基于深度学习的设施蔬菜精准施药装置设计与试验_缪宏.pdf

第 47 卷 第 4 期 中 国 农 机 化 学 报 Vol 47 No 4 2026 年 4 月 Journal of Chinese Agricultural Mechanization Apr 2026 DOI 10 13733 j jcam issn 2095 5553 2026 04 016 缪 宏 周 涛 戴 敏 基 于 深 度 学 习 的 设 施 蔬 菜 精 准 施 药 装 置 设 计 与 试 验 J 中 国 农 机 化 学 报 2026 47 4 102 107 Miu Hong Zhou Tao Dai Min Design and experiment of a precision medication device for facility vegetables based on deep learning J Journal of Chinese Agricultural Mechanization 2026 47 4 102 107 基 于 深 度 学 习 的 设 施 蔬 菜 精 准 施 药 装 置 设 计 与 试 验 缪 宏 周 涛 戴 敏 扬 州 大 学 机 械 工 程 学 院 江 苏 扬 州 225000 摘 要 我 国 是 设 施 蔬 菜 生 产 和 消 费 大 国 但 是 当 前 的 施 药 作 业 依 旧 主 要 为 人 工 连 续 施 药 存 在 设 备 适 配 性 差 农 药 浪 费 率 高 的 问 题 为 解 决 这 些 问 题 针 对 设 施 蔬 菜 环 境 设 计 基 于 深 度 学 习 的 精 准 施 药 装 置 首 先 进 行 田 间 参 数 调 研 并 以 此 建 立 施 药 机 架 模 型 通 过 仿 真 分 析 验 证 施 药 装 置 结 构 的 可 靠 性 和 稳 定 性 其 次 针 对 精 准 施 药 的 实 时 性 要 求 和 复 杂 的 田 间 环 境 背 景 对 YOLOv5 目 标 检 测 算 法 进 行 改 进 将 原 有 的 C3 模 块 替 换 成 FasterNet 模 块 减 少 浮 点 运 算 量 和 内 存 访 问 次 数 将 头 部 网 络 的 Conv 模 块 替 换 成 GSConv 进 一 步 减 少 计 算 资 源 的 消 耗 将 头 部 网 络 中 的 Upsample 模 块 替 换 成 超 轻 量 化 的 上 采 样 模 块 DySample 确 保 信 息 有 效 传 递 经 过 消 融 和 对 比 试 验 验 证 检 测 模 型 的 高 效 性 再 次 在 施 药 系 统 设 计 方 面 完 成 整 体 系 统 设 计 并 将 从 目 标 检 测 算 法 得 到 的 像 素 坐 标 转 换 为 三 维 坐 标 最 后 通 过 设 计 正 交 试 验 优 化 施 药 参 数 当 施 药 高 度 设 定 为 419 mm 电 磁 阀 占 空 比 为 91 行 驶 速 度 为 0 32 m s 时 雾 滴 沉 积 的 变 异 系 数 降 至 最 低 为 12 5 此 外 评 估 在 精 准 施 药 模 式 下 的 农 药 节 约 率 结 果 表 明 作 物 株 距 越 大 精 准 施 药 时 农 药 节 约 率 越 高 关 键 词 设 施 蔬 菜 施 药 装 置 深 度 学 习 施 药 系 统 精 准 施 药 中 图 分 类 号 S491 文 献 标 识 码 A 文 章 编 号 2095 5553 2026 04 0102 06 Design and experiment of a precision spraying device for facility vegetables based on deep learning Miu Hong Zhou Tao Dai Min College of Mechanical Engineering Yangzhou University Yangzhou 225000 China Abstract China is a major country in terms of production and consumption of facility vegetables However the current pesticide application practices mainly involve manual continuous spraying which faces problems such as poor equipment adaptability and high rates of pesticide waste To address these issues a precision pesticide application device based on deep learning was designed for facility vegetable environments Firstly field parameter surveys were conducted to establish a model for the pesticide application frame Through simulation analysis the reliability and stability of the pesticide application device structure were verified Furthermore to meet the real time requirements of precision pesticide application and the complex background of field environments improvements were made to the YOLOv5 target detection algorithm The original C3 module was replaced with the Fasternet module reducing the amount of floating point operations and the number of memory access The Conv module in the head network was replaced with GSConv further reducing computational resource consumption The Upsample module in the head network was replaced with the ultra lightweight up sampling module DySample ensuring the effective information transfer After ablation and comparative experiments the efficiency of the detection model was validated Additionally in the design of the spraying system the overall system design was completed and the pixel coordinates obtained from the target detection algorithm were converted into three dimensional coordinates Finally orthogonal experiments were designed to optimize the pesticide application parameters the coefficient of variation in droplet deposition was minimized to 12 5 when the spraying height was set at 419mm the duty cycle of the solenoid valve was at 91 and the traveling speed was at 收 稿 日 期 2024 年 6 月 13 日 修 回 日 期 2025 年 4 月 23 日 基 金 项 目 江 苏 省 科 技 计 划 BZ2021079 BZ2022043 第 一 作 者 通 讯 作 者 缪 宏 男 1981 年 生 江 苏 无 锡 人 博 士 教 授 研 究 方 向 为 智 能 农 业 装 备 E mail z1016745105 icloud com第 4 期 缪 宏 等 基 于 深 度 学 习 的 设 施 蔬 菜 精 准 施 药 装 置 设 计 与 试 验 0 32 m s Moreover the pesticide saving rate under precision application mode was evaluated the results showed that the larger the crop row spacing the higher the pesticide saving rate with precision application Keywords greenhouse vegetable spray device deep learning spray system precision pesticide application 0 引 言 在 全 球 范 围 内 我 国 设 施 蔬 菜 面 积 位 居 首 位 达 到 2 567 khm 2 设 施 蔬 菜 产 业 总 产 值 突 破 1 万 亿 元 通 过 占 总 耕 地 3 的 精 耕 细 作 创 造 了 超 过 15 的 种 植 业 总 产 值 1 然 而 设 施 环 境 下 温 度 高 湿 度 大 空 气 不 流 通 容 易 导 致 病 虫 害 问 题 2 目 前 设 施 蔬 菜 的 施 药 主 要 依 赖 于 传 统 的 人 工 连 续 施 药 方 式 这 种 方 式 导 致 农 药 使 用 效 率 低 下 和 环 境 污 染 的 风 险 3 从 20 世 纪 末 至 21 世 纪 初 伴 随 着 机 器 人 和 人 工 智 能 技 术 的 发 展 与 应 用 美 国 日 本 及 欧 洲 等 发 达 国 家 着 手 研 究 靶 向 施 药 装 置 4 Sanchez 等 5 采 用 改 进 的 SSD MobileNetV1 目 标 检 测 算 法 对 大 豆 和 田 间 杂 草 进 行 检 测 平 均 精 度 达 到 76 喷 雾 器 在 3 km h 的 行 走 速 度 下 相 较 于 连 续 施 药 喷 雾 量 减 少 48 89 Nasir 等 6 利 用 YOLOv5n 模 型 实 现 了 烟 草 作 物 的 精 确 识 别 结 合 计 算 机 控 制 技 术 开 发 了 变 量 喷 洒 系 统 用 于 在 烟 草 田 间 环 境 高 效 定 向 施 药 F1 分 数 达 到 87 2 处 理 速 度 为 67 帧 s 我 国 在 智 能 施 药 装 置 的 研 发 方 面 正 从 实 验 室 研 究 过 渡 到 实 践 应 用 7 陈 恒 峰 等 8 基 于 PLC 控 制 技 术 开 发 了 一 套 电 控 精 准 喷 洒 系 统 通 过 正 交 试 验 优 化 施 药 机 的 速 度 系 统 压 力 及 单 位 面 积 施 药 量 化 春 键 等 9 针 对 草 坪 杂 草 识 别 的 难 题 基 于 YOLOv5s 目 标 检 测 网 络 对 RGB 颜 色 通 道 进 行 扩 展 并 引 入 颜 色 特 征 注 意 力 机 制 同 时 将 SPPF 模 块 替 换 为 SPPFCSPC 模 块 为 草 坪 维 护 的 对 靶 施 药 提 供 有 效 的 技 术 支 持 当 前 设 施 蔬 菜 施 药 装 置 存 在 适 应 性 差 农 药 浪 费 率 高 10 智 能 化 水 平 低 等 问 题 11 针 对 这 些 问 题 本 文 结 合 机 械 设 计 12 深 度 学 习 13 施 药 系 统 设 计 等 技 术 设 计 开 发 一 款 适 用 于 多 种 设 施 蔬 菜 环 境 的 智 能 对 靶 变 量 施 药 装 置 1 设 施 蔬 菜 精 准 施 药 装 置 1 1 田 间 参 数 调 研 为 确 保 施 药 平 台 底 盘 宽 度 适 合 单 垄 作 业 且 满 足 实 际 使 用 需 求 能 在 多 种 设 施 蔬 菜 环 境 中 有 效 运 行 于 2024 年 2 月 20 日 前 往 江 苏 省 扬 州 市 刊 江 区 的 槐 泗 现 代 农 业 产 业 园 区 开 展 调 研 设 施 蔬 菜 田 间 图 如 图 1 所 示 经 过 多 次 测 量 取 平 均 值 垄 高 为 150 mm 垄 距 1 500 mm 上 垄 宽 为 900 mm 下 垄 宽 为 1 300 mm 图 1 设 施 蔬 菜 田 间 图 Fig 1 Facility vegetable field layout 1 2 机 架 结 构 设 计 基 于 调 研 结 果 为 适 应 茄 果 类 和 叶 菜 类 两 种 不 同 生 长 高 度 的 蔬 菜 施 药 环 境 设 计 一 个 高 度 可 调 的 折 叠 装 置 该 装 置 允 许 喷 杆 的 离 地 高 度 为 500 1 100 mm 以 满 足 各 类 作 物 的 施 药 需 求 在 对 叶 菜 或 杂 草 施 药 时 喷 杆 会 完 全 展 开 至 3 100 mm 覆 盖 3 垄 4 行 的 叶 菜 类 植 物 并 将 高 度 调 整 至 500 800 mm 以 达 到 最 佳 施 药 效 果 而 在 对 茄 果 类 蔬 菜 施 药 时 喷 杆 将 折 叠 至 90 中 间 喷 杆 高 度 提 升 至 900 1 200 mm 左 右 两 侧 喷 杆 向 下 折 叠 至 垂 直 位 置 高 度 达 800 mm 以 实 现 更 广 泛 的 施 药 覆 盖 面 积 机 架 三 维 建 模 如 图 2 所 示 图 2 机 架 三 维 建 模 Fig 2 Three dimensional model of the frame 对 施 药 机 架 进 行 静 力 学 受 力 仿 真 是 确 保 其 结 构 可 靠 性 的 重 要 方 法 14 将 三 维 模 型 以 stp 格 式 导 出 并 导 入 ANSYS 软 件 中 进 行 静 力 学 受 力 分 析 此 过 程 通 过 计 算 机 架 的 等 效 应 力 能 够 有 效 识 别 应 力 集 中 区 域 从 而 预 防 结 构 突 然 断 裂 或 过 早 疲 劳 断 裂 的 风 险 根 据 ANSYS 的 分 析 结 果 施 药 机 架 的 最 大 应 力 值 为 16 881 MPa 最 大 形 变 量 几 乎 为 0 这 一 结 果 表 明 在 预 定 的 工 作 条 件 下 施 药 机 架 的 设 计 展 现 了 卓 越 的 结 构 强 度 和 稳 定 性 仿 真 结 果 如 图 3 所 示 a 应 力 b 形 变 量 图 3 静 力 学 仿 真 结 果 Fig 3 Static simulation results 进 行 施 药 机 架 抬 升 和 折 叠 的 运 动 学 仿 真 分 析 对 于 深 入 理 解 和 预 测 喷 杆 在 动 态 条 件 下 的 性 能 至 关 重 103中 国 农 机 化 学 报 2026 年 要 在 SolidWorks 的 Motion 插 件 中 对 模 型 施 加 重 力 配 置 电 缸 马 达 参 数 和 运 动 方 向 进 行 运 动 仿 真 其 中 重 力 为 标 准 地 球 重 力 即 g 9 81 m s 2 沿 z 方 向 向 下 马 达 设 置 为 直 线 马 达 中 间 马 达 的 运 行 速 度 为 5 mm s 侧 边 马 达 的 运 行 速 度 为 6 mm s 方 向 都 为 电 缸 推 杆 向 外 关 键 零 部 件 实 物 图 如 图 4 所 示 图 4 关 键 零 部 件 实 物 图 Fig 4 Photograph of key components 1 中 间 推 缸 2 折 叠 电 缸 仿 真 结 果 表 明 中 间 推 缸 的 最 高 马 达 力 需 求 为 654 N 折 叠 电 缸 的 需 求 为 241 N 这 是 为 克 服 摩 擦 和 负 载 重 力 在 推 杆 水 平 方 向 提 供 必 要 的 推 动 力 根 据 仿 真 结 果 选 用 的 中 间 推 缸 和 折 叠 电 缸 推 力 数 值 远 超 所 需 马 达 最 大 推 力 数 值 充 分 满 足 性 能 需 求 运 动 学 仿 真 马 达 受 力 如 图 5 所 示 a 中 间 推 缸 b 折 叠 电 缸 图 5 运 动 学 仿 真 马 达 受 力 Fig 5 Kinematic simulation force of the motor 2 蔬 菜 和 杂 草 识 别 与 定 位 2 1 改 进 YOLOv5 检 测 算 法 为 满 足 精 准 施 药 在 实 时 性 和 应 对 复 杂 田 间 环 境 的 要 求 对 YOLOv5 目 标 检 测 算 法 进 行 一 系 列 的 改 进 15 以 提 高 算 法 的 效 率 和 适 应 性 1 替 换 原 有 网 络 中 的 C3 模 块 采 用 FasterNet 16 模 块 这 一 改 进 显 著 降 低 模 型 的 浮 点 运 算 量 和 内 存 访 问 次 数 有 效 提 升 处 理 速 度 同 时 减 少 能 耗 2 为 进 一 步 减 少 计 算 资 源 的 消 耗 将 头 部 网 络 中 的 传 统 卷 积 模 块 Conv 更 换 为 GSConv 分 组 可 分 卷 积 17 GSConv 通 过 优 化 卷 积 操 作 的 结 构 减 少 参 数 量 和 计 算 复 杂 度 但 仍 能 保 持 相 应 的 模 型 性 能 这 对 于 需 要 在 资 源 受 限 的 设 备 上 进 行 实 时 处 理 的 应 用 尤 为 重 要 3 考 虑 到 上 采 样 操 作 在 网 络 中 也 是 一 个 资 源 密 集 的 步 骤 将 头 部 网 络 中 的 标 准 上 采 样 模 块 替 换 为 超 轻 量 化 的 上 采 样 模 块 DySample 18 DySample 通 过 改 进 的 采 样 点 生 成 策 略 有 助 于 更 精 确 地 恢 复 高 分 辨 率 特 征 提 高 模 型 在 细 节 和 边 界 识 别 上 的 准 确 度 这 种 新 的 上 采 样 技 术 不 仅 减 轻 模 型 负 担 而 且 还 保 持 特 征 信 息 的 有 效 传 递 有 助 于 提 高 最 终 检 测 的 准 确 性 和 速 度 通 过 这 些 结 构 上 的 优 化 改 进 后 的 YOLOv5 模 型 不 仅 能 快 速 响 应 精 准 施 药 的 实 时 处 理 需 求 还 能 适 应 复 杂 多 变 的 田 间 环 境 确 保 施 药 的 精 确 性 和 效 率 这 些 改 动 使 得 模 型 更 加 轻 量 化 适 用 于 边 缘 计 算 设 备 从 而 在 实 际 应 用 中 大 幅 提 升 了 操 作 的 便 捷 性 和 实 用 性 改 进 后 的 主 干 网 络 结 构 如 图 6 所 示 图 6 改 进 后 的 主 干 网 络 结 构 配 置 Fig 6 Configuration of the enhanced backbone network structure 2 2 消 融 和 对 比 试 验 通 过 在 槐 泗 农 业 园 区 采 集 设 施 蔬 菜 和 杂 草 的 数 据 集 对 引 入 的 FasterNet GSConv 和 DySample 进 行 详 细 的 消 融 实 验 以 评 估 这 些 改 进 对 模 型 性 能 的 具 体 影 响 消 融 实 验 结 果 如 表 1 所 示 进 一 步 地 为 验 证 所 提 出 模 型 的 有 效 性 和 优 越 性 本 文 的 检 测 模 型 不 仅 与 其 原 始 版 本 进 行 比 较 分 析 同 时 也 与 当 前 广 泛 认 可 的 经 典 一 阶 段 目 标 检 测 算 法 SSD 19 以 及 两 阶 段 目 标 检 测 算 法 Faster R CNN 20 进 行 系 统 的 性 能 对 比 这 些 对 比 试 验 旨 在 展 示 所 提 模 型 在 处 理 速 度 检 测 精 度 和 资 源 消 耗 等 方 面 的 综 合 优 势 对 比 试 验 结 果 如 表 2 所 示 表 1 消 融 实 验 结 果 Tab 1 Ablation test results FasterNet GSConv DySample mAP 96 4 97 2 98 7 96 7 97 8 98 2 98 1 计 算 量 FLOPs G 11 4 15 4 16 0 10 8 11 4 15 4 10 6 处 理 速 度 FPS 帧 s 1 75 64 62 79 78 62 81 从 表 1 可 以 看 出 FasterNet 的 引 入 相 对 提 高 了 模 104第 4 期 缪 宏 等 基 于 深 度 学 习 的 设 施 蔬 菜 精 准 施 药 装 置 设 计 与 试 验 型 的 处 理 速 度 同 时 保 持 较 高 的 检 测 精 度 这 表 明 它 有 效 地 减 少 了 计 算 负 担 GSConv 提 高 模 型 的 处 理 速 度 同 时 检 测 精 度 基 本 没 有 下 降 DySample 在 提 高 检 测 精 度 方 面 效 果 最 显 著 mAP 最 高 速 度 也 有 所 提 高 FasterNet GSConv 组 合 较 单 独 使 用 FasterNet 时 mAP 略 微 提 高 同 时 还 降 低 计 算 量 加 快 处 理 速 度 表 明 两 者 的 结 合 在 保 持 精 度 的 同 时 优 化 了 效 率 FasterNet DySample 组 合 与 单 独 使 用 FasterNet 相 比 结 合 DySample 显 著 提 升 了 mAP 同 时 略 微 增 加 了 计 算 量 但 处 理 速 度 仍 然 很 高 全 部 模 块 的 结 合 几 乎 达 到 最 高 的 mAP 同 时 显 著 减 少 计 算 量 并 加 快 处 理 速 度 表 明 3 种 技 术 的 综 合 使 用 可 以 在 几 乎 不 牺 牲 精 度 的 情 况 下 极 大 地 提 升 效 率 和 速 度 表 2 对 比 试 验 结 果 Tab 2 Comparative test results 检 测 模 型 YOLOv5s SDD Faster R CNN 本 文 模 型 mAP 97 3 94 86 93 2 98 1 参 数 量 Params 7 015 519 26 285 000 137 099 000 4 779 575 FLOPs G 15 8 62 74 370 2 10 6 FPS 帧 s 1 55 48 11 81 由 表 2 可 对 比 4 种 目 标 检 测 模 型 YOLOv5s SSD Faster R CNN 和 本 文 模 型 在 性 能 和 效 率 方 面 的 表 现 YOLOv5s 和 本 文 模 型 在 保 持 高 mAP 的 同 时 展 现 了 较 低 的 计 算 复 杂 度 和 较 高 的 处 理 速 度 尤 其 是 本 文 模 型 在 确 保 与 YOLOv5s 相 近 的 高 检 测 精 度 的 同 时 拥 有 最 低 的 参 数 量 和 计 算 复 杂 度 并 且 具 有 最 高 的 处 理 速 度 显 示 其 卓 越 的 效 率 相 比 之 下 Faster R CNN 和 SSD 虽 然 也 表 现 出 较 高 的 检 测 精 度 但 其 较 高 的 参 数 量 和 计 算 需 求 导 致 处 理 速 度 较 低 综 合 来 看 本 文 模 型 在 精 度 效 率 和 速 度 方 面 的 平 衡 表 现 最 为 突 出 特 别 适 合 需 要 高 效 实 时 处 理 的 应 用 环 境 3 施 药 系 统 设 计 3 1 整 体 设 计 精 准 施 药 系 统 由 摄 像 头 计 算 机 PLC 工 业 自 动 化 控 制 器 药 箱 药 物 泵 调 压 阀 流 量 计 PWM 电 磁 阀 及 喷 嘴 等 多 个 组 件 构 成 如 图 7 所 示 施 药 系 统 在 工 作 过 程 中 车 载 摄 像 头 实 时 捕 捉 温 室 作 物 的 生 长 状 况 并 通 过 USB 接 口 将 图 像 数 据 传 输 至 计 算 机 计 算 机 端 搭 载 上 述 改 进 的 目 标 检 测 算 法 该 算 法 能 对 实 时 视 频 进 行 分 析 实 现 作 物 和 杂 草 的 识 别 与 精 确 定 位 检 测 结 果 以 字 符 串 形 式 传 输 至 PLC 控 制 器 PLC 控 制 器 依 据 接 收 到 的 数 据 调 整 PWM 电 磁 阀 的 占 空 比 精 确 控 制 药 物 喷 洒 旨 在 对 设 施 内 的 植 物 或 杂 草 进 行 对 靶 施 药 同 时 通 过 流 量 计 的 反 馈 来 控 制 调 压 阀 的 通 电 时 间 以 调 节 施 药 压 力 图 7 精 准 施 药 系 统 Fig 7 Precision medication system 3 2 目 标 检 测 坐 标 转 换 与 传 输 在 改 进 的 YOLOv5 目 标 检 测 算 法 中 系 统 通 过 像 素 坐 标 系 提 供 目 标 的 位 置 信 息 为 实 现 施 药 过 程 中 的 高 度 精 准 性 将 图 像 中 的 二 维 像 素 坐 标 转 化 为 实 际 的 三 维 空 间 坐 标 并 将 三 维 坐 标 数 据 传 输 至 PLC 以 便 施 药 装 置 能 够 根 据 预 设 程 序 精 确 地 对 蔬 菜 进 行 喷 洒 具 体 实 现 步 骤 首 先 提 取 图 像 中 的 4 个 像 素 坐 标 点 使 用 ux 和 uy 保 存 像 素 坐 标 系 中 x 方 向 上 的 中 心 点 和 y 方 向 上 的 中 心 点 然 后 利 用 aligned depth frame get distance 函 数 用 于 计 算 点 的 深 度 并 通 过 rs rs2 deproject pixel to point 函 数 将 像 素 坐 标 转 换 为 相 机 坐 标 系 坐 标 接 下 来 将 三 维 空 间 坐 标 数 值 保 留 到 小 数 点 后 三 位 并 将 坐 标 存 储 在 camera xyz list 列 表 中 最 终 通 过 Modbus 通 信 协 议 和 485 接 口 当 y 方 向 的 距 离 小 于 0 005 m 时 系 统 向 PLC 发 送 字 节 0 在 其 他 情 况 下 发 送 字 节 1 通 过 这 种 方 式 并 将 相 机 安 装 位 置 与 喷 嘴 在 施 药 装 置 前 进 方 向 上 保 持 一 个 株 距 的 距 离 确 保 信 息 传 输 的 准 确 性 和 施 药 的 精 确 执 行 4 田 间 试 验 田 间 试 验 的 主 要 目 的 是 评 估 在 变 量 施 药 工 作 模 式 下 施 药 装 置 的 施 药 效 果 并 分 析 喷 杆 与 作 物 顶 部 的 距 离 占 空 比 以 及 行 驶 速 度 等 不 同 施 药 参 数 对 施 药 效 果 的 具 体 影 响 进 而 确 定 最 佳 的 施 药 均 匀 性 参 数 试 验 地 点 位 于 扬 州 市 槐 泗 现 代 农 业 产 业 园 区 的 农 田 场 选 取 生 菜 作 为 试 验 作 物 利 用 Design Expert 软 件 设 计 三 因 素 三 水 平 的 正 交 试 验 以 分 析 施 药 高 度 即 喷 杆 与 生 菜 顶 部 的 距 离 h 电 磁 阀 占 空 比 k 以 及 施 药 装 置 的 行 驶 速 度 v 对 雾 滴 沉 积 变 异 系 数 CV 的 影 响 程 度 以 及 这 些 因 素 之 间 的 交 互 作 用 相 关 的 影 响 因 子 及 其 水 平 如 表 3 所 示 试 验 方 案 结 果 如 表 4 所 示 表 3 影 响 因 素 及 其 水 平 Tab 3 Influencing factors and their levels 水 平 1 0 1 因 素 施 药 高 度 h mm 300 400 500 电 磁 阀 占 空 比 k 60 80 100 行 驶 速 度 v m s 1 0 3 0 5 0 7 105中 国 农 机 化 学 报 2026 年 表 4 试 验 方 案 结 果 Tab 4 Results of experimental plan 序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 h mm 400 500 500 300 300 400 400 300 400 400 400 400 500 500 400 400 300 k 80 100 80 80 80 80 80 100 80 60 100 100 80 60 80 60 60 v m s 1 0 5 0 5 0 7 0 3 0 7 0 5 0 5 0 5 0 5 0 7 0 7 0 3 0 3 0 5 0 5 0 3 0 5 CV 12 78 15 08 15 71 12 91 15 51 12 69 12 71 14 91 12 65 16 81 16 11 13 52 13 09 15 63 12 65 14 09 15 53 对 沉 积 变 异 系 数 使 用 Design Expert 数 据 分 析 软 件 进 行 方 差 分 析 结 果 如 表 5 所 示 表 5 方 差 分 析 结 果 Tab 5 Results of variance analysis 参 数 模 型 h k v hk hv kv h 2 k 2 v 2 失 拟 量 误 差 量 残 差 项 总 和 平 方 和 34 17 0 052 8 0 744 2 13 86 0 001 2 0 000 1 0 004 2 3 28 12 30 2 23 0 003 8 0 011 5 0 015 3 34 18 自 由 度 9 1 1 1 1 1 1 1 1 1 3 4 7 16 均 方 差 3 80 0 052 8 0 744 2 13 86 0 001 2 0 000 1 0 004 2 3 28 12 30 2 23 0 001 3 0 002 9 0 002 2 F 1 737 56 24 17 340 59 6 343 30 0 560 6 0 045 8 1 93 1 499 07 5 631 49 1 018 48 0 436 9 P 0 000 1 0 001 7 0 000 1 0 000 1 0 478 4 0 836 7 0 207 0 0 000 1 0 000 1 0 000 1 0 738 9 根 据 方 差 分 析 结 果 行 驶 速 度 的 F 值 为 6 343 30 是 3 个 影 响 因 素 中 最 大 的 P 值 0 000 1 表 明 施 药 装 置 的 行 驶 速 度 是 影 响 雾 滴 沉 积 变 异 系 数 的 最 显 著 因 素 电 磁 阀 占 空 比 的 F 值 为 340 59 P 值 0 000 1 说 明 电 磁 阀 占 空 比 对 雾 滴 沉 积 变 异 系 数 的 影 响 同 样 非 常 显 著 施 药 高 度 的 F 值 为 24 17 P 值 为 0 001 7 表 示 施 药 高 度 对 雾 滴 沉 积 变 异 系 数 具 有 显 著 影 响 但 是 相 比 于 行 驶 速 度 和 电 磁 阀 占 空 比 影 响 较 小 hk hv kv 的 交 互 作 用 P 值 均 大 于 0 05 表 明 3 个 影 响 因 素 的 交 互 作 用 较 小 失 拟 项 的 P 值 远 大 于 0 05 表 明 模 型 没 有 较 大 的 失 拟 问 题 使 用 Design Expert 数 据 分 析 软 件 的 优 化 模 块 对 参 数 进 行 优 化 以 雾 滴 沉 积 变 异 系 数 CV 为 因 变 量 目 标 设 定 为 最 小 化 CV 优 化 结 果 显 示 在 施 药 高 度 h 为 419 81 mm 电 磁 阀 占 空 比 k 为 91 26 行 驶 速 度 v 为 0 32 m s 时 CV 达 到 最 小 值 12 54 为 对 比 连 续 施 药 和 精 准 施 药 在 农 药 用 量 上 的 不 同 需 要 进 一 步 计 算 农 药 的 节 约 比 例 农 药 节 约 率 计 算 如 式 1 所 示 y c p c 100 1 式 中 y 农 药 节 约 率 c 传 统 连 续 施 药 模 式 下 所 使 用 的 农 药 量 L p 对 靶 施 药 模 式 下 所 使 用 的 农 药 量 L 生 菜 株 间 距 作 为 变 量 的 情 况 下 分 别 采 用 连 续 喷 洒 和 精 准 施 药 两 种 模 式 进 行 试 验 农 药 节 约 率 试 验 结 果 如 表 6 所 示 随 着 株 间 距 的 扩 大 连 续 施 药 的 总 用 量 呈 增 加 趋 势 而 精 准 施 药 的 用 量 则 基 本 保 持 不 变 从 而 显 著 提 高 农 药 节 约 率 这 一 现 象 可 归 因 于 随 株 距 增 加 连 续 施 药 模 式 下 的 施 药 距 离 相 应 扩 大 施 药 量 也 变 大 相 比 之 下 精 准 施 药 技 术 能 够 精 准 地 进 行 定 位 喷 洒 株 距 的 扩 大 对 施 药 量 影 响 不 大 从 而 有 效 降 低 农 药 的 浪 费 表 6 农 药 节 约 率 试 验 结 果 Tab 6 Results of pesticide savings rate experiment 株 距 m 0 3 0 4 0 5 连 续 施 药 量 L 6 2 8 3 10 4 精 准 施 药 量 L 4 1 4 2 4 2 农 药 节 约 率 33 87 49 40 59 62 5 结 论 针 对 设 施 蔬 菜 环 境 进 行 田 间 参 数 的 详 细 调 查 和 数 据 收 集 使 用 三 维 建 模 软 件 设 计 一 种 高 度 可 调 且 可 折 叠 的 施 药 装 置 以 适 应 不 同 生 长 高 度 的 蔬 菜 通 过 对 喷 杆 结 构 的 静 力 学 和 运 动 学 仿 真 分 析 验 证 该 施 药 装 置 的 可 靠 性 1 针 对 精 准 施 药 实 时 性 和 精 准 性 要