基于柑橘果樹冠層結(jié)構(gòu)信息的自適應(yīng)噴藥系統(tǒng)設(shè)計與研究

摘要：

針對丘陵山地柑橘果園研制了一種基于柑橘果樹冠層結(jié)構(gòu)信息的自適應(yīng)噴藥系統(tǒng)。 通過車載超聲波傳感器自動對靶和對果樹冠層結(jié)構(gòu)信息的實時檢測， 調(diào)節(jié)噴桿到果樹的距離以及噴桿高度； 根據(jù)柑橘果樹冠層結(jié)構(gòu)尺寸信息采用不同的噴藥策略， 自動調(diào)節(jié)風(fēng)送速度和藥液管路壓力， 使藥液穿透柑橘果樹冠層內(nèi)部， 并將藥液送至冠層中心。 同時對密植與稀疏果園實施連續(xù)作業(yè)或間歇作業(yè)， 配合風(fēng)送系統(tǒng)， 使噴藥效果均勻， 減少藥液浪費。 試驗結(jié)果表明： 噴藥機(jī)水平與豎直方向自動對靶的最大誤差率分別為1.696%與4.573%， 冠層結(jié)構(gòu)檢測的擬合圓柱半徑與冠層實際半徑的最大誤差率為12.379%， 穿透冠層距離與冠層半徑的最大誤差率為5.225%。 對噴藥決策設(shè)置了高風(fēng)速權(quán)重與高出口壓力權(quán)重2種工作模式， 2種工作模式下霧滴覆蓋率的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為3.02%與3.38%， 工作穩(wěn)定可靠， 能夠滿足丘陵山地果園精準(zhǔn)噴藥作業(yè)的要求。

關(guān)"鍵"詞：丘陵山地； 噴藥機(jī)； 自動對靶； 冠層檢測； 變量噴藥

中圖分類號：TP212； S491

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：16739868（2025）04021515

Design and Research of a Self-Adaptive Spraying System

Based on Citrus Tree Canopy Structure Information

CAI Zongping，"LI Guanglin

College of Engineering and Technology， Southwest University， Chongqing 400715， China

Abstract：

A self-adaptive spraying system based on citrus tree canopy structure information was developed for citrus orchards in hilly and mountainous areas． It automatically detected the target and real-time information of citrus tree canopy structure through an onboard ultrasonic sensor， and adjusted the distance and height of the spraying rod to the citrus tree． According to the information of the citrus tree canopy structure and size， different spraying strategies were adopted to automatically adjust the air delivery speed and liquid pipeline pressure， in order to allow the liquid to penetrate through the interior of the citrus tree canopy and to be delivered to the center of the canopy． Continuous or intermittent operations were simultaneously carried out for both dense and sparse orchards， combined with an air conveying system to achieve uniform spraying effects and reduce the waste of liquid． The experiment results indicated that the maximum error rates of the automatic target alignment in the horizontal and vertical directions of the spraying machine were 1.696% and 4.573%， respectively． The maximum error rate between the fitted cylindrical radius of the canopy structure detection and the actual radius of the canopy was 12.379%， and the maximum error rate between the distance of penetrating the canopy and the canopy radius was 5.225%． Two working modes， high wind speed weight and high outlet pressure weight， were set for spraying decision-making， and the relative standard deviations of droplet coverage under two working modes were 3.02% and 3.38%， respectively． The system works stably and reliably， which can meet the requirements of precision spraying in hilly and mountainous orchards．

Key words：

hilly and mountainous areas； spray machine； automatic targeting； canopy detection； variable spraying

我國是世界上柑橘種植第一大國， 柑橘品質(zhì)的好壞受田間管理的影響較為明顯， 果園病蟲害防治是保證柑橘品質(zhì)的重要手段。 果園病蟲害防治的主要措施是化學(xué)噴施， 噴施次數(shù)為每年8～15次， 約占到果園工作量的30%。 傳統(tǒng)病蟲害防治方式多為對果樹的連續(xù)無差別施藥， 農(nóng)藥利用率僅為20%～30%， 造成環(huán)境污染和果品農(nóng)殘超標(biāo)嚴(yán)重。 對果園進(jìn)行高質(zhì)量施藥既可保證果品品質(zhì)和產(chǎn)量， 也可降低施藥成本。

西方發(fā)達(dá)國家對于果園自動化噴藥研究較早， 但主要集中于機(jī)器結(jié)構(gòu)設(shè)計和參數(shù)優(yōu)化方面。 近年來， 國內(nèi)外學(xué)者針對果樹噴藥的研究已不局限于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計， 變量噴霧、 風(fēng)場分析以及冠層檢測等已成為熱門研究方向， 無人機(jī)噴藥技術(shù)也在逐步推廣^［1-14］。 Lenik等^［15］對微噴的噴霧效果進(jìn)行研究， 對比分析軸向和徑向噴霧、 粗軸和細(xì)軸噴霧、 霧滴大小以及行進(jìn)速度4組變量對微噴噴藥的影響。 Miranda-Fuentes等^［16］針對密植型橄欖園設(shè)計了一種新型風(fēng)送式噴藥裝置， 所設(shè)計的鴨嘴式出風(fēng)口風(fēng)速柔和， 霧滴均勻性較好， 但動能較低。 隨著無人機(jī)噴藥技術(shù)在果園噴藥領(lǐng)域得到應(yīng)用， 美國Adapco公司研發(fā)的Wingman GX型無人機(jī)、 日本YAMAHA公司研發(fā)的R-MAX型無人機(jī)已被廣泛應(yīng)用于大規(guī)模種植園中進(jìn)行噴藥作業(yè)， 與地面作業(yè)相比噴藥效率大幅提升， 但仍屬于無差別粗放型噴藥^［17-19］。 長期以來， 由于受丘陵山地地形的限制， 我國在果樹自動化噴藥方面仍以背負(fù)式噴藥器的應(yīng)用為主。 但隨著先進(jìn)傳感器與控制技術(shù)的引入， 我國在果園噴藥領(lǐng)域的研究成果已逐步進(jìn)入世界先進(jìn)行列。 Cai等^［20］將激光掃描系統(tǒng)集成到風(fēng)送式噴藥機(jī)上， 根據(jù)冠層網(wǎng)格體積和行進(jìn)速度來控制噴霧輸出， 通過量化樹冠內(nèi)噴霧覆蓋的均勻性， 評估了不同網(wǎng)格尺寸和行進(jìn)速度對噴霧性能的影響。 萬鵬龍等^［21］使用風(fēng)送式噴霧機(jī)與傳統(tǒng)管道噴霧對荔枝園進(jìn)行噴霧對比作業(yè)， 結(jié)果表明風(fēng)送式噴霧機(jī)噴藥效率是管道噴霧的4倍以上， 節(jié)省藥液量40%以上。 同時在無人機(jī)噴藥領(lǐng)域， 國產(chǎn)品牌大疆生產(chǎn)的MG-1S系列農(nóng)業(yè)植保機(jī)以四旋翼直升機(jī)為載體， 建立了智能規(guī)劃作業(yè)系統(tǒng)和大疆農(nóng)業(yè)管理平臺； T60型農(nóng)業(yè)無人機(jī)最大載藥量為50 kg， 實現(xiàn)了果園自動噴藥^［22-24］。

盡管我國在果園噴藥領(lǐng)域的研究水平不斷提高， 特別是在變量噴霧、 自動控制方面取得明顯突破， 但丘陵山地果園受限于地形、 作業(yè)條件復(fù)雜等原因， 果園噴藥自動化程度仍然較低^［25］。 同時， 我國在果園病蟲害的防治過程中普遍存在著以下問題： 農(nóng)藥利用率較低， 施藥量是發(fā)達(dá)國家的2～5倍； 噴藥機(jī)具針對性差， 難以實現(xiàn)因地制宜； 農(nóng)藥以同一劑量無差別噴施為主， 忽略了果樹冠層形態(tài)特征和病蟲密度， 導(dǎo)致藥液浪費以及果園土壤和環(huán)境的污染。 因此， 本研究針對丘陵山地柑橘果園設(shè)計了一種自適應(yīng)果樹冠層結(jié)構(gòu)形態(tài)的噴藥系統(tǒng)， 根據(jù)果樹冠層結(jié)構(gòu)大小自動調(diào)節(jié)藥液管路壓力、 風(fēng)速和噴桿位置， 實現(xiàn)果園自適應(yīng)對靶噴藥。 其中噴藥裝置為風(fēng)送式噴藥機(jī)， 通過風(fēng)送系統(tǒng)提高藥液噴施質(zhì)量并增加噴霧幅寬， 整體結(jié)構(gòu)緊湊， 工作穩(wěn)定可靠， 以期能滿足丘陵山地柑橘果園的噴藥作業(yè)要求。

1"系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1"噴藥機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)合丘陵山地柑橘機(jī)械化果園的地形特點與噴藥的農(nóng)藝要求， 設(shè)計了一款適用于丘陵山地柑橘果園的風(fēng)送式噴藥機(jī)具（圖1）， 噴桿高度隨果樹高度自動調(diào)整， 噴桿水平位置根據(jù)設(shè)定的有效噴霧距離自動調(diào)整， 風(fēng)送速度與噴霧壓力隨冠層結(jié)構(gòu)大小自動調(diào)整。

噴藥機(jī)具主要由行進(jìn)系統(tǒng)、 冠層結(jié)構(gòu)信息檢測系統(tǒng)、 自動對靶系統(tǒng)、 液路系統(tǒng)、 風(fēng)送系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)組成。 其中行進(jìn)系統(tǒng)采用的定制履帶式底盤， 由2個2.5 kW的直流無刷電機(jī)驅(qū)動， 采用遙控控制行進(jìn)速度與方向； 冠層結(jié)構(gòu)信息檢測系統(tǒng)通過多超聲波傳感器超前陣列， 提前檢測冠層的結(jié)構(gòu)大小信息， 配合速度傳感器對冠層沿行進(jìn)方向進(jìn)行縱向圓柱形分割； 自動對靶系統(tǒng)分為噴桿伸縮裝置與升降裝置， 分別采用導(dǎo)軌滑塊結(jié)構(gòu)與剪叉式結(jié)構(gòu)， 可對噴桿的水平與豎直方向進(jìn)行位置調(diào)節(jié)， 通過與超聲波傳感器進(jìn)行配合實現(xiàn)自動對靶功能； 噴霧出口壓力以及風(fēng)速根據(jù)冠層結(jié)構(gòu)大小自動調(diào)整， 實現(xiàn)霧滴完全穿透冠層中心。 整機(jī)采用6.5 kW汽油發(fā)電機(jī)作為動力源， 通過試驗驗證， 噴藥機(jī)具能滿足丘陵山地柑橘果園的作業(yè)要求， 主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.2"整機(jī)尺寸與動力設(shè)計

通過對川渝地區(qū)多個丘陵山地柑橘果園進(jìn)行實地調(diào)研可知， 標(biāo)準(zhǔn)化柑橘果園的果樹行距為3～5 m， 株距為2.5～3 m， 柑橘果樹冠層直徑為1.5～2.5 m， 果樹高度為2～3 m。 部分果園存在較大的坡度， 最大爬坡角度約20°。 如圖2所示， 為便于排水， 設(shè)有壟溝， 壟溝深度約0.5 m， 壟溝寬度為1.5～2 m。 根據(jù)丘陵山地果園的特征， 采用定制履帶式底盤（德州正鼎智能設(shè)備有限公司）作為行進(jìn)系統(tǒng)， 機(jī)具可實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向， 且履帶與地面接觸面積大， 可有效減少機(jī)具對土壤的破壞， 相較于輪式底盤， 具有更強(qiáng)的機(jī)動性與越障能力。

考慮噴藥機(jī)具會在壟溝內(nèi)行走， 且壟溝兩側(cè)均有堆土影響， 因此底盤最大設(shè)計寬度為1.25 m， 底盤離地高度為0.3 m， 具有良好的通過性。 設(shè)計最大爬坡角度為25°， 最大行進(jìn)速度為1 m/s。 根據(jù)力學(xué)分析可得， 噴藥機(jī)受到的行駛阻力F_f為：

Ff=Fr+Fs+Fa

Ff=mgfcos θ+mgsin θ+ηmdvdt

（1）

式中： F_r為滾動阻力（N）； F_s為噴藥機(jī)上坡時的坡度阻力（N）； F_a為加速行駛產(chǎn)生的慣性阻力（N）； m為噴藥機(jī)滿載時的總質(zhì)量（800 kg）； g為重力加速度（9.8 m/s²）； η為換算系數(shù)（1.1）。 考慮到噴藥機(jī)的作業(yè)環(huán)境， 滾動阻力系數(shù)f為0.06， 最大爬坡角度θ為25°， 最大行駛速度v為1 m/s。 當(dāng)噴藥機(jī)在坡面上行駛時， 產(chǎn)生的慣性阻力F_a顯著低于履帶運動時的滾動阻力F_r^［26］， 在簡化分析時可忽略慣性阻力F_a的影響， 因此可得噴藥機(jī)在爬坡時的最大功率P_c為：

Pc=mg（fcos θ+sin θ）v（2）

由式（2）可得P_c為3.743 kW， 考慮驅(qū)動電機(jī)效率與傳動結(jié)構(gòu)機(jī)械效率的影響， 因此采用2個2.5 kW直流無刷電機(jī)驅(qū)動整機(jī)行進(jìn)。 考慮野外作業(yè)環(huán)境以及其余部件功率大小， 整機(jī)采用6.5 kW汽油發(fā)動機(jī)作為動力源， 從而提高整機(jī)的續(xù)航時間， 可不間斷地對大型果園進(jìn)行噴霧作業(yè)。

1.3"噴桿與自動對靶系統(tǒng)設(shè)計

丘陵山地果園路況復(fù)雜， 道路顛簸， 傳統(tǒng)直型噴桿的豎直方向尺寸長、 強(qiáng)度低， 會導(dǎo)致噴桿重心過高， 使噴桿搖晃， 影響噴霧作業(yè)質(zhì)量。 為降低噴桿重心設(shè)計了如圖3a所示的異型噴桿， 通過設(shè)置多段傾角減小噴桿尺寸， 通過梯形結(jié)構(gòu)保證噴桿運動過程中的穩(wěn)定性。 噴桿中心為出風(fēng)口與霧化噴頭， 從噴頭位置沿水平方向超前布置超聲波傳感器， 超前距離為L_a， 如圖3b所示。 頂端噴頭主要對樹冠頂部進(jìn)行噴施藥液， 不設(shè)計出風(fēng)口， 因此單側(cè)噴桿有3個出風(fēng)口、 4個噴頭與4個超聲波傳感器。

根據(jù)果園特點以及噴桿相關(guān)參數(shù)設(shè)計自動對靶系統(tǒng)的最大行程。 自動對靶系統(tǒng)包括伸縮與升降2部分： 伸縮裝置為導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)， 如圖4a所示， 對噴桿的水平位置進(jìn)行調(diào)節(jié)； 升降裝置為剪叉式結(jié)構(gòu)， 如圖4b所示， 對噴桿的豎直位置進(jìn)行調(diào)節(jié)。

通過對噴霧距離進(jìn)行測試， 在關(guān)閉風(fēng)送系統(tǒng)的情況下噴霧在1.5 m左右出現(xiàn)衰減。 為保證霧滴到達(dá)冠層前仍具有初始動能， 故設(shè)定噴桿到果樹距離為1～1.25 m時進(jìn)行噴霧， 如圖3c所示。 根據(jù)位置關(guān)系可得：

Lmax=L+2l+2ls（3）

果樹最大行距L_max為5 m， 噴桿初始寬度與行進(jìn)底盤寬度L相同， 為1.25 m， 噴桿到果樹的距離l最大為1.25 m， 故求得伸縮裝置單邊最大行程l_s為0.625 m， 因此采用最大行程為650 mm的電動推桿作為執(zhí)行元件。

同時可計算出最大噴霧高度h_max為：

hmax=2h+h^′+lsinθ2+β+lsinα+θ2-π2（4）

噴頭豎直方向間距h、 h′分別為0.3 m與0.15 m， 噴頭沿著噴霧方向的水平距離差s為0.05 m， 噴桿到果樹的距離l最大為1.25 m， 噴霧錐度θ約35°， 噴桿的角度參數(shù)α、 β分別為80°與45°， 故求得最大噴霧高度約2.0 m。 由于果樹最大冠層直徑為2.5 m， 因此升降機(jī)構(gòu)設(shè)計的最大行程為500 mm。

2"系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

2.1"總體硬件設(shè)計

如圖5所示， 自適應(yīng)噴藥系統(tǒng)主要由基于STM32F030x8最小系統(tǒng)的噴藥機(jī)主控板、 超聲波傳感器（KS109， 深圳市導(dǎo)向機(jī)電技術(shù)有限公司）、 速度傳感器（CYT9100HT， 北京天宇恒創(chuàng)傳感技術(shù)有限公司）、 自動對靶系統(tǒng)、 電磁閥組（DHLZ11， Darhor Instrument INC）等組成。 其中， 8個超聲波傳感器檢測到樹距離， 超聲波傳感器量程為80～11 000 mm， 波束角約15°， 檢測頻率為50 Hz， 且該超聲波傳感器具有雜波抑制功能， 通過使用自帶的0x74 指令將傳感器配置為第4級降噪， 適用于本研究開關(guān)電源供電的場合， 能有效保證超聲波傳感器檢測的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。 超聲波傳感器通過I2C總線與主控板通信， 對各超聲波傳感器進(jìn)行編號， 單側(cè)從上至下分別為l₁～l₄與l₅～l₈， 通過自動尋址可將各數(shù)據(jù)分別處理。 冠層結(jié)構(gòu)信息檢測時由于頂端的l₄與l₈號傳感器傾角不同， 對算法精度產(chǎn)生影響， 因此僅使用l₁～l₃與l₅～l₇號超聲波傳感器計算得到果樹的冠層結(jié)構(gòu)信息。 工作時根據(jù)冠層結(jié)構(gòu)大小檢測反饋值， 通過對風(fēng)機(jī)與藥液泵進(jìn)行PWM調(diào)速， 實現(xiàn)變量噴藥。 同時自動對靶系統(tǒng)根據(jù)所有超聲波傳感器的檢測結(jié)果， 采用多路電機(jī)驅(qū)動器， 同時調(diào)節(jié)噴桿的水平與豎直位置， 實現(xiàn)自動對靶功能。 電磁閥組安裝于噴藥機(jī)的液路系統(tǒng)中， 主控板根據(jù)超聲波傳感器的檢測結(jié)果， 配合安裝于底盤上的速度傳感器， 通過多路固態(tài)繼電器控制噴藥的啟停。

自適應(yīng)噴藥系統(tǒng)工作時， 首先噴藥機(jī)具啟動， 初始化完成后超聲波檢測系統(tǒng)進(jìn)行噴霧距離檢測并將距離信號反饋到主控板， 主控板根據(jù)接收到的距離信息， 判斷噴霧距離是否符合預(yù)設(shè)值， 再通過噴藥機(jī)的伸縮裝置和升降裝置調(diào)節(jié)噴桿伸縮距離和升降高度， 完成自動對靶操作。 自動對靶的同時對果樹冠層結(jié)構(gòu)大小進(jìn)行檢測與分割， 根據(jù)果樹冠層大小的不同采用不同的噴藥策略， 以達(dá)到完全穿透冠層中心的目的。 可根據(jù)預(yù)設(shè)工況權(quán)重系數(shù)設(shè)置高風(fēng)速與高出口壓力2種工作模式進(jìn)行不同效果的噴霧作業(yè)， 實現(xiàn)農(nóng)藥的減量增效。 具體工作流程如圖6所示。

2.2"冠層信息檢測方法與工作原理

為實現(xiàn)自適應(yīng)變量噴藥， 需要對果樹的冠層結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行檢測。 噴藥機(jī)根據(jù)不同的冠層大小， 調(diào)節(jié)管路壓力與風(fēng)速， 將霧滴送至冠層中心， 雙邊作業(yè)后實現(xiàn)冠層完全覆蓋的作業(yè)要求， 使藥液均勻覆蓋整個樹冠， 從而提高防治效果。 目前冠層檢測裝置主要有超聲波傳感器、 激光雷達(dá)以及激光傳感器3種。 激光雷達(dá)價格高昂， 難以降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本； 激光傳感器受環(huán)境影響較大， 在果園使用的精準(zhǔn)程度不高。 現(xiàn)有冠層信息的檢測方法， 除了采用激光雷達(dá)， 其余檢測方法均需檢測整棵果樹冠層信息， 并通過各類方法提高檢測精度， 如長方體分割法、 不規(guī)則三棱柱分割法^［27-30］， 這類方法難以實現(xiàn)實時檢測反饋， 對實時作業(yè)的機(jī)具也很難提供作業(yè)決策。 因此， 本研究通過車載超前布置的超聲波傳感器， 對果樹冠層沿行進(jìn)方向進(jìn)行圓柱形縱向分割， 在保證檢測精度的同時， 實現(xiàn)冠層的提前檢測， 并根據(jù)檢測結(jié)果對噴霧作業(yè)進(jìn)行決策。

以單側(cè)為例， 原理如圖7a所示， 從下至上的l₁～l₃號超聲波傳感器對冠層結(jié)構(gòu)大小進(jìn)行檢測， 各超聲波傳感器在冠層上檢測的對應(yīng)點分別為A_i、 B_i、 C_i。 l_1i、 l_2i、 l_3i分別為3個超聲波傳感器的所測距離， 以第1次檢測時l₁號超聲波傳感器為原點O， 建立直角坐標(biāo)系， 根據(jù)各超聲波傳感器檢測值以及各點相對位置， 即可得到A_i（x_ai， y_ai）、 B_i（x_bi， y_bi）、 C_i（x_ci， y_ci）坐標(biāo)值系數(shù)矩陣Q_i為：

Q_i=

x_aiy_ai

x_biy_bi

x_ciy_ci

=

l₁i+ΔxΔy

l₂i-s+Δxh+Δy

l₃i-2s+Δx2h+Δy

（5）

式中： Δx與Δy分別為自動對靶過程中噴桿水平與豎直方向移動距離， 初始值為0； s與h分別為2個相鄰超聲波傳感器在x與y方向的距離差值， 其中s為0.05 m， h為0.3 m， 如圖7c所示。 根據(jù)圓的標(biāo)準(zhǔn)方程對檢測區(qū)域進(jìn)行圓柱擬合：

（x-x_f）²+（y-y_f）²=R²（6）

式中： （x_f， y_f）為圓心坐標(biāo)； R為擬合冠層的圓柱半徑。 由于檢測數(shù)據(jù)存在噪聲， 采用最小二乘法， 通過觀測盡可能多的點擬合出較為準(zhǔn)確的結(jié)果， 并通過乘方消除正負(fù)方向的差異。 因此設(shè)k₁、 k₂、 k₃為：

k₁=-2x_f

k₂=-2y_f

k₃=x²_f+y²_f-R²

（7）

將式（7）代入式（6）可得：

x²+y²+k₁x+k₂y+k₃=0（8）

KS109超聲波傳感器檢測頻率為50 Hz， 單次檢測所得系數(shù)矩陣為Q_i。 為保證檢測精度， 需要較多數(shù)據(jù)對檢測區(qū)域進(jìn)行圓柱擬合， 但檢測時間過長也會導(dǎo)致冠層數(shù)過少， 冠層分割不精細(xì)。 綜合考慮設(shè)定超聲波傳感器0.3 s內(nèi)對冠層結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行15次檢測， 將每次檢測的各點數(shù)據(jù)代入式（8）可得：

x_a1y_a11

x_b1y_b11

x_c1y_c11

x_a2y_a21

x_ciy_ci1

k₁

k₂

k₃

=

-x²_a1-y²_a1

-x²_b1-y²_b1

-x²_c1-y²_c1

-x²_a2-y²_a2

-x²_ci-y²_ci

（9）

即：

X·K=Y（10）

根據(jù)最小二乘法可求得矩陣K為：

K=（XTX）^-1XTY（11）

通過式（11）求解矩陣K， 即可求解得到所檢測部分冠層的擬合圓柱半徑R為：

R=k²₁+k²₂2-k₃（12）

速度傳感器測定機(jī)具行進(jìn)速度v_i。 由于速度傳感器所測結(jié)果為脈沖信號， 因此分割出各冠層的寬度w_i， 即在開始檢測第i號冠層到開始檢測第i+1號冠層的時間內(nèi)對行進(jìn)速度v_i進(jìn)行積分：

w_i=∫^t_i⁺¹_tiv_idt（13）

如圖7b所示， 為保證最大行進(jìn)速度下可以進(jìn)行0.3 s的冠層信息檢測， 則超聲波傳感器的超前距離La為：

La=（td+tc+tj）vmax（14）

式中： td為自動對靶與冠層信息檢測時間（0.3 s）； tc為程序計算時間（0.08 s）； tj為噴藥系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間（0.11 s）； vmax為噴藥機(jī)最大行進(jìn)速度（1 m/s）。 通過式（14）設(shè)計La為500 mm。

工作時首先對1號冠層區(qū)域進(jìn)行對靶與冠層結(jié)構(gòu)信息檢測， 如圖7a所示， 計算得到冠層所擬合的圓柱半徑R。 根據(jù)擬合圓柱半徑大小確定噴藥策略， 通過調(diào)節(jié)風(fēng)速與管路壓力， 提高霧滴動能， 保證噴霧作業(yè)時霧滴穿透該冠層中心。 當(dāng)機(jī)具行進(jìn)距離LS大于La時， 根據(jù)預(yù)設(shè)的噴藥策略開始對1號冠層進(jìn)行噴藥， 同時對2號冠層進(jìn)行檢測， 如圖7b所示。 當(dāng)LS大于La與w₁之和時， 開始對2號冠層進(jìn)行噴藥并檢測3號冠層， 如圖7c所示。 如此連續(xù)作業(yè)直至完成整棵果樹的噴藥作業(yè)， 如圖7d所示。

2.3"液路與風(fēng)送系統(tǒng)設(shè)計

液路系統(tǒng)如圖8所示， 采用8個電磁閥控制8個霧化噴頭（圣葉牌）， 每4個為1組對單側(cè)果樹進(jìn)行噴藥作業(yè)， 測試該噴頭噴出霧滴的平均體積中值粒徑（Volume Median Diameter， VMD）為131.93 μm， 符合果園作業(yè)要求。 液路系統(tǒng)通過藥液泵（JD-26， 臺州市精德機(jī)電科技有限公司）與溢流閥（YF-L8H2-S， 臺州市杰爾銘液壓制造有限公司）控制管路壓力， 自適應(yīng)噴藥時通過PWM調(diào)速控制藥液泵， 調(diào)節(jié)霧化噴頭的出口壓力。 風(fēng)送系統(tǒng)采用350 W軸流風(fēng)機(jī)（YWF4E， 上海靜靜風(fēng)機(jī)電有限公司）作為風(fēng)源， 經(jīng)過風(fēng)箱與導(dǎo)流管后到達(dá)出風(fēng)口。 通過SolidWorks Flow Simulation對風(fēng)場進(jìn)行仿真， 如圖9所示， 最大出口風(fēng)速為17.806 m/s， 但由于噴頭在導(dǎo)風(fēng)管出口有擾流， 因此在試驗中最大出口風(fēng)速約13 m/s。

噴藥機(jī)對不同大小的冠層采取不同噴藥策略是通過對風(fēng)機(jī)與藥液泵進(jìn)行PWM調(diào)速實現(xiàn)的， 因此需要對不同PWM占空比下風(fēng)機(jī)與藥液泵所產(chǎn)生的風(fēng)速與出口壓力進(jìn)行測量。 分別設(shè)定PWM占空比（頻率為10 Hz）依次為10%、 20%、 30%、 40%、 50%、 60%、 70%、 80%和90%^［31］， 待系統(tǒng)工作穩(wěn)定后， 測量噴頭處的出口風(fēng)速并取各出風(fēng)口平均值作為測量值， 根據(jù)壓力計測量出口壓力。 由于不同出口壓力對霧滴粒徑會產(chǎn)生影響， 因此在測量出口壓力的同時， 在噴嘴前方有效噴霧距離處放置3張水敏試紙， 測量該占空比下的霧滴VMD， 試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

通過Origin軟件對表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項式擬合， 結(jié)果如圖10所示。 通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)^［32-33］可知， 果樹生物病蟲害噴霧的最佳粒徑范圍為30～150 μm。 根據(jù)出口壓力與VMD擬合結(jié)果可得， 藥液泵PWM占空比大于35%， 出口壓力大于2×10⁵"Pa時， 可以保證噴霧作業(yè)的粒徑在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

2.4"多元線性回歸設(shè)計

自適應(yīng)噴藥系統(tǒng)根據(jù)超聲波傳感器所測冠層半徑R的值， 對不同半徑的冠層采用不同的噴藥策略， 從而實現(xiàn)完全穿透冠層， 并將霧滴送至冠層中心， 因此需要通過試驗建立風(fēng)速（x₁）、 出口壓力（x₂）與穿透半徑（y）之間關(guān)系。 根據(jù)試驗數(shù)據(jù)特點建立多元線性回歸方程， 試驗數(shù)據(jù)如表3所示。

由表3可知， 試驗次數(shù)n為7， 因素數(shù)m為2， 采用最小二乘法求出二元線性回歸方程：

y=a+b₁x₁+b₂x₂（15）

式中： a為方程截距； b₁、 b₂分別為2個因素的偏回歸系數(shù)。 通過Origin軟件計算可得二元線性回歸方程：

y=41.717 86x₁+255.871 43x₂-392.728 57（16）

x₂=px₁+q（17）

通過計算復(fù)相關(guān)系數(shù)對式（16）進(jìn)行顯著性檢驗， 結(jié)果為0.967 34， 查閱復(fù)相關(guān)系數(shù)臨界值R_min為0.950， 證明在0.05的水平回歸方程顯著性較好。

上述計算過程中式（17）為決定噴藥策略的權(quán)重計算公式， 工作時可調(diào)節(jié)式（17）中p與q的設(shè)定值， 在保證冠層穿透相同的情況下， 改變風(fēng)速與出口壓力的權(quán)重， 提高霧滴覆蓋率。

2.5"自動對靶原理與控制

自動對靶控制原理如圖11所示， 通過超聲波傳感器陣列檢測到樹距離。 水平方向上， 通過判斷噴頭到果樹冠層的距離是否在設(shè)定范圍內(nèi)來控制作業(yè)距離， 實現(xiàn)在稀疏果園的株間區(qū)域停止作業(yè)， 在密植果園連續(xù)作業(yè)； 豎直方向上， 通過上下超聲波傳感器的距離值比對， 判斷果樹的冠層結(jié)構(gòu)， 調(diào)節(jié)作業(yè)高度， 實現(xiàn)自動對靶。

8個超聲波傳感器通過I2C總線結(jié)構(gòu)與主控板進(jìn)行通信， 該結(jié)構(gòu)具有自動尋址功能， 能夠?qū)?個超聲波傳感器檢測數(shù)據(jù)分別存儲， 檢測精度為毫米級， 單側(cè)從下到上分別為l₁～l₄與 l₅～l₈。 以單側(cè)為例， 水平方向上取L_H作為水平方向的參考數(shù)據(jù)：

LH=min（l₁， l₂， l₃， l₄）（18）

根據(jù)果園的種植分布， 當(dāng)1 250 mm≤L_H≤2 500 mm時， 噴桿外伸； 當(dāng)80 mm≤L_H＜1 000 mm時， 噴桿內(nèi)縮。 0～80 mm的范圍為檢測盲區(qū)， 此時噴桿保持靜止。 果園的行距為5 m， 因此大于2 500 mm的范圍認(rèn)定為株間空當(dāng)區(qū)域， 此時噴桿回到初始位置。

豎直方向上， 頂端l₄號超聲波傳感器設(shè)計傾角β為45°， 在水平對靶為1.25 m時， 由幾何關(guān)系可得l₁與l₄號超聲波傳感器所測得區(qū)域高度H約2.4 m， 與丘陵山地果園冠層直徑相近， 如圖12所示。 由于噴藥作業(yè)時霧滴會通過重力向下沉積， 因此優(yōu)先考慮冠層上部的噴施， 即當(dāng)l₄號超聲波傳感器檢測到冠層頂部時， 噴霧能覆蓋整個冠層。

豎直方向上取l₄作為豎直調(diào)節(jié)參考依據(jù)， 在最大冠層直徑下， 水平對靶為1.25 m時， l₄計算值為2 121.3 mm， 但由于枝葉的不規(guī)則生長， 設(shè)定范圍為2 300～2 500 mm以防止過度調(diào)節(jié)所產(chǎn)生的振動。

設(shè)計的自動對靶調(diào)節(jié)規(guī)則樣表如表4所示。

通過測試， 該方案水平調(diào)節(jié)誤差為21.85 mm， 誤差率為1.696%， 豎直調(diào)節(jié)誤差為50.31 mm， 誤差率為4.573%， 對靶效果良好， 滿足作業(yè)要求。

3"試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析

為驗證自適應(yīng)噴藥系統(tǒng)在實際柑橘果園噴藥作業(yè)中的效果， 以及冠層信息檢測的準(zhǔn)確度， 于2024年1月25日在四川省廣安市武勝縣福壽家庭農(nóng)莊進(jìn)行田間試驗， 試驗現(xiàn)場如圖13a所示。 整個試驗中平均風(fēng)速、 風(fēng)向、 溫度和空氣濕度分別為0.71 m/s、 東北風(fēng)向、 12 ℃和66%。 水敏試紙布置如圖13b所示， 水敏試紙布置方案為1～5號水敏試紙沿最大冠層處由外向內(nèi)等間距分布， 測量冠層穿透時各點的霧滴覆蓋率； 6～9號水敏試紙周向分布， 與1號水敏試紙一起表征噴藥作業(yè)冠層表面的霧滴覆蓋率水平。

本試驗共進(jìn)行6組， 其中1～3組試驗工況設(shè)定關(guān)系式中的p、 q分別為0.25與1， 4～6組試驗工況設(shè)定的p、 q分別為0.40與1。 試驗通過HP Laserjet M1005 MFP掃描采集到的水敏試紙圖像， 如圖14a所示。 通過重慶六六山下植保科技有限公司研發(fā)的霧滴分析軟件處理得到霧滴覆蓋率數(shù)據(jù)， 如表5所示。 為分析沿冠層半徑方向的霧滴覆蓋率衰減情況， 將試驗數(shù)據(jù)繪制成霧滴覆蓋率趨勢圖（僅對1～5號水敏試紙進(jìn)行對比）， 如圖14b所示。

霧滴覆蓋率是單個水敏試紙測量的指標(biāo)， 而藥液覆蓋率是指噴霧作業(yè)后在作物葉面上覆蓋的面積占總?cè)~片面積的百分比， 通過對試驗獲取的水敏試紙按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級， 進(jìn)而計算試驗的藥液覆蓋率L_C^［34］來表征單棵果樹的整體噴藥效果：

L_C=（C₁×1）+（C₂×2）+（C₃×3）+（C₄×4）N×4×100%（19）

式中： C₁、 C₂、 C₃、 C₄分別為藥液附著面積占葉片面積0～25%、 25%～50%、 50%～75%、 75%～100%的葉片數(shù)量； L_C為藥液覆蓋率； N為葉片總數(shù)。 通過計算， 1～6組試驗的藥液覆蓋率為38.89%， 均大于33%， 滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)^［35］。

每次噴藥結(jié)束后， 測量各冠層被穿透的距離、 程序計算的半徑以及果樹實際冠層半徑， 多次測量取平均值， 所得結(jié)果如圖15所示。

由試驗結(jié)果可知：

1） 在自適應(yīng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)下， 5號水敏試紙均有霧滴覆蓋， 表明自適應(yīng)噴藥能對最大冠層實現(xiàn)完全貫穿。 計算表5中各組數(shù)據(jù)相對標(biāo)準(zhǔn)偏差， 1～3組試驗的表層霧滴覆蓋率的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.02%， 4～6組試驗為3.38%， 表明自適應(yīng)噴藥系統(tǒng)作業(yè)穩(wěn)定， 霧滴均勻性較好。

2） 將6組試驗1～5號水敏試紙測試值進(jìn)行對比， 霧滴覆蓋率隨冠層深度而下降， 如圖14b所示。 1～3組試驗提高了風(fēng)速權(quán)重， 在較低的出口壓力下也能實現(xiàn)冠層的完全穿透， 該方案藥液量較少， 表層與中層霧滴覆蓋率較低， 在風(fēng)速影響下， 衰減速度較低； 4～6組試驗提高了出口壓力權(quán)重， 霧滴的初速度變大， 在低風(fēng)速下也可穿透冠層， 該方案表層與中層霧滴覆蓋率較高， 但內(nèi)層霧滴覆蓋率與1～3組試驗相近， 且低風(fēng)速下霧滴覆蓋率衰減更快， 霧滴的動能損失更快。

3） 通過測量多次試驗的實際冠層大小、 程序計算的冠層半徑以及霧滴穿透距離， 將結(jié)果進(jìn)行對比， 根據(jù)結(jié)果求得冠層檢測最大誤差率為12.379%， 霧滴穿透最大誤差率為5.225%， 總體工作質(zhì)量較好。

5"結(jié)論

1） 所研制的丘陵山地柑橘果園噴藥機(jī)整機(jī)尺寸為2 m×1.2 m×1.8 m， 整機(jī)總動力源為6.5 kW的汽油發(fā)動機(jī)， 藥箱容量為500 L， 最大爬坡角度為25°， 最大行進(jìn)速度為1 m/s， 噴藥單邊幅寬可達(dá)2.5 m， 具有自動對靶與自適應(yīng)噴藥功能， 滿足丘陵山地現(xiàn)代化果園的實際需求， 各項參數(shù)均滿足國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 經(jīng)試驗驗證， 自適應(yīng)噴藥系統(tǒng)噴藥作業(yè)穩(wěn)定性好， 能實現(xiàn)不同工況下完全穿透冠層的噴藥效果， 在高風(fēng)速與高出口壓力工況下噴藥作業(yè)的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為3.02%與3.38%， 噴霧作業(yè)質(zhì)量較好。

2） 通過試驗分析發(fā)現(xiàn)， 自適應(yīng)噴藥系統(tǒng)在不同工況下均能實現(xiàn)柑橘果樹冠層的完全穿透。 在高風(fēng)速低出口壓力工況下， 節(jié)約藥液更多， 更能提高葉片背面霧滴覆蓋率， 但表層與中層的霧滴覆蓋率較低； 在低風(fēng)速高出口壓力工況下， 藥液消耗增加， 霧滴覆蓋率顯著提升， 但葉片背面霧滴覆蓋率降低， 霧滴動能損失快。 實際生產(chǎn)中可根據(jù)作業(yè)要求， 調(diào)節(jié)工況參數(shù)， 進(jìn)行噴霧作業(yè)。

綜上， 本研究研制的丘陵山地柑橘果園自適應(yīng)噴藥系統(tǒng)各項性能良好， 能夠顯著提高果園噴藥質(zhì)量， 降低人力成本， 符合我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、 綠色化、 智能化的發(fā)展理念， 可為現(xiàn)代化果園規(guī)模化、 產(chǎn)業(yè)化、 工廠化作業(yè)提供技術(shù)支撐與理論參考。

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責(zé)任編輯"柳劍