果園噴霧機(jī)器人靶標(biāo)探測(cè)與追蹤系統(tǒng)

江世界，馬恒濤，楊圣慧，張 超， 蘇道畢力格，鄭永軍,2,3※，康 峰

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京100083；2. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與設(shè)施教育部工程研究中心，北京100083； 3. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺(tái)研究院，煙臺(tái)264670；4. 北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京100083）

0 引言

病蟲(chóng)害防治工作是整個(gè)果樹(shù)管理作業(yè)中重要的環(huán)節(jié)，隨著季節(jié)變更、氣候變化，每年噴藥8～15次，其工作量約占整個(gè)果樹(shù)管理工作量的30%，果園植保技術(shù)主要包括地面植保技術(shù)和航空植保技術(shù)，地面植保技術(shù)可分為人工施藥技術(shù)、傳統(tǒng)風(fēng)送施藥技術(shù)和精準(zhǔn)施藥技術(shù)等[1-2]。

風(fēng)送施藥技術(shù)能夠改善霧滴霧化性能，有效提高作業(yè)效率，得到了廣泛研究和應(yīng)用。但是傳統(tǒng)風(fēng)送施藥機(jī)的噴頭布置多采用固定安裝方式，常見(jiàn)有固定圓環(huán)式[3-5]、噴桿式[6-7]、門(mén)式[8]、組合圓盤(pán)式[9]等，噴頭位置不能隨意調(diào)整，容易造成無(wú)效噴施和霧滴脫靶飄移，農(nóng)藥浪費(fèi)嚴(yán)重。隨著技術(shù)的發(fā)展，對(duì)靶[10-12]、仿形、變量[13-14]等精準(zhǔn)施藥技術(shù)快速發(fā)展，將傳統(tǒng)連續(xù)噴霧模式變?yōu)殚g歇性、變量噴霧模式，為提高農(nóng)藥利用率，減少環(huán)境污染提供了一種途徑[15-17]。馬馳等[18]研制一種丘陵山地柑橘果園多方位自動(dòng)噴藥裝置，能夠根據(jù)檢測(cè)的果樹(shù)冠層輪廓自動(dòng)切換噴藥模式，設(shè)計(jì)豎直噴藥、45°傾斜噴藥和對(duì)地噴藥等不同模式，提高了對(duì)不同果樹(shù)適應(yīng)性；Osterman等[19]提出一種基于激光雷達(dá)的多關(guān)節(jié)風(fēng)送噴霧機(jī)，并設(shè)計(jì)噴霧機(jī)構(gòu)定位算法，能夠根據(jù)果樹(shù)冠層特征自動(dòng)調(diào)整噴頭方向和位置，實(shí)現(xiàn)定向仿形噴霧；張曉輝等[20]設(shè)計(jì)了履帶自走式果園定向風(fēng)送噴霧機(jī)，可根據(jù)果樹(shù)長(zhǎng)勢(shì)調(diào)整噴頭噴霧角度，實(shí)現(xiàn)定向仿形噴霧，試驗(yàn)表明定向噴霧變異系數(shù)降低55.3%；李龍龍等[21]開(kāi)發(fā)一種基于變風(fēng)量與變噴霧量的果園自動(dòng)仿形噴霧機(jī)，搭載多個(gè)風(fēng)機(jī)和噴頭，根據(jù)激光傳感器掃描的冠層特征調(diào)節(jié)風(fēng)量和噴霧量實(shí)現(xiàn)仿形變量噴霧；Li等[22]設(shè)計(jì)基于激光傳感器的果園變量噴霧機(jī)，利用高精度激光傳感器獲取果樹(shù)冠層體積，并實(shí)時(shí)控制噴嘴的流量和噴嘴位置的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，能夠有效節(jié)省藥量，減少地面和空氣中霧滴漂移量。此外，研究者基于激光雷達(dá)[23-24]、機(jī)器視覺(jué)[25]、超聲傳感器[26]等不同傳感器類型開(kāi)展了一系列對(duì)精準(zhǔn)施藥技術(shù)的探索，但是受傳感器性能、果園種植模式等因素限制，鮮見(jiàn)有規(guī)?；瘧?yīng)用。

綜上，本研究設(shè)計(jì)一種果園噴霧機(jī)器人靶標(biāo)檢測(cè)與追蹤系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)激光雷達(dá)掃描獲取的冠層點(diǎn)云信息的處理，實(shí)時(shí)獲取靶標(biāo)位置以及噴霧仰角，并設(shè)計(jì)基于增量式比例積分微分（Proportional Integral Derivative，PID）的噴霧仰角控制算法，從而實(shí)現(xiàn)靶標(biāo)跟隨噴霧，為果園施藥技術(shù)與裝備的發(fā)展提供參考。

1 靶標(biāo)探測(cè)與追蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)載體

本研究以中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院研制的靶標(biāo)跟隨式小型噴霧機(jī)器人為系統(tǒng)載體（圖1），主要包括電動(dòng)履帶底盤(pán)、靶標(biāo)跟隨式噴霧機(jī)構(gòu)、離心式風(fēng)機(jī)、噴霧組件和激光雷達(dá)等。其中，激光雷達(dá)安裝在電動(dòng)履帶底盤(pán)的最前端，用于靶標(biāo)的探測(cè)；靶標(biāo)跟隨式噴霧機(jī)構(gòu)安裝在電動(dòng)履帶底盤(pán)的后端，主要包括升降機(jī)構(gòu)、噴霧支架、電動(dòng)推桿、噴頭等，采用多噴頭對(duì)稱式設(shè)計(jì)，噴霧角度可根據(jù)靶標(biāo)位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，雙側(cè)與單側(cè)作業(yè)模式自由切換；離心式風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流被氣流分配器分發(fā)輸送到噴頭位置，輔助提高霧滴的霧化程度。主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 靶標(biāo)跟隨式小型噴霧機(jī)器人的主要參數(shù) Table 1 Main parameters of target following small spraying robot

1.2 靶標(biāo)跟隨式小型噴霧機(jī)器人作業(yè)原理

靶標(biāo)跟隨式小型噴霧機(jī)器人主要針對(duì)果樹(shù)冠層中下部施藥，可與植保無(wú)人機(jī)配合形成地空協(xié)同立體植保模式。地空協(xié)同立體植保模式示意圖如圖2所示，其中植保無(wú)人機(jī)對(duì)果樹(shù)冠層上部施藥，靶標(biāo)跟隨式小型噴霧機(jī)器人對(duì)冠層中下部施藥，實(shí)現(xiàn)對(duì)果樹(shù)冠層全覆蓋施藥。

1.3 靶標(biāo)探測(cè)與追蹤系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.3.1 靶標(biāo)探測(cè)與追蹤系統(tǒng)硬件框圖

靶標(biāo)探測(cè)與追蹤系統(tǒng)的硬件框圖如圖3所示，主控單元采用STM32F429單片機(jī)，接收和讀取微型工控機(jī)、測(cè)距傳感器的信號(hào)，通過(guò)脈沖寬度調(diào)制方式（Pulse width modulation，PWM）控制電動(dòng)推桿的伸縮長(zhǎng)度和升降機(jī)構(gòu)的升降高度，并能根據(jù)推桿編碼器的脈沖反饋信號(hào)實(shí)時(shí)調(diào)整。其中微型工控機(jī)對(duì)激光雷達(dá)掃描的點(diǎn)云信號(hào)進(jìn)行處理，得到靶標(biāo)位置、目標(biāo)仰角等參數(shù)并發(fā)送給主控單元。

1.3.2 靶標(biāo)跟隨式小型噴霧機(jī)作業(yè)邏輯框圖

靶標(biāo)跟隨式小型噴霧機(jī)作業(yè)流程如圖4所示，作業(yè)開(kāi)始前，作業(yè)人員首先根據(jù)果樹(shù)冠層的整體高度對(duì)噴霧機(jī)構(gòu)的高度進(jìn)行預(yù)調(diào)節(jié)，使噴頭組噴霧范圍能夠覆蓋冠層中下部；作業(yè)時(shí)，噴霧機(jī)器人能夠自主在果樹(shù)行間行駛，激光雷達(dá)的掃描平面垂直行駛方向，點(diǎn)云數(shù)據(jù)可表征樹(shù)冠間隙、樹(shù)冠方位和密度。噴霧機(jī)構(gòu)能夠根據(jù)激光雷達(dá)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)探測(cè)靶標(biāo)位置，并根據(jù)靶標(biāo)位置實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)噴霧機(jī)構(gòu)角度，減少霧滴脫靶。

2 靶標(biāo)探測(cè)方法

2.1 靶標(biāo)探測(cè)區(qū)域確定

靶點(diǎn)探測(cè)傳感器采用激光雷達(dá)（RPLIDAR S1，上海思嵐科技有限公司，中國(guó)），其掃描角度為360°，分辨率為0.391°，掃描頻率為8～20 Hz，掃描距離為0.1～40.0 m，可滿足果樹(shù)冠層探測(cè)需求。

為避免雜草和樹(shù)干的干擾，減少數(shù)據(jù)運(yùn)算量，需先確定靶點(diǎn)探測(cè)區(qū)域，取梯形ABOD區(qū)域作為單側(cè)靶點(diǎn)探測(cè)區(qū)域，O點(diǎn)為激光雷達(dá)的探測(cè)中心點(diǎn)，以過(guò)O點(diǎn)的水平線作為基準(zhǔn)線，令基準(zhǔn)線以下掃描角度為負(fù)值，基準(zhǔn)線以上為正值（圖5）。

對(duì)廣西南寧、北京平谷、山西運(yùn)城等地不同種類果園調(diào)研，發(fā)現(xiàn)果樹(shù)行間距一般為3～5 m，株高為3.5～4.0 m，主干高為0.7～0.9 m，因此本研究取O點(diǎn)距地面的距離h為850 mm，OB長(zhǎng)為1 000 mm，AB長(zhǎng)為2 000 mm，OD與水平線的夾角為20°，由幾何運(yùn)算得，OA與水平線的夾角為26.57°。則探測(cè)區(qū)域（S(φ)，mm）如式（1）所示：

式中φ為探測(cè)區(qū)域內(nèi)任意一條掃描線與水平線的夾角，(°)；S(φ)為掃描角度為φ處的探測(cè)區(qū)域，mm。

2.2 靶點(diǎn)選取規(guī)則

以單側(cè)噴頭連線中垂線對(duì)準(zhǔn)的目標(biāo)點(diǎn)為靶點(diǎn)M，以噴頭組的中垂線與激光雷達(dá)掃描的0°線夾角（α，(°)）為噴頭組的目標(biāo)仰角（圖5）。靶點(diǎn)選取方法步驟如下：

1）確定靶點(diǎn)極徑大小

取一幀點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以激光雷達(dá)的探測(cè)中心為極坐標(biāo)系的原點(diǎn)O，創(chuàng)建冠層中下部截面點(diǎn)云極坐標(biāo)系如圖6所示，其中，P1(rP1,θP1)為極角最大點(diǎn)，P0(rP0,θP0)為極角最小點(diǎn)。

在靶點(diǎn)選取時(shí)，若極徑選擇過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致噴霧仰角加大，上噴頭的噴幅可能會(huì)越過(guò)冠層噴霧區(qū)域上邊界；若極徑選擇過(guò)大，下噴頭的噴幅可能會(huì)越過(guò)冠層噴霧區(qū)域下邊界，過(guò)小和過(guò)大都會(huì)增加霧滴脫靶的可能性，因此以單幀點(diǎn)云數(shù)據(jù)的點(diǎn)平均極徑作為靶點(diǎn)的極徑（，mm），其計(jì)算如式（2）所示：

式中ri為極坐標(biāo)中第i個(gè)點(diǎn)的極徑，mm；n為靶標(biāo)點(diǎn)云的總點(diǎn)數(shù)。

2）確定靶點(diǎn)極角大小

為確定靶點(diǎn)的位置，還需進(jìn)一步確定靶點(diǎn)M的極角。由電動(dòng)推桿尺寸和行程參數(shù)可知，目標(biāo)仰角存在最小仰角0°和最大仰角為（αmax，(°)），故靶點(diǎn)極角也應(yīng)存在邊界值。在確定靶點(diǎn)極角的邊界值時(shí)，需同時(shí)考慮噴頭組的仰角極限值以及噴頭組旋轉(zhuǎn)中心與激光雷達(dá)的相對(duì)位置。

為便于分析，將噴頭組的運(yùn)動(dòng)平面映射到激光雷達(dá)的掃描平面中，并以激光雷達(dá)探測(cè)中心點(diǎn)為原點(diǎn)O，以激光雷達(dá)的0°掃描線為x軸，以90°掃描線為y軸建立笛卡爾直角坐標(biāo)系，當(dāng)噴霧仰角為0°時(shí)，靶點(diǎn)極角存在下邊界（δmin，(°)），當(dāng)噴霧仰角為αmax時(shí)，靶點(diǎn)極角存在上邊界（δmax，(°)）如圖7所示。

由幾何關(guān)系求解得到靶點(diǎn)M的最小極角（δmin，(°)）和最大極角（δmax，(°)）的數(shù)學(xué)表達(dá)式如式（3）和式（4）所示：

式中H為噴頭組旋轉(zhuǎn)中心與電動(dòng)履帶底盤(pán)上表面的垂直距離，mm。

由式（3）和式（4）可知，當(dāng)和αmax一定時(shí)，δmin和δmax隨H的增大而增大，隨H的減小而減小，當(dāng)冠層高度相對(duì)較低時(shí)，可通過(guò)控制升降機(jī)構(gòu)將噴頭組高度適當(dāng)降低，以保證噴頭組噴幅的下邊界能覆蓋冠層最下部，同理，當(dāng)株高相對(duì)較高時(shí)，可適當(dāng)升高噴頭組的高度以保證噴頭組噴幅上邊界能覆蓋冠層中部；當(dāng)H和αmax一定時(shí)，δmin隨著的增大而減小，而δmax隨著的增大而增大。由此可知，不同幀的點(diǎn)云中，靶點(diǎn)M的極角邊界值與該幀點(diǎn)云中的點(diǎn)平均極徑有關(guān)。

為確保2個(gè)噴頭的噴施區(qū)域相對(duì)均衡，取單幀靶標(biāo)點(diǎn)云中的極角最大點(diǎn)P1的極角θP1與δmin的平均值作為靶點(diǎn)M的極角（δM，(°)），其計(jì)算如式（5）所示：

式中θP1為極角最大點(diǎn)P1的極角，（°）。

當(dāng)通過(guò)式（5）計(jì)算得到的δM超出邊界值時(shí)，則用邊界值代替，得出δM關(guān)于θP1的分段函數(shù)表達(dá)式如式（6）所示：

通過(guò)上述方式可獲一幀數(shù)據(jù)的靶點(diǎn)為M()，但在實(shí)際作業(yè)中單幀靶點(diǎn)跳動(dòng)較大，較難實(shí)現(xiàn)噴頭對(duì)靶運(yùn)動(dòng)控制，需要連續(xù)取多幀數(shù)據(jù)，并求每幀點(diǎn)云數(shù)據(jù)的靶點(diǎn)，再按時(shí)序取多組靶點(diǎn)進(jìn)行均值濾波處理，可得到該時(shí)域?qū)?yīng)的三維點(diǎn)云空間內(nèi)的平均靶點(diǎn)Ma()作為對(duì)靶噴霧作業(yè)的實(shí)際靶點(diǎn)。

根據(jù)靶點(diǎn)選取規(guī)則，可繪制作業(yè)過(guò)程中平均靶點(diǎn)Ma的變化軌跡示意圖（圖8）。在樹(shù)冠間隙處，探測(cè)區(qū)域內(nèi)無(wú)靶點(diǎn)，只有當(dāng)激光雷達(dá)檢測(cè)到靶標(biāo)存在時(shí)，探測(cè)區(qū)域才產(chǎn)生靶點(diǎn)。

2.3 噴霧機(jī)構(gòu)目標(biāo)仰角獲取

目標(biāo)仰角（α，(°)）是指在噴頭組中垂線對(duì)準(zhǔn)平均靶點(diǎn)Ma時(shí)的噴霧仰角。根據(jù)平均靶點(diǎn)Ma計(jì)算噴頭組的目標(biāo)仰角，并通過(guò)串口通訊將計(jì)算結(jié)果傳輸至STM32F429單片機(jī)，控制噴頭組的仰角。為求取目標(biāo)仰角，將噴頭組的運(yùn)動(dòng)平面映射到激光雷達(dá)的掃描平面中，構(gòu)成目標(biāo)仰角求解直角坐標(biāo)系如圖9所示。

經(jīng)幾何求解，可得到噴頭組的目標(biāo)仰角α與、Ma和H等參數(shù)的關(guān)系表達(dá)式如式（7）所示：

式中為平均靶點(diǎn)Ma的極徑，mm；δMa為平均靶點(diǎn)Ma的極角，（°）。

3 仰角追蹤方法

3.1 仰角測(cè)量

噴霧仰角調(diào)節(jié)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用電動(dòng)推桿（型號(hào)為T(mén)GA-Y），該電動(dòng)推桿的最小安裝距離為205 mm，最大行程為100 mm，最大伸縮速度為60 mm/s，推力為100 N，滿足噴霧機(jī)構(gòu)仰角調(diào)節(jié)的需求。電動(dòng)推桿自帶霍爾編碼器，推桿電機(jī)旋轉(zhuǎn)10圈，絲杠旋轉(zhuǎn)1圈，編碼器可輸出6個(gè)脈沖，而絲杠旋轉(zhuǎn)一圈推桿行程變化9 mm。可利用鑒相原理通過(guò)單片機(jī)對(duì)編碼器反饋的脈沖信號(hào)進(jìn)行“加”計(jì)數(shù)或“減”計(jì)數(shù)，可獲得反饋脈沖總數(shù)NP，且進(jìn)而得到推桿行程（l，mm）的表達(dá)式如式（8）所示：

式中l(wèi)為推桿行程，mm；NP為編碼器反饋的脈沖總數(shù)。

推桿行程的變化可帶動(dòng)噴霧支架轉(zhuǎn)動(dòng)，從而改變噴頭組的仰角，電動(dòng)推桿行程l=0時(shí)，噴霧支架處于豎直狀態(tài)，噴頭組處于水平噴霧姿態(tài)，噴霧仰角為0°（圖10a）；當(dāng)電動(dòng)推桿行程l>0時(shí)，噴霧支架處于向內(nèi)傾斜狀態(tài)，噴頭組處于斜上噴霧姿態(tài)，目標(biāo)仰角為α（圖10b）。其中，O1為噴霧支架的旋轉(zhuǎn)中心，O2為電動(dòng)推桿固定端安裝位置，O3和O3'分別為噴霧仰角為0°和α?xí)r，電動(dòng)推桿活動(dòng)端安裝位置，K1為O2在O1所在水平面的投影，K2和K2'分別為噴霧仰角為0°和α?xí)r，O3在O1沿噴霧支架方向上的投影。

根據(jù)推桿行程與目標(biāo)仰角變化示意圖提取噴霧仰角調(diào)節(jié)原理圖，如圖11所示，ΔO1K1O2、ΔO1K2O3是剛體三角形，O2O3是電動(dòng)推桿最短安裝尺寸，即O2O3= 205 mm，γ為噴霧支架與水平線的夾角（°），且與α互為余角。當(dāng)噴頭水平噴霧時(shí)，噴霧支架處于初始位置，此時(shí)有K2O1⊥K1O1。當(dāng)噴霧支架繞O1點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)α角度時(shí)，此時(shí)ΔO1K2O3繞頂點(diǎn)O1轉(zhuǎn)動(dòng)至ΔO1K2'O3'處。此時(shí)推桿長(zhǎng)度由O2O3變化為O2O3'，噴霧仰角由0°變?yōu)棣痢?/p>

利用余弦定理和剛體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，推導(dǎo)得到噴霧仰角與推桿行程關(guān)系如式（9）所示：

綜合式（8）和式（9）可得到反饋脈沖數(shù)NP與噴角α之間的關(guān)系如式（10）所示：

因此，根據(jù)上述推導(dǎo)過(guò)程可知，通過(guò)測(cè)量電動(dòng)推桿的行程變化，可求得噴頭組的仰角變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)噴霧仰角測(cè)量。

3.2 基于增量式比例積分微分（PID）的噴霧仰角控制算法

為提高噴霧仰角的控制精度，設(shè)計(jì)了基于增量式PID的噴霧仰角控制算法，控制模型如圖12所示。在進(jìn)行噴霧仰角控制時(shí)，控制系統(tǒng)首先采集推桿編碼器反饋的脈沖信號(hào)，并同時(shí)獲取靶標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)發(fā)送的目標(biāo)仰角。然后控制器對(duì)編碼器脈沖信號(hào)進(jìn)行鑒相和計(jì)數(shù)，并通過(guò)式（10）得到實(shí)時(shí)噴霧仰角。最后，PID控制器將噴霧仰角實(shí)際值與噴霧仰角目標(biāo)值作比較，求出二者誤差ek，并由PID控制器根據(jù)誤差進(jìn)行系統(tǒng)誤差修正，向推桿電機(jī)輸入相應(yīng)的控制量。

基于增量式PID的噴頭仰角控制算法原理是使用離散的差分方程代替連續(xù)的微分方程，其離散型PID控制方程如式（11）所示：

式中u(m)為第m次控制輸出量；ek為第k次目標(biāo)值與實(shí)際值之間誤差；ek-1為第k-1次目標(biāo)值與實(shí)際值之間誤差；Kp為比例控制環(huán)節(jié)系數(shù)；Ki為積分控制環(huán)節(jié)系數(shù)；Kd為微分控制環(huán)節(jié)系數(shù)。

通過(guò)對(duì)各參數(shù)進(jìn)行整定得到最優(yōu)PID參數(shù)組合，由式（11）計(jì)算得到的第m次與第m-1次控制算法輸出量，并進(jìn)行兩次輸出量差值，得到控制增量輸出。

4 試驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)條件與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證該系統(tǒng)的靶標(biāo)探測(cè)和目標(biāo)仰角定位的準(zhǔn)確性，2020年10月－11月在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)東校區(qū)工學(xué)院西側(cè)海棠樹(shù)林開(kāi)展試驗(yàn)，試驗(yàn)場(chǎng)地長(zhǎng)×寬規(guī)格為40 m× 12 m，主要種植參數(shù)為行距約3.0 m，株距約3.0 m，株高約4.0 m，樹(shù)干高度約0.8 m，試驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度約5 ℃，自然風(fēng)速小于0.5 m/s，主要設(shè)備為靶標(biāo)跟隨式小型噴霧機(jī)、激光雷達(dá)等（圖13a）。

試驗(yàn)方案示意圖如圖13b所示，試驗(yàn)時(shí)噴頭組旋轉(zhuǎn)中心距電動(dòng)履帶底盤(pán)上表面的高度H為565 mm，激光雷達(dá)安裝在車(chē)體最前段，安裝位置距電動(dòng)履帶底盤(pán)上表面高度為470 mm。試驗(yàn)過(guò)程中靶標(biāo)跟隨式小型噴霧機(jī)從起始位置以0.5 m/s速度勻速在行間行駛，到達(dá)地頭后調(diào)轉(zhuǎn)方向從相鄰行間返回，激光雷達(dá)掃描海棠樹(shù)冠層點(diǎn)云數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)到機(jī)器人操作系統(tǒng)（Robot Operating System，ROS）的rosbag文件中，沿行進(jìn)路線隨機(jī)選取3棵樹(shù)并標(biāo)記為樹(shù)1、樹(shù)2、樹(shù)3。利用設(shè)計(jì)的靶標(biāo)探測(cè)與追蹤系統(tǒng)對(duì)選取的3棵樹(shù)的冠層進(jìn)行靶點(diǎn)定位與目標(biāo)仰角處理。

4.2 結(jié)果與分析

進(jìn)行靶標(biāo)探測(cè)與仰角追蹤處理前，首先對(duì)冠層點(diǎn)云數(shù)據(jù)的靶標(biāo)探測(cè)區(qū)域進(jìn)行識(shí)別，垂直于車(chē)體行駛方向?qū)呙璧狞c(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行探測(cè)區(qū)域劃分，探測(cè)區(qū)域劃分示意圖如圖14所示，其中O點(diǎn)為激光雷達(dá)探測(cè)中心點(diǎn)，實(shí)線梯形框ABOD和虛線梯形框EBOF分別表示前進(jìn)方向右探測(cè)區(qū)域和左探測(cè)區(qū)域。

確定靶標(biāo)探測(cè)區(qū)域后，利用式（2）～式（10）對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分割和計(jì)算，分別得到隨機(jī)選取的3棵海棠樹(shù)冠層探測(cè)區(qū)域內(nèi)的靶點(diǎn)位置和對(duì)應(yīng)噴霧仰角，試驗(yàn)結(jié)果如圖15和圖16所示。所提出的靶標(biāo)探測(cè)與追蹤系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同規(guī)格果樹(shù)冠層，可以依據(jù)冠層特征計(jì)算靶點(diǎn)位置；并進(jìn)一步得到靶點(diǎn)對(duì)應(yīng)的噴霧仰角，調(diào)節(jié)噴霧機(jī)構(gòu)；3棵果樹(shù)的目標(biāo)靶點(diǎn)主要集中在距地2.0～3.5 m范圍內(nèi)，相對(duì)于5.0 m左右的樹(shù)高，滿足果樹(shù)冠層中下部噴霧作業(yè)需求；最小噴霧仰角為47.8°，最大噴霧仰角為51.4°，連續(xù)目標(biāo)靶點(diǎn)之間噴霧仰角最大調(diào)節(jié)時(shí)間為0.06 s，可滿足對(duì)靶的時(shí)效需求。分別將試驗(yàn)3棵樹(shù)的機(jī)器測(cè)量靶點(diǎn)位置坐標(biāo)表征到實(shí)際果樹(shù)冠層上，通過(guò)該方法獲取的靶點(diǎn)離地高度與實(shí)際靶點(diǎn)離地高度誤差小于10%，符合果樹(shù)冠層覆蓋噴霧需求。

此外，單一果樹(shù)冠層靶點(diǎn)位置和噴霧仰角變化幅度很小，因此可根據(jù)噴霧機(jī)的行駛速度對(duì)冠層進(jìn)行等分處理。以果樹(shù)1的三等分為例，對(duì)于0.5 m/s的行進(jìn)速度，需要約50幀點(diǎn)云數(shù)據(jù)表征果樹(shù)三維模型，可將其中約15幀點(diǎn)云數(shù)據(jù)的靶點(diǎn)坐標(biāo)取平均值得到平均靶標(biāo)位置的坐標(biāo)，以及平均靶點(diǎn)對(duì)應(yīng)的噴霧仰角，優(yōu)化后目標(biāo)靶點(diǎn)如圖17所示。等分處理可有效減少計(jì)算量以及仰角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的響應(yīng)時(shí)間要求，提高系統(tǒng)的適用性。

5 結(jié) 論

本研究針對(duì)傳統(tǒng)風(fēng)送式噴霧機(jī)作業(yè)過(guò)程中霧滴脫靶率高的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于果園噴霧機(jī)器人的靶標(biāo)探測(cè)與追蹤系統(tǒng)，主要結(jié)論如下：

1）采用激光雷達(dá)獲取果樹(shù)冠層點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)點(diǎn)云分割計(jì)算等處理，獲取目標(biāo)靶點(diǎn)的極徑、極角等信息，進(jìn)而得到對(duì)應(yīng)噴霧仰角，為后續(xù)靶標(biāo)跟隨噴霧的效果研究提供理論基礎(chǔ)；

2）開(kāi)展了實(shí)際果樹(shù)冠層靶標(biāo)探測(cè)和仰角測(cè)量試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，隨機(jī)選取的3棵果樹(shù)利用該系統(tǒng)計(jì)算得到的目標(biāo)靶點(diǎn)主要集中在2.0～3.5 m范圍內(nèi)，相對(duì)于5.0 m左右的樹(shù)高，滿足中下部噴霧作業(yè)需求，最小噴霧仰角為47.8°，最大噴霧仰角為51.4°，連續(xù)目標(biāo)靶點(diǎn)之間噴霧仰角最大調(diào)節(jié)時(shí)間為0.06 s，可滿足對(duì)靶的時(shí)效需求，能夠適應(yīng)不同規(guī)格果樹(shù)冠層，為地面機(jī)械與無(wú)人機(jī)立體協(xié)同植保提供了技術(shù)手段。

3）針對(duì)單一果樹(shù)冠層靶點(diǎn)位置變化幅度較小的實(shí)際情況，對(duì)果樹(shù)冠層進(jìn)行等分處理，在保證靶標(biāo)跟隨效果的同時(shí)，有效減少計(jì)算量以及仰角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的響應(yīng)時(shí)間要求。該系統(tǒng)為噴霧作業(yè)時(shí)減少霧滴脫靶，提高農(nóng)藥利用率提供技術(shù)參考。