果園變量施藥系統(tǒng)設(shè)計

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，這對施藥機械作業(yè)水平要求較高，但是我國應(yīng)用于果園施藥的裝備相對落后，很多地區(qū)仍然使用低端噴霧機械。當前，我國廣泛采取的施藥手段是均勻噴施農(nóng)藥，無法實現(xiàn)變量施藥的目標。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)果樹需求進行針對性的農(nóng)藥投入，減少藥物浪費，提高藥物利用率；同時，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，提高果實品質(zhì)。基于上述問題，筆者研究設(shè)計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

果園變量施藥系統(tǒng)包括果園監(jiān)測車和搭載噴藥機的果園施藥車兩部分。前車為監(jiān)測車，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)測車并分析輸入的信息進行變量施藥。

1.1 果園監(jiān)測車設(shè)計

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

圖1 果園環(huán)境監(jiān)測車

1.2 果園變量施藥車設(shè)計

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

圖2 果園變量施藥車

兩臺小車的共同特點如下：小車底盤借鑒了美國MobileRobots公司的Trimble小車底盤，采用四輪驅(qū)動和差速轉(zhuǎn)向，通過調(diào)節(jié)每個電動機的占空比即可使小車按照需要的方向進行轉(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、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現(xiàn)精準定位；通過SLAM實時構(gòu)建地圖，使小車能夠避障。

果園變量施藥系統(tǒng)的驅(qū)動部分主要包括無刷電動機、行星減速器、錐齒傳動總成、高花低壓車輪等[1]。無刷電動機的輸出經(jīng)減速增扭后驅(qū)動高花車輪轉(zhuǎn)動。其中，無刷電動機額定轉(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，錐齒傳動總成用以改變動力輸出方向，其速比i錐=5.4。

2 小車性能分析

2.1 計算車速和動力扭矩

假設(shè)電動機在額定功率下工作，測得高花車輪直徑d=0.494 m，則高花車輪周長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)查機械手冊得：實心橡膠水田輪與果林間的滾動摩擦系數(shù)δ=2.2 mm～2.8 mm，附著系數(shù)φ=0.4～0.5，一級行星齒輪減速器的傳動效率η行=0.98，錐齒傳動總成的傳動效率η錐=0.94～0.98，為保證驅(qū)動效果，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，由于電動機可無極變速，且該速度在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，速度適中。同時，電動機使用的直流伺服電機型號為LXL-II80.160，額定功率為2.5 kW，額定轉(zhuǎn)矩為10 N·m，電動機的尺寸為230 mm×130 mm×63 mm。總傳動效率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。小車單個車輪牽引力

2.2 計算果園小車最大滾動摩擦阻力偶矩Mmax和高花車輪與泥土附著力Pφ

忽略空氣阻力對噴藥機的影響，可知T＞Mmax，F(xiàn)t＞Pφ，滿足小車正常行駛時力學(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)動電動機的大小與裝配位置等因素后，設(shè)計小車驅(qū)動輪的輪間距為690 mm。小車的輪系結(jié)構(gòu)為四輪，均為驅(qū)動輪[2]。考慮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度和剛度，材料使用Q235普通碳素結(jié)構(gòu)鋼。設(shè)計的小車整體機械結(jié)構(gòu)的質(zhì)量為50 kg，小車能夠承受的最大負載不超過60 kg。

表1 小車系統(tǒng)機械設(shè)計參數(shù)

通過計算，小車滿載（負載為60 kg）時最大爬坡角應(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"。

同時在設(shè)計時，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。

該底盤使用于本項目中的監(jiān)測車和施藥車，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，同時使用兩個24 V鉛蓄電池進行供電。并且施藥車搭載一臺大功率風(fēng)機，以產(chǎn)生上壓風(fēng)場，使藥液能夠噴灑到葉片上，同時抵消一部分自然風(fēng)的影響。

3 控制系統(tǒng)

監(jiān)測車會根據(jù)本項目的GNSS和陀螺儀對一個區(qū)域內(nèi)的果樹進行精準的巡邏，并采用多光譜相機對每一棵果樹進行拍照檢查，將獲取的信息返回TX2端；TX2芯片自動分析，將分析獲得的數(shù)據(jù)直接發(fā)送給噴藥車，根據(jù)傳送的坐標信息自動定位到受災(zāi)害的果樹下，通過流量傳感器，控制器進行噴藥工作；如果小車遭受到損害，會中斷命令、自動報警并返回到初始位置，如圖3所示。

圖3 監(jiān)測車控制路線

GPS和陀螺儀航向角實時測量如下：

對于自動行駛，考慮到低成本、低功耗、小型化等問題，本項目采用姿態(tài)算法，確保施藥車能夠精準到達指定位置。最初的設(shè)計只使用GPS，沒考慮GPS在動態(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接收機中IPPS脈沖信號作為同步標簽，實現(xiàn)GPS航向角解算的實時修正，從而獲得精度和可靠性的航向角信息。但是經(jīng)過實際測量，精確度不太高。

為更好地滿足車輛自動駕駛時航向角測量的精度要求，后改進采用GNSS，運用GPS和陀螺儀，采用姿態(tài)算法，本項目選擇運用卡爾曼濾波算法，把實時動態(tài)-全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（RTK-GNSS）測量出來的經(jīng)緯度和高程經(jīng)過高斯投影轉(zhuǎn)換為高斯平面坐標，和微電子機械系統(tǒng)（MEMS）陀螺儀測得的累積航向角進行融合處理，最終得到車輛更為精準的航向角。融合后的航向角度曲線既保持了GNSS航向的整體變化趨勢，也保持了陀螺儀航向的細部變化趨勢，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)彎動作。并且卡爾曼濾波算法可以實時、精準地測得車輛航向角數(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

當監(jiān)測車到達一棵果樹下后，通過機械臂調(diào)整多光譜相機使其到達最佳拍攝角度，然后多光譜相機開始采集光譜信息并實時發(fā)給TX2端，對波段統(tǒng)計特征、植被指數(shù)特征以及Tamura紋理特征進行提取，使用Python完成害蟲檢測算法，并且安裝一些常用Python庫。當植物受到病蟲侵害的時候，農(nóng)作物因缺乏營養(yǎng)和水分而生長不良，海綿組織受到破壞，葉子的色素比例也會發(fā)生變化，使得可見光區(qū)的兩個吸收谷不明顯，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)對圖像進行檢測分析，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，本項目可以在植保機上搭載可見光數(shù)碼相機和多光譜數(shù)碼相機兩套傳感器，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)測數(shù)據(jù)。它的特點是機動性好、時效性強、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，對植被長勢進行監(jiān)測的同時還可對葉面積指數(shù)、葉片氮含量、氮積累量等進行監(jiān)測。

光譜分析圖如圖4所示。由于當植物受害時，其光譜信息與健康的植物有所不同。本項目通過對果樹不同病蟲害的光譜信息樣本采集，對波段統(tǒng)計特征、植被指數(shù)特征以及Tamura紋理特征進行提取，通過Python完成害蟲檢測算法，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進行訓(xùn)練，從而能夠模糊推斷出植物當前的受災(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

當施藥車接收到相關(guān)信息后，通過樹莓派進行分析，然后到達施藥點，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，通過單口噴嘴對果樹進行噴藥，施藥車后部風(fēng)機開啟，將強風(fēng)沿著單口噴嘴吹出，形成上壓風(fēng)場，以便將藥液噴灑到果樹葉片下表面。同時，流量傳感器安裝在噴頭管上，用于實時測量噴藥流量；通過流量控制器，對植保機噴藥流量進行控制。控制系統(tǒng)設(shè)計合理，結(jié)構(gòu)簡單，可使植保機在噴藥作業(yè)過程中達到均勻噴灑的效果，使用方法簡單。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：監(jiān)測車采用GNSS和地面基站，能夠在果園進行精準定位，同時通過SLAM實時構(gòu)建三維地圖，針對不同地形匹配速度，能夠讓監(jiān)測車采取最佳路線通過障礙物。

2）監(jiān)測車和施藥車均采用四輪驅(qū)動，差速轉(zhuǎn)向[3]。優(yōu)點：牽引力大，轉(zhuǎn)彎半徑小，操控簡單[4]。可根據(jù)行駛路面狀態(tài)的不同而將發(fā)動機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，增強對不同困難路段的應(yīng)對能力。

3）施藥車搭載高速風(fēng)機。優(yōu)點：單口噴嘴在噴藥時，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，在施藥時通過風(fēng)機在單口噴嘴處產(chǎn)生上壓風(fēng)場，使藥液能盡可能地噴灑到葉片的下表面以達到最佳藥效。同時，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)碼相機對果園環(huán)境進行采集。優(yōu)點：能夠采集必要的光照信息，與多光譜相機采集的信息進行綜合比對，以消除果園內(nèi)丁達爾效應(yīng)對多光譜相機可能造成的影響。同時，對航拍檢測進行信息補充，自下而上對果樹進行檢測，通過對每棵果樹進行光譜分析實現(xiàn)果樹的精細化管理。

5）采用四輪差速轉(zhuǎn)向。優(yōu)點：該系統(tǒng)通過四輪差速進行轉(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。通過編碼器采集當前車輪轉(zhuǎn)速，當需要轉(zhuǎn)向時，TX2通過計算并調(diào)節(jié)每個電動機的占空比來控制車輪的轉(zhuǎn)速，從而達到轉(zhuǎn)向的目的。

6）與無人機進行無縫配合使用。優(yōu)點：無人機進行施藥時，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)，對無人機施藥后的區(qū)域進行葉片下表面的施藥，以達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，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，提高果實品質(zhì)。所設(shè)計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、清晰，穩(wěn)定性強，能夠較好地適應(yīng)果園特殊的工作環(huán)境。與此同時，其制作成本與運行成本都較低，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。