果園變量施藥系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姜業(yè)元，曹佃龍，高 磊，趙 靜

（山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255000）

果園種植在我國農(nóng)業(yè)中占據(jù)重要的地位，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截止到2020年，中國的果園種植面積穩(wěn)定在2億畝左右，占耕地的12%。果園種植常年需要施藥，這對(duì)施藥機(jī)械作業(yè)水平要求較高，但是我國應(yīng)用于果園施藥的裝備相對(duì)落后，很多地區(qū)仍然使用低端噴霧機(jī)械。當(dāng)前，我國廣泛采取的施藥手段是均勻噴施農(nóng)藥，無法實(shí)現(xiàn)變量施藥的目標(biāo)。果園變量施藥的宗旨不僅是為了提高果樹產(chǎn)量，更是為了根據(jù)果樹需求進(jìn)行針對(duì)性的農(nóng)藥投入，減少藥物浪費(fèi)，提高藥物利用率；同時(shí)，降低農(nóng)藥殘留量，減少因農(nóng)藥過度使用帶來的環(huán)境問題，提高果實(shí)品質(zhì)?；谏鲜鰡栴}，筆者研究設(shè)計(jì)了果園變量施藥系統(tǒng)。

1 果園變量施藥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

果園變量施藥系統(tǒng)包括果園監(jiān)測(cè)車和搭載噴藥機(jī)的果園施藥車兩部分。前車為監(jiān)測(cè)車，后車為施藥車，前車將處理好的信息發(fā)給施藥車，施藥車跟隨監(jiān)測(cè)車并分析輸入的信息進(jìn)行變量施藥。

1.1 果園監(jiān)測(cè)車設(shè)計(jì)

果園監(jiān)測(cè)車的底盤主要是由行駛系統(tǒng)、車體機(jī)構(gòu)、傳感檢測(cè)裝置、控制系統(tǒng)和太陽能電池組等部分組成。同時(shí)，監(jiān)測(cè)車特別搭載了四軸機(jī)械臂和多光譜相機(jī)，對(duì)果樹葉片信息進(jìn)行精準(zhǔn)采集，并將信號(hào)傳送給施藥車使噴藥機(jī)進(jìn)行變量施藥；四軸機(jī)械臂有7個(gè)自由度，使多光譜相機(jī)能夠以最佳拍攝角度對(duì)每一棵果樹進(jìn)行光譜信息的采集。另外，監(jiān)測(cè)車搭載的風(fēng)向標(biāo)、風(fēng)速傳感器以及雙目相機(jī)能對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行探測(cè)，完成自主行走和避障，并監(jiān)測(cè)周圍環(huán)境。果園環(huán)境監(jiān)測(cè)車的機(jī)械結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 果園環(huán)境監(jiān)測(cè)車

1.2 果園變量施藥車設(shè)計(jì)

果園變量施藥車的底盤組成和監(jiān)測(cè)車相似，特點(diǎn)是搭載了16個(gè)組合藥箱和有上壓風(fēng)場(chǎng)的噴藥系統(tǒng)。噴藥系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)、噴嘴和一對(duì)對(duì)稱配置的噴藥展臂等主要部件組成，風(fēng)機(jī)可以提供較高風(fēng)壓，通過輸送管均勻分配給每一個(gè)噴嘴，保證噴藥效果和噴藥的穩(wěn)定性。果園變量施藥車的機(jī)械結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 果園變量施藥車

兩臺(tái)小車的共同特點(diǎn)如下：小車底盤借鑒了美國MobileRobots公司的Trimble小車底盤，采用四輪驅(qū)動(dòng)和差速轉(zhuǎn)向，通過調(diào)節(jié)每個(gè)電動(dòng)機(jī)的占空比即可使小車按照需要的方向進(jìn)行轉(zhuǎn)向；為更好地適應(yīng)果園的地理環(huán)境，采用高花低壓輪胎；利用雙目相機(jī)、GPS以及地面基站共同協(xié)調(diào)工作，使小車能夠在果園順暢地實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位；通過SLAM實(shí)時(shí)構(gòu)建地圖，使小車能夠避障。

果園變量施藥系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)部分主要包括無刷電動(dòng)機(jī)、行星減速器、錐齒傳動(dòng)總成、高花低壓車輪等[1]。無刷電動(dòng)機(jī)的輸出經(jīng)減速增扭后驅(qū)動(dòng)高花車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。其中，無刷電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速n=2 800 r/min，額定功率P=0.5 kW，額定扭矩T=1.7 N·m。行星減速器的速比i行=6，錐齒傳動(dòng)總成用以改變動(dòng)力輸出方向，其速比i錐=5.4。

2 小車性能分析

2.1 計(jì)算車速和動(dòng)力扭矩

假設(shè)電動(dòng)機(jī)在額定功率下工作，測(cè)得高花車輪直徑d=0.494 m，則高花車輪周長(zhǎng)C=πd≈1.55 m。減速后車輪轉(zhuǎn)速n減=n/(i行×i錐)=2 880/(6×5.4)=88.89 r/min。經(jīng)查機(jī)械手冊(cè)得：實(shí)心橡膠水田輪與果林間的滾動(dòng)摩擦系數(shù)δ=2.2 mm～2.8 mm，附著系數(shù)φ=0.4～0.5，一級(jí)行星齒輪減速器的傳動(dòng)效率η行=0.98，錐齒傳動(dòng)總成的傳動(dòng)效率η錐=0.94～0.98，為保證驅(qū)動(dòng)效果，這里取δ=2.8 mm，φ=0.4，η錐=0.94。

所以車速V=n減·C/60×3.6≈8.27 km/h，由于電動(dòng)機(jī)可無極變速，且該速度在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，速度適中。同時(shí)，電動(dòng)機(jī)使用的直流伺服電機(jī)型號(hào)為L(zhǎng)XL-II80.160，額定功率為2.5 kW，額定轉(zhuǎn)矩為10 N·m，電動(dòng)機(jī)的尺寸為230 mm×130 mm×63 mm?？倐鲃?dòng)效率η總=η行×η錐=0.98×0.94≈0.92。減速增扭后的扭矩T=4T×i行×i錐×η總=4×1.7×6×5.4×0.92≈202.69 N·m。小車單個(gè)車輪牽引力

2.2 計(jì)算果園小車最大滾動(dòng)摩擦阻力偶矩Mmax和高花車輪與泥土附著力Pφ

忽略空氣阻力對(duì)噴藥機(jī)的影響，可知T＞Mmax，F(xiàn)t＞Pφ，滿足小車正常行駛時(shí)力學(xué)條件。

在充分考慮到果園小車的抗側(cè)翻性以及電源、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的大小與裝配位置等因素后，設(shè)計(jì)小車驅(qū)動(dòng)輪的輪間距為690 mm。小車的輪系結(jié)構(gòu)為四輪，均為驅(qū)動(dòng)輪[2]?？紤]到小車車體主要用于支撐貨物和所有附屬設(shè)備，車體需要具備一定的強(qiáng)度和剛度，材料使用Q235普通碳素結(jié)構(gòu)鋼。設(shè)計(jì)的小車整體機(jī)械結(jié)構(gòu)的質(zhì)量為50 kg，小車能夠承受的最大負(fù)載不超過60 kg。

表1 小車系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)參數(shù)

通過計(jì)算，小車滿載（負(fù)載為60 kg）時(shí)最大爬坡角應(yīng)滿足Ft≥f+Mgcosθ，代入Ft=302.3×4=1 209.2 N，f=φN滿=0.4×（50+60）×9.8=431.2 N，M=110 kg，可以求得cosθ=0.722，即θ=43°46"。

同時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)，小車的最大接近角和最大離去角為65°，均大于黏土（含水量高的土壤）的自然傾斜角50°（數(shù)據(jù)來源于百度百科）。通過以上分析，該小車能夠直接進(jìn)入絕大部分的果園，滿足不同地區(qū)的果園生產(chǎn)需求。

該底盤使用于本項(xiàng)目中的監(jiān)測(cè)車和施藥車，由于施藥車需要承載較重的藥箱，因此，將原有的太陽能電池板拆下而將該地方用于承載藥箱，同時(shí)使用兩個(gè)24 V鉛蓄電池進(jìn)行供電。并且施藥車搭載一臺(tái)大功率風(fēng)機(jī)，以產(chǎn)生上壓風(fēng)場(chǎng)，使藥液能夠噴灑到葉片上，同時(shí)抵消一部分自然風(fēng)的影響。

3 控制系統(tǒng)

監(jiān)測(cè)車會(huì)根據(jù)本項(xiàng)目的GNSS和陀螺儀對(duì)一個(gè)區(qū)域內(nèi)的果樹進(jìn)行精準(zhǔn)的巡邏，并采用多光譜相機(jī)對(duì)每一棵果樹進(jìn)行拍照檢查，將獲取的信息返回TX2端；TX2芯片自動(dòng)分析，將分析獲得的數(shù)據(jù)直接發(fā)送給噴藥車，根據(jù)傳送的坐標(biāo)信息自動(dòng)定位到受災(zāi)害的果樹下，通過流量傳感器，控制器進(jìn)行噴藥工作；如果小車遭受到損害，會(huì)中斷命令、自動(dòng)報(bào)警并返回到初始位置，如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)車控制路線

GPS和陀螺儀航向角實(shí)時(shí)測(cè)量如下：

對(duì)于自動(dòng)行駛，考慮到低成本、低功耗、小型化等問題，本項(xiàng)目采用姿態(tài)算法，確保施藥車能夠精準(zhǔn)到達(dá)指定位置。最初的設(shè)計(jì)只使用GPS，沒考慮GPS在動(dòng)態(tài)環(huán)境中可靠性差等問題。該系統(tǒng)以TX2為核心處理器，將GPS接收機(jī)中IPPS脈沖信號(hào)作為同步標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)GPS航向角解算的實(shí)時(shí)修正，從而獲得精度和可靠性的航向角信息。但是經(jīng)過實(shí)際測(cè)量，精確度不太高。

為更好地滿足車輛自動(dòng)駕駛時(shí)航向角測(cè)量的精度要求，后改進(jìn)采用GNSS，運(yùn)用GPS和陀螺儀，采用姿態(tài)算法，本項(xiàng)目選擇運(yùn)用卡爾曼濾波算法，把實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)-全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（RTK-GNSS）測(cè)量出來的經(jīng)緯度和高程經(jīng)過高斯投影轉(zhuǎn)換為高斯平面坐標(biāo)，和微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）陀螺儀測(cè)得的累積航向角進(jìn)行融合處理，最終得到車輛更為精準(zhǔn)的航向角。融合后的航向角度曲線既保持了GNSS航向的整體變化趨勢(shì)，也保持了陀螺儀航向的細(xì)部變化趨勢(shì)，且較GNSS和陀螺儀所得曲線更為平滑，可以跟蹤車輛180°調(diào)頭的轉(zhuǎn)彎動(dòng)作。并且卡爾曼濾波算法可以實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)地測(cè)得車輛航向角數(shù)據(jù)，使精確度大大提高，為變量施藥提供了保證。

4 病蟲害檢測(cè)

當(dāng)監(jiān)測(cè)車到達(dá)一棵果樹下后，通過機(jī)械臂調(diào)整多光譜相機(jī)使其到達(dá)最佳拍攝角度，然后多光譜相機(jī)開始采集光譜信息并實(shí)時(shí)發(fā)給TX2端，對(duì)波段統(tǒng)計(jì)特征、植被指數(shù)特征以及Tamura紋理特征進(jìn)行提取，使用Python完成害蟲檢測(cè)算法，并且安裝一些常用Python庫。當(dāng)植物受到病蟲侵害的時(shí)候，農(nóng)作物因缺乏營養(yǎng)和水分而生長(zhǎng)不良，海綿組織受到破壞，葉子的色素比例也會(huì)發(fā)生變化，使得可見光區(qū)的兩個(gè)吸收谷不明顯，0.55μm處的反射峰值隨著植物葉子被損害程度的增高而降低。近紅外處的變化更為明顯，峰值變低甚至消失，整個(gè)反射光譜曲線波狀特征不明顯。利用這些特性使用相應(yīng)的函數(shù)對(duì)圖像進(jìn)行檢測(cè)分析，并且輸出結(jié)果。最后連接樹莓派，通過串口將信息傳送給施藥車。與此同時(shí)，本項(xiàng)目可以在植保機(jī)上搭載可見光數(shù)碼相機(jī)和多光譜數(shù)碼相機(jī)兩套傳感器，分別來提供普通數(shù)字遙感圖和光譜影像，之后再經(jīng)過數(shù)據(jù)融合，獲取高精度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。它的特點(diǎn)是機(jī)動(dòng)性好、時(shí)效性強(qiáng)、空間分辨率高、數(shù)據(jù)量大，受大氣輻射影響小，是傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感所無法比擬的。另外，對(duì)植被長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的同時(shí)還可對(duì)葉面積指數(shù)、葉片氮含量、氮積累量等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

光譜分析圖如圖4所示。由于當(dāng)植物受害時(shí)，其光譜信息與健康的植物有所不同。本項(xiàng)目通過對(duì)果樹不同病蟲害的光譜信息樣本采集，對(duì)波段統(tǒng)計(jì)特征、植被指數(shù)特征以及Tamura紋理特征進(jìn)行提取，通過Python完成害蟲檢測(cè)算法，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行訓(xùn)練，從而能夠模糊推斷出植物當(dāng)前的受災(zāi)情況，并給出相應(yīng)的施藥方案。

圖4 光譜分析圖

5 施藥車工作分析

當(dāng)施藥車接收到相關(guān)信息后，通過樹莓派進(jìn)行分析，然后到達(dá)施藥點(diǎn)，通過流量控制器和流量傳感器將藥液通過液壓泵從藥箱中抽出，通過單口噴嘴對(duì)果樹進(jìn)行噴藥，施藥車后部風(fēng)機(jī)開啟，將強(qiáng)風(fēng)沿著單口噴嘴吹出，形成上壓風(fēng)場(chǎng)，以便將藥液噴灑到果樹葉片下表面。同時(shí)，流量傳感器安裝在噴頭管上，用于實(shí)時(shí)測(cè)量噴藥流量；通過流量控制器，對(duì)植保機(jī)噴藥流量進(jìn)行控制。控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可使植保機(jī)在噴藥作業(yè)過程中達(dá)到均勻噴灑的效果，使用方法簡(jiǎn)單。其一般作業(yè)幅寬1.2 m，噴藥流量調(diào)節(jié)范圍2.2 L/min～10.8 L/min。

6 關(guān)鍵技術(shù)

1）監(jiān)測(cè)車和施藥車均采用我國自主研制的全球定位系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)：監(jiān)測(cè)車采用GNSS和地面基站，能夠在果園進(jìn)行精準(zhǔn)定位，同時(shí)通過SLAM實(shí)時(shí)構(gòu)建三維地圖，針對(duì)不同地形匹配速度，能夠讓監(jiān)測(cè)車采取最佳路線通過障礙物。

2）監(jiān)測(cè)車和施藥車均采用四輪驅(qū)動(dòng)，差速轉(zhuǎn)向[3]。優(yōu)點(diǎn)：牽引力大，轉(zhuǎn)彎半徑小，操控簡(jiǎn)單[4]?？筛鶕?jù)行駛路面狀態(tài)的不同而將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩按不同比例分布在前后所有的輪子上，以提高作業(yè)車的行駛能力，增強(qiáng)對(duì)不同困難路段的應(yīng)對(duì)能力。

3）施藥車搭載高速風(fēng)機(jī)。優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)慰趪娮煸趪娝帟r(shí)，易受到自然風(fēng)和藥液自重的影響，導(dǎo)致無法保證其施藥范圍。因此，在施藥時(shí)通過風(fēng)機(jī)在單口噴嘴處產(chǎn)生上壓風(fēng)場(chǎng)，使藥液能盡可能地噴灑到葉片的下表面以達(dá)到最佳藥效。同時(shí)，通過霧化器改善霧滴的霧化均勻性，使噴出的藥液均勻地附著在作物的表面，有效減少重噴和漏噴的現(xiàn)象[5]。

4）采用可見光數(shù)碼相機(jī)對(duì)果園環(huán)境進(jìn)行采集。優(yōu)點(diǎn)：能夠采集必要的光照信息，與多光譜相機(jī)采集的信息進(jìn)行綜合比對(duì)，以消除果園內(nèi)丁達(dá)爾效應(yīng)對(duì)多光譜相機(jī)可能造成的影響。同時(shí)，對(duì)航拍檢測(cè)進(jìn)行信息補(bǔ)充，自下而上對(duì)果樹進(jìn)行檢測(cè)，通過對(duì)每棵果樹進(jìn)行光譜分析實(shí)現(xiàn)果樹的精細(xì)化管理。

5）采用四輪差速轉(zhuǎn)向。優(yōu)點(diǎn)：該系統(tǒng)通過四輪差速進(jìn)行轉(zhuǎn)向，其轉(zhuǎn)彎半徑小，甚至可以原地掉頭，因此靈活性高，能更好地適應(yīng)果園中的特殊環(huán)境。通過編碼器采集當(dāng)前車輪轉(zhuǎn)速，當(dāng)需要轉(zhuǎn)向時(shí)，TX2通過計(jì)算并調(diào)節(jié)每個(gè)電動(dòng)機(jī)的占空比來控制車輪的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到轉(zhuǎn)向的目的。

6）與無人機(jī)進(jìn)行無縫配合使用。優(yōu)點(diǎn)：無人機(jī)進(jìn)行施藥時(shí)，藥液大部分都停留在了葉片的上表面，而下表面的藥液微乎其微。因此，可以配合使用該系統(tǒng)，對(duì)無人機(jī)施藥后的區(qū)域進(jìn)行葉片下表面的施藥，以達(dá)到最大的病蟲害防治效果。

7 結(jié)語

本研究介紹了果園變量施藥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以有效提高藥物的利用率，降低農(nóng)藥殘留量，減少因農(nóng)藥過度使用帶來的環(huán)境問題，提高果實(shí)品質(zhì)。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、清晰，穩(wěn)定性強(qiáng)，能夠較好地適應(yīng)果園特殊的工作環(huán)境。與此同時(shí)，其制作成本與運(yùn)行成本都較低，能夠很好地應(yīng)用于國內(nèi)大小型果園，有利于在我國果園種植中普及和推廣。