漫反射光電開關(guān)在除草機(jī)器人中的應(yīng)用

一、引言

光電開關(guān)是一種利用光的強(qiáng)弱變化實(shí)現(xiàn)電的變化的一種傳感器，主要用來檢測遮擋物體。由于光電開關(guān)具有光電隔離的特性，所以它可以應(yīng)用在各種工業(yè)控制領(lǐng)域中。

光電開關(guān)是一種數(shù)字量輸出的光電傳感器，主要用于控制系統(tǒng)。智能除草機(jī)器人是農(nóng)作物健康生長的重要組成部分，運(yùn)用了光學(xué)，機(jī)電，電氣等光電學(xué)原理，自動(dòng)化程度較高。把光電開關(guān)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)除草機(jī)器人中，保證了除草機(jī)器人除草的安全，高效，也保證了農(nóng)作物的生長不受雜草影響，茁壯成長。

二、光電開關(guān)的工作原理

光電開關(guān)是光電接近開關(guān)的簡稱，它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。光電開關(guān)由發(fā)送器、接收器和檢測電路三部分組成。發(fā)射器向著一定的方向不斷地發(fā)射光束，發(fā)射的光束來源于發(fā)光二極管、紅外發(fā)射二極管等半導(dǎo)體光源，接收器由光電二極管、光電三極管等組成。光學(xué)元件裝在接收器前面，而在接收器后面是檢測電路，能夠?yàn)V出有效信號(hào)，并且應(yīng)用此信號(hào)。另外為了防止外界可見光的干擾，光電開關(guān)還輔助有發(fā)射板，反光板和光導(dǎo)纖維[1]。

它是利用被檢測物對(duì)光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測遮擋物體的有無。所有能反射光線的物體均可被檢測，光電開關(guān)將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號(hào)射出，接收器在根據(jù)接收到的光線強(qiáng)弱或有無對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行檢測[2]，各種光電開關(guān)的工作原理如圖1所示。

光電開關(guān)多種多樣，圖2是一種集發(fā)射和接收于一體的漫反射式紅外光電傳感器，發(fā)射器發(fā)出信號(hào)，接收器通過不透明物體的反射光來接收信號(hào)，從而產(chǎn)生一個(gè)開關(guān)變化；另外可以通過電位器調(diào)節(jié)檢測距離在3cm～80cm。該傳感器具有探測距離可調(diào)，受可見光干擾小，價(jià)格便宜，易于裝配，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于機(jī)器人避障，流水線計(jì)件等眾多場合。

三、光電開關(guān)的分類

光電開關(guān)的型號(hào)種類很多。按結(jié)構(gòu)分主要可以分為三種。

第一種是放大器分離型，顧名思義就是將放大器和傳感器分離，并采用專用集成電路和混合安裝工藝制成，此類放大器的功能較多，并可交直流電源通用；

而第二種是放大器內(nèi)藏型，它將傳感器和放大器集成一體化，采用專用集成電路和表面安裝工藝制成，使用直流電源工作，另外在系統(tǒng)中安裝方便，能檢測狹小和高速運(yùn)動(dòng)的物體；

第三種則是電源內(nèi)藏型，則是將電源裝置與放大器、傳感器一體化，采用專用集成電路和表面安裝工藝制成。它適用于交流電源，可直接用于控制強(qiáng)電電路[3]。

按檢測方式分可以分為漫射式、對(duì)射式、鏡面反射式、光纖式光電開關(guān)和槽式光電開關(guān)。對(duì)射式光電開關(guān)由結(jié)構(gòu)相互隔離的發(fā)射器和接收器組成，主要檢測光束是否被中斷，如果被中斷，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)開關(guān)信號(hào)變化；對(duì)射式光電開關(guān)在同一軸線是最大距離可以達(dá)到50m。鏡面反射式和槽式光電開關(guān)的工作原理與對(duì)射式光電開關(guān)一樣，也是通過光束被隔斷產(chǎn)生一個(gè)開關(guān)信號(hào)的變化。但是他們各有特點(diǎn)，鏡面反射可以辨別不透明物體，有效距離范圍遠(yuǎn)，不易受干擾。槽式光電開關(guān)比較安全可靠的檢測高速變化，分辨透明和半透明物體[4,5]。而漫反射式光電開關(guān)是當(dāng)開關(guān)發(fā)射光束時(shí)，目標(biāo)產(chǎn)生漫反射，當(dāng)有足夠的組合光返回接收器時(shí)，開關(guān)狀態(tài)才會(huì)發(fā)生變化，作用距離典型值一般為3m，此類光電開關(guān)應(yīng)用廣泛。

四、光電開關(guān)的優(yōu)缺點(diǎn)

1、優(yōu)點(diǎn)

（1）分辨率高。能通過特殊的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行微小物體的檢測和位置判別；

（2）響應(yīng)時(shí)間短。由于發(fā)射接受信號(hào)的都是光速，因此觸發(fā)動(dòng)作幾乎無延時(shí)；

（3）實(shí)現(xiàn)非接觸檢測。無需機(jī)械式接觸來檢測物體，不會(huì)對(duì)檢測物和傳感器造成損傷；

（4）便于調(diào)節(jié)。通過集成電路技術(shù)和特殊工藝把光電開關(guān)做到通過調(diào)節(jié)電位器來調(diào)節(jié)檢測距離。

2、缺點(diǎn)

缺點(diǎn)是消耗功率和故障率比霍爾器件要大，可以通過調(diào)整檢測距離以降低由于自身功率的限制造成的錯(cuò)誤信號(hào)。

五、光電開關(guān)在農(nóng)業(yè)除草機(jī)器人中的應(yīng)用

1、除草機(jī)器人的組成

除草機(jī)器人由車身本體，控制器，行內(nèi)行間除草末端執(zhí)行器和光電開關(guān)組成。機(jī)器人沿著作物行直線行駛，遇到行內(nèi)和行間雜草時(shí)，放慢速度鏟除。具體過程如下：機(jī)器人首先沿著作物行直線行駛，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人行駛的部分由兩個(gè)直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)前輪行駛，前輪和電機(jī)通過齒輪箱連接，采用差速轉(zhuǎn)向，后輪采用萬向輪，然后利用漫反射光電開關(guān)來檢測區(qū)分雜草和植株，可以實(shí)時(shí)檢測，定點(diǎn)鏟除行內(nèi)雜草。當(dāng)識(shí)別到雜草時(shí)，控制行內(nèi)除草末端執(zhí)行器臂閉合，底部高速旋轉(zhuǎn)的刀盤嵌入土中，攪斷雜草根部，未識(shí)別到雜草時(shí)，行內(nèi)除草執(zhí)行器臂不動(dòng)作，刀盤做空轉(zhuǎn)。同時(shí)，行間除草末端執(zhí)行器由滾輪和滾齒組成，滾齒高速旋轉(zhuǎn)切割行間雜草[6]，這樣能夠使除草機(jī)器人在行駛過程中高速地進(jìn)行行內(nèi)、行間除草。除草機(jī)器人整體架構(gòu)如圖3所示。

2、光電開關(guān)在除草機(jī)器人中的應(yīng)用

（1）等間距種植植株來除草

為了能使植株生長互相不受影響，也可更好的區(qū)分植株和雜草，采用機(jī)械播種的方法進(jìn)行種植植物，每一行植株，每一列植株間距基本相等，但是由于在實(shí)際播種過程中，受到各種因素的影響，植株的實(shí)際位置和理想位置有所偏差，所以我們?cè)O(shè)定了如下判定方法：把植株區(qū)域設(shè)定為理想植株方圓3cm范圍，在此區(qū)域內(nèi)都確定為植株，在植株區(qū)域以外都認(rèn)為是雜草，這樣可以避免累計(jì)誤差出現(xiàn)，又可避免錯(cuò)誤識(shí)別而誤鏟植株。

（2）利用高度來區(qū)分植株和雜草

當(dāng)植株高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于雜草高度時(shí)，就可采用光電開關(guān)檢測植株高度來區(qū)分植株和雜草。此方法要把光電開關(guān)安裝在植株高度以內(nèi)以便檢測到植株，并且在雜草高度以上以防止檢測到雜草產(chǎn)生誤動(dòng)作，當(dāng)光電開關(guān)檢測到有物體時(shí)，說明植株已使光電開關(guān)產(chǎn)生信號(hào)，行內(nèi)除草執(zhí)行器臂不動(dòng)作，放過植株；反之，說明沒有植株，就可驅(qū)動(dòng)除草執(zhí)行器工作，鏟除雜草。

（3）利用植株的形狀來區(qū)分

當(dāng)雜草高度和植株高度相當(dāng)時(shí)，這里就采用分析植株的一般形狀來區(qū)分植株和雜草。具體過程如下：首先按照植株的形狀在適當(dāng)?shù)母叨群头轿话仓萌舾蓚€(gè)光電開關(guān)，以便檢測植株，并記錄光電開關(guān)接收器疊加輸出的二進(jìn)制脈沖，二進(jìn)制脈沖等級(jí)設(shè)定一個(gè)閾值，通過單片機(jī)編程控制區(qū)分植株和雜草。如果大于這個(gè)閾值，說明是植株，反之，則是雜草。

六、結(jié)論

本文提出了一種漫反射光電開關(guān)在除草機(jī)器人中的應(yīng)用。使用價(jià)格低廉的光電開關(guān)來替代昂貴的攝像頭來識(shí)別行內(nèi)雜草，大大降低了成本。另外也不需要做圖像處理的算法，只需要簡單的控制。

但是光電開關(guān)也有其自身的局限性，單個(gè)光電開關(guān)只能檢測被檢測物的有無，無法區(qū)分物體的形狀，顏色，大小以及其他特征，因此要通過集成電路和光學(xué)器件結(jié)合改變光電開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究開發(fā)。