基于LiDAR的果園對靶變量噴藥控制系統(tǒng)設計與試驗

竇漢杰，翟長遠，王 秀，鄒 偉，李 琪，陳立平※

（1. 西北農(nóng)林科技大學機械與電子工程學院，楊凌 712100；2. 北京市農(nóng)林科學院智能裝備技術研究中心，北京 100097；3. 國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術研究中心，北京 100097）

0 引 言

農(nóng)藥噴灑是果園病蟲害防治的主要方式，可減少66%～90%果品損失。果園風送噴藥技術是聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的一種高效施藥技術，已在果園病蟲害防治中得到廣泛應用。傳統(tǒng)的果園風送噴藥采用連續(xù)均勻噴藥的方式，不僅增加農(nóng)藥使用量，而且多余的農(nóng)藥飄移到空氣和地面造成環(huán)境污染。為解決這一問題，出現(xiàn)了基于傳感器的果園風送對靶變量噴藥技術，該技術可根據(jù)果樹位置、冠層體積、枝葉稠密度等特征信息進行變量噴藥，大大減少農(nóng)藥用量。

目前，果園風送對靶噴藥采用的傳感器主要有紅外、超聲和激光雷達（Light Detection And Ranging, LiDAR）傳感器。紅外傳感器是最早用于果園對靶噴藥的傳感器，其通過探測果樹樹干或樹冠位置控制噴頭開啟時間實現(xiàn)對靶噴藥。He等基于紅外傳感器研發(fā)了一種果園精準對靶噴藥控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可節(jié)約50%～75%的農(nóng)藥使用量。翟長遠等采用探測樹干估算樹冠位置的方法，使用紅外傳感器設計了幼樹靶標探測器。李麗等采用紅外傳感器實時探測果園靶標位置，并根據(jù)探測結果實施對靶噴藥控制。由于紅外對靶噴藥只能根據(jù)果樹有無進行選擇性噴藥，無法根據(jù)果樹冠層體積和枝葉稠密度進行變量噴藥，基于超聲傳感的對靶噴藥技術出現(xiàn)。Maghsoudi等運用超聲波傳感器實時獲取果樹靶標冠層體積，并基于冠層體積變化進行變量噴藥，相比傳統(tǒng)噴藥平均節(jié)省了34.5%的藥量。Gil等基于超聲波傳感器研發(fā)了一種可根據(jù)果樹冠層體積變化進行變量噴藥的果園噴霧機，可節(jié)約21.9%農(nóng)藥使用量。姜紅花等基于超聲波傳感器研發(fā)履帶自走式果園自動對靶風送噴霧機，可實現(xiàn)大于30%的藥量節(jié)約。相比紅外和超聲波傳感器，LiDAR能獲取更多的果樹特征信息。Liu等基于270°LiDAR和速度傳感器開發(fā)了可根據(jù)雙側果樹特征信息和作業(yè)速度進行噴藥量調控的噴藥控制系統(tǒng)，可節(jié)約超過50%的農(nóng)藥使用量。Zhu等基于LiDAR研發(fā)了果園對靶噴藥機，并與傳統(tǒng)噴藥機進行對比試驗，該機不僅可減少農(nóng)藥使用量，而且病蟲害防治效果更好。Cai等基于LiDAR獲取的果樹冠層點云數(shù)據(jù)建立了冠層體積網(wǎng)格化計算模型，冠層體積計算相對誤差小于5%。并基于該模型研發(fā)了果園對靶變量噴霧機，可根據(jù)果樹冠層體積變化實現(xiàn)對靶變量噴藥。Li等基于LiDAR研發(fā)了可根據(jù)果樹冠層體積進行噴藥量和風量調控的噴霧機，在0.8 m/s作業(yè)速度下，風量和藥量的聯(lián)合調控可進一步提高農(nóng)藥利用率。張美娜等基于LiDAR提出果樹靶標葉面積密度計算方法，并基于該方法研發(fā)基于靶標葉面積密度參數(shù)的噴霧控制系統(tǒng)。江世界等基于LiDAR研發(fā)果園噴霧機器人靶標探測與追蹤系統(tǒng)，可適應不同形態(tài)果樹中下部對靶施藥需求。

綜上所述，LiDAR在果樹特征信息獲取方面具有明顯優(yōu)勢，研究表明，激光對靶精準施藥技術可節(jié)約農(nóng)藥用量60%～67%、施藥時間27%～32%、勞動力和化學燃料28%，每年可節(jié)約殺蟲劑使用成本1 420～1 750美元/hm。但由于LiDAR需要高性能處理器進行點云數(shù)據(jù)處理，且不同類型果樹的冠層特征信息探測模型存在差異和不同類型果園噴藥機噴藥控制模型存在差異。目前國內外關于激光對靶精準施藥技術的研究整體上處于樣機研發(fā)階段，尚未形成商業(yè)化應用。本文以塔式果園風送噴霧機為研究對象，采用CAN總線、PWM控制和比例積分微分（Proportion Integration Differentiation，PID）控制技術研發(fā)果園對靶變量噴藥控制系統(tǒng)，獲得常規(guī)果園風送噴藥作業(yè)速度1 m/s下噴藥延時補償距離和最佳網(wǎng)格寬度，并基于對靶控制原理提出對靶噴藥控制精度檢測方法，通過試驗對系統(tǒng)性能進行評價，為后續(xù)開展果園激光對靶變量噴藥技術研究提供參考。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)硬件構成

本研究選用南通黃海藥械有限公司生產(chǎn)的3WG-1200A型果園風送噴霧機作為試驗樣機，該噴霧機出風口采用塔式結構，噴灑幅寬大于20 m，噴藥流量在20～70 L/min，出風口最大風速為23 m/s，適用于蘋果園、桃園和櫻桃園等噴藥作業(yè)。

如圖1所示，系統(tǒng)主要由LiDAR、工業(yè)平板電腦、噴藥流量控制器（Spray Flow Controller，SFC）、電磁閥、控制閥組和測速裝置等組成。其中控制閥組安裝在噴藥管路系統(tǒng)中，由調壓閥和流量傳感器組成，流量傳感器選用寧波市力成農(nóng)用噴霧技術有限公司生產(chǎn)的FT-100型流量傳感器，流量范圍2～100 L/min，最大壓力2 MPa，脈沖信號輸出，1 L流量輸出136個脈沖，誤差±2%，可實時監(jiān)測管路系統(tǒng)流量。SFC根據(jù)系統(tǒng)壓力變化控制調壓閥的開度大小實現(xiàn)系統(tǒng)壓力調節(jié)；SFC基于單片機STM32F105R8T6最小系統(tǒng)和多路固態(tài)繼電器模塊實現(xiàn)對噴頭流量的PWM控制，每路SFC可獨立控制5路電磁閥工作，同時支持CAN總線和RS232通訊，可通過CAN總線實現(xiàn)與工業(yè)平板電腦通訊；測速裝置由測速碼盤和光電傳感器組成，通過光電傳感器測量噴藥機車輪內側測速碼盤轉動頻率實現(xiàn)作業(yè)速度測量；LiDAR采用德國SICK公司生產(chǎn)的LMS10100系列二維激光雷達，角度掃描范圍-45°～225°，可同時獲取兩側果樹冠層信息，并通過網(wǎng)口實時傳輸給工業(yè)平板電腦；基于C#開發(fā)的車載計算機界面可設置LiDAR參數(shù)（安裝高度、探測距離、距噴頭距離、起始檢測高度和網(wǎng)格寬度）和實時顯示作業(yè)信息（冠層體積、作業(yè)速度、噴霧壓力、實時流量和噴藥量）。

圖1 對靶變量噴藥控制系統(tǒng)構成Fig.1 Target-oriented variable-rate spraying control system composition

1.2 系統(tǒng)軟件設計

果園對靶變量噴藥控制系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖Fig.2 System flow chart

工作時，安裝在噴藥機藥箱前面的LiDAR實時掃描兩側果樹冠層，通過網(wǎng)口將掃描的果樹冠層點云數(shù)據(jù)發(fā)送給工業(yè)平板電腦，在工業(yè)平板電腦上運行的上位機界面讀取到點云數(shù)據(jù)后將通過果樹冠層體積計算模型實時計算出不同網(wǎng)格區(qū)域內的網(wǎng)格體積，并根據(jù)事先建立的藥量需求模型計算出不同網(wǎng)格區(qū)域內所需藥量，藥量需求數(shù)據(jù)將以消息隊列的形式進行存儲。一旦噴頭到達指定位置后，相應位置的藥量需求數(shù)據(jù)將被調出，并通過CAN總線傳送給SFC，SFC根據(jù)藥量需求分別計算出不同位置噴頭控制所需PWM值，進而控制不同噴頭位置處電磁閥執(zhí)行相應的動作實現(xiàn)藥量按需調控。同時，噴霧系統(tǒng)壓力信息會通過壓力傳感器實時發(fā)送給SFC，SFC根據(jù)系統(tǒng)壓力變化控制調壓閥的開度大小進行系統(tǒng)壓力調節(jié)，確保系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。實時噴藥量、作業(yè)速度、噴霧壓力、累計噴藥量等信息也會通過SFC實時傳送給上位機界面，實現(xiàn)作業(yè)數(shù)據(jù)的實時顯示。

1.2.1 果樹冠層體積計算

果樹冠層體積精確計算是實現(xiàn)精準對靶變量噴藥的前提，作者團隊前期基于LiDAR提出了一種果樹冠層體積計算方法。該方法根據(jù)LiDAR到果樹行所在平面的檢測距離、安裝高度、網(wǎng)格高度及寬度等參數(shù)條件，建立了果樹冠層網(wǎng)格體積計算模型，如式（1）所示。其中，為減小控制系統(tǒng)運算量，提高系統(tǒng)響應速度，取-45°～45°（行走方向左側）和135°～225°（行走方向右側）范圍內點云數(shù)據(jù)進行果樹冠層體積計算。前期基于該果樹冠層體積計算方法開展了果樹冠層網(wǎng)格體積在線探測試驗，在不同探測速度及網(wǎng)格寬度條件下，針葉型仿真樹以及蘋果幼樹兩種樹形的總體積最大變異系數(shù)分別為7.8%和4.1%，該探測方法具有較高探測精度，可用于果樹冠層體積在線探測。

式中V為果樹冠層網(wǎng)格體積，mm；為測距序列個數(shù)；為測距值個數(shù)；為測距序列編號；為測距值編號；h為第個測距序列中第個測距點對應的高度值，mm；d為第個測距序列中第個測距點到果樹行所在平面的距離，mm；w為相鄰測距序列之間激光雷達行進的距離，即亞網(wǎng)格寬度值，mm；H為激光雷達的安裝高度，mm；D為激光雷達到果樹行所在平面的檢測距離，mm；α為第個測距序列中第個測距點在測距序列中對應的角度值，(°)；R為第個測距序列中第個測距點的測距值，mm；為網(wǎng)格組中的網(wǎng)格編號，取1～范圍；為網(wǎng)格組中劃分的縱向網(wǎng)格個數(shù)。

1.2.2 噴頭流量PWM控制

噴藥機不同位置的噴頭對應果樹冠層上的噴藥范圍不同，為實現(xiàn)根據(jù)果樹冠層體積進行精準對靶變量噴藥，需要對不同位置處噴頭流量進行獨立控制。由于噴藥機隔膜泵藥液出口到不同位置噴頭管路長度不同，各個位置噴頭流量控制模型存在差異。為了建立不同位置噴頭流量PWM控制模型，進行不同PWM占空比下單噴頭流量測量試驗，如圖3所示。其中，噴頭流量使用自行研發(fā)的單噴頭流量測量裝置進行測量。每次試驗同時測量噴霧機左右兩側對稱位置2個噴頭流量，其他位置噴頭不工作，將噴頭夾子固定在噴頭上，使用噴頭流量PWM控制軟件分別設定PWM占空比（頻率為10 Hz）依次為10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%和90%，控制電磁閥工作直至穩(wěn)定后，啟動噴藥機噴霧系統(tǒng)，通過控制閥組中調壓閥調節(jié)噴霧系統(tǒng)壓力，使其保持為1 MPa。觀察流量測量裝置流量示數(shù)，待流量穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)，每組試驗重復3次。

圖3 單噴頭流量測試Fig.3 Single nozzle flow test

對獲取的左右兩側1～20號噴頭流量隨PWM占空比變化數(shù)據(jù)進行分析，得出圖4所示噴頭流量與PWM占空比之間關系?？梢钥闯?，噴霧壓力1 MPa下，各噴頭控制最佳PWM占空比位于0～60%之間；不同位置噴頭流量隨PWM占空比變化關系存在差異，需建立不同位置噴頭流量PWM控制模型進行單噴頭流量獨立控制。

利用二次多項式函數(shù)對各個位置噴頭流量與PWM占空比數(shù)據(jù)進行擬合，獲得1～20號噴頭流量與PWM占空比關系表達式，如式（2）。

式中為PWM占空比；為噴頭流量，L/min；、和為不同位置噴頭流量系數(shù)關系，各噴頭對應參數(shù)如表1所示。

為實現(xiàn)噴霧機的噴頭流量根據(jù)果樹冠層網(wǎng)格體積進行實時調節(jié)，需要在噴頭噴霧范圍與冠層各個位置網(wǎng)格范圍之間建立一一對應關系，如圖5所示。不同位置噴頭在果樹冠層上噴霧范圍由各噴頭與水平面的夾角決定，如式（3）。

圖4 噴頭流量與PWM占空比關系Fig.4 The relationship between the nozzle flow and the Pulse Width Modulation(PWM) duty cycle

表1 噴頭流量PWM控制模型參數(shù)Table 1 Model parameters of nozzles flow PWM control

圖5 噴頭與冠層網(wǎng)格體積對應關系Fig.5 Correspondence between nozzles and canopy grid volume

式中L為處于同一高度上的噴頭間距，m。

根據(jù)噴頭流量計算公式和果樹冠層網(wǎng)格體積值，得到單一噴頭的流量計算公式，如式（4）。

式中為單位冠層體積所需藥量，L/m，根據(jù)相關研究，將其設定為0.1 L/m；V為網(wǎng)格組中的單一網(wǎng)格體積值，m；Δ為噴頭經(jīng)過網(wǎng)格組中的單一網(wǎng)格體積所需時間，s。

1.2.3 噴霧系統(tǒng)壓力PID調控

在單噴頭流量調節(jié)過程中，噴頭開啟狀態(tài)變化會引起噴霧系統(tǒng)壓力波動，壓力變化影響噴藥效果。為減小壓力變化影響，基于增量式PID控制方法實現(xiàn)噴霧系統(tǒng)壓力調節(jié)，控制過程如圖6所示。

根據(jù)上述PID控制原理，搭建壓力調控系統(tǒng)，通過對PID參數(shù)的整定，獲取PID調節(jié)參數(shù)，比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)分別為1、1和0.01。壓力調控系統(tǒng)的穩(wěn)定時間小于3 s，壓力控制偏差小于0.15 MPa。噴藥過程中，電磁閥頻繁開閉（PWM波動變化時間為0.1 s）會導致噴藥系統(tǒng)壓力周期性變化，前期試驗發(fā)現(xiàn)，在帶回流攪拌的噴霧系統(tǒng)中，該周期性變化幅度較小。本文PID壓力調控對象為噴藥系統(tǒng)主管路壓力，調控目的是穩(wěn)定系統(tǒng)某一時間段內壓力，不是針對單次PWM調節(jié)引起的噴頭壓力瞬間變化進行調控。因此，PID調控系統(tǒng)響應可以滿足要求。

圖6 壓力PID調控過程Fig.6 Proportion Integration Differentiation (PID) control process of spraying pressure

1.2.4 對靶噴藥控制

LiDAR與噴頭之間有一定安裝距離，當噴頭未到達對應噴藥位置時，LiDAR獲得的果樹冠層信息以消息隊列形式進行存儲。一旦噴頭到達對應網(wǎng)格組位置時，消息隊列按先入先出調出當前位置對應施藥量信息，并發(fā)送給SFC，SFC控制對應噴頭流量實現(xiàn)對靶噴藥。為準確判別噴頭是否到達相應的噴藥位置，SFC需要實時讀取測速裝置碼盤反饋的脈沖信號，根據(jù)脈沖信號數(shù)量計算出噴霧機移動距離，如式（5）。

式中為噴霧機移動距離，m；S為測速裝置發(fā)出一個脈沖噴霧機移動距離，m；為測速裝置反饋脈沖數(shù)。

測速裝置碼盤均勻布置，避免噴藥機運行速度參與計算，降低了噴藥機移動距離計算誤差。由于噴頭開閉存在延時，為提高系統(tǒng)對靶噴藥精度，加入延時補償算法。整個對靶噴藥控制過程如圖7所示。噴藥過程中，SFC根據(jù)測速裝置反饋脈沖信號實時計算噴藥機移動距離，并同LiDAR與噴頭之間安裝距離進行比較。當大于時，表明噴藥機噴頭已到達對應網(wǎng)格組位置，上位機控制程序向SFC發(fā)送當前位置所需噴藥量信息，SFC根據(jù)噴藥量信息控制不同位置噴頭流量實現(xiàn)對靶變量噴藥。完成當前位置噴藥后，當前位置噴藥量和探測位置信息被釋放，SFC開始新的噴藥機移動距離計算，當滿足噴頭開啟條件時，按照上述過程完成對靶變量噴藥。

圖7 對靶變量噴藥控制流程Fig.7 Target-oriented variable-rate spraying control process

1.2.5 通信協(xié)議

由于需要獨立控制20路噴頭流量，控制指令相對復雜，為了規(guī)范果園噴藥作業(yè)，采用ISO 11783串行控制和通信數(shù)據(jù)網(wǎng)絡總線標準制定通訊協(xié)議。

對果園風送對靶變量噴藥控制系統(tǒng)而言，由于單個數(shù)據(jù)幀最多包含8個字節(jié)數(shù)據(jù)，考慮到后續(xù)多源信息擴展的傳輸需求，根據(jù)ISO 11783-3:2014規(guī)定，本協(xié)議采用多包消息的方式，將報文參數(shù)組編號（Parameter group No.，PGN）的數(shù)據(jù)信息，包含作業(yè)速度、噴霧壓力、實時流量和噴藥量等數(shù)據(jù)分包發(fā)送。其中，將每個包數(shù)據(jù)域首字節(jié)定義為數(shù)據(jù)包序列號，并按遞增順序發(fā)送。由于最多可分配255個序列號，可滿足果園噴藥作業(yè)信息擴展需求。參照ISO 11783-7:2015對機具消息應用層的規(guī)定，制訂表2所示果園風送對靶變量噴霧機相關參數(shù)的報文，如定義噴霧機作業(yè)啟?？刂频腜GN為00F401，更新周期為100 ms，字節(jié)長度為8字節(jié)（bytes）。其中，字節(jié)1、2表示作業(yè)速度校核指令；字節(jié)3、4表示開始作業(yè)指令；字節(jié)5、6表示停止作業(yè)指令；其余未定義位保留。

表2 CAN通訊協(xié)議Table 2 CAN communication protocol

1.2.6 上位機控制界面設計

基于C#語言開發(fā)果園精準對靶變量噴藥控制系統(tǒng)上位機界面，如圖8所示。該界面可進行LiDAR安裝高度、探測距離、距噴頭距離、起始檢測高度和網(wǎng)格寬度參數(shù)的設置，可實時顯示不同網(wǎng)格冠層內網(wǎng)格體積、作業(yè)速度、噴霧壓力、實時流量和噴藥量信息，同時可進行LiDAR網(wǎng)口通訊參數(shù)和流量控制器通訊參數(shù)的設置。測速裝置進行不同類型作業(yè)機具速度測量時會存在一定誤差，為了提高作業(yè)速度測量精度，在上位機界面中增加了速度校準功能。速度校準中首先設定校準距離，在校準距離起始和停止位置分別點擊“開始校準”和“停止校準”按鈕，SFC會記錄測速傳感器發(fā)出的脈沖數(shù)，并結合設定網(wǎng)格寬度計算噴藥機每移動1個網(wǎng)格寬度對應脈沖數(shù)，將該值作為修正值發(fā)送給SFC，完成速度校準。

圖8 上位機界面Fig.8 PC interface

2 性能試驗

2.1 噴頭開閉時間測量

在進行對靶噴藥時，噴頭開閉存在延時，延時時間影響對靶控制精度。為測量在真實噴藥環(huán)境下噴頭開閉時間，在實驗室搭建單噴頭噴霧系統(tǒng)，如圖9所示。

圖9 噴頭開閉時間測量試驗Fig.9 Measurement tests of nozzle opening and closing time

噴霧系統(tǒng)采用微型高壓隔膜泵（DP-150，上海新西山實業(yè)有限公司），最大流量5.3 L/min，最大壓力1 MPa。試驗過程中，調節(jié)噴霧系統(tǒng)壓力為1 MPa，通過噴頭流量PWM控制軟件分別設定PWM占空比為0、100%控制電磁閥關閉與開啟，每次試驗重復開閉噴頭3次，使用美國SVSI公司GigaView高分辨率高速相機對噴頭開閉過程進行拍攝（500幀/s）。拍攝結束后，使用配套軟件對噴頭開閉過程進行分析，截取噴頭從關閉到完全打開和噴頭打開到關閉全過程視頻，分析計算出噴頭開閉時間，如圖10所示。最終分析獲得噴頭開啟時間為0.112 s，噴頭關閉時間為0.08 s?；趪婎^開閉時間，在對靶變量噴藥控制系統(tǒng)中加入延時補償。取噴頭開閉時間的平均值（0.096 s）作為延時補償時間。果園風送噴藥常規(guī)作業(yè)速度一般選擇為1 m/s，則延時補償距離為96 mm。

圖10 噴頭開閉過程Fig.10 Nozzle opening and closing process

2.2 對靶精度

為評價系統(tǒng)加入延時補償距離后對靶控制精度，設計了階梯型控制精度標定板，檢測原理如圖11所示。由于測速裝置碼盤上相鄰兩檢測點之間對應水平位移為70 mm，為保證LiDAR能夠對標定板的每級階梯最多檢測1次，設計標定板每個階梯的寬度為70 mm。試驗過程中，LiDAR能對標定板中每一級階梯進行檢測并計算網(wǎng)格體積和所需藥量，進而控制不同高度噴頭進行對靶噴藥。根據(jù)噴霧起始位置處產(chǎn)生噴霧動作的噴頭數(shù)量判斷LiDAR在標定板上的起始檢測位置，將噴藥起始位置與對應的標定板階梯位置進行比較（通過高速相機記錄相應位置），獲得對靶噴藥控制超前噴藥或滯后噴藥的水平距離誤差。

結合前期研究，選用140、210和280 mm的網(wǎng)格寬度進行試驗。試驗在北京市昌平區(qū)小湯山國家精準農(nóng)業(yè)研究示范基地進行，地面為平坦的瀝青路面，LiDAR距標定板檢測距離為1.5 m。啟動對靶變量噴藥系統(tǒng)，駕駛拖拉機以1 m/s速度移動，高速相機以240幀/s的速度對噴藥過程進行錄制，每次試驗重復3次。試驗結束后，使用圖像分析軟件對噴藥過程進行回放，比較噴頭開閉位置與對應的階梯位置，以兩個位置間的時間差與移動速度乘積計算出兩個位置的距離差，作為對靶噴藥控制誤差。試驗結果如表3所示。

圖11 對靶精度檢測原理Fig.11 Detection principle of target-oriented accuracy

表3 不同網(wǎng)格寬度下對靶精度檢測結果Table 3 Test results of target-oriented accuracy under different grid widths

由表3可知，隨著網(wǎng)格寬度增大，噴頭開啟由超前變?yōu)闇?，噴頭關閉一直為滯后，且對靶誤差先減小后增大，當網(wǎng)格寬度為210 mm時，噴頭開閉延時誤差最小，該對靶變量控制系統(tǒng)最優(yōu)網(wǎng)格寬度選擇為210 mm，此時的噴頭開啟和關閉滯后距離分別為19和41 mm。實際噴藥中，隨著作業(yè)速度增加，噴藥機通過一定網(wǎng)格寬度所需時間減小，理論上對靶精度會降低，其最優(yōu)網(wǎng)格寬度會發(fā)生變化，且速度越大，最優(yōu)網(wǎng)格寬度應越大。本文選擇的最優(yōu)網(wǎng)格寬度是在果園風送噴藥推薦作業(yè)速度1 m/s下獲得的，由于最佳網(wǎng)格寬度不受噴藥機類型影響，該網(wǎng)格寬度適用于對靶變量噴藥控制系統(tǒng)在其他類型噴藥機上使用，具有一定應用價值。

2.3 樣機試驗

2.3.1 樣機

將果園激光對靶變量噴藥控制系統(tǒng)搭載在南通黃海藥械有限公司生產(chǎn)的3WG-1200A型果園風送噴藥機上，如圖12所示。拖拉機選用山東濰坊拖拉機廠生產(chǎn)的TY404拖拉機，后端噴藥機通過動力輸出軸與拖拉機連接，拖拉機帶動噴藥機水泵和風機工作進行果園風送噴藥，噴藥機技術參數(shù)如表4。

圖12 對靶變量噴霧機樣機Fig.12 Target-oriented variable-rate sprayer prototype

表4 噴藥機性能參數(shù)Table 4 Sprayer performance parameters

試驗在北京市昌平區(qū)小湯山國家精準農(nóng)業(yè)研究示范基地桃園進行，桃園為5年果園，品種為瑞光8號，果樹行距4.5 m，株距5.0 m。試驗過程中，在距離被噴果樹20 m位置放置自行研發(fā)的田間小型氣象站，實時監(jiān)測環(huán)境溫度、濕度、光照強度、風速和風向數(shù)據(jù)。

2.3.2 樣機對靶精度

為進一步驗證系統(tǒng)在真實果樹上對靶精度，進行樣機對靶控制精度檢測試驗，如圖13所示。試驗時間為2021年10月24日，選擇高度為2.3 m和平均寬度為2.4 m的桃樹為靶標，在桃樹對立面放置白布（寬3 m，高3 m），白布用攝影架支撐，白布距LiDAR距離為2.0 m。試驗過程中，修改控制系統(tǒng)程序代碼，使右側LiDAR探測到靶標時控制左側噴頭開啟。為了便于測量白布上噴霧寬度，配置一定濃度羅丹明溶液加入噴藥機藥箱，使噴霧機噴出霧滴變?yōu)榧t色，紅色霧滴會清晰呈現(xiàn)在白布上。試驗過程中，駕駛噴藥機以1 m/s作業(yè)速度從北向南進行對靶噴藥，試驗重復進行3次。試驗結束后，測量白布上噴霧寬度相對果樹冠層寬度變化，沿噴霧機行走方向，以白布左側起始噴霧位置相對果樹冠層左側邊緣距離為噴頭開啟誤差，以白布右側終止噴霧位置相對果樹冠層右側邊緣距離為噴頭關閉誤差。試驗過程中平均風速為1.23 m/s，風向為316.58°（西北風）。

圖13 對靶控制精度檢測試驗Fig.13 Detection tests of target-oriented control accuracy

試驗結果如表5所示，可知，針對桃樹，噴頭開啟滯后距離平均值為122 mm，噴頭關閉滯后距離平均值為185 mm。相比實驗室試驗，噴頭開啟和關閉延時滯后增加，這是由于試驗過程中自然風方向沿噴霧機行走方向，霧滴從噴霧機出口到白布傳播的過程中，自然風導致霧滴沿噴霧機行進方向移動，致使延時距離滯后。

表5 對靶控制精度試驗結果Table 5 Test results of target-oriented spraying control accuracy

2.3.3 變量噴藥性能試驗

為了驗證該系統(tǒng)在果園噴藥過程中對靶變量噴藥性能，于2021年10月25日在上述桃園開展了果園對靶變量噴藥試驗。選擇相鄰的3顆果樹為試驗對象，樹1寬度2.5 m，深2.6 m，高2.4 m；樹2寬度2.7 m，深2.4 m，高2.3 m；樹3寬度2.5 m，深2.6 m，高2.1 m。試驗分為連續(xù)噴藥試驗和對靶噴藥試驗，為評價兩種噴藥方式的噴藥效果，在3棵果樹冠層前、中、上、下、左、右6個位置放置水敏紙，如圖14所示。水敏紙用曲別針固定在葉片表面。同時，通過流量傳感器實時記錄試驗過程中噴藥用量。整個試驗中平均風速、風向、溫度和空氣濕度分別為0.22 m/s、293.85°、19.55 ℃和29.38%。

圖14 果園對靶變量噴藥試驗Fig.14 Orchard target-oriented variable-rate spraying test

試驗過程中，根據(jù)3棵果樹位置，選擇噴藥行走距離為15 m，控制連續(xù)噴藥和對靶變量噴藥均為單邊噴藥（試驗果樹一側），噴霧壓力設定為1 MPa，噴藥機以1 m/s作業(yè)速度分別進行連續(xù)和對靶變量噴藥，每種噴藥方式試驗重復3次，每次試驗記錄總噴藥量數(shù)據(jù)，并用帶有標記的塑封袋收集各個采樣點的水敏紙，待試驗結束后，帶回實驗室進行分析。

利用天彩電子（深圳）有限公司研發(fā)的TSN450型掃描儀對試驗采樣水敏紙進行掃描，獲取水敏紙灰度圖像，然后用重慶六六山下有限公司研發(fā)的霧滴沉積分析軟件對水敏紙掃描圖片進行分析，獲得霧滴覆蓋率和沉積點密度等各項噴霧效果檢測指標。根據(jù)水敏紙上霧滴沉積分布數(shù)據(jù)分析結果，利用Origin軟件生成果樹冠層不同位置霧滴覆蓋率均值、沉積密度分布圖，如圖15和表6所示。

圖15 噴藥性能試驗結果Fig.15 Spraying performance test results

由圖15可知，相比連續(xù)噴藥，對靶變量噴藥下3棵果樹冠層上霧滴覆蓋率均明顯降低，兩種噴藥方式下，霧滴沉積點密度均大于20滴/cm，滿足果樹病蟲害防治要求。相關研究表明，霧滴覆蓋率大于30%被認為是過量噴藥，導致農(nóng)藥浪費。對靶變量噴藥霧滴覆蓋率在30%以下，連續(xù)噴藥霧滴覆蓋率在30%以上，說明該系統(tǒng)可根據(jù)果樹冠層不同位置處網(wǎng)格體積變化調節(jié)噴頭流量，實現(xiàn)對靶變量噴藥，降低冠層內霧滴覆蓋率和提高農(nóng)藥利用率。針對連續(xù)噴藥，冠層前的霧滴沉積密度小于冠層中間的，這是由于連續(xù)噴藥作業(yè)時噴頭流量較大，霧滴附著在水敏紙上出現(xiàn)重疊形成大霧滴，較小霧滴被較大霧滴覆蓋。而在變量噴藥下，隨著噴藥量的減小，這一現(xiàn)象被減弱，在果樹2和果樹3較為明顯，而果樹1未發(fā)生改變，可能因為果樹1的體積和枝葉稠密度大于果樹2和3。

表6 連續(xù)和對靶變量噴藥量對比Table 6 Comparison of spray volume between constant-rate spraying and variable-rate spraying

由表6可知，在設定試驗區(qū)域內，連續(xù)和對靶變量噴藥的農(nóng)藥用量分別為4.53和1.71 L，相比連續(xù)噴藥，對靶變量噴藥可節(jié)約藥量62.25%。該結果與美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究局針對激光對靶省藥量的研究結果相符（激光對靶精準施藥技術可節(jié)約農(nóng)藥用量60%～67%）。

3 討 論

由于噴頭或噴霧壓力的變化會引起噴頭流量和噴霧角度變化，進而改變冠層網(wǎng)格體積與單噴頭控制流量之間對應關系，本文PWM噴頭流量控制模型是在1 MPa壓力下建立的，如果更換噴頭或改變噴霧壓力，需要更換為對應的流量模型。但對于同種型號的噴藥機和特定的噴霧壓力，用戶在正常使用過程中模型是不用變化的。針對PWM噴頭流量控制模型通用性問題，后續(xù)將開展針對性研究，以提高控制模型和控制系統(tǒng)的通用性。

本文研發(fā)對靶變量噴藥系統(tǒng)在0～100%占空比所對應的施藥量是該噴藥機的噴藥范圍，在使用該噴藥機進行噴藥時，所需噴施藥量應在這個噴藥范圍內。如果需要增大或減小施藥量范圍，需要更換不同型號噴頭。本文在進行對靶變量噴藥控制系統(tǒng)程序設計時，當所需藥量范圍超出噴藥機最大噴施藥量范圍時，默認PWM占空比為100%。目前，國內老式果園采用非標準化種植，冠層體積較大，激光對靶變量噴藥技術在老式果園噴藥中可能存在所需噴施藥量范圍不夠的情況，這時需要更換大流量噴頭。但隨著果園種植模式朝著矮化密植方向發(fā)展，這一問題將不再存在，激光對靶變量噴藥在新式標準化果園中應用前景廣闊。

本文試驗期間，北京市昌平區(qū)小湯山爆發(fā)冰雹天氣，果樹葉片受冰雹淋洗導致葉片掉落，致使試驗果樹冠層稀疏。而桃樹每年一般需噴農(nóng)藥8次左右。第一次在發(fā)芽前，第二次在開花前，第三次在5月下旬，第四五六次在6月，第7次在7月上旬，第8次在8月上旬。而在桃樹發(fā)芽、開花和樹葉逐漸長出過程中，桃樹冠層相對掛果期較稀疏，與本文試驗桃樹冠層類似。因此，本文試驗選用桃樹雖然冠層稀疏，但試驗結果適用于桃樹生長早期噴藥，研究結果具有一定意義。同時，本文設計的基于LiDAR的果園對靶變量噴藥控制系統(tǒng)還有許多需要改進的地方，如不同生長時期桃樹冠層的變化是否會影響對靶變量控制系統(tǒng)噴霧精度。后續(xù)擬開展全生長周期試驗，進一步明確果樹冠層變化對系統(tǒng)噴霧精度的影響。

4 結 論

1）針對塔式果園風送噴霧機，基于先前建立的果樹冠層網(wǎng)格化體積探測方法建立噴頭流量PWM控制模型，獲得PWM占空比最佳調節(jié)范圍為0～60%；根據(jù)果園噴藥作業(yè)需求建立CAN總線通訊協(xié)議和開發(fā)果園精準對靶變量噴藥上位機界面；通過高速相機獲取噴頭開閉時間，基于噴頭開閉時間確定系統(tǒng)延時補償距離為96 mm；通過實驗室試驗確定作業(yè)速度1 m/s下的最佳網(wǎng)格寬度為210 mm；最終融合對靶噴藥控制方法研發(fā)可根據(jù)果樹位置和冠層體積變化進行藥量按需調控的果園對靶變量噴藥控制系統(tǒng)。

2）將研發(fā)的系統(tǒng)與果園噴藥機融合集成研發(fā)果園對靶變量噴藥機樣機，開展實驗室和果園對靶精度探測試驗，試驗結果表明，實驗室條件下，噴頭開啟滯后距離為19 mm，噴頭關閉滯后距離為41 mm；果園條件下，噴頭開啟滯后距離為122 mm，噴頭關閉滯后距離為185 mm。該對靶變量噴藥控制系統(tǒng)可根據(jù)果樹冠層位置實現(xiàn)對靶噴藥控制。

3）開展桃園對靶變量噴藥試驗，試驗結果表明，在霧滴沉積密度大于20滴/cm下，相比連續(xù)噴藥，該對靶變量噴藥控制系統(tǒng)可大大降低霧滴覆蓋率（低于過量噴藥界定閾值30%）和提高霧滴沉積效果，根據(jù)果樹冠層不同位置處的體積變化實現(xiàn)對靶變量噴藥；在設定試驗區(qū)域內，連續(xù)和對靶變量噴藥的農(nóng)藥用量分別為4.53和1.71 L，該控制系統(tǒng)可節(jié)約藥量62.25%。