丘陵果園自走式小型靶標(biāo)跟隨噴霧機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

李文偉 江世界 徐平凡 馬恒濤 楊圣慧 鄭永軍,2

(1.中國農(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)

0 引言

果園病蟲害防治是果園管護(hù)的重要環(huán)節(jié)之一。我國果園主要分布在以兩廣地區(qū)、陜甘地區(qū)為代表的丘陵地帶,約占果園總面積的65%[1-2],受地形和種植模式制約,大型施藥裝備行間行走困難,病蟲害防治仍以人工施藥為主,勞動強(qiáng)度大、作業(yè)效率低、藥液浪費(fèi)嚴(yán)重,且作業(yè)人員農(nóng)藥中毒事故頻發(fā)[3]。

為改善霧滴沉積性能、提高果園施藥效率、降低勞動強(qiáng)度,近年來國內(nèi)外學(xué)者開展了果園噴霧機(jī)精準(zhǔn)施藥研究,主要涉及風(fēng)送噴霧系統(tǒng)的改進(jìn)及靶標(biāo)探測技術(shù)的優(yōu)化。王杰等[4]根據(jù)Y型棚架式果樹的需風(fēng)特性,設(shè)計(jì)一款新式的風(fēng)送噴霧機(jī),并通過試驗(yàn)確定最優(yōu)機(jī)具作業(yè)參數(shù)。邱威等[5]為解決施藥風(fēng)場難以穿透果樹冠層、內(nèi)膛與葉片背面藥液沉積難等問題,設(shè)計(jì)一種適應(yīng)于低矮果園的環(huán)流循環(huán)風(fēng)送噴霧機(jī),冠層總體葉片背面霧滴平均覆蓋率提高33.7%。茹煜等[6]通過優(yōu)化軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)筒導(dǎo)葉特征及錐形多出口裝置,有效解決了傳統(tǒng)風(fēng)送噴霧機(jī)風(fēng)送距離短與藥液浪費(fèi)的問題。此外,國內(nèi)學(xué)者還分別設(shè)計(jì)了果園多風(fēng)機(jī)風(fēng)送噴霧機(jī)[7]、3WPZ-4 型風(fēng)送式葡萄噴霧機(jī)[8]、多氣流協(xié)同式噴霧裝置[9]等,一定程度上改善了噴霧機(jī)霧滴沉積效果,為果園噴霧機(jī)的設(shè)計(jì)提供了參考。上述研究從果園實(shí)際作業(yè)條件出發(fā),通過改進(jìn)風(fēng)送噴霧系統(tǒng),從而改善噴霧效果,但由于裝備尺寸限制,噴霧機(jī)對復(fù)雜地形的適應(yīng)性仍需要進(jìn)一步提高。

靶標(biāo)探測技術(shù)是精準(zhǔn)施藥技術(shù)的前提,其目的是實(shí)時(shí)探測果樹冠層信息,為噴頭的靶標(biāo)跟隨提供輸入條件,目前靶標(biāo)探測噴霧主要采用機(jī)器視覺法[10-11]、紅外傳感法[12-13]、超聲波傳感法[14-15]及激光傳感法[16-17]等。廖啟明[18]為提高果園施藥作業(yè)效率和著藥量,采用圖像邊緣檢測方法識別果樹果實(shí)和樹葉的位置信息,以此為反饋控制施藥平臺進(jìn)行對靶噴霧作業(yè)。肖珂等[19]利用紅外測距傳感器設(shè)計(jì)一種果園自動變距精準(zhǔn)施藥系統(tǒng),可以根據(jù)果樹特征實(shí)現(xiàn)噴霧距離與噴霧高度的調(diào)整。南玉龍等[20]利用超聲波傳感器搭建了一套植物冠層密度檢測系統(tǒng),實(shí)測密度與模型測量密度的最小相對誤差為3.959%,為噴霧機(jī)仿形噴霧提供了輸入。相比于上述3種方法,激光傳感器具有檢測精度高、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn),因此被廣泛用于探測果樹冠層高度[21]、體積[22]及密度[23]等特征。

針對傳統(tǒng)植保無人機(jī)或地面裝備施藥存在果樹受藥不均勻、藥液浪費(fèi)嚴(yán)重,且大型地面施藥裝備入園難等問題,本團(tuán)隊(duì)提出一種地空融合立體植保作業(yè)模式[24],結(jié)合植保無人機(jī)與地面施藥裝備各自的優(yōu)勢,采用植保無人機(jī)對果樹冠層上部進(jìn)行施藥,小型噴霧機(jī)對果樹冠層中下部進(jìn)行施藥,提升果樹全冠層的施藥效果。基于地空融合立體植保作業(yè)模式與團(tuán)隊(duì)前期成果[25-26],設(shè)計(jì)一種丘陵果園自走式小型靶標(biāo)跟隨噴霧機(jī),優(yōu)化靶標(biāo)跟隨風(fēng)送噴霧系統(tǒng),集成靶標(biāo)探測追蹤系統(tǒng)與自主導(dǎo)航系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)噴霧機(jī)的自主作業(yè),并進(jìn)行果園試驗(yàn),驗(yàn)證噴霧機(jī)的對靶噴霧性能。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

研究團(tuán)隊(duì)通過實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn),丘陵地區(qū)果園一般呈階梯狀分布,果園片區(qū)之間存在一定的高度差,部分片區(qū)之間的轉(zhuǎn)場空間較小,同時(shí)獲得樹齡在4年以上蘋果園的實(shí)際參數(shù):果樹行間距為3.0～5.0 m,株間距為2.5～3.0 m,株高為3.5～4.0 m,主干高為0.7～0.9 m,冠徑為2.0～3.0 m。

根據(jù)丘陵山區(qū)果園農(nóng)藝特點(diǎn)和病蟲害防治需求,確定丘陵果園自走式小型靶標(biāo)跟隨噴霧機(jī)主要由行走系統(tǒng)、靶標(biāo)跟隨風(fēng)送噴霧系統(tǒng)、自主導(dǎo)航系統(tǒng)組成,整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示:選用轉(zhuǎn)向半徑小、通過能力強(qiáng)的電動履帶底盤作為噴霧機(jī)移動底盤,同時(shí)為底盤供電系統(tǒng)配備千里增程器(GG170-1型),以提高噴霧機(jī)的續(xù)航性能;靶標(biāo)跟隨風(fēng)送噴霧系統(tǒng)由軸流風(fēng)機(jī)、風(fēng)箱、三缸柱塞泵、藥箱、雙噴頭聯(lián)動對靶機(jī)構(gòu)、立柱升降機(jī)構(gòu)、靶標(biāo)探測激光雷達(dá)(RPLIDAR-S1型,縱向安裝,安裝高度475 mm)、仰角姿態(tài)傳感器(SINDT型)等組成,可根據(jù)激光雷達(dá)探測的靶標(biāo)位置實(shí)時(shí)調(diào)整噴霧角度、切換單雙側(cè)噴霧模式;自主導(dǎo)航系統(tǒng)包括自主導(dǎo)航激光雷達(dá)(RPLIDAR-S1型,橫向安裝,安裝高度500 mm)、車身姿態(tài)傳感器(SINDT型)等,可在遙控模式與自主導(dǎo)航模式之間切換。噴霧機(jī)具體工作參數(shù)見表1。

表1 丘陵果園自走式靶標(biāo)跟隨噴霧機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖1 丘陵果園自走式靶標(biāo)跟隨噴霧機(jī)

1.2 工作原理

為實(shí)現(xiàn)噴霧機(jī)果園自主作業(yè),將本團(tuán)隊(duì)提出的自主導(dǎo)航方法[26]與靶標(biāo)探測追蹤方法[27]進(jìn)行系統(tǒng)集成。圖2為噴霧機(jī)果園作業(yè)示意圖與控制系統(tǒng)框圖,圖2a中藍(lán)色部分為激光雷達(dá)果園行間掃描范圍,黑色圓圈為支持向量,L1、L2為支持向量機(jī)(Support vector machine,SVM)分類邊際線,L3為兩條邊際線中心線即噴霧機(jī)導(dǎo)航線,黑色五角星為靶點(diǎn)位置,紅色部分為噴霧機(jī)噴霧范圍。

圖2 自走式小型靶標(biāo)跟隨噴霧機(jī)工作原理圖

果園噴霧作業(yè)過程中,遙控控制噴霧機(jī)駛?cè)牍麡湫虚g,切換為自主作業(yè)模式;工控機(jī)通過串口接收來自靶點(diǎn)檢測單元與車身位姿檢測單元的傳感器數(shù)據(jù),利用車身姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)修正自主導(dǎo)航激光雷達(dá)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù),采用最小二乘法(Least squares method,LSM)對果園行間點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、擬合,并通過支持向量機(jī)確定一條與兩側(cè)樹行間隔最大化的最優(yōu)分類線,以此分類線作為噴霧機(jī)行間導(dǎo)航路徑,得到行間導(dǎo)航控制指令;同時(shí)對靶標(biāo)探測激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,分析果樹冠層靶點(diǎn)位置信息,分割、濾波得到目標(biāo)靶點(diǎn)極徑、極角等信息,計(jì)算得到噴頭目標(biāo)仰角,并判斷兩側(cè)樹行有無果樹靶標(biāo),得到靶標(biāo)噴霧控制指令;通過CAN總線將行間導(dǎo)航控制指令與靶標(biāo)噴霧控制指令發(fā)送至STM32單片機(jī);單片機(jī)接收數(shù)據(jù)后,根據(jù)行間導(dǎo)航控制指令,輸出PWM信號至底盤電機(jī)驅(qū)動器,驅(qū)動底盤直流無刷電機(jī)工作,實(shí)現(xiàn)噴霧機(jī)的行間自主導(dǎo)航;同時(shí)根據(jù)靶標(biāo)噴霧控制指令,將PWM控制信號發(fā)送至電動推桿電機(jī)驅(qū)動器,驅(qū)動電動推桿實(shí)時(shí)調(diào)整噴頭仰角,并利用TTL電平控制電磁閥開合與電動泵啟停,實(shí)現(xiàn)噴霧機(jī)自主導(dǎo)航狀態(tài)下的靶標(biāo)跟隨施藥。

2 靶標(biāo)跟隨風(fēng)送噴霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)噴霧機(jī)靶標(biāo)跟隨噴霧功能,滿足果樹冠層中下部施藥需求,設(shè)計(jì)如圖3所示的靶標(biāo)跟隨風(fēng)送噴霧系統(tǒng),主要包括對靶噴霧機(jī)構(gòu)與風(fēng)送系統(tǒng)兩部分。對靶噴霧機(jī)構(gòu)采用雙噴頭聯(lián)動式設(shè)計(jì),左右兩側(cè)各安裝兩個(gè)噴頭,整體尺寸較小,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,控制簡單,可通過電動推桿改變噴霧支桿與支撐橫梁的夾角,從而改變噴頭噴霧角度,同時(shí)可根據(jù)果樹冠層高度,利用立柱升降機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)噴霧高度。噴頭選用霧化性能與防飄移能力較好的扇形噴頭,以擴(kuò)大噴霧范圍、防止出現(xiàn)漏噴現(xiàn)象,噴頭噴霧角度為65°,等效噴孔直徑1.1 mm,額定流量0.68 L/min。風(fēng)送系統(tǒng)主要由軸流風(fēng)機(jī)、風(fēng)箱、導(dǎo)流板組成,為保證風(fēng)機(jī)擁有足夠的風(fēng)量和風(fēng)壓,依據(jù)風(fēng)速的末速度原則及風(fēng)量的置換原則[27],本風(fēng)送系統(tǒng)選用穩(wěn)固可靠、風(fēng)量大的軸流風(fēng)機(jī),其具體參數(shù)見表1,靶標(biāo)跟隨噴霧作業(yè)流程見圖4。

圖3 靶標(biāo)跟隨風(fēng)送噴霧系統(tǒng)

圖4 靶標(biāo)跟隨噴霧作業(yè)流程圖

圖5為雙噴頭聯(lián)動對靶機(jī)構(gòu)示意圖,α為噴頭噴霧角度,θ1為噴霧支桿與支撐橫梁的夾角。初始狀態(tài)下,噴霧支桿與支撐橫梁垂直,即θ1=90°,此時(shí)噴頭仰角β1=90°-θ1=0°,電動推桿完全收縮,長度為L1;當(dāng)電動推桿伸長至長度為L2時(shí),推桿行程ΔL=L2-L1,噴頭仰角β2=90°-θ2。本研究選擇的電動推桿完全收縮時(shí),長度L1=205 mm,最大行程為100 mm,考慮到電動推桿在受力狀態(tài)下伸出至最大行程可能會卡死,故取L2≤300 mm。在前期研究基礎(chǔ)上[26],結(jié)合余弦定理與剛體運(yùn)動規(guī)律,可知噴霧仰角β2與推桿行程ΔL滿足

圖5 雙噴頭聯(lián)動對靶機(jī)構(gòu)

(1)

當(dāng)推桿行程ΔL為95 mm時(shí),噴霧仰角β2最大,約為49.5°。

為保證在極限條件下,對靶機(jī)構(gòu)噴霧范圍能夠覆蓋果樹冠層中下部,本研究在理想條件下分析霧滴的運(yùn)動規(guī)律,假設(shè)霧滴在運(yùn)動過程中不破碎、不變形、不蒸發(fā),且不考慮外界風(fēng)速的影響及軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)場對霧滴運(yùn)動的脅迫作用,霧滴只在藥泵作用下獲得初始速度v0。當(dāng)噴頭在額定流量下工作時(shí),霧滴噴出時(shí)的初始速度v0滿足

(2)

式中q——噴霧流量,L/min

D——噴頭等效孔徑,mm

如圖5,假設(shè)當(dāng)噴頭仰角為β2時(shí),黑點(diǎn)所示霧滴的噴霧高度最高,此時(shí)霧滴主要受阻力W、重力G和浮力A的作用,受力情況滿足

(3)

G=mg

(4)

(5)

式中CW——空氣阻力系數(shù)

ρg——空氣密度,kg/m3

dD——霧滴直徑,m

S——霧滴表面積,m2

v——霧滴速度,m/s

m——霧滴質(zhì)量,kg

g——重力加速度,m/s2

根據(jù)牛頓第二定律,霧滴在x方向與y方向的運(yùn)動滿足

(6)

(7)

式中vx——霧滴速度v在x方向的分量,m/s

vy——霧滴速度v在y方向的分量,m/s

以霧滴噴出時(shí)的狀態(tài)為初始條件,此時(shí)t=0,霧滴運(yùn)動滿足初始條件

vx0=v0cos(α/2+β2)

(8)

vy0=v0sin(α/2+β2)

(9)

x′=y′=0

(10)

式中vx0——霧滴初始速度v0在x方向的分量,m/s

vy0——霧滴初始速度v0在y方向的分量,m/s

x′、y′——初始位移在x和y方向的分量,m

在上述初始條件的基礎(chǔ)上,對公式(6)、(7)進(jìn)行積分運(yùn)算,得到霧滴在x方向與y方向的位移分別為

(11)

(12)

其中

假設(shè)霧滴運(yùn)動到最高位置時(shí)水平位移為x0,距離噴頭的高度為y0,此時(shí)霧滴相對于地面的高度H為

(13)

式中h0——噴霧機(jī)底盤高度,m

h——升降機(jī)構(gòu)高度,m

L——噴頭安裝間距,m

結(jié)合丘陵果園農(nóng)藝參數(shù),當(dāng)果樹株高為4 m,主干高為1 m,行距為4 m時(shí),果樹冠層與噴頭的距離x0約為1.0 m。為滿足果樹冠層中下部施藥空間需求,霧滴運(yùn)動到最高位置時(shí)距離地面的高度H應(yīng)大于3 m。綜合上述公式,可以確定噴頭安裝間距L=0.4 m,升降機(jī)構(gòu)最大上升高度h=0.55 m,行程為0.3 m。

3 果園試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

為了驗(yàn)證樣機(jī)靶標(biāo)跟隨噴霧(簡稱對靶噴霧)性能,開展對比試驗(yàn),采用果園自走式小型靶標(biāo)跟隨噴霧機(jī)對果樹冠層中下部進(jìn)行噴霧作業(yè),分別測試對靶噴霧與非對靶噴霧兩種作業(yè)模式下樣機(jī)的噴霧效果。試驗(yàn)于2022年9月在河北省保定市阜平縣阜裕林果基地蘋果園開展(圖6),試驗(yàn)蘋果樹品種為“天紅二號”,果樹呈紡錘形,行距約為4.0 m,株距約2.0 m,株高約3.5 m,自然風(fēng)速低于0.5 m/s,試驗(yàn)在環(huán)境相對干燥的時(shí)間段進(jìn)行。

單側(cè)噴霧試驗(yàn)方案如圖7所示,對果樹冠層中下部的霧滴沉積分布特性、地面流失量及冠后飄移流失量進(jìn)行測試。選取3棵具有代表性的非連續(xù)果樹作為測試對象,在每棵果樹冠層中下部,分上、中、下3層布置水敏試紙,用于測試果樹冠層霧滴沉積分布特性。如圖7a所示,布樣高度分別為1.8、1.2、0.6 m,每一層均分為外側(cè)(A、B、C、D)、內(nèi)側(cè)(a、b、c、d)和主干(o) 3部分,共9個(gè)布點(diǎn)位置,每個(gè)布點(diǎn)位置放置正反2張水敏試紙,水敏試紙用回形針固定在葉片上。如圖7b,在果樹冠層正下方地面等間隔布置9張水敏試紙(G1～G9),果樹冠層后下方地面布置6張水敏試紙(B1～B6),分別用于測試地面流失量與冠后飄移流失量,水敏試紙通過燕尾夾固定在標(biāo)志桿上。冠層內(nèi)部采樣點(diǎn)A靠近噴霧側(cè),噴霧機(jī)從方向D駛向方向B,地面流失與冠后飄移采樣點(diǎn)G1～G3靠近噴霧側(cè),噴霧機(jī)從方向G1駛向方向G3。噴霧機(jī)分別以對靶噴霧模式、非對靶噴霧模式進(jìn)行噴霧試驗(yàn),對靶噴霧模式下噴頭仰角根據(jù)靶點(diǎn)信息實(shí)時(shí)調(diào)整,非對靶噴霧模式下噴頭仰角固定為15°。設(shè)置噴霧機(jī)行間行駛速度為0.5 m/s,噴霧壓力為0.2 MPa,試驗(yàn)介質(zhì)為清水。

圖7 采樣點(diǎn)布置示意圖

單側(cè)噴霧試驗(yàn)結(jié)束后,選取1棵果樹開展雙側(cè)噴霧試驗(yàn),對比分析噴霧機(jī)對靶噴霧與非對靶噴霧的雙側(cè)噴霧效果,進(jìn)一步驗(yàn)證噴霧機(jī)的對靶噴霧性能。雙側(cè)噴霧試驗(yàn)中,需移除冠后飄移采樣點(diǎn)(B1～B6),噴霧機(jī)對果樹兩側(cè)進(jìn)行噴霧作業(yè),其他條件與單側(cè)噴霧試驗(yàn)一致。

3.2 數(shù)據(jù)處理

采用Deposit scan霧滴掃描軟件對水敏試紙進(jìn)行掃描,獲取各采樣點(diǎn)單位面積霧滴沉積量(μL/cm2)與單位面積沉積個(gè)數(shù)(個(gè)/cm2),數(shù)據(jù)處理時(shí),對單側(cè)噴霧所選取的3棵果樹相同采樣點(diǎn)水敏紙數(shù)據(jù)取平均值,并通過沉積量、沉積個(gè)數(shù)及對應(yīng)的變異系數(shù)描述噴霧機(jī)作業(yè)霧滴分布均勻性。

3.3 結(jié)果與討論

3.3.1冠層沉積分布特性分析

單位面積霧滴沉積個(gè)數(shù)能夠直觀反映果樹葉片受藥效果,因此利用葉片霧滴沉積個(gè)數(shù)對冠層霧滴沉積分布特性進(jìn)行分析。分別對兩種作業(yè)模式下果樹冠層不同高度(0.6、1.2、1.8 m)葉片正反面采樣點(diǎn)的霧滴沉積個(gè)數(shù)(個(gè)/cm2)取平均值,得到兩種作業(yè)模式在果樹冠層不同高度葉片正反面的噴霧效果,結(jié)果見圖8。對靶噴霧時(shí),果樹不同高度葉片正面的平均霧滴沉積個(gè)數(shù)為46.20個(gè)/cm2,葉片背面的平均霧滴沉積個(gè)數(shù)為27.86個(gè)/cm2;非對靶噴霧時(shí),葉片正面的平均霧滴沉積個(gè)數(shù)為54.02個(gè)/cm2,葉片背面的平均霧滴沉積個(gè)數(shù)為30.91個(gè)/cm2。

圖8 兩種作業(yè)模式在果樹冠層不同高度葉片正反面噴霧效果

根據(jù)圖8可知,對靶噴霧與非對靶噴霧時(shí)葉片正反面平均霧滴沉積個(gè)數(shù)均大于25個(gè)/cm2,滿足果樹冠層葉片正反面受藥需求。但非對靶噴霧時(shí),采樣點(diǎn)上層葉片正反面的噴霧效果較差,葉片正反面平均霧滴沉積個(gè)數(shù)分別為18.81、8.27個(gè)/cm2,未滿足葉片受藥需求,且果樹上、中、下3層葉片正面的霧滴沉積個(gè)數(shù)變異系數(shù)為56.59%,葉片背面的變異系數(shù)為73.46%,霧滴分布均勻性較差。相比于非對靶噴霧,對靶噴霧在果樹冠層不同高度的霧滴分布均勻性有所提高,果樹上、中、下3層葉片正面的霧滴沉積個(gè)數(shù)變異系數(shù)為34.22%,葉片背面的變異系數(shù)為48.59%,但果樹葉片正面與葉片背面的施藥效果仍具有一定的差異,葉片正面的平均霧滴沉積個(gè)數(shù)為葉片背面的1.66倍,葉片背面施藥效果較差,存在葉片正反面受藥不均勻的問題。

圖9為對靶噴霧與非對靶噴霧在果樹冠層不同高度采樣點(diǎn)葉片正面霧滴沉積分布圖。圖9a～9c為非對靶噴霧時(shí)果樹冠層不同高度葉片正面的霧滴沉積分布圖,從圖中可以看出,中層與下層的霧滴沉積個(gè)數(shù)明顯高于上層,冠層不同高度的霧滴沉積個(gè)數(shù)變異系數(shù)達(dá)56.59%,果樹冠層不同高度的霧滴分布均勻性較差;除靠近噴霧側(cè)的點(diǎn)A外,果樹上層其他采樣點(diǎn)的霧滴沉積個(gè)數(shù)均小于25個(gè)/cm2,不滿足葉片受藥需求,且各采樣點(diǎn)霧滴沉積個(gè)數(shù)變異系數(shù)達(dá)84.27%,霧滴分布均勻性較差;除遠(yuǎn)離噴霧側(cè)的采樣點(diǎn)C外,果樹中層與下層其他位置霧滴沉積個(gè)數(shù)均滿足葉片受藥需求,但中層各采樣點(diǎn)霧滴沉積分布差異性較大,變異系數(shù)達(dá)49.33%,部分點(diǎn)位存在過量施藥的現(xiàn)象,比如點(diǎn)a與點(diǎn)D附近霧滴沉積個(gè)數(shù)超過120個(gè)/cm2;相比之下,下層的霧滴沉積分布較為均勻,變異系數(shù)為30.22%,各采樣點(diǎn)霧滴沉積個(gè)數(shù)位于45～90個(gè)/cm2之間。通過對非對靶噴霧下的冠層霧滴沉積效果分析可知:噴霧機(jī)在非對靶噴霧模式下,噴霧角度恒定不變,噴霧范圍無法根據(jù)果樹冠層高度實(shí)時(shí)變化,霧滴不能完全覆蓋目標(biāo)冠層區(qū)域,從而導(dǎo)致果樹冠層不同高度葉片正面霧滴沉積分布不均;此外,由于噴霧時(shí)輸送至果樹上層與中層的霧滴數(shù)量較少,且其中大部分霧滴直接附著在果樹冠層外側(cè)葉片上,因此存在果樹上層霧滴沉積個(gè)數(shù)較少、中層霧滴沉積分布局部不均的現(xiàn)象。

圖9 果樹冠層不同高度葉片正面霧滴沉積分布圖

圖9d～9f為對靶噴霧時(shí)果樹冠層不同高度葉片正面的霧滴沉積分布圖,從圖中可以看出,相比于非對靶噴霧,對靶噴霧時(shí)上、中、下3層的霧滴沉積分布相對均勻,變異系數(shù)為34.22%,且未有采樣點(diǎn)霧滴沉積個(gè)數(shù)超過100個(gè)/cm2,不存在施藥過量的情況。對靶噴霧時(shí),除遠(yuǎn)離噴霧一側(cè)的點(diǎn)C附近霧滴沉積個(gè)數(shù)較少以外,果樹中下層其他部位葉片正面的霧滴沉積個(gè)數(shù)均在60～90個(gè)/cm2之間,中層各采樣點(diǎn)的霧滴沉積個(gè)數(shù)變異系數(shù)為27.28%,下層變異系數(shù)為21.43%,表明果樹中下部冠層內(nèi)外霧滴沉積分布較為均勻,霧滴在果樹中下層冠層內(nèi)部的穿透性較好;相比于中下層,對靶噴霧時(shí)上層葉片正面的霧滴沉積個(gè)數(shù)有所減少,變異系數(shù)達(dá)54.98%,霧滴分布均勻性有所降低,但除點(diǎn)C外,其他部位的霧滴沉積分布個(gè)數(shù)均滿足25個(gè)/cm2,滿足果樹葉片受藥需求,相比于非對靶噴霧時(shí)果樹上層高達(dá)84.27%的變異系數(shù),霧滴沉積分布均勻性有所提高。

圖10為果樹冠層不同高度葉片背面的霧滴沉積分布圖。相比于葉片正面,非對靶噴霧時(shí)果樹不同高度葉片背面的霧滴沉積個(gè)數(shù)明顯減少,從圖10a～10c中可以看出,果樹上層的霧滴沉積效果最差,各采樣點(diǎn)的霧滴沉積個(gè)數(shù)均小于10個(gè)/cm2,未滿足葉片背面受藥需求;除A、B、C等采樣點(diǎn)滿足葉片背面受藥需求外,果樹中層其他部位的霧滴沉積個(gè)數(shù)均小于15個(gè)/cm2,各采樣點(diǎn)霧滴沉積個(gè)數(shù)變異系數(shù)達(dá)88.23%,果樹下層各采樣點(diǎn)霧滴沉積個(gè)數(shù)變異系數(shù)達(dá)78.63%,中層和下層的霧滴沉積分布均勻性較差。如圖10d～10f,與非對靶噴霧類似,對靶噴霧時(shí)葉片正面與葉片背面的施藥效果存在一定差異;冠層不同高度葉片背面的變異系數(shù)為48.59%,尤其是果樹上層與中層,只有外側(cè)的3個(gè)采樣點(diǎn)(A、B、D)滿足果樹施藥需求,其他部位霧滴沉積個(gè)數(shù)較少,上、中、下3層各采樣點(diǎn)霧滴沉積個(gè)數(shù)變異系數(shù)分別為91.57%、95.30%、43.17%,霧滴分布均勻性較差。

圖10 果樹冠層不同高度葉片背面霧滴沉積分布圖

分析對靶噴霧與非對靶噴霧下果樹冠層葉片背面霧滴沉積效果,可知:噴霧角度的實(shí)時(shí)調(diào)整,無法顯著提高果樹冠層葉片背面的施藥效果;兩種作業(yè)模式下,果樹冠層葉片背面的霧滴沉積效果均較差,推測是在作業(yè)過程中,風(fēng)機(jī)風(fēng)場并未對果樹冠層葉片完成有效的擾動與翻轉(zhuǎn),這可能與風(fēng)機(jī)送風(fēng)參數(shù)恒定不變有關(guān)。

3.3.2用水量分析

按照單側(cè)噴霧試驗(yàn)的噴霧工作參數(shù),使用噴霧機(jī)分別以對靶噴霧模式與非對靶噴霧模式進(jìn)行20 m噴霧作業(yè),作業(yè)面積約160 m2,每種模式重復(fù)3次。測得對靶噴霧模式下的平均用水量為4.4 L,非對靶噴霧模式下的平均用水量為6.0 L,表明相同作業(yè)面積下,相比于非對靶噴霧,對靶噴霧可有效節(jié)省26.70%的用水量。

3.3.3流失量分析

噴霧機(jī)作業(yè)時(shí),部分霧滴會由于未沉積在果樹冠層葉片上而流失到地面或飄移至冠層后面,造成藥液浪費(fèi)與土壤污染,因此地面流失量與冠后飄移流失量是檢測噴霧機(jī)性能的重要因素。

噴霧機(jī)兩種作業(yè)模式下各采樣點(diǎn)的地面流失量分布如圖11,分析可知:對靶噴霧時(shí)各采樣點(diǎn)的平均地面流失量為4.34 μL/cm2,遠(yuǎn)低于非對靶噴霧時(shí)的28.88 μL/cm2,減少約84.93%;相比于對靶噴霧,非對靶噴霧時(shí)采樣點(diǎn)G1～G6的地面流失較為嚴(yán)重,流失量約為對靶噴霧的7.3倍,采樣點(diǎn)G7～G9的地面流失量與對靶噴霧基本一致,其原因可能是:非對靶噴霧作業(yè)時(shí)噴霧角度恒定,許多霧滴未透過果樹冠層,直接沉積在地面上,造成靠近噴霧側(cè)地面流失量較大,而由于噴霧距離的限制,遠(yuǎn)離噴霧側(cè)的采樣點(diǎn)地面流失量較小。

圖11 兩種作業(yè)模式地面流失量分布

圖12為各采樣點(diǎn)冠后飄移流失量分布圖。分析可知:對靶噴霧時(shí)各采樣點(diǎn)的平均飄移量為0.47 μL/cm2,非對靶噴霧時(shí)各采樣點(diǎn)的平均飄移量為1.01 μL/cm2;相比于非對靶噴霧,對靶噴霧減少約53.5%的冠后飄移流失量,表明對靶噴霧對減少霧滴的冠后飄移具有一定效果。除采樣點(diǎn)B3與采樣點(diǎn)B6外,其他采樣點(diǎn)對靶噴霧時(shí)的飄移量均小于非對靶噴霧時(shí)的飄移量,考慮到點(diǎn)B3與B6位于同一水平線上,推測可能是由于對應(yīng)水平線處靶標(biāo)冠層較為稀疏,霧滴在風(fēng)場氣流脅迫下直接穿過冠層飄移至采樣點(diǎn),從而造成較為嚴(yán)重的霧滴流失。

圖12 兩種作業(yè)模式冠后飄移量分布

3.3.4雙側(cè)噴霧效果分析

圖13為雙側(cè)噴霧時(shí)對靶噴霧與非對靶噴霧地面流失量分布,結(jié)合圖11所示的單側(cè)噴霧流失量分布,分析可知:對靶噴霧時(shí)的平均地面流失量為65.37 μL/cm2,非對靶噴霧時(shí)的平均地面流失量為80.99 μL/cm2,約為對靶噴霧的1.24倍,表明對靶噴霧可有效減少霧滴地面流失;相比于單側(cè)噴霧,雙側(cè)噴霧時(shí)對靶噴霧的地面流失量增加2倍以上,其原因可能是選取的果樹冠層下部離地面相對較近,調(diào)整靶標(biāo)后部分霧滴直接沉積在地面,造成一定的地面流失。

圖13 雙側(cè)噴霧時(shí)兩種作業(yè)模式地面流失量分布

圖14為雙側(cè)噴霧時(shí)兩種作業(yè)模式在果樹冠層不同高度葉片正反面的施藥效果,對靶噴霧時(shí)果樹冠層不同高度葉片正面的平均霧滴沉積個(gè)數(shù)為77.84個(gè)/cm2,葉片背面為66.16個(gè)/cm2;不對靶噴霧時(shí)果樹冠層不同高度葉片正面的平均霧滴沉積個(gè)數(shù)為74.13個(gè)/cm2,葉片背面為78.47個(gè)/cm2。結(jié)合圖8,可分析得到:對靶噴霧時(shí)葉片正面平均霧滴沉積個(gè)數(shù)是單側(cè)噴霧的1.68倍,葉片背面平均霧滴沉積個(gè)數(shù)是單側(cè)噴霧的2.37倍;非對靶噴霧時(shí)葉片正面平均霧滴沉積個(gè)數(shù)是單側(cè)噴霧的1.37倍,葉片背面平均霧滴沉積個(gè)數(shù)是單側(cè)噴霧的2.54倍;相比于單側(cè)噴霧,雙側(cè)噴霧時(shí)對靶噴霧與非對靶噴霧在果樹冠層不同高度葉片正反面的平均霧滴沉積個(gè)數(shù)均有所增加,且均達(dá)到了葉片的施藥需求,其中葉片背面的平均霧滴沉積個(gè)數(shù)增加較為明顯,均為單側(cè)噴霧的2倍以上,其原因可能是雙側(cè)噴霧時(shí),霧滴可透過冠層沉積在冠層遠(yuǎn)離噴霧側(cè)的葉片背面,提高果樹葉片背面的施藥效果。

圖14 雙側(cè)噴霧時(shí)兩種作業(yè)模式在果樹冠層不同高度葉片正反面施藥效果

由圖14可知,雙側(cè)噴霧時(shí)對靶噴霧上、中、下3層葉片正面的霧滴沉積個(gè)數(shù)變異系數(shù)為4.83%,葉片背面為28.52%;非對靶噴霧上、中、下3層葉片正面的霧滴沉積個(gè)數(shù)變異系數(shù)為34.23%,葉片背面為26.50%。分析可知:相比于非對靶噴霧,對靶噴霧可顯著提高果樹冠層不同高度葉片正面的霧滴沉積分布均勻性,但葉片背面的霧滴沉積分布效果與非對靶噴霧類似,果樹不同高度的霧滴分布均勻性較差,此結(jié)果與單側(cè)噴霧一致,表明噴霧角度的實(shí)時(shí)調(diào)整,無法顯著提高果樹冠層葉片背面的施藥效果。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)霧滴運(yùn)動規(guī)律及丘陵果園農(nóng)藝特點(diǎn),設(shè)計(jì)雙噴頭聯(lián)動式靶標(biāo)跟隨風(fēng)送噴霧系統(tǒng),完成小型靶標(biāo)跟隨噴霧機(jī)的樣機(jī)試制,并在樣機(jī)上集成自主導(dǎo)航系統(tǒng)及靶標(biāo)探測追蹤系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了噴霧機(jī)的果園自主作業(yè)。

(2)果園單側(cè)噴霧試驗(yàn)表明,對靶噴霧時(shí)果樹冠層不同高度葉片正面的霧滴沉積個(gè)數(shù)變異系數(shù)為34.22%,果樹上、中、下3層各采樣點(diǎn)葉片正面的霧滴沉積個(gè)數(shù)變異系數(shù)分別為21.43%、27.28%、54.98%,平均變異系數(shù)為34.56%,相比于非對靶噴霧,可有效提高冠層不同高度及冠層內(nèi)外葉片正面的霧滴分布均勻性;相同作業(yè)面積時(shí),對靶噴霧可節(jié)省26.70%的用水量,減少84.93%的地面流失量以及53.50%的冠后飄移流失量,有效減少了藥液的浪費(fèi)。

(3)果園雙側(cè)噴霧試驗(yàn)顯示,果樹冠層不同高度葉片正面的霧滴沉積個(gè)數(shù)變異系數(shù)為4.83%,葉片背面變異系數(shù)為28.52%,葉片正反面平均變異系數(shù)為16.68%,表明相比于非對靶噴霧,對靶噴霧可有效提高果樹冠層不同高度葉片正反面的霧滴分布均勻性,滿足果樹冠層中下部葉片正面受藥需求,驗(yàn)證了丘陵果園自走式小型靶標(biāo)跟隨噴霧機(jī)的性能。