壓力旋流噴嘴靶向噴霧獼猴桃授粉機器研究*

曾高升 董霖 任洋 李利軍 莊啟國 王爽譚果 張環

1.西華大學機械工程學院，四川成都

2.西華大學現代農業裝備研究院，四川成都

3.四川省自然資源科學研究院獼猴桃育種與利用四川省重點實驗室，四川德陽

獼猴桃最早起源于中國湖北地區，是一種具有花粉直感效應的雌雄異株植物，花期通常為3～5 d[1]。其授粉質量會直接影響獼猴桃的坐果率、單果質量、外觀品質和內在成分[2]。必須保證每朵花足夠多的授粉量才能生產出高質量的果實[3-4]。

獼猴桃的授粉主要有自然授粉和人工授粉兩種方式。自然授粉主要依靠風媒和蟲媒進行[5]。為了滿足自然授粉條件，需采用雌株與雄株間種的種植方式。國內大部分種植園的雌雄株的種植比例在8：1～15：1，部分果園的種植比例為20：1，而國外發達國家的獼猴桃的雌雄種植比例在4：1～5：1。國內雌雄株種植比例遠遠無法滿足自然風媒授粉條件[6]。且獼猴桃的花朵對于蜜蜂的吸引力小，如果要使用蜜蜂進行輔助授粉，需要進行糖水飼養和管理[7-9]。自然授粉強度大、效率低，人工授粉對花粉溶液浪費大。提高獼猴桃人工授粉的效率并節約花粉，實現機器快速靶向授粉至關重要。

Kai Li等[10]為實現靶向精準授粉研發了專用于授粉的輕型機械臂。該機具的授粉成功率為85%，其特點是單機械臂精準噴霧授粉，但不能適應大規模種植需要短期快速授粉。為解決上述問題，研制了一種獼猴桃靶向噴霧授粉機器，并通過試驗評價其作業效果。

1 試驗裝置

1.1 霧滴沉積量試驗裝置

試驗裝置如圖1所示，該試驗裝置主要由氣路、液路與控制系統部分組成。氣路由12 V直流氣泵、氣壓傳感器、儲氣瓶構成；液路由儲液罐、霍爾式流量計、電磁閥、噴嘴構成；控制系統由主控單元、電源、氣泵繼電器、電磁閥繼電器、圖像采集攝像頭和計算機構成。主控單元為STM32F103單片機。該裝置可以通過該主控單元分別讀取氣壓傳感器，流量傳感器讀數，控制輸出繼電器信號，實現對氣壓、噴霧時間和流量等的精確控制，達到不同噴霧氣壓、噴霧時間、噴嘴偏轉角度的噴霧實驗要求。

圖1 試驗裝置系統

1.2 靶向噴霧授粉試驗樣機

靶向噴霧授粉試驗裝置整體系統圖如2 所示，該裝置由移動平臺、氣路及液路等部分組成。通過對授粉目標物的圖像信息采集，經過系統相關視覺算法學習后可以實現對目標的靶向噴霧。樣機實物如圖3所示。

圖2 樣機的整體系統框圖

圖3 獼猴桃靶向噴霧授粉樣機

2 試驗方法

2.1 霧滴沉積量試驗方法

為了滿足其噴嘴在所有覆蓋面積下的最小沉積量，以及研究噴射角度與噴霧時間對沉積量產生的影響，需進行霧滴沉積量試驗。利用搭建好的霧滴沉積量試驗平臺（圖4），利用試驗平臺的STM32 主控以及電磁閥，嚴格控制噴霧時間為200 ms、300 ms、400 ms 時。根據前期試驗數據，選擇在200 KPa 氣壓下對0.4 mm 噴嘴在偏角為0°、10°、20°的參數下進行噴霧，在預計的沉積區域內放置霧滴采集卡對霧滴進行采集。對霧滴采集卡試驗前后進行稱重，增加的重量即為霧滴的沉積量，為減少試驗誤差，每組試驗參數測量5次，取平均值為最終結果。

圖4 霧滴沉積量試驗

根據前期測得獼猴桃花朵的直徑尺寸，此次試驗所采用的霧滴采集卡直徑為5 cm，如圖5 所示。根據前期研究得出單位沉積量為Ms= 3.856 mg/cm2，則可以計算出霧滴采集卡的最小沉積量Mc= 75.67 mg。采用的稱重儀器為上海力辰邦西儀器科技有限公司生產的FA2204 電子天平，該款儀器的基礎參數為：稱量范圍為0～220 g、測試精度為0.1 mg、重復性誤差（標準偏差）為0.000 2、線性誤差為±0.000 5 g。

圖5 霧滴采集卡

2.2 靶向噴霧授粉試驗方法

在室內根據獼猴桃的標準種植模式、花朵的結構、花簇的空間分布等特征搭建試驗架（圖6），來模擬獼猴桃花簇的實際狀態。

圖6 模擬噴霧授粉實驗架

采用模擬的目標物（圖7）來代表獼猴桃花朵簇的大小，通過模擬目標物上粘貼的水敏霧滴測試紙的顯示反應來判斷對靶噴霧的準確性、霧滴的沉積狀態。試驗過程如圖8所示，在樣機的行進方向上架設支架，在支架上粘貼模擬的目標物，使樣機以不同的速度從目標物下方駛過，在行進過程中靶向噴霧系統會對模擬目標物進行靶向噴霧作業，在試驗結束后，對模擬目標物進行結果分析，得出靶向噴霧授粉的成功率與霧滴覆蓋率。

圖7 模擬目標物

圖8 模擬噴霧授粉試驗

根據獼猴桃花朵簇的空間分布情況，在支架上粘貼的模擬目標物（圖7），設置了3 個高度參數，每個參數間隔高度差為10 cm，其高度分布方案見圖9（a）。每個高度上放置9 個直徑15 cm 的模擬目標物，目標物間隔設置為40 cm，并且為了驗證三個噴嘴在不同角度上的靶向噴霧效果，保證試驗結果的可靠性，將標靶目標分別放置于噴嘴正上方、噴嘴左側與右側，其偏移量為10 cm，具體的目標物布置見圖（9b）。在試驗中設置的車速分別為2 km/h和1 km/h，試驗重復三次取平均結果，以噴霧對靶命中率與霧滴覆蓋率為試驗指標，根據模擬目標物上的水敏霧滴測試紙的顯色反應來判斷是否對靶噴霧成功，通過軟件對水敏試紙計算霧滴的覆蓋率。

圖9 靶向噴霧試驗目標空間布置方案

在不同的高度，不同的速度下進行噴霧試驗，試驗結束后觀察水敏試紙上的顯色反應，其中霧滴測試紙上分布有均勻霧滴的視為對靶噴霧成功，霧滴測試紙上霧滴分布明顯不完全，或者無液滴視為對靶噴霧失敗。

對靶噴霧霧滴均勻性與覆蓋率計算通過在MATLAB中導入圖像，對圖像進行圖像分割、灰度處理與二值化處理。得到二值化圖像后，觀察到霧滴分布均勻性，顆粒大小。通過相關函數可以計算霧滴的覆蓋率（黑色像素占比）。

3 霧滴沉積量試驗

噴霧時間以及噴嘴偏角對于霧滴的沉積量影響試驗結果如圖10 所示。噴嘴在偏移后，噴霧覆蓋區域內的單位面積霧滴沉積量產生了一定下降，主要原因是由于存在偏移角后，霧滴實際噴霧距離增加，導致霧滴覆蓋面積增加。而在固定的噴霧時間下，產生的霧滴顆?？倲底兓^小，最終導致單位面積霧滴沉積量產生了一定下降。從其下降的沉積量的值來看，平均偏移10 °，沉積量下降2 mg。隨著噴霧時間的延長，霧滴沉積量在逐漸增加，沉積量與噴霧時間呈正比例關系。霧滴采集卡的理論計算最小沉積量為Mc= 75.67 mg（圖10 虛線），根據圖10 可以看出，為了滿足在偏角為20 °的情況下的最小沉積量，噴霧的最短時間tmin= 350 ms。由此可以計算出其噴嘴的最大移動速度為：2.052 km/h。

圖10 霧滴沉積量的影響試驗結果

4 靶向噴霧授粉試驗

通過對模擬目標物試驗數據的統計并計算對靶成功率，圖11 所示?？梢钥闯?，在1 km/h 速度下，不同噴霧距離的靶向噴霧成功率均在95.0%左右，由此可知噴霧距離對于對靶成功率的影響較小。而將樣機的行駛速度提高至2 km/h 后，對靶成功率出現了明顯下降，不過整體成功率仍然在85.0%左右。對靶成功率與行進速度成反比，主要原因是車速快后，目標的識別率會產生一定下降，并且控制系統對于數據的處理時間，噴嘴角度的調整時間均減少，會出現噴霧角度響應不及時，響應不到位的情況，導致對靶噴霧成功率降低。

圖11 靶向噴霧試驗對靶成功率

對水敏試紙上的霧滴的沉積狀態進行圖像處理得到霧滴沉積二值圖像如圖12 所示。圖中的數據為車速分別在1 km/h 和2 km/h 的速度條件下，噴霧距離為15 cm、25 cm和35 cm條件下對靶噴霧霧滴沉積的二值化圖像。

圖12 靶向噴霧試驗霧滴沉積狀態二值圖像

在不同車速與噴霧距離的試驗條件下，霧滴的沉積分布均勻，不存在霧滴集中區域與空白區域，滿足其授粉要求。在相同的車速條件下，噴霧時間不變，隨著靶向噴霧距離的增加，霧滴的霧化更加完全，霧滴隨氣流的飄散的影響擴大。由此造成沉積的霧滴平均粒徑逐漸減少，且霧滴的覆蓋率也逐漸減少。在相同的噴霧距離下，隨著車速的降低，對靶時間與噴霧時間逐漸增加，所沉積的霧滴粒徑與霧滴的覆蓋率也逐漸增加。

為驗證樣機實際工作時靶向噴霧授粉的可靠性，在四川省自然資源科學研究院什邡獼猴桃科研基地進行了實地授粉試驗，實地試驗如圖13 所示。實地授粉試驗成功驗證了樣機的噴霧授粉準確性及可靠性。

5 結論

本研究對壓力旋流噴嘴的噴霧控制參數進行試驗并獲得最佳靶向噴霧授粉控制參數，依托控制參數制作了獼猴桃靶向噴霧授粉樣機并驗證了控制參數與樣機的可靠性。通過試驗研究，得出了以下結論：

1）根據試驗結果得到最佳的獼猴桃靶向噴霧授粉參數：噴嘴直徑0.4 mm、工作氣壓200 KPa、最短噴霧時間為350 ms、最大噴嘴偏角為20°、最大移動速度為2.052 km/h。

2）搭建了實際靶向授粉試驗平臺，通過模擬實際授粉環境，進行實際對靶噴霧試驗。測試了在1 km/h 運行速度下的靶向噴霧成功率為95.0%左右，2 km/h 運行速度下的靶向噴霧成功率略有下降，為85.0%。成功靶向噴霧霧滴的沉積分布較為均勻，不存在霧滴集中區域與空白區域。通過了實地靶向噴霧授粉試驗，驗證了樣機在果園環境下實際作業的可靠性。

3）霧滴沉積的平均粒徑、霧滴的覆蓋率與車速、噴霧距離呈明顯反比關系。在噴霧距離25 cm 的標準作業參數下，霧滴沉積覆蓋率可達50.0%以上。在實際的作業環境下，可以依據試驗結果對不同種植環境、授粉需求的作業進行參數微調，從而獲得更佳的授粉效果。