生产管理机械化岗位

徐丽明 闫成功 马 帅 牛丛 刘星星 袁全春 赵诗建

  1 变量喷雾控制系统设计

  现有的3WF-400Z型果园风送喷雾机共配备了10个（左右两侧各5个）D3型圆锥雾喷头，0.5 MPa下单个喷头的喷雾流量为1.5 L/min，喷雾范围可达6 m，只能进行恒量喷雾作业。由于仅使用原喷雾机一侧的1至4号及另一侧的7至10号喷头（按顺时针），便能更好地适应葡萄果园冠层的作业，本研究将原喷雾机顶部中央的5号和6号喷头关闭，整机的总体结构与喷雾系统回路如图1所示。

  变量喷雾控制系统的硬件设计如图2所示，本研究在拖拉机前方两侧各安装了一台双目相机，分别用于探测左右两侧葡萄叶幕的冠层深度；使用具备Win10操作系统的笔记本电脑做为运行两台双目相机的上位机支持平台；在8个喷头处各安装一个高速开关电磁阀，用于根据PWM信号实时调控各喷头流量；在喷雾机后方安装地轮，使用光电编码器测量喷雾机组的前进速度；在喷雾机的主回路中安装压力变送器检测喷雾压力；在两侧的回路支路上各安装一个涡轮流量计用于检测喷雾机一侧的1至4号喷头及另一侧的7至10号喷头的总流量；使用触摸屏实现人机交互；下位机选用的主控制器型号为stm32f107；控制系统所需的电力由拖拉机上的车载12V蓄电池提供。

  控制系统的工作流程为：系统初始化完成后，首先通过触摸屏选择喷雾机的工作模式。在变量模式下，系统将读取在触摸屏上输入的单位体积施药量、PWM控制频率和行距。受实际安装条件的限制，在本研究中双目相机的最佳安装位置相对于喷头提前安装了5 m，因此在上位机程序中使用“循环数组”对当前所获取的深度值进行缓存处理。当“开始工作”按钮按下后，随着喷雾机组的前进，上位机将每隔0.5 m对双目相机当前所获取的原始二维像素深度矩阵进行处理，包括根据单元冠层的宽度和高度提取对应像素区域内的深度值、剔除无效及异常数据、统计有效深度个数并做平均处理、对各单元冠层的结果深度进行编码并进入循环数组缓存等。当系统根据机具前进距离信息判断喷头到达目标冠层区域后，下位机向上位机发送深度数据更新指令，上位机将依次把循环数组中对应的深度数据发送给下位机。下位机结合深度数据以及光电编码器获得的数据实时计算出目标冠层体积，并进一步决策出当前各喷洒区域所需要的喷洒流量和各电磁阀的工作占空比，从而自动实现各喷头的变量喷洒。在常量模式下，系统将根据在交互界面上输入的八个电磁阀的占空比使各喷头以恒定流量进行喷雾。

  2 冠层体积计算方法

  图3确定了双目相机的最佳安装位置，双目相机根据公式（1）探测冠层深度。冠层体积的测量原理如下：根据喷雾机正常工作时的前进速度（约1 m/s），设定喷雾机每前进0.5 m时，相机以当前视野内探测到的冠层深度值作为有效数据。当控制中心根据机具前进速度判断需要获取下一目标区域冠层的深度信息时，如公式（2）所示，在相机当前获取的深度像素矩阵范围内，根据成像原理计算出单元喷雾目标区域的像素范围。根据相机像素和焦距的关系，选取相机中央视野内125×480（宽×高）像素区域内的深度值做为目标冠层体积的计算区域。结合实际研究的喷头数量，每个喷雾冠层单元对应一个喷头，将双目相机视野内连续的葡萄冠层离散为上、中上、中下、下四个长方体。如图4所示，每一单元喷雾目标区域的冠层体积按公式（3）计算。

  式中，为单元喷雾目标区域的冠层深度，m；R为行距，m；e为相机成像平面距喷雾机中心轴线的距离，m；d为成像中心到果树冠层表面的距离，m；f为焦距，2.1 mm;为单元喷雾目标区域在成像平面上的像素高度, mm；为单元喷雾目标区域在成像平面上的像素宽度, mm；为葡萄冠层的调研平均高度，1.92 m；为喷雾机沿行距方向上前进的冠层宽度；为单元喷雾目标冠层的体积，。

  对每一单元喷雾目标区域的深度值进行滤波和平均处理后，将此深度平均值做为该喷雾单元的冠层深度。同时，若当前单元喷雾目标区域的有效像素深度个数小于10%，则认为当前区域不存在冠层，对应喷头停止喷雾。为验证所提出的冠层体积在线算法的准确性，在葡萄园中分别通过双目相机和手动方法对选取的三组样本的体积进行测量。 对两种方法的测量结果进行线性拟合后，其相关系数为0.933，说明使用双目相机探测葡萄叶幕的冠层体积具有较好的准确性。

  3 变量喷雾调控决策

  选定电磁阀的PWM控制频率为5 Hz并在喷雾压力为0.5 MPa条件下进行了流量与占空比标定试验，采用单因素线性拟合法对试验结果进行拟合后发现，当占空比在10%~70%内范围变化时，喷头流量（L/min）与占空比（%）之间的拟合模型如公式（4）所示，该模型的相关系数为0.996。将单位冠层体积上所需要喷洒的药液量定义为应用系数并将该系数选定为0.1 。每个喷头基于目标冠层体积实时变化的施药量根据公式（5）来进行确定。由公式（5）、施药量与喷头流量的关系以及喷雾机行进速度与单位冠层宽度的关系，可得到每个喷头的实时流量由公式（6）确定。

  式中，Q为单元喷雾目标区域的施药量，L；i为应用系数，0.1 ；q0.5为0.5 MPa喷雾压力下单喷头在每一单元喷雾目标区域的实时流量，；为喷雾机实时的前进速度，m/s。由于当占空比小于10%或大于70%时电磁阀无法正确响应，占空比与流量之间已不存在线性关系。当样机以1 m/s的前进速度工作时，考虑喷头的实际标定结果，整理式（4）、（6），得到样机的喷雾流量控制模型为

  为了检验流量调控模型在样机上的响应效果，在变量喷雾程序中设定喷雾机的工作速度为1 m/s,将事先在上位机程序中设置的一系列模拟冠层深度发送给下位机并执行。在每个冠层深度下收集并称量雾滴质量，并转换为喷雾流量。对理论流量和实际流量进行拟合后发现，当叶幕的单元冠层体积大于0.036 m³时，1号喷头的实际流量与理论流量的线性拟合相关系数为0.99，表明程序执行的实时性、硬件的响应能力以及不同冠层体积与实际喷雾流量的一致性符合较好。

  4 田间试验

  用水代替药液，设置溢流压力为0.5 MPa，喷雾机以约1 m/s喷药作业速度进行两次田间试验，每次的试验距离为15m。第一次进行常量喷雾，输入8个喷头的占空比为100%，；第二次进行变量喷雾，输入应用系数为0.1 L/m³、PWM控制频率为5 Hz、行距为3 m。每次试验之前，均在不同高度的冠层叶片上用曲形针随机均匀固定60张水敏纸。每次试验完成待水敏纸干燥后，将水敏纸及时取下并进行扫描。

  使用六六山下雾滴分析软件对两次试验后的水敏纸进行分析，得到两种喷雾模式下雾滴的各雾化参数后发现，加装变量喷雾系统后的试验样机，在保证药液覆盖率与加装前保持较好一致性的情况下，可以在一定程度上细化雾滴直径并提高雾滴密度,其中雾滴的NMD和VMD分别减小了87.71 μm和182.79 μm，雾滴密度则增加了79.31 个/cm2。结合试验现场所观察到的喷雾效果，分析原因可能是由于常量模式下的喷药量超过实际需求，导致雾化后的液滴在到达冠层叶片表面后重新凝聚导致的；而变量模式因不会产生过量喷洒，从而可以改善药液的雾滴尺寸和空间分布。

  图6为限于流量传感器的瞬态检测精度，实际流量的变化趋势并不总与冠层体积的变化一致，但总的趋势基本相同。在恒量喷雾中，无论冠层的大小，恒量喷雾模式下的平均喷雾流量始终为6.73 L/min。通过计算15 m内两次不同喷雾模式下的施药量，相对于恒量喷雾，变量喷雾模式节省了约55.27%的农药。在喷雾距离为15 m长时，对变量喷雾模式下左右两侧喷头的实际响应流量与理论预测流量进行线性拟合后，左侧1~4号喷头拟合后的相关系数R2=0.8977，右侧5~8号喷头拟合后的相关系数R2=0.8711。预测流量与冠层体积间存在着明显的线性关系，表明冠层体积与实际的喷雾流量之间具有较强的相关性。

  5 结论

  1）本研究在3WF-400Z果园风送式喷雾机的基础上，设计了一套由双目相机、高速开关电磁阀、人机交互界面、光电编码器和上下位机控制程序为主要组成部分的果园变量喷雾控制系统。系统利用双目相机探测葡萄叶幕深度，结合喷雾机前进速度计算冠层体积，通过PWM实时调控多路电磁阀的占空比，实现了基于葡萄冠层体积的变量喷雾。

  2）确定了双目相机的探测深度补偿值为150 mm。当探测距离为1400 mm时，对葡萄冠层进行了体积探测试验并与手动测量结果进行了线性拟合，其相关系数为0.933，说明所提出的基于双目相机探测冠层体积的计算方法具有较好的准确性；在静态条件下对控制系统的变量效果一致性进行了验证，当冠层体积大于0.036 m³时单喷头实际流量与理论流量的线性拟合相关系数为0.99。

  3）田间试验表明，加装变量喷雾系统后的试验样机在保证药液覆盖率基本不变的情况下，可以在一定程度上细化雾滴直径并增加雾滴密度，其中雾滴的NMD和VMD分别减小了87.71 μm和182.79 μm，雾滴密度则增加了79.31 个/cm2；喷雾机的左、右两侧喷头的预测流量与实际流量的相关系数分别为0.8977和0.8711，实际流量与冠层体积的总体变化趋势基本一致，表明变量喷雾模式可以更好地适应作物冠层的实际几何特征，相对于恒量喷雾，变量喷雾模式节省了约55.27%的农药。