基于机器视觉和北斗定位的小麦变量喷雾系统研究

杨文超 何 进 周靖凯 李洪文 王庆杰 卢彩云

(1.中国农业大学工学院， 北京 100083； 2.农业农村部保护性耕作农业装备重点实验室， 北京 100083)

0 引言

植保作业作为农业生产中的一个重要环节，也是确保丰产丰收的主要措施之一[1]。随着农业机械化技术的发展与进步以及植保机械的推广与运用[2]，其作业可有效提高工作效率，避免人工喷药对身体带来的副作用，同时作业所施用的化学农药可使农产品损失减少45%[3]。

由于作业环境、作物品种以及喷雾目的和方式不同，植保机械的作业方式和手段也不尽相同。目前变量喷雾系统研究主要包括变量喷雾探测技术和变量喷雾流量控制技术。变量喷雾探测技术目前主要有美国Patchen公司[4]研制的Weedseeker喷药系统，主要通过光学传感器对非作物行检测有无杂草存在，该系统对行间非作物区域喷洒除草剂节省农药喷施量60%～80%；OEBEL等[5]设计了基于处方图的变量喷药作业控制系统，系统使用高精度GPS定位设备，通过施药装置的实时位置与处方图相匹配，通过计算输出控制信号来控制喷药量。在变量喷雾流量控制技术方面CASE公司[6]设计的自走式变量喷药机采用脉冲调控高速电磁阀来实现喷头流量的调控，该方法提高了喷雾雾滴的均匀性。小麦在生长前期的植保主要为了预防病虫害，由于土壤肥力、墒情不同，导致同一田块不同区域小麦的生长密度存在差异，普通喷雾方式容易造成药液浪费和环境污染等问题[7]。近年来随着农业现代化的发展，变量喷雾技术也取得了一定的研究成果，对于小麦的变量喷雾则研究较少。

本文基于视觉传感器的变量喷雾探测技术实时分析田间小麦植株密度，通过变量喷雾流量控制技术对生长前期的小麦实现变量喷雾。同时使用北斗定位系统对目标喷雾区域做出规划，以期较好地实现在指定区域内对不同植株密度的小麦实现变量控制喷雾。

1 变量喷雾系统总体设计

1.1 结构与系统设计

本文变量喷雾系统主要通过对目标区域内小麦植株密度进行识别，实行植株正常区域正常喷、植株稀疏区域少喷、无植株区域不喷以及对非目标区域不喷。基于以上设计要求，提出一种基于机器视觉和北斗定位系统的变量喷雾系统。其总体结构如图1所示，主要由定位传感器、视觉传感器、高度传感器、喷杆、喷头+电磁阀的变量喷头和供药系统等组成[8]。

图1 变量喷雾系统结构示意图Fig.1 Schematic of variable spray system structure1.喷雾执行机构 2.高度传感器 3.视觉传感器 4.定位传感器 5.中央处理器 6.供药系统

变量喷雾系统功能框图如图2所示。系统主要由检测装置、中央处理器模块和执行机构组成。检测装置包括：视觉传感器(威鑫视界SY002HD型摄像头)、定位传感器(AD300型GNSS-RTK定位系统，山东北斗华宸导航技术有限公司)、高度传感器(MyAntenna L4型激光传感器)；中央处理器模块包括Raspberry pi 4B(操作系统Raspbian)；执行机构包括：电磁阀(Zwqd/浙文2L030-08 06型)、喷头和水系统。相关装置具体参数如表1所示。

表1 技术参数Tab.1 Technical parameters

图2 系统功能框图Fig.2 System function block diagram

载具采用自走式喷杆喷雾机，其为横喷杆，可折叠，喷杆离地的高度可以通过液压式调节机构控制[9]。自走式喷杆喷雾车的喷杆为前置式自走式喷杆喷雾机。如图3所示，为了使得变量喷雾探测机构系统的视觉传感器可以实时探测田间情况，将相机固定于整个变量喷雾系统的最前端即喷杆正上方，且摄像头会随着喷杆的变化而变化，为了获取喷杆前方的图像数据，使得摄像头与水平面呈一定的角度，相机俯仰角约25°。为了使得相机能够尽可能多看到喷头，摄像头距离喷杆底部的高度H2约100 cm。在此高度下，每个摄像头观测到3个喷头，两个摄像头之间的间距L1约130 cm。定位天线放置于车辆中心的正前方，且位于喷杆的后方，天线安装架高度H1约170 cm，天线安装位置与车前壁距离L2约25 cm。激光传感器安装于喷杆中心位置，用来测量喷杆高度H3。

图3 变量喷雾探测机构Fig.3 Diagrams of variable spray detection mechanism1.红外激光传感器 2.相机固定架 3.定位天线 4.定位天线固定架 5.喷杆 6.相机

中央处理器模块是变量喷雾系统的核心部件之一，该模块对喷药系统的位置信息、航向信息、速度信息、图像信息进行处理，并判断喷雾流量，根据流量和PWM信号占空比的关系[7]，输出占空比信号，调节电磁阀开口时间，从而控制喷雾量。处理器主要用来同时接收定位模块和视觉传感器的图像信息，经过处理后根据喷药量与PWM信号占空比的关系，输出控制信号，从而控制执行机构的动作[10]。

执行机构由供水系统和变量执行机构组成。供水系统由水泵、调压阀、压力传感器和供水箱组成，负责对执行机构提供压力以及水流。变量执行机构由喷杆、喷头和电磁阀组成，负责接收获取的信号，从而改变喷头流量。变量喷雾变流量执行机构原理如图4所示。根据常规喷雾标准，大田喷杆喷雾机械通常采用110°锥形喷头，喷头间距约50 cm，由于对喷雾效果不做特殊要求，所以喷杆和喷头与常用的喷雾器一致。

图4 喷雾执行机构原理图Fig.4 Schematic of spray actuator1.喷头 2.电磁阀 3.控制器 4.压力传感器 5.水泵 6.调压阀 7.水箱

1.2 工作原理及参数

采用3WP-280型自走式喷杆喷雾车作为系统搭载的平台，液压系统采用车辆内燃机给予水泵动力，水泵将液体压入水管，水管与电磁阀和喷头组成的变量喷头相连接。作业前通过定位系统设定特定喷雾目标区域，当机组进入目标工作区域，相机实时检测特定区域的小麦生长情况，定位传感器记录速度、航向角、位置信息，当植株密度和速度发生变化时，喷雾等级会相应变化。实际作业过程中当机组不处于目标区域中，全部停止喷雾，当机组处于目标区域中，部分喷头不处于目标区域中，超出区域喷头则停止喷雾，从而实现规定区域内变量喷雾功能。变量喷雾机技术参数如表2所示。

表2 变量喷雾机技术参数Tab.2 Technical parameters of variable sprayer

2 感兴趣区域获取方法

2.1 感兴趣区域获取平台设计

感兴趣区域获取方法是以小麦田所在平面为基准面，喷头对应区域为实际检测区域。根据上述需求，设计图像感兴趣区域获取方法，并搭建了感兴趣区域获取试验平台(图5)。

图5 视觉静态感兴趣区域获取试验平台Fig.5 Visual static ROI acquisition test platform1.绿色标识板 2.相机坐标系 3.红外激光传感器 4.红色标识板 5.地面坐标系 6.喷杆平面坐标系 7.单个喷头管控区域

将喷头标识板固定于喷头正上方用于标识喷头位置。将喷杆标识板固定于平行于喷杆的位置，且与喷头标识板安装于同一平面，用于标识喷杆位置。喷杆标识板长度为300 mm，宽度为90 mm，如图6a所示；喷头标识板长度为190 mm，宽度为50 mm，如图6b所示。喷头标识板和喷杆标识板拟合直线得到的交点即为喷头交点P0。

图6 喷头标识板Fig.6 Sprinkler head labeling board

考虑到相机安装于喷杆上实际要求，将喷头对应区域底边与喷杆的距离h1设计为200 mm。综合以上考虑，设计喷头对应区域的宽度h2为400 mm。一般扇形喷头喷雾角为110°，实际喷雾高度在400～600 mm之间，在此高度下喷头有效宽度为500～700 mm，设计喷头对应区域长度w为600 mm。

2.2 感兴趣区域计算方法

设计了一种感兴趣区域的快速计算方法，通过这种方法可以快速求得喷头对应区域在图像中的位置，即感兴趣区域。感兴趣区域计算方法流程图如图7所示。

图7 感兴趣区域获取方法流程Fig.7 Flow chart of ROI acquisition method

2.2.1喷头交点计算

喷头交点计算使用颜色识别的方式对喷杆标识板和喷头标识板进行识别，将识别结果进行拟合求解获得图像中的喷头交点，将喷头交点映射到喷杆平面坐标系，获得喷杆平面喷头交点，具体步骤如下：

(1)将棋盘格放置喷杆平面进行图像采集，使用标定结果(预试验相机参数已标定)对图像进行畸变矫正。将校正后的喷杆平面棋盘格图像使用2G-B-R法和大津法进行二值处理，得到喷杆标识板的二值图像，使用最小二乘法对该二值图像下的True值像素点进行拟合，得到喷杆标识板的拟合直线，称为喷杆拟合直线。如图8a所示，喷杆拟合直线方程为

图8 喷杆喷头标识拟合直线Fig.8 Spray rod and sprinkler head identification fitting straight line

z=-0.002 55i+662.58

(1)

式中z——像素坐标系纵坐标

i——像素坐标系横坐标

(2)将校正后的喷杆平面图像使用2R-G-B法和大津法进行二值处理，处理结果如图9所示。图像中出现3个喷头标识板，需要对该图进行分区，使每个区域中只有一个喷头标识板，分割后再进行最小二乘法直线拟合。

图9 喷头标识板二值图像Fig.9 Binary image of sprinkler head labeling board

(3)使用最小二乘法对二值图像进行拟合，得到每一个喷头标识板的拟合直线[11]，称为喷头拟合直线。如图8b所示，每一个喷头拟合直线表达式为：

喷头1

z=-3.53i+1 040.73

(2)

喷头2

z=-50.36i+29 851

(3)

喷头3

z=14.28i-14 259.6

(4)

由式(1)～(4)可得喷头交点在像素坐标系下的坐标分别为：(107.215，662.303)、(579.604，661.100)、(1 044.440，659.916)。

2.2.2喷头交点映射和坐标投影

将喷杆平面棋盘格图像进行单应性矩阵估计，由单应性矩阵可获得喷头坐标点到喷杆平面，得到喷杆坐标系的喷头交点坐标，计算方法为

(5)

式中 (x，y)——需转换成目标平面坐标，即喷杆坐标系下的坐标

(X，Y)——已知平面的坐标，即图像坐标系下的坐标

u——比例因子

R3×3——由棋盘格图像获取的单应性矩阵

通过投影方式预试验对双平面投影法、单平面高度投影法和双平面高度投影法3种方式的准确度比较，最终选择双平面高度投影法。双平面高度投影法通过拍摄一幅喷杆平面棋盘格图像和一幅地面棋盘格图像，使用红外激光传感器测量喷杆平面高度。通过估算喷杆平面棋盘格图像和地面棋盘格图像的外参矩阵，得到喷杆坐标系和地面坐标系的转换矩阵，使用激光传感器获取喷杆平面的高度，将喷头交点转换到地面坐标系，令坐标转换后的喷头交点坐标的高度为喷杆高度，得到该喷头交点在地面的投影坐标。喷头交点由喷杆坐标系转换为地面坐标系的关系式为

(6)

式中Mp_c——4×4的喷杆坐标系的外参矩阵

Mf_c——4×4的地面坐标系的外参矩阵

(Xpw,Ypw,Zpw)——喷杆平面喷头世界坐标系坐标

(Xf,Yf,Zf)——地面坐标系下的喷头投影点坐标

h——测量所得喷杆平面的高度

2.2.3感兴趣区域确定

不同的投影方式能够影响感兴趣区域准确度和灵活性。采用双平面高度投影法可以获得较高的准确度，并且具有较强的灵活性，即可以随着高度的变换改变感兴趣区域在图像中的位置。喷头投影点是由喷杆拟合直线间接求得，所以喷头投影点都处于一条直线。选取两侧的投影点求取地面坐标系喷杆投影直线y=kx+b，直线与坐标系夹角α=arctanφ。如图10所示，以其中一个喷头为例，该喷头在地面坐标系下的投影坐标是P1(Xf1,Yf1)，为了方便求得P1所对应的4个地面感兴趣区域点，求得4个感兴趣区域点在地面世界坐标系下的坐标为

图10 地面坐标系感兴趣区域确定Fig.10 Determination of ROI in ground coordinate system

(7)

(8)

式中 (Xf1,Yf1)——喷头交点在地面的投影坐标

α——地面坐标系喷杆投影直线与横轴夹角

(X′f1,Y′f1)——地面坐标系旋转α后的喷头交点投影坐标

(Xf2,Yf2)、(Xf3,Yf3)、(Xf4,Yf4)、(Xf5,Yf5)为喷头对应区域的四点区域坐标。

双平面高度投影法结合了双平面投影法和单平面高度投影法的优点。如图11所示，P0、P1、P2分别为理想交点坐标所得地面投影坐标、喷头对应区域近边、喷头对应区域远边，P′0、P′1、P′2分别为实际的交点坐标所得地面投影坐标、喷头对应区域近边、喷头对应区域远边，双平面高度投影法将喷头交点由喷杆平面坐标转换到地面坐标。由于双平面高度投影法使用了与双平面投影法相同的坐标转换方式，将喷头交点由喷杆平面坐标转换到地面坐标，由于计算所得喷头交点与喷杆距离较小，约7.5 cm，所以其中形变导致的高度误差相对较小，且在计算地面喷头投影点时引入了高度，可以使地面喷头投影的Zf坐标可以随着高度的变化而变换，并且具有较高的交并比。

图11 双平面高度投影法投影误差图Fig.11 Projection error diagram of biplanar height projection method1.喷杆平面支撑架 2.红外激光传感器 3.喷头标识板 4.喷杆坐标系 5.地面坐标系

基于以上研究分析，本文综合考虑了灵活性和感兴趣区域的准确度，在感兴趣区域获取方法的基础上，采用双平面高度投影法完成喷头交点到地面的投影。

3 变量喷雾流量控制方法

变量喷雾流量控制系统设计主要通过植株密度和机组前进速度来判断相应喷头喷雾等级。使用PWM变量喷雾技术，建立占空比、流量、密度数据、速度的喷雾量模型，设计喷雾等级决策方法，实现流量等级的变换[12-14]。

3.1 喷雾量模型建立

喷头流量需要和植株密度相匹配，单位植株密度所需喷雾量为设定值，该值与喷施药物种类以及喷雾对象有关，根据上述条件，单位面积内正常喷雾所需药量计算公式为

(9)

式中u——单位面积内正常喷雾所需药量，L/m2

q——喷头流量，mL/min

所使用喷头流量q为615 mL/min。标准情况下行驶速度v为1.5 m/s；单个喷头幅宽w选择为0.6 m，可得u为11.38 mL/m2。

在实际喷雾过程中，存在单位面积植株覆盖率D和行驶速度v等变量，需要根据这两种情况做出变量喷雾决策，最终决策得喷头流量q。

(1)植株覆盖率对流量的影响

在实际喷雾过程中，由于土壤墒情等情况的影响[15]，难以达到覆盖率为100%的情况，不同地块的植株密度不同，单位面积植株覆盖率D下单位面积所需药量为

(10)

式中Q——单位面积所需要的药量，L/m2

k——喷雾时期最大植株覆盖率，%

(2)速度对流量的影响

在实际喷雾过程中，行驶速度难以保持一致。由此建立单位面积药量Q和行驶速度v关系式为

(11)

联立方程式(10)、(11)获得喷头流量q和单位面积植株覆盖率D、行驶速度v的关系为

(12)

由式(12)可以看出，行驶速度越大，植株密度越大，需求喷嘴的流量越大。

3.2 喷头流量等级决策方法

3.2.1喷头流量占空比流量曲线

基于PWM控制的喷头流量模型与喷嘴的流量型号、系统喷雾压力、电磁阀的开关机械性能以及PWM控制信号频率等因素相关。当喷嘴的型号、系统喷雾压力、电磁阀型号和PWM控制信号频率等条件确定后，对喷头流量和PWM信号占空比进行标定，从而可得喷头流量与PWM占空比的线性方程为

q=As+b

(13)

式中A——特定压力和频率的流量占空比曲线的斜率

b——流量占空比曲线的截距

s——占空比

喷嘴采用迪科爱农agrotop植保防漂移喷嘴，喷头与电磁阀相结合，组成变量喷头(图12)。

图12 变量喷头Fig.12 Variable sprinkler1.电磁阀 2.喷嘴

变量喷雾中压力越大，脉冲频率越大，雾滴均匀性越好，根据以往研究成果，系统中PWM频率采用9 Hz，喷雾系统压力采用0.6 MPa[10]，在该环境下，对每一个喷头进行占空比和流量的标定。标定过程中，喷雾时间为1 min，通过设定PWM占空比，使用量筒记录每一个喷头的流量，获取每个PWM占空比下的流量，取平均值后的标定结果如表3所示。

如图13所示，使用最小二乘法拟合直线，可得压力0.6 MPa下，每个喷头的占空比流量曲线y=0.003 75s+0.296。由表3可以看出，所使用的喷药机喷头在PWM占空比30%～90%范围内，呈现出较好的线性关系，流量可调节范围为400～600 mL/min，流量调节范围较大。当占空比处于90%～100%范围时，喷头流量调节达到最大值。

表3 不同占空比时喷头流量标定结果Tab.3 Duty ratio and sprinkler flow mL/min

图13 流量与占空比关系曲线Fig.13 Flow rate and duty cycle relationship curve

3.2.2喷雾等级决策

根据喷头流量、速度、单位面积植株密度公式，联立式(12)、(13)得到理论占空比和单位区域植株密度以及速度之间的关系，由标定可得A=0.003 75、b=0.296，可得

(14)

由于每时刻的速度不同，每帧图像所得植株密度不同，为了减小占空比频繁变换的情况，本文将理论占空比通过等级决策值，划分相应的占空比。设定小于总流量15%的等级决策值，即s≤-69%时，等级为0，对应占空比为0，关闭电磁阀；设定处于总流量15%～50%的等级决策值，即-55%

4 目标区域变量喷雾

变量喷雾作为系统的核心部分[16-17]，喷头需要能够根据实际工作要求准确进行喷雾等级的变换[18]。实际的工作环境中存在秧苗生长密度不同、机组在田间地头调转方向使得部分喷头在非目标区域内等实际问题。因此目标区域内喷雾作业时通过机器视觉对不同的生长密度的作物实现喷雾等级变换；目标区域边界的非目标区域喷雾根据GNSS定位传感器实时判断控制喷头停止喷雾。

4.1 基于机器视觉目标区域内变量喷雾

通过定位系统对目标喷雾区域做出规划，在目标区域内基于机器视觉的等级变换方法是将感兴趣区域图像进行图像变换和图像处理，实时获取每一个感兴趣区域的植株密度，当密度达到不同等级阈值时，喷头进行变量喷雾[19]。

由于感兴趣区域是一个不规则的四边形，为便于计算在感兴趣区域内有效像素点的数量，本文使用透视变换将感兴趣区域图像变换为矩形。如图14a、14b所示，图像中的对象主要为小麦植株和背景，图像处理时常将彩色图像的RGB各个分量进行适当的组合转换，以增强植物，抑制背景。对小麦作物识别采用超绿灰度法，即

图14 小麦图像处理结果Fig.14 Wheat image processing results

ExG=2G-R-B

(15)

通过大津法计算出最优阈值Th，根据阈值Th将植物和背景分割处理，即

(16)

当B=0为背景(黑色)，B=255为小麦植株(白色)，结果如图14c、14d所示。

采用绿色植株占比的方式表示植株密度，将透视变换后的图像(图14e)进行像素点数量统计，植株密度计算公式为

(17)

式中co——一个ROI区域中的有效像素点个数

Ar——ROI区域的像素面积

通过变量喷雾流量控制方法对喷雾进行等级决策，实现变量喷雾目的。

4.2 基于定位的目标区域边界喷雾

基于定位系统的目标区域边界喷雾控制方式[20]：在工作前对每一个喷头位置与GNSS天线的相对位置进行确定；在系统工作时，使用相对位置数据和车辆定位数据，判断每一个喷头所处的位置是否在目标喷雾区域内，避免喷头在非目标喷雾区域误喷。

4.2.1喷雾环境

目标区域喷雾等级变换的前提是在指定区域内进行喷雾，通过GNSS天线安装位置计算出每一个喷头和喷杆中心位置的实时坐标。在实际整个喷雾的作业过程中，会遇到脱离目标区域情况：

喷雾环境1：在实际作业中，田块长度不完全是喷杆长度的倍数，在车辆行驶到边界区域时，会出现未喷雾的田块长度小于喷杆长度的情况，这时会出现车辆在目标区域内工作，部分喷头在区域外部，这种情况会导致非目标区域的误喷。

喷雾环境2：车辆处于目标区域边界处，但喷头已经在区域内部，该情况常发生于地头转向。转向过程中当机组与田埂平行时，目标喷雾区域中地头部分出现重喷现象。

4.2.2实时喷头位置确定方法

根据上述喷雾环境所适应的作业状态，为了解决喷雾环境1的问题，由GNSS天线安装位置与喷头相对位置、航向角和GNSS天线位置信息，实时判断每一个喷头是否在目标区域内，当喷头处于目标区域外时该喷头则停止喷雾。采用3WP-280型自走式喷杆喷雾车，其喷杆高度会随着液压杆的升降而变化(图15)，GNSS天线的位置和喷头的相对位置随之产生变化，所以需要引入高度参数，完成动态的相对位置确定，以适应高度变化引起的相对位置的改变。

图15 喷杆运动简图Fig.15 Motion diagram of spray rod

在不同高度下，喷杆的中心和天线的相对位置会发生变化，某一个高度下的喷杆中心到GNSS天线安装位置的距离为

(18)

式中Y1——在某一个高度下的喷杆中心到GNSS天线安装位置的横向距离，m

I——升降杆长度，m

Hp——平行四边形的铰点高度，m

H——喷杆高度(下铰链高度)，m

M——GNSS天线安装位置到点O的横向距离，m

L——平行四边形铰点到喷杆中心的距离，m

由横向距离Y1实时判断每一个喷头是否在目标区域内。

为了解决喷雾环境2的问题，当机组驶出地头时，停止喷雾。由于GNSS天线的位置在喷杆正后方，将喷杆中心作为判断位置，当喷杆中心处于目标工作区域外时，停止所有喷头。首先确定工作区域，记录目标喷雾区域经纬度，选取4个坐标点确定目标区域经纬度。

GPRMC数据刷新频率为10 Hz，使用串口实时获取GPRMC信号中的经纬度和航向角，其中航向角以正北方向为0°，顺时针角度增加，使用UTM投影计算GNSS天线投影坐标，并实时计算喷头位置坐标。如图16所示，将xoy坐标系下表示的GNSS接收器安装位置与每一个喷头目标点的关系坐标转换到坐标系XOY下，计算公式为

图16 实时目标点计算示意图Fig.16 Schematic of real-time target point calculation

(19)

式中 (X′3,Y′3)——喷头在XOY坐标系下的位置坐标

(x2,y2)——喷杆中心在坐标系xoy下的位置坐标

(x3,y3)——喷头在坐标系xoy下的位置坐标

β——行驶航向角

(X′1,Y′1)——在坐标系XOY中GNSS接收器安装位置坐标

(X′2,Y′2)——喷杆中心位置Pcentre_d在坐标系XOY下的位置坐标

点Pcentre_d为虚拟点，用来判断车辆是否在目标区域内。

5 验证试验

5.1 试验材料

为了验证小麦变量喷雾系统的作业效果，2020年11月于河南省焦作市武陟县进行喷药机喷雾试验，试验对象为小麦，植株高度40～80 mm。3WP-260型自走式喷杆喷雾机(图17)的喷雾压力为0.6 MPa，喷雾高度为0.5 m，喷头最大流量为0.615 L/min。

图17 试验装置Fig.17 Test device

5.2 目标区域内变量喷雾性能试验

试验前期通过定位系统对目标喷雾区域做出规划，通过机器视觉的等级变换方法将感兴趣区域图像进行图像变换和图像处理，考察机具对目标区域内不同植株密度实现变量喷雾的性能。

5.2.1试验设计与评价方法

为了选取放置水敏试纸的采样区域，试验前期使用标识框(标识框内框尺寸与喷头对应的图像检测区域实际尺寸一致，长度为60 cm，宽度为40 cm。)对田块进行标记，通过图像处理计算采样区域植株密度，并将其划分为植株稀疏区域和植株正常区域。

根据田间植株生长情况，分别在植株稀疏区域(计算密度小于40%)和植株正常区域(计算密度大于40%)布置水敏纸，试验采样位置如图18所示。为检测及评价变量喷雾性能的实际效果，试验使用水敏纸(图19)在采样区域记录每一次喷雾情况。

图18 采样位置Fig.18 Sampling locations

图19 水敏纸采样方式Fig.19 Sampling method of water-sensitive paper

试验采用6组喷头，对照组和试验组采用的喷嘴型号、喷嘴喷雾角、喷雾压力、喷杆高度和电磁阀型号等条件均保持一致。

选取3个植株密度正常的区域，将此组试验数据作为对照组试验，机组速度为1.5 m/s；选取3组植株稀疏区域将此组试验数据作为试验组1，机组速度为1.5 m/s；在与对照组相同的3个区域内将该组试验作为试验组2，机组速度为0.75 m/s。水敏纸收集并进行处理。

5.2.2试验数据及分析

使用DepositScan软件对各个采样点的水敏纸图像进行分析[21]，雾滴覆盖率如表4～6所示。植株密度对变量喷雾量有着较大影响，3组数据表明相同机组速度下植株稀疏区相对植株正常区的平均雾滴覆盖率减少12.06%，相同植株密度下机组前进速度0.75 m/s相对1.50 m/s的平均雾滴覆盖率平均增加3.94%。在满足喷雾标准的情况下，可以在不同速度、不同植株密度下实现变量喷雾。

表4 第1组采样点处雾滴覆盖率Tab.4 Fog drop coverage rate under sampling point of group 1 %

表5 第2组采样点处雾滴覆盖率Tab.5 Fog drop coverage rate under sampling point of group 2 %

表6 第3组采样点处雾滴覆盖率Tab.6 Fog drop coverage rate under sampling point of group 3 %

5.3 目标区域边界喷雾性能试验

目标区域边界喷雾主要是通过GNSS天线安装位置计算出每一个喷头和喷杆中心位置的实时坐

标，在实际整个喷雾的作业过程中，实时判断每一个喷头是否在目标区域内，当喷头处于目标区域外时该喷头则停止喷雾。

5.3.1目标区域边界喷头喷雾性能试验

根据喷雾环境1，开展目标区域边界喷雾性能试验。系统工作时，实时判断每一个喷头的位置是否在目标喷雾区域内。在实际试验中，由于田间环境等因素[22-23]，增加了试验结果测量的难度和误差，因此选择平坦的地块进行路面试验，验证行驶速度对喷雾等级变换准确度的影响。如图20所示,根据该自走式喷杆喷雾机实际作业速度区间，将行驶速度分别调整为0.5、1.0、1.5 m/s，在目标喷雾区域边界处行驶，测量超出目标喷雾区域的距离。每隔0.5 m测量喷雾超出量误差，并记录。

图20 区域边界行驶Fig.20 Driving at regional boundary

试验结果如表7所示。行驶速度为0.5 m/s时，区域边界行驶的喷雾超出量误差平均值为48.72 cm，标准差为1.90 cm；行驶速度为1.0 m/s时，区域边界行驶的喷雾超出量误差平均值为54.36 cm，标准差为2.06 cm；行驶速度为1.5 m/s时，区域边界行驶的喷雾超出量误差平均值为55.18 cm，标准差为2.71 cm。

表7 不同速度喷雾超出量误差Tab.7 Errors in excess of spray at different speeds cm

5.3.2目标区域边界行驶方式喷雾性能试验

根据喷雾环境2，开展目标区域边界喷雾性能试验。为验证行驶方式对喷雾等级变换准确度的影响[24-25]，同时考虑到喷头开闭响应一致情况下，行驶速度越快误差越大。因此为得到喷雾效果可靠性，试验将行驶速度调整为1.5 m/s。将行驶方式划分为3种情况，如图21所示。行驶方式1：中心点在目标区域外，匀速在目标区域边界行驶，每隔1 m测量超出目标区域的喷雾超出量误差，并记录数据。行驶方式2：匀速行驶，由目标区域外驶入目标区域内，每隔0.5 m测量喷雾超出量误差，并记录数据。行驶情况3：以匀速行驶，由目标区域内驶出目标区域，每隔0.5 m测量喷雾超出量误差，并记录数据。

图21 驶入和驶出目标区域Fig. 21 Driving in and out of target areas

试验结果如表8所示。驶出目标区域超出量误差平均值为19.36 cm，标准差为0.81 cm；驶入目标区域超出量误差平均值为7.2 cm，标准差为1.48 cm；区域边界行驶超出量误差平均值为55.18 cm，标准差为2.71 cm。

表8 不同行驶方式的喷雾超出量误差Tab.8 Spray excess error of different driving modes cm

6 结论

(1)设计了基于机器视觉和北斗定位系统的小麦变量喷雾系统，满足实际作业要求，可以实现不同速度、植株密度下的变量喷雾。

(2)利用机器视觉在目标区域内建立不同植株密度下和前进速度的变量喷雾试验。试验结果表明相同机组速度下植株密度稀疏区相对植株密度正常区的平均雾滴覆盖率平均减少12.06%，相同植株密度下机组前进速度0.75 m/s相对1.5 m/s的平均雾滴覆盖率平均增加3.94%。主要是根据植株密度发生变化时，通过图像处理实现喷雾等级发生变化，当植株密度不变速度变化时，速度变慢导致停留时间增加，因此平均雾滴覆盖率也会上升。在满足喷雾标准的情况下，可以在不同速度、不同植株密度下实现变量喷雾。

(3)通过定位系统在目标区域边界开展行驶速度对等级变换准确度的影响试验。试验结果表明，喷雾超出量误差及标准差随着行驶速度的增加而增加。主要由于行驶速度越快提供响应时间越短，而系统响应时间固定，因此行驶速度越快喷雾超出量误差越大。在行驶速度为0.5 m/s时准确度最高，区域边界行驶的最大超出量误差为52 cm，平均值为48.72 cm，标准差为1.90 cm。

(4)通过定位系统在目标区域边界展开行驶方式对喷雾等级变换准确度的影响试验。其中驶入目标区域超出量误差平均值为7.20 cm，驶出目标区域超出量误差平均值为19.36 cm，区域边界行驶超出量误差平均值为55.18 cm。驶入目标区域相对驶出目标区域，由于系统需要一定的响应时间因此喷雾从开到闭，增加了一定的喷雾超出误差；同时区域边界行驶，喷雾不断地开闭增加响应时间，导致在3种情况中喷雾超出误差最大。