压力旋流喷嘴靶向喷雾猕猴桃授粉机器研究*

曾高升 董霖 任洋 李利军 庄启国 王爽谭果 张环

1.西华大学机械工程学院，四川成都

2.西华大学现代农业装备研究院，四川成都

3.四川省自然资源科学研究院猕猴桃育种与利用四川省重点实验室，四川德阳

猕猴桃最早起源于中国湖北地区，是一种具有花粉直感效应的雌雄异株植物，花期通常为3～5 d[1]。其授粉质量会直接影响猕猴桃的坐果率、单果质量、外观品质和内在成分[2]。必须保证每朵花足够多的授粉量才能生产出高质量的果实[3-4]。

猕猴桃的授粉主要有自然授粉和人工授粉两种方式。自然授粉主要依靠风媒和虫媒进行[5]。为了满足自然授粉条件，需采用雌株与雄株间种的种植方式。国内大部分种植园的雌雄株的种植比例在8：1～15：1，部分果园的种植比例为20：1，而国外发达国家的猕猴桃的雌雄种植比例在4：1～5：1。国内雌雄株种植比例远远无法满足自然风媒授粉条件[6]。且猕猴桃的花朵对于蜜蜂的吸引力小，如果要使用蜜蜂进行辅助授粉，需要进行糖水饲养和管理[7-9]。自然授粉强度大、效率低，人工授粉对花粉溶液浪费大。提高猕猴桃人工授粉的效率并节约花粉，实现机器快速靶向授粉至关重要。

Kai Li等[10]为实现靶向精准授粉研发了专用于授粉的轻型机械臂。该机具的授粉成功率为85%，其特点是单机械臂精准喷雾授粉，但不能适应大规模种植需要短期快速授粉。为解决上述问题，研制了一种猕猴桃靶向喷雾授粉机器，并通过试验评价其作业效果。

1 试验装置

1.1 雾滴沉积量试验装置

试验装置如图1所示，该试验装置主要由气路、液路与控制系统部分组成。气路由12 V直流气泵、气压传感器、储气瓶构成；液路由储液罐、霍尔式流量计、电磁阀、喷嘴构成；控制系统由主控单元、电源、气泵继电器、电磁阀继电器、图像采集摄像头和计算机构成。主控单元为STM32F103单片机。该装置可以通过该主控单元分别读取气压传感器，流量传感器读数，控制输出继电器信号，实现对气压、喷雾时间和流量等的精确控制，达到不同喷雾气压、喷雾时间、喷嘴偏转角度的喷雾实验要求。

图1 试验装置系统

1.2 靶向喷雾授粉试验样机

靶向喷雾授粉试验装置整体系统图如2 所示，该装置由移动平台、气路及液路等部分组成。通过对授粉目标物的图像信息采集，经过系统相关视觉算法学习后可以实现对目标的靶向喷雾。样机实物如图3所示。

图2 样机的整体系统框图

图3 猕猴桃靶向喷雾授粉样机

2 试验方法

2.1 雾滴沉积量试验方法

为了满足其喷嘴在所有覆盖面积下的最小沉积量，以及研究喷射角度与喷雾时间对沉积量产生的影响，需进行雾滴沉积量试验。利用搭建好的雾滴沉积量试验平台（图4），利用试验平台的STM32 主控以及电磁阀，严格控制喷雾时间为200 ms、300 ms、400 ms 时。根据前期试验数据，选择在200 KPa 气压下对0.4 mm 喷嘴在偏角为0°、10°、20°的参数下进行喷雾，在预计的沉积区域内放置雾滴采集卡对雾滴进行采集。对雾滴采集卡试验前后进行称重，增加的重量即为雾滴的沉积量，为减少试验误差，每组试验参数测量5次，取平均值为最终结果。

图4 雾滴沉积量试验

根据前期测得猕猴桃花朵的直径尺寸，此次试验所采用的雾滴采集卡直径为5 cm，如图5 所示。根据前期研究得出单位沉积量为Ms= 3.856 mg/cm2，则可以计算出雾滴采集卡的最小沉积量Mc= 75.67 mg。采用的称重仪器为上海力辰邦西仪器科技有限公司生产的FA2204 电子天平，该款仪器的基础参数为：称量范围为0～220 g、测试精度为0.1 mg、重复性误差（标准偏差）为0.000 2、线性误差为±0.000 5 g。

图5 雾滴采集卡

2.2 靶向喷雾授粉试验方法

在室内根据猕猴桃的标准种植模式、花朵的结构、花簇的空间分布等特征搭建试验架（图6），来模拟猕猴桃花簇的实际状态。

图6 模拟喷雾授粉实验架

采用模拟的目标物（图7）来代表猕猴桃花朵簇的大小，通过模拟目标物上粘贴的水敏雾滴测试纸的显示反应来判断对靶喷雾的准确性、雾滴的沉积状态。试验过程如图8所示，在样机的行进方向上架设支架，在支架上粘贴模拟的目标物，使样机以不同的速度从目标物下方驶过，在行进过程中靶向喷雾系统会对模拟目标物进行靶向喷雾作业，在试验结束后，对模拟目标物进行结果分析，得出靶向喷雾授粉的成功率与雾滴覆盖率。

图7 模拟目标物

图8 模拟喷雾授粉试验

根据猕猴桃花朵簇的空间分布情况，在支架上粘贴的模拟目标物（图7），设置了3 个高度参数，每个参数间隔高度差为10 cm，其高度分布方案见图9（a）。每个高度上放置9 个直径15 cm 的模拟目标物，目标物间隔设置为40 cm，并且为了验证三个喷嘴在不同角度上的靶向喷雾效果，保证试验结果的可靠性，将标靶目标分别放置于喷嘴正上方、喷嘴左侧与右侧，其偏移量为10 cm，具体的目标物布置见图（9b）。在试验中设置的车速分别为2 km/h和1 km/h，试验重复三次取平均结果，以喷雾对靶命中率与雾滴覆盖率为试验指标，根据模拟目标物上的水敏雾滴测试纸的显色反应来判断是否对靶喷雾成功，通过软件对水敏试纸计算雾滴的覆盖率。

图9 靶向喷雾试验目标空间布置方案

在不同的高度，不同的速度下进行喷雾试验，试验结束后观察水敏试纸上的显色反应，其中雾滴测试纸上分布有均匀雾滴的视为对靶喷雾成功，雾滴测试纸上雾滴分布明显不完全，或者无液滴视为对靶喷雾失败。

对靶喷雾雾滴均匀性与覆盖率计算通过在MATLAB中导入图像，对图像进行图像分割、灰度处理与二值化处理。得到二值化图像后，观察到雾滴分布均匀性，颗粒大小。通过相关函数可以计算雾滴的覆盖率（黑色像素占比）。

3 雾滴沉积量试验

喷雾时间以及喷嘴偏角对于雾滴的沉积量影响试验结果如图10 所示。喷嘴在偏移后，喷雾覆盖区域内的单位面积雾滴沉积量产生了一定下降，主要原因是由于存在偏移角后，雾滴实际喷雾距离增加，导致雾滴覆盖面积增加。而在固定的喷雾时间下，产生的雾滴颗粒总数变化较小，最终导致单位面积雾滴沉积量产生了一定下降。从其下降的沉积量的值来看，平均偏移10 °，沉积量下降2 mg。随着喷雾时间的延长，雾滴沉积量在逐渐增加，沉积量与喷雾时间呈正比例关系。雾滴采集卡的理论计算最小沉积量为Mc= 75.67 mg（图10 虚线），根据图10 可以看出，为了满足在偏角为20 °的情况下的最小沉积量，喷雾的最短时间tmin= 350 ms。由此可以计算出其喷嘴的最大移动速度为：2.052 km/h。

图10 雾滴沉积量的影响试验结果

4 靶向喷雾授粉试验

通过对模拟目标物试验数据的统计并计算对靶成功率，图11 所示。可以看出，在1 km/h 速度下，不同喷雾距离的靶向喷雾成功率均在95.0%左右，由此可知喷雾距离对于对靶成功率的影响较小。而将样机的行驶速度提高至2 km/h 后，对靶成功率出现了明显下降，不过整体成功率仍然在85.0%左右。对靶成功率与行进速度成反比，主要原因是车速快后，目标的识别率会产生一定下降，并且控制系统对于数据的处理时间，喷嘴角度的调整时间均减少，会出现喷雾角度响应不及时，响应不到位的情况，导致对靶喷雾成功率降低。

图11 靶向喷雾试验对靶成功率

对水敏试纸上的雾滴的沉积状态进行图像处理得到雾滴沉积二值图像如图12 所示。图中的数据为车速分别在1 km/h 和2 km/h 的速度条件下，喷雾距离为15 cm、25 cm和35 cm条件下对靶喷雾雾滴沉积的二值化图像。

图12 靶向喷雾试验雾滴沉积状态二值图像

在不同车速与喷雾距离的试验条件下，雾滴的沉积分布均匀，不存在雾滴集中区域与空白区域，满足其授粉要求。在相同的车速条件下，喷雾时间不变，随着靶向喷雾距离的增加，雾滴的雾化更加完全，雾滴随气流的飘散的影响扩大。由此造成沉积的雾滴平均粒径逐渐减少，且雾滴的覆盖率也逐渐减少。在相同的喷雾距离下，随着车速的降低，对靶时间与喷雾时间逐渐增加，所沉积的雾滴粒径与雾滴的覆盖率也逐渐增加。

为验证样机实际工作时靶向喷雾授粉的可靠性，在四川省自然资源科学研究院什邡猕猴桃科研基地进行了实地授粉试验，实地试验如图13 所示。实地授粉试验成功验证了样机的喷雾授粉准确性及可靠性。

5 结论

本研究对压力旋流喷嘴的喷雾控制参数进行试验并获得最佳靶向喷雾授粉控制参数，依托控制参数制作了猕猴桃靶向喷雾授粉样机并验证了控制参数与样机的可靠性。通过试验研究，得出了以下结论：

1）根据试验结果得到最佳的猕猴桃靶向喷雾授粉参数：喷嘴直径0.4 mm、工作气压200 KPa、最短喷雾时间为350 ms、最大喷嘴偏角为20°、最大移动速度为2.052 km/h。

2）搭建了实际靶向授粉试验平台，通过模拟实际授粉环境，进行实际对靶喷雾试验。测试了在1 km/h 运行速度下的靶向喷雾成功率为95.0%左右，2 km/h 运行速度下的靶向喷雾成功率略有下降，为85.0%。成功靶向喷雾雾滴的沉积分布较为均匀，不存在雾滴集中区域与空白区域。通过了实地靶向喷雾授粉试验，验证了样机在果园环境下实际作业的可靠性。

3）雾滴沉积的平均粒径、雾滴的覆盖率与车速、喷雾距离呈明显反比关系。在喷雾距离25 cm 的标准作业参数下，雾滴沉积覆盖率可达50.0%以上。在实际的作业环境下，可以依据试验结果对不同种植环境、授粉需求的作业进行参数微调，从而获得更佳的授粉效果。