趙浣旻 李亞芹 李志博 劉兆光 蒲巖巖 邱新偉

摘要：自精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)開展以來，精準(zhǔn)噴藥作為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)之一，是一直以來研究的重要問題。為進(jìn)一步研究精準(zhǔn)噴藥，提出基于雙路控制的分區(qū)寬度變量噴藥方法，并搭建農(nóng)藥精準(zhǔn)噴灑試驗臺，對比例電磁閥控制下噴頭的有效噴幅進(jìn)行測量試驗。試驗發(fā)現(xiàn)，在PWM占空比大于60%時有效噴幅與理論值噴幅誤差小于20%，具有可參考性。試驗時，根據(jù)有效噴幅對噴藥處方圖的分區(qū)寬度進(jìn)行選擇，以0.5 m、0.75 m、1 m作為試驗參數(shù)。根據(jù)選擇的參數(shù)設(shè)計以噴霧高度、移動速度、分區(qū)寬度為因素的正交試驗，得到回歸方程，并通過殘差分析檢驗?zāi)Ｐ偷恼_性。試驗得到參數(shù)優(yōu)化區(qū)域為：噴霧高度1.5 m、行進(jìn)速度0～0.5 m/s、分區(qū)寬度0.7～0.9 m。田間試驗發(fā)現(xiàn)，采取優(yōu)化的分區(qū)寬度進(jìn)行噴藥比常規(guī)噴藥方式節(jié)省23%的藥量，同時有效覆蓋率可達(dá)90.7%。

關(guān)鍵詞：精準(zhǔn)噴藥；雙路控制；優(yōu)化試驗；處方圖

中圖分類號：S2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-5553 （2024） 06-0113-06

收稿日期：2022年12月5日

修回日期：2023年4月14日

*基金項目：黑龍江省教育廳基本科研業(yè)務(wù)費基礎(chǔ)研究項目（2020—KYYWF—0264）

第一作者：趙浣旻，男，1996年生，天津人，碩士研究生；研究方向為智能農(nóng)業(yè)裝備。E-mail： 3031402865@qq.com

通訊作者：李亞芹，女，1978年生，黑龍江佳木斯人，博士，教授；研究方向為智能農(nóng)業(yè)裝備。E-mail： 104006239@qq.com

Experimental on optimization of field precision spray prescription based on dual-way control

Zhao Huanmin¹， Li Yaqin¹， Li Zhibo²， Liu Zhaoguang¹， Pu Yanyan¹， Qiu Xinwei¹

（1. Jiamusi University， Jiamusi， 154007， China; 2. Heilongjiang Provincial Research Institute of Agricultural Mechanical Engineering， Harbin， 150081， China）

Abstract： Since the development of precision agriculture technology， precision spraying， as one of the key technologies of precision agriculture， has been an important issue studied. In order to further study precision spraying， the partition width variable spraying method based on double way control was proposed， and the pesticide precision spraying test bench was set up to measure and test the effective nozzle under the proportional solenoid valve control. The test found that the error between the effective spray amplitude and theoretical value was less than 20%， when the PWM duty ratio was greater than 60%， which had reference value. During the test， the partition width of the spray prescription map was selected according to the effective spray amplitude， and 0.5m，0.75m and 1m were used as the test parameters. Orthogonal tests with spray height， travel speed， and partition width were designed from the selected parameters， and regression equations were obtained， and the correctness of the model was tested by residual analysis. The spray height was 1.5m， travel speed 0-0.5m/s and partition width 0.7-0.9m. Field experiments showed that spraying with optimized zone width saved 23% of the dosage compared with conventional spraying， while the effective coverage could reach 90.7%.

Keywords： precision spraying; dual-route control; optimization test; prescription diagram

0 引言

在農(nóng)田噴藥的過程中，精準(zhǔn)噴藥一直是人們研究的主要問題。傳統(tǒng)的噴藥方式占用大量的人力物力，同時還會導(dǎo)致農(nóng)藥污染環(huán)境^[1]。隨著科技的進(jìn)步，無人機(jī)噴藥出現(xiàn)并逐步應(yīng)用于大田噴藥的場景中。與傳統(tǒng)機(jī)器相比，無人機(jī)具有成本低、效率高、機(jī)動性強(qiáng)等優(yōu)點^[2]，可以將勞動力成本降低一半^{[3， 4]}。與其他噴藥方式相比，無人機(jī)在面對障礙物時具有更好的操作性^[5]。無人機(jī)能提供高效、廣泛、便捷的作業(yè)，為快速高效殺滅病蟲害提供了更好的平臺^[6]。但無人機(jī)噴藥也存在一定的問題，無人機(jī)進(jìn)行作業(yè)時往往使用等量噴藥的方式，大部分參數(shù)都由無人機(jī)自有的參數(shù)決定，不能做到按需處理，對病蟲害的預(yù)防效率大大降低^[7]。大霧量、雨淋式的噴藥方式，已遠(yuǎn)不能適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和新農(nóng)村建設(shè)的要求^[8]。

閆春雨等^[9]通過對圖像進(jìn)行二值化、柵格化、重采樣等處理后，將圖像中的作物信息轉(zhuǎn)換成噴藥量，最終生成噴藥處方圖。尹東富等^[10]利用機(jī)器視覺技術(shù)獲得雜草質(zhì)心坐標(biāo)及面積大小，經(jīng)軟件處理后生成除草劑噴施處方圖。彭孝東等^[１１]提出了基于幅寬微變的航線歸整法路徑規(guī)劃方案?，F(xiàn)階段對無人機(jī)噴藥的研究多為作業(yè)方法和路徑規(guī)劃，但對于能夠用于植保無人機(jī)精準(zhǔn)作業(yè)的農(nóng)田處方圖卻鮮有研究^[12]，導(dǎo)致無人機(jī)作業(yè)過程中多為定值藥量進(jìn)行噴灑或根據(jù)無人機(jī)搭載噴頭的噴灑寬度進(jìn)行簡單的區(qū)域劃分。以上兩種對目標(biāo)地塊的劃分方式在噴藥過程中沒有做到精準(zhǔn)，在面對農(nóng)田復(fù)雜的藥量需求時，會造成藥量不足和藥量過多兩種情況出現(xiàn)。本研究對現(xiàn)有的農(nóng)田劃分方式進(jìn)行改進(jìn)，提出基于雙路控制的精細(xì)劃分方式，對農(nóng)田以更小區(qū)域單元進(jìn)行作業(yè)。以無人機(jī)作業(yè)最小噴幅即單個噴頭的噴幅為基礎(chǔ)對目標(biāo)地塊進(jìn)行區(qū)域劃分，通過雙路控制實現(xiàn)對農(nóng)田的精準(zhǔn)噴藥。

1 變量噴藥控制試驗臺

圖1為變量噴藥控制試驗臺。試驗臺供液系統(tǒng)由液體容器、水泵、流體輸送管、流量計組成。運(yùn)動系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動器、調(diào)速器組成。試驗時采用立方形量杯、杯架、水敏紙和試紙夾組成的噴霧樣品臺，對霧滴的分布進(jìn)行測量。由PWM電磁比例調(diào)節(jié)電磁閥及其驅(qū)動電路組成的噴霧變量控制模塊。由ATmega328為核心的電機(jī)驅(qū)動模塊，使用傳動帶和滑輪等組成傳動系統(tǒng)控制試驗臺移動，模擬無人機(jī)在噴藥過程中的動作、軌跡。

1.1 電磁閥比例調(diào)節(jié)閥

選用德國生產(chǎn)的電磁比例調(diào)節(jié)閥6023型。這是一種直接作用、雙向、常閉電磁閥，具體參數(shù)如表1所示。當(dāng)斷電時，電磁比例閥會關(guān)閉。在供電時，根據(jù)控制電路輸出的PWM電信號的不同占空比對閥門開度進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)和控制。為將噴嘴尖端與閥門緊密連接，采用一側(cè)為3/8NPT外螺紋、另一側(cè)為M18×1.5外螺紋的接頭。使閥門直接連接到噴嘴上，減小噴藥過程的誤差。

1.2 PWM信號控制電路

PWM指令信號經(jīng)比例放大器進(jìn)行功率放大，并按比例輸出電流給比例閥的比例電磁鐵，比例電磁鐵輸出力并按比例移動閥芯的位置，即可按比例控制液流的流量^{[13， 14]}。采用AT89C52單片機(jī)作為控制模塊輸出PWM信號，使用定時器T0控制頻率，定時器T1控制占空比。通過P1.1和P1.2兩個引腳接入控制信息，進(jìn)而控制占空比的增減。因為在AT89C52中沒有專門輸出PWM信號的引腳，因而使用任意輸出引腳作為PWM信號的輸出引腳，這里選擇P2.2作為輸出引腳。PWM控制電路如圖2所示。當(dāng)按下開關(guān)K₁時，占空比增加；當(dāng)按下開關(guān)K₂時，占空比減少。占空比控制調(diào)整的變化量由程序進(jìn)行控制，在試驗過程中設(shè)定為5%。通過調(diào)節(jié)占空比控制電磁比例閥的開度，調(diào)節(jié)噴霧量。

1.3 電機(jī)驅(qū)動電路

通過A4988微驅(qū)動器驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。在VMOT、GND引腳之間連接8～35 V電壓，同時并聯(lián)100μＦ的去耦電容器在瞬時電壓下保護(hù)驅(qū)動板。1A、1B、2A、2B引腳連接步進(jìn)電機(jī)的兩組線圈。將STEP與DIR引腳與ATmega328的P3、P4引腳相連，用于控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與方向。

2 試驗條件與方法

2.1 試驗條件

電磁比例閥的驅(qū)動信號是占空比可在10%～100%之間連續(xù)可調(diào)的方波信號。通過對占空比的調(diào)節(jié)，可以得到不同的噴霧條件。由3個步進(jìn)電機(jī)控制噴頭在平面內(nèi)移動。通過旋鈕對步進(jìn)電機(jī)的方向、轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，可以模擬不同路徑的無人機(jī)行進(jìn)條件。噴頭工作壓力為0.3 MPa。

2.2 試驗方法

由步進(jìn)電機(jī)控制噴頭所在平臺的移動速度用于模擬無人機(jī)在作業(yè)過程中的移動，通過平臺的升降控制噴頭高度用于模擬無人機(jī)在作業(yè)過程中與作物之間的高度變化，通過PWM信號占空比的變化，控制噴藥量以及噴霧角度。

使用方形量杯與水敏紙進(jìn)行藥量信息采集。至少一個量杯被裝滿時，記錄每個量杯中的量，每次測試重復(fù)三次，取平均值。使用水敏紙進(jìn)行液滴覆蓋范圍數(shù)據(jù)采集，通過對水敏紙上的液滴占比計算，當(dāng)占比小于50%時視為噴藥有效覆蓋面的邊緣。試驗過程中通過控制行進(jìn)速度、噴頭高度和PWM信號占空比得到噴霧量和覆蓋范圍數(shù)據(jù)。其中行進(jìn)速度分為三檔，噴霧高度分為三檔，PWM信號占空比自50%～90%分為五檔。

3 試驗過程與結(jié)果

3.1 PWM占空比優(yōu)化試驗

在試驗過程中對噴頭的高度變量控制，設(shè)置1.2 m、1.4 m、1.6 m三種高度。通過重復(fù)試驗，對在不同占空比的PWM波控制下的噴藥寬度進(jìn)行測量。試驗結(jié)果如表2所示。

通過Design-Expert軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如表3所示。在信度為0.05下采用F檢驗，噴霧高度和PWM占空比對有效噴幅影響顯著。對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到曲面方程式（1）。擬合曲面如圖3所示。

Z=-0.48+0.04A-1.49D-4.04A²+0.02AD+0.25D²（1）

式中： A——噴霧高度，m；

D——PWM信號占空比，%。

以噴頭的理論噴幅為基礎(chǔ)進(jìn)行預(yù)測，實際噴幅的預(yù)期值在1 m左右。曲面在PWM占空比在50%～65%時，傾斜角度較大，實際噴幅的變化較大。在占空比為50%時，實際覆蓋寬度僅為0.5 m，但在占空比為60%時實際覆蓋寬度達(dá)到0.8 m，目標(biāo)噴幅的誤差小于20%，可以滿足設(shè)計的最低要求。在占空比為65%～90%時，實際覆蓋寬度的變化較小，且滿足設(shè)計要求。根據(jù)實際情況下噴藥覆蓋率的要求，并結(jié)合擬合曲面發(fā)現(xiàn)，當(dāng)噴霧高度為1.4m、1.6m，PWM信號占空比大于60%時，有效噴幅較好。

3.2 分區(qū)寬度優(yōu)化試驗

通過ArcMap軟件生成隨機(jī)的地塊信息用于進(jìn)行覆蓋效果試驗，如圖4所示。

采用了不同的分區(qū)寬度進(jìn)行試驗，同時對噴頭的高度和移動速度進(jìn)行控制。在試驗臺下方根據(jù)分區(qū)信息放置水敏紙，通過對水敏紙上的液滴分布情況計算霧滴的覆蓋率。通過流量計對區(qū)域內(nèi)藥量進(jìn)行統(tǒng)計。根據(jù)變量設(shè)計了三因素旋轉(zhuǎn)正交試驗，A為噴霧高度因素、B為移動速度因素、C為分區(qū)寬度。在該模擬地塊進(jìn)行三次試驗，取均值作為最終結(jié)果，具體數(shù)據(jù)如表4所示。

通常這類試驗以噴霧流量或霧滴沉積密度作為指標(biāo)，但該方法忽略了對目標(biāo)的有效覆蓋面積。通過參考醫(yī)學(xué)上不同種類動物之間藥物劑量轉(zhuǎn)換因子的計算方式^[15]，試驗中設(shè)計了噴藥量與覆蓋面積的比值作為試驗指標(biāo)。試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩者的比值在4～6時，噴藥效果較好。使用Design-Expert軟件數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如表5所示。

以地塊一的試驗結(jié)果為例，對回歸方程中各項回歸系數(shù)在信度0.05下采用F檢驗，將不顯著項去除。發(fā)現(xiàn)交互作用AB、AC對指標(biāo)影響不顯著，剔除后得到覆蓋率簡化回歸方程式（2）。

R=3.046+0.631A－1.745B+1.332C－0.767BC+0.693A²+0.460C²+0.471B²（2）

圖5為殘差的正態(tài)概率分布圖，可以看出，殘差值靠近直線，說明回歸模型擬合較好；圖6為殘差與方程預(yù)測值的對應(yīng)關(guān)系，可以看出，分布特征不隨預(yù)測值的增加而發(fā)生改變，說明著數(shù)據(jù)方差齊性、獨立性條件符合。

通過回歸方程可得到響應(yīng)曲面如圖7所示。

由圖7（a）可知，在噴霧高度不變時，隨著移動速度的增加，噴藥量與覆蓋面積的比值呈現(xiàn)下降趨勢；在移動速度一定時，噴藥量與覆蓋面積的比值隨著噴霧高度呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。由圖7（b）可知，在噴霧高度不變時，噴藥量與覆蓋面積的比值隨著分區(qū)寬度的增加呈現(xiàn)增加趨勢；在分區(qū)寬度不變時，噴藥量與覆蓋面積的比值隨著高度增加呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。由圖7（c）可知，在移動速度不變時，噴藥量與覆蓋面積的比值隨著分區(qū)寬度增加呈現(xiàn)上升的趨勢；在分區(qū)寬度不變時，噴藥量與覆蓋面積的比值隨著移動速度增加呈現(xiàn)上升趨勢。以各因素水平區(qū)間為約束條件，對參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。參數(shù)優(yōu)化的最優(yōu)結(jié)果為：噴霧高度1.5 m、移動速度0.4～0.5 m/s、分區(qū)寬度0.75～0.9 m。

4 田間試驗

2022年6月23—30日在樺川縣江川農(nóng)場15隊17號地，進(jìn)行了精準(zhǔn)劃分變量噴藥試驗，目標(biāo)地塊如圖9所示。試驗時設(shè)定噴霧高度1.5 m、移動速度0.5 m/s、分區(qū)寬度0.9 m。對目標(biāo)農(nóng)田進(jìn)行區(qū)域劃分，以1 m×1 m區(qū)域為一個操作單元，共劃分24個單元。

對24個單元進(jìn)行添加處方值，并通過Loaspace Viewer軟件進(jìn)行定位獲取目標(biāo)農(nóng)田地理位置信息，將經(jīng)度和緯度輸入Microsoft Excel中^[16]。最終將地塊區(qū)域的地圖、坐標(biāo)信息和處方值導(dǎo)入ArcMap軟件中生成處方圖，如圖9所示。處方圖主要包含三層信息，第一層是柵格信息，根據(jù)無人機(jī)的有效噴霧幅度和飛行速度而大小相等的矩形柵格；第二層是處方值信息層，根據(jù)專家決策獲得的網(wǎng)格劑量；第三級是地理信息層，主要是柵格行、列的經(jīng)緯度信息。根據(jù)處方圖進(jìn)行噴藥試驗，通過流量計采集藥量信息，通過水敏紙采集藥液的覆蓋率信息。使用選擇的參數(shù)進(jìn)行噴藥試驗，通過Design-Expert軟件預(yù)測值為6.37 mL/m²、預(yù)計噴藥量為133 mL、預(yù)計覆蓋率為87.25%。試驗實際值為5.65 mL/m²、實際噴藥量為123 mL、實際覆蓋率為90.7%。通過對實驗室環(huán)境與實地作業(yè)環(huán)境對比分析發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)試驗并不能完全模擬在實際作業(yè)過程中的作業(yè)環(huán)境。室內(nèi)試驗時并沒有考慮作物的葉片遮擋和環(huán)境中的橫向風(fēng)等影響因素，導(dǎo)致預(yù)測值與實際值存在誤差。預(yù)測值與實際值之間的誤差為12.7%，驗證試驗結(jié)果在優(yōu)化性能指標(biāo)區(qū)間，表明優(yōu)化結(jié)果是可信的。

使用常規(guī)噴藥方式^[17-19]再進(jìn)行噴藥試驗，得到噴藥量為160 mL、覆蓋率為90.7%、噴藥量與覆蓋面積的比值為7.35 mL/m²。優(yōu)化參數(shù)噴藥試驗對比常規(guī)噴藥參數(shù)試驗結(jié)果相差30%，通過分析發(fā)現(xiàn)優(yōu)化噴藥方式的噴藥量與常規(guī)噴藥方式覆蓋率相同，但節(jié)省了23%的噴藥量。

5 結(jié)論

為更精準(zhǔn)噴藥，提出基于雙路控制的農(nóng)田精準(zhǔn)噴藥區(qū)域劃分方法，并進(jìn)行以噴霧高度、移動速度和分區(qū)寬度為三因素、以農(nóng)田噴藥量和覆蓋率為目標(biāo)的正交試驗。同時進(jìn)行優(yōu)化區(qū)域的農(nóng)田田間試驗，試驗時采用雙路控制的精準(zhǔn)噴藥方法，并將該方法與常規(guī)噴藥方法進(jìn)行對比。

1） 在PWM信號占空比小于50%時，噴頭的噴霧實際覆蓋寬度與理論寬度誤差大于38%，實際噴藥量與理論值誤差大于27%，無法滿足噴藥需求。因而，使用PWM對電磁比例閥進(jìn)行控制時，應(yīng)選擇占空比大于60%的PWM波。

2） 以噴霧高度、移動速度與分區(qū)寬度為影響因素，實施雙路控制的精準(zhǔn)噴藥試驗。試驗結(jié)果表明，各因素對噴藥效果影響主次順序為行進(jìn)速度、分區(qū)寬度、噴霧高度。最優(yōu)的工作參數(shù)組合為：噴霧高度1.5 m、移動速度0.4～0.5 m/s、分區(qū)寬度0.75～0.9 m。通過回歸方程得到的預(yù)測值與實際值相差12.7%，驗證數(shù)學(xué)模型的可用性。

3） 進(jìn)行優(yōu)化區(qū)域參數(shù)的雙路控制精準(zhǔn)噴藥田間試驗。試驗發(fā)現(xiàn)，采用優(yōu)化的分區(qū)方式噴藥比常規(guī)噴藥方式可節(jié)省23%的藥量。采用優(yōu)化的參數(shù)進(jìn)行分區(qū)噴藥不僅減少單位噴藥量，同時噴藥精準(zhǔn)度明顯提升，在降低生產(chǎn)成本的同時也減少對農(nóng)田及周邊土壤的污染，對精準(zhǔn)噴藥具有一定的指導(dǎo)意義，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

參 考 文 獻(xiàn)

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