi)變量噴霧

通過定位系統(tǒng)對目標(biāo)噴霧區(qū)域做出規(guī)劃，在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)基于機(jī)器視覺的等級變換方法是將感興趣區(qū)域圖像進(jìn)行圖像變換和圖像處理，實(shí)時(shí)獲取每一個(gè)感興趣區(qū)域的植株密度，當(dāng)密度達(dá)到不同等級閾值時(shí)，噴頭進(jìn)行變量噴霧[19]。

由于感興趣區(qū)域是一個(gè)不規(guī)則的四邊形，為便于計(jì)算在感興趣區(qū)域內(nèi)有效像素點(diǎn)的數(shù)量，本文使用透視變換將感興趣區(qū)域圖像變換為矩形。如圖14a、14b所示，圖像中的對象主要為小麥植株和背景，圖像處理時(shí)常將彩色圖像的RGB各個(gè)分量進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合轉(zhuǎn)換，以增強(qiáng)植物，抑制背景。對小麥作物識別采用超綠灰度法，即

圖14 小麥圖像處理結(jié)果Fig.14 Wheat image processing results

ExG=2G-R-B

(15)

通過大津法計(jì)算出最優(yōu)閾值Th，根據(jù)閾值Th將植物和背景分割處理，即

(16)

當(dāng)B=0為背景(黑色)，B=255為小麥植株(白色)，結(jié)果如圖14c、14d所示。

采用綠色植株占比的方式表示植株密度，將透視變換后的圖像(圖14e)進(jìn)行像素點(diǎn)數(shù)量統(tǒng)計(jì)，植株密度計(jì)算公式為

(17)

式中co——一個(gè)ROI區(qū)域中的有效像素點(diǎn)個(gè)數(shù)

Ar——ROI區(qū)域的像素面積

通過變量噴霧流量控制方法對噴霧進(jìn)行等級決策，實(shí)現(xiàn)變量噴霧目的。

4.2 基于定位的目標(biāo)區(qū)域邊界噴霧

基于定位系統(tǒng)的目標(biāo)區(qū)域邊界噴霧控制方式[20]：在工作前對每一個(gè)噴頭位置與GNSS天線的相對位置進(jìn)行確定；在系統(tǒng)工作時(shí)，使用相對位置數(shù)據(jù)和車輛定位數(shù)據(jù)，判斷每一個(gè)噴頭所處的位置是否在目標(biāo)噴霧區(qū)域內(nèi)，避免噴頭在非目標(biāo)噴霧區(qū)域誤噴。

4.2.1噴霧環(huán)境

目標(biāo)區(qū)域噴霧等級變換的前提是在指定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行噴霧，通過GNSS天線安裝位置計(jì)算出每一個(gè)噴頭和噴桿中心位置的實(shí)時(shí)坐標(biāo)。在實(shí)際整個(gè)噴霧的作業(yè)過程中，會遇到脫離目標(biāo)區(qū)域情況：

噴霧環(huán)境1：在實(shí)際作業(yè)中，田塊長度不完全是噴桿長度的倍數(shù)，在車輛行駛到邊界區(qū)域時(shí)，會出現(xiàn)未噴霧的田塊長度小于噴桿長度的情況，這時(shí)會出現(xiàn)車輛在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)工作，部分噴頭在區(qū)域外部，這種情況會導(dǎo)致非目標(biāo)區(qū)域的誤噴。

噴霧環(huán)境2：車輛處于目標(biāo)區(qū)域邊界處，但噴頭已經(jīng)在區(qū)域內(nèi)部，該情況常發(fā)生于地頭轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向過程中當(dāng)機(jī)組與田埂平行時(shí)，目標(biāo)噴霧區(qū)域中地頭部分出現(xiàn)重噴現(xiàn)象。

4.2.2實(shí)時(shí)噴頭位置確定方法

根據(jù)上述噴霧環(huán)境所適應(yīng)的作業(yè)狀態(tài)，為了解決噴霧環(huán)境1的問題，由GNSS天線安裝位置與噴頭相對位置、航向角和GNSS天線位置信息，實(shí)時(shí)判斷每一個(gè)噴頭是否在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)，當(dāng)噴頭處于目標(biāo)區(qū)域外時(shí)該噴頭則停止噴霧。采用3WP-280型自走式噴桿噴霧車，其噴桿高度會隨著液壓桿的升降而變化(圖15)，GNSS天線的位置和噴頭的相對位置隨之產(chǎn)生變化，所以需要引入高度參數(shù)，完成動態(tài)的相對位置確定，以適應(yīng)高度變化引起的相對位置的改變。

圖15 噴桿運(yùn)動簡圖Fig.15 Motion diagram of spray rod

在不同高度下，噴桿的中心和天線的相對位置會發(fā)生變化，某一個(gè)高度下的噴桿中心到GNSS天線安裝位置的距離為

(18)

式中Y1——在某一個(gè)高度下的噴桿中心到GNSS天線安裝位置的橫向距離，m

I——升降桿長度，m

Hp——平行四邊形的鉸點(diǎn)高度，m

H——噴桿高度(下鉸鏈高度)，m

M——GNSS天線安裝位置到點(diǎn)O的橫向距離，m

L——平行四邊形鉸點(diǎn)到噴桿中心的距離，m

由橫向距離Y1實(shí)時(shí)判斷每一個(gè)噴頭是否在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)。

為了解決噴霧環(huán)境2的問題，當(dāng)機(jī)組駛出地頭時(shí)，停止噴霧。由于GNSS天線的位置在噴桿正后方，將噴桿中心作為判斷位置，當(dāng)噴桿中心處于目標(biāo)工作區(qū)域外時(shí)，停止所有噴頭。首先確定工作區(qū)域，記錄目標(biāo)噴霧區(qū)域經(jīng)緯度，選取4個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)確定目標(biāo)區(qū)域經(jīng)緯度。

GPRMC數(shù)據(jù)刷新頻率為10 Hz，使用串口實(shí)時(shí)獲取GPRMC信號中的經(jīng)緯度和航向角，其中航向角以正北方向?yàn)?°，順時(shí)針角度增加，使用UTM投影計(jì)算GNSS天線投影坐標(biāo)，并實(shí)時(shí)計(jì)算噴頭位置坐標(biāo)。如圖16所示，將xoy坐標(biāo)系下表示的GNSS接收器安裝位置與每一個(gè)噴頭目標(biāo)點(diǎn)的關(guān)系坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到坐標(biāo)系XOY下，計(jì)算公式為

圖16 實(shí)時(shí)目標(biāo)點(diǎn)計(jì)算示意圖Fig.16 Schematic of real-time target point calculation

(19)

式中 (X′3,Y′3)——噴頭在XOY坐標(biāo)系下的位置坐標(biāo)

(x2,y2)——噴桿中心在坐標(biāo)系xoy下的位置坐標(biāo)

(x3,y3)——噴頭在坐標(biāo)系xoy下的位置坐標(biāo)

β——行駛航向角

(X′1,Y′1)——在坐標(biāo)系XOY中GNSS接收器安裝位置坐標(biāo)

(X′2,Y′2)——噴桿中心位置Pcentre_d在坐標(biāo)系XOY下的位置坐標(biāo)

點(diǎn)Pcentre_d為虛擬點(diǎn)，用來判斷車輛是否在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)。

5 驗(yàn)證試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)材料

為了驗(yàn)證小麥變量噴霧系統(tǒng)的作業(yè)效果，2020年11月于河南省焦作市武陟縣進(jìn)行噴藥機(jī)噴霧試驗(yàn)，試驗(yàn)對象為小麥，植株高度40～80 mm。3WP-260型自走式噴桿噴霧機(jī)(圖17)的噴霧壓力為0.6 MPa，噴霧高度為0.5 m，噴頭最大流量為0.615 L/min。

圖17 試驗(yàn)裝置Fig.17 Test device

5.2 目標(biāo)區(qū)域內(nèi)變量噴霧性能試驗(yàn)

試驗(yàn)前期通過定位系統(tǒng)對目標(biāo)噴霧區(qū)域做出規(guī)劃，通過機(jī)器視覺的等級變換方法將感興趣區(qū)域圖像進(jìn)行圖像變換和圖像處理，考察機(jī)具對目標(biāo)區(qū)域內(nèi)不同植株密度實(shí)現(xiàn)變量噴霧的性能。

5.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)與評價(jià)方法

為了選取放置水敏試紙的采樣區(qū)域，試驗(yàn)前期使用標(biāo)識框(標(biāo)識框內(nèi)框尺寸與噴頭對應(yīng)的圖像檢測區(qū)域?qū)嶋H尺寸一致，長度為60 cm，寬度為40 cm。)對田塊進(jìn)行標(biāo)記，通過圖像處理計(jì)算采樣區(qū)域植株密度，并將其劃分為植株稀疏區(qū)域和植株正常區(qū)域。

根據(jù)田間植株生長情況，分別在植株稀疏區(qū)域(計(jì)算密度小于40%)和植株正常區(qū)域(計(jì)算密度大于40%)布置水敏紙，試驗(yàn)采樣位置如圖18所示。為檢測及評價(jià)變量噴霧性能的實(shí)際效果，試驗(yàn)使用水敏紙(圖19)在采樣區(qū)域記錄每一次噴霧情況。

圖18 采樣位置Fig.18 Sampling locations

圖19 水敏紙采樣方式Fig.19 Sampling method of water-sensitive paper

試驗(yàn)采用6組噴頭，對照組和試驗(yàn)組采用的噴嘴型號、噴嘴噴霧角、噴霧壓力、噴桿高度和電磁閥型號等條件均保持一致。

選取3個(gè)植株密度正常的區(qū)域，將此組試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為對照組試驗(yàn)，機(jī)組速度為1.5 m/s；選取3組植株稀疏區(qū)域?qū)⒋私M試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)組1，機(jī)組速度為1.5 m/s；在與對照組相同的3個(gè)區(qū)域內(nèi)將該組試驗(yàn)作為試驗(yàn)組2，機(jī)組速度為0.75 m/s。水敏紙收集并進(jìn)行處理。

5.2.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

使用DepositScan軟件對各個(gè)采樣點(diǎn)的水敏紙圖像進(jìn)行分析[21]，霧滴覆蓋率如表4～6所示。植株密度對變量噴霧量有著較大影響，3組數(shù)據(jù)表明相同機(jī)組速度下植株稀疏區(qū)相對植株正常區(qū)的平均霧滴覆蓋率減少12.06%，相同植株密度下機(jī)組前進(jìn)速度0.75 m/s相對1.50 m/s的平均霧滴覆蓋率平均增加3.94%。在滿足噴霧標(biāo)準(zhǔn)的情況下，可以在不同速度、不同植株密度下實(shí)現(xiàn)變量噴霧。

表4 第1組采樣點(diǎn)處霧滴覆蓋率Tab.4 Fog drop coverage rate under sampling point of group 1 %

表5 第2組采樣點(diǎn)處霧滴覆蓋率Tab.5 Fog drop coverage rate under sampling point of group 2 %

表6 第3組采樣點(diǎn)處霧滴覆蓋率Tab.6 Fog drop coverage rate under sampling point of group 3 %

5.3 目標(biāo)區(qū)域邊界噴霧性能試驗(yàn)

目標(biāo)區(qū)域邊界噴霧主要是通過GNSS天線安裝位置計(jì)算出每一個(gè)噴頭和噴桿中心位置的實(shí)時(shí)坐

標(biāo)，在實(shí)際整個(gè)噴霧的作業(yè)過程中，實(shí)時(shí)判斷每一個(gè)噴頭是否在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)，當(dāng)噴頭處于目標(biāo)區(qū)域外時(shí)該噴頭則停止噴霧。

5.3.1目標(biāo)區(qū)域邊界噴頭噴霧性能試驗(yàn)

根據(jù)噴霧環(huán)境1，開展目標(biāo)區(qū)域邊界噴霧性能試驗(yàn)。系統(tǒng)工作時(shí)，實(shí)時(shí)判斷每一個(gè)噴頭的位置是否在目標(biāo)噴霧區(qū)域內(nèi)。在實(shí)際試驗(yàn)中，由于田間環(huán)境等因素[22-23]，增加了試驗(yàn)結(jié)果測量的難度和誤差，因此選擇平坦的地塊進(jìn)行路面試驗(yàn)，驗(yàn)證行駛速度對噴霧等級變換準(zhǔn)確度的影響。如圖20所示,根據(jù)該自走式噴桿噴霧機(jī)實(shí)際作業(yè)速度區(qū)間，將行駛速度分別調(diào)整為0.5、1.0、1.5 m/s，在目標(biāo)噴霧區(qū)域邊界處行駛，測量超出目標(biāo)噴霧區(qū)域的距離。每隔0.5 m測量噴霧超出量誤差，并記錄。

圖20 區(qū)域邊界行駛Fig.20 Driving at regional boundary

試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。行駛速度為0.5 m/s時(shí)，區(qū)域邊界行駛的噴霧超出量誤差平均值為48.72 cm，標(biāo)準(zhǔn)差為1.90 cm；行駛速度為1.0 m/s時(shí)，區(qū)域邊界行駛的噴霧超出量誤差平均值為54.36 cm，標(biāo)準(zhǔn)差為2.06 cm；行駛速度為1.5 m/s時(shí)，區(qū)域邊界行駛的噴霧超出量誤差平均值為55.18 cm，標(biāo)準(zhǔn)差為2.71 cm。

表7 不同速度噴霧超出量誤差Tab.7 Errors in excess of spray at different speeds cm

5.3.2目標(biāo)區(qū)域邊界行駛方式噴霧性能試驗(yàn)

根據(jù)噴霧環(huán)境2，開展目標(biāo)區(qū)域邊界噴霧性能試驗(yàn)。為驗(yàn)證行駛方式對噴霧等級變換準(zhǔn)確度的影響[24-25]，同時(shí)考慮到噴頭開閉響應(yīng)一致情況下，行駛速度越快誤差越大。因此為得到噴霧效果可靠性，試驗(yàn)將行駛速度調(diào)整為1.5 m/s。將行駛方式劃分為3種情況，如圖21所示。行駛方式1：中心點(diǎn)在目標(biāo)區(qū)域外，勻速在目標(biāo)區(qū)域邊界行駛，每隔1 m測量超出目標(biāo)區(qū)域的噴霧超出量誤差，并記錄數(shù)據(jù)。行駛方式2：勻速行駛，由目標(biāo)區(qū)域外駛?cè)肽繕?biāo)區(qū)域內(nèi)，每隔0.5 m測量噴霧超出量誤差，并記錄數(shù)據(jù)。行駛情況3：以勻速行駛，由目標(biāo)區(qū)域內(nèi)駛出目標(biāo)區(qū)域，每隔0.5 m測量噴霧超出量誤差，并記錄數(shù)據(jù)。

圖21 駛?cè)牒婉偝瞿繕?biāo)區(qū)域Fig. 21 Driving in and out of target areas

試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。駛出目標(biāo)區(qū)域超出量誤差平均值為19.36 cm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.81 cm；駛?cè)肽繕?biāo)區(qū)域超出量誤差平均值為7.2 cm，標(biāo)準(zhǔn)差為1.48 cm；區(qū)域邊界行駛超出量誤差平均值為55.18 cm，標(biāo)準(zhǔn)差為2.71 cm。

表8 不同行駛方式的噴霧超出量誤差Tab.8 Spray excess error of different driving modes cm

6 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了基于機(jī)器視覺和北斗定位系統(tǒng)的小麥變量噴霧系統(tǒng)，滿足實(shí)際作業(yè)要求，可以實(shí)現(xiàn)不同速度、植株密度下的變量噴霧。

(2)利用機(jī)器視覺在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)建立不同植株密度下和前進(jìn)速度的變量噴霧試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明相同機(jī)組速度下植株密度稀疏區(qū)相對植株密度正常區(qū)的平均霧滴覆蓋率平均減少12.06%，相同植株密度下機(jī)組前進(jìn)速度0.75 m/s相對1.5 m/s的平均霧滴覆蓋率平均增加3.94%。主要是根據(jù)植株密度發(fā)生變化時(shí)，通過圖像處理實(shí)現(xiàn)噴霧等級發(fā)生變化，當(dāng)植株密度不變速度變化時(shí)，速度變慢導(dǎo)致停留時(shí)間增加，因此平均霧滴覆蓋率也會上升。在滿足噴霧標(biāo)準(zhǔn)的情況下，可以在不同速度、不同植株密度下實(shí)現(xiàn)變量噴霧。

(3)通過定位系統(tǒng)在目標(biāo)區(qū)域邊界開展行駛速度對等級變換準(zhǔn)確度的影響試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，噴霧超出量誤差及標(biāo)準(zhǔn)差隨著行駛速度的增加而增加。主要由于行駛速度越快提供響應(yīng)時(shí)間越短，而系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間固定，因此行駛速度越快噴霧超出量誤差越大。在行駛速度為0.5 m/s時(shí)準(zhǔn)確度最高，區(qū)域邊界行駛的最大超出量誤差為52 cm，平均值為48.72 cm，標(biāo)準(zhǔn)差為1.90 cm。

(4)通過定位系統(tǒng)在目標(biāo)區(qū)域邊界展開行駛方式對噴霧等級變換準(zhǔn)確度的影響試驗(yàn)。其中駛?cè)肽繕?biāo)區(qū)域超出量誤差平均值為7.20 cm，駛出目標(biāo)區(qū)域超出量誤差平均值為19.36 cm，區(qū)域邊界行駛超出量誤差平均值為55.18 cm。駛?cè)肽繕?biāo)區(qū)域相對駛出目標(biāo)區(qū)域，由于系統(tǒng)需要一定的響應(yīng)時(shí)間因此噴霧從開到閉，增加了一定的噴霧超出誤差；同時(shí)區(qū)域邊界行駛，噴霧不斷地開閉增加響應(yīng)時(shí)間，導(dǎo)致在3種情況中噴霧超出誤差最大。