基于雙目視覺的葡萄園變量噴霧控制系統(tǒng)設(shè)計與試驗

閆成功，徐麗明，袁全春，馬 帥，牛 叢，趙詩建

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083）

0 引 言

變量噴霧技術(shù)是實現(xiàn)精準(zhǔn)噴霧的一個重要方面[1]，該技術(shù)根據(jù)作物的實際生長需要實現(xiàn)藥量的在線調(diào)節(jié)和變量噴灑，從而達(dá)到減藥增產(chǎn)、綠色節(jié)本和保證食品安全等目的[2-3]。變量噴霧技術(shù)被提出以來，相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者進行了很多有益的探索，這些研究可以分為 2類：基于作物處方圖的變量噴霧和根據(jù)實時傳感器檢測作物信息的變量噴霧[4-5]。其中前者主要以作業(yè)處方圖、衛(wèi)星定位信息以及機具的前進速度為依據(jù)實現(xiàn)變量噴灑作業(yè)，如Carrara等[6-8]提出的方案均具有一定的可行性，但基于作物處方圖的變量噴霧技術(shù)大多針對大田作物，對于果園的變量噴霧則主要以實時檢測作物信息的傳感器技術(shù)為主要研究方向。

如何實現(xiàn)果園冠層特征信息的在線探測是實現(xiàn)果園變量噴霧的關(guān)鍵[9-10]。Moltó等[11]使用超聲波傳感器探測果樹位置實現(xiàn)噴頭滿噴、半噴和不噴的 3態(tài)控制策略，實現(xiàn)了 37%的節(jié)藥效果。隨著技術(shù)的發(fā)展，更精準(zhǔn)的果樹冠層信息采集技術(shù)不斷涌現(xiàn)，其中可行性較高的包括立體視覺法、超聲波傳感法和 LIDAR傳感法[12]。Maghsoudi等[13]使用超聲波傳感器建立了開心果樹冠層體積的在線預(yù)測算法，其試驗樣機的節(jié)藥效果達(dá)到了34.5%且各項噴霧指標(biāo)與常規(guī)噴霧具有較好的一致性，但超聲波束的擴散角度大，限制了其對冠層特征信息進行精確探測的能力。Sanz等[14]使用LIDAR掃描儀建立了用于預(yù)測籬架型果樹葉面積的LIDAR 3D動態(tài)測量系統(tǒng)，在蘋果園、梨園和葡萄園的試驗結(jié)果表明該系統(tǒng)可以對籬架型果樹的葉面積進行有效的估算，但LIDAR傳感器的價格普遍較高。李龍龍等[15]使用激光傳感器探測冠層體積、采用多組噴頭和離散式獨立風(fēng)機組合的方式同時實現(xiàn)了噴霧量與送風(fēng)量的單獨調(diào)控，為風(fēng)送式精準(zhǔn)噴藥裝備的研發(fā)提供了新思路。在立體視覺法方面，Kise等[16]使用立體攝像機可以對果樹的高度和冠層體積達(dá)到厘米級估計，這項研究成果表明立體視覺法在冠層結(jié)構(gòu)的測量精度方面具有優(yōu)勢，但是該技術(shù)對硬件要求很高且對光照敏感。消費級雙目相機的出現(xiàn)或許可以彌補立體視覺法的不足，Milella等[17]使用這種相機同時實現(xiàn)了葡萄冠層體積的有效估計和葡萄串的識別計數(shù)，這項研究進一步表明雙目相機在果園變量噴霧方面可能具有應(yīng)用前景。

脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）技術(shù)具有調(diào)流范圍廣、霧化特性一致性好、易實現(xiàn)自動控制等優(yōu)點，國內(nèi)外很多學(xué)者對PWM在變量噴霧方面的應(yīng)用進行了研究[18-21]。Silva等[22]研究了果園風(fēng)送式噴霧機PWM占空比和噴頭個數(shù)對流量的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在無調(diào)壓和恒壓2種條件下，當(dāng)占空比從20%增加到90%時總流量均隨之線性增加，且所擬合的占空比和流量的回歸方程的決定系數(shù)均大于 98%。魏新華等[23]通過試驗測試得出了所設(shè)計的PWM變量噴施系統(tǒng)的施藥量控制模型，發(fā)現(xiàn)當(dāng)目標(biāo)噴霧流量大于0.3 L/min時，該模型的流量控制誤差在±4%以內(nèi)，且當(dāng)目標(biāo)噴霧流量較大時，噴霧流量的控制精度較高。蔣煥煜等[24]通過構(gòu)建的 PWM 變量噴霧實驗平臺和水敏試紙評估了不同PWM控制信號頻率、占空比及噴霧壓力下霧滴覆蓋率的變異系數(shù)，發(fā)現(xiàn)PWM控制信號頻率對變異系數(shù)的影響最大而噴霧壓力對變異系數(shù)的影響最小，并且使用較高的PWM控制頻率進行流量調(diào)控可以獲得較好的霧滴均勻性。

本文以籬架式葡萄園為對象，以實現(xiàn)變量噴霧一致性和提高節(jié)藥效果為目標(biāo)，擬在現(xiàn)有的常規(guī)商用果園風(fēng)送式噴霧機的基礎(chǔ)上，設(shè)計一套基于雙目相機實時探測葡萄葉幕深度并結(jié)合機具前進速度計算冠層體積，從而為 PWM 變量噴施系統(tǒng)提供決策依據(jù)的葡萄園變量噴霧控制系統(tǒng)；提出冠層體積計算方法和流量調(diào)控模型，并通過試驗測試冠層體積的探測精度和靜態(tài)條件下控制系統(tǒng)的變量噴霧一致性；最后，通過田間試驗對變量控制系統(tǒng)的實際噴霧流量與理論預(yù)測流量的線性擬合決定系數(shù)、變量噴霧和常量噴霧模式下的霧滴霧化參數(shù)進行量化和評價，以期為果園變量噴霧技術(shù)實現(xiàn)生產(chǎn)層面的應(yīng)用提供參考。

1 變量噴霧控制系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成

3WF-400Z型噴霧機是北京豐茂植保機械有限公司生產(chǎn)的一種背負(fù)式風(fēng)送噴霧機，工作轉(zhuǎn)速540 r/min，與22 kW以上拖拉機配套使用。該噴霧機通過拖拉機的后動力輸出軸為液泵和風(fēng)機提供動力，未改裝前只能進行傳統(tǒng)的常量噴霧作業(yè)。藥箱容量400 L，液泵排量102 mL/r，共配備10個（左右兩側(cè)各5個）D3型圓錐霧化噴頭，額定噴霧壓力范圍0.5～1.0 MPa，單個噴頭噴霧量1.5～2.4 L/min可調(diào)，最大噴幅半徑可達(dá)6 m。依據(jù)本試驗樣機改裝前在葡萄園中的實際作業(yè)情況，僅使用原噴霧機一側(cè)的1～4號噴頭及另一側(cè)的7～10號噴頭（按順時針）能更好地適應(yīng)葡萄園冠層的實際高度，故本研究將原噴霧機頂部中央的5、6號噴頭關(guān)閉。改裝后整機的總體結(jié)構(gòu)與噴霧系統(tǒng)回路如圖1所示。

1.2 硬件設(shè)計

如圖2所示，變量噴霧控制系統(tǒng)主要由雙目相機、光電編碼器、觸摸屏、筆記本電腦、控制板、繼電器、電磁閥、渦輪流量計和壓力傳感器等組成。本研究在拖拉機前方兩側(cè)的鋁型材支架上正對葡萄葉幕各垂直安裝1臺雙目相機（小覓智能，S1030-IR-120型標(biāo)準(zhǔn)版、像素間距 6.0μm、焦距 2.1 mm、視場角 146° ×122°×76°）分別用于探測左右兩側(cè)葡萄葉幕的冠層深度，其深度分辨率為752×480(像素)，深度探測范圍為0.8～5 m。該相機具備標(biāo)準(zhǔn)的USB3.0接口，通過編寫程序可以通過深度矩陣形式輸出探測目標(biāo)區(qū)域內(nèi)所有有效探測像素點處的深度值(若未成功探測到某像素點處的深度值，程序自動將其認(rèn)定為無效探測點并以“invalid”字符串形式返回填充至深度矩陣中的對應(yīng)像素點處)。使用筆記本電腦作為運行 2臺雙目相機的上位機支持平臺，并在筆記本電腦上編寫了用于處理深度數(shù)據(jù)的上位機程序。在緊鄰每個噴頭的管道上游各安裝 1個電磁閥（HOPE72型、常閉、12VDC、工作壓力0～1.0 MPa），用于根據(jù)由控制器提供的多路獨立可調(diào)PWM信號實時調(diào)控各噴頭流量，流量大小具體取決于冠層體積。在噴霧機的后方單獨安裝地輪并使用光電編碼器（E6B2-CWZ3E型、5～12VDC、1024脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)）測量地輪轉(zhuǎn)速，從而間接獲得噴霧機組的前進速度。在噴霧機的主回路中安裝 1個壓力傳感器（CYT-102型、量程0～1.0 MPa、輸出1～5VDC、精度±0.5%F.S）檢測噴霧壓力；在兩側(cè)的回路支路上各安裝1個渦輪流量計（LWGB-DN6型、量程0.1～0.6 m3/h、輸出1～5VDC、精度±1.0%F.S），分別用于檢測噴霧機一側(cè)的1～4號噴頭及另一側(cè)的7～10號噴頭的總流量。使用觸摸屏（廣州大彩串口屏DC80480F070_6111_OC）實現(xiàn)人機交互。

下位機主控制器型號為STM32F107（意法半導(dǎo)體公司），使用該控制器的 4個串口通信模塊與筆記本電腦和觸摸屏進行數(shù)據(jù)通信，其中 COM1、COM2用于根據(jù)機具前進距離觸發(fā)串口中斷后由下位機向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)更新指令，上位機收到指令后立即分別通過COM1與COM2返回此時由 2臺雙目相機獲取并經(jīng)上位機程序處理得到的雙線程深度數(shù)據(jù)；COM3用于將下位機的工作數(shù)據(jù)實時單向傳輸并保存到筆記本電腦中；COM4用于接收觸摸屏中輸入的數(shù)據(jù)指令并實時顯示機具的工作信息。使用定時器TIM2產(chǎn)生8路模擬PWM控制信號，并通過數(shù)字I/O模塊控制繼電器進而控制電磁閥的高速開閉；TIM3獲取光電編碼器測得的脈沖信號計算前進速度。使用模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊從流量傳感器和壓力傳感器獲取噴霧回路中的流量和壓力數(shù)據(jù)?？刂葡到y(tǒng)所需的電力由拖拉機上的車載12 V蓄電池提供。

1.3 軟件設(shè)計

為了方便數(shù)據(jù)交互，應(yīng)用觸摸屏界面開發(fā)環(huán)境設(shè)計人機交互軟件，操作界面如圖3所示。通過交互界面可以選擇噴霧機的工作模式（常量模式或變量模式），控制噴霧作業(yè)的啟停，輸入行距、PWM控制頻率等以及實時顯示當(dāng)前機組的前進速度、壓力、流量等。

變量噴霧控制程序流程如圖4所示。系統(tǒng)初始化完成后，通過觸摸屏選擇噴霧機的工作模式。在變量模式下，系統(tǒng)首先讀取在觸摸屏上輸入的單位體積施藥量、PWM 控制頻率和行距。由于控制系統(tǒng)從獲取冠層數(shù)據(jù)到?jīng)Q策出最終的占空比以及霧滴從噴頭噴出后到達(dá)目標(biāo)冠層的表面均需要一定時間，這可能會導(dǎo)致實際的噴灑區(qū)域落后于目標(biāo)區(qū)域[25]。解決這一問題的通常做法是將傳感器安裝在噴頭前方并與之保持合理的距離，這一距離可以通過系統(tǒng)的延遲時間和前進速度（約1 m/s）估算得到[26-27]。

經(jīng)測算，控制系統(tǒng)的延遲時間約為0.45 s，因此雙目相機的提前安裝距離為0.45 m左右。受實際安裝結(jié)構(gòu)限制，本研究中雙目相機的最佳安裝位置位于拖拉機車頭前側(cè)，與位于拖拉機尾部的噴頭相隔5 m。因此本研究在參考翟長遠(yuǎn)等[28]數(shù)組游標(biāo)式編程思想的基礎(chǔ)上，借鑒隊列思想在上位機程序中使用循環(huán)數(shù)組對當(dāng)前所獲取的深度值進行緩存處理，并將該數(shù)組所存儲的深度數(shù)據(jù)最佳緩存?zhèn)€數(shù)（即數(shù)組長度）確定為 9個。隨著噴霧機組的前進，上位機每隔0.5 m對雙目相機所獲取的當(dāng)前原始二維像素深度矩陣進行處理，包括根據(jù)單元冠層的寬度和高度提取目標(biāo)冠層區(qū)域內(nèi)的深度值、去除無效及明顯異常數(shù)據(jù)、統(tǒng)計有效深度個數(shù)并做平均處理、對各單元冠層的平均深度進行編碼并進入循環(huán)數(shù)組緩存等。

當(dāng)系統(tǒng)根據(jù)機具的前進距離判斷噴頭到達(dá)目標(biāo)冠層區(qū)域后，下位機向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)更新指令，上位機將循環(huán)數(shù)組中的隊首編碼發(fā)送給下位機，之后在數(shù)組中移除該隊首編碼并把第2～9個編碼依次填充至該數(shù)組的第1～8個元素位置處，將最新獲取的平均深度編碼存入隊尾，即第 9個元素位置處。以此循環(huán)，下位機對接收到的編碼進行解碼得出目標(biāo)冠層的平均深度，結(jié)合光電編碼器獲得的數(shù)據(jù)實時計算出目標(biāo)冠層體積，并進一步?jīng)Q策出當(dāng)前各噴灑區(qū)域所需要的噴灑流量和各電磁閥的工作占空比，從而自動實現(xiàn)各噴頭的變量噴灑。在常量模式下，系統(tǒng)根據(jù)在觸摸屏中輸入的 8個電磁閥占空比使各噴頭以恒定流量進行噴霧。2種工作模式下的作業(yè)數(shù)據(jù)均可以（如實時的冠層體積、前進速度、壓力和流量）顯示在觸摸屏上，并通過串口通信和軟件調(diào)試助手傳輸、保存在筆記本電腦中。

2 冠層體積計算

通過測量獲得進行田間試驗的葡萄園種植行距為3 m，最大葉幕高度為1.92 m。根據(jù)相機成像規(guī)律和該葡萄園的實際情況，確定雙目相機距噴霧機中心軸線的距離e為0.1 m，距地面的安裝高度為0.96 m（冠層高度方向上的中心位置），此時相機的成像視野高度亦為1.92 m。對于其他不同種植行距和葉幕生長情況的葡萄園，可以通過輸入行距和調(diào)整相機安裝位置，使雙目相機的成像視野在最大限度保留探測精度的同時適應(yīng)葡萄園的實際冠層高度。本文僅以試驗葡萄園的實際情況為例，對冠層體積計算方法進行闡述。如圖5所示，雙目相機探測到冠層深度d后，根據(jù)公式（1）計算對應(yīng)的冠層厚度：

式中CWj為冠層表面有效深度像素點Pj到樹干中心的水平距離，本研究將其定義為冠層厚度，m；R為行距，R=3 m；e為雙目相機成像平面距噴霧機中心軸線的距離，本文中e=0.1 m；d為雙目相機探測到的冠層深度，即雙目相機成像平面距像素點Pj之間的水平距離，m。

冠層體積的測量原理如下：設(shè)定噴霧機每前進0.5 m時，相機以當(dāng)前成像視野內(nèi)探測到的冠層深度值作為計算原始數(shù)據(jù)。當(dāng)控制系統(tǒng)根據(jù)機具前進速度判斷需要獲取下一目標(biāo)區(qū)域的冠層深度信息時，如公式（2）所示，在相機當(dāng)前輸出的深度矩陣范圍內(nèi)，根據(jù)成像原理計算出噴霧目標(biāo)區(qū)域的像素范圍。

式中f為雙目相機的焦距，本文中f=2.1 mm；Lp為噴霧目標(biāo)區(qū)域在成像平面上的像素高度，mm；Wp為噴霧目標(biāo)區(qū)域在成像平面上的像素寬度，mm；CH為葡萄冠層的平均高度，CH=1 920 mm；SL為沿噴霧機前進方向上的冠層寬度，SL=500 mm。

將f、R、e、CH和SL的值代入公式（2），求得噴霧目標(biāo)區(qū)域在成像平面上的像素高度Lp和像素寬度Wp分別為2.88和0.75 mm。雙目相機的像素間距為6.0μm，用像素寬度Wp和像素高度Lp分別除以像素間距，求得噴霧目標(biāo)區(qū)域內(nèi)對應(yīng)的像素個數(shù)為125×480（寬×高），因此選取相機中央視野內(nèi)125×480（寬×高）像素區(qū)域內(nèi)的深度值作為目標(biāo)冠層體積的計算區(qū)域。結(jié)合實際研究的噴頭數(shù)量，每個冠層噴霧單元對應(yīng) 1個噴頭，將雙目相機視野內(nèi)連續(xù)的葡萄冠層離散為上、中上、中下和下 4個長方體[29]。如圖6所示，每一單元噴霧目標(biāo)區(qū)域的冠層體積計算公式為

式中CV為單元噴霧目標(biāo)冠層的體積，m3；CW為單元噴霧目標(biāo)區(qū)域的平均冠層厚度，m。

鑒于正常生長的葡萄冠層厚度在較短的株距方向上并不會發(fā)生劇烈變化，對每一單元噴霧目標(biāo)區(qū)域所探測到的冠層厚度CWj進行濾波和平均處理，將得到的厚度平均值CW作為該噴霧單元的平均冠層厚度。同時，若當(dāng)前單元噴霧目標(biāo)區(qū)域的有效深度像素點個數(shù)占比小于10%，則認(rèn)為當(dāng)前區(qū)域不存在冠層，對應(yīng)噴頭停止噴霧。

3 變量噴霧調(diào)控決策

PWM通過控制電磁閥啟、閉時間的占空比調(diào)節(jié)噴頭實際流量[30]，綜合考慮噴霧均勻性和實際調(diào)試中電磁閥的響應(yīng)效果，確定電磁閥的PWM控制頻率為5 Hz。魏新華等[23]發(fā)現(xiàn)當(dāng)占空比較低時，隨著噴霧壓力的增大，會促使電磁閥的響應(yīng)效果變差從而導(dǎo)致噴施效果畸變嚴(yán)重。本文結(jié)合原噴霧機的額定噴霧壓力范圍（0.5～1.0 MPa），在噴霧壓力為0.5 MPa條件下進行占空比與噴頭噴霧流量標(biāo)定試驗，采用單因素線性擬合法建立占空比與噴頭噴霧流量的對應(yīng)關(guān)系模型，擬合結(jié)果如圖7所示。當(dāng)占空比在10%～70%范圍內(nèi)變化時，噴頭流量與占空比的關(guān)系為

式中q0.5為0.5 MPa噴霧壓力下的噴頭噴霧流量，L/min；α為PWM控制信號占空比，%。

該模型的決定系數(shù)R2為0.996，表明占空比在10%～70%范圍內(nèi)變化時，噴頭流量與占空比具有較強的線性關(guān)系。

為合理確定目標(biāo)冠層區(qū)域的施藥量，本文將單位冠層體積所需要噴灑的藥液量定義為應(yīng)用系數(shù)。根據(jù)每個果園的實際防控需求，應(yīng)用系數(shù)根據(jù)藥劑生產(chǎn)商的推薦用藥量、田間試驗或經(jīng)驗確定，本研究在參考李龍龍等[15,26]研究的基礎(chǔ)上，將該系數(shù)確定為0.1 L/m3。單元噴霧目標(biāo)區(qū)域的施藥量Q（單位：L）根據(jù)公式（5）確定。

式中i0為應(yīng)用系數(shù)，本文中i0=0.1 L/m3。

根據(jù)施藥量與噴頭流量的關(guān)系、噴霧機行進速度與單位冠層寬度SL的關(guān)系以及公式（5），每個噴頭的實時流量根據(jù)公式（6）確定。

式中v為噴霧機的前進速度，m/s。

當(dāng)占空比小于 10%或大于 70%時，由于電磁閥無法正確響應(yīng)，占空比與流量之間不存在線性關(guān)系。當(dāng)噴霧機以1 m/s的前進速度工作時，考慮噴頭的實際標(biāo)定結(jié)果，整理式（4）、式（6），得到噴霧機的噴霧流量控制模型為

4 靜態(tài)性能測試試驗

4.1 冠層體積探測精度測試

由于室外的光照環(huán)境會對雙目相機的探測精度產(chǎn)生較大影響，且通過實際測試發(fā)現(xiàn)，在不同深度探測范圍內(nèi)雙目相機的冠層深度探測誤差也隨之不同。結(jié)合葡萄冠層的實際深度和相機的安裝位置，本研究的冠層探測深度在900～1 400 mm之間。為使冠層深度探測結(jié)果可以較好地反映冠層的實際深度，在葡萄園中對雙目相機進行標(biāo)定。具體的標(biāo)定方法為：隨機選取葉片分布均勻、葉幕輪廓平整的葡萄冠層作為標(biāo)定樣本，將雙目相機正對冠層并固定在距葡萄藤干1 400 mm、距地面960 mm處，使用卷尺測量標(biāo)定樣本輪廓表面與相機成像平面之間的垂直距離，并與雙目相機探測到的冠層深度進行比較。選取不同的標(biāo)定樣本進行多次標(biāo)定和統(tǒng)計分析后，最終確定冠層深度補償值為150 mm。在葡萄園中進行體積探測精度試驗，試驗當(dāng)天平均氣溫20 ℃，照度100 lux。如圖8所示，隨機選取3處寬度為1 m的葡萄冠層作為樣本點，然后從樣本中心開始向兩側(cè)將葉幕分為 0.25、0.5、0.75和1 m寬度。運行上位機程序，分別獲取4個寬度下葉幕從上至下每一單元噴霧目標(biāo)區(qū)域的冠層厚度，并通過公式（3）計算出各噴霧單元的冠層體積。最后，通過對每個噴霧單元的體積求和獲得每個樣本寬度下的冠層體積。

為與雙目相機的探測計算結(jié)果進行比較，對每個樣本寬度下的冠層體積進行手動測量。參考 Rosell等[31]手動測量葡萄冠層體積的方法，首先在高度和寬度方向上，將葉幕部分由下至上劃分為0.48 m高、0.125 m寬的測量單元，最上層高度不足480 mm的測量單元測量其實際高度。在垂直于葡萄行的平面內(nèi)，對每個測量單元的冠層厚度測量 3次并取平均值，將此平均厚度乘以相應(yīng)的實際高度和樣本寬度計算出每個測量單元的冠層體積，通過對每個測量單元的體積求和獲得每個樣本寬度下的冠層體積。

4.2 靜態(tài)變量一致性測試

由于控制系統(tǒng)及硬件的綜合響應(yīng)能力可能會使各噴頭的實際噴霧量與目標(biāo)噴霧量存在一定差異，參考沈景新等[32]方法，本研究在田間試驗之前首先進行靜態(tài)條件下實際噴霧量與目標(biāo)噴霧量的一致性測試試驗。試驗的具體實施方法為：用純凈水代替藥液,忽略噴頭間的差異，選定 1號噴頭為測試噴頭。參考魏新華等[23]方法進行噴霧響應(yīng)測試。除 1號噴頭外其他噴頭的模擬冠層厚度均設(shè)置為550 mm（對應(yīng)占空比為100%，即電磁閥全程打開）。在下位機變量噴霧程序中設(shè)定噴霧機的工作速度為1 m/s，在上位機程序中設(shè)置好模擬冠層厚度0、50、100、150、200、250、300、350、400、450和500 mm，并依次發(fā)送給下位機。下位機根據(jù)冠層厚度和工作速度計算出冠層體積和每一設(shè)定體積下的占空比，并進行變量噴霧。在每個冠層厚度下，用清潔干燥的自封袋收集1號噴頭噴出的霧滴，連續(xù)收集30 s，然后用精度為±0.01 g的電子天平稱量收集到的霧滴質(zhì)量，并換算為 1號噴頭的噴霧流量。

不同冠層體積對應(yīng)的實際噴霧流量與理論噴霧流量如圖10所示。在模擬冠層厚度下，1號噴頭的實際流量響應(yīng)范圍為0.45～1.45 L/min。本研究共使用了8個可以獨立進行流量調(diào)控的電磁閥—噴頭組合，如果忽略各電磁閥—噴頭組合間的硬件差異，則變量噴霧系統(tǒng)允許的最小變量范圍為3.6～11.6 L/min，流量調(diào)節(jié)范圍較寬；當(dāng)葉幕的單元冠層體積小于0.036 m3時，即在葉幕非常稀少時實際流量大于冠層所需要的理論流量。這種情況在實際作業(yè)中可能會導(dǎo)致少數(shù)局部冠層區(qū)域內(nèi)農(nóng)藥噴灑過量，但是可以有效防止稀薄葉幕處漏噴情況的發(fā)生；當(dāng)葉幕的單元冠層體積大于0.036 m3時，1號噴頭的實際流量與理論流量的線性擬合決定系數(shù)R2為0.990，表明程序的實時性、硬件響應(yīng)能力以及不同冠層體積與實際噴霧流量的一致性較好。

5 田間試驗

5.1 試驗方法

試驗地點：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)涿州試驗基地；試驗時間：2020年9月15日；試驗時環(huán)境溫度15 ℃，平均空氣流速0.6 m/s，照度100 lux。試驗對象為籬架型葡萄，行距為 3 m，最大葉幕高度及葉幕厚度分別為 1 920和500 mm。主要試驗設(shè)備包括504型時風(fēng)風(fēng)云拖拉機（山東時風(fēng)集團有限責(zé)任公司）、雙目視覺葡萄園變量噴霧機樣機、水敏紙（35 mm×55 mm）。

用純凈水代替藥液，設(shè)置溢流閥的溢流壓力為0.5 MPa，噴霧機以正常的噴藥作業(yè)速度（約1 m/s）進行2次田間試驗，每次的試驗距離為15 m。首先在人機交互界面中選擇常量模式，輸入8個噴頭的占空比為100%，按下開始按鈕進行常量噴霧作業(yè)；第 2次在人機交互界面中選擇變量模式，輸入應(yīng)用系數(shù)0.1 L/m3、PWM控制頻率5 Hz、行距3 m，按下開始按鈕進行變量噴霧作業(yè)。試驗之前，隨機選取5處葉幕寬度為0.5 m的葡萄冠層作為樣本點，將每個樣本點分為上、中上、中下和下 4個部分（距地面高度分別約為0.6、1.0、1.4和1.8 m），在每一部分冠層外部的左、中、右各隨機選擇 1個葡萄葉片并在葉片正面固定一張水敏紙。每次試驗完成待水敏紙干燥后，將水敏紙及時取下、編號并逐一掃描為 PNG格式的黑白圖像。按照重慶六六山下植?？萍加邢薰眷F滴分析軟件對水敏紙的掃描要求，設(shè)置掃描儀（惠普，LJ M129-M134）的顏色格式為灰度掃描，分辨率為600像素。試驗完成后，根據(jù)試驗過程中程序自動保存的深度數(shù)據(jù)和前進速度數(shù)據(jù)計算冠層體積。

5.2 結(jié)果與分析

如圖12所示，使用六六山下霧滴分析軟件對常量噴霧和變量噴霧2次試驗后的水敏紙進行分析[26]，2種噴霧模式下的霧化參數(shù)如表1所示。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[33-35]，風(fēng)送式果園噴霧機械防治葉面病蟲害時的霧滴直徑應(yīng)在30～150μm以內(nèi)，霧滴密度應(yīng)不小于25 個/cm2，覆蓋率應(yīng)不小于 33%。同類研究中，李龍龍等[15]研究的變量噴霧機在蘋果園不同冠層上的平均沉積量為1.65μL/cm2，平均霧滴密度為60 個/cm2。表1表明，在滿足評定標(biāo)準(zhǔn)的前提下，加裝變量噴霧系統(tǒng)后，試驗樣機雖然在藥液覆蓋率及沉積量方面略有降低，但是總體上與未改裝前仍保持著較好的一致性，且霧滴密度增加至113.22 個/cm2（增加了79.31 個/cm2），霧滴密度與沉積量均優(yōu)于李龍龍等[15]的研究結(jié)果。本研究提出的方法還可以在一定程度上細(xì)化霧滴直徑，其中霧滴的數(shù)量中值直徑（Number Median Diameter，NMD）和體積中值直徑（Volume Median Diameter，VMD）分別減小了87.71和182.79μm。結(jié)合試驗現(xiàn)場觀察到的噴霧效果，分析其原因可能是由于常量模式下的噴藥量超過實際需求，導(dǎo)致霧化后的液滴在到達(dá)冠層葉片表面后重新凝聚造成霧滴尺寸偏大；而變量模式因不會產(chǎn)生過量噴灑，從而可以改善藥液的霧滴尺寸和空間分布。

表1 兩種噴霧方式下的霧化參數(shù)Table 1 Atomization parameters of two spraying modes

圖13為變量噴霧時左右兩側(cè)噴頭的實際噴霧流量與冠層體積的變化趨勢。限于流量傳感器的瞬態(tài)檢測精度，實際流量的變化趨勢并不總與冠層體積的變化一致，但總的趨勢基本相同。

常量噴霧時，無論冠層大小，平均噴霧流量為6.73 L/min。通過計算15 m內(nèi)2種不同噴霧模式下的施藥量，相較于常量噴霧，變量噴霧模式節(jié)省了約55.27%的農(nóng)藥用量。薛秀云等[10]提出的變量噴霧方法在單株型仿真樹上的試驗結(jié)果表明，與常規(guī)連續(xù)噴霧和對靶定量噴霧相比，變量噴霧的節(jié)藥率分別為68.34%和32.77%。對于應(yīng)用于連續(xù)型密集果園（如葡萄園）的變量噴霧，由于不存在大量果樹間隙，因此本研究中的節(jié)藥率略低于單株型稀疏果園的節(jié)藥率。

圖14為變量噴霧模式下左右兩側(cè)噴頭的實際噴霧流量與理論預(yù)測流量的線性擬合結(jié)果，其中左側(cè)1～4號噴頭擬合后的決定系數(shù)R2=0.897，右側(cè) 7～10號噴頭擬合后的決定系數(shù)R2=0.877。實際噴霧流量與理論預(yù)測流量存在較強的相關(guān)性，進一步表明實際噴霧流量與冠層體積間具有較好的一致性。

6 結(jié) 論

1）本研究在3WF-400Z果園風(fēng)送式噴霧機的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一套由雙目相機、電磁閥、觸摸屏、光電編碼器和上下位機控制程序為主要組成部分的葡萄園變量噴霧控制系統(tǒng)。系統(tǒng)利用雙目相機探測葡萄葉幕深度，結(jié)合噴霧機前進速度計算冠層體積，通過PWM實時調(diào)控多路電磁閥的占空比，實現(xiàn)了基于葡萄冠層體積的變量噴霧。

2）確定了雙目相機的探測深度補償值為 150 mm；當(dāng)探測距離為1 400 mm時，對葡萄冠層進行了體積探測試驗并與手動測量結(jié)果進行了線性擬合，其決定系數(shù)為0.933，說明所提出的基于雙目相機探測冠層體積的計算方法具有較好的準(zhǔn)確性；在靜態(tài)條件下對控制系統(tǒng)的變量噴霧一致性進行了測試，當(dāng)冠層體積大于0.036 m3時單噴頭實際流量與理論流量的線性擬合決定系數(shù)為0.990。

3）田間試驗結(jié)果表明，加裝變量噴霧系統(tǒng)后的試驗樣機在保證藥液覆蓋率和沉積量基本不變的情況下，可以在一定程度上細(xì)化霧滴直徑并增加霧滴密度，其中霧滴的數(shù)量中值直徑和體積中值直徑分別減小了 87.71和182.79μm，霧滴密度增加了79.31個/cm2；噴霧機樣機左、右兩側(cè)噴頭的理論預(yù)測流量與實際噴霧流量的線性擬合決定系數(shù)分別為0.897和0.877，且實際噴霧流量與冠層體積的總體變化趨勢基本一致，表明變量噴霧模式可以更好地適應(yīng)作物冠層的實際幾何特征。相對于常量噴霧，變量噴霧模式節(jié)省了約55.27%的農(nóng)藥用量。