李文偉 江世界 徐平凡 馬恒濤 楊圣慧 鄭永軍,2

(1.中國農業(yè)大學工學院,北京 100083; 2.現(xiàn)代農業(yè)裝備與設施教育部工程研究中心,北京 100083)

0 引言

果園病蟲害防治是果園管護的重要環(huán)節(jié)之一。我國果園主要分布在以兩廣地區(qū)、陜甘地區(qū)為代表的丘陵地帶,約占果園總面積的65%[1-2],受地形和種植模式制約,大型施藥裝備行間行走困難,病蟲害防治仍以人工施藥為主,勞動強度大、作業(yè)效率低、藥液浪費嚴重,且作業(yè)人員農藥中毒事故頻發(fā)[3]。

為改善霧滴沉積性能、提高果園施藥效率、降低勞動強度,近年來國內外學者開展了果園噴霧機精準施藥研究,主要涉及風送噴霧系統(tǒng)的改進及靶標探測技術的優(yōu)化。王杰等[4]根據(jù)Y型棚架式果樹的需風特性,設計一款新式的風送噴霧機,并通過試驗確定最優(yōu)機具作業(yè)參數(shù)。邱威等[5]為解決施藥風場難以穿透果樹冠層、內膛與葉片背面藥液沉積難等問題,設計一種適應于低矮果園的環(huán)流循環(huán)風送噴霧機,冠層總體葉片背面霧滴平均覆蓋率提高33.7%。茹煜等[6]通過優(yōu)化軸流風機風筒導葉特征及錐形多出口裝置,有效解決了傳統(tǒng)風送噴霧機風送距離短與藥液浪費的問題。此外,國內學者還分別設計了果園多風機風送噴霧機[7]、3WPZ-4 型風送式葡萄噴霧機[8]、多氣流協(xié)同式噴霧裝置[9]等,一定程度上改善了噴霧機霧滴沉積效果,為果園噴霧機的設計提供了參考。上述研究從果園實際作業(yè)條件出發(fā),通過改進風送噴霧系統(tǒng),從而改善噴霧效果,但由于裝備尺寸限制,噴霧機對復雜地形的適應性仍需要進一步提高。

靶標探測技術是精準施藥技術的前提,其目的是實時探測果樹冠層信息,為噴頭的靶標跟隨提供輸入條件,目前靶標探測噴霧主要采用機器視覺法[10-11]、紅外傳感法[12-13]、超聲波傳感法[14-15]及激光傳感法[16-17]等。廖啟明[18]為提高果園施藥作業(yè)效率和著藥量,采用圖像邊緣檢測方法識別果樹果實和樹葉的位置信息,以此為反饋控制施藥平臺進行對靶噴霧作業(yè)。肖珂等[19]利用紅外測距傳感器設計一種果園自動變距精準施藥系統(tǒng),可以根據(jù)果樹特征實現(xiàn)噴霧距離與噴霧高度的調整。南玉龍等[20]利用超聲波傳感器搭建了一套植物冠層密度檢測系統(tǒng),實測密度與模型測量密度的最小相對誤差為3.959%,為噴霧機仿形噴霧提供了輸入。相比于上述3種方法,激光傳感器具有檢測精度高、響應速度快、穩(wěn)定性好的優(yōu)點,因此被廣泛用于探測果樹冠層高度[21]、體積[22]及密度[23]等特征。

針對傳統(tǒng)植保無人機或地面裝備施藥存在果樹受藥不均勻、藥液浪費嚴重,且大型地面施藥裝備入園難等問題,本團隊提出一種地空融合立體植保作業(yè)模式[24],結合植保無人機與地面施藥裝備各自的優(yōu)勢,采用植保無人機對果樹冠層上部進行施藥,小型噴霧機對果樹冠層中下部進行施藥,提升果樹全冠層的施藥效果?；诘乜杖诤狭Ⅲw植保作業(yè)模式與團隊前期成果[25-26],設計一種丘陵果園自走式小型靶標跟隨噴霧機,優(yōu)化靶標跟隨風送噴霧系統(tǒng),集成靶標探測追蹤系統(tǒng)與自主導航系統(tǒng),實現(xiàn)噴霧機的自主作業(yè),并進行果園試驗,驗證噴霧機的對靶噴霧性能。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

研究團隊通過實地調研發(fā)現(xiàn),丘陵地區(qū)果園一般呈階梯狀分布,果園片區(qū)之間存在一定的高度差,部分片區(qū)之間的轉場空間較小,同時獲得樹齡在4年以上蘋果園的實際參數(shù):果樹行間距為3.0～5.0 m,株間距為2.5～3.0 m,株高為3.5～4.0 m,主干高為0.7～0.9 m,冠徑為2.0～3.0 m。

根據(jù)丘陵山區(qū)果園農藝特點和病蟲害防治需求,確定丘陵果園自走式小型靶標跟隨噴霧機主要由行走系統(tǒng)、靶標跟隨風送噴霧系統(tǒng)、自主導航系統(tǒng)組成,整機結構如圖1所示:選用轉向半徑小、通過能力強的電動履帶底盤作為噴霧機移動底盤,同時為底盤供電系統(tǒng)配備千里增程器(GG170-1型),以提高噴霧機的續(xù)航性能;靶標跟隨風送噴霧系統(tǒng)由軸流風機、風箱、三缸柱塞泵、藥箱、雙噴頭聯(lián)動對靶機構、立柱升降機構、靶標探測激光雷達(RPLIDAR-S1型,縱向安裝,安裝高度475 mm)、仰角姿態(tài)傳感器(SINDT型)等組成,可根據(jù)激光雷達探測的靶標位置實時調整噴霧角度、切換單雙側噴霧模式;自主導航系統(tǒng)包括自主導航激光雷達(RPLIDAR-S1型,橫向安裝,安裝高度500 mm)、車身姿態(tài)傳感器(SINDT型)等,可在遙控模式與自主導航模式之間切換。噴霧機具體工作參數(shù)見表1。

表1 丘陵果園自走式靶標跟隨噴霧機主要技術參數(shù)

圖1 丘陵果園自走式靶標跟隨噴霧機

1.2 工作原理

為實現(xiàn)噴霧機果園自主作業(yè),將本團隊提出的自主導航方法[26]與靶標探測追蹤方法[27]進行系統(tǒng)集成。圖2為噴霧機果園作業(yè)示意圖與控制系統(tǒng)框圖,圖2a中藍色部分為激光雷達果園行間掃描范圍,黑色圓圈為支持向量,L1、L2為支持向量機(Support vector machine,SVM)分類邊際線,L3為兩條邊際線中心線即噴霧機導航線,黑色五角星為靶點位置,紅色部分為噴霧機噴霧范圍。

圖2 自走式小型靶標跟隨噴霧機工作原理圖

果園噴霧作業(yè)過程中,遙控控制噴霧機駛入果樹行間,切換為自主作業(yè)模式;工控機通過串口接收來自靶點檢測單元與車身位姿檢測單元的傳感器數(shù)據(jù),利用車身姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)修正自主導航激光雷達獲取的點云數(shù)據(jù),采用最小二乘法(Least squares method,LSM)對果園行間點云數(shù)據(jù)進行分析、擬合,并通過支持向量機確定一條與兩側樹行間隔最大化的最優(yōu)分類線,以此分類線作為噴霧機行間導航路徑,得到行間導航控制指令;同時對靶標探測激光雷達數(shù)據(jù)進行處理,分析果樹冠層靶點位置信息,分割、濾波得到目標靶點極徑、極角等信息,計算得到噴頭目標仰角,并判斷兩側樹行有無果樹靶標,得到靶標噴霧控制指令;通過CAN總線將行間導航控制指令與靶標噴霧控制指令發(fā)送至STM32單片機;單片機接收數(shù)據(jù)后,根據(jù)行間導航控制指令,輸出PWM信號至底盤電機驅動器,驅動底盤直流無刷電機工作,實現(xiàn)噴霧機的行間自主導航;同時根據(jù)靶標噴霧控制指令,將PWM控制信號發(fā)送至電動推桿電機驅動器,驅動電動推桿實時調整噴頭仰角,并利用TTL電平控制電磁閥開合與電動泵啟停,實現(xiàn)噴霧機自主導航狀態(tài)下的靶標跟隨施藥。

2 靶標跟隨風送噴霧系統(tǒng)設計

為實現(xiàn)噴霧機靶標跟隨噴霧功能,滿足果樹冠層中下部施藥需求,設計如圖3所示的靶標跟隨風送噴霧系統(tǒng),主要包括對靶噴霧機構與風送系統(tǒng)兩部分。對靶噴霧機構采用雙噴頭聯(lián)動式設計,左右兩側各安裝兩個噴頭,整體尺寸較小,結構穩(wěn)定,控制簡單,可通過電動推桿改變噴霧支桿與支撐橫梁的夾角,從而改變噴頭噴霧角度,同時可根據(jù)果樹冠層高度,利用立柱升降機構調節(jié)噴霧高度。噴頭選用霧化性能與防飄移能力較好的扇形噴頭,以擴大噴霧范圍、防止出現(xiàn)漏噴現(xiàn)象,噴頭噴霧角度為65°,等效噴孔直徑1.1 mm,額定流量0.68 L/min。風送系統(tǒng)主要由軸流風機、風箱、導流板組成,為保證風機擁有足夠的風量和風壓,依據(jù)風速的末速度原則及風量的置換原則[27],本風送系統(tǒng)選用穩(wěn)固可靠、風量大的軸流風機,其具體參數(shù)見表1,靶標跟隨噴霧作業(yè)流程見圖4。

圖3 靶標跟隨風送噴霧系統(tǒng)

圖4 靶標跟隨噴霧作業(yè)流程圖

圖5為雙噴頭聯(lián)動對靶機構示意圖,α為噴頭噴霧角度,θ1為噴霧支桿與支撐橫梁的夾角。初始狀態(tài)下,噴霧支桿與支撐橫梁垂直,即θ1=90°,此時噴頭仰角β1=90°-θ1=0°,電動推桿完全收縮,長度為L1;當電動推桿伸長至長度為L2時,推桿行程ΔL=L2-L1,噴頭仰角β2=90°-θ2。本研究選擇的電動推桿完全收縮時,長度L1=205 mm,最大行程為100 mm,考慮到電動推桿在受力狀態(tài)下伸出至最大行程可能會卡死,故取L2≤300 mm。在前期研究基礎上[26],結合余弦定理與剛體運動規(guī)律,可知噴霧仰角β2與推桿行程ΔL滿足

圖5 雙噴頭聯(lián)動對靶機構

(1)

當推桿行程ΔL為95 mm時,噴霧仰角β2最大,約為49.5°。

為保證在極限條件下,對靶機構噴霧范圍能夠覆蓋果樹冠層中下部,本研究在理想條件下分析霧滴的運動規(guī)律,假設霧滴在運動過程中不破碎、不變形、不蒸發(fā),且不考慮外界風速的影響及軸流風機風場對霧滴運動的脅迫作用,霧滴只在藥泵作用下獲得初始速度v0。當噴頭在額定流量下工作時,霧滴噴出時的初始速度v0滿足

(2)

式中q——噴霧流量,L/min

D——噴頭等效孔徑,mm

如圖5,假設當噴頭仰角為β2時,黑點所示霧滴的噴霧高度最高,此時霧滴主要受阻力W、重力G和浮力A的作用,受力情況滿足

(3)

G=mg

(4)

(5)

式中CW——空氣阻力系數(shù)

ρg——空氣密度,kg/m3

dD——霧滴直徑,m

S——霧滴表面積,m2

v——霧滴速度,m/s

m——霧滴質量,kg

g——重力加速度,m/s2

根據(jù)牛頓第二定律,霧滴在x方向與y方向的運動滿足

(6)

(7)

式中vx——霧滴速度v在x方向的分量,m/s

vy——霧滴速度v在y方向的分量,m/s

以霧滴噴出時的狀態(tài)為初始條件,此時t=0,霧滴運動滿足初始條件

vx0=v0cos(α/2+β2)

(8)

vy0=v0sin(α/2+β2)

(9)

x′=y′=0

(10)

式中vx0——霧滴初始速度v0在x方向的分量,m/s

vy0——霧滴初始速度v0在y方向的分量,m/s

x′、y′——初始位移在x和y方向的分量,m

在上述初始條件的基礎上,對公式(6)、(7)進行積分運算,得到霧滴在x方向與y方向的位移分別為

(11)

(12)

其中

假設霧滴運動到最高位置時水平位移為x0,距離噴頭的高度為y0,此時霧滴相對于地面的高度H為

(13)

式中h0——噴霧機底盤高度,m

h——升降機構高度,m

L——噴頭安裝間距,m

結合丘陵果園農藝參數(shù),當果樹株高為4 m,主干高為1 m,行距為4 m時,果樹冠層與噴頭的距離x0約為1.0 m。為滿足果樹冠層中下部施藥空間需求,霧滴運動到最高位置時距離地面的高度H應大于3 m。綜合上述公式,可以確定噴頭安裝間距L=0.4 m,升降機構最大上升高度h=0.55 m,行程為0.3 m。

3 果園試驗

3.1 試驗方案

為了驗證樣機靶標跟隨噴霧(簡稱對靶噴霧)性能,開展對比試驗,采用果園自走式小型靶標跟隨噴霧機對果樹冠層中下部進行噴霧作業(yè),分別測試對靶噴霧與非對靶噴霧兩種作業(yè)模式下樣機的噴霧效果。試驗于2022年9月在河北省保定市阜平縣阜裕林果基地蘋果園開展(圖6),試驗蘋果樹品種為“天紅二號”,果樹呈紡錘形,行距約為4.0 m,株距約2.0 m,株高約3.5 m,自然風速低于0.5 m/s,試驗在環(huán)境相對干燥的時間段進行。

單側噴霧試驗方案如圖7所示,對果樹冠層中下部的霧滴沉積分布特性、地面流失量及冠后飄移流失量進行測試。選取3棵具有代表性的非連續(xù)果樹作為測試對象,在每棵果樹冠層中下部,分上、中、下3層布置水敏試紙,用于測試果樹冠層霧滴沉積分布特性。如圖7a所示,布樣高度分別為1.8、1.2、0.6 m,每一層均分為外側(A、B、C、D)、內側(a、b、c、d)和主干(o) 3部分,共9個布點位置,每個布點位置放置正反2張水敏試紙,水敏試紙用回形針固定在葉片上。如圖7b,在果樹冠層正下方地面等間隔布置9張水敏試紙(G1～G9),果樹冠層后下方地面布置6張水敏試紙(B1～B6),分別用于測試地面流失量與冠后飄移流失量,水敏試紙通過燕尾夾固定在標志桿上。冠層內部采樣點A靠近噴霧側,噴霧機從方向D駛向方向B,地面流失與冠后飄移采樣點G1～G3靠近噴霧側,噴霧機從方向G1駛向方向G3。噴霧機分別以對靶噴霧模式、非對靶噴霧模式進行噴霧試驗,對靶噴霧模式下噴頭仰角根據(jù)靶點信息實時調整,非對靶噴霧模式下噴頭仰角固定為15°。設置噴霧機行間行駛速度為0.5 m/s,噴霧壓力為0.2 MPa,試驗介質為清水。

圖7 采樣點布置示意圖

單側噴霧試驗結束后,選取1棵果樹開展雙側噴霧試驗,對比分析噴霧機對靶噴霧與非對靶噴霧的雙側噴霧效果,進一步驗證噴霧機的對靶噴霧性能。雙側噴霧試驗中,需移除冠后飄移采樣點(B1～B6),噴霧機對果樹兩側進行噴霧作業(yè),其他條件與單側噴霧試驗一致。

3.2 數(shù)據(jù)處理

采用Deposit scan霧滴掃描軟件對水敏試紙進行掃描,獲取各采樣點單位面積霧滴沉積量(μL/cm2)與單位面積沉積個數(shù)(個/cm2),數(shù)據(jù)處理時,對單側噴霧所選取的3棵果樹相同采樣點水敏紙數(shù)據(jù)取平均值,并通過沉積量、沉積個數(shù)及對應的變異系數(shù)描述噴霧機作業(yè)霧滴分布均勻性。

3.3 結果與討論

3.3.1冠層沉積分布特性分析

單位面積霧滴沉積個數(shù)能夠直觀反映果樹葉片受藥效果,因此利用葉片霧滴沉積個數(shù)對冠層霧滴沉積分布特性進行分析。分別對兩種作業(yè)模式下果樹冠層不同高度(0.6、1.2、1.8 m)葉片正反面采樣點的霧滴沉積個數(shù)(個/cm2)取平均值,得到兩種作業(yè)模式在果樹冠層不同高度葉片正反面的噴霧效果,結果見圖8。對靶噴霧時,果樹不同高度葉片正面的平均霧滴沉積個數(shù)為46.20個/cm2,葉片背面的平均霧滴沉積個數(shù)為27.86個/cm2;非對靶噴霧時,葉片正面的平均霧滴沉積個數(shù)為54.02個/cm2,葉片背面的平均霧滴沉積個數(shù)為30.91個/cm2。

圖8 兩種作業(yè)模式在果樹冠層不同高度葉片正反面噴霧效果

根據(jù)圖8可知,對靶噴霧與非對靶噴霧時葉片正反面平均霧滴沉積個數(shù)均大于25個/cm2,滿足果樹冠層葉片正反面受藥需求。但非對靶噴霧時,采樣點上層葉片正反面的噴霧效果較差,葉片正反面平均霧滴沉積個數(shù)分別為18.81、8.27個/cm2,未滿足葉片受藥需求,且果樹上、中、下3層葉片正面的霧滴沉積個數(shù)變異系數(shù)為56.59%,葉片背面的變異系數(shù)為73.46%,霧滴分布均勻性較差。相比于非對靶噴霧,對靶噴霧在果樹冠層不同高度的霧滴分布均勻性有所提高,果樹上、中、下3層葉片正面的霧滴沉積個數(shù)變異系數(shù)為34.22%,葉片背面的變異系數(shù)為48.59%,但果樹葉片正面與葉片背面的施藥效果仍具有一定的差異,葉片正面的平均霧滴沉積個數(shù)為葉片背面的1.66倍,葉片背面施藥效果較差,存在葉片正反面受藥不均勻的問題。

圖9為對靶噴霧與非對靶噴霧在果樹冠層不同高度采樣點葉片正面霧滴沉積分布圖。圖9a～9c為非對靶噴霧時果樹冠層不同高度葉片正面的霧滴沉積分布圖,從圖中可以看出,中層與下層的霧滴沉積個數(shù)明顯高于上層,冠層不同高度的霧滴沉積個數(shù)變異系數(shù)達56.59%,果樹冠層不同高度的霧滴分布均勻性較差;除靠近噴霧側的點A外,果樹上層其他采樣點的霧滴沉積個數(shù)均小于25個/cm2,不滿足葉片受藥需求,且各采樣點霧滴沉積個數(shù)變異系數(shù)達84.27%,霧滴分布均勻性較差;除遠離噴霧側的采樣點C外,果樹中層與下層其他位置霧滴沉積個數(shù)均滿足葉片受藥需求,但中層各采樣點霧滴沉積分布差異性較大,變異系數(shù)達49.33%,部分點位存在過量施藥的現(xiàn)象,比如點a與點D附近霧滴沉積個數(shù)超過120個/cm2;相比之下,下層的霧滴沉積分布較為均勻,變異系數(shù)為30.22%,各采樣點霧滴沉積個數(shù)位于45～90個/cm2之間。通過對非對靶噴霧下的冠層霧滴沉積效果分析可知:噴霧機在非對靶噴霧模式下,噴霧角度恒定不變,噴霧范圍無法根據(jù)果樹冠層高度實時變化,霧滴不能完全覆蓋目標冠層區(qū)域,從而導致果樹冠層不同高度葉片正面霧滴沉積分布不均;此外,由于噴霧時輸送至果樹上層與中層的霧滴數(shù)量較少,且其中大部分霧滴直接附著在果樹冠層外側葉片上,因此存在果樹上層霧滴沉積個數(shù)較少、中層霧滴沉積分布局部不均的現(xiàn)象。

圖9 果樹冠層不同高度葉片正面霧滴沉積分布圖

圖9d～9f為對靶噴霧時果樹冠層不同高度葉片正面的霧滴沉積分布圖,從圖中可以看出,相比于非對靶噴霧,對靶噴霧時上、中、下3層的霧滴沉積分布相對均勻,變異系數(shù)為34.22%,且未有采樣點霧滴沉積個數(shù)超過100個/cm2,不存在施藥過量的情況。對靶噴霧時,除遠離噴霧一側的點C附近霧滴沉積個數(shù)較少以外,果樹中下層其他部位葉片正面的霧滴沉積個數(shù)均在60～90個/cm2之間,中層各采樣點的霧滴沉積個數(shù)變異系數(shù)為27.28%,下層變異系數(shù)為21.43%,表明果樹中下部冠層內外霧滴沉積分布較為均勻,霧滴在果樹中下層冠層內部的穿透性較好;相比于中下層,對靶噴霧時上層葉片正面的霧滴沉積個數(shù)有所減少,變異系數(shù)達54.98%,霧滴分布均勻性有所降低,但除點C外,其他部位的霧滴沉積分布個數(shù)均滿足25個/cm2,滿足果樹葉片受藥需求,相比于非對靶噴霧時果樹上層高達84.27%的變異系數(shù),霧滴沉積分布均勻性有所提高。

圖10為果樹冠層不同高度葉片背面的霧滴沉積分布圖。相比于葉片正面,非對靶噴霧時果樹不同高度葉片背面的霧滴沉積個數(shù)明顯減少,從圖10a～10c中可以看出,果樹上層的霧滴沉積效果最差,各采樣點的霧滴沉積個數(shù)均小于10個/cm2,未滿足葉片背面受藥需求;除A、B、C等采樣點滿足葉片背面受藥需求外,果樹中層其他部位的霧滴沉積個數(shù)均小于15個/cm2,各采樣點霧滴沉積個數(shù)變異系數(shù)達88.23%,果樹下層各采樣點霧滴沉積個數(shù)變異系數(shù)達78.63%,中層和下層的霧滴沉積分布均勻性較差。如圖10d～10f,與非對靶噴霧類似,對靶噴霧時葉片正面與葉片背面的施藥效果存在一定差異;冠層不同高度葉片背面的變異系數(shù)為48.59%,尤其是果樹上層與中層,只有外側的3個采樣點(A、B、D)滿足果樹施藥需求,其他部位霧滴沉積個數(shù)較少,上、中、下3層各采樣點霧滴沉積個數(shù)變異系數(shù)分別為91.57%、95.30%、43.17%,霧滴分布均勻性較差。

圖10 果樹冠層不同高度葉片背面霧滴沉積分布圖

分析對靶噴霧與非對靶噴霧下果樹冠層葉片背面霧滴沉積效果,可知:噴霧角度的實時調整,無法顯著提高果樹冠層葉片背面的施藥效果;兩種作業(yè)模式下,果樹冠層葉片背面的霧滴沉積效果均較差,推測是在作業(yè)過程中,風機風場并未對果樹冠層葉片完成有效的擾動與翻轉,這可能與風機送風參數(shù)恒定不變有關。

3.3.2用水量分析

按照單側噴霧試驗的噴霧工作參數(shù),使用噴霧機分別以對靶噴霧模式與非對靶噴霧模式進行20 m噴霧作業(yè),作業(yè)面積約160 m2,每種模式重復3次。測得對靶噴霧模式下的平均用水量為4.4 L,非對靶噴霧模式下的平均用水量為6.0 L,表明相同作業(yè)面積下,相比于非對靶噴霧,對靶噴霧可有效節(jié)省26.70%的用水量。

3.3.3流失量分析

噴霧機作業(yè)時,部分霧滴會由于未沉積在果樹冠層葉片上而流失到地面或飄移至冠層后面,造成藥液浪費與土壤污染,因此地面流失量與冠后飄移流失量是檢測噴霧機性能的重要因素。

噴霧機兩種作業(yè)模式下各采樣點的地面流失量分布如圖11,分析可知:對靶噴霧時各采樣點的平均地面流失量為4.34 μL/cm2,遠低于非對靶噴霧時的28.88 μL/cm2,減少約84.93%;相比于對靶噴霧,非對靶噴霧時采樣點G1～G6的地面流失較為嚴重,流失量約為對靶噴霧的7.3倍,采樣點G7～G9的地面流失量與對靶噴霧基本一致,其原因可能是:非對靶噴霧作業(yè)時噴霧角度恒定,許多霧滴未透過果樹冠層,直接沉積在地面上,造成靠近噴霧側地面流失量較大,而由于噴霧距離的限制,遠離噴霧側的采樣點地面流失量較小。

圖11 兩種作業(yè)模式地面流失量分布

圖12為各采樣點冠后飄移流失量分布圖。分析可知:對靶噴霧時各采樣點的平均飄移量為0.47 μL/cm2,非對靶噴霧時各采樣點的平均飄移量為1.01 μL/cm2;相比于非對靶噴霧,對靶噴霧減少約53.5%的冠后飄移流失量,表明對靶噴霧對減少霧滴的冠后飄移具有一定效果。除采樣點B3與采樣點B6外,其他采樣點對靶噴霧時的飄移量均小于非對靶噴霧時的飄移量,考慮到點B3與B6位于同一水平線上,推測可能是由于對應水平線處靶標冠層較為稀疏,霧滴在風場氣流脅迫下直接穿過冠層飄移至采樣點,從而造成較為嚴重的霧滴流失。

圖12 兩種作業(yè)模式冠后飄移量分布

3.3.4雙側噴霧效果分析

圖13為雙側噴霧時對靶噴霧與非對靶噴霧地面流失量分布,結合圖11所示的單側噴霧流失量分布,分析可知:對靶噴霧時的平均地面流失量為65.37 μL/cm2,非對靶噴霧時的平均地面流失量為80.99 μL/cm2,約為對靶噴霧的1.24倍,表明對靶噴霧可有效減少霧滴地面流失;相比于單側噴霧,雙側噴霧時對靶噴霧的地面流失量增加2倍以上,其原因可能是選取的果樹冠層下部離地面相對較近,調整靶標后部分霧滴直接沉積在地面,造成一定的地面流失。

圖13 雙側噴霧時兩種作業(yè)模式地面流失量分布

圖14為雙側噴霧時兩種作業(yè)模式在果樹冠層不同高度葉片正反面的施藥效果,對靶噴霧時果樹冠層不同高度葉片正面的平均霧滴沉積個數(shù)為77.84個/cm2,葉片背面為66.16個/cm2;不對靶噴霧時果樹冠層不同高度葉片正面的平均霧滴沉積個數(shù)為74.13個/cm2,葉片背面為78.47個/cm2。結合圖8,可分析得到:對靶噴霧時葉片正面平均霧滴沉積個數(shù)是單側噴霧的1.68倍,葉片背面平均霧滴沉積個數(shù)是單側噴霧的2.37倍;非對靶噴霧時葉片正面平均霧滴沉積個數(shù)是單側噴霧的1.37倍,葉片背面平均霧滴沉積個數(shù)是單側噴霧的2.54倍;相比于單側噴霧,雙側噴霧時對靶噴霧與非對靶噴霧在果樹冠層不同高度葉片正反面的平均霧滴沉積個數(shù)均有所增加,且均達到了葉片的施藥需求,其中葉片背面的平均霧滴沉積個數(shù)增加較為明顯,均為單側噴霧的2倍以上,其原因可能是雙側噴霧時,霧滴可透過冠層沉積在冠層遠離噴霧側的葉片背面,提高果樹葉片背面的施藥效果。

圖14 雙側噴霧時兩種作業(yè)模式在果樹冠層不同高度葉片正反面施藥效果

由圖14可知,雙側噴霧時對靶噴霧上、中、下3層葉片正面的霧滴沉積個數(shù)變異系數(shù)為4.83%,葉片背面為28.52%;非對靶噴霧上、中、下3層葉片正面的霧滴沉積個數(shù)變異系數(shù)為34.23%,葉片背面為26.50%。分析可知:相比于非對靶噴霧,對靶噴霧可顯著提高果樹冠層不同高度葉片正面的霧滴沉積分布均勻性,但葉片背面的霧滴沉積分布效果與非對靶噴霧類似,果樹不同高度的霧滴分布均勻性較差,此結果與單側噴霧一致,表明噴霧角度的實時調整,無法顯著提高果樹冠層葉片背面的施藥效果。

4 結論

(1)根據(jù)霧滴運動規(guī)律及丘陵果園農藝特點,設計雙噴頭聯(lián)動式靶標跟隨風送噴霧系統(tǒng),完成小型靶標跟隨噴霧機的樣機試制,并在樣機上集成自主導航系統(tǒng)及靶標探測追蹤系統(tǒng),實現(xiàn)了噴霧機的果園自主作業(yè)。

(2)果園單側噴霧試驗表明,對靶噴霧時果樹冠層不同高度葉片正面的霧滴沉積個數(shù)變異系數(shù)為34.22%,果樹上、中、下3層各采樣點葉片正面的霧滴沉積個數(shù)變異系數(shù)分別為21.43%、27.28%、54.98%,平均變異系數(shù)為34.56%,相比于非對靶噴霧,可有效提高冠層不同高度及冠層內外葉片正面的霧滴分布均勻性;相同作業(yè)面積時,對靶噴霧可節(jié)省26.70%的用水量,減少84.93%的地面流失量以及53.50%的冠后飄移流失量,有效減少了藥液的浪費。

(3)果園雙側噴霧試驗顯示,果樹冠層不同高度葉片正面的霧滴沉積個數(shù)變異系數(shù)為4.83%,葉片背面變異系數(shù)為28.52%,葉片正反面平均變異系數(shù)為16.68%,表明相比于非對靶噴霧,對靶噴霧可有效提高果樹冠層不同高度葉片正反面的霧滴分布均勻性,滿足果樹冠層中下部葉片正面受藥需求,驗證了丘陵果園自走式小型靶標跟隨噴霧機的性能。