基于機器視覺和北斗定位的小麥變量噴霧系統研究

楊文超 何 進 周靖凱 李洪文 王慶杰 盧彩云

(1.中國農業大學工學院， 北京 100083； 2.農業農村部保護性耕作農業裝備重點實驗室， 北京 100083)

0 引言

植保作業作為農業生產中的一個重要環節，也是確保豐產豐收的主要措施之一[1]。隨著農業機械化技術的發展與進步以及植保機械的推廣與運用[2]，其作業可有效提高工作效率，避免人工噴藥對身體帶來的副作用，同時作業所施用的化學農藥可使農產品損失減少45%[3]。

由于作業環境、作物品種以及噴霧目的和方式不同，植保機械的作業方式和手段也不盡相同。目前變量噴霧系統研究主要包括變量噴霧探測技術和變量噴霧流量控制技術。變量噴霧探測技術目前主要有美國Patchen公司[4]研制的Weedseeker噴藥系統，主要通過光學傳感器對非作物行檢測有無雜草存在，該系統對行間非作物區域噴灑除草劑節省農藥噴施量60%～80%；OEBEL等[5]設計了基于處方圖的變量噴藥作業控制系統，系統使用高精度GPS定位設備，通過施藥裝置的實時位置與處方圖相匹配，通過計算輸出控制信號來控制噴藥量。在變量噴霧流量控制技術方面CASE公司[6]設計的自走式變量噴藥機采用脈沖調控高速電磁閥來實現噴頭流量的調控，該方法提高了噴霧霧滴的均勻性。小麥在生長前期的植保主要為了預防病蟲害，由于土壤肥力、墑情不同，導致同一田塊不同區域小麥的生長密度存在差異，普通噴霧方式容易造成藥液浪費和環境污染等問題[7]。近年來隨著農業現代化的發展，變量噴霧技術也取得了一定的研究成果，對于小麥的變量噴霧則研究較少。

本文基于視覺傳感器的變量噴霧探測技術實時分析田間小麥植株密度，通過變量噴霧流量控制技術對生長前期的小麥實現變量噴霧。同時使用北斗定位系統對目標噴霧區域做出規劃，以期較好地實現在指定區域內對不同植株密度的小麥實現變量控制噴霧。

1 變量噴霧系統總體設計

1.1 結構與系統設計

本文變量噴霧系統主要通過對目標區域內小麥植株密度進行識別，實行植株正常區域正常噴、植株稀疏區域少噴、無植株區域不噴以及對非目標區域不噴。基于以上設計要求，提出一種基于機器視覺和北斗定位系統的變量噴霧系統。其總體結構如圖1所示，主要由定位傳感器、視覺傳感器、高度傳感器、噴桿、噴頭+電磁閥的變量噴頭和供藥系統等組成[8]。

圖1 變量噴霧系統結構示意圖Fig.1 Schematic of variable spray system structure1.噴霧執行機構 2.高度傳感器 3.視覺傳感器 4.定位傳感器 5.中央處理器 6.供藥系統

變量噴霧系統功能框圖如圖2所示。系統主要由檢測裝置、中央處理器模塊和執行機構組成。檢測裝置包括：視覺傳感器(威鑫視界SY002HD型攝像頭)、定位傳感器(AD300型GNSS-RTK定位系統，山東北斗華宸導航技術有限公司)、高度傳感器(MyAntenna L4型激光傳感器)；中央處理器模塊包括Raspberry pi 4B(操作系統Raspbian)；執行機構包括：電磁閥(Zwqd/浙文2L030-08 06型)、噴頭和水系統。相關裝置具體參數如表1所示。

表1 技術參數Tab.1 Technical parameters

圖2 系統功能框圖Fig.2 System function block diagram

載具采用自走式噴桿噴霧機，其為橫噴桿，可折疊，噴桿離地的高度可以通過液壓式調節機構控制[9]。自走式噴桿噴霧車的噴桿為前置式自走式噴桿噴霧機。如圖3所示，為了使得變量噴霧探測機構系統的視覺傳感器可以實時探測田間情況，將相機固定于整個變量噴霧系統的最前端即噴桿正上方，且攝像頭會隨著噴桿的變化而變化，為了獲取噴桿前方的圖像數據，使得攝像頭與水平面呈一定的角度，相機俯仰角約25°。為了使得相機能夠盡可能多看到噴頭，攝像頭距離噴桿底部的高度H2約100 cm。在此高度下，每個攝像頭觀測到3個噴頭，兩個攝像頭之間的間距L1約130 cm。定位天線放置于車輛中心的正前方，且位于噴桿的后方，天線安裝架高度H1約170 cm，天線安裝位置與車前壁距離L2約25 cm。激光傳感器安裝于噴桿中心位置，用來測量噴桿高度H3。

圖3 變量噴霧探測機構Fig.3 Diagrams of variable spray detection mechanism1.紅外激光傳感器 2.相機固定架 3.定位天線 4.定位天線固定架 5.噴桿 6.相機

中央處理器模塊是變量噴霧系統的核心部件之一，該模塊對噴藥系統的位置信息、航向信息、速度信息、圖像信息進行處理，并判斷噴霧流量，根據流量和PWM信號占空比的關系[7]，輸出占空比信號，調節電磁閥開口時間，從而控制噴霧量。處理器主要用來同時接收定位模塊和視覺傳感器的圖像信息，經過處理后根據噴藥量與PWM信號占空比的關系，輸出控制信號，從而控制執行機構的動作[10]。

執行機構由供水系統和變量執行機構組成。供水系統由水泵、調壓閥、壓力傳感器和供水箱組成，負責對執行機構提供壓力以及水流。變量執行機構由噴桿、噴頭和電磁閥組成，負責接收獲取的信號，從而改變噴頭流量。變量噴霧變流量執行機構原理如圖4所示。根據常規噴霧標準，大田噴桿噴霧機械通常采用110°錐形噴頭，噴頭間距約50 cm，由于對噴霧效果不做特殊要求，所以噴桿和噴頭與常用的噴霧器一致。

圖4 噴霧執行機構原理圖Fig.4 Schematic of spray actuator1.噴頭 2.電磁閥 3.控制器 4.壓力傳感器 5.水泵 6.調壓閥 7.水箱

1.2 工作原理及參數

采用3WP-280型自走式噴桿噴霧車作為系統搭載的平臺，液壓系統采用車輛內燃機給予水泵動力，水泵將液體壓入水管，水管與電磁閥和噴頭組成的變量噴頭相連接。作業前通過定位系統設定特定噴霧目標區域，當機組進入目標工作區域，相機實時檢測特定區域的小麥生長情況，定位傳感器記錄速度、航向角、位置信息，當植株密度和速度發生變化時，噴霧等級會相應變化。實際作業過程中當機組不處于目標區域中，全部停止噴霧，當機組處于目標區域中，部分噴頭不處于目標區域中，超出區域噴頭則停止噴霧，從而實現規定區域內變量噴霧功能。變量噴霧機技術參數如表2所示。

表2 變量噴霧機技術參數Tab.2 Technical parameters of variable sprayer

2 感興趣區域獲取方法

2.1 感興趣區域獲取平臺設計

感興趣區域獲取方法是以小麥田所在平面為基準面，噴頭對應區域為實際檢測區域。根據上述需求，設計圖像感興趣區域獲取方法，并搭建了感興趣區域獲取試驗平臺(圖5)。

圖5 視覺靜態感興趣區域獲取試驗平臺Fig.5 Visual static ROI acquisition test platform1.綠色標識板 2.相機坐標系 3.紅外激光傳感器 4.紅色標識板 5.地面坐標系 6.噴桿平面坐標系 7.單個噴頭管控區域

將噴頭標識板固定于噴頭正上方用于標識噴頭位置。將噴桿標識板固定于平行于噴桿的位置，且與噴頭標識板安裝于同一平面，用于標識噴桿位置。噴桿標識板長度為300 mm，寬度為90 mm，如圖6a所示；噴頭標識板長度為190 mm，寬度為50 mm，如圖6b所示。噴頭標識板和噴桿標識板擬合直線得到的交點即為噴頭交點P0。

圖6 噴頭標識板Fig.6 Sprinkler head labeling board

考慮到相機安裝于噴桿上實際要求，將噴頭對應區域底邊與噴桿的距離h1設計為200 mm。綜合以上考慮，設計噴頭對應區域的寬度h2為400 mm。一般扇形噴頭噴霧角為110°，實際噴霧高度在400～600 mm之間，在此高度下噴頭有效寬度為500～700 mm，設計噴頭對應區域長度w為600 mm。

2.2 感興趣區域計算方法

設計了一種感興趣區域的快速計算方法，通過這種方法可以快速求得噴頭對應區域在圖像中的位置，即感興趣區域。感興趣區域計算方法流程圖如圖7所示。

圖7 感興趣區域獲取方法流程Fig.7 Flow chart of ROI acquisition method

2.2.1噴頭交點計算

噴頭交點計算使用顏色識別的方式對噴桿標識板和噴頭標識板進行識別，將識別結果進行擬合求解獲得圖像中的噴頭交點，將噴頭交點映射到噴桿平面坐標系，獲得噴桿平面噴頭交點，具體步驟如下：

(1)將棋盤格放置噴桿平面進行圖像采集，使用標定結果(預試驗相機參數已標定)對圖像進行畸變矯正。將校正后的噴桿平面棋盤格圖像使用2G-B-R法和大津法進行二值處理，得到噴桿標識板的二值圖像，使用最小二乘法對該二值圖像下的True值像素點進行擬合，得到噴桿標識板的擬合直線，稱為噴桿擬合直線。如圖8a所示，噴桿擬合直線方程為

圖8 噴桿噴頭標識擬合直線Fig.8 Spray rod and sprinkler head identification fitting straight line

z=-0.002 55i+662.58

(1)

式中z——像素坐標系縱坐標

i——像素坐標系橫坐標

(2)將校正后的噴桿平面圖像使用2R-G-B法和大津法進行二值處理，處理結果如圖9所示。圖像中出現3個噴頭標識板，需要對該圖進行分區，使每個區域中只有一個噴頭標識板，分割后再進行最小二乘法直線擬合。

圖9 噴頭標識板二值圖像Fig.9 Binary image of sprinkler head labeling board

(3)使用最小二乘法對二值圖像進行擬合，得到每一個噴頭標識板的擬合直線[11]，稱為噴頭擬合直線。如圖8b所示，每一個噴頭擬合直線表達式為：

噴頭1

z=-3.53i+1 040.73

(2)

噴頭2

z=-50.36i+29 851

(3)

噴頭3

z=14.28i-14 259.6

(4)

由式(1)～(4)可得噴頭交點在像素坐標系下的坐標分別為：(107.215，662.303)、(579.604，661.100)、(1 044.440，659.916)。

2.2.2噴頭交點映射和坐標投影

將噴桿平面棋盤格圖像進行單應性矩陣估計，由單應性矩陣可獲得噴頭坐標點到噴桿平面，得到噴桿坐標系的噴頭交點坐標，計算方法為

(5)

式中 (x，y)——需轉換成目標平面坐標，即噴桿坐標系下的坐標

(X，Y)——已知平面的坐標，即圖像坐標系下的坐標

u——比例因子

R3×3——由棋盤格圖像獲取的單應性矩陣

通過投影方式預試驗對雙平面投影法、單平面高度投影法和雙平面高度投影法3種方式的準確度比較，最終選擇雙平面高度投影法。雙平面高度投影法通過拍攝一幅噴桿平面棋盤格圖像和一幅地面棋盤格圖像，使用紅外激光傳感器測量噴桿平面高度。通過估算噴桿平面棋盤格圖像和地面棋盤格圖像的外參矩陣，得到噴桿坐標系和地面坐標系的轉換矩陣，使用激光傳感器獲取噴桿平面的高度，將噴頭交點轉換到地面坐標系，令坐標轉換后的噴頭交點坐標的高度為噴桿高度，得到該噴頭交點在地面的投影坐標。噴頭交點由噴桿坐標系轉換為地面坐標系的關系式為

(6)

式中Mp_c——4×4的噴桿坐標系的外參矩陣

Mf_c——4×4的地面坐標系的外參矩陣

(Xpw,Ypw,Zpw)——噴桿平面噴頭世界坐標系坐標

(Xf,Yf,Zf)——地面坐標系下的噴頭投影點坐標

h——測量所得噴桿平面的高度

2.2.3感興趣區域確定

不同的投影方式能夠影響感興趣區域準確度和靈活性。采用雙平面高度投影法可以獲得較高的準確度，并且具有較強的靈活性，即可以隨著高度的變換改變感興趣區域在圖像中的位置。噴頭投影點是由噴桿擬合直線間接求得，所以噴頭投影點都處于一條直線。選取兩側的投影點求取地面坐標系噴桿投影直線y=kx+b，直線與坐標系夾角α=arctanφ。如圖10所示，以其中一個噴頭為例，該噴頭在地面坐標系下的投影坐標是P1(Xf1,Yf1)，為了方便求得P1所對應的4個地面感興趣區域點，求得4個感興趣區域點在地面世界坐標系下的坐標為

圖10 地面坐標系感興趣區域確定Fig.10 Determination of ROI in ground coordinate system

(7)

(8)

式中 (Xf1,Yf1)——噴頭交點在地面的投影坐標

α——地面坐標系噴桿投影直線與橫軸夾角

(X′f1,Y′f1)——地面坐標系旋轉α后的噴頭交點投影坐標

(Xf2,Yf2)、(Xf3,Yf3)、(Xf4,Yf4)、(Xf5,Yf5)為噴頭對應區域的四點區域坐標。

雙平面高度投影法結合了雙平面投影法和單平面高度投影法的優點。如圖11所示，P0、P1、P2分別為理想交點坐標所得地面投影坐標、噴頭對應區域近邊、噴頭對應區域遠邊，P′0、P′1、P′2分別為實際的交點坐標所得地面投影坐標、噴頭對應區域近邊、噴頭對應區域遠邊，雙平面高度投影法將噴頭交點由噴桿平面坐標轉換到地面坐標。由于雙平面高度投影法使用了與雙平面投影法相同的坐標轉換方式，將噴頭交點由噴桿平面坐標轉換到地面坐標，由于計算所得噴頭交點與噴桿距離較小，約7.5 cm，所以其中形變導致的高度誤差相對較小，且在計算地面噴頭投影點時引入了高度，可以使地面噴頭投影的Zf坐標可以隨著高度的變化而變換，并且具有較高的交并比。

圖11 雙平面高度投影法投影誤差圖Fig.11 Projection error diagram of biplanar height projection method1.噴桿平面支撐架 2.紅外激光傳感器 3.噴頭標識板 4.噴桿坐標系 5.地面坐標系

基于以上研究分析，本文綜合考慮了靈活性和感興趣區域的準確度，在感興趣區域獲取方法的基礎上，采用雙平面高度投影法完成噴頭交點到地面的投影。

3 變量噴霧流量控制方法

變量噴霧流量控制系統設計主要通過植株密度和機組前進速度來判斷相應噴頭噴霧等級。使用PWM變量噴霧技術，建立占空比、流量、密度數據、速度的噴霧量模型，設計噴霧等級決策方法，實現流量等級的變換[12-14]。

3.1 噴霧量模型建立

噴頭流量需要和植株密度相匹配，單位植株密度所需噴霧量為設定值，該值與噴施藥物種類以及噴霧對象有關，根據上述條件，單位面積內正常噴霧所需藥量計算公式為

(9)

式中u——單位面積內正常噴霧所需藥量，L/m2

q——噴頭流量，mL/min

所使用噴頭流量q為615 mL/min。標準情況下行駛速度v為1.5 m/s；單個噴頭幅寬w選擇為0.6 m，可得u為11.38 mL/m2。

在實際噴霧過程中，存在單位面積植株覆蓋率D和行駛速度v等變量，需要根據這兩種情況做出變量噴霧決策，最終決策得噴頭流量q。

(1)植株覆蓋率對流量的影響

在實際噴霧過程中，由于土壤墑情等情況的影響[15]，難以達到覆蓋率為100%的情況，不同地塊的植株密度不同，單位面積植株覆蓋率D下單位面積所需藥量為

(10)

式中Q——單位面積所需要的藥量，L/m2

k——噴霧時期最大植株覆蓋率，%

(2)速度對流量的影響

在實際噴霧過程中，行駛速度難以保持一致。由此建立單位面積藥量Q和行駛速度v關系式為

(11)

聯立方程式(10)、(11)獲得噴頭流量q和單位面積植株覆蓋率D、行駛速度v的關系為

(12)

由式(12)可以看出，行駛速度越大，植株密度越大，需求噴嘴的流量越大。

3.2 噴頭流量等級決策方法

3.2.1噴頭流量占空比流量曲線

基于PWM控制的噴頭流量模型與噴嘴的流量型號、系統噴霧壓力、電磁閥的開關機械性能以及PWM控制信號頻率等因素相關。當噴嘴的型號、系統噴霧壓力、電磁閥型號和PWM控制信號頻率等條件確定后，對噴頭流量和PWM信號占空比進行標定，從而可得噴頭流量與PWM占空比的線性方程為

q=As+b

(13)

式中A——特定壓力和頻率的流量占空比曲線的斜率

b——流量占空比曲線的截距

s——占空比

噴嘴采用迪科愛農agrotop植保防漂移噴嘴，噴頭與電磁閥相結合，組成變量噴頭(圖12)。

圖12 變量噴頭Fig.12 Variable sprinkler1.電磁閥 2.噴嘴

變量噴霧中壓力越大，脈沖頻率越大，霧滴均勻性越好，根據以往研究成果，系統中PWM頻率采用9 Hz，噴霧系統壓力采用0.6 MPa[10]，在該環境下，對每一個噴頭進行占空比和流量的標定。標定過程中，噴霧時間為1 min，通過設定PWM占空比，使用量筒記錄每一個噴頭的流量，獲取每個PWM占空比下的流量，取平均值后的標定結果如表3所示。

如圖13所示，使用最小二乘法擬合直線，可得壓力0.6 MPa下，每個噴頭的占空比流量曲線y=0.003 75s+0.296。由表3可以看出，所使用的噴藥機噴頭在PWM占空比30%～90%范圍內，呈現出較好的線性關系，流量可調節范圍為400～600 mL/min，流量調節范圍較大。當占空比處于90%～100%范圍時，噴頭流量調節達到最大值。

表3 不同占空比時噴頭流量標定結果Tab.3 Duty ratio and sprinkler flow mL/min

圖13 流量與占空比關系曲線Fig.13 Flow rate and duty cycle relationship curve

3.2.2噴霧等級決策

根據噴頭流量、速度、單位面積植株密度公式，聯立式(12)、(13)得到理論占空比和單位區域植株密度以及速度之間的關系，由標定可得A=0.003 75、b=0.296，可得

(14)

由于每時刻的速度不同，每幀圖像所得植株密度不同，為了減小占空比頻繁變換的情況，本文將理論占空比通過等級決策值，劃分相應的占空比。設定小于總流量15%的等級決策值，即s≤-69%時，等級為0，對應占空比為0，關閉電磁閥；設定處于總流量15%～50%的等級決策值，即-55%

4 目標區域變量噴霧

變量噴霧作為系統的核心部分[16-17]，噴頭需要能夠根據實際工作要求準確進行噴霧等級的變換[18]。實際的工作環境中存在秧苗生長密度不同、機組在田間地頭調轉方向使得部分噴頭在非目標區域內等實際問題。因此目標區域內噴霧作業時通過機器視覺對不同的生長密度的作物實現噴霧等級變換；目標區域邊界的非目標區域噴霧根據GNSS定位傳感器實時判斷控制噴頭停止噴霧。

4.1 基于機器視覺目標區域內變量噴霧

通過定位系統對目標噴霧區域做出規劃，在目標區域內基于機器視覺的等級變換方法是將感興趣區域圖像進行圖像變換和圖像處理，實時獲取每一個感興趣區域的植株密度，當密度達到不同等級閾值時，噴頭進行變量噴霧[19]。

由于感興趣區域是一個不規則的四邊形，為便于計算在感興趣區域內有效像素點的數量，本文使用透視變換將感興趣區域圖像變換為矩形。如圖14a、14b所示，圖像中的對象主要為小麥植株和背景，圖像處理時常將彩色圖像的RGB各個分量進行適當的組合轉換，以增強植物，抑制背景。對小麥作物識別采用超綠灰度法，即

圖14 小麥圖像處理結果Fig.14 Wheat image processing results

ExG=2G-R-B

(15)

通過大津法計算出最優閾值Th，根據閾值Th將植物和背景分割處理，即

(16)

當B=0為背景(黑色)，B=255為小麥植株(白色)，結果如圖14c、14d所示。

采用綠色植株占比的方式表示植株密度，將透視變換后的圖像(圖14e)進行像素點數量統計，植株密度計算公式為

(17)

式中co——一個ROI區域中的有效像素點個數

Ar——ROI區域的像素面積

通過變量噴霧流量控制方法對噴霧進行等級決策，實現變量噴霧目的。

4.2 基于定位的目標區域邊界噴霧

基于定位系統的目標區域邊界噴霧控制方式[20]：在工作前對每一個噴頭位置與GNSS天線的相對位置進行確定；在系統工作時，使用相對位置數據和車輛定位數據，判斷每一個噴頭所處的位置是否在目標噴霧區域內，避免噴頭在非目標噴霧區域誤噴。

4.2.1噴霧環境

目標區域噴霧等級變換的前提是在指定區域內進行噴霧，通過GNSS天線安裝位置計算出每一個噴頭和噴桿中心位置的實時坐標。在實際整個噴霧的作業過程中，會遇到脫離目標區域情況：

噴霧環境1：在實際作業中，田塊長度不完全是噴桿長度的倍數，在車輛行駛到邊界區域時，會出現未噴霧的田塊長度小于噴桿長度的情況，這時會出現車輛在目標區域內工作，部分噴頭在區域外部，這種情況會導致非目標區域的誤噴。

噴霧環境2：車輛處于目標區域邊界處，但噴頭已經在區域內部，該情況常發生于地頭轉向。轉向過程中當機組與田埂平行時，目標噴霧區域中地頭部分出現重噴現象。

4.2.2實時噴頭位置確定方法

根據上述噴霧環境所適應的作業狀態，為了解決噴霧環境1的問題，由GNSS天線安裝位置與噴頭相對位置、航向角和GNSS天線位置信息，實時判斷每一個噴頭是否在目標區域內，當噴頭處于目標區域外時該噴頭則停止噴霧。采用3WP-280型自走式噴桿噴霧車，其噴桿高度會隨著液壓桿的升降而變化(圖15)，GNSS天線的位置和噴頭的相對位置隨之產生變化，所以需要引入高度參數，完成動態的相對位置確定，以適應高度變化引起的相對位置的改變。

圖15 噴桿運動簡圖Fig.15 Motion diagram of spray rod

在不同高度下，噴桿的中心和天線的相對位置會發生變化，某一個高度下的噴桿中心到GNSS天線安裝位置的距離為

(18)

式中Y1——在某一個高度下的噴桿中心到GNSS天線安裝位置的橫向距離，m

I——升降桿長度，m

Hp——平行四邊形的鉸點高度，m

H——噴桿高度(下鉸鏈高度)，m

M——GNSS天線安裝位置到點O的橫向距離，m

L——平行四邊形鉸點到噴桿中心的距離，m

由橫向距離Y1實時判斷每一個噴頭是否在目標區域內。

為了解決噴霧環境2的問題，當機組駛出地頭時，停止噴霧。由于GNSS天線的位置在噴桿正后方，將噴桿中心作為判斷位置，當噴桿中心處于目標工作區域外時，停止所有噴頭。首先確定工作區域，記錄目標噴霧區域經緯度，選取4個坐標點確定目標區域經緯度。

GPRMC數據刷新頻率為10 Hz，使用串口實時獲取GPRMC信號中的經緯度和航向角，其中航向角以正北方向為0°，順時針角度增加，使用UTM投影計算GNSS天線投影坐標，并實時計算噴頭位置坐標。如圖16所示，將xoy坐標系下表示的GNSS接收器安裝位置與每一個噴頭目標點的關系坐標轉換到坐標系XOY下，計算公式為

圖16 實時目標點計算示意圖Fig.16 Schematic of real-time target point calculation

(19)

式中 (X′3,Y′3)——噴頭在XOY坐標系下的位置坐標

(x2,y2)——噴桿中心在坐標系xoy下的位置坐標

(x3,y3)——噴頭在坐標系xoy下的位置坐標

β——行駛航向角

(X′1,Y′1)——在坐標系XOY中GNSS接收器安裝位置坐標

(X′2,Y′2)——噴桿中心位置Pcentre_d在坐標系XOY下的位置坐標

點Pcentre_d為虛擬點，用來判斷車輛是否在目標區域內。

5 驗證試驗

5.1 試驗材料

為了驗證小麥變量噴霧系統的作業效果，2020年11月于河南省焦作市武陟縣進行噴藥機噴霧試驗，試驗對象為小麥，植株高度40～80 mm。3WP-260型自走式噴桿噴霧機(圖17)的噴霧壓力為0.6 MPa，噴霧高度為0.5 m，噴頭最大流量為0.615 L/min。

圖17 試驗裝置Fig.17 Test device

5.2 目標區域內變量噴霧性能試驗

試驗前期通過定位系統對目標噴霧區域做出規劃，通過機器視覺的等級變換方法將感興趣區域圖像進行圖像變換和圖像處理，考察機具對目標區域內不同植株密度實現變量噴霧的性能。

5.2.1試驗設計與評價方法

為了選取放置水敏試紙的采樣區域，試驗前期使用標識框(標識框內框尺寸與噴頭對應的圖像檢測區域實際尺寸一致，長度為60 cm，寬度為40 cm。)對田塊進行標記，通過圖像處理計算采樣區域植株密度，并將其劃分為植株稀疏區域和植株正常區域。

根據田間植株生長情況，分別在植株稀疏區域(計算密度小于40%)和植株正常區域(計算密度大于40%)布置水敏紙，試驗采樣位置如圖18所示。為檢測及評價變量噴霧性能的實際效果，試驗使用水敏紙(圖19)在采樣區域記錄每一次噴霧情況。

圖18 采樣位置Fig.18 Sampling locations

圖19 水敏紙采樣方式Fig.19 Sampling method of water-sensitive paper

試驗采用6組噴頭，對照組和試驗組采用的噴嘴型號、噴嘴噴霧角、噴霧壓力、噴桿高度和電磁閥型號等條件均保持一致。

選取3個植株密度正常的區域，將此組試驗數據作為對照組試驗，機組速度為1.5 m/s；選取3組植株稀疏區域將此組試驗數據作為試驗組1，機組速度為1.5 m/s；在與對照組相同的3個區域內將該組試驗作為試驗組2，機組速度為0.75 m/s。水敏紙收集并進行處理。

5.2.2試驗數據及分析

使用DepositScan軟件對各個采樣點的水敏紙圖像進行分析[21]，霧滴覆蓋率如表4～6所示。植株密度對變量噴霧量有著較大影響，3組數據表明相同機組速度下植株稀疏區相對植株正常區的平均霧滴覆蓋率減少12.06%，相同植株密度下機組前進速度0.75 m/s相對1.50 m/s的平均霧滴覆蓋率平均增加3.94%。在滿足噴霧標準的情況下，可以在不同速度、不同植株密度下實現變量噴霧。

表4 第1組采樣點處霧滴覆蓋率Tab.4 Fog drop coverage rate under sampling point of group 1 %

表5 第2組采樣點處霧滴覆蓋率Tab.5 Fog drop coverage rate under sampling point of group 2 %

表6 第3組采樣點處霧滴覆蓋率Tab.6 Fog drop coverage rate under sampling point of group 3 %

5.3 目標區域邊界噴霧性能試驗

目標區域邊界噴霧主要是通過GNSS天線安裝位置計算出每一個噴頭和噴桿中心位置的實時坐

標，在實際整個噴霧的作業過程中，實時判斷每一個噴頭是否在目標區域內，當噴頭處于目標區域外時該噴頭則停止噴霧。

5.3.1目標區域邊界噴頭噴霧性能試驗

根據噴霧環境1，開展目標區域邊界噴霧性能試驗。系統工作時，實時判斷每一個噴頭的位置是否在目標噴霧區域內。在實際試驗中，由于田間環境等因素[22-23]，增加了試驗結果測量的難度和誤差，因此選擇平坦的地塊進行路面試驗，驗證行駛速度對噴霧等級變換準確度的影響。如圖20所示,根據該自走式噴桿噴霧機實際作業速度區間，將行駛速度分別調整為0.5、1.0、1.5 m/s，在目標噴霧區域邊界處行駛，測量超出目標噴霧區域的距離。每隔0.5 m測量噴霧超出量誤差，并記錄。

圖20 區域邊界行駛Fig.20 Driving at regional boundary

試驗結果如表7所示。行駛速度為0.5 m/s時，區域邊界行駛的噴霧超出量誤差平均值為48.72 cm，標準差為1.90 cm；行駛速度為1.0 m/s時，區域邊界行駛的噴霧超出量誤差平均值為54.36 cm，標準差為2.06 cm；行駛速度為1.5 m/s時，區域邊界行駛的噴霧超出量誤差平均值為55.18 cm，標準差為2.71 cm。

表7 不同速度噴霧超出量誤差Tab.7 Errors in excess of spray at different speeds cm

5.3.2目標區域邊界行駛方式噴霧性能試驗

根據噴霧環境2，開展目標區域邊界噴霧性能試驗。為驗證行駛方式對噴霧等級變換準確度的影響[24-25]，同時考慮到噴頭開閉響應一致情況下，行駛速度越快誤差越大。因此為得到噴霧效果可靠性，試驗將行駛速度調整為1.5 m/s。將行駛方式劃分為3種情況，如圖21所示。行駛方式1：中心點在目標區域外，勻速在目標區域邊界行駛，每隔1 m測量超出目標區域的噴霧超出量誤差，并記錄數據。行駛方式2：勻速行駛，由目標區域外駛入目標區域內，每隔0.5 m測量噴霧超出量誤差，并記錄數據。行駛情況3：以勻速行駛，由目標區域內駛出目標區域，每隔0.5 m測量噴霧超出量誤差，并記錄數據。

圖21 駛入和駛出目標區域Fig. 21 Driving in and out of target areas

試驗結果如表8所示。駛出目標區域超出量誤差平均值為19.36 cm，標準差為0.81 cm；駛入目標區域超出量誤差平均值為7.2 cm，標準差為1.48 cm；區域邊界行駛超出量誤差平均值為55.18 cm，標準差為2.71 cm。

表8 不同行駛方式的噴霧超出量誤差Tab.8 Spray excess error of different driving modes cm

6 結論

(1)設計了基于機器視覺和北斗定位系統的小麥變量噴霧系統，滿足實際作業要求，可以實現不同速度、植株密度下的變量噴霧。

(2)利用機器視覺在目標區域內建立不同植株密度下和前進速度的變量噴霧試驗。試驗結果表明相同機組速度下植株密度稀疏區相對植株密度正常區的平均霧滴覆蓋率平均減少12.06%，相同植株密度下機組前進速度0.75 m/s相對1.5 m/s的平均霧滴覆蓋率平均增加3.94%。主要是根據植株密度發生變化時，通過圖像處理實現噴霧等級發生變化，當植株密度不變速度變化時，速度變慢導致停留時間增加，因此平均霧滴覆蓋率也會上升。在滿足噴霧標準的情況下，可以在不同速度、不同植株密度下實現變量噴霧。

(3)通過定位系統在目標區域邊界開展行駛速度對等級變換準確度的影響試驗。試驗結果表明，噴霧超出量誤差及標準差隨著行駛速度的增加而增加。主要由于行駛速度越快提供響應時間越短，而系統響應時間固定，因此行駛速度越快噴霧超出量誤差越大。在行駛速度為0.5 m/s時準確度最高，區域邊界行駛的最大超出量誤差為52 cm，平均值為48.72 cm，標準差為1.90 cm。

(4)通過定位系統在目標區域邊界展開行駛方式對噴霧等級變換準確度的影響試驗。其中駛入目標區域超出量誤差平均值為7.20 cm，駛出目標區域超出量誤差平均值為19.36 cm，區域邊界行駛超出量誤差平均值為55.18 cm。駛入目標區域相對駛出目標區域，由于系統需要一定的響應時間因此噴霧從開到閉，增加了一定的噴霧超出誤差；同時區域邊界行駛，噴霧不斷地開閉增加響應時間，導致在3種情況中噴霧超出誤差最大。