果園自動變距精準施藥系統設計與試驗

肖 珂 郝 毅 高冠東

(1.河北農業大學信息科學與技術學院， 保定 071001； 2.河北省農業大數據重點實驗室， 保定 071001；3.中央司法警官學院信息管理系， 保定 071000)

0 引言

在果園施藥技術研究中，自動對靶噴霧技術可以有效解決農藥浪費和環境污染問題[1]。研究人員利用紅外傳感器[2]、超聲波傳感器[3]、激光雷達傳感器[4]、機器視覺[5]等技術構建的自動對靶噴霧系統可以準確檢測樹冠和噴施目標，從而實現間歇性有選擇噴施，節約了農藥資源。

為了進一步提高噴施效率，國內外研究人員開始對噴施區域的冠層特征、葉墻面積等進行檢測分析，根據分析結果實時調整相應的噴施參數。薛秀云等[6]利用激光雷達(Laser detection and ranging，LiDAR)檢測技術獲取葉墻面積(Leaf wall area，LWA)，應用圖像處理技術計算相關參數，實現了基于LWA的變量噴霧，與純對靶噴霧相比省藥率為32.77%；姜紅花等[7]將激光測距傳感器和超聲波傳感器相結合，設計了基于多傳感器陣列的冠層信息采集方法和果樹冠層體積在線計算方法，在此基礎上進行的變風量噴霧提高了沉積率，減少了噴霧漂移；OSTERMAN等[8]利用激光掃描儀測量冠層，將測得的數據利用數學方法擬合出輪廓，并使用逆運動學算法調整噴施臂到冠層的距離，使噴霧覆蓋范圍最佳。

在調整噴霧參數的研究中，對噴霧量的調整最常見，通過調整噴霧量可明顯減少農藥的使用[9]；而噴霧距離作為影響噴霧效果的重要參數之一，根據果樹冠層結構實時調節噴霧距離，實現噴霧與冠層的仿形是廣大學者關心的目標[10]。目前關于噴霧距離調整的研究較少，并且調整方式有局限性，不能保證實時性[11-12]。因此，在調整噴霧距離的研究中，保證調整過程的自動化程度與實時性將是研究重點。在目前果園噴霧系統的研究中，能同時針對噴霧量與噴霧位置進行調整的研究報道較少，為進一步提高噴霧效率，應設計能同時調整噴霧量和噴霧距離的噴霧系統。

由于我國北方果園種植的果樹多以落葉喬木為主，其生長狀態與種植方式大體相同，與南方果園樹種、樹形、種植方式的多樣化形成了明顯差異。故本文結合實際應用中對噴霧系統普適性與實時性的要求，設計一款適用于我國北方果園病蟲害防治的施藥系統。該系統利用紅外測距傳感器組成的傳感器陣列探測冠層，將測得的數據利用數學方法構建冠層體積估算模型，并通過設計噴霧參數調節方案，使噴霧距離和噴霧量可實時調整，以提高噴霧效率。

1 系統結構與組成

1.1 系統結構

據調查，在我國北方果園標準化種植中，株行距多為5 m×5 m，樹高控制在2.5 m左右，果樹冠層高度大約在1.6 m；果樹冠層分布較分散，且不同高度的冠層密度各不相同。

為了能滿足不同樹冠高度和冠層密度對施藥系統的要求，本文根據果園果樹的特征與參數，設計一款可調整噴施距離和噴霧量的施藥系統。該施藥系統主要由噴施臂、控制系統以及相應的模塊組成，其原理框圖如圖1所示。

圖1 施藥系統原理框圖Fig.1 Principle block diagram of spraying system

1.2 噴施臂結構

噴施臂整體高1.8 m，寬0.72 m，分為上、中、下3部分，分別對應果樹冠層的頂層、中層、底層。噴施臂每個部分都裝有一個扇形噴嘴，在噴嘴處安裝了一個由3個紅外測距傳感器組成的傳感器陣列來探測樹冠；各部分噴施臂通過步進電機驅動絲桿滑臺實現移動。噴施臂的結構如圖2所示。

圖2 噴施臂結構圖Fig.2 Structural drawings of spraying arm 1、15.垂直調節電機 2、14.垂直絲桿滑臺 3、7、13.分支絲桿滑臺 4、8、12.分支水平調節電機 5、11.整體絲桿滑臺 6、10.整體水平調節電機 9.連接板 16.底座 17.支架 18、21、22、25、26、29.紅外測距傳感器 19、23、27.噴嘴 20、24、28.安裝架

如圖2所示，上下兩部分垂直絲桿滑臺分別安裝在兩個整體絲桿滑臺上，整體絲桿滑臺通過連接板連接，當兩個整體水平調節電機同時同步運轉時，就可以通過控制整體絲桿滑臺運動實現整體噴施臂的左右移動，其移動行程為0～50 cm，移動速度為1 cm/s；分支水平調節電機可以控制分支絲桿滑臺左右運動，進而實現每個噴嘴的左右調距，其移動行程為0～30 cm，移動速度為2 cm/s，最大可調為4 cm/s；垂直調節電機可以控制垂直絲桿滑臺上下運動，進而實現上下兩噴嘴的上下移動，其移動行程為0～60 cm，移動速度為2 cm/s；3個安裝架分別安裝在3個分支絲桿滑臺上，噴嘴與紅外測距傳感器分別固定在安裝架上的特定位置，形成了紅外傳感器陣列，噴嘴與紅外傳感器的安裝位置與距離如圖3所示。

圖3 紅外傳感器陣列Fig.3 Infrared sensor array

1.3 控制系統組成

控制系統主要由微控制器、繼電器、步進電機驅動器、電源模塊、流量比例調節閥、水泵等組成。其中微控制器芯片選用ST公司生產的STM32F407IGT6芯片，該芯片集成了新的DSP和FPU指令，具有168 MHz的高運行速率，接口資源豐富，可以很大程度提升控制算法的執行速度和代碼效率；繼電器用來控制水泵的通斷，可以由控制芯片根據相應的信號控制，流量比例調節閥用來調整噴施時的實際流量；步進電機驅動器選用東芝公司生產的TB6600型升級款驅動器，步進電機驅動器作為橋梁來連接控制芯片、電源和步進電機，達到低振動、低噪聲、高速度的驅動效果，可以實現控制芯片對步進電機的精準控制；電源模塊由紐曼N300型升級版移動電源和開關電源組成，紐曼N300負責整體系統的供電，開關電源負責給步進電機驅動器、水泵、電磁閥等供電。

2 基于傳感器陣列的冠層體積估算模型構建

在施藥系統研究中，對于果樹冠層體積的計算必不可少，也是實現精準噴霧的重要環節。本文選用紅外測距傳感器檢測冠層，在每個噴嘴處，將3個紅外測距傳感器如圖3所示安裝組成傳感器陣列，并利用此陣列構建冠層分割模型和冠層體積估算模型。

2.1 冠層分割模型

根據噴施臂結構設計，上、中、下3個紅外傳感器陣列分別探測果樹冠層的頂層、中層、底層區域；由于噴施臂上、中、下3部分結構完全一致，故本文選取中部冠層區域分析噴施臂在前進過程中如何利用紅外傳感器陣列分割冠層。冠層分割模型如圖4所示。

圖4 冠層分割模型Fig.4 Canopy segmentation model

如圖4所示，噴施臂放置在一個可移動工作平臺上，其移動平均速度為30 cm/s；圖中黑色標注點為紅外傳感器陣列在冠層上的探測點，當傳感器1和傳感器3都測得數據時為T0時刻，即為起始時刻T0。本文利用Tn(n為整數)和Tn.5表示不同時刻。

傳感器陣列隨著工作臺的移動探測整個冠層，在Tn(包括T0)記錄傳感器1和3探測的數據，Tn.5記錄傳感器2的數據。其中Tn(不包括T0)所探測的冠層為相鄰分割區域的邊界，即Tn既為前一分割區域的結束時刻也為下一分割區域的起始時刻，由于Tn與Tn+1的時間間隔為1 s，則所分割的冠層區域的橫向長度L為30 cm；由圖3可知，傳感器1與傳感器3之間的長度為50 cm，因此冠層在平面上被分割為若干個30 cm×50 cm的長方形區域。

2.2 冠層體積估算模型

由圖4可知，在T0時刻紅外傳感器陣列開始探測冠層，在T1時刻，傳感器陣列所探測過的冠層長度L為30 cm；本節選取起始時間段T0～T1，結合噴施臂結構與冠層分割模型，構建如圖5所示的冠層體積估算模型。

圖5 冠層體積估算模型Fig.5 Canopy volume estimation models

在圖5a中，d0、d1為T0時刻傳感器1和3測得的與冠層的距離，d2為傳感器2在T0.5時刻測得的距離，d3、d4為T1時刻傳感器1和3測得的與冠層的距離；A0、B0為起始時刻探測點，A1、B1為結束時刻的探測點，C為當前探測區域的中心探測點，前進速度vf為30 cm/s；圖5b中，虛線所形成的區域可近似看作圖5a中紅外傳感器陣列在1 s內所探測冠層區域的大致輪廓(即利用虛線區域表示圖5a中傳感器陣列探測的冠層區域)。本文將此冠層區域記為局部冠層，通過計算得到的冠層體積記為局部冠層體積，連接A0、B0、B1、A1這4個點，所形成的四邊形A0B0B1A1即為局部冠層的橫截面。

根據位置距離關系，以T0時刻傳感器1的測距起點為坐標原點O，建立如圖5a所示的OXYZ空間直角坐標系。其中各探測點X軸的坐標隨著Tn的變化而發生改變，其關系式為

(1)

式中X——各探測點橫坐標，cm

故在T0～T1時間段，點A0的坐標為(0,0,d0)，點B0的坐標為(0,50,d1)，點A1的坐標為(30,0,d3)，點B1的坐標為(30,50,d4)，點C的坐標為(15,25,d2)。由此可得

(2)

式中a、b、c、d——橫截面各邊邊長，cm

e——對角線A0B1長度，cm

根據海倫公式可得

(3)

其中

p1=(a+b+e)/2

(4)

p2=(d+c+e)/2

(5)

式中S1——△A0A1B1面積，cm2

S2——△A0B0B1面積，cm2

p1——△A0A1B1半周長，cm

p2——△A0B0B1半周長，cm

根據公式(3)～(5)，可求出

S=S1+S2

(6)

式中S——橫截面A0B0B1A1面積，cm2

根據李龍龍等[13]提出的冠層分割模型，利用傳感器技術在橫向分割冠層時，可將冠層等效為若干個長方體，結合本文提出的冠層分割模型與冠層體積估算模型，可將局部冠層體積等效為一個四棱柱體積，如圖5b所示，該四棱柱的底面為局部冠層的橫截面A0B0B1A1。

在橫截面A0B0B1A1中，將以A0為起點，A1為終點的有向線段記為向量lA0A1，以A0為起點，B0為終點的有向線段記為向量lA0B0，則向量lA0A1、lA0B0的坐標表示為(30,0,d3-d0)、(0,50,d1-d0)。

設橫截面A0B0B1A1的法向量為N=(m,g,w)，則有

(7)

設法向量N的Z軸坐標w為30 cm，由此可求得

N=(d0-d3,0.6d0-0.6d1,30)

在空間直角坐標系中，給定一點M(x0,y0,z0)和平面法向量l=(H,J,K)，可以確定此平面為

H(X-x0)+J(Y-y0)+K(Z-z0)=0

因此將點B1坐標與法向量N代入后可得橫截面A0B0B1A1的方程為

5(d0-d3)x+3(d0-d1)y+150z- 150(2d0-d1-d3+d4)=0

(8)

由于點C為局部冠層的中心探測點，根據點到平面的距離公式，可得

(9)

式中dp——局部冠層中心點到橫截面的距離，cm

故以橫截面A0B0B1A1為四棱柱底面，dp為高，有

VL≈Sdp

(10)

式中VL——局部冠層體積，cm3

在求出時間段T0～T1所探測的局部冠層體積后，以T1為起始時刻，T2為結束時刻，按照上述方法繼續求解時間段T1～T2和之后時間段的局部冠層體積，直到噴霧停止。

3 噴霧參數調節與控制系統設計

3.1 噴霧距離調節

選用的噴嘴為扇形噴嘴(東莞市博利噴霧凈化有限公司)，噴施角度為60°，流量為76 mL/s。噴霧距離與覆蓋范圍的關系如圖6所示(圖中虛線為角平分線)。

圖6 噴霧距離和覆蓋范圍Fig.6 Spraying distance and coverage

由圖6可以看出，在噴霧角度固定的情況下，噴霧距離與噴霧覆蓋范圍的關系為

(11)

式中D——噴霧縱向覆蓋范圍，cm

df——噴霧距離，cm

如圖4所示，局部冠層最大縱向范圍為50 cm，故在噴施前，應調整噴霧距離df，使得D為50 cm，從而使噴霧充分覆蓋局部冠層。根據式(11)計算出最佳噴霧距離約為43 cm。

當施藥系統行進至第1個噴施目標時，即到達圖4中的T0時刻，此時停止前進，由于噴嘴與紅外傳感器陣列在同一平面，故可將此時傳感器1和3測得的距離的平均值近似為噴霧距離，即

df=(d0+d1)/2

(12)

將測得的噴霧距離df與最佳噴霧距離對比自動進行調整，若df>43 cm，分支絲桿滑臺則正向運動靠近冠層，反之則反方向運動。分支絲桿滑臺運動的距離為

dt=|df-43|

(13)

式中dt——分支絲桿滑臺運動距離，cm

dt<10 cm時，運動速度v=2 cm/s，dt≥10 cm時，v=4 cm/s。

將噴霧距離調整至最佳后，控制器重新采集記錄T0時刻傳感器探測的數據，施藥系統繼續前進，直至噴施完當前目標。

由于同一果園中果樹的特征與修枝方法一致，故果樹的形態差異較小，因此施藥系統在噴施下一目標時，噴霧距離只需在原先的基礎上根據公式(12)、(13)在行進中進行微調。調整時傳感器的測距結果會受到影響，但對冠層體積計算的最終結果影響甚小，本文將微調過程中對冠層體積計算造成的影響忽略不計。

3.2 噴霧量調節

冠層體積不同，所需的噴霧量也要進行適當的調節，從而降低農藥的使用。為實現流量的精準控制，本文選用流量比例調節閥(江西凱強實業有限公司)作為流量控制閥門，該閥門通過改變0～10 V范圍內的輸入電壓來調節閥門開度；0～10 V輸入電壓通過單片機控制PWM轉電壓模塊提供。依據比例調節閥和PWM轉電壓模塊的技術參數，可推知占空比與噴嘴流量的關系為

Q=qP

(14)

式中Q——噴嘴實際流量，mL/s

q——噴嘴最大流量，取76 mL/s

P——占空比

由圖4可得，在利用紅外傳感器陣列探測冠層時，噴施區域在水平方向以30 cm長度劃分，在估算出局部冠層體積后，有

10-6VLu=Qt=qPt

(15)

式中t——噴施局部冠層所用時間，取1 s

u——單位體積冠層所需噴霧量，mL/m3

在文獻[14]中u取100 mL/m3，并指出u的取值往往根據藥劑生產商的推薦用藥量、田間試驗或經驗確定，本文為了使試驗效果更加明顯，提高系統噴施過程中的穩定性，取u為500 mL/m3，由此可得占空比與冠層體積的關系為

P=5×10-4VL/76

(16)

利用公式(16)即可根據估算出的局部冠層體積計算出流量比例調節閥所需的PWM占空比。為減少比例閥的調節時間，在T0時刻將其開度設定為1/3；如圖4、5所示，由于在T1時刻，施藥系統還需運動1 s噴嘴才能到達T0時刻所檢測的冠層處開始噴施，在這1 s的運動過程中，比例閥根據占空比進行相應的調整。

3.3 施藥控制系統設計

本文將施藥控制系統設計為手機APP控制系統和變量控制系統。手機APP控制系統通過控制板上的ESP8266-01模塊與手機建立通訊連接，并利用手機APP VLAN控制整個系統。手機APP控制系統應用于噴施臂的運動測試以及噴施前噴施臂的調整。在噴施前，利用本項目組研究成果[15-16]，使用Kinect傳感器獲得果樹冠層位置信息，通過改變可移動平臺的高度使中部噴嘴校準到冠層中心位置，其校準誤差范圍為3～4 mm，利用手機APP控制系統調整上下兩部分垂直絲桿滑臺使上下兩個噴嘴運動到合適的噴施位置，其運動誤差范圍為4～5 mm。

變量控制系統應用于施藥系統前進時，如圖4所示，在T0時刻之前，系統通過傳感器2檢測冠層，當檢測到距離時，水泵電磁閥開啟，對應部分比例閥開度由0逐漸調為1/3，噴施對應區域冠層；當上、中、下3部分噴施臂都到達T0時刻時，水泵電磁閥斷開，系統停止前進，調整噴霧距離和比例閥開度；在T1時刻，微控制器根據前文提到的冠層體積估算方法計算出局部冠層體積，計算出占空比P；在T2時刻，噴嘴到達T0時刻所探測冠層處，此時比例閥已調整完畢，開始噴施T0～T1時間間隔內所探測的局部冠層；按照如上方法噴施不同時間間隔所探測的局部冠層；在噴施過程中，若在Tn時刻傳感器1和3都測有數據，在Tn+k時刻(k<1)傳感器1和3沒有測得數據，則在噴施完Tn-1～Tn時間間隔內冠層區域后，流量比例閥開度保持不變，噴施時間k(s)后停止噴施，此時所有冠層噴施完畢。施藥控制系統原理如圖7所示。

圖7 施藥控制系統原理圖Fig.7 Schematic of spraying control system

4 噴施臂運動與冠層體積估算模型準確性測試

由于在進行噴施試驗時，噴施臂會進行調整，使噴嘴達到合適的噴施位置；在噴施過程中，分支絲桿滑臺也會運動以達到最佳噴霧距離；而噴霧量的調節主要是根據估算的冠層體積決定的。因此噴施臂的運動效果與冠層體積估算模型的準確性都會對噴施效果產生影響，本文對此分別進行測試。

4.1 噴施臂運動測試

當系統工作時，控制器會根據噴霧距離調整方案和公式(13)計算出分支絲桿滑臺運動的距離dt。在運動過程中，噴施臂的運動響應時間、運動實際耗時等都會影響整個施藥系統的實時性。因此本文在戶外對噴施臂的運動響應時間、實際耗時進行了測試。噴施臂運動測試如圖8所示。

圖8 噴施臂運動測試Fig.8 Spraying arm movement test

如圖8a中的紅色標注所示，選取3個測試點，利用手機APP控制系統控制其運動，運動后3個測試點的位置如圖8b所示。測試結果如表1所示。

表1 噴施臂運動測試結果Tab.1 Spraying arm movement test results

由表1可知，噴施臂在接收到運動指令時會瞬間響應，實際耗時與理論耗時幾乎一致，因此在施藥過程中不會出現額外耗時的情況，最大程度保障了整個施藥系統的實時性。

4.2 冠層體積估算模型準確性檢測

為檢測冠層體積估算模型的準確性，利用仿真桃葉制作了3個不同體積的冠層，從仿真桃樹選取了3個不同體積的冠層，首先根據何誠等[17]的傳統樹冠體積計算方法計算出其大致體積(紅框區域)，然后利用基于紅外傳感器陣列構建的冠層體積估算模型進行體積計算。選取的冠層如圖9所示，測量結果如表2所示。

圖9 不同體積冠層Fig.9 Tree crown with different volumes

表2 體積測量結果Tab.2 Volume measurement results

由表2可得，冠層體積估算模型求得的體積與傳統方法計算出的體積相比，相對誤差為11.27%，因此該模型可以準確估算當前噴施區域的冠層體積。

5 噴施試驗

5.1 試驗條件

為檢驗施藥系統的噴霧效率，本文在室外進行了系統的噴施測試試驗，地點選在河北農業大學校園空曠處，時間為2022年3月19—21日。試驗選取3棵具有明顯冠層差異的仿真桃樹，由于該系統還處于初步研發階段，在驗證其噴施效率前還沒有設計專用的承載工具，故在本試驗中將施藥系統放置在一個可移動工作臺上。

5.2 試驗方法

在噴施前，將水敏試紙均勻布置在桃樹冠層的頂層、中層、底層；每次噴施試驗開始前藥箱中液體的體積均為3 L，噴施結束后，記錄藥箱中剩余液體的體積。

本文設計2組噴施試驗，第1組噴施試驗為定距自動對靶噴霧，系統沒有安裝紅外傳感器陣列，僅使用一個紅外測距傳感器探測樹冠，在檢測到樹冠后水泵開啟，開始持續噴霧。第2組噴施試驗為變距自動對靶噴霧，變量控制系統會根據冠層分割模型和冠層體積估算模型計算出分支絲桿滑臺應該移動的距離并生成正確的占空比，在調整完噴霧距離和比例閥的開度后，水泵開啟，開始噴施，直至噴施完所有樹冠。

為提高試驗的對比性，每組噴施試驗分別進行4次，噴施過程中施藥系統的平均前進速度均為30 cm/s。在每次噴施結束后，將不同冠層區域的水敏紙收集起來分別保存在干燥的試驗袋中，同時記錄藥箱中剩余液體的體積，準備后續的分析工作。試驗布置與噴霧效果如圖10所示。

圖10 試驗布置與噴霧效果Fig.10 Test layout and spray effect diagram

5.3 試驗結果與分析

根據上述試驗方法進行兩組噴霧對比試驗后，對完全干燥的水敏紙按照不同冠層區域分別進行噴霧附著分析。首先根據JB/T 9782—2014《植保機械通用試驗方法》中的要求與方法，對收集的水敏紙進行分級，按照藥液附著面積與觀察面積的比例將水敏紙分為0～4共5個等級。本試驗中大部分水敏紙的等級可以通過觀察直接判定，對于無法用肉眼判斷的水敏紙，利用Image J軟件對藥液附著面積(即水敏紙上的深色區域)進行計算并分級。水敏紙藥液附著面積分析如圖11所示。

圖11 噴霧附著面積分析Fig.11 Spray deposition analysis

將所有的水敏紙分級后，根據附著率計算公式計算兩組試驗中不同冠層區域的噴霧附著率。定距和變距兩種噴霧模式下噴霧附著率如表3所示。

表3 不同噴霧模式噴霧附著率Tab.3 Spray deposition rates for different modes

根據每次噴施試驗結束后所記錄的藥液剩余量，計算不同噴施模式下的用藥量。定距和變距兩種噴霧模式下用藥量如表4所示。根據表3求得的不同噴霧模式下的平均噴霧附著率如表5所示。

表4 不同噴霧模式的用藥量Tab.4 Dosage of different spray modes

表5 不同噴霧模式的平均噴霧附著率Tab.5 Average spray deposition rates for different spray modes

由表4、5可知，與定距對靶噴霧相比，變距對靶噴霧的藥液附著率可以提高18.66%，節約30.25%的藥液。由此可見基于冠層體積估算的變距對靶噴霧可以提高噴霧附著率，減少農藥使用量，從而減輕農藥對環境的污染。

6 結論

(1)設計的施藥系統可以滿足不同特征果樹的噴施需求。在噴施前，噴嘴可調整到合適的位置；在施藥過程中，噴施臂的運動可以瞬間響應，并且移動速度與設定相同，可最大程度保證系統的實時性；通過調整噴霧距離，可使噴霧充分覆蓋當前探測區域的冠層。

(2)通過選取6個不同體積的冠層對冠層體積估算模型的準確性進行了測試，與傳統方法計算結果相比，其相對誤差為11.27%，可以準確估算冠層體積。

(3)進行了定距對靶噴霧和變距對靶噴霧兩組試驗，并利用水敏紙和Image J軟件進行了噴霧附著率的測定。試驗結果表明，基于冠層體積估算模型的變距噴霧比定距噴霧的噴霧附著率提高18.66%，節約30.25%的藥液，從而證明該施藥系統可以提高農藥利用率，減少農藥的使用。