基于双目视觉的葡萄园变量喷雾控制系统设计与试验

　　摘要：为提高果园喷雾装备的精准化并提高农药利用率，该研究基于3WF-400Z型风送式果园喷雾机，设计了一套葡萄园自动变量喷雾控制系统。系统选用双目相机实时探测葡萄叶幕深度并结合喷雾机前进速度计算冠层体积，通过脉宽调制（PulseWidthModulation，PWM）控制各电磁阀占空比实现药液的变量喷洒。提出冠层体积计算方法并在葡萄园中进行体积探测精度试验，相机探测结果与手动测量结果的线性拟合决定系数为0.933。通过试验标定确定流量调控模型，在静态条件下对控制系统的变量喷雾一致性进行测试，试验结果表明，冠层体积大于0.036m3时单喷头实际流量与理论流量的线性拟合决定系数为0.990。田间变量喷雾试验结果表明，与常量喷雾相比，所设计的变量喷雾系统在保证药液覆盖率和沉积量基本不变的情况下，可以在一定程度上细化雾滴直径并增加雾滴密度，其中雾滴的数量中值直径（NumberMedianDiameter，NMD）和体积中值直径（VolumeMedianDiameter，VMD）分别减小了87.71和182.79μm，雾滴密度增加了79.31个/cm2，左、右两侧喷头的实际喷雾流量与理论预测流量的线性拟合决定系数分别为0.897和0.877，表明实际喷雾流量与理论预测流量具有较强的相关性。实际喷雾流量与冠层体积的总体变化趋势基本一致，变量喷雾模式下的用药量节省了约55.27%，表明所设计的变量喷雾控制系统可以根据冠层体积实现变量喷药。该研究可为果园病虫害防治提供新方法与新装备，为实现果园精准变量喷雾提供理论与方法参考。

　　关键词：设计；试验；变量喷雾；冠层体积；双目视觉；深度探测；脉宽调制；葡萄园

　　0引言

　　变量喷雾技术是实现精准喷雾的一个重要方面[1]，该技术根据作物的实际生长需要实现药量的在线调节和变量喷洒，从而达到减药增产、绿色节本和保证食品安全等目的[2-3]。变量喷雾技术被提出以来，相关领域的学者进行了很多有益的探索，这些研究可以分为2类：基于作物处方图的变量喷雾和根据实时传感器检测作物信息的变量喷雾[4-5]。其中前者主要以作业处方图、卫星定位信息以及机具的前进速度为依据实现变量喷洒作业，如Carrara等[6-8]提出的方案均具有一定的可行性，但基于作物处方图的变量喷雾技术大多针对大田作物，对于果园的变量喷雾则主要以实时检测作物信息的传感器技术为主要研究方向。

　　1变量喷雾控制系统设计

　　1.1系统组成

　　3WF-400Z型喷雾机是北京丰茂植保机械有限公司生产的一种背负式风送喷雾机，工作转速540r/min，与22kW以上拖拉机配套使用。该喷雾机通过拖拉机的后动力输出轴为液泵和风机提供动力，未改装前只能进行传统的常量喷雾作业。药箱容量400L，液泵排量102mL/r，共配备10个（左右两侧各5个）D3型圆锥雾化喷头，额定喷雾压力范围0.5～1.0MPa，单个喷头喷雾量1.5～2.4L/min可调，最大喷幅半径可达6m。依据本试验样机改装前在葡萄园中的实际作业情况，仅使用原喷雾机一侧的1～4号喷头及另一侧的7～10号喷头（按顺时针）能更好地适应葡萄园冠层的实际高度，故本研究将原喷雾机顶部的5、6号喷头关闭。改装后整机的总体结构与喷雾系统回路如图1所示。

　　1.2硬件设计

　　如图2所示，变量喷雾控制系统主要由双目相机、光电编码器、触摸屏、笔记本电脑、控制板、继电器、电磁阀、涡轮流量计和压力传感器等组成。本研究在拖拉机前方两侧的铝型材支架上正对葡萄叶幕各垂直安装1台双目相机（小觅智能，S1030-IR-120型标准版、像素间距6.0μm、焦距2.1mm、视场角146°×122°×76°）分别用于探测左右两侧葡萄叶幕的冠层深度，其深度分辨率为752×480(像素)，深度探测范围为0.8～5m。该相机具备标准的USB3.0接口，通过编写程序可以通过深度矩阵形式输出探测目标区域内所有有效探测像素点处的深度值(若未成功探测到某像素点处的深度值，程序自动将其认定为无效探测点并以“invalid”字符串形式返回填充至深度矩阵中的对应像素点处)。使用笔记本电脑作为运行2台双目相机的上位机支持平台，并在笔记本电脑上编写了用于处理深度数据的上位机程序。在紧邻每个喷头的管道上游各安装1个电磁阀（HOPE72型、常闭、12VDC、工作压力0～1.0MPa），用于根据由控制器提供的多路独立可调PWM信号实时调控各喷头流量，流量大小具体取决于冠层体积。在喷雾机的后方单独安装地轮并使用光电编码器（E6B2-CWZ3E型、5～12VDC、1024脉冲数/转）测量地轮转速，从而间接获得喷雾机组的前进速度。在喷雾机的主回路中安装1个压力传感器（CYT-102型、量程0～1.0MPa、输出1～5VDC、精度±0.5%F.S）检测喷雾压力；在两侧的回路支路上各安装1个涡轮流量计（LWGB-DN6型、量程0.1～0.6m3/h、输出1～5VDC、精度±1.0%F.S），分别用于检测喷雾机一侧的1～4号喷头及另一侧的7～10号喷头的总流量。使用触摸屏（广州大彩串口屏DC80480F070_6111_OC）实现人机交互。

　　2冠层体积计算

　　通过测量获得进行田间试验的葡萄园种植行距为3m，最大叶幕高度为1.92m。根据相机成像规律和该葡萄园的实际情况，确定双目相机距喷雾机中心轴线的距离e为0.1m，距地面的安装高度为0.96m（冠层高度方向上的中心位置），此时相机的成像视野高度亦为1.92m。对于其他不同种植行距和叶幕生长情况的葡萄园，可以通过输入行距和调整相机安装位置，使双目相机的成像视野在最大限度保留探测精度的同时适应葡萄园的实际冠层高度。本文仅以试验葡萄园的实际情况为例，对冠层体积计算方法进行阐述。

　　3变量喷雾调控决策

　　PWM通过控制电磁阀启、闭时间的占空比调节喷头实际流量[30]，综合考虑喷雾均匀性和实际调试中电磁阀的响应效果，确定电磁阀的PWM控制频率为5Hz。魏新华等[23]发现当占空比较低时，随着喷雾压力的增大，会促使电磁阀的响应效果变差从而导致喷施效果畸变严重。本文结合原喷雾机的额定喷雾压力范围（0.5～1.0MPa），在喷雾压力为0.5MPa条件下进行占空比与喷头喷雾流量标定试验，采用单因素线性拟合法建立占空比与喷头喷雾流量的对应关系模型，拟合结果如图7所示。

　　4静态性能测试试验

　　4.1冠层体积探测精度测试

　　由于室外的光照环境会对双目相机的探测精度产生较大影响，且通过实际测试发现，在不同深度探测范围内双目相机的冠层深度探测误差也随之不同。结合葡萄冠层的实际深度和相机的安装位置，本研究的冠层探测深度在900～1400mm之间。为使冠层深度探测结果可以较好地反映冠层的实际深度，在葡萄园中对双目相机进行标定。具体的标定方法为：随机选取叶片分布均匀、叶幕轮廓平整的葡萄冠层作为标定样本，将双目相机正对冠层并固定在距葡萄藤干1400mm、距地面960mm处，使用卷尺测量标定样本轮廓表面与相机成像平面之间的垂直距离，并与双目相机探测到的冠层深度进行比较。选取不同的标定样本进行多次标定和统计分析后，最终确定冠层深度补偿值为150mm。在葡萄园中进行体积探测精度试验，试验当天平均气温20℃，照度100lux。如图8所示，随机选取3处宽度为1m的葡萄冠层作为样本点，然后从样本中心开始向两侧将叶幕分为0.25、0.5、0.75和1m宽度。运行上位机程序，分别获取4个宽度下叶幕从上至下每一单元喷雾目标区域的冠层厚度，并通过公式（3）计算出各喷雾单元的冠层体积。最后，通过对每个喷雾单元的体积求和获得每个样本宽度下的冠层体积。

　　4.2静态变量一致性测试

　　由于控制系统及硬件的综合响应能力可能会使各喷头的实际喷雾量与目标喷雾量存在一定差异，参考沈景新等[32]方法，本研究在田间试验之前首先进行静态条件下实际喷雾量与目标喷雾量的一致性测试试验。试验的具体实施方法为：用纯净水代替药液,忽略喷头间的差异，选定1号喷头为测试喷头。参考魏新华等[23]方法进行喷雾响应测试。除1号喷头外其他喷头的模拟冠层厚度均设置为550mm（对应占空比为100%，即电磁阀全程打开）。在下位机变量喷雾程序中设定喷雾机的工作速度为1m/s，在上位机程序中设置好模拟冠层厚度0、50、100、150、200、250、300、350、400、450和500mm，并依次发送给下位机。下位机根据冠层厚度和工作速度计算出冠层体积和每一设定体积下的占空比，并进行变量喷雾。在每个冠层厚度下，用清洁干燥的自封袋收集1号喷头喷出的雾滴，连续收集30s，然后用精度为±0.01g的电子天平称量收集到的雾滴质量，并换算为1号喷头的喷雾流量。

　　5田间试验

　　5.1试验方法

　　试验地点：农业大学涿州试验基地；试验时间：2020年9月15日；试验时环境温度15℃，平均空气流速0.6m/s，照度100lux。试验对象为篱架型葡萄，行距为3m，最大叶幕高度及叶幕厚度分别为1920和500mm。主要试验设备包括504型时风风云拖拉机（山东时风集团有限责任公司）、双目视觉葡萄园变量喷雾机样机、水敏纸（35mm×55mm）。

　　5.2结果与分析

　　如图12所示，使用六六山下雾滴分析软件对常量喷雾和变量喷雾2次试验后的水敏纸进行分析[26]，2种喷雾模式下的雾化参数如表1所示。根据相关标准要求[33-35]，风送式果园喷雾机械防治叶面病虫害时的雾滴直径应在30～150μm以内，雾滴密度应不小于25个/cm2，覆盖率应不小于33%。同类研究中，李龙龙等[15]研究的变量喷雾机在苹果园不同冠层上的平均沉积量为1.65μL/cm2，平均雾滴密度为60个/cm2。表1表明，在满足评定标准的前提下，加装变量喷雾系统后，试验样机虽然在药液覆盖率及沉积量方面略有降低，但是总体上与未改装前仍保持着较好的一致性，且雾滴密度增加至113.22个/cm2（增加了79.31个/cm2），雾滴密度与沉积量均优于李龙龙等[15]的研究结果。本研究提出的方法还可以在一定程度上细化雾滴直径，其中雾滴的数量中值直径（NumberMedianDiameter，NMD）和体积中值直径（VolumeMedianDiameter，VMD）分别减小了87.71和182.79μm。结合试验现场观察到的喷雾效果，分析其原因可能是由于常量模式下的喷药量超过实际需求，导致雾化后的液滴在到达冠层叶片表面后重新凝聚造成雾滴尺寸偏大；而变量模式因不会产生过量喷洒，从而可以改善药液的雾滴尺寸和空间分布。

　　6结论

　　1）本研究在3WF-400Z果园风送式喷雾机的基础上，设计了一套由双目相机、电磁阀、触摸屏、光电编码器和上下位机控制程序为主要组成部分的葡萄园变量喷雾控制系统。系统利用双目相机探测葡萄叶幕深度，结合喷雾机前进速度计算冠层体积，通过PWM实时调控多路电磁阀的占空比，实现了基于葡萄冠层体积的变量喷雾。

　　2）确定了双目相机的探测深度补偿值为150mm；当探测距离为1400mm时，对葡萄冠层进行了体积探测试验并与手动测量结果进行了线性拟合，其决定系数为0.933，说明所提出的基于双目相机探测冠层体积的计算方法具有较好的准确性；在静态条件下对控制系统的变量喷雾一致性进行了测试，当冠层体积大于0.036m3时单喷头实际流量与理论流量的线性拟合决定系数为0.990。

　　3）田间试验结果表明，加装变量喷雾系统后的试验样机在保证药液覆盖率和沉积量基本不变的情况下，可以在一定程度上细化雾滴直径并增加雾滴密度，其中雾滴的数量中值直径和体积中值直径分别减小了87.71和182.79μm，雾滴密度增加了79.31个/cm2；喷雾机样机左、右两侧喷头的理论预测流量与实际喷雾流量的线性拟合决定系数分别为0.897和0.877，且实际喷雾流量与冠层体积的总体变化趋势基本一致，表明变量喷雾模式可以更好地适应作物冠层的实际几何特征。相对于常量喷雾，变量喷雾模式节省了约55.27%的农药用量。

　　[参考文献]

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　　闫成功，徐丽明※，袁全春，马帅，牛丛，赵诗建

《基于双目视觉的葡萄园变量喷雾控制系统设计与试验》

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