壓力旋流噴嘴靶向噴霧獼猴桃授粉機(jī)器研究*

曾高升 董霖 任洋 李利軍 莊啟國 王爽譚果 張環(huán)

1.西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都

2.西華大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究院，四川成都

3.四川省自然資源科學(xué)研究院獼猴桃育種與利用四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川德陽

獼猴桃最早起源于中國湖北地區(qū)，是一種具有花粉直感效應(yīng)的雌雄異株植物，花期通常為3～5 d[1]。其授粉質(zhì)量會(huì)直接影響獼猴桃的坐果率、單果質(zhì)量、外觀品質(zhì)和內(nèi)在成分[2]。必須保證每朵花足夠多的授粉量才能生產(chǎn)出高質(zhì)量的果實(shí)[3-4]。

獼猴桃的授粉主要有自然授粉和人工授粉兩種方式。自然授粉主要依靠風(fēng)媒和蟲媒進(jìn)行[5]。為了滿足自然授粉條件，需采用雌株與雄株間種的種植方式。國內(nèi)大部分種植園的雌雄株的種植比例在8：1～15：1，部分果園的種植比例為20：1，而國外發(fā)達(dá)國家的獼猴桃的雌雄種植比例在4：1～5：1。國內(nèi)雌雄株種植比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足自然風(fēng)媒授粉條件[6]。且獼猴桃的花朵對(duì)于蜜蜂的吸引力小，如果要使用蜜蜂進(jìn)行輔助授粉，需要進(jìn)行糖水飼養(yǎng)和管理[7-9]。自然授粉強(qiáng)度大、效率低，人工授粉對(duì)花粉溶液浪費(fèi)大。提高獼猴桃人工授粉的效率并節(jié)約花粉，實(shí)現(xiàn)機(jī)器快速靶向授粉至關(guān)重要。

Kai Li等[10]為實(shí)現(xiàn)靶向精準(zhǔn)授粉研發(fā)了專用于授粉的輕型機(jī)械臂。該機(jī)具的授粉成功率為85%，其特點(diǎn)是單機(jī)械臂精準(zhǔn)噴霧授粉，但不能適應(yīng)大規(guī)模種植需要短期快速授粉。為解決上述問題，研制了一種獼猴桃靶向噴霧授粉機(jī)器，并通過試驗(yàn)評(píng)價(jià)其作業(yè)效果。

1 試驗(yàn)裝置

1.1 霧滴沉積量試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1所示，該試驗(yàn)裝置主要由氣路、液路與控制系統(tǒng)部分組成。氣路由12 V直流氣泵、氣壓傳感器、儲(chǔ)氣瓶構(gòu)成；液路由儲(chǔ)液罐、霍爾式流量計(jì)、電磁閥、噴嘴構(gòu)成；控制系統(tǒng)由主控單元、電源、氣泵繼電器、電磁閥繼電器、圖像采集攝像頭和計(jì)算機(jī)構(gòu)成。主控單元為STM32F103單片機(jī)。該裝置可以通過該主控單元分別讀取氣壓傳感器，流量傳感器讀數(shù)，控制輸出繼電器信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣壓、噴霧時(shí)間和流量等的精確控制，達(dá)到不同噴霧氣壓、噴霧時(shí)間、噴嘴偏轉(zhuǎn)角度的噴霧實(shí)驗(yàn)要求。

圖1 試驗(yàn)裝置系統(tǒng)

1.2 靶向噴霧授粉試驗(yàn)樣機(jī)

靶向噴霧授粉試驗(yàn)裝置整體系統(tǒng)圖如2 所示，該裝置由移動(dòng)平臺(tái)、氣路及液路等部分組成。通過對(duì)授粉目標(biāo)物的圖像信息采集，經(jīng)過系統(tǒng)相關(guān)視覺算法學(xué)習(xí)后可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的靶向噴霧。樣機(jī)實(shí)物如圖3所示。

圖2 樣機(jī)的整體系統(tǒng)框圖

圖3 獼猴桃靶向噴霧授粉樣機(jī)

2 試驗(yàn)方法

2.1 霧滴沉積量試驗(yàn)方法

為了滿足其噴嘴在所有覆蓋面積下的最小沉積量，以及研究噴射角度與噴霧時(shí)間對(duì)沉積量產(chǎn)生的影響，需進(jìn)行霧滴沉積量試驗(yàn)。利用搭建好的霧滴沉積量試驗(yàn)平臺(tái)（圖4），利用試驗(yàn)平臺(tái)的STM32 主控以及電磁閥，嚴(yán)格控制噴霧時(shí)間為200 ms、300 ms、400 ms 時(shí)。根據(jù)前期試驗(yàn)數(shù)據(jù)，選擇在200 KPa 氣壓下對(duì)0.4 mm 噴嘴在偏角為0°、10°、20°的參數(shù)下進(jìn)行噴霧，在預(yù)計(jì)的沉積區(qū)域內(nèi)放置霧滴采集卡對(duì)霧滴進(jìn)行采集。對(duì)霧滴采集卡試驗(yàn)前后進(jìn)行稱重，增加的重量即為霧滴的沉積量，為減少試驗(yàn)誤差，每組試驗(yàn)參數(shù)測(cè)量5次，取平均值為最終結(jié)果。

圖4 霧滴沉積量試驗(yàn)

根據(jù)前期測(cè)得獼猴桃花朵的直徑尺寸，此次試驗(yàn)所采用的霧滴采集卡直徑為5 cm，如圖5 所示。根據(jù)前期研究得出單位沉積量為Ms= 3.856 mg/cm2，則可以計(jì)算出霧滴采集卡的最小沉積量Mc= 75.67 mg。采用的稱重儀器為上海力辰邦西儀器科技有限公司生產(chǎn)的FA2204 電子天平，該款儀器的基礎(chǔ)參數(shù)為：稱量范圍為0～220 g、測(cè)試精度為0.1 mg、重復(fù)性誤差（標(biāo)準(zhǔn)偏差）為0.000 2、線性誤差為±0.000 5 g。

圖5 霧滴采集卡

2.2 靶向噴霧授粉試驗(yàn)方法

在室內(nèi)根據(jù)獼猴桃的標(biāo)準(zhǔn)種植模式、花朵的結(jié)構(gòu)、花簇的空間分布等特征搭建試驗(yàn)架（圖6），來模擬獼猴桃花簇的實(shí)際狀態(tài)。

圖6 模擬噴霧授粉實(shí)驗(yàn)架

采用模擬的目標(biāo)物（圖7）來代表獼猴桃花朵簇的大小，通過模擬目標(biāo)物上粘貼的水敏霧滴測(cè)試紙的顯示反應(yīng)來判斷對(duì)靶噴霧的準(zhǔn)確性、霧滴的沉積狀態(tài)。試驗(yàn)過程如圖8所示，在樣機(jī)的行進(jìn)方向上架設(shè)支架，在支架上粘貼模擬的目標(biāo)物，使樣機(jī)以不同的速度從目標(biāo)物下方駛過，在行進(jìn)過程中靶向噴霧系統(tǒng)會(huì)對(duì)模擬目標(biāo)物進(jìn)行靶向噴霧作業(yè)，在試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)模擬目標(biāo)物進(jìn)行結(jié)果分析，得出靶向噴霧授粉的成功率與霧滴覆蓋率。

圖7 模擬目標(biāo)物

圖8 模擬噴霧授粉試驗(yàn)

根據(jù)獼猴桃花朵簇的空間分布情況，在支架上粘貼的模擬目標(biāo)物（圖7），設(shè)置了3 個(gè)高度參數(shù)，每個(gè)參數(shù)間隔高度差為10 cm，其高度分布方案見圖9（a）。每個(gè)高度上放置9 個(gè)直徑15 cm 的模擬目標(biāo)物，目標(biāo)物間隔設(shè)置為40 cm，并且為了驗(yàn)證三個(gè)噴嘴在不同角度上的靶向噴霧效果，保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，將標(biāo)靶目標(biāo)分別放置于噴嘴正上方、噴嘴左側(cè)與右側(cè)，其偏移量為10 cm，具體的目標(biāo)物布置見圖（9b）。在試驗(yàn)中設(shè)置的車速分別為2 km/h和1 km/h，試驗(yàn)重復(fù)三次取平均結(jié)果，以噴霧對(duì)靶命中率與霧滴覆蓋率為試驗(yàn)指標(biāo)，根據(jù)模擬目標(biāo)物上的水敏霧滴測(cè)試紙的顯色反應(yīng)來判斷是否對(duì)靶噴霧成功，通過軟件對(duì)水敏試紙計(jì)算霧滴的覆蓋率。

圖9 靶向噴霧試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)空間布置方案

在不同的高度，不同的速度下進(jìn)行噴霧試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后觀察水敏試紙上的顯色反應(yīng)，其中霧滴測(cè)試紙上分布有均勻霧滴的視為對(duì)靶噴霧成功，霧滴測(cè)試紙上霧滴分布明顯不完全，或者無液滴視為對(duì)靶噴霧失敗。

對(duì)靶噴霧霧滴均勻性與覆蓋率計(jì)算通過在MATLAB中導(dǎo)入圖像，對(duì)圖像進(jìn)行圖像分割、灰度處理與二值化處理。得到二值化圖像后，觀察到霧滴分布均勻性，顆粒大小。通過相關(guān)函數(shù)可以計(jì)算霧滴的覆蓋率（黑色像素占比）。

3 霧滴沉積量試驗(yàn)

噴霧時(shí)間以及噴嘴偏角對(duì)于霧滴的沉積量影響試驗(yàn)結(jié)果如圖10 所示。噴嘴在偏移后，噴霧覆蓋區(qū)域內(nèi)的單位面積霧滴沉積量產(chǎn)生了一定下降，主要原因是由于存在偏移角后，霧滴實(shí)際噴霧距離增加，導(dǎo)致霧滴覆蓋面積增加。而在固定的噴霧時(shí)間下，產(chǎn)生的霧滴顆粒總數(shù)變化較小，最終導(dǎo)致單位面積霧滴沉積量產(chǎn)生了一定下降。從其下降的沉積量的值來看，平均偏移10 °，沉積量下降2 mg。隨著噴霧時(shí)間的延長，霧滴沉積量在逐漸增加，沉積量與噴霧時(shí)間呈正比例關(guān)系。霧滴采集卡的理論計(jì)算最小沉積量為Mc= 75.67 mg（圖10 虛線），根據(jù)圖10 可以看出，為了滿足在偏角為20 °的情況下的最小沉積量，噴霧的最短時(shí)間tmin= 350 ms。由此可以計(jì)算出其噴嘴的最大移動(dòng)速度為：2.052 km/h。

圖10 霧滴沉積量的影響試驗(yàn)結(jié)果

4 靶向噴霧授粉試驗(yàn)

通過對(duì)模擬目標(biāo)物試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)并計(jì)算對(duì)靶成功率，圖11 所示。可以看出，在1 km/h 速度下，不同噴霧距離的靶向噴霧成功率均在95.0%左右，由此可知噴霧距離對(duì)于對(duì)靶成功率的影響較小。而將樣機(jī)的行駛速度提高至2 km/h 后，對(duì)靶成功率出現(xiàn)了明顯下降，不過整體成功率仍然在85.0%左右。對(duì)靶成功率與行進(jìn)速度成反比，主要原因是車速快后，目標(biāo)的識(shí)別率會(huì)產(chǎn)生一定下降，并且控制系統(tǒng)對(duì)于數(shù)據(jù)的處理時(shí)間，噴嘴角度的調(diào)整時(shí)間均減少，會(huì)出現(xiàn)噴霧角度響應(yīng)不及時(shí)，響應(yīng)不到位的情況，導(dǎo)致對(duì)靶噴霧成功率降低。

圖11 靶向噴霧試驗(yàn)對(duì)靶成功率

對(duì)水敏試紙上的霧滴的沉積狀態(tài)進(jìn)行圖像處理得到霧滴沉積二值圖像如圖12 所示。圖中的數(shù)據(jù)為車速分別在1 km/h 和2 km/h 的速度條件下，噴霧距離為15 cm、25 cm和35 cm條件下對(duì)靶噴霧霧滴沉積的二值化圖像。

圖12 靶向噴霧試驗(yàn)霧滴沉積狀態(tài)二值圖像

在不同車速與噴霧距離的試驗(yàn)條件下，霧滴的沉積分布均勻，不存在霧滴集中區(qū)域與空白區(qū)域，滿足其授粉要求。在相同的車速條件下，噴霧時(shí)間不變，隨著靶向噴霧距離的增加，霧滴的霧化更加完全，霧滴隨氣流的飄散的影響擴(kuò)大。由此造成沉積的霧滴平均粒徑逐漸減少，且霧滴的覆蓋率也逐漸減少。在相同的噴霧距離下，隨著車速的降低，對(duì)靶時(shí)間與噴霧時(shí)間逐漸增加，所沉積的霧滴粒徑與霧滴的覆蓋率也逐漸增加。

為驗(yàn)證樣機(jī)實(shí)際工作時(shí)靶向噴霧授粉的可靠性，在四川省自然資源科學(xué)研究院什邡獼猴桃科研基地進(jìn)行了實(shí)地授粉試驗(yàn)，實(shí)地試驗(yàn)如圖13 所示。實(shí)地授粉試驗(yàn)成功驗(yàn)證了樣機(jī)的噴霧授粉準(zhǔn)確性及可靠性。

5 結(jié)論

本研究對(duì)壓力旋流噴嘴的噴霧控制參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)并獲得最佳靶向噴霧授粉控制參數(shù)，依托控制參數(shù)制作了獼猴桃靶向噴霧授粉樣機(jī)并驗(yàn)證了控制參數(shù)與樣機(jī)的可靠性。通過試驗(yàn)研究，得出了以下結(jié)論：

1）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到最佳的獼猴桃靶向噴霧授粉參數(shù)：噴嘴直徑0.4 mm、工作氣壓200 KPa、最短噴霧時(shí)間為350 ms、最大噴嘴偏角為20°、最大移動(dòng)速度為2.052 km/h。

2）搭建了實(shí)際靶向授粉試驗(yàn)平臺(tái)，通過模擬實(shí)際授粉環(huán)境，進(jìn)行實(shí)際對(duì)靶噴霧試驗(yàn)。測(cè)試了在1 km/h 運(yùn)行速度下的靶向噴霧成功率為95.0%左右，2 km/h 運(yùn)行速度下的靶向噴霧成功率略有下降，為85.0%。成功靶向噴霧霧滴的沉積分布較為均勻，不存在霧滴集中區(qū)域與空白區(qū)域。通過了實(shí)地靶向噴霧授粉試驗(yàn)，驗(yàn)證了樣機(jī)在果園環(huán)境下實(shí)際作業(yè)的可靠性。

3）霧滴沉積的平均粒徑、霧滴的覆蓋率與車速、噴霧距離呈明顯反比關(guān)系。在噴霧距離25 cm 的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)參數(shù)下，霧滴沉積覆蓋率可達(dá)50.0%以上。在實(shí)際的作業(yè)環(huán)境下，可以依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)不同種植環(huán)境、授粉需求的作業(yè)進(jìn)行參數(shù)微調(diào)，從而獲得更佳的授粉效果。