摘要：為提高果園噴霧裝備的精準化并提高農藥利用率，該研究基于3WF-400Z型風送式果園噴霧機，設計了一套葡萄園自動變量噴霧控制系統。系統選用雙目相機實時探測葡萄葉幕深度并結合噴霧機前進速度計算冠層體積，通過脈寬調制（PulseWidthModulation，PWM）控制各電磁閥占空比實現藥液的變量噴灑。提出冠層體積計算方法并在葡萄園中進行體積探測精度試驗，相機探測結果與手動測量結果的線性擬合決定系數為0.933。通過試驗標定確定流量調控模型，在靜態條件下對控制系統的變量噴霧一致性進行測試，試驗結果表明，冠層體積大于0.036m3時單噴頭實際流量與理論流量的線性擬合決定系數為0.990。田間變量噴霧試驗結果表明，與常量噴霧相比，所設計的變量噴霧系統在保證藥液覆蓋率和沉積量基本不變的情況下，可以在一定程度上細化霧滴直徑并增加霧滴密度，其中霧滴的數量中值直徑（NumberMedianDiameter，NMD）和體積中值直徑（VolumeMedianDiameter，VMD）分別減小了87.71和182.79μm，霧滴密度增加了79.31個/cm2，左、右兩側噴頭的實際噴霧流量與理論預測流量的線性擬合決定系數分別為0.897和0.877，表明實際噴霧流量與理論預測流量具有較強的相關性。實際噴霧流量與冠層體積的總體變化趨勢基本一致，變量噴霧模式下的用藥量節省了約55.27%，表明所設計的變量噴霧控制系統可以根據冠層體積實現變量噴藥。該研究可為果園病蟲害防治提供新方法與新裝備，為實現果園精準變量噴霧提供理論與方法參考。

　　關鍵詞：設計；試驗；變量噴霧；冠層體積；雙目視覺；深度探測；脈寬調制；葡萄園

　　0引言

　　變量噴霧技術是實現精準噴霧的一個重要方面[1]，該技術根據作物的實際生長需要實現藥量的在線調節和變量噴灑，從而達到減藥增產、綠色節本和保證食品安全等目的[2-3]。變量噴霧技術被提出以來，相關領域的學者進行了很多有益的探索，這些研究可以分為2類：基于作物處方圖的變量噴霧和根據實時傳感器檢測作物信息的變量噴霧[4-5]。其中前者主要以作業處方圖、衛星定位信息以及機具的前進速度為依據實現變量噴灑作業，如Carrara等[6-8]提出的方案均具有一定的可行性，但基于作物處方圖的變量噴霧技術大多針對大田作物，對于果園的變量噴霧則主要以實時檢測作物信息的傳感器技術為主要研究方向。

　　1變量噴霧控制系統設計

　　1.1系統組成

　　3WF-400Z型噴霧機是北京豐茂植保機械有限公司生產的一種背負式風送噴霧機，工作轉速540r/min，與22kW以上拖拉機配套使用。該噴霧機通過拖拉機的后動力輸出軸為液泵和風機提供動力，未改裝前只能進行傳統的常量噴霧作業。藥箱容量400L，液泵排量102mL/r，共配備10個（左右兩側各5個）D3型圓錐霧化噴頭，額定噴霧壓力范圍0.5～1.0MPa，單個噴頭噴霧量1.5～2.4L/min可調，最大噴幅半徑可達6m。依據本試驗樣機改裝前在葡萄園中的實際作業情況，僅使用原噴霧機一側的1～4號噴頭及另一側的7～10號噴頭（按順時針）能更好地適應葡萄園冠層的實際高度，故本研究將原噴霧機頂部的5、6號噴頭關閉。改裝后整機的總體結構與噴霧系統回路如圖1所示。

　　1.2硬件設計

　　如圖2所示，變量噴霧控制系統主要由雙目相機、光電編碼器、觸摸屏、筆記本電腦、控制板、繼電器、電磁閥、渦輪流量計和壓力傳感器等組成。本研究在拖拉機前方兩側的鋁型材支架上正對葡萄葉幕各垂直安裝1臺雙目相機（小覓智能，S1030-IR-120型標準版、像素間距6.0μm、焦距2.1mm、視場角146°×122°×76°）分別用于探測左右兩側葡萄葉幕的冠層深度，其深度分辨率為752×480(像素)，深度探測范圍為0.8～5m。該相機具備標準的USB3.0接口，通過編寫程序可以通過深度矩陣形式輸出探測目標區域內所有有效探測像素點處的深度值(若未成功探測到某像素點處的深度值，程序自動將其認定為無效探測點并以“invalid”字符串形式返回填充至深度矩陣中的對應像素點處)。使用筆記本電腦作為運行2臺雙目相機的上位機支持平臺，并在筆記本電腦上編寫了用于處理深度數據的上位機程序。在緊鄰每個噴頭的管道上游各安裝1個電磁閥（HOPE72型、常閉、12VDC、工作壓力0～1.0MPa），用于根據由控制器提供的多路獨立可調PWM信號實時調控各噴頭流量，流量大小具體取決于冠層體積。在噴霧機的后方單獨安裝地輪并使用光電編碼器（E6B2-CWZ3E型、5～12VDC、1024脈沖數/轉）測量地輪轉速，從而間接獲得噴霧機組的前進速度。在噴霧機的主回路中安裝1個壓力傳感器（CYT-102型、量程0～1.0MPa、輸出1～5VDC、精度±0.5%F.S）檢測噴霧壓力；在兩側的回路支路上各安裝1個渦輪流量計（LWGB-DN6型、量程0.1～0.6m3/h、輸出1～5VDC、精度±1.0%F.S），分別用于檢測噴霧機一側的1～4號噴頭及另一側的7～10號噴頭的總流量。使用觸摸屏（廣州大彩串口屏DC80480F070_6111_OC）實現人機交互。

　　2冠層體積計算

　　通過測量獲得進行田間試驗的葡萄園種植行距為3m，最大葉幕高度為1.92m。根據相機成像規律和該葡萄園的實際情況，確定雙目相機距噴霧機中心軸線的距離e為0.1m，距地面的安裝高度為0.96m（冠層高度方向上的中心位置），此時相機的成像視野高度亦為1.92m。對于其他不同種植行距和葉幕生長情況的葡萄園，可以通過輸入行距和調整相機安裝位置，使雙目相機的成像視野在最大限度保留探測精度的同時適應葡萄園的實際冠層高度。本文僅以試驗葡萄園的實際情況為例，對冠層體積計算方法進行闡述。

　　3變量噴霧調控決策

　　PWM通過控制電磁閥啟、閉時間的占空比調節噴頭實際流量[30]，綜合考慮噴霧均勻性和實際調試中電磁閥的響應效果，確定電磁閥的PWM控制頻率為5Hz。魏新華等[23]發現當占空比較低時，隨著噴霧壓力的增大，會促使電磁閥的響應效果變差從而導致噴施效果畸變嚴重。本文結合原噴霧機的額定噴霧壓力范圍（0.5～1.0MPa），在噴霧壓力為0.5MPa條件下進行占空比與噴頭噴霧流量標定試驗，采用單因素線性擬合法建立占空比與噴頭噴霧流量的對應關系模型，擬合結果如圖7所示。

　　4靜態性能測試試驗

　　4.1冠層體積探測精度測試

　　由于室外的光照環境會對雙目相機的探測精度產生較大影響，且通過實際測試發現，在不同深度探測范圍內雙目相機的冠層深度探測誤差也隨之不同。結合葡萄冠層的實際深度和相機的安裝位置，本研究的冠層探測深度在900～1400mm之間。為使冠層深度探測結果可以較好地反映冠層的實際深度，在葡萄園中對雙目相機進行標定。具體的標定方法為：隨機選取葉片分布均勻、葉幕輪廓平整的葡萄冠層作為標定樣本，將雙目相機正對冠層并固定在距葡萄藤干1400mm、距地面960mm處，使用卷尺測量標定樣本輪廓表面與相機成像平面之間的垂直距離，并與雙目相機探測到的冠層深度進行比較。選取不同的標定樣本進行多次標定和統計分析后，最終確定冠層深度補償值為150mm。在葡萄園中進行體積探測精度試驗，試驗當天平均氣溫20℃，照度100lux。如圖8所示，隨機選取3處寬度為1m的葡萄冠層作為樣本點，然后從樣本中心開始向兩側將葉幕分為0.25、0.5、0.75和1m寬度。運行上位機程序，分別獲取4個寬度下葉幕從上至下每一單元噴霧目標區域的冠層厚度，并通過公式（3）計算出各噴霧單元的冠層體積。最后，通過對每個噴霧單元的體積求和獲得每個樣本寬度下的冠層體積。

　　4.2靜態變量一致性測試

　　由于控制系統及硬件的綜合響應能力可能會使各噴頭的實際噴霧量與目標噴霧量存在一定差異，參考沈景新等[32]方法，本研究在田間試驗之前首先進行靜態條件下實際噴霧量與目標噴霧量的一致性測試試驗。試驗的具體實施方法為：用純凈水代替藥液,忽略噴頭間的差異，選定1號噴頭為測試噴頭。參考魏新華等[23]方法進行噴霧響應測試。除1號噴頭外其他噴頭的模擬冠層厚度均設置為550mm（對應占空比為100%，即電磁閥全程打開）。在下位機變量噴霧程序中設定噴霧機的工作速度為1m/s，在上位機程序中設置好模擬冠層厚度0、50、100、150、200、250、300、350、400、450和500mm，并依次發送給下位機。下位機根據冠層厚度和工作速度計算出冠層體積和每一設定體積下的占空比，并進行變量噴霧。在每個冠層厚度下，用清潔干燥的自封袋收集1號噴頭噴出的霧滴，連續收集30s，然后用精度為±0.01g的電子天平稱量收集到的霧滴質量，并換算為1號噴頭的噴霧流量。

　　5田間試驗

　　5.1試驗方法

　　試驗地點：農業大學涿州試驗基地；試驗時間：2020年9月15日；試驗時環境溫度15℃，平均空氣流速0.6m/s，照度100lux。試驗對象為籬架型葡萄，行距為3m，最大葉幕高度及葉幕厚度分別為1920和500mm。主要試驗設備包括504型時風風云拖拉機（山東時風集團有限責任公司）、雙目視覺葡萄園變量噴霧機樣機、水敏紙（35mm×55mm）。

　　5.2結果與分析

　　如圖12所示，使用六六山下霧滴分析軟件對常量噴霧和變量噴霧2次試驗后的水敏紙進行分析[26]，2種噴霧模式下的霧化參數如表1所示。根據相關標準要求[33-35]，風送式果園噴霧機械防治葉面病蟲害時的霧滴直徑應在30～150μm以內，霧滴密度應不小于25個/cm2，覆蓋率應不小于33%。同類研究中，李龍龍等[15]研究的變量噴霧機在蘋果園不同冠層上的平均沉積量為1.65μL/cm2，平均霧滴密度為60個/cm2。表1表明，在滿足評定標準的前提下，加裝變量噴霧系統后，試驗樣機雖然在藥液覆蓋率及沉積量方面略有降低，但是總體上與未改裝前仍保持著較好的一致性，且霧滴密度增加至113.22個/cm2（增加了79.31個/cm2），霧滴密度與沉積量均優于李龍龍等[15]的研究結果。本研究提出的方法還可以在一定程度上細化霧滴直徑，其中霧滴的數量中值直徑（NumberMedianDiameter，NMD）和體積中值直徑（VolumeMedianDiameter，VMD）分別減小了87.71和182.79μm。結合試驗現場觀察到的噴霧效果，分析其原因可能是由于常量模式下的噴藥量超過實際需求，導致霧化后的液滴在到達冠層葉片表面后重新凝聚造成霧滴尺寸偏大；而變量模式因不會產生過量噴灑，從而可以改善藥液的霧滴尺寸和空間分布。

　　6結論

　　1）本研究在3WF-400Z果園風送式噴霧機的基礎上，設計了一套由雙目相機、電磁閥、觸摸屏、光電編碼器和上下位機控制程序為主要組成部分的葡萄園變量噴霧控制系統。系統利用雙目相機探測葡萄葉幕深度，結合噴霧機前進速度計算冠層體積，通過PWM實時調控多路電磁閥的占空比，實現了基于葡萄冠層體積的變量噴霧。

　　2）確定了雙目相機的探測深度補償值為150mm；當探測距離為1400mm時，對葡萄冠層進行了體積探測試驗并與手動測量結果進行了線性擬合，其決定系數為0.933，說明所提出的基于雙目相機探測冠層體積的計算方法具有較好的準確性；在靜態條件下對控制系統的變量噴霧一致性進行了測試，當冠層體積大于0.036m3時單噴頭實際流量與理論流量的線性擬合決定系數為0.990。

　　3）田間試驗結果表明，加裝變量噴霧系統后的試驗樣機在保證藥液覆蓋率和沉積量基本不變的情況下，可以在一定程度上細化霧滴直徑并增加霧滴密度，其中霧滴的數量中值直徑和體積中值直徑分別減小了87.71和182.79μm，霧滴密度增加了79.31個/cm2；噴霧機樣機左、右兩側噴頭的理論預測流量與實際噴霧流量的線性擬合決定系數分別為0.897和0.877，且實際噴霧流量與冠層體積的總體變化趨勢基本一致，表明變量噴霧模式可以更好地適應作物冠層的實際幾何特征。相對于常量噴霧，變量噴霧模式節省了約55.27%的農藥用量。

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　　閆成功，徐麗明※，袁全春，馬帥，牛叢，趙詩建