基于双目视觉的葡萄园变量喷雾控制系统设计与试验

闫成功，徐丽明，袁全春，马 帅，牛 丛，赵诗建

（中国农业大学工学院，北京 100083）

0 引 言

变量喷雾技术是实现精准喷雾的一个重要方面[1]，该技术根据作物的实际生长需要实现药量的在线调节和变量喷洒，从而达到减药增产、绿色节本和保证食品安全等目的[2-3]。变量喷雾技术被提出以来，相关领域的学者进行了很多有益的探索，这些研究可以分为 2类：基于作物处方图的变量喷雾和根据实时传感器检测作物信息的变量喷雾[4-5]。其中前者主要以作业处方图、卫星定位信息以及机具的前进速度为依据实现变量喷洒作业，如Carrara等[6-8]提出的方案均具有一定的可行性，但基于作物处方图的变量喷雾技术大多针对大田作物，对于果园的变量喷雾则主要以实时检测作物信息的传感器技术为主要研究方向。

如何实现果园冠层特征信息的在线探测是实现果园变量喷雾的关键[9-10]。Moltó等[11]使用超声波传感器探测果树位置实现喷头满喷、半喷和不喷的 3态控制策略，实现了 37%的节药效果。随着技术的发展，更精准的果树冠层信息采集技术不断涌现，其中可行性较高的包括立体视觉法、超声波传感法和 LIDAR传感法[12]。Maghsoudi等[13]使用超声波传感器建立了开心果树冠层体积的在线预测算法，其试验样机的节药效果达到了34.5%且各项喷雾指标与常规喷雾具有较好的一致性，但超声波束的扩散角度大，限制了其对冠层特征信息进行精确探测的能力。Sanz等[14]使用LIDAR扫描仪建立了用于预测篱架型果树叶面积的LIDAR 3D动态测量系统，在苹果园、梨园和葡萄园的试验结果表明该系统可以对篱架型果树的叶面积进行有效的估算，但LIDAR传感器的价格普遍较高。李龙龙等[15]使用激光传感器探测冠层体积、采用多组喷头和离散式独立风机组合的方式同时实现了喷雾量与送风量的单独调控，为风送式精准喷药装备的研发提供了新思路。在立体视觉法方面，Kise等[16]使用立体摄像机可以对果树的高度和冠层体积达到厘米级估计，这项研究成果表明立体视觉法在冠层结构的测量精度方面具有优势，但是该技术对硬件要求很高且对光照敏感。消费级双目相机的出现或许可以弥补立体视觉法的不足，Milella等[17]使用这种相机同时实现了葡萄冠层体积的有效估计和葡萄串的识别计数，这项研究进一步表明双目相机在果园变量喷雾方面可能具有应用前景。

脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）技术具有调流范围广、雾化特性一致性好、易实现自动控制等优点，国内外很多学者对PWM在变量喷雾方面的应用进行了研究[18-21]。Silva等[22]研究了果园风送式喷雾机PWM占空比和喷头个数对流量的影响规律，发现在无调压和恒压2种条件下，当占空比从20%增加到90%时总流量均随之线性增加，且所拟合的占空比和流量的回归方程的决定系数均大于 98%。魏新华等[23]通过试验测试得出了所设计的PWM变量喷施系统的施药量控制模型，发现当目标喷雾流量大于0.3 L/min时，该模型的流量控制误差在±4%以内，且当目标喷雾流量较大时，喷雾流量的控制精度较高。蒋焕煜等[24]通过构建的 PWM 变量喷雾实验平台和水敏试纸评估了不同PWM控制信号频率、占空比及喷雾压力下雾滴覆盖率的变异系数，发现PWM控制信号频率对变异系数的影响最大而喷雾压力对变异系数的影响最小，并且使用较高的PWM控制频率进行流量调控可以获得较好的雾滴均匀性。

本文以篱架式葡萄园为对象，以实现变量喷雾一致性和提高节药效果为目标，拟在现有的常规商用果园风送式喷雾机的基础上，设计一套基于双目相机实时探测葡萄叶幕深度并结合机具前进速度计算冠层体积，从而为 PWM 变量喷施系统提供决策依据的葡萄园变量喷雾控制系统；提出冠层体积计算方法和流量调控模型，并通过试验测试冠层体积的探测精度和静态条件下控制系统的变量喷雾一致性；最后，通过田间试验对变量控制系统的实际喷雾流量与理论预测流量的线性拟合决定系数、变量喷雾和常量喷雾模式下的雾滴雾化参数进行量化和评价，以期为果园变量喷雾技术实现生产层面的应用提供参考。

1 变量喷雾控制系统设计

1.1 系统组成

3WF-400Z型喷雾机是北京丰茂植保机械有限公司生产的一种背负式风送喷雾机，工作转速540 r/min，与22 kW以上拖拉机配套使用。该喷雾机通过拖拉机的后动力输出轴为液泵和风机提供动力，未改装前只能进行传统的常量喷雾作业。药箱容量400 L，液泵排量102 mL/r，共配备10个（左右两侧各5个）D3型圆锥雾化喷头，额定喷雾压力范围0.5～1.0 MPa，单个喷头喷雾量1.5～2.4 L/min可调，最大喷幅半径可达6 m。依据本试验样机改装前在葡萄园中的实际作业情况，仅使用原喷雾机一侧的1～4号喷头及另一侧的7～10号喷头（按顺时针）能更好地适应葡萄园冠层的实际高度，故本研究将原喷雾机顶部中央的5、6号喷头关闭。改装后整机的总体结构与喷雾系统回路如图1所示。

1.2 硬件设计

如图2所示，变量喷雾控制系统主要由双目相机、光电编码器、触摸屏、笔记本电脑、控制板、继电器、电磁阀、涡轮流量计和压力传感器等组成。本研究在拖拉机前方两侧的铝型材支架上正对葡萄叶幕各垂直安装1台双目相机（小觅智能，S1030-IR-120型标准版、像素间距 6.0μm、焦距 2.1 mm、视场角 146° ×122°×76°）分别用于探测左右两侧葡萄叶幕的冠层深度，其深度分辨率为752×480(像素)，深度探测范围为0.8～5 m。该相机具备标准的USB3.0接口，通过编写程序可以通过深度矩阵形式输出探测目标区域内所有有效探测像素点处的深度值(若未成功探测到某像素点处的深度值，程序自动将其认定为无效探测点并以“invalid”字符串形式返回填充至深度矩阵中的对应像素点处)。使用笔记本电脑作为运行 2台双目相机的上位机支持平台，并在笔记本电脑上编写了用于处理深度数据的上位机程序。在紧邻每个喷头的管道上游各安装 1个电磁阀（HOPE72型、常闭、12VDC、工作压力0～1.0 MPa），用于根据由控制器提供的多路独立可调PWM信号实时调控各喷头流量，流量大小具体取决于冠层体积。在喷雾机的后方单独安装地轮并使用光电编码器（E6B2-CWZ3E型、5～12VDC、1024脉冲数/转）测量地轮转速，从而间接获得喷雾机组的前进速度。在喷雾机的主回路中安装 1个压力传感器（CYT-102型、量程0～1.0 MPa、输出1～5VDC、精度±0.5%F.S）检测喷雾压力；在两侧的回路支路上各安装1个涡轮流量计（LWGB-DN6型、量程0.1～0.6 m³/h、输出1～5VDC、精度±1.0%F.S），分别用于检测喷雾机一侧的1～4号喷头及另一侧的7～10号喷头的总流量。使用触摸屏（广州大彩串口屏DC80480F070_6111_OC）实现人机交互。

下位机主控制器型号为STM32F107（意法半导体公司），使用该控制器的 4个串口通信模块与笔记本电脑和触摸屏进行数据通信，其中 COM1、COM2用于根据机具前进距离触发串口中断后由下位机向上位机发送数据更新指令，上位机收到指令后立即分别通过COM1与COM2返回此时由 2台双目相机获取并经上位机程序处理得到的双线程深度数据；COM3用于将下位机的工作数据实时单向传输并保存到笔记本电脑中；COM4用于接收触摸屏中输入的数据指令并实时显示机具的工作信息。使用定时器TIM2产生8路模拟PWM控制信号，并通过数字I/O模块控制继电器进而控制电磁阀的高速开闭；TIM3获取光电编码器测得的脉冲信号计算前进速度。使用模拟数字转换模块从流量传感器和压力传感器获取喷雾回路中的流量和压力数据。控制系统所需的电力由拖拉机上的车载12 V蓄电池提供。

1.3 软件设计

为了方便数据交互，应用触摸屏界面开发环境设计人机交互软件，操作界面如图3所示。通过交互界面可以选择喷雾机的工作模式（常量模式或变量模式），控制喷雾作业的启停，输入行距、PWM控制频率等以及实时显示当前机组的前进速度、压力、流量等。

变量喷雾控制程序流程如图4所示。系统初始化完成后，通过触摸屏选择喷雾机的工作模式。在变量模式下，系统首先读取在触摸屏上输入的单位体积施药量、PWM 控制频率和行距。由于控制系统从获取冠层数据到决策出最终的占空比以及雾滴从喷头喷出后到达目标冠层的表面均需要一定时间，这可能会导致实际的喷洒区域落后于目标区域[25]。解决这一问题的通常做法是将传感器安装在喷头前方并与之保持合理的距离，这一距离可以通过系统的延迟时间和前进速度（约1 m/s）估算得到[26-27]。

经测算，控制系统的延迟时间约为0.45 s，因此双目相机的提前安装距离为0.45 m左右。受实际安装结构限制，本研究中双目相机的最佳安装位置位于拖拉机车头前侧，与位于拖拉机尾部的喷头相隔5 m。因此本研究在参考翟长远等[28]数组游标式编程思想的基础上，借鉴队列思想在上位机程序中使用循环数组对当前所获取的深度值进行缓存处理，并将该数组所存储的深度数据最佳缓存个数（即数组长度）确定为 9个。随着喷雾机组的前进，上位机每隔0.5 m对双目相机所获取的当前原始二维像素深度矩阵进行处理，包括根据单元冠层的宽度和高度提取目标冠层区域内的深度值、去除无效及明显异常数据、统计有效深度个数并做平均处理、对各单元冠层的平均深度进行编码并进入循环数组缓存等。

当系统根据机具的前进距离判断喷头到达目标冠层区域后，下位机向上位机发送数据更新指令，上位机将循环数组中的队首编码发送给下位机，之后在数组中移除该队首编码并把第2～9个编码依次填充至该数组的第1～8个元素位置处，将最新获取的平均深度编码存入队尾，即第 9个元素位置处。以此循环，下位机对接收到的编码进行解码得出目标冠层的平均深度，结合光电编码器获得的数据实时计算出目标冠层体积，并进一步决策出当前各喷洒区域所需要的喷洒流量和各电磁阀的工作占空比，从而自动实现各喷头的变量喷洒。在常量模式下，系统根据在触摸屏中输入的 8个电磁阀占空比使各喷头以恒定流量进行喷雾。2种工作模式下的作业数据均可以（如实时的冠层体积、前进速度、压力和流量）显示在触摸屏上，并通过串口通信和软件调试助手传输、保存在笔记本电脑中。

2 冠层体积计算

通过测量获得进行田间试验的葡萄园种植行距为3 m，最大叶幕高度为1.92 m。根据相机成像规律和该葡萄园的实际情况，确定双目相机距喷雾机中心轴线的距离e为0.1 m，距地面的安装高度为0.96 m（冠层高度方向上的中心位置），此时相机的成像视野高度亦为1.92 m。对于其他不同种植行距和叶幕生长情况的葡萄园，可以通过输入行距和调整相机安装位置，使双目相机的成像视野在最大限度保留探测精度的同时适应葡萄园的实际冠层高度。本文仅以试验葡萄园的实际情况为例，对冠层体积计算方法进行阐述。如图5所示，双目相机探测到冠层深度d后，根据公式（1）计算对应的冠层厚度：

式中CWj为冠层表面有效深度像素点Pj到树干中心的水平距离，本研究将其定义为冠层厚度，m；R为行距，R=3 m；e为双目相机成像平面距喷雾机中心轴线的距离，本文中e=0.1 m；d为双目相机探测到的冠层深度，即双目相机成像平面距像素点Pj之间的水平距离，m。

冠层体积的测量原理如下：设定喷雾机每前进0.5 m时，相机以当前成像视野内探测到的冠层深度值作为计算原始数据。当控制系统根据机具前进速度判断需要获取下一目标区域的冠层深度信息时，如公式（2）所示，在相机当前输出的深度矩阵范围内，根据成像原理计算出喷雾目标区域的像素范围。

式中f为双目相机的焦距，本文中f=2.1 mm；Lp为喷雾目标区域在成像平面上的像素高度，mm；Wp为喷雾目标区域在成像平面上的像素宽度，mm；CH为葡萄冠层的平均高度，CH=1 920 mm；SL为沿喷雾机前进方向上的冠层宽度，SL=500 mm。

将f、R、e、CH和SL的值代入公式（2），求得喷雾目标区域在成像平面上的像素高度Lp和像素宽度Wp分别为2.88和0.75 mm。双目相机的像素间距为6.0μm，用像素宽度Wp和像素高度Lp分别除以像素间距，求得喷雾目标区域内对应的像素个数为125×480（宽×高），因此选取相机中央视野内125×480（宽×高）像素区域内的深度值作为目标冠层体积的计算区域。结合实际研究的喷头数量，每个冠层喷雾单元对应 1个喷头，将双目相机视野内连续的葡萄冠层离散为上、中上、中下和下 4个长方体[29]。如图6所示，每一单元喷雾目标区域的冠层体积计算公式为

式中CV为单元喷雾目标冠层的体积，m3；CW为单元喷雾目标区域的平均冠层厚度，m。

鉴于正常生长的葡萄冠层厚度在较短的株距方向上并不会发生剧烈变化，对每一单元喷雾目标区域所探测到的冠层厚度CWj进行滤波和平均处理，将得到的厚度平均值CW作为该喷雾单元的平均冠层厚度。同时，若当前单元喷雾目标区域的有效深度像素点个数占比小于10%，则认为当前区域不存在冠层，对应喷头停止喷雾。

3 变量喷雾调控决策

PWM通过控制电磁阀启、闭时间的占空比调节喷头实际流量[30]，综合考虑喷雾均匀性和实际调试中电磁阀的响应效果，确定电磁阀的PWM控制频率为5 Hz。魏新华等[23]发现当占空比较低时，随着喷雾压力的增大，会促使电磁阀的响应效果变差从而导致喷施效果畸变严重。本文结合原喷雾机的额定喷雾压力范围（0.5～1.0 MPa），在喷雾压力为0.5 MPa条件下进行占空比与喷头喷雾流量标定试验，采用单因素线性拟合法建立占空比与喷头喷雾流量的对应关系模型，拟合结果如图7所示。当占空比在10%～70%范围内变化时，喷头流量与占空比的关系为

式中q0.5为0.5 MPa喷雾压力下的喷头喷雾流量，L/min；α为PWM控制信号占空比，%。

该模型的决定系数R2为0.996，表明占空比在10%～70%范围内变化时，喷头流量与占空比具有较强的线性关系。

为合理确定目标冠层区域的施药量，本文将单位冠层体积所需要喷洒的药液量定义为应用系数。根据每个果园的实际防控需求，应用系数根据药剂生产商的推荐用药量、田间试验或经验确定，本研究在参考李龙龙等[15,26]研究的基础上，将该系数确定为0.1 L/m3。单元喷雾目标区域的施药量Q（单位：L）根据公式（5）确定。

式中i0为应用系数，本文中i0=0.1 L/m3。

根据施药量与喷头流量的关系、喷雾机行进速度与单位冠层宽度SL的关系以及公式（5），每个喷头的实时流量根据公式（6）确定。

式中v为喷雾机的前进速度，m/s。

当占空比小于 10%或大于 70%时，由于电磁阀无法正确响应，占空比与流量之间不存在线性关系。当喷雾机以1 m/s的前进速度工作时，考虑喷头的实际标定结果，整理式（4）、式（6），得到喷雾机的喷雾流量控制模型为

4 静态性能测试试验

4.1 冠层体积探测精度测试

由于室外的光照环境会对双目相机的探测精度产生较大影响，且通过实际测试发现，在不同深度探测范围内双目相机的冠层深度探测误差也随之不同。结合葡萄冠层的实际深度和相机的安装位置，本研究的冠层探测深度在900～1 400 mm之间。为使冠层深度探测结果可以较好地反映冠层的实际深度，在葡萄园中对双目相机进行标定。具体的标定方法为：随机选取叶片分布均匀、叶幕轮廓平整的葡萄冠层作为标定样本，将双目相机正对冠层并固定在距葡萄藤干1 400 mm、距地面960 mm处，使用卷尺测量标定样本轮廓表面与相机成像平面之间的垂直距离，并与双目相机探测到的冠层深度进行比较。选取不同的标定样本进行多次标定和统计分析后，最终确定冠层深度补偿值为150 mm。在葡萄园中进行体积探测精度试验，试验当天平均气温20 ℃，照度100 lux。如图8所示，随机选取3处宽度为1 m的葡萄冠层作为样本点，然后从样本中心开始向两侧将叶幕分为 0.25、0.5、0.75和1 m宽度。运行上位机程序，分别获取4个宽度下叶幕从上至下每一单元喷雾目标区域的冠层厚度，并通过公式（3）计算出各喷雾单元的冠层体积。最后，通过对每个喷雾单元的体积求和获得每个样本宽度下的冠层体积。

为与双目相机的探测计算结果进行比较，对每个样本宽度下的冠层体积进行手动测量。参考 Rosell等[31]手动测量葡萄冠层体积的方法，首先在高度和宽度方向上，将叶幕部分由下至上划分为0.48 m高、0.125 m宽的测量单元，最上层高度不足480 mm的测量单元测量其实际高度。在垂直于葡萄行的平面内，对每个测量单元的冠层厚度测量 3次并取平均值，将此平均厚度乘以相应的实际高度和样本宽度计算出每个测量单元的冠层体积，通过对每个测量单元的体积求和获得每个样本宽度下的冠层体积。

4.2 静态变量一致性测试

由于控制系统及硬件的综合响应能力可能会使各喷头的实际喷雾量与目标喷雾量存在一定差异，参考沈景新等[32]方法，本研究在田间试验之前首先进行静态条件下实际喷雾量与目标喷雾量的一致性测试试验。试验的具体实施方法为：用纯净水代替药液,忽略喷头间的差异，选定 1号喷头为测试喷头。参考魏新华等[23]方法进行喷雾响应测试。除 1号喷头外其他喷头的模拟冠层厚度均设置为550 mm（对应占空比为100%，即电磁阀全程打开）。在下位机变量喷雾程序中设定喷雾机的工作速度为1 m/s，在上位机程序中设置好模拟冠层厚度0、50、100、150、200、250、300、350、400、450和500 mm，并依次发送给下位机。下位机根据冠层厚度和工作速度计算出冠层体积和每一设定体积下的占空比，并进行变量喷雾。在每个冠层厚度下，用清洁干燥的自封袋收集1号喷头喷出的雾滴，连续收集30 s，然后用精度为±0.01 g的电子天平称量收集到的雾滴质量，并换算为 1号喷头的喷雾流量。

不同冠层体积对应的实际喷雾流量与理论喷雾流量如图10所示。在模拟冠层厚度下，1号喷头的实际流量响应范围为0.45～1.45 L/min。本研究共使用了8个可以独立进行流量调控的电磁阀—喷头组合，如果忽略各电磁阀—喷头组合间的硬件差异，则变量喷雾系统允许的最小变量范围为3.6～11.6 L/min，流量调节范围较宽；当叶幕的单元冠层体积小于0.036 m3时，即在叶幕非常稀少时实际流量大于冠层所需要的理论流量。这种情况在实际作业中可能会导致少数局部冠层区域内农药喷洒过量，但是可以有效防止稀薄叶幕处漏喷情况的发生；当叶幕的单元冠层体积大于0.036 m3时，1号喷头的实际流量与理论流量的线性拟合决定系数R2为0.990，表明程序的实时性、硬件响应能力以及不同冠层体积与实际喷雾流量的一致性较好。

5 田间试验

5.1 试验方法

试验地点：中国农业大学涿州试验基地；试验时间：2020年9月15日；试验时环境温度15 ℃，平均空气流速0.6 m/s，照度100 lux。试验对象为篱架型葡萄，行距为 3 m，最大叶幕高度及叶幕厚度分别为 1 920和500 mm。主要试验设备包括504型时风风云拖拉机（山东时风集团有限责任公司）、双目视觉葡萄园变量喷雾机样机、水敏纸（35 mm×55 mm）。

用纯净水代替药液，设置溢流阀的溢流压力为0.5 MPa，喷雾机以正常的喷药作业速度（约1 m/s）进行2次田间试验，每次的试验距离为15 m。首先在人机交互界面中选择常量模式，输入8个喷头的占空比为100%，按下开始按钮进行常量喷雾作业；第 2次在人机交互界面中选择变量模式，输入应用系数0.1 L/m3、PWM控制频率5 Hz、行距3 m，按下开始按钮进行变量喷雾作业。试验之前，随机选取5处叶幕宽度为0.5 m的葡萄冠层作为样本点，将每个样本点分为上、中上、中下和下 4个部分（距地面高度分别约为0.6、1.0、1.4和1.8 m），在每一部分冠层外部的左、中、右各随机选择 1个葡萄叶片并在叶片正面固定一张水敏纸。每次试验完成待水敏纸干燥后，将水敏纸及时取下、编号并逐一扫描为 PNG格式的黑白图像。按照重庆六六山下植保科技有限公司雾滴分析软件对水敏纸的扫描要求，设置扫描仪（惠普，LJ M129-M134）的颜色格式为灰度扫描，分辨率为600像素。试验完成后，根据试验过程中程序自动保存的深度数据和前进速度数据计算冠层体积。

5.2 结果与分析

如图12所示，使用六六山下雾滴分析软件对常量喷雾和变量喷雾2次试验后的水敏纸进行分析[26]，2种喷雾模式下的雾化参数如表1所示。根据相关标准要求[33-35]，风送式果园喷雾机械防治叶面病虫害时的雾滴直径应在30～150μm以内，雾滴密度应不小于25 个/cm2，覆盖率应不小于 33%。同类研究中，李龙龙等[15]研究的变量喷雾机在苹果园不同冠层上的平均沉积量为1.65μL/cm2，平均雾滴密度为60 个/cm2。表1表明，在满足评定标准的前提下，加装变量喷雾系统后，试验样机虽然在药液覆盖率及沉积量方面略有降低，但是总体上与未改装前仍保持着较好的一致性，且雾滴密度增加至113.22 个/cm2（增加了79.31 个/cm2），雾滴密度与沉积量均优于李龙龙等[15]的研究结果。本研究提出的方法还可以在一定程度上细化雾滴直径，其中雾滴的数量中值直径（Number Median Diameter，NMD）和体积中值直径（Volume Median Diameter，VMD）分别减小了87.71和182.79μm。结合试验现场观察到的喷雾效果，分析其原因可能是由于常量模式下的喷药量超过实际需求，导致雾化后的液滴在到达冠层叶片表面后重新凝聚造成雾滴尺寸偏大；而变量模式因不会产生过量喷洒，从而可以改善药液的雾滴尺寸和空间分布。

表1 两种喷雾方式下的雾化参数Table 1 Atomization parameters of two spraying modes

图13为变量喷雾时左右两侧喷头的实际喷雾流量与冠层体积的变化趋势。限于流量传感器的瞬态检测精度，实际流量的变化趋势并不总与冠层体积的变化一致，但总的趋势基本相同。

常量喷雾时，无论冠层大小，平均喷雾流量为6.73 L/min。通过计算15 m内2种不同喷雾模式下的施药量，相较于常量喷雾，变量喷雾模式节省了约55.27%的农药用量。薛秀云等[10]提出的变量喷雾方法在单株型仿真树上的试验结果表明，与常规连续喷雾和对靶定量喷雾相比，变量喷雾的节药率分别为68.34%和32.77%。对于应用于连续型密集果园（如葡萄园）的变量喷雾，由于不存在大量果树间隙，因此本研究中的节药率略低于单株型稀疏果园的节药率。

图14为变量喷雾模式下左右两侧喷头的实际喷雾流量与理论预测流量的线性拟合结果，其中左侧1～4号喷头拟合后的决定系数R2=0.897，右侧 7～10号喷头拟合后的决定系数R2=0.877。实际喷雾流量与理论预测流量存在较强的相关性，进一步表明实际喷雾流量与冠层体积间具有较好的一致性。

6 结 论

1）本研究在3WF-400Z果园风送式喷雾机的基础上，设计了一套由双目相机、电磁阀、触摸屏、光电编码器和上下位机控制程序为主要组成部分的葡萄园变量喷雾控制系统。系统利用双目相机探测葡萄叶幕深度，结合喷雾机前进速度计算冠层体积，通过PWM实时调控多路电磁阀的占空比，实现了基于葡萄冠层体积的变量喷雾。

2）确定了双目相机的探测深度补偿值为 150 mm；当探测距离为1 400 mm时，对葡萄冠层进行了体积探测试验并与手动测量结果进行了线性拟合，其决定系数为0.933，说明所提出的基于双目相机探测冠层体积的计算方法具有较好的准确性；在静态条件下对控制系统的变量喷雾一致性进行了测试，当冠层体积大于0.036 m3时单喷头实际流量与理论流量的线性拟合决定系数为0.990。

3）田间试验结果表明，加装变量喷雾系统后的试验样机在保证药液覆盖率和沉积量基本不变的情况下，可以在一定程度上细化雾滴直径并增加雾滴密度，其中雾滴的数量中值直径和体积中值直径分别减小了 87.71和182.79μm，雾滴密度增加了79.31个/cm2；喷雾机样机左、右两侧喷头的理论预测流量与实际喷雾流量的线性拟合决定系数分别为0.897和0.877，且实际喷雾流量与冠层体积的总体变化趋势基本一致，表明变量喷雾模式可以更好地适应作物冠层的实际几何特征。相对于常量喷雾，变量喷雾模式节省了约55.27%的农药用量。