果園對靶噴藥控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

鄒 偉，王 秀，高 斌，范鵬飛，蘇 帥

(1.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097；2.國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100097；3.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100097；4.農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100097)

0 引言

精細(xì)農(nóng)業(yè)果園生產(chǎn)管理中，單棵果樹是最小的作業(yè)單元, 果樹的位置和樹冠大小是果樹施肥、灌溉和果樹病蟲害防治中確定投入量多少的重要依據(jù)[1-3]。無靶標(biāo)噴施造成的靶標(biāo)以外大量農(nóng)藥沉積是果園農(nóng)藥殘留的主要原因之一，對靶噴藥技術(shù)是降低農(nóng)藥殘留的有效手段，其關(guān)鍵技術(shù)是靶標(biāo)探測技術(shù)[4-7]。

對靶噴藥可以有效節(jié)省農(nóng)藥。翟長遠(yuǎn)等設(shè)計(jì)了一種幼樹靶標(biāo)探測器，通過紅外傳感器探測噴藥機(jī)兩側(cè)果樹樹干的位置，根據(jù)內(nèi)部算法計(jì)算出靶標(biāo)噴霧位置，從而控制開閉噴頭電磁閥，以實(shí)行對靶噴藥[8]。在實(shí)際的果園中，大多數(shù)果樹的樹干是很難檢測的。例如，如橘樹與桃樹的枝葉繁茂，樹冠很低,紅外傳感器幾乎無法探測樹干。在標(biāo)準(zhǔn)化果園中，果樹四周還有柵欄，傳感器實(shí)際上是在探測果樹的樹枝或欄桿，沒有實(shí)際探測到樹干，控制器誤以為這是樹干，將以這一探測點(diǎn)為中心，實(shí)行噴藥作業(yè)，導(dǎo)致單片機(jī)計(jì)算的噴藥范圍錯(cuò)誤。另外，該噴藥機(jī)只是控制電磁閥開閉，無法做到變量噴藥。實(shí)現(xiàn)變量噴藥控制技術(shù)，其核心是根據(jù)噴藥實(shí)施環(huán)境的變化實(shí)時(shí)控制噴藥量；但傳統(tǒng)變量噴藥控制技術(shù)是根據(jù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力實(shí)現(xiàn)變量控制[9]，實(shí)際噴藥作業(yè)中壓力很難實(shí)現(xiàn)精確、快速調(diào)節(jié)。劉大印等人設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)PWM 變量農(nóng)藥噴灑控制系統(tǒng)。采用脈寬調(diào)制技術(shù)來控制噴藥流量，但是噴藥變量范圍比較小[10-11]。

針對這些問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于樹冠探測的對靶控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)通過紅外傳感器列陣探測樹冠位置及樹冠的寬度，結(jié)合拖拉機(jī)運(yùn)行速度計(jì)算噴灑范圍，控制多路電磁閥的開閉以進(jìn)行對靶噴藥，在沒有果樹的地方停止噴藥；采用PWM驅(qū)動(dòng)方法，改變噴頭的噴藥流量，實(shí)現(xiàn)變量作業(yè)；傳感器固定架采用多孔設(shè)計(jì)，便于調(diào)整紅外傳感器的上下分布間距，以適應(yīng)不同要求。噴頭可以通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)噴藥范圍。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 噴藥機(jī)構(gòu)成

噴藥機(jī)主要由機(jī)械部分及噴藥控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖1中，機(jī)械部分主要由藥箱，離心泵，調(diào)壓閥，噴頭、風(fēng)扇以及各種管道等組成。

藥箱通過閥門進(jìn)入主管道，為避免藥液中較大的顆粒或其他雜質(zhì)堵塞噴頭，藥液需要首先進(jìn)入過濾器。主管道與調(diào)壓閥相連，調(diào)壓閥用于穩(wěn)定噴藥管道的壓力，進(jìn)過調(diào)壓閥后，輸出管道分成左右兩個(gè)分管道，左右兩個(gè)分管道的末端各接3個(gè)高壓電磁閥，每個(gè)電磁閥后接2個(gè)噴頭，一共12個(gè)噴頭。西門子PLC通過控制電磁閥的開閉來控制噴頭是否噴藥。

1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要由PLC控制器、紅外測距傳感器、速度傳感器、人機(jī)交互觸摸屏、電磁閥、固態(tài)繼電器及其他外圍電路等組成，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

控制系統(tǒng)以西門子PLC-224XP為控制核心，處理傳感器的各種信號，完成與觸摸屏幕的人際交互，控制電磁閥的動(dòng)作。紅外傳感器列陣用來檢測拖拉機(jī)左右兩側(cè)的果樹樹冠的高度及寬度，本文選用上海森正電氣有限公司生產(chǎn)的E3K80-DS5M1漫反射紅外傳感器，檢測最大距離150cm。傳感器在探測到靶標(biāo)后，輸出開關(guān)信號。紅外傳感器信號輸出端需要外接10kΩ的上拉電阻，實(shí)現(xiàn)與PLC的IO口連接。

系統(tǒng)采用霍爾傳感器感應(yīng)拖拉機(jī)的行駛速度,霍爾傳感器是浙江滬工自動(dòng)化科技有限公司生產(chǎn)的NJK-5003C，屬于NPN常開型，檢測速度時(shí)需要配合強(qiáng)磁鐵使用，最大感應(yīng)距離5cm。本系統(tǒng)在拖拉機(jī)的輪轂上均勻分布了6個(gè)強(qiáng)磁鐵，拖拉機(jī)輪子每轉(zhuǎn)動(dòng)1圈，霍爾傳感器輸出6個(gè)脈沖。控制器通過脈沖信號來計(jì)算拖拉機(jī)的行駛速度及累計(jì)行駛距離。

電磁閥采用上海凱志閥門有限公司公司生產(chǎn)的V2A102，電磁閥壓力范圍0～1.0MPa，滿足噴藥工作壓力要求。由于PLC輸出口的輸出電流比較小，無法直接驅(qū)動(dòng)電磁閥，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路來控制電磁閥的開啟?？刂破魍ㄟ^控制固態(tài)繼電器的通斷，進(jìn)而控制電磁閥的開閉。

人機(jī)交互界面采用深圳顯控發(fā)展有限公司的SA-7觸摸屏，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，通過觸摸屏可以輸入各項(xiàng)參數(shù)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示傳感器的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并可以手動(dòng)打開和關(guān)閉電磁閥，方便操作。

1.3 工作原理及控制算法

系統(tǒng)通過檢測靶標(biāo)情況，結(jié)合拖拉機(jī)的運(yùn)行速度，通過控制電磁閥來實(shí)現(xiàn)對靶變量噴藥。對靶噴藥的關(guān)鍵點(diǎn)在于：傳感器與噴頭不在同一作業(yè)面，傳感器在拖拉機(jī)車頭，噴藥噴頭在拖拉機(jī)車尾，拖拉機(jī)先檢測靶標(biāo)并存儲數(shù)據(jù)和靶標(biāo)位置，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)計(jì)算噴藥的位置及噴藥寬度。計(jì)算之后作業(yè)，解決靶標(biāo)檢測與噴藥的不同步性問題；控制噴藥的噴灑范圍，做到有靶標(biāo)噴藥，無靶標(biāo)停止噴藥，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)噴藥和根據(jù)速度變量作業(yè)。

PLC首先根據(jù)按鍵選擇，判斷噴藥機(jī)處于何種工作模式下。如果按鍵沒有按下，判斷噴藥機(jī)處于手動(dòng)控制下，PLC放棄對噴藥執(zhí)行單元的控制；如果按下按鍵，則噴藥機(jī)處于自動(dòng)噴藥模式。

在自動(dòng)噴藥模式下，需要操作者預(yù)先設(shè)定單位面積的噴灑量，此后控制器會根據(jù)設(shè)定值自動(dòng)控制噴藥作業(yè)。

開始工作后，PLC通過霍爾傳感器采集速度信號。拖拉機(jī)的輪轂上均勻地安裝了6塊強(qiáng)磁鐵，在拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)，霍爾傳感器每接近1個(gè)磁鐵即輸出1個(gè)脈沖，每周輸出6個(gè)脈沖。

由于拖拉機(jī)的輪子轉(zhuǎn)動(dòng)1周的距離是固定的，所以在傳感器輸出兩個(gè)相鄰脈沖的間隔時(shí)間內(nèi)拖拉機(jī)的移動(dòng)距離是相等的。PLC根據(jù)兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間，計(jì)算出拖拉機(jī)的瞬時(shí)速度v，公式為

v=sd/△t

式中v—拖拉機(jī)行駛速度(m/s)；

sd—單一脈沖所代表的距離(m)；

Δt—相鄰兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔(s)。

拖拉機(jī)的行駛距離可以根據(jù)累計(jì)脈沖數(shù)和速度計(jì)算，當(dāng)霍爾傳感器剛好接近強(qiáng)磁鐵時(shí)，此時(shí)的脈沖數(shù)乘以單位距離正好就是行駛距離，即

st=n·sd

式中st—拖拉機(jī)行駛距離(m)；

n—脈沖數(shù)。

當(dāng)傳感器位于兩個(gè)強(qiáng)磁鐵之間時(shí)，由于下一個(gè)脈沖尚未來到，脈沖數(shù)維持不變，但實(shí)際距離在變大，需要估算增大的這部分距離，用sa表示。這一距離可以采用速度對時(shí)間的積分來計(jì)算，在這一區(qū)間認(rèn)為拖拉機(jī)速度沒有突變(急剎車情況除外)，則拖拉機(jī)實(shí)際的距離為

式中v—拖拉機(jī)行駛速度；

sa—采用積分計(jì)算的距離；

Δt—相鄰兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔。

計(jì)算出累計(jì)距離用于對靶標(biāo)定位，控制系統(tǒng)為每個(gè)傳感器建立1個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。當(dāng)傳感器檢測到果樹樹冠時(shí)，輸出高電平信號，控制器在上升沿信號觸發(fā)下，記錄當(dāng)前行駛距離s1，則樹冠檢測開始點(diǎn)為s1；如果傳感器端口恢復(fù)低電平，控制器檢測不到樹冠，控制器在下降沿信號觸發(fā)下，記錄當(dāng)前行駛距離s2，則樹冠檢測停止點(diǎn)為s2。傳感器檢測范圍為

wse=s2-s1

式中wse—感應(yīng)范圍(cm)；

s1—感應(yīng)起始點(diǎn)；

s2—感應(yīng)終止點(diǎn)。

由于傳感器的檢測范圍有限，樹冠一些地方超過了檢測范圍，傳感器的檢測寬度比樹冠寬度要小，在進(jìn)行噴藥時(shí)，需要對這一寬度進(jìn)行校準(zhǔn)，設(shè)定噴藥校準(zhǔn)寬度為wj(可以通過觸摸屏設(shè)置),在檢測樹冠之前和之后都需要校準(zhǔn)。由于傳感器與噴藥噴頭不在一個(gè)工作面，控制器需要計(jì)算噴頭噴藥的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)。設(shè)傳感器與噴頭的之間的距離為wL,起始點(diǎn)和終止點(diǎn)采用下面公式計(jì)算，即

式中wj—校準(zhǔn)寬度(cm)；

wL—傳感器與噴頭之間的距離(cm)；

控制器為每個(gè)傳感器建立了1個(gè)對應(yīng)的緩存區(qū)，這些數(shù)據(jù)計(jì)算完之后存儲到數(shù)組中，拖拉機(jī)在行駛中控制系統(tǒng)將不停地查詢規(guī)格數(shù)據(jù)區(qū)，將噴藥機(jī)的實(shí)時(shí)距離st與存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，當(dāng)?shù)竭_(dá)噴藥位置時(shí)，開啟噴藥；到達(dá)終止位置時(shí)，關(guān)閉噴藥。

根據(jù)單位面積地塊的噴藥量要求，單位面積(1m2)內(nèi)的噴藥量為K0，則

式中R—施藥量(mL)；

Sare—面積(m2)；

K0—單位面積施藥量(常量)。

拖拉機(jī)噴藥覆蓋的面積等于噴藥覆蓋幅寬(La)乘以行駛距離，即

式中La—噴藥覆蓋幅寬。

在行駛過程中，噴藥機(jī)單位時(shí)間內(nèi)的噴藥覆蓋面積根據(jù)如下公式計(jì)算，即

則單位時(shí)間內(nèi)的噴藥量為

式中Q—噴藥流量(mL/min)。

由推導(dǎo)公式可知：單位時(shí)間內(nèi)噴藥量(噴藥的流量)與拖拉機(jī)的實(shí)時(shí)速度v呈線性關(guān)系。

控制系統(tǒng)根據(jù)行駛的速度調(diào)整噴藥流量，從而達(dá)到變量噴藥的目的，而噴藥流量又與控制噴頭電磁閥的頻率與占空比之間存在線性關(guān)系，所以變量噴藥的核心在于根據(jù)拖拉機(jī)的實(shí)時(shí)速度調(diào)整頻率和占空比。

PLC采集速度值后，根據(jù)控制器內(nèi)部計(jì)算，得出噴頭對應(yīng)控制的頻率和占空比，通過Q0.0～Q0.5通道輸出6路不同的PWM波，驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)PWM波驅(qū)動(dòng)電磁閥的開閉。

PLC通過內(nèi)部精準(zhǔn)的1ms定時(shí)器產(chǎn)生中斷，中斷服務(wù)程序控制輸出端的高低電平，產(chǎn)生精準(zhǔn)PWM波。輸出端口連接固態(tài)繼電器的輸入端，固態(tài)繼電器的響應(yīng)時(shí)間小于1ms，精度較高，滿足快速要求。固態(tài)繼電器的輸出電路跟隨PWM波形通斷，進(jìn)而控制電磁閥的開啟和關(guān)閉，通過控制不同的頻率和占空比來驅(qū)動(dòng)電磁閥，調(diào)節(jié)噴頭流量，達(dá)到變量噴藥的目的。當(dāng)電磁閥打開后，藥液在高壓下快速進(jìn)入噴頭，通過噴頭后呈霧狀散開。

2 試驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 果園靶標(biāo)檢測試驗(yàn)

試驗(yàn)地點(diǎn)位于北京市昌平區(qū)小湯山鎮(zhèn)國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究示范基地，試驗(yàn)裝置如圖3所示。

噴藥機(jī)設(shè)計(jì)的傳感器安裝架采用了多孔設(shè)計(jì)，傳感器固定臂可以調(diào)節(jié)安裝高度，以適應(yīng)不同果樹的高度和樹冠大小。

選取園內(nèi)的櫻桃樹作為試驗(yàn)對象，根據(jù)櫻桃樹的大小,調(diào)節(jié)6個(gè)傳感器的安裝高度，使得1#與2#傳感器的高度為0.8m， 3#與4#傳感器高度為1.2m，5#與6#傳感器高度為1.6m。選取4棵相鄰的果樹并為之編號，測量每棵樹對應(yīng)地面高度為0.8、1.2、1.6m時(shí)的樹冠的實(shí)際寬度wcr。傳感器檢測到樹冠時(shí)，傳感器會輸出低電平，根據(jù)電平信號的下降沿記錄樹冠起始點(diǎn)；當(dāng)傳感器檢測不到樹冠時(shí)，傳感器會輸出高電平；根據(jù)電平信號的上升沿，記錄樹冠終止點(diǎn)；根據(jù)二者之間距離計(jì)算系統(tǒng)的檢測寬度wse。靶標(biāo)檢測試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖3 噴藥實(shí)驗(yàn)裝置

試驗(yàn)號速度/m·s-11#(高度80cm)樹冠寬度/cm檢測寬度/cm噴霧寬度/cm相對誤差/%2#(高度120cm)樹冠寬度/cm檢測寬度/cm噴霧寬度/cm相對誤差/%3#(高度160cm)樹冠寬度/cm檢測寬度/cm噴霧寬度/cm相對誤差/%10.5416415418613.415013617315.311210213217.80.761641531767.31501361628.011210212612.51.161641511693.01501331574.71121021196.320.5421820424512.424523227010.223621926011.10.762182032399.62452322556.92362202547.71.162182032326.42452302402.02362192505.930.5423022026113.42882683159.423422526412.80.762302182519.12882673055.92342252559.01.162302182446.12882652962.72342232444.340.542952743187.83263043466.12842603057.40.762952723105.13263023373.42842562964.21.162952743012.13263003311.52842582902.1

為了測量實(shí)際噴霧寬度，在樹木兩側(cè)插上竹竿，竹竿與果樹樹干平行，并使寬度超過整個(gè)樹冠1m；分別在高度80、120、160cm的樹冠位置掛上寬度為20cm的白色塑料紙，紙的分布沿著拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)方向。

在進(jìn)行噴藥試驗(yàn)時(shí)，往噴藥罐中加入50mL的羅丹明，使得噴霧藥滴呈現(xiàn)紅色，根據(jù)紅色霧滴在白色條上的分布，可以測量實(shí)際的噴藥寬度。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，拖拉機(jī)在3種不同速度條件下，控制系統(tǒng)均能對果樹樹冠有效識別，靶標(biāo)識別率為100%。對于同一區(qū)域的靶標(biāo)，系統(tǒng)在不同速度條件下，測定靶標(biāo)寬度基本相同，誤差小于4cm。所以，在拖拉機(jī)的行駛速度小于1.16m/s時(shí)，速度幾乎不會影響紅外傳感器的靶標(biāo)識別。

根據(jù)對靶噴藥的控制算法，噴藥機(jī)首先探測靶標(biāo)；探測到靶標(biāo)后，記錄靶標(biāo)的位置，系統(tǒng)在行駛過程中不斷地將行駛距離與存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。為了保證整個(gè)樹冠都在噴藥范圍內(nèi)，必須提前開始噴藥，而到達(dá)停止位置，還需要繼續(xù)噴藥。

根據(jù)表1的試驗(yàn)結(jié)果，在本實(shí)驗(yàn)條件下控制系統(tǒng)對靶標(biāo)識別后，均能實(shí)現(xiàn)對樹冠的噴藥覆蓋。

根據(jù)系統(tǒng)工作原理分析，紅外傳感器德檢測靶標(biāo)反應(yīng)時(shí)間不大于1ms，控制器的執(zhí)行速度也在ms級，電磁閥的響應(yīng)時(shí)間為20ms，執(zhí)行速度比較快，而拖拉機(jī)在果園作業(yè)速度一般不超過1.2m/s。噴霧范圍的誤差主要是由于拖拉機(jī)行駛速度的檢測誤差、累計(jì)行駛距離誤差、噴藥執(zhí)行延時(shí)及外界環(huán)境因素等造成的。

對于同一靶標(biāo)區(qū)域，行駛速度越大，噴藥寬度越小，但是速度對檢測寬度幾乎沒有影響。根據(jù)噴藥控制算法，控制器是以實(shí)際檢測的靶標(biāo)寬度為控制基礎(chǔ)的，在到達(dá)靶標(biāo)之前提前一定的距離噴藥，而在剛好沒有靶標(biāo)的位置還要繼續(xù)噴藥，寬度都是預(yù)先設(shè)定的。速度對于噴藥寬度有影響，但是引起的絕對誤差變化值相對較小。本次試驗(yàn)中，在設(shè)定寬度為15cm的條件下，隨著速度的增大，噴藥寬度會減小，噴藥的相對誤差也越小，最大誤差17.8%。

根據(jù)整體試驗(yàn)結(jié)果，在相同的速度及噴藥設(shè)定寬度不變的情況下，靶標(biāo)的樹冠越大，噴藥寬度的相對誤差較小。這是因?yàn)榧词顾俣葪l件改變時(shí)，控制器對靶噴藥算法基于實(shí)際距離控制，實(shí)際噴藥寬度沒有發(fā)生顯著的對應(yīng)變化，樹冠越大，農(nóng)藥的浪費(fèi)也越小。

2.2 果園變量噴藥試驗(yàn)

噴藥機(jī)根據(jù)行駛速度實(shí)行變量噴藥，為驗(yàn)證果園噴藥變量調(diào)節(jié)，使用果園試驗(yàn)裝置，測定不同速度下的噴頭流量。設(shè)定每667m2地的噴藥量為60L，調(diào)節(jié)壓力閥門，使得噴霧壓力為0.40MPa，設(shè)定PWM驅(qū)動(dòng)電路的頻率為10Hz，根據(jù)前面的推導(dǎo)公式，占空比與速度之間存在線性關(guān)系。

噴霧機(jī)設(shè)定在自動(dòng)噴藥模式，拖拉機(jī)在4種不同的速度下行走，分別為慢速Ⅲ擋(0.39m/s)、慢速Ⅳ擋(0.54m/s)、快速Ⅰ擋(0.76 m/s)及快速Ⅱ擋(1.16m/s)，采集單個(gè)噴頭每分鐘的噴藥量。為了準(zhǔn)確地測量噴藥量，控制器采用了定時(shí)中斷，開啟噴藥后開始計(jì)時(shí)，當(dāng)噴藥1min時(shí)停止噴藥。采集噴藥量采用了套袋收集法，體積計(jì)算采用了質(zhì)量測量法，即采用精密電子秤測量收集到的液體質(zhì)量，根據(jù)密度計(jì)算體積；每次測量3次，取3次的平均值作為實(shí)際噴藥量。測量數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 變量噴藥試驗(yàn)

3 結(jié)論

1)本文針對果樹樹冠設(shè)計(jì)的靶標(biāo)探測器能探測噴藥機(jī)兩側(cè)果樹，根據(jù)噴霧寬度、延遲距離及拖拉機(jī)速度等參數(shù)計(jì)算出靶標(biāo)噴霧范圍，準(zhǔn)確控制閥門進(jìn)行對靶噴藥作業(yè)。

2)果園對靶實(shí)驗(yàn)表明：在行駛速度不大于1.16m/s時(shí)，傳感器對樹冠的檢測幾乎不受速度影響；在設(shè)定寬度15cm條件下，速度會影響噴藥寬度，速度越快，噴藥寬度的相對誤差越小。

3)果園變量噴藥試驗(yàn)表明：根據(jù)速度調(diào)節(jié)噴頭電磁閥占空比，可以有效調(diào)節(jié)噴藥流量，實(shí)現(xiàn)變量噴藥，單個(gè)噴頭噴藥流量誤差不超過2.6mL/min，最大相對誤差3.7%。