肖 珂 郝 毅 高冠東

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 保定 071001； 2.河北省農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 保定 071001；3.中央司法警官學(xué)院信息管理系， 保定 071000)

0 引言

在果園施藥技術(shù)研究中，自動(dòng)對(duì)靶噴霧技術(shù)可以有效解決農(nóng)藥浪費(fèi)和環(huán)境污染問題[1]。研究人員利用紅外傳感器[2]、超聲波傳感器[3]、激光雷達(dá)傳感器[4]、機(jī)器視覺[5]等技術(shù)構(gòu)建的自動(dòng)對(duì)靶噴霧系統(tǒng)可以準(zhǔn)確檢測(cè)樹冠和噴施目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)間歇性有選擇噴施，節(jié)約了農(nóng)藥資源。

為了進(jìn)一步提高噴施效率，國內(nèi)外研究人員開始對(duì)噴施區(qū)域的冠層特征、葉墻面積等進(jìn)行檢測(cè)分析，根據(jù)分析結(jié)果實(shí)時(shí)調(diào)整相應(yīng)的噴施參數(shù)。薛秀云等[6]利用激光雷達(dá)(Laser detection and ranging，LiDAR)檢測(cè)技術(shù)獲取葉墻面積(Leaf wall area，LWA)，應(yīng)用圖像處理技術(shù)計(jì)算相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了基于LWA的變量噴霧，與純對(duì)靶噴霧相比省藥率為32.77%；姜紅花等[7]將激光測(cè)距傳感器和超聲波傳感器相結(jié)合，設(shè)計(jì)了基于多傳感器陣列的冠層信息采集方法和果樹冠層體積在線計(jì)算方法，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的變風(fēng)量噴霧提高了沉積率，減少了噴霧漂移；OSTERMAN等[8]利用激光掃描儀測(cè)量冠層，將測(cè)得的數(shù)據(jù)利用數(shù)學(xué)方法擬合出輪廓，并使用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)算法調(diào)整噴施臂到冠層的距離，使噴霧覆蓋范圍最佳。

在調(diào)整噴霧參數(shù)的研究中，對(duì)噴霧量的調(diào)整最常見，通過調(diào)整噴霧量可明顯減少農(nóng)藥的使用[9]；而噴霧距離作為影響噴霧效果的重要參數(shù)之一，根據(jù)果樹冠層結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)噴霧距離，實(shí)現(xiàn)噴霧與冠層的仿形是廣大學(xué)者關(guān)心的目標(biāo)[10]。目前關(guān)于噴霧距離調(diào)整的研究較少，并且調(diào)整方式有局限性，不能保證實(shí)時(shí)性[11-12]。因此，在調(diào)整噴霧距離的研究中，保證調(diào)整過程的自動(dòng)化程度與實(shí)時(shí)性將是研究重點(diǎn)。在目前果園噴霧系統(tǒng)的研究中，能同時(shí)針對(duì)噴霧量與噴霧位置進(jìn)行調(diào)整的研究報(bào)道較少，為進(jìn)一步提高噴霧效率，應(yīng)設(shè)計(jì)能同時(shí)調(diào)整噴霧量和噴霧距離的噴霧系統(tǒng)。

由于我國北方果園種植的果樹多以落葉喬木為主，其生長狀態(tài)與種植方式大體相同，與南方果園樹種、樹形、種植方式的多樣化形成了明顯差異。故本文結(jié)合實(shí)際應(yīng)用中對(duì)噴霧系統(tǒng)普適性與實(shí)時(shí)性的要求，設(shè)計(jì)一款適用于我國北方果園病蟲害防治的施藥系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用紅外測(cè)距傳感器組成的傳感器陣列探測(cè)冠層，將測(cè)得的數(shù)據(jù)利用數(shù)學(xué)方法構(gòu)建冠層體積估算模型，并通過設(shè)計(jì)噴霧參數(shù)調(diào)節(jié)方案，使噴霧距離和噴霧量可實(shí)時(shí)調(diào)整，以提高噴霧效率。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

據(jù)調(diào)查，在我國北方果園標(biāo)準(zhǔn)化種植中，株行距多為5 m×5 m，樹高控制在2.5 m左右，果樹冠層高度大約在1.6 m；果樹冠層分布較分散，且不同高度的冠層密度各不相同。

為了能滿足不同樹冠高度和冠層密度對(duì)施藥系統(tǒng)的要求，本文根據(jù)果園果樹的特征與參數(shù)，設(shè)計(jì)一款可調(diào)整噴施距離和噴霧量的施藥系統(tǒng)。該施藥系統(tǒng)主要由噴施臂、控制系統(tǒng)以及相應(yīng)的模塊組成，其原理框圖如圖1所示。

圖1 施藥系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Principle block diagram of spraying system

1.2 噴施臂結(jié)構(gòu)

噴施臂整體高1.8 m，寬0.72 m，分為上、中、下3部分，分別對(duì)應(yīng)果樹冠層的頂層、中層、底層。噴施臂每個(gè)部分都裝有一個(gè)扇形噴嘴，在噴嘴處安裝了一個(gè)由3個(gè)紅外測(cè)距傳感器組成的傳感器陣列來探測(cè)樹冠；各部分噴施臂通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿滑臺(tái)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)。噴施臂的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 噴施臂結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structural drawings of spraying arm 1、15.垂直調(diào)節(jié)電機(jī) 2、14.垂直絲桿滑臺(tái) 3、7、13.分支絲桿滑臺(tái) 4、8、12.分支水平調(diào)節(jié)電機(jī) 5、11.整體絲桿滑臺(tái) 6、10.整體水平調(diào)節(jié)電機(jī) 9.連接板 16.底座 17.支架 18、21、22、25、26、29.紅外測(cè)距傳感器 19、23、27.噴嘴 20、24、28.安裝架

如圖2所示，上下兩部分垂直絲桿滑臺(tái)分別安裝在兩個(gè)整體絲桿滑臺(tái)上，整體絲桿滑臺(tái)通過連接板連接，當(dāng)兩個(gè)整體水平調(diào)節(jié)電機(jī)同時(shí)同步運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，就可以通過控制整體絲桿滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)整體噴施臂的左右移動(dòng)，其移動(dòng)行程為0～50 cm，移動(dòng)速度為1 cm/s；分支水平調(diào)節(jié)電機(jī)可以控制分支絲桿滑臺(tái)左右運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)每個(gè)噴嘴的左右調(diào)距，其移動(dòng)行程為0～30 cm，移動(dòng)速度為2 cm/s，最大可調(diào)為4 cm/s；垂直調(diào)節(jié)電機(jī)可以控制垂直絲桿滑臺(tái)上下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)上下兩噴嘴的上下移動(dòng)，其移動(dòng)行程為0～60 cm，移動(dòng)速度為2 cm/s；3個(gè)安裝架分別安裝在3個(gè)分支絲桿滑臺(tái)上，噴嘴與紅外測(cè)距傳感器分別固定在安裝架上的特定位置，形成了紅外傳感器陣列，噴嘴與紅外傳感器的安裝位置與距離如圖3所示。

圖3 紅外傳感器陣列Fig.3 Infrared sensor array

1.3 控制系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)主要由微控制器、繼電器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電源模塊、流量比例調(diào)節(jié)閥、水泵等組成。其中微控制器芯片選用ST公司生產(chǎn)的STM32F407IGT6芯片，該芯片集成了新的DSP和FPU指令，具有168 MHz的高運(yùn)行速率，接口資源豐富，可以很大程度提升控制算法的執(zhí)行速度和代碼效率；繼電器用來控制水泵的通斷，可以由控制芯片根據(jù)相應(yīng)的信號(hào)控制，流量比例調(diào)節(jié)閥用來調(diào)整噴施時(shí)的實(shí)際流量；步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選用東芝公司生產(chǎn)的TB6600型升級(jí)款驅(qū)動(dòng)器，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器作為橋梁來連接控制芯片、電源和步進(jìn)電機(jī)，達(dá)到低振動(dòng)、低噪聲、高速度的驅(qū)動(dòng)效果，可以實(shí)現(xiàn)控制芯片對(duì)步進(jìn)電機(jī)的精準(zhǔn)控制；電源模塊由紐曼N300型升級(jí)版移動(dòng)電源和開關(guān)電源組成，紐曼N300負(fù)責(zé)整體系統(tǒng)的供電，開關(guān)電源負(fù)責(zé)給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、水泵、電磁閥等供電。

2 基于傳感器陣列的冠層體積估算模型構(gòu)建

在施藥系統(tǒng)研究中，對(duì)于果樹冠層體積的計(jì)算必不可少，也是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)噴霧的重要環(huán)節(jié)。本文選用紅外測(cè)距傳感器檢測(cè)冠層，在每個(gè)噴嘴處，將3個(gè)紅外測(cè)距傳感器如圖3所示安裝組成傳感器陣列，并利用此陣列構(gòu)建冠層分割模型和冠層體積估算模型。

2.1 冠層分割模型

根據(jù)噴施臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，上、中、下3個(gè)紅外傳感器陣列分別探測(cè)果樹冠層的頂層、中層、底層區(qū)域；由于噴施臂上、中、下3部分結(jié)構(gòu)完全一致，故本文選取中部冠層區(qū)域分析噴施臂在前進(jìn)過程中如何利用紅外傳感器陣列分割冠層。冠層分割模型如圖4所示。

圖4 冠層分割模型Fig.4 Canopy segmentation model

如圖4所示，噴施臂放置在一個(gè)可移動(dòng)工作平臺(tái)上，其移動(dòng)平均速度為30 cm/s；圖中黑色標(biāo)注點(diǎn)為紅外傳感器陣列在冠層上的探測(cè)點(diǎn)，當(dāng)傳感器1和傳感器3都測(cè)得數(shù)據(jù)時(shí)為T0時(shí)刻，即為起始時(shí)刻T0。本文利用Tn(n為整數(shù))和Tn.5表示不同時(shí)刻。

傳感器陣列隨著工作臺(tái)的移動(dòng)探測(cè)整個(gè)冠層，在Tn(包括T0)記錄傳感器1和3探測(cè)的數(shù)據(jù)，Tn.5記錄傳感器2的數(shù)據(jù)。其中Tn(不包括T0)所探測(cè)的冠層為相鄰分割區(qū)域的邊界，即Tn既為前一分割區(qū)域的結(jié)束時(shí)刻也為下一分割區(qū)域的起始時(shí)刻，由于Tn與Tn+1的時(shí)間間隔為1 s，則所分割的冠層區(qū)域的橫向長度L為30 cm；由圖3可知，傳感器1與傳感器3之間的長度為50 cm，因此冠層在平面上被分割為若干個(gè)30 cm×50 cm的長方形區(qū)域。

2.2 冠層體積估算模型

由圖4可知，在T0時(shí)刻紅外傳感器陣列開始探測(cè)冠層，在T1時(shí)刻，傳感器陣列所探測(cè)過的冠層長度L為30 cm；本節(jié)選取起始時(shí)間段T0～T1，結(jié)合噴施臂結(jié)構(gòu)與冠層分割模型，構(gòu)建如圖5所示的冠層體積估算模型。

圖5 冠層體積估算模型Fig.5 Canopy volume estimation models

在圖5a中，d0、d1為T0時(shí)刻傳感器1和3測(cè)得的與冠層的距離，d2為傳感器2在T0.5時(shí)刻測(cè)得的距離，d3、d4為T1時(shí)刻傳感器1和3測(cè)得的與冠層的距離；A0、B0為起始時(shí)刻探測(cè)點(diǎn)，A1、B1為結(jié)束時(shí)刻的探測(cè)點(diǎn)，C為當(dāng)前探測(cè)區(qū)域的中心探測(cè)點(diǎn)，前進(jìn)速度vf為30 cm/s；圖5b中，虛線所形成的區(qū)域可近似看作圖5a中紅外傳感器陣列在1 s內(nèi)所探測(cè)冠層區(qū)域的大致輪廓(即利用虛線區(qū)域表示圖5a中傳感器陣列探測(cè)的冠層區(qū)域)。本文將此冠層區(qū)域記為局部冠層，通過計(jì)算得到的冠層體積記為局部冠層體積，連接A0、B0、B1、A1這4個(gè)點(diǎn)，所形成的四邊形A0B0B1A1即為局部冠層的橫截面。

根據(jù)位置距離關(guān)系，以T0時(shí)刻傳感器1的測(cè)距起點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O，建立如圖5a所示的OXYZ空間直角坐標(biāo)系。其中各探測(cè)點(diǎn)X軸的坐標(biāo)隨著Tn的變化而發(fā)生改變，其關(guān)系式為

(1)

式中X——各探測(cè)點(diǎn)橫坐標(biāo)，cm

故在T0～T1時(shí)間段，點(diǎn)A0的坐標(biāo)為(0,0,d0)，點(diǎn)B0的坐標(biāo)為(0,50,d1)，點(diǎn)A1的坐標(biāo)為(30,0,d3)，點(diǎn)B1的坐標(biāo)為(30,50,d4)，點(diǎn)C的坐標(biāo)為(15,25,d2)。由此可得

(2)

式中a、b、c、d——橫截面各邊邊長，cm

e——對(duì)角線A0B1長度，cm

根據(jù)海倫公式可得

(3)

其中

p1=(a+b+e)/2

(4)

p2=(d+c+e)/2

(5)

式中S1——△A0A1B1面積，cm2

S2——△A0B0B1面積，cm2

p1——△A0A1B1半周長，cm

p2——△A0B0B1半周長，cm

根據(jù)公式(3)～(5)，可求出

S=S1+S2

(6)

式中S——橫截面A0B0B1A1面積，cm2

根據(jù)李龍龍等[13]提出的冠層分割模型，利用傳感器技術(shù)在橫向分割冠層時(shí)，可將冠層等效為若干個(gè)長方體，結(jié)合本文提出的冠層分割模型與冠層體積估算模型，可將局部冠層體積等效為一個(gè)四棱柱體積，如圖5b所示，該四棱柱的底面為局部冠層的橫截面A0B0B1A1。

在橫截面A0B0B1A1中，將以A0為起點(diǎn)，A1為終點(diǎn)的有向線段記為向量lA0A1，以A0為起點(diǎn)，B0為終點(diǎn)的有向線段記為向量lA0B0，則向量lA0A1、lA0B0的坐標(biāo)表示為(30,0,d3-d0)、(0,50,d1-d0)。

設(shè)橫截面A0B0B1A1的法向量為N=(m,g,w)，則有

(7)

設(shè)法向量N的Z軸坐標(biāo)w為30 cm，由此可求得

N=(d0-d3,0.6d0-0.6d1,30)

在空間直角坐標(biāo)系中，給定一點(diǎn)M(x0,y0,z0)和平面法向量l=(H,J,K)，可以確定此平面為

H(X-x0)+J(Y-y0)+K(Z-z0)=0

因此將點(diǎn)B1坐標(biāo)與法向量N代入后可得橫截面A0B0B1A1的方程為

5(d0-d3)x+3(d0-d1)y+150z- 150(2d0-d1-d3+d4)=0

(8)

由于點(diǎn)C為局部冠層的中心探測(cè)點(diǎn)，根據(jù)點(diǎn)到平面的距離公式，可得

(9)

式中dp——局部冠層中心點(diǎn)到橫截面的距離，cm

故以橫截面A0B0B1A1為四棱柱底面，dp為高，有

VL≈Sdp

(10)

式中VL——局部冠層體積，cm3

在求出時(shí)間段T0～T1所探測(cè)的局部冠層體積后，以T1為起始時(shí)刻，T2為結(jié)束時(shí)刻，按照上述方法繼續(xù)求解時(shí)間段T1～T2和之后時(shí)間段的局部冠層體積，直到噴霧停止。

3 噴霧參數(shù)調(diào)節(jié)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 噴霧距離調(diào)節(jié)

選用的噴嘴為扇形噴嘴(東莞市博利噴霧凈化有限公司)，噴施角度為60°，流量為76 mL/s。噴霧距離與覆蓋范圍的關(guān)系如圖6所示(圖中虛線為角平分線)。

圖6 噴霧距離和覆蓋范圍Fig.6 Spraying distance and coverage

由圖6可以看出，在噴霧角度固定的情況下，噴霧距離與噴霧覆蓋范圍的關(guān)系為

(11)

式中D——噴霧縱向覆蓋范圍，cm

df——噴霧距離，cm

如圖4所示，局部冠層最大縱向范圍為50 cm，故在噴施前，應(yīng)調(diào)整噴霧距離df，使得D為50 cm，從而使噴霧充分覆蓋局部冠層。根據(jù)式(11)計(jì)算出最佳噴霧距離約為43 cm。

當(dāng)施藥系統(tǒng)行進(jìn)至第1個(gè)噴施目標(biāo)時(shí)，即到達(dá)圖4中的T0時(shí)刻，此時(shí)停止前進(jìn)，由于噴嘴與紅外傳感器陣列在同一平面，故可將此時(shí)傳感器1和3測(cè)得的距離的平均值近似為噴霧距離，即

df=(d0+d1)/2

(12)

將測(cè)得的噴霧距離df與最佳噴霧距離對(duì)比自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，若df>43 cm，分支絲桿滑臺(tái)則正向運(yùn)動(dòng)靠近冠層，反之則反方向運(yùn)動(dòng)。分支絲桿滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)的距離為

dt=|df-43|

(13)

式中dt——分支絲桿滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)距離，cm

dt<10 cm時(shí)，運(yùn)動(dòng)速度v=2 cm/s，dt≥10 cm時(shí)，v=4 cm/s。

將噴霧距離調(diào)整至最佳后，控制器重新采集記錄T0時(shí)刻傳感器探測(cè)的數(shù)據(jù)，施藥系統(tǒng)繼續(xù)前進(jìn)，直至噴施完當(dāng)前目標(biāo)。

由于同一果園中果樹的特征與修枝方法一致，故果樹的形態(tài)差異較小，因此施藥系統(tǒng)在噴施下一目標(biāo)時(shí)，噴霧距離只需在原先的基礎(chǔ)上根據(jù)公式(12)、(13)在行進(jìn)中進(jìn)行微調(diào)。調(diào)整時(shí)傳感器的測(cè)距結(jié)果會(huì)受到影響，但對(duì)冠層體積計(jì)算的最終結(jié)果影響甚小，本文將微調(diào)過程中對(duì)冠層體積計(jì)算造成的影響忽略不計(jì)。

3.2 噴霧量調(diào)節(jié)

冠層體積不同，所需的噴霧量也要進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，從而降低農(nóng)藥的使用。為實(shí)現(xiàn)流量的精準(zhǔn)控制，本文選用流量比例調(diào)節(jié)閥(江西凱強(qiáng)實(shí)業(yè)有限公司)作為流量控制閥門，該閥門通過改變0～10 V范圍內(nèi)的輸入電壓來調(diào)節(jié)閥門開度；0～10 V輸入電壓通過單片機(jī)控制PWM轉(zhuǎn)電壓模塊提供。依據(jù)比例調(diào)節(jié)閥和PWM轉(zhuǎn)電壓模塊的技術(shù)參數(shù)，可推知占空比與噴嘴流量的關(guān)系為

Q=qP

(14)

式中Q——噴嘴實(shí)際流量，mL/s

q——噴嘴最大流量，取76 mL/s

P——占空比

由圖4可得，在利用紅外傳感器陣列探測(cè)冠層時(shí)，噴施區(qū)域在水平方向以30 cm長度劃分，在估算出局部冠層體積后，有

10-6VLu=Qt=qPt

(15)

式中t——噴施局部冠層所用時(shí)間，取1 s

u——單位體積冠層所需噴霧量，mL/m3

在文獻(xiàn)[14]中u取100 mL/m3，并指出u的取值往往根據(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，本文為了使試驗(yàn)效果更加明顯，提高系統(tǒng)噴施過程中的穩(wěn)定性，取u為500 mL/m3，由此可得占空比與冠層體積的關(guān)系為

P=5×10-4VL/76

(16)

利用公式(16)即可根據(jù)估算出的局部冠層體積計(jì)算出流量比例調(diào)節(jié)閥所需的PWM占空比。為減少比例閥的調(diào)節(jié)時(shí)間，在T0時(shí)刻將其開度設(shè)定為1/3；如圖4、5所示，由于在T1時(shí)刻，施藥系統(tǒng)還需運(yùn)動(dòng)1 s噴嘴才能到達(dá)T0時(shí)刻所檢測(cè)的冠層處開始噴施，在這1 s的運(yùn)動(dòng)過程中，比例閥根據(jù)占空比進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

3.3 施藥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文將施藥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為手機(jī)APP控制系統(tǒng)和變量控制系統(tǒng)。手機(jī)APP控制系統(tǒng)通過控制板上的ESP8266-01模塊與手機(jī)建立通訊連接，并利用手機(jī)APP VLAN控制整個(gè)系統(tǒng)。手機(jī)APP控制系統(tǒng)應(yīng)用于噴施臂的運(yùn)動(dòng)測(cè)試以及噴施前噴施臂的調(diào)整。在噴施前，利用本項(xiàng)目組研究成果[15-16]，使用Kinect傳感器獲得果樹冠層位置信息，通過改變可移動(dòng)平臺(tái)的高度使中部噴嘴校準(zhǔn)到冠層中心位置，其校準(zhǔn)誤差范圍為3～4 mm，利用手機(jī)APP控制系統(tǒng)調(diào)整上下兩部分垂直絲桿滑臺(tái)使上下兩個(gè)噴嘴運(yùn)動(dòng)到合適的噴施位置，其運(yùn)動(dòng)誤差范圍為4～5 mm。

變量控制系統(tǒng)應(yīng)用于施藥系統(tǒng)前進(jìn)時(shí)，如圖4所示，在T0時(shí)刻之前，系統(tǒng)通過傳感器2檢測(cè)冠層，當(dāng)檢測(cè)到距離時(shí)，水泵電磁閥開啟，對(duì)應(yīng)部分比例閥開度由0逐漸調(diào)為1/3，噴施對(duì)應(yīng)區(qū)域冠層；當(dāng)上、中、下3部分噴施臂都到達(dá)T0時(shí)刻時(shí)，水泵電磁閥斷開，系統(tǒng)停止前進(jìn)，調(diào)整噴霧距離和比例閥開度；在T1時(shí)刻，微控制器根據(jù)前文提到的冠層體積估算方法計(jì)算出局部冠層體積，計(jì)算出占空比P；在T2時(shí)刻，噴嘴到達(dá)T0時(shí)刻所探測(cè)冠層處，此時(shí)比例閥已調(diào)整完畢，開始噴施T0～T1時(shí)間間隔內(nèi)所探測(cè)的局部冠層；按照如上方法噴施不同時(shí)間間隔所探測(cè)的局部冠層；在噴施過程中，若在Tn時(shí)刻傳感器1和3都測(cè)有數(shù)據(jù)，在Tn+k時(shí)刻(k<1)傳感器1和3沒有測(cè)得數(shù)據(jù)，則在噴施完Tn-1～Tn時(shí)間間隔內(nèi)冠層區(qū)域后，流量比例閥開度保持不變，噴施時(shí)間k(s)后停止噴施，此時(shí)所有冠層噴施完畢。施藥控制系統(tǒng)原理如圖7所示。

圖7 施藥控制系統(tǒng)原理圖Fig.7 Schematic of spraying control system

4 噴施臂運(yùn)動(dòng)與冠層體積估算模型準(zhǔn)確性測(cè)試

由于在進(jìn)行噴施試驗(yàn)時(shí)，噴施臂會(huì)進(jìn)行調(diào)整，使噴嘴達(dá)到合適的噴施位置；在噴施過程中，分支絲桿滑臺(tái)也會(huì)運(yùn)動(dòng)以達(dá)到最佳噴霧距離；而噴霧量的調(diào)節(jié)主要是根據(jù)估算的冠層體積決定的。因此噴施臂的運(yùn)動(dòng)效果與冠層體積估算模型的準(zhǔn)確性都會(huì)對(duì)噴施效果產(chǎn)生影響，本文對(duì)此分別進(jìn)行測(cè)試。

4.1 噴施臂運(yùn)動(dòng)測(cè)試

當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，控制器會(huì)根據(jù)噴霧距離調(diào)整方案和公式(13)計(jì)算出分支絲桿滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)的距離dt。在運(yùn)動(dòng)過程中，噴施臂的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)間、運(yùn)動(dòng)實(shí)際耗時(shí)等都會(huì)影響整個(gè)施藥系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。因此本文在戶外對(duì)噴施臂的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)間、實(shí)際耗時(shí)進(jìn)行了測(cè)試。噴施臂運(yùn)動(dòng)測(cè)試如圖8所示。

圖8 噴施臂運(yùn)動(dòng)測(cè)試Fig.8 Spraying arm movement test

如圖8a中的紅色標(biāo)注所示，選取3個(gè)測(cè)試點(diǎn)，利用手機(jī)APP控制系統(tǒng)控制其運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)后3個(gè)測(cè)試點(diǎn)的位置如圖8b所示。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 噴施臂運(yùn)動(dòng)測(cè)試結(jié)果Tab.1 Spraying arm movement test results

由表1可知，噴施臂在接收到運(yùn)動(dòng)指令時(shí)會(huì)瞬間響應(yīng)，實(shí)際耗時(shí)與理論耗時(shí)幾乎一致，因此在施藥過程中不會(huì)出現(xiàn)額外耗時(shí)的情況，最大程度保障了整個(gè)施藥系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

4.2 冠層體積估算模型準(zhǔn)確性檢測(cè)

為檢測(cè)冠層體積估算模型的準(zhǔn)確性，利用仿真桃葉制作了3個(gè)不同體積的冠層，從仿真桃樹選取了3個(gè)不同體積的冠層，首先根據(jù)何誠等[17]的傳統(tǒng)樹冠體積計(jì)算方法計(jì)算出其大致體積(紅框區(qū)域)，然后利用基于紅外傳感器陣列構(gòu)建的冠層體積估算模型進(jìn)行體積計(jì)算。選取的冠層如圖9所示，測(cè)量結(jié)果如表2所示。

圖9 不同體積冠層Fig.9 Tree crown with different volumes

表2 體積測(cè)量結(jié)果Tab.2 Volume measurement results

由表2可得，冠層體積估算模型求得的體積與傳統(tǒng)方法計(jì)算出的體積相比，相對(duì)誤差為11.27%，因此該模型可以準(zhǔn)確估算當(dāng)前噴施區(qū)域的冠層體積。

5 噴施試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)條件

為檢驗(yàn)施藥系統(tǒng)的噴霧效率，本文在室外進(jìn)行了系統(tǒng)的噴施測(cè)試試驗(yàn)，地點(diǎn)選在河北農(nóng)業(yè)大學(xué)校園空曠處，時(shí)間為2022年3月19—21日。試驗(yàn)選取3棵具有明顯冠層差異的仿真桃樹，由于該系統(tǒng)還處于初步研發(fā)階段，在驗(yàn)證其噴施效率前還沒有設(shè)計(jì)專用的承載工具，故在本試驗(yàn)中將施藥系統(tǒng)放置在一個(gè)可移動(dòng)工作臺(tái)上。

5.2 試驗(yàn)方法

在噴施前，將水敏試紙均勻布置在桃樹冠層的頂層、中層、底層；每次噴施試驗(yàn)開始前藥箱中液體的體積均為3 L，噴施結(jié)束后，記錄藥箱中剩余液體的體積。

本文設(shè)計(jì)2組噴施試驗(yàn)，第1組噴施試驗(yàn)為定距自動(dòng)對(duì)靶噴霧，系統(tǒng)沒有安裝紅外傳感器陣列，僅使用一個(gè)紅外測(cè)距傳感器探測(cè)樹冠，在檢測(cè)到樹冠后水泵開啟，開始持續(xù)噴霧。第2組噴施試驗(yàn)為變距自動(dòng)對(duì)靶噴霧，變量控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)冠層分割模型和冠層體積估算模型計(jì)算出分支絲桿滑臺(tái)應(yīng)該移動(dòng)的距離并生成正確的占空比，在調(diào)整完噴霧距離和比例閥的開度后，水泵開啟，開始噴施，直至噴施完所有樹冠。

為提高試驗(yàn)的對(duì)比性，每組噴施試驗(yàn)分別進(jìn)行4次，噴施過程中施藥系統(tǒng)的平均前進(jìn)速度均為30 cm/s。在每次噴施結(jié)束后，將不同冠層區(qū)域的水敏紙收集起來分別保存在干燥的試驗(yàn)袋中，同時(shí)記錄藥箱中剩余液體的體積，準(zhǔn)備后續(xù)的分析工作。試驗(yàn)布置與噴霧效果如圖10所示。

圖10 試驗(yàn)布置與噴霧效果Fig.10 Test layout and spray effect diagram

5.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)上述試驗(yàn)方法進(jìn)行兩組噴霧對(duì)比試驗(yàn)后，對(duì)完全干燥的水敏紙按照不同冠層區(qū)域分別進(jìn)行噴霧附著分析。首先根據(jù)JB/T 9782—2014《植保機(jī)械通用試驗(yàn)方法》中的要求與方法，對(duì)收集的水敏紙進(jìn)行分級(jí)，按照藥液附著面積與觀察面積的比例將水敏紙分為0～4共5個(gè)等級(jí)。本試驗(yàn)中大部分水敏紙的等級(jí)可以通過觀察直接判定，對(duì)于無法用肉眼判斷的水敏紙，利用Image J軟件對(duì)藥液附著面積(即水敏紙上的深色區(qū)域)進(jìn)行計(jì)算并分級(jí)。水敏紙藥液附著面積分析如圖11所示。

圖11 噴霧附著面積分析Fig.11 Spray deposition analysis

將所有的水敏紙分級(jí)后，根據(jù)附著率計(jì)算公式計(jì)算兩組試驗(yàn)中不同冠層區(qū)域的噴霧附著率。定距和變距兩種噴霧模式下噴霧附著率如表3所示。

表3 不同噴霧模式噴霧附著率Tab.3 Spray deposition rates for different modes

根據(jù)每次噴施試驗(yàn)結(jié)束后所記錄的藥液剩余量，計(jì)算不同噴施模式下的用藥量。定距和變距兩種噴霧模式下用藥量如表4所示。根據(jù)表3求得的不同噴霧模式下的平均噴霧附著率如表5所示。

表4 不同噴霧模式的用藥量Tab.4 Dosage of different spray modes

表5 不同噴霧模式的平均噴霧附著率Tab.5 Average spray deposition rates for different spray modes

由表4、5可知，與定距對(duì)靶噴霧相比，變距對(duì)靶噴霧的藥液附著率可以提高18.66%，節(jié)約30.25%的藥液。由此可見基于冠層體積估算的變距對(duì)靶噴霧可以提高噴霧附著率，減少農(nóng)藥使用量，從而減輕農(nóng)藥對(duì)環(huán)境的污染。

6 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)的施藥系統(tǒng)可以滿足不同特征果樹的噴施需求。在噴施前，噴嘴可調(diào)整到合適的位置；在施藥過程中，噴施臂的運(yùn)動(dòng)可以瞬間響應(yīng)，并且移動(dòng)速度與設(shè)定相同，可最大程度保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性；通過調(diào)整噴霧距離，可使噴霧充分覆蓋當(dāng)前探測(cè)區(qū)域的冠層。

(2)通過選取6個(gè)不同體積的冠層對(duì)冠層體積估算模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行了測(cè)試，與傳統(tǒng)方法計(jì)算結(jié)果相比，其相對(duì)誤差為11.27%，可以準(zhǔn)確估算冠層體積。

(3)進(jìn)行了定距對(duì)靶噴霧和變距對(duì)靶噴霧兩組試驗(yàn)，并利用水敏紙和Image J軟件進(jìn)行了噴霧附著率的測(cè)定。試驗(yàn)結(jié)果表明，基于冠層體積估算模型的變距噴霧比定距噴霧的噴霧附著率提高18.66%，節(jié)約30.25%的藥液，從而證明該施藥系統(tǒng)可以提高農(nóng)藥利用率，減少農(nóng)藥的使用。