基于可編程邏輯控制器的銀杏園智能灌溉機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李杜，林萍，陳永明

(鹽城工學(xué)院 電氣工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051)

隨著高新技術(shù)與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展和應(yīng)用，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)管理模式已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的需求，亟須引入先進(jìn)的技術(shù)管理手段。水分是影響作物生長的關(guān)鍵環(huán)境因子，合理的灌溉手段是提高作物產(chǎn)量最有效的途徑。智能灌溉模式不僅可以節(jié)水節(jié)工，而且還可以在灌溉過程中避免人為產(chǎn)生的不利因素影響，提高灌溉的準(zhǔn)確性和水資源利用效率[1-3]。在此背景下，以葉用銀杏園為研究對象，設(shè)計(jì)一種利用可編程邏輯控制器(PLC)實(shí)現(xiàn)智能控制的灌溉機(jī)器人，按照銀杏樹的需水規(guī)律進(jìn)行不同生育期的需求設(shè)計(jì)，把水分定時(shí)定量直接提供給銀杏，實(shí)現(xiàn)智能控制，為銀杏園的灌溉工程提供簡便、省力與高效的智能化解決方案。

1 系統(tǒng)介紹

灌溉機(jī)器人采用三菱PLC作為控制核心，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)與PLC內(nèi)部程序中的設(shè)定值進(jìn)行比較，通過比較結(jié)果輸出PLC控制指令，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作。同時(shí)，通過控制噴灌通路電磁閥的通斷時(shí)長來實(shí)現(xiàn)對噴灌水量的控制。

2 控制原理

采用PLC作為灌溉機(jī)器人的控制中心。PLC外部接線簡單，內(nèi)部程序編程易于掌握，在輸入輸出信號時(shí)采用光電隔離，對外界的抗干擾能力強(qiáng)，而且灌溉機(jī)器人的控制系統(tǒng)輸出信號都是開關(guān)量，因此，PLC控制器十分適合在室外銀杏園環(huán)境中應(yīng)用[4]。三菱是市場上常見的PLC品牌，本設(shè)計(jì)采用三菱FX2N-32MR-001型PLC。

PLC的輸入信號包括溫濕傳感器采集的模擬量。這些模擬信號首先經(jīng)過三菱的A/D轉(zhuǎn)換模塊(三菱FX2N-4AD)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后傳輸?shù)絇LC中供PLC內(nèi)部存儲程序進(jìn)行處理與運(yùn)算。位置傳感、測距傳感器、水位傳感器采集的信號為數(shù)字量輸入，可以直接進(jìn)入PLC進(jìn)行邏輯處理，最后輸出控制信號。機(jī)器人控制系統(tǒng)中，PLC控制的部分有給水泵和灌溉泵啟停，水箱蓋開閉，以及前輪的電動機(jī)、灌溉轉(zhuǎn)臺電動機(jī)、蓄電池的通斷(圖1)。

圖1 灌溉機(jī)器人的控制原理

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)器人灌溉路徑設(shè)計(jì)

在銀杏園的灌溉路線上鋪設(shè)電磁引導(dǎo)線，采用信號發(fā)生器使電流發(fā)出電磁信號。在灌溉機(jī)器人的兩端設(shè)置電磁傳感器，采集電磁引導(dǎo)線發(fā)出的電磁信號并發(fā)送給PLC進(jìn)行邏輯處理。PLC根據(jù)電磁傳感器采集的電磁引導(dǎo)線信號作為依據(jù)，控制機(jī)器人的2個(gè)前輪電動機(jī)。具體如圖2所示。

圖2 銀杏園的灌溉路徑

3.2 機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水箱里設(shè)置水位傳感器監(jiān)測水量的變化。當(dāng)高水位傳感器監(jiān)測到水位發(fā)出信號時(shí)，代表水箱中的水已滿，PLC發(fā)出給水泵的停止控制信號和水箱蓋的閉合控制信號，水箱停止補(bǔ)水，水箱蓋合上，灌溉機(jī)器人開始灌溉工作。反之，當(dāng)?shù)退粋鞲衅鞅O(jiān)測到水位時(shí)，代表水箱里已經(jīng)沒有水。

機(jī)器人根據(jù)設(shè)置在兩端的電磁傳感器采集到的電磁引導(dǎo)線信號控制前輪電動機(jī)后退到給水點(diǎn)進(jìn)行水箱補(bǔ)水。給水泵設(shè)置在給水點(diǎn)處，用于給灌溉水箱補(bǔ)水。位置傳感器3設(shè)置在灌溉管道上，當(dāng)PLC接收到位置傳感器3的信號時(shí)，意味著灌溉機(jī)器人已經(jīng)處于給水位置，PLC便會發(fā)出給水泵的啟動控制信號和水箱蓋的開啟控制信號，進(jìn)行水箱補(bǔ)水。具體機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

3.3 機(jī)器人底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)器人的底盤可采用亞克力板，這種特殊處理的有機(jī)玻璃硬度高，抗老性能好，可以適應(yīng)風(fēng)吹雨淋、日光照射的室外環(huán)境，而且透明度好，在檢修過程中利于操作人員方便作業(yè)[5]。

在機(jī)器人底盤上，灌溉水箱后置，電動機(jī)和電池前置，以避免頭重腳輕的情況，保證機(jī)器人移動時(shí)平順。

由于銀杏園的林間道路并不十分平坦，因此采用履帶推進(jìn)方式。根據(jù)機(jī)器人與灌溉水箱的質(zhì)量，電動機(jī)1和電動機(jī)2采用250 W直流旋變無刷伺服電機(jī)，通過聯(lián)動桿，將動力從電機(jī)傳遞到2個(gè)前輪上。根據(jù)電機(jī)1、2和灌溉水泵的電機(jī)型號，選擇3個(gè)N100 12V 100AH的電池并聯(lián)，為機(jī)器人提供充足動力。

電動機(jī)1和電動機(jī)2通過聯(lián)動桿分別控制機(jī)器人兩側(cè)的前輪和履帶。當(dāng)機(jī)器人前進(jìn)和后退時(shí)，2個(gè)電動機(jī)同時(shí)啟動，以共同的速度前轉(zhuǎn)或者后轉(zhuǎn)。當(dāng)機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時(shí)，2個(gè)電動機(jī)中的一個(gè)停止工作，另一個(gè)電動機(jī)保持轉(zhuǎn)動，使機(jī)器人完成轉(zhuǎn)彎動作。電池放置在機(jī)器人上用于機(jī)器人上電動機(jī)的供電。當(dāng)機(jī)器人上的電動機(jī)即將沒電時(shí)，給PLC發(fā)出信號，PLC控制機(jī)器人回到給水點(diǎn)的位置。電池旁設(shè)置溫濕傳感器。當(dāng)溫濕傳感器發(fā)出信號時(shí)，指示溫度與濕度環(huán)境已經(jīng)不適合機(jī)器人運(yùn)作。當(dāng)PLC接收到溫濕傳感器信號后，發(fā)出電池停止供電的控制信號，同時(shí)發(fā)出無線信號通知管理人員進(jìn)行維修或者回收。

電磁傳感器負(fù)責(zé)探測敷設(shè)在銀杏園地面的電磁引導(dǎo)線位置。PLC根據(jù)電磁傳感器探測的信號控制機(jī)器人的位移。具體的機(jī)器人底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 機(jī)器人底盤結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

3.4 灌溉管道轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

測距傳感器1、2分別布置在灌溉管道轉(zhuǎn)臺的兩側(cè)。測距傳感器采用AJ-SR04 M一體化超聲波測距模塊，該模塊的測量距離可以根據(jù)銀杏園樹木的實(shí)際間距進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)測距傳感器1探測到有樹木經(jīng)過時(shí)，PLC發(fā)出信號控制機(jī)器人暫停動作，同時(shí)控制電動機(jī)3通過正反轉(zhuǎn)帶動轉(zhuǎn)臺和灌溉管道向測距傳感器1所在側(cè)轉(zhuǎn)動。當(dāng)灌溉管道灌溉方向轉(zhuǎn)動至測距傳感器1側(cè)的樹木時(shí)，位置傳感器1發(fā)出信號，PLC接收到信號后發(fā)出電動機(jī)3的停止信號與灌溉泵的啟動信號，機(jī)器人開始噴水灌溉。灌溉的水量依據(jù)灌溉管道噴水的時(shí)間進(jìn)行控制，當(dāng)噴水時(shí)間達(dá)到設(shè)定值后PLC便會控制灌溉泵停止運(yùn)作，同時(shí)控制機(jī)器人繼續(xù)行進(jìn)，直至灌溉水箱沒水。具體如圖5所示。

圖5 灌溉管道轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

4 小結(jié)

將PLC應(yīng)用在灌溉機(jī)器人的控制中，簡化了灌溉系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與硬件接線，實(shí)現(xiàn)了灌溉的智能控制，達(dá)到了節(jié)省用水和節(jié)省人力的目的，灌溉質(zhì)量也得到了顯著提高。