基于冠层信息的马铃薯喷雾机喷杆高度控制系统研究.pdf

2023年9 月第54卷第9 期农业机械学报doi:10.6041/j.issn.1000-1298.2023.09.019基于冠层信息的马铃薯喷雾机喷杆高度控制系统研究王相友 1,2 曲军哲1许英超1,2李学强2.3肖正伟1王琳琳2.3（1.山东理工大学农业工程与食品科学学院，淄博2 550 9 1；2.山东省马铃薯生产装备智能化工程技术研究中心，德州2 536 0 0；3.山东思代尔农业装备有限公司，德州2 536 0 0）摘要：为解决喷杆式喷雾机在对马铃薯等茄科茄属作物进行喷施作业时喷杆相对作物冠层距离精确测量与控制问题，设计了一套马铃薯喷雾机喷杆高度控制系统。该系统采用二维激光雷达扫描田间马铃薯的植株冠层，根据种植模式对田间马铃薯植株进行冠层单元分割，通过融合姿态传感器的数据对雷达输出数据矫正，并基于中值滤波算法、移动最小二乘曲线拟合方法处理冠层点云数据，实时解算出喷杆相对冠层顶部的垂直距离信息，同时融合油缸位移传感器数据设计了双阈值喷杆高度调控策略，实现喷杆相对马铃薯冠层距离的精准调控。系统应用于3WP150 0型喷雾机，通过高度检测精度试验和高度调节试验测试了系统性能。试验结果表明，通过激光雷达检测作物冠层高度的最大相对误差为7.16%，平均相对误差为3.9 5%。高度调节试验表明，通过确定最优的调节阈值，可以有效降低喷杆高度调节误差，提高系统稳定性，测试高度调节标准偏差为2 1.8 1mm，平均相对误差为3.0 8%，系统运行平稳，满足喷杆相对冠层距离自动控制需求。关键词：马铃薯；喷杆式喷雾机；植株冠层；激光雷达；高度控制；多传感器融合中图分类号：S224.3；T N9 5文献标识码：A文章编号：10 0 0-12 9 8（2 0 2 3）0 9-0 19 8-10OSID:Spray Boom Height Control System of Potato SprayerBased on Canopy Information1,2XU Yingchaol2LI Xueqiang2,3WANG XiangyouQU JunzheXIAO ZhengweilWANG Linlin2.3(1.School of Agricultural Engineering and Food Science,Shandong University of Technology,Zibo 255091,China2.Shandong Intelligent Engineering Technology Research Center of Potato Production Equipment,Dezhou 253600,China3.Shandong Star Agricultural Equipment Co.,Ltd.,Dezhou 253600,China)Abstract:In order to solve the problem of accurate measurement and control of the distance of the sprayrod relative to the crop canopy when spraying solanaceous crops such as potatoes,a set of spray rodheight control system of the potato sprayer was designed.The system adopted 2d laser radar scanning fieldpotato plant canopy,according to the potato planting pattern of crop canopy crown unit segmentation,through the fusion of attitude sensor data on radar output data correction,and based on the medianfiltering algorithm,moving the least squares curve fitting method processing crown point cloud data,real-time calculate the vertical distance of crown relative information,and the fusion cylinder displacementsensor designed double threshold spray rod height control strategy,realize the precise control of spray rodrelative potato crown height.The system was applied to the 3WP-1500 sprayer,and the systemperformance was tested by height detection precision test and height adjustment test.The test resultsshowed the maximum relative error of the crop canopy height detected by LiDAR was 7.16%,and theaverage relative error was 3.95%.The height adjustment test showed that by determining the optimaladjustment threshold,the spray bar height adjustment error can be effectively reduced,and the systemstability can be improved,and the standard deviation of the test height adjustment was 21.81 mm,andthe average relative error was 3.08%,and the system ran smoothly to meet the automatic control needs ofthe relative canopy distance of the spray bar.Key words:potato;spray boom sprayer;plant canopy;LiDAR;height control;multi-sensor fusion收稿日期：2 0 2 3-0 5-2 7 修回日期：2 0 2 3-0 6-2 6基金项目：山东省农业重大应用技术创新项目（SD2019NJ010）作者简介：王相友（19 6 1一），男，教授，博士生导师，主要从事农产品加工技术与装备研究，E-mail：w x y s d u t.e d u.c n199王相友等：基于冠层信的马铃薯喷雾机喷杆高度控制系统研究第9 期0引言马铃薯是继水稻、小麦、玉米之后的世界第四大粮食作物，随着马铃薯种植面积的不断增加,马铃薯田间病虫草害的防治成为提高马铃薯产量的关键环节1-4。目前，国内大田种植的马铃薯通过宽幅喷杆式喷雾机进行植保作业，现有的马铃薯喷雾机具有幅宽大、施药量大等特点，其作业幅宽普遍大于12m,甚至可达42 m5-8。在田间作业时，为保证喷雾效果，喷雾机喷杆与马铃薯植株冠层需要始终保持最佳施药距离9-1,但因植株长势不均匀以及地势不平，喷雾机车身受外部激励就会引起喷杆喷药高度的变化，导致药液喷洒不均匀，造成多喷或漏喷等问题12-13,严重时喷杆末端还会触碰地面或作物冠层,造成喷杆或植被损坏14-16 。因此，实现喷杆高度的自动调节，实时检测喷雾机喷杆相对作物冠层姿态是十分必要的。近年来国内外研究人员基于喷雾机田间作业时喷杆的运动状态，并利用传感器检测技术设计喷杆高度自动控制系统的研究报道较多17-2 。但实践证明在针对喷杆高度控制的研究中，仅仅考虑喷杆的运动状态而忽略对喷施作物冠层信息的研究，会导致喷雾机作业时喷杆相对冠层高度控制不准确，难以达到精准施药的最终目的。目前针对作物冠层高度信息的研究较少，主要集中在采用超声波传感器来探测喷杆相对作物冠层高度，有研究表明超声波传感器可以检测作物冠层的轮廓、高度和体积2 3,但其易受外界环境干扰,对于冠层高度不均匀的作物检测精度较差，尤其是在马铃薯从现蕾到初花期这个最佳喷药时间段，此时段马铃薯植株枝叶错综复杂，超声波传感器并不能够准确地获取喷杆相对区域作物冠层顶部距离，从而会引起喷杆误调节。近年来，激光雷达探测技术逐渐应用在农业作物冠层信息的检测中2 4,通过数学方法处理激光雷达高密度点云数据可以获取植株冠层高度信息，与超声波传感器测量法相比，该技术具有测量精度高、扫描范围大、速度快等优点。为此，本文设计一套基于激光雷达冠层信息测量的马铃薯喷雾机喷杆高度控制系统，通过激光雷达探测技术并融合姿态传感器、位移传感器实现喷雾机喷杆相对作物冠层的距离检测与高度精确控制，并通过试验验证田间作业时喷杆高度控制系统的准确性和稳定性。1系统结构与工作原理1.1整体结构喷杆高度控制系统基于山东思代尔农业装备有限公司生产的3WP150 0 型马铃薯喷雾机进行设计，整体结构主要由喷杆、机架、减震机构、喷杆液压控制系统、激光雷达探测装置等组成，如图1所示。喷雾机喷杆幅宽2 4m，整体喷杆左右结构对称（图1已省略左侧喷杆）,共分为9 段，平衡架及右侧各段喷杆长度分别为2、3、3.2、2.8、2 m。231314151617图1時喷雾机喷杆机构结构简图Fig.1Schematic of sprayer spray boom mechanism1.机架2.减震弹簧套3、4.喷杆升降调节油缸工5、6.平衡弹簧7、12.激光雷达探测装置8.平衡架9.喷头10.右臂喷杆倾角调节油缸11.支撑架13.位移传感器14.右侧大臂15.右侧二臂16.右侧三臂17.右侧四臂整体喷杆铰接在机架上，通过喷杆升降调节油缸可以使整体喷杆在30 0 12 0 0 mm的离地高度范围进行作业。喷杆左右两侧大臂铰接在平衡架两侧，通过倾角调节油缸使喷杆相对平衡架进行转动，从而调节左右两侧喷杆的作业高度。同时，3个激光雷达探测装置分别水平安装在左侧、右侧四臂与左侧、右侧三臂铰接点7 0 cm处以及平衡架中段，分别测量喷杆两端及喷杆整体相对冠层高度。激光雷达探测装置主要由二维激光雷达、姿态传感器和步进电机等组成，如图2 所示，整个探测装置通过“U”型螺栓固定在喷杆方管上，激光雷达与姿态传感器平行安装并垂直于地面，激光雷达扫描平面距激光雷达探测装置与喷杆方管接触面垂直距离8 0 mm。激光雷达用于扫描马铃薯作物冠层；姿态传感器用于获取三轴角度，轴数据表现为喷杆水平倾斜角度，x轴数据表现为激光雷达扫描平面与地面的夹角；步进电机用于修正激光雷达初始位姿，作业前调整激光雷达扫描平面垂直于地面。2图2探测装置示意图Fig.2Schematic of detection device1.激光雷达2.姿态传感器3.步进电机1.2控制系统组成及工作原理喷杆高度控制系统主要分为数据采集与处理模块和喷杆控制模块，硬件系统结构如图3所示，选用ARK-2230型微型计算机为中央处理器，西门子农2023年200机业报学械PLCS7-200smart为输出控制。微型计算机通过串口接收传感器及激光雷达数据，通过以太网接口连接PLC交换数据。液压阀组选用电磁比例换向阀，改变油路方向，实现油缸伸缩。速度传感器选用BHM12-C10NA型霍尔传感器，安装在喷雾机拖拉机轮轴处，获取整机行驶速度2 5。ES02型拉绳式位移传感器检测油缸伸缩长度。喷杆高度控制系统数据采集与处理模块喷杆控制模块显示屏姿态传感器1二二二二车电磁阀组激光雷达西门子液压油缸ARK-2230型S7-200微型计算机smart位移传感器速度传感器=电源模块图3硬件系统结构框图Fig.3Structural diagram of hardware system喷杆高度控制系统调节原理如图4所示。喷雾机田间作业时，激光雷达实时扫描马铃薯冠层，通过串口通信将激光雷达扫描的冠层点云数据传输到计算机，通过滤波算法、高度信息解算方法实时获取喷杆相对马铃薯作物冠层顶部距离，当检测到喷杆下待喷施区域马铃薯植株长势发生变化或喷雾机受到外部激励，喷杆喷药高度发生变化时，计算机向PLC发出比例换向阀控制指令，驱动喷杆升降调节油缸或倾角调节油缸调节喷杆高度，直至喷杆调整至最佳喷药高度时停止调节。(a)整体喷杆高度调节(b)单边喷杆高度调节图4喷杆高度调节原理图Fig.4Schematic of spray rod attitude adjustment2基于LiDAR的喷杆相对马铃薯冠层高度控制系统设计喷杆高度控制系统的目的是为了喷雾机在田间作业时，喷杆始终与作物冠层保持在一个最佳喷雾距离范围之内。马铃薯生长期内需多次进行喷药作业，且大田种植的马铃薯存在区域内作物长势不均以及种植区域地势起伏的情景，为了提高喷雾效率，合理利用药液，需要对喷杆相对作物冠层高度实时进行精确控制。本文选用二维激光雷达检测马铃薯冠层，根据田间马铃薯种植模式分割地块单元，通过激光雷达点云数据处理方法获取精确的喷杆相对区域作物冠层高度信息，实现喷杆高度实时控制。2.1冠层单元分割根据单垄单行种植模式的马铃薯植株冠层分布特点，以实现喷杆相对冠层高度信息精确检测为目标设计冠层分割模型。所选二维激光雷达以线扫描方式进行测距，原理如图5所示。激光雷达数据坐标系以扫描中心为坐标原点，垂直地面方向为Y轴，水平方向为X轴，激光雷达扫描平面垂直于地面，激光雷达发射出激光到目标冠层被反射到激光雷达内部单光子接收单元，形成一个测距点k，一个扫描周期内所有测距点的集合为一顿冠层点云数据，喷杆与冠层测距点的垂直高度为Hk;=p;cos;(i=1,2,.:,j)(1)式中喷杆与植株冠层测距点的垂直高度，mmP;测距点到激光雷达扫描中心的距离，mm;测距激光与雷达0 测距激光的夹角，(）单帧数据中测距点的个数180X激光雷达VY27090扫描平面0图5激光雷达冠层扫描示意图Fig.5Schematic of LiDAR canopy scanning在实际测量中，仅扫描单垄作物冠层难以准确表现喷施区块的整体冠层高度，而扫描过多垄数冠层数据会降低激光雷达的扫描精度，并且存在数据量过大、冠层点云数据不连续等问题。为了提高获取高度信息的效率和精度，本试验采用激光雷达单次扫描至少3垄马铃薯植株冠层的方法，如图6 所示（L为马铃薯种植垄距，m;u为激光雷达相邻两次扫描水平间隔距离，m;F,F2，,F,为高度信息序列；W,W，为高度判断单元）,喷雾机匀速行驶时201王相友会等：基于冠层信息的马铃薯喷雾机喷杆高度控制系统研究第9 期将单次扫描1帧包含3垄马铃薯作物冠层顶部的高密度点云数据定义为1条高度信息序列F，将沿从第一条高度信息序列起始的1个株距长度1内所包含的若干高度信息序列定义为一个高度解算单元W，由此沿喷雾机行驶方向将激光雷达所需扫描区域内田间作业地块分割为若干个高度解算单元。喷杆相对喷施单元内冠层顶部垂直距离H的一般计算方法为益FaveiH=(2)其中(v 0.56 m/s)(3)1(0 m/s vX70A700B2900VY(b)输出数据范围修正图7激光雷达数据过滤及角度修正Fig.7LiDAR data filtering and angle correction2.3喷杆相对冠层高度数据处理方法本文通过对目标作物冠层单元分割，采用二维激光雷达扫描植株冠层，并对多顿冠层点云数据应用算法处理，最终获取喷杆实时相对作物冠层顶部距离。数据处理流程主要包括点云数据滤波、多顿数据融合、MLS曲线拟合和加权平均垂直高度。2.3.1数据预处理田间作业时，喷雾机作业环境复杂，尘土飞扬、雾滴飘移等情景会对激光雷达测距激光造成干扰，产生数据噪声，以及测距激光束穿过冠层枝叶会产生离群干扰点，为了保证获取高度信息的准确性，故需对冠层点云原始数据滤波处理，同时为了滤波时不破坏原始点云数据，选用非线性滤波器一一中值滤波对原始点云数据进行滤波处理，设滤波滑动窗口为7，任一高度判断单元中任一条高度信息序列F=（k j,k z，,k,）,滤波后的高度信息序列F为F=(Kt,K2,.,K,K.)(neZ)(4)其中K,=Med(k;-7,ki-6,.,k,.,ki+7)(ie 1,n)(5)式中Med(ki-7,k;-6，,k;,k i+7）为该数据序列农2022023年机业报学械的中值化处理。综上，将一个单元内的n条高度信息序列叠加并滤波处理（此处n=3），如图8 为中值滤波前后数据对比，可以看出经中值滤波后消除了大部分噪点且冠层点云数据更加平滑。10008006004002000500100015002000数据序列(a)单顿冠层原始数据10008006004002000500100015002000数据序列(b)多顿冠层原始数据10008006004002000500100015002000数据序列(c)多顿冠层点云数据中值滤波图8冠层点云数据中值滤波结果Fig.8Filtered results of median value of canopypoint cloud data2.3.2基于MLS的喷杆相对冠层距离信息获取算法多株马铃薯冠层点云能够直观地表现出植株的冠层顶部轮廓，通过拟合滤波后的冠层点云数据可以较准确地获取喷杆相对冠层顶部的垂直距离。本文采用移动最小二乘法（Moving least squares，M LS）对一维点云数据进行曲线高精度拟合，通过最小化加权误差平方和、快速划分冠层顶端所在区域、加权平均各区域极值点，实现喷杆相对冠层垂直高度信息解算。移动最小二乘法是处理大量离散数据拟合曲线的理想算法，与传统最小二乘法相比，此方法引入了紧支撑的概念,MLS将每个冠层数据点周围的邻域视为一个支撑域，并使用该区域内的数据点进行拟合，通过引人一个权函数，可以对不同距离的数据点赋予不同的权重，从而避免全局最小二乘法可能出现过度拟合问题。MLS将拟合子域的局部拟合函数f(x)表示为基函数向量p(x)和系数向量()组合的形式，即mf(x)=Z p;(x)a,(x)=p(x)a(x)(6)式中m一一基函数的项数对于一维的冠层点云数据曲线拟合，选取不同的基函数和权函数对拟合曲线有不同的效果，为了提高对大量离散冠层点云数据的拟合速率和精度，取基函数p（）=（1,）,权函数为三次样条函数,系数（x)通过局部近似函数在数据点x邻域内各点误差的加权最小平方和J来确定，有nmw(-:)(（2J=P,(x,)a,(x)-y:(7)=1令Y=(y1,y2,y,)T,式(7)对a()求偏导可得n1mw(-i)(Zp,(,)a,(c)-:)2Jaaajjw(x-x;)w(x-x;)x;台a()-njw(x-x;)x;w(-x:)xw(x-x;)y:i=i心jw(x-x;)x;y;A(X)a(x)-B(X)Y=0(8)得a()=A-I(x)B()Y(9)式中n一点邻域内的数据点个数y一x等于x;处的节点值w(x-,)一数据点，处的权函数，在数据-式中n点邻域内的数据点个数y一等于;处的节点值w(-;)数据点x;处的权函数,在数据点x的邻域内大于零，邻域外则为零本文取三次样条权函数为24s2.2+453(s0.5)3w(s)4424s4s(0.5 1)(10)中s=Ix-x,1/r其中式中式中s相对距离r一一支撑域半径,mm综上，取支撑域半径r=30mm，通过MLS算法对一个单元内的冠层高度信息序列滤波后进行曲线拟合，图9 为两例多帧点云数据曲线拟合结果。由图9 可知，激光雷达扫描获取到的马铃薯植株冠层点云数据整体呈“弧形”，且每个单元内各垄203王相友等等：基于冠层信息的马铃薯喷雾机喷杆高度控制系统研究第9 期10001000元800800600600400数据点400数据点拟合曲线一拟合曲线20020005001000150020000500100015002000数据序列数据序列(a)W,(b)W,图9冠层点云数据拟合曲线Fig.9Canopy point cloud data fitting curve冠层点云数据顶部密度较大，经MLS算法拟合后，程序通过将点云数据横坐标代人拟合函数获取对应点纵坐标并绘出拟合曲线，曲线所包含的冠层顶部区域会存在极小值点，图10 为两例冠层数据拟合曲线极值点分布情况，程序根据数学极小值判定条件：拟合函数在极小区间内（本文区间长度取2 0），存在自变量取值的某点，且存在比其大与比其小的自变量,这些自变量所对应的函数值均大于x对应的函数值,判断该点为极小值点，由此得出的这些极小值点则表现为喷杆相对冠层顶部垂直距离点。由于受田间植株枝叶复杂等情况的影响，所获取的点云数据拟合出的曲线在冠层顶部区域往往存在不少于1个极小值点的情况，如图10 b所示，针对这种情况在解算高度时，根据植株冠层点云数据的分布特点以及数据顿输出角度范围，程序按照雷达数据过滤及中值滤波后，点云数据横坐标最大值与最小值之差的总区间长度将拟合曲线从左至右横向分割为1:2:1的3个解算区域，加权平均3个区域中极小值点中的最小值，最终得到喷杆相对单元内冠层实际垂直距离H为W,(F+W,Faveminl+Favemin3avemin2H:(11)3式中F各区域极值点最小aveminlFaemin2Favemin3值，mmW权重系数,取0.3W2权重系数,取0.4数据点数据点1000拟合曲线1000拟合曲线极小值点极小值点800800600600400,40005001000150020000500100015002000数据序列数据序列(a)W,(b)W,图10冠层拟合曲线极值分布情况与区域分割Fig.10Extreme value distribution and region segmentation of canopy fitting curve2.4喷杆高度控制策略为了喷杆两端高度调节时能够快速到达目标高度，根据液压油缸活塞杆伸缩长度、喷杆水平方向变化角度和喷杆调节高度之间的数学关系优化控制策略。右侧喷杆相对运动示意图如图11所示，a、b 分4一6aC23(a)右侧喷杆水平位置6d(b)右侧喷杆高度调节图11喷杆运动机构简图Fig.11Schematics of spray boom kinematic mechanism1.平衡架2.喷杆方管3.姿态传感器4.液压油缸别为油缸与平衡架和喷杆方管的铰接点，c为喷杆与平衡架的铰接点，d为喷杆末端高度对应点。喷杆末端高度调节时，液压缸伸缩带动喷杆绕着铰接点c转动，推导出液压缸长度变化与喷杆末端高度变化的关系为Im=l,+l =Ahta.+e-2lale.cos(12)H+arcsinac式中一一味喷杆水平位置液压缸长度，mm高度调节后液压缸长度，mm液压缸长度变化量，mm喷杆方管ac的长度，mm喷杆方管cb的长度，mmAh喷杆垂直高度的调节量，mm农2042023年机报业学械喷杆铰接点到末端的长度，mm液压油缸的行程短，通过位移传感器检测油缸伸缩长度，在控制程序发出喷杆升降控制命令后，更加快速调节喷杆到达目标高度附近。根据式（12）将喷杆高度的调节转换为液压油缸伸缩位移的调节，并设定液压缸长度调节阈值8 以及喷杆高度调节阈值8，当h8,或1m-l,18,时完成高度调节。采用双阈值的策略可以使程序能够较为快速接收到喷杆高度调节到位的反馈信号，在一定程度上避免因喷杆反复调节导致喷杆振荡的问题，提高系统运行稳定性，从而提高喷杆高度调节的响应速度以及调节精度。喷杆调节时，整体喷杆分为中段喷杆与两侧喷杆，为了喷杆高度调节时能够协调中段喷杆与喷杆两端的调节动作，避免超调，在喷杆控制策略中根据具体调节量设定高度调节动作，假设当前激光雷达装置检测到中段喷杆及两侧喷杆相对冠层高度分别为HI、H、H 3,预设喷药高度为H,则控制系统将驱动喷杆整体液压调节油缸升降中段喷杆高度H-H,并分别驱动两侧喷杆液压油缸升降喷杆末端高度H,+IH,-H,I-H,、H,+I H,-H,I-H,仅当喷杆相对冠层实时高度与预设喷药高度之差小于或等于任一调节阈值后停止调节。2.5软件设计喷杆高度控制软件系统分为数据采集处理模块与喷杆控制模块。数据采集处理模块基于Python语言开发，运行平台为ARK-2230型微型计算机，并基于Python-pyqt5设计数据可视化界面实时监测喷雾机作业参数。喷杆控制模块基于西门子PLCS7-200 smart开发，控制喷杆升降。两模块之间通过以太网S7协议连接通信。喷杆高度控制主程序如图12 所示。系统启动后先进行初始化。通过显示屏输人预喷药高度和调节阈值8 1、8 2，并启动激光雷达探测装置实时检测喷杆相对冠层高度，当检测到喷杆高度需要调节时，根据喷杆控制策略分别驱动两侧以及中段喷杆液压油缸进行升降调节，当高度偏差小于任一调节阈值时停止调节，当高度偏差大于高度调节阈值时继续进行升降调节，直至喷杆相对冠层高度调节到位。3试验为了测试高度控制系统的准确性和稳定性，分别进行了高度检测精度试验和喷杆高度调节试验。试验时均开启喷雾系统，以水代替药液。试验情景如图13所示。开始系统初始化设定喷药高度和调节阈值检测喷杆相对冠层高度N喷杆需要调节？Y喷杆高度调节计算左侧喷杆高度偏计算中侧喷杆高度偏计算右侧喷杆高度偏差g，与油缸位移偏差g差g，与油缸位移偏差g4差g，与油缸位移偏差g。NNNYYY升升升NNN0g0?00g:0280gsd?YYY降降降停停停N调节完成？Y结束图12主程序流程图Fig.12Main program flowchart(a)试验机具(b)试验场景图13试验机具与场景Fig.13Experimental equipmentand scene3.1试验材料与方法喷杆高度控制系统基于3WP-1500型背负式马铃薯喷杆式喷雾机进行测试，其他试验测量工具有：水平仪（辅助矫正姿态传感器初始读数）、卷尺等。于2 0 2 2 年7 一8 月在河北省张家口市某马铃薯种植基地试验田进行试验，采集对象为“希森6 号”马铃薯。试验田内地况平坦，马铃薯植株长势较为均匀，田内马铃薯采用单垄单行种植模式，垄距L为0.8m，株距l为0.2 5m，株高D为0.5 0.7 m。根据GB/T24677.22009喷杆式喷雾机试验方法和GB/T246802009农用喷雾机喷杆稳定性试验方法分别进行了高度检测精度试验和喷杆高度调节性能验证试验，3.2高度检测精度试验高度检测精度试验如图14所示，选取试验田内205王相友全等：基于冠层信为马铃薯喷雾机喷杆高度控制系统研究第9 期一块5m24m平坦的马铃薯田间地块，按照0.25m的株距长度将该试验地段从1到2 0 逐段编号。试验前喷雾机整体喷杆初始对地垂直距离设置为1m,试验时喷雾机以速度2 km/h驶过马铃薯田间地块，期间仅开启激光雷达探测装置，喷杆高度无调节。数据采集程序按照作业距离每0.2 5m记录1份激光雷达所扫描地块作物冠层信息样本，共获取冠层点云数据样本2 0 份，对应地段编号1 2 0。马铃薯植株地块喷雾机行驶方向24m图14高度精度检测试验Fig.14Schematics of high accuracy detection test为了能够方便计算出激光雷达动态测量时的高度检测误差，试验时将获取植株冠层的高度代替喷杆相对冠层高度，按照地段编号顺序手工测量并根据式（11)的权重系数计算该地段植株冠层高度信息，对照样本数据共2 0 份。表1为喷雾机左侧喷杆所经过田间地块内冠层高度的系统测量值与人工测量值对比，可以看出通过激光雷达系统测量冠层高度的结果和人工测量结果的最小相对误差为0.14%，最大相对误差为7.16%，平均相对误差为3.95%，由此可见基于激光雷达动态测量高度的准确性良好。3.3喷杆高度调节试验喷杆高度调节试验如图15所示，选取试验田内一块10 m24m地势平坦且植株长势均匀的马铃薯田间地段，将整体喷杆初始相对冠层高度调节为0.5m，预设调节喷杆相对冠层高度为0.7 m,液压缸调节阈值8 2 分别设为3.5、2.5、1.5mm，喷杆高度调节阈值8 1分别设为7、5、3cm，试验时喷雾机以3.6km/h的速度驶过10 m24m的马铃薯田间地块，连续记录多次喷雾机从初始点A行驶到点B处的喷杆对作物冠层高度的实际测量值，并分析在不表1马铃薯植株冠层高度系统测量值与人工测量值对比Tab.1Systematic and manual measurements ofpotato plant canopy height样本编号系统测量值/mm人工测量值/mm相对误差/%1998.6510000.142469.89463.11.473464.26446.34.024549.74513.07.165468.18496.65.726528.72494.96.837541.79549.01.318531.23547.83.029545.70568.94.0810567.93587.33.3011537.41514.14.5312538.10515.42.4613487.69500.32.5214496.34517.54.0915486.90500.82.7816457.45512.41.0717477.68491.32.7718534.67514.83.8519522.17498.54.7420499.55517.63.48马铃薯植株地块0.7m喷雾机行驶方向B图15喷杆高度调节试验示意图Fig.15Schematic of spray boom height adjustment test同调节阈值8 1、8,组合下喷杆高度控制系统的调节性能。在不同调节阈值组合下启动喷杆控制系统，得到预设高度与实际测量高度数据。喷杆高度调节试验数据折线图如图16 所示，在开启高度控制系统后，设置不同的调节阈值，喷雾机左侧喷杆相对冠层高度从初始50 0 mm均能调节到7 0 0 mm附近，喷杆高度调节误差随着调节阈值增大而增大，但是当高度调节阈值780768771+预设高度780r一预设高度780元768+预设高度760757(7 cm,3.5 mm)760(5 cm,3.5 mm)760756(3 cm,3.5 mm)740742741(7 cm,2.5 mm)740(5 cm,2.5 mm)740733739一(3cm,2.5mm)724722725+(7cm,1.5mm)718(5 cm,1.5 mm)(3 cm,1.5 mm)72072072078700700700700700700700700700700700 700 700 700700700001700700700700700700700680680678687681680673671V6636636796816826576736646586646606706736716706606536606556566396536386636476526546465465464063764163764064864464064164863963962062862063463262062061211111111123456781234567812345678采样编号采样编号采样编号图16不同调节阈值组合下喷杆调节试验结果Fig.16Spray bar adjustment test data under different adjustment threshold combinations农2062023年机报业学械为3cm时，因喷杆过长，调节阈值过于灵敏，液压油缸出现反复调节现象，喷杆末端会产生小幅振荡，导致高度调节精度较差且系统运行不稳定；当高度调节阈值为7 cm时,喷杆控制系统运行较为稳定，未出现反复调节现象，但调节误差较大；当高度调节阈值为5cm时，高度调节误差较小，且系统运行平稳。表2 为高度试验数据分析结果，可得当高度调节阈值为3cm，液压油缸调节阈值为1.5mm时，喷杆控制系统调节性能最差，标准偏差为53.6 2 mm，平均相对误差为8.31%；当高度调节值为5cm，液压油缸调节阈值为2.5mm时，系统调节性能表现最好，标准偏差为2 1.8 1mm，平均相对误差为表2高度调节试验分析结果Tab.2Height adjustment test analysis results8,/cm82/mm均值/mm标准偏差/mm平均相对误差/%73.5679.8557.057.9872.5666.1434.066.5171.5685.2951.206.7153.5656.4321.496.2252.5690.4321.813.0851.5661.7129.476.3633.5680.4348.096.5932.5681.4338.105.5931.5663.0053.628.313.08%，系统运行平稳，满足喷雾机大田作业时喷杆相对冠层高度自动调节需求。4结论（1)设计了基于激光雷达的马铃薯喷雾机喷杆高度控制系统。该系统采用二维激光雷达并融合姿态传感器对马铃薯冠层进行扫描，并根据田间植株冠层分布特点，基于中值滤波方法、MLS曲线拟合算法实现了喷杆相对冠层的垂直距离信息的实时解算。并设计了双阈值高度调节的控制策略，实现了喷杆相对冠层高度的自动控制，满足田间作物仿形喷雾的需求。(2)高度检测精度试验表明，通过激光雷达探测装置动态扫描马铃薯植株冠层，并基于MLS算法进行高度信息解算，最终获取的冠层高度最小相对误差为0.14%，最大相对误差为7.16%，平均相对误差为3.95%，说明激光雷达检测喷杆相对冠层距离的方案可行，并且检测精度良好。(3)喷杆高度调节试验表明，在开启喷杆高度控制系统后设置高度调节阈值为5cm，液压缸调节阈值为2.5mm时，喷杆能够较为准确地调节到预设喷药高度，高度调节标准偏差为2 1.8 1mm，平均相对误差为3.0 8%，且系统运行稳定。参考文献1常贵蒋.国家粮食安全战略转变与广西马铃薯产业发展应对J.农业经济，2 0 2 0（5）：35.CHANG Guijiang.The transformation of national food security strategy and the development of potato industry in Guangxi J.Agricultural Economics,2020(5):3-5.(in Chinese)2李宏涛，李佩，普照，等。马铃薯全程机械化生产技术助推乡村振兴战略实施的思考J.农业机械，2 0 2 1(3）：7 37 5,7 8.LI Hongtao,LI Pei,PU Zhao,et al.Thoughts on the implementation of rural revitalization strategy with the help of potatomechanized production technology JJ.Agricultural Machinery,2021(3):73-75,78.(in Chinese)3何雄奎.高效植保机械与精准施药技术进展J.植物保护学报，2 0 2 2，49（1）：38 9-397.HE Xiongkui.Progress in highly efficient plant protection machinery and precision drug application technologyJ.Journal ofPlant Protection,2022,49(1):389-