果园变量施药系统设计

姜业元，曹佃龙，高 磊，赵 静

（山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东 淄博 255000）

果园种植在我国农业中占据重要的地位，据相关统计数据，截止到2020年，中国的果园种植面积稳定在2亿亩左右，占耕地的12%。果园种植常年需要施药，这对施药机械作业水平要求较高，但是我国应用于果园施药的装备相对落后，很多地区仍然使用低端喷雾机械。当前，我国广泛采取的施药手段是均匀喷施农药，无法实现变量施药的目标。果园变量施药的宗旨不仅是为了提高果树产量，更是为了根据果树需求进行针对性的农药投入，减少药物浪费，提高药物利用率；同时，降低农药残留量，减少因农药过度使用带来的环境问题，提高果实品质。基于上述问题，笔者研究设计了果园变量施药系统。

1 果园变量施药系统结构设计

果园变量施药系统包括果园监测车和搭载喷药机的果园施药车两部分。前车为监测车，后车为施药车，前车将处理好的信息发给施药车，施药车跟随监测车并分析输入的信息进行变量施药。

1.1 果园监测车设计

果园监测车的底盘主要是由行驶系统、车体机构、传感检测装置、控制系统和太阳能电池组等部分组成。同时，监测车特别搭载了四轴机械臂和多光谱相机，对果树叶片信息进行精准采集，并将信号传送给施药车使喷药机进行变量施药；四轴机械臂有7个自由度，使多光谱相机能够以最佳拍摄角度对每一棵果树进行光谱信息的采集。另外，监测车搭载的风向标、风速传感器以及双目相机能对周围环境进行探测，完成自主行走和避障，并监测周围环境。果园环境监测车的机械结构模型如图1所示。

图1 果园环境监测车

1.2 果园变量施药车设计

果园变量施药车的底盘组成和监测车相似，特点是搭载了16个组合药箱和有上压风场的喷药系统。喷药系统由风机、喷嘴和一对对称配置的喷药展臂等主要部件组成，风机可以提供较高风压，通过输送管均匀分配给每一个喷嘴，保证喷药效果和喷药的稳定性。果园变量施药车的机械结构模型如图2所示。

图2 果园变量施药车

两台小车的共同特点如下：小车底盘借鉴了美国MobileRobots公司的Trimble小车底盘，采用四轮驱动和差速转向，通过调节每个电动机的占空比即可使小车按照需要的方向进行转向；为更好地适应果园的地理环境，采用高花低压轮胎；利用双目相机、GPS以及地面基站共同协调工作，使小车能够在果园顺畅地实现精准定位；通过SLAM实时构建地图，使小车能够避障。

果园变量施药系统的驱动部分主要包括无刷电动机、行星减速器、锥齿传动总成、高花低压车轮等[1]。无刷电动机的输出经减速增扭后驱动高花车轮转动。其中，无刷电动机额定转速n=2 800 r/min，额定功率P=0.5 kW，额定扭矩T=1.7 N·m。行星减速器的速比i行=6，锥齿传动总成用以改变动力输出方向，其速比i锥=5.4。

2 小车性能分析

2.1 计算车速和动力扭矩

假设电动机在额定功率下工作，测得高花车轮直径d=0.494 m，则高花车轮周长C=πd≈1.55 m。减速后车轮转速n减=n/(i行×i锥)=2 880/(6×5.4)=88.89 r/min。经查机械手册得：实心橡胶水田轮与果林间的滚动摩擦系数δ=2.2 mm～2.8 mm，附着系数φ=0.4～0.5，一级行星齿轮减速器的传动效率η行=0.98，锥齿传动总成的传动效率η锥=0.94～0.98，为保证驱动效果，这里取δ=2.8 mm，φ=0.4，η锥=0.94。

所以车速V=n减·C/60×3.6≈8.27 km/h，由于电动机可无极变速，且该速度在调节范围内，速度适中。同时，电动机使用的直流伺服电机型号为LXL-II80.160，额定功率为2.5 kW，额定转矩为10 N·m，电动机的尺寸为230 mm×130 mm×63 mm。总传动效率η总=η行×η锥=0.98×0.94≈0.92。减速增扭后的扭矩T=4T×i行×i锥×η总=4×1.7×6×5.4×0.92≈202.69 N·m。小车单个车轮牵引力

2.2 计算果园小车最大滚动摩擦阻力偶矩Mmax和高花车轮与泥土附着力Pφ

忽略空气阻力对喷药机的影响，可知T＞Mmax，Ft＞Pφ，满足小车正常行驶时力学条件。

在充分考虑到果园小车的抗侧翻性以及电源、驱动电动机的大小与装配位置等因素后，设计小车驱动轮的轮间距为690 mm。小车的轮系结构为四轮，均为驱动轮[2]。考虑到小车车体主要用于支撑货物和所有附属设备，车体需要具备一定的强度和刚度，材料使用Q235普通碳素结构钢。设计的小车整体机械结构的质量为50 kg，小车能够承受的最大负载不超过60 kg。

表1 小车系统机械设计参数

通过计算，小车满载（负载为60 kg）时最大爬坡角应满足Ft≥f+Mgcosθ，代入Ft=302.3×4=1 209.2 N，f=φN满=0.4×（50+60）×9.8=431.2 N，M=110 kg，可以求得cosθ=0.722，即θ=43°46"。

同时在设计时，小车的最大接近角和最大离去角为65°，均大于黏土（含水量高的土壤）的自然倾斜角50°（数据来源于百度百科）。通过以上分析，该小车能够直接进入绝大部分的果园，满足不同地区的果园生产需求。

该底盘使用于本项目中的监测车和施药车，由于施药车需要承载较重的药箱，因此，将原有的太阳能电池板拆下而将该地方用于承载药箱，同时使用两个24 V铅蓄电池进行供电。并且施药车搭载一台大功率风机，以产生上压风场，使药液能够喷洒到叶片上，同时抵消一部分自然风的影响。

3 控制系统

监测车会根据本项目的GNSS和陀螺仪对一个区域内的果树进行精准的巡逻，并采用多光谱相机对每一棵果树进行拍照检查，将获取的信息返回TX2端；TX2芯片自动分析，将分析获得的数据直接发送给喷药车，根据传送的坐标信息自动定位到受灾害的果树下，通过流量传感器，控制器进行喷药工作；如果小车遭受到损害，会中断命令、自动报警并返回到初始位置，如图3所示。

图3 监测车控制路线

GPS和陀螺仪航向角实时测量如下：

对于自动行驶，考虑到低成本、低功耗、小型化等问题，本项目采用姿态算法，确保施药车能够精准到达指定位置。最初的设计只使用GPS，没考虑GPS在动态环境中可靠性差等问题。该系统以TX2为核心处理器，将GPS接收机中IPPS脉冲信号作为同步标签，实现GPS航向角解算的实时修正，从而获得精度和可靠性的航向角信息。但是经过实际测量，精确度不太高。

为更好地满足车辆自动驾驶时航向角测量的精度要求，后改进采用GNSS，运用GPS和陀螺仪，采用姿态算法，本项目选择运用卡尔曼滤波算法，把实时动态-全球导航卫星系统（RTK-GNSS）测量出来的经纬度和高程经过高斯投影转换为高斯平面坐标，和微电子机械系统（MEMS）陀螺仪测得的累积航向角进行融合处理，最终得到车辆更为精准的航向角。融合后的航向角度曲线既保持了GNSS航向的整体变化趋势，也保持了陀螺仪航向的细部变化趋势，且较GNSS和陀螺仪所得曲线更为平滑，可以跟踪车辆180°调头的转弯动作。并且卡尔曼滤波算法可以实时、精准地测得车辆航向角数据，使精确度大大提高，为变量施药提供了保证。

4 病虫害检测

当监测车到达一棵果树下后，通过机械臂调整多光谱相机使其到达最佳拍摄角度，然后多光谱相机开始采集光谱信息并实时发给TX2端，对波段统计特征、植被指数特征以及Tamura纹理特征进行提取，使用Python完成害虫检测算法，并且安装一些常用Python库。当植物受到病虫侵害的时候，农作物因缺乏营养和水分而生长不良，海绵组织受到破坏，叶子的色素比例也会发生变化，使得可见光区的两个吸收谷不明显，0.55μm处的反射峰值随着植物叶子被损害程度的增高而降低。近红外处的变化更为明显，峰值变低甚至消失，整个反射光谱曲线波状特征不明显。利用这些特性使用相应的函数对图像进行检测分析，并且输出结果。最后连接树莓派，通过串口将信息传送给施药车。与此同时，本项目可以在植保机上搭载可见光数码相机和多光谱数码相机两套传感器，分别来提供普通数字遥感图和光谱影像，之后再经过数据融合，获取高精度的监测数据。它的特点是机动性好、时效性强、空间分辨率高、数据量大，受大气辐射影响小，是传统卫星遥感所无法比拟的。另外，对植被长势进行监测的同时还可对叶面积指数、叶片氮含量、氮积累量等进行监测。

光谱分析图如图4所示。由于当植物受害时，其光谱信息与健康的植物有所不同。本项目通过对果树不同病虫害的光谱信息样本采集，对波段统计特征、植被指数特征以及Tamura纹理特征进行提取，通过Python完成害虫检测算法，通过神经网络算法进行训练，从而能够模糊推断出植物当前的受灾情况，并给出相应的施药方案。

图4 光谱分析图

5 施药车工作分析

当施药车接收到相关信息后，通过树莓派进行分析，然后到达施药点，通过流量控制器和流量传感器将药液通过液压泵从药箱中抽出，通过单口喷嘴对果树进行喷药，施药车后部风机开启，将强风沿着单口喷嘴吹出，形成上压风场，以便将药液喷洒到果树叶片下表面。同时，流量传感器安装在喷头管上，用于实时测量喷药流量；通过流量控制器，对植保机喷药流量进行控制。控制系统设计合理，结构简单，可使植保机在喷药作业过程中达到均匀喷洒的效果，使用方法简单。其一般作业幅宽1.2 m，喷药流量调节范围2.2 L/min～10.8 L/min。

6 关键技术

1）监测车和施药车均采用我国自主研制的全球定位系统。优点：监测车采用GNSS和地面基站，能够在果园进行精准定位，同时通过SLAM实时构建三维地图，针对不同地形匹配速度，能够让监测车采取最佳路线通过障碍物。

2）监测车和施药车均采用四轮驱动，差速转向[3]。优点：牵引力大，转弯半径小，操控简单[4]。可根据行驶路面状态的不同而将发动机输出扭矩按不同比例分布在前后所有的轮子上，以提高作业车的行驶能力，增强对不同困难路段的应对能力。

3）施药车搭载高速风机。优点：单口喷嘴在喷药时，易受到自然风和药液自重的影响，导致无法保证其施药范围。因此，在施药时通过风机在单口喷嘴处产生上压风场，使药液能尽可能地喷洒到叶片的下表面以达到最佳药效。同时，通过雾化器改善雾滴的雾化均匀性，使喷出的药液均匀地附着在作物的表面，有效减少重喷和漏喷的现象[5]。

4）采用可见光数码相机对果园环境进行采集。优点：能够采集必要的光照信息，与多光谱相机采集的信息进行综合比对，以消除果园内丁达尔效应对多光谱相机可能造成的影响。同时，对航拍检测进行信息补充，自下而上对果树进行检测，通过对每棵果树进行光谱分析实现果树的精细化管理。

5）采用四轮差速转向。优点：该系统通过四轮差速进行转向，其转弯半径小，甚至可以原地掉头，因此灵活性高，能更好地适应果园中的特殊环境。通过编码器采集当前车轮转速，当需要转向时，TX2通过计算并调节每个电动机的占空比来控制车轮的转速，从而达到转向的目的。

6）与无人机进行无缝配合使用。优点：无人机进行施药时，药液大部分都停留在了叶片的上表面，而下表面的药液微乎其微。因此，可以配合使用该系统，对无人机施药后的区域进行叶片下表面的施药，以达到最大的病虫害防治效果。

7 结语

本研究介绍了果园变量施药系统的设计，可以有效提高药物的利用率，降低农药残留量，减少因农药过度使用带来的环境问题，提高果实品质。所设计的系统结构简单、清晰，稳定性强，能够较好地适应果园特殊的工作环境。与此同时，其制作成本与运行成本都较低，能够很好地应用于国内大小型果园，有利于在我国果园种植中普及和推广。