基于雙目視覺的葡萄園變量噴霧控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

　　摘要：為提高果園噴霧裝備的精準(zhǔn)化并提高農(nóng)藥利用率，該研究基于3WF-400Z型風(fēng)送式果園噴霧機(jī)，設(shè)計(jì)了一套葡萄園自動變量噴霧控制系統(tǒng)。系統(tǒng)選用雙目相機(jī)實(shí)時探測葡萄葉幕深度并結(jié)合噴霧機(jī)前進(jìn)速度計(jì)算冠層體積，通過脈寬調(diào)制（PulseWidthModulation，PWM）控制各電磁閥占空比實(shí)現(xiàn)藥液的變量噴灑。提出冠層體積計(jì)算方法并在葡萄園中進(jìn)行體積探測精度試驗(yàn)，相機(jī)探測結(jié)果與手動測量結(jié)果的線性擬合決定系數(shù)為0.933。通過試驗(yàn)標(biāo)定確定流量調(diào)控模型，在靜態(tài)條件下對控制系統(tǒng)的變量噴霧一致性進(jìn)行測試，試驗(yàn)結(jié)果表明，冠層體積大于0.036m3時單噴頭實(shí)際流量與理論流量的線性擬合決定系數(shù)為0.990。田間變量噴霧試驗(yàn)結(jié)果表明，與常量噴霧相比，所設(shè)計(jì)的變量噴霧系統(tǒng)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(xì)化霧滴直徑并增加霧滴密度，其中霧滴的數(shù)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(cè)噴頭的實(shí)際噴霧流量與理論預(yù)測流量的線性擬合決定系數(shù)分別為0.897和0.877，表明實(shí)際噴霧流量與理論預(yù)測流量具有較強(qiáng)的相關(guān)性。實(shí)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(jié)省了約55.27%，表明所設(shè)計(jì)的變量噴霧控制系統(tǒng)可以根據(jù)冠層體積實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)果園精準(zhǔn)變量噴霧提供理論與方法參考。

　　關(guān)鍵詞：設(shè)計(jì)；試驗(yàn)；變量噴霧；冠層體積；雙目視覺；深度探測；脈寬調(diào)制；葡萄園

　　0引言

　　變量噴霧技術(shù)是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)噴霧的一個重要方面[1]，該技術(shù)根據(jù)作物的實(shí)際生長需要實(shí)現(xiàn)藥量的在線調(diào)節(jié)和變量噴灑，從而達(dá)到減藥增產(chǎn)、綠色節(jié)本和保證食品安全等目的[2-3]。變量噴霧技術(shù)被提出以來，相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者進(jìn)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(jù)實(shí)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(yè)處方圖、衛(wèi)星定位信息以及機(jī)具的前進(jìn)速度為依據(jù)實(shí)現(xiàn)變量噴灑作業(yè)，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(shù)大多針對大田作物，對于果園的變量噴霧則主要以實(shí)時檢測作物信息的傳感器技術(shù)為主要研究方向。

　　1變量噴霧控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1.1系統(tǒng)組成

　　3WF-400Z型噴霧機(jī)是北京豐茂植保機(jī)械有限公司生產(chǎn)的一種背負(fù)式風(fēng)送噴霧機(jī)，工作轉(zhuǎn)速540r/min，與22kW以上拖拉機(jī)配套使用。該噴霧機(jī)通過拖拉機(jī)的后動力輸出軸為液泵和風(fēng)機(jī)提供動力，未改裝前只能進(jìn)行傳統(tǒng)的常量噴霧作業(yè)。藥箱容量400L，液泵排量102mL/r，共配備10個（左右兩側(cè)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(diào)，最大噴幅半徑可達(dá)6m。依據(jù)本試驗(yàn)樣機(jī)改裝前在葡萄園中的實(shí)際作業(yè)情況，僅使用原噴霧機(jī)一側(cè)的1～4號噴頭及另一側(cè)的7～10號噴頭（按順時針）能更好地適應(yīng)葡萄園冠層的實(shí)際高度，故本研究將原噴霧機(jī)頂部的5、6號噴頭關(guān)閉。改裝后整機(jī)的總體結(jié)構(gòu)與噴霧系統(tǒng)回路如圖1所示。

　　1.2硬件設(shè)計(jì)

　　如圖2所示，變量噴霧控制系統(tǒng)主要由雙目相機(jī)、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(jì)和壓力傳感器等組成。本研究在拖拉機(jī)前方兩側(cè)的鋁型材支架上正對葡萄葉幕各垂直安裝1臺雙目相機(jī)（小覓智能，S1030-IR-120型標(biāo)準(zhǔn)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(cè)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(jī)具備標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)區(qū)域內(nèi)所有有效探測像素點(diǎn)處的深度值(若未成功探測到某像素點(diǎn)處的深度值，程序自動將其認(rèn)定為無效探測點(diǎn)并以“invalid”字符串形式返回填充至深度矩陣中的對應(yīng)像素點(diǎn)處)。使用筆記本電腦作為運(yùn)行2臺雙目相機(jī)的上位機(jī)支持平臺，并在筆記本電腦上編寫了用于處理深度數(shù)據(jù)的上位機(jī)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(jù)由控制器提供的多路獨(dú)立可調(diào)PWM信號實(shí)時調(diào)控各噴頭流量，流量大小具體取決于冠層體積。在噴霧機(jī)的后方單獨(dú)安裝地輪并使用光電編碼器（E6B2-CWZ3E型、5～12VDC、1024脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)）測量地輪轉(zhuǎn)速，從而間接獲得噴霧機(jī)組的前進(jìn)速度。在噴霧機(jī)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(cè)的回路支路上各安裝1個渦輪流量計(jì)（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(jī)一側(cè)的1～4號噴頭及另一側(cè)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(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

　　2冠層體積計(jì)算

　　通過測量獲得進(jìn)行田間試驗(yàn)的葡萄園種植行距為3m，最大葉幕高度為1.92m。根據(jù)相機(jī)成像規(guī)律和該葡萄園的實(shí)際情況，確定雙目相機(jī)距噴霧機(jī)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(jī)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(diào)整相機(jī)安裝位置，使雙目相機(jī)的成像視野在最大限度保留探測精度的同時適應(yīng)葡萄園的實(shí)際冠層高度。本文僅以試驗(yàn)葡萄園的實(shí)際情況為例，對冠層體積計(jì)算方法進(jìn)行闡述。

　　3變量噴霧調(diào)控決策

　　PWM通過控制電磁閥啟、閉時間的占空比調(diào)節(jié)噴頭實(shí)際流量[30]，綜合考慮噴霧均勻性和實(shí)際調(diào)試中電磁閥的響應(yīng)效果，確定電磁閥的PWM控制頻率為5Hz。魏新華等[23]發(fā)現(xiàn)當(dāng)占空比較低時，隨著噴霧壓力的增大，會促使電磁閥的響應(yīng)效果變差從而導(dǎo)致噴施效果畸變嚴(yán)重。本文結(jié)合原噴霧機(jī)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(jìn)行占空比與噴頭噴霧流量標(biāo)定試驗(yàn)，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(yīng)關(guān)系模型，擬合結(jié)果如圖7所示。

　　4靜態(tài)性能測試試驗(yàn)

　　4.1冠層體積探測精度測試

　　由于室外的光照環(huán)境會對雙目相機(jī)的探測精度產(chǎn)生較大影響，且通過實(shí)際測試發(fā)現(xiàn)，在不同深度探測范圍內(nèi)雙目相機(jī)的冠層深度探測誤差也隨之不同。結(jié)合葡萄冠層的實(shí)際深度和相機(jī)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(jié)果可以較好地反映冠層的實(shí)際深度，在葡萄園中對雙目相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。具體的標(biāo)定方法為：隨機(jī)選取葉片分布均勻、葉幕輪廓平整的葡萄冠層作為標(biāo)定樣本，將雙目相機(jī)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(biāo)定樣本輪廓表面與相機(jī)成像平面之間的垂直距離，并與雙目相機(jī)探測到的冠層深度進(jìn)行比較。選取不同的標(biāo)定樣本進(jìn)行多次標(biāo)定和統(tǒng)計(jì)分析后，最終確定冠層深度補(bǔ)償值為150mm。在葡萄園中進(jìn)行體積探測精度試驗(yàn)，試驗(yàn)當(dāng)天平均氣溫20℃，照度100lux。如圖8所示，隨機(jī)選取3處寬度為1m的葡萄冠層作為樣本點(diǎn)，然后從樣本中心開始向兩側(cè)將葉幕分為0.25、0.5、0.75和1m寬度。運(yùn)行上位機(jī)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(biāo)區(qū)域的冠層厚度，并通過公式（3）計(jì)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(tài)變量一致性測試

　　由于控制系統(tǒng)及硬件的綜合響應(yīng)能力可能會使各噴頭的實(shí)際噴霧量與目標(biāo)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(yàn)之前首先進(jìn)行靜態(tài)條件下實(shí)際噴霧量與目標(biāo)噴霧量的一致性測試試驗(yàn)。試驗(yàn)的具體實(shí)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(jìn)行噴霧響應(yīng)測試。除1號噴頭外其他噴頭的模擬冠層厚度均設(shè)置為550mm（對應(yīng)占空比為100%，即電磁閥全程打開）。在下位機(jī)變量噴霧程序中設(shè)定噴霧機(jī)的工作速度為1m/s，在上位機(jī)程序中設(shè)置好模擬冠層厚度0、50、100、150、200、250、300、350、400、450和500mm，并依次發(fā)送給下位機(jī)。下位機(jī)根據(jù)冠層厚度和工作速度計(jì)算出冠層體積和每一設(shè)定體積下的占空比，并進(jìn)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(xù)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(zhì)量，并換算為1號噴頭的噴霧流量。

　　5田間試驗(yàn)

　　5.1試驗(yàn)方法

　　試驗(yàn)地點(diǎn)：農(nóng)業(yè)大學(xué)涿州試驗(yàn)基地；試驗(yàn)時間：2020年9月15日；試驗(yàn)時環(huán)境溫度15℃，平均空氣流速0.6m/s，照度100lux。試驗(yàn)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(yàn)設(shè)備包括504型時風(fēng)風(fēng)云拖拉機(jī)（山東時風(fēng)集團(tuán)有限責(zé)任公司）、雙目視覺葡萄園變量噴霧機(jī)樣機(jī)、水敏紙（35mm×55mm）。

　　5.2結(jié)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(yàn)后的水敏紙進(jìn)行分析[26]，2種噴霧模式下的霧化參數(shù)如表1所示。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[33-35]，風(fēng)送式果園噴霧機(jī)械防治葉面病蟲害時的霧滴直徑應(yīng)在30～150μm以內(nèi)，霧滴密度應(yīng)不小于25個/cm2，覆蓋率應(yīng)不小于33%。同類研究中，李龍龍等[15]研究的變量噴霧機(jī)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(biāo)準(zhǔn)的前提下，加裝變量噴霧系統(tǒng)后，試驗(yàn)樣機(jī)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(yōu)于李龍龍等[15]的研究結(jié)果。本研究提出的方法還可以在一定程度上細(xì)化霧滴直徑，其中霧滴的數(shù)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(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)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(shí)際需求，導(dǎo)致霧化后的液滴在到達(dá)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(chǎn)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(jié)論

　　1）本研究在3WF-400Z果園風(fēng)送式噴霧機(jī)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套由雙目相機(jī)、電磁閥、觸摸屏、光電編碼器和上下位機(jī)控制程序?yàn)橹饕M成部分的葡萄園變量噴霧控制系統(tǒng)。系統(tǒng)利用雙目相機(jī)探測葡萄葉幕深度，結(jié)合噴霧機(jī)前進(jìn)速度計(jì)算冠層體積，通過PWM實(shí)時調(diào)控多路電磁閥的占空比，實(shí)現(xiàn)了基于葡萄冠層體積的變量噴霧。

　　2）確定了雙目相機(jī)的探測深度補(bǔ)償值為150mm；當(dāng)探測距離為1400mm時，對葡萄冠層進(jìn)行了體積探測試驗(yàn)并與手動測量結(jié)果進(jìn)行了線性擬合，其決定系數(shù)為0.933，說明所提出的基于雙目相機(jī)探測冠層體積的計(jì)算方法具有較好的準(zhǔn)確性；在靜態(tài)條件下對控制系統(tǒng)的變量噴霧一致性進(jìn)行了測試，當(dāng)冠層體積大于0.036m3時單噴頭實(shí)際流量與理論流量的線性擬合決定系數(shù)為0.990。

　　3）田間試驗(yàn)結(jié)果表明，加裝變量噴霧系統(tǒng)后的試驗(yàn)樣機(jī)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(xì)化霧滴直徑并增加霧滴密度，其中霧滴的數(shù)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(jī)樣機(jī)左、右兩側(cè)噴頭的理論預(yù)測流量與實(shí)際噴霧流量的線性擬合決定系數(shù)分別為0.897和0.877，且實(shí)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(yīng)作物冠層的實(shí)際幾何特征。相對于常量噴霧，變量噴霧模式節(jié)省了約55.27%的農(nóng)藥用量。

　　[參考文獻(xiàn)]

　　[1]牛叢，徐麗明，馬帥，等.變量噴藥技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2018，56(12)：1-4.NiuCong,XuLiming,MaShuai,etal.Applicationanddevelopmentofvariablespraytechnology[J].AgriculturalEquipment&VehicleEngineering,2018,56(12):1-4.(inChinesewithEnglishabstract)

　　[2]GuanYG,ChenDX,HeKT,etal.Reviewonresearchandapplicationofvariableratesprayinagriculture[C]//10thIEEEConferenceonIndustrialElectronicsandApplications,2015.IEEE.

　　[3]FingerR,SwintonSM,ElBenniN,etal.Precisionfarmingatthenexusofagriculturalproductionandtheenvironment[J].AnnualReviewofResourceEconomics,2019,11(1):313-335.

　　[4]王萬章，洪添勝，李捷，等.果樹農(nóng)藥精確噴霧技術(shù)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2004，20(6)：98-101.WangWanzhang,HongTiansheng,LiJie,etal.Researchprogressonprecisioncontrolmethodsofair-assistedsprayinginorchards[J].TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE),2004,20(6):98-101.(inChinesewithEnglishabstract)

　　閆成功，徐麗明※，袁全春，馬帥，牛叢，趙詩建

《基于雙目視覺的葡萄園變量噴霧控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)》

上一篇：自動控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的使用

下一篇：基于特征選擇和GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多源遙感農(nóng)田土壤水分反演