溫室內(nèi)軌道式噴灌裝置設(shè)計

吳志東，潘 迪，馮宇琛，韓承津

(1.齊齊哈爾大學機電工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006；2.齊齊哈爾大學理學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

不同地域和季節(jié)，溫室內(nèi)環(huán)境會隨之發(fā)生變化，作物灌溉需求量也因此受到影響，不同農(nóng)作物有不同的需水特性、灌溉時間和灌溉量，這些因素直接影響土壤濕度，進而影響農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量[1-3]。溫室節(jié)水灌溉系統(tǒng)研究較多，一般采用多傳感器實時檢測溫室內(nèi)土壤濕度，以ZigBee和WiFi等無線通訊方式實現(xiàn)CPU、多傳感器檢測系統(tǒng)和噴灌系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)智能控制[4-6]。文獻[7-10]中采用的模糊控制、綜合決策等方法，可以實現(xiàn)更加精確地澆灌控制。文獻[11]中設(shè)計的噴灌系統(tǒng)可以實現(xiàn)自動定點，但是此種定點噴灌系統(tǒng)需預先埋置水管、噴頭以實現(xiàn)全區(qū)域噴灌，施工較為復雜。目前，雖然針對溫室的智能灌溉系統(tǒng)研究較多，但多數(shù)以研究控制系統(tǒng)設(shè)計和控制方法為主，澆灌的形式多為地面噴灌?；谀壳皽厥覞补嘞到y(tǒng)的研究成果，本文提出一種適用于溫室環(huán)境的軌道式灌溉系統(tǒng)，采用模糊控制方法，以實現(xiàn)精細灌溉，同時該種澆灌方式不僅可以實現(xiàn)澆水，也可以實現(xiàn)噴淋藥液，其功能區(qū)別于地面澆灌方式，對提高作物產(chǎn)量和質(zhì)量具有重要意義。

1 裝置結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

裝置結(jié)構(gòu)由移動式機械臂和運動軌道組成。為減小裝置對溫室內(nèi)農(nóng)作物遮光影響，提升灌溉輻射面積，裝置采用工字型行走軌道，可視為X、Y直角坐標系。倒掛式機械臂噴灌機構(gòu)可在工字型沿X、Y方向行走，軌道運動方式為直線型運動；采用往復運動滾子鏈傳動機構(gòu)，將鏈條展開拉直固定在支撐梁上，鏈輪裝配在移動的橫梁上，鏈輪與鏈條相互嚙合，在電動機驅(qū)動下進行往復直線運動，可精確控制運動位置。裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量較輕，不需要大型軌道結(jié)構(gòu)，以免遮光。整個機械結(jié)構(gòu)由四根立柱架起，驅(qū)動電機帶動鏈輪在鏈上運動，從而使橫向?qū)к壴诨壣闲凶?，?qū)動電機帶動鏈輪在鏈上運動，從而使機械臂在滑軌上行走，完成倒掛式機械臂噴灌機構(gòu)在直角坐標下任意位置定位，定位后即可根據(jù)土壤濕度實際情況進行灌溉動作。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)圖

倒掛式機械臂噴灌機構(gòu)具有3自由度，分別為：繞末端Z軸轉(zhuǎn)動、沿Y軸平動以及沿X軸平動，3個自由度采用3個步進電機經(jīng)減速器傳動，各個自由度保持運動的相互獨立性，互不干涉，用以完成澆灌時伸縮和旋轉(zhuǎn)的操作功能。該機構(gòu)主要包括大臂、小臂、旋轉(zhuǎn)底座3個部分，底座的旋轉(zhuǎn)中心與噴頭的旋轉(zhuǎn)中心在同一直線上，所以大臂和小臂長度必須相等用以實現(xiàn)更精準的澆灌，結(jié)構(gòu)簡圖和三維結(jié)構(gòu)分別如圖2(a)和2(b)所示，參數(shù)如表1所示。機座可進行 360°轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)機械手各個方向的噴灌動作；大臂可完成0°～180°俯仰運動；小臂可完成0°～180°俯仰運動，小臂端部為噴頭固定端，可以實現(xiàn)固定不同種類噴頭。

表1 主要參數(shù)

圖2 倒掛式機械臂噴灌結(jié)構(gòu)

1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，如圖3所示，主要由傳感器檢測模塊、無線通訊模塊、控制處理模塊以及驅(qū)動模塊組成。土壤濕度采用YL-69型傳感器實時采集土壤濕度， 根據(jù)“勢函數(shù)”方法對傳感器節(jié)點進行布置；運動軌跡檢測模塊由多個紅外測距接近傳感器組成，實現(xiàn)對移動式機械臂的運動軌跡判定；控制處理模塊以STM32芯片為核心，實時處理數(shù)據(jù)、控制機械臂移動以及控制澆水量，協(xié)調(diào)各模塊之間工作；驅(qū)動模塊主要包括繼電器驅(qū)動電磁閥模塊和L298N電機驅(qū)動模塊；通過計算，底座電機轉(zhuǎn)矩約為 ，故選用86BYG250CN型號步進電機。

圖3 控制系統(tǒng)原理框圖

本文所設(shè)計裝置核心部分為前端土壤濕度采集和后端澆灌裝置運動精確控制，從而實現(xiàn)精細噴灌目的。

2 土壤濕度采集方法

現(xiàn)階段土壤濕度傳感器節(jié)點多依靠人工經(jīng)驗布置，數(shù)據(jù)采集誤差較大[12]，因此不能夠滿足本文高精度灌溉決策要求。為克服以上問題，本文提出一種傳感器在空間區(qū)域有效布點的方法，基于勢函數(shù)和電勢場理論，可將傳感器節(jié)點視為“帶電荷粒子”。借鑒電荷勢函數(shù)的相關(guān)理論，即“假設(shè)在一個正方形平面區(qū)域內(nèi)，存在若干個帶等量電荷粒子，并相互排斥，所以在該平面區(qū)域內(nèi)粒子會達到一定平衡狀態(tài)”，當勢函數(shù)值取得極小值時則各粒子達到平衡狀態(tài)[13]。在運動學中勢函數(shù)常用于防碰撞控制中，速度和距離均是重點考慮對象[14,15]。用于土壤濕度采集的傳感器節(jié)點為非運動狀態(tài)，故計算過程中僅考慮距離即可。根據(jù)該理論，節(jié)水灌溉實施過程中可以將溫室視作n個正方形模塊組合而成，各模塊內(nèi)檢測土壤濕度的所有傳感器節(jié)點xi構(gòu)成一個集合S，而傳感器節(jié)點視作“帶電荷粒子”，其電量為qi(可用傳感器感知范圍表示“粒子帶電量”)，用傳感器節(jié)點xi勢函數(shù)值大小度量節(jié)點布置是否到達均勻性。傳感器節(jié)點xi到 (1≤i≤n,j≠i,1≤i≤m)的距離為|xj-xi|，則點xi與xj相互作用勢函數(shù)u為：

(1)

點xi與集合S中其他節(jié)點相互作用勢函數(shù)ui，s為[16]：

(2)

若采用的傳感器為同一類型，則可認為qi=qj，則：

(3)

勢函數(shù)取得極小值條件為[17,18]：

(4)

根據(jù)人工經(jīng)驗進行傳感器布點分布比較隨機，如圖4(a)所示，布置傳感器節(jié)點較多，數(shù)據(jù)采集范圍有交疊。勢函數(shù)值度量了傳感器節(jié)點是否均勻的程度，根據(jù)文獻[19]中所述，可認為任一節(jié)點受集合內(nèi)所有點作用力的矢量和為零時，勢函數(shù)為最小值，布點達到均勻。

圖4 均勻布點前后對比

根據(jù)勢函數(shù)值大小需要調(diào)整每個傳感器節(jié)點在平面中的位置，沿著使勢函數(shù)值減小的方向移動某傳感器節(jié)點，使該節(jié)點在平面內(nèi)勢函數(shù)值最小，重復此過程，最終可使平面內(nèi)每個節(jié)點的勢函數(shù)值處于最小。但當勢函數(shù)最小時，傳感器對數(shù)據(jù)采集不能達到最大面積的覆蓋，綜合考慮，取各節(jié)點勢函數(shù)相等時，可實現(xiàn)均衡狀態(tài)即傳感器節(jié)點的布置達到最優(yōu)狀態(tài),如圖4(b)所示, 其中，xi(i=1,2,…,n)分別表示傳感器節(jié)點，白色區(qū)域表示傳感器可采集數(shù)據(jù)范圍 ，此均勻性布點并不是土壤面積的全區(qū)域覆蓋，而是土壤濕度數(shù)據(jù)的全區(qū)域覆蓋。

通過以上分析可知，傳感器數(shù)據(jù)采集范圍是影響均勻布點的主要因素。本文研究以YL-69型土壤濕度采集傳感器為例，通過實驗可知當傳感器埋置在45 cm深處，對中心點單點澆灌，當中心點濕度達到100%時(土壤水分飽和)即已達到傳感器采集數(shù)據(jù)的上限值，其對土壤濕度的采集范圍為60 cm。

對傳感器采集范圍進行數(shù)學建模，以傳感器節(jié)點i為中心，在平面S上任何一點采集的土壤濕度值可表示為：

(5)

式中：r為距中心節(jié)點距離；Q為中心處澆水量；當傳感器類型固定，埋設(shè)深度固定，k值為常數(shù)。

而點電荷i所在在平面S上任何一點的電勢可表示為：

(6)

傳感器檢測所在平面上任一點土壤濕度與點電荷所在平面任一點電勢基本性質(zhì)相似，根據(jù)對偶性，可用公式(6)代替公式(5)。若將n個傳感器所在的平面視為一個集合S，那么，平面內(nèi)任一節(jié)點xi與集中其他節(jié)點的相互作用勢函數(shù)可用公式(3)表示，從而得出最優(yōu)傳感器布點結(jié)果。均勻性布點可以更加精確采集土壤濕度，也可以得到區(qū)域內(nèi)任一點土壤濕度值，為精確控制澆灌時間提供數(shù)據(jù)支持。

3 土壤濕度模糊控制

為精確控制澆灌時間，進而控制澆灌量，土壤濕度采用模糊方法控制。選擇土壤濕度偏差E以及偏差變化率ΔE為系統(tǒng)輸入量，電磁閥開啟時間U為輸出量。設(shè)置土壤濕度傳感器采樣周期為2 s，一個周期內(nèi)土壤濕度在10%以內(nèi)變化，模擬實驗過程中，由裝置單點澆灌，土壤最低濕度值達到50%所需時間為40 s，土壤濕度偏差E基本論域范圍為[-8%，8%]，△E基本論域范圍[-12%，12%]，輸出控制量U基本論域為[0，40 s]。土壤濕度偏差E和偏差變化率△E模糊語言描述為：NB(負大)、NS(負小)、O(0)、PB(正小)、PS(正大)。O表示當前土壤濕度處于土壤濕度50%范圍內(nèi)；NB、NS分別表示土壤濕度值小于50%的程度逐漸減弱(NB：缺水較為嚴重)；PB、PS分別表示土壤濕度值高于50%的程度逐漸增強(PS：水分含量過大)?？刂齐姶砰y開啟時間變量U用五個模糊語言描述為：O(關(guān)閉電磁閥)、PS(短時間打開電磁閥)、PM(中等時間開啟電磁閥)、PB(長時間開啟電磁閥)、PB+(很長時間開啟電磁閥)。從O到PS+表示滴灌電磁閥開啟時間逐漸加長，表2為模糊論域與基本論域關(guān)系。

表2 輸入輸出關(guān)系

土壤濕度控制中輸入輸出變量都具有線性關(guān)系，輸入輸出變量均采用三角形隸屬函數(shù)，使其均勻分布在模糊集合中。土壤濕度模糊控制器的偏差E、偏差變化率ΔE與控制電磁開啟時間U的隸屬函數(shù)分別定義如圖5-7所示。

將模糊控制理論與人工專家經(jīng)驗相結(jié)合，在土壤含水量偏差大時，輸出量要盡可能大，盡快消除偏差；土壤濕度偏差較小時，輸出量要以系統(tǒng)的穩(wěn)定為主，防止輸出量大引起超調(diào)現(xiàn)象。在溫室大棚中，土壤濕度高于所設(shè)置土壤濕度最大值時無法使電磁閥動作，其模糊控制響應(yīng)表如表3所示。

圖5 E隸屬函數(shù)

圖6 ΔE隸屬函數(shù)

圖7 U隸屬函數(shù)

表3 土壤濕度模糊控制

建立模糊規(guī)則，在SIMULINK 環(huán)境下建立模糊控制仿真結(jié)構(gòu)圖，并對其系統(tǒng)進行仿真實驗。仿真結(jié)構(gòu)如圖8所示，仿真曲線如圖9所示。通過仿真曲線可以看出，響應(yīng)速度快，小于1 s，超調(diào)量小，控制精度高和定性強。

4 機械臂運動路徑及PI控制

4.1 運動路徑

倒掛式機械臂噴灌機構(gòu)在電機驅(qū)動下在工字型軌道上沿直角坐標方向運動，運動路徑如圖10所示?？刂品绞綖殚_關(guān)控制，其主要控制分兩部分：一是行走，機械臂沿X方向行走，在X方向軌道的等距離處安裝紅外測距接近傳感器即定位傳感器，當機械臂沿X方向行走到達定位傳感器處，輸出量由常閉變成常開，此時機械臂在X方向停止運動，重復以上動作，直至運動到X方向末端；橫向軌道帶動機械臂沿Y方向運動，直至Y方向定位傳感器處停止，繼續(xù)沿X方向運動；機構(gòu)按照以上路徑規(guī)則行走，直至終點。二是定位，機械臂在運動過程中主要在X方向進行定位，根據(jù)檢測土壤濕度的傳感器相應(yīng)的位置，在X方向軌道上安裝一個與之對應(yīng)的紅外測距接近傳感器，當傳感器檢測到預定濕度時將信號輸出給與之對應(yīng)的開關(guān)量使機械臂在X方向停止運動，完成定位，進行噴灌。

圖8 模糊控制仿真結(jié)構(gòu)圖

圖9 模糊控制仿真曲線

圖10 機械臂行走路徑

4.2 PI控制

為配合土壤濕度模糊控制，實現(xiàn)整體裝置的快速動作，采用比例積分方法控制即PI控制，實現(xiàn)倒掛式機械臂機構(gòu)快速響應(yīng)控制指令功能，驅(qū)動機械臂運動，完成相應(yīng)行走路徑。PI控制基本原理如圖11所示，并利用MATLAB/Simulink對本文所采用的PI控制器進行仿真，結(jié)果如圖12所示，電機控制響應(yīng)至穩(wěn)定時間可控制在1 s以內(nèi)，表明PI控制可以保證驅(qū)動電機控制響應(yīng)速度快、運行穩(wěn)定。

圖11 比例積分調(diào)節(jié)器原理圖

圖12 PI控制仿真結(jié)果

4.3 模型測試

圖13為裝置整體結(jié)構(gòu)模型，利用土壤濕度檢測儀器測得個采集節(jié)點濕度并校對土壤濕度傳感器，通過上位機預設(shè)各節(jié)點土壤所需濕度。裝置下方為實驗土壤區(qū)域，區(qū)域內(nèi)埋置4個傳感器節(jié)點，對應(yīng)節(jié)點上方設(shè)有接近開關(guān)。通電調(diào)試后，機械臂可按預設(shè)指令進行上下伸展、旋轉(zhuǎn)，無線接收模塊接收數(shù)據(jù)至機械臂動作時間不到1 s；倒掛式機械臂可沿橫向、縱向軌道運動，運動軌跡與預設(shè)運動軌跡一致。

圖13 裝置模型

裝置工作過程中，水管半徑尺寸R固定不變，假設(shè)水流速度v也不變，則任一節(jié)點噴灌水量Q由噴灌時間決定，機械臂末端在各節(jié)點處停留時間T即噴灌時間，Q與T關(guān)系由公式(7)表示。

Q=πR2vT

(7)

以每噴灌30 s土壤濕度變化5%作為量化標準，實時測得土壤濕度數(shù)據(jù)記作C，任一節(jié)點所需濕度記作A(可設(shè)置)，則T可用公式(8)表示，所得結(jié)果如表4所示，各數(shù)據(jù)取整數(shù)?？芍b置可自動完成相應(yīng)動作，噴灌時間滿足作物預設(shè)所需。

(8)

表4 測試數(shù)據(jù)

5 結(jié) 語

本文設(shè)計一種可沿軌道移動的大棚灌溉裝置，設(shè)計倒掛式機械臂噴灌結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)澆灌、噴藥兩種功能。提出以“勢函數(shù)”理論為基礎(chǔ)的傳感器布點方式代替人工經(jīng)驗布置，可保證傳感器布點均勻，采集數(shù)據(jù)準確。土壤濕度采用模糊控制方法進行調(diào)節(jié)，超調(diào)量小，響應(yīng)速度小于1 s；同時，為了實現(xiàn)裝置得快速動作響應(yīng)，采用PI控制方法可對裝置進行運動控制，響應(yīng)時間小于1 s。裝置模型搭建完成，以5%的濕度作為量化數(shù)值，數(shù)據(jù)測試及分析，可知裝置按軌跡進行運動并完成噴灌動作。