噴桿噴霧機(jī)變量控制特性測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)*

陳彬，陳小兵，于慶旭，張井超，裴亮，馮耀寧，劉燕

(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京市，210014)

0 引言

傳統(tǒng)施藥技術(shù)農(nóng)藥有效利用率僅為20%～30%，而精準(zhǔn)施藥技術(shù)農(nóng)藥有效利用率可達(dá)50%～60%[1]，變量噴霧控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施藥作業(yè)的關(guān)鍵部件[2-5]。噴桿噴霧機(jī)作為一種高效的大田植保機(jī)械，具有霧化效果好、作業(yè)效率高、農(nóng)藥?kù)F滴沉積分布均勻等優(yōu)點(diǎn)[6]。將變量噴霧控制系統(tǒng)與噴桿噴霧機(jī)相結(jié)合的變量噴桿噴霧機(jī)也日漸成熟，研究其變量控制特性測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)推動(dòng)精準(zhǔn)變量噴霧技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。

Anglund E A和Aters P D等通過(guò)試驗(yàn)研究得到變量噴霧控制系統(tǒng)的總延時(shí)為2.35 s，控制閥體的延時(shí)為1.5 s[7]。邱白晶等進(jìn)行了變量噴霧裝置響應(yīng)特性試驗(yàn)和節(jié)流閥階躍響應(yīng)特性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)流量調(diào)節(jié)響應(yīng)時(shí)間為3 s，響應(yīng)時(shí)間對(duì)噴霧均勻性有較大影響；節(jié)流閥存在純時(shí)滯環(huán)節(jié)時(shí)間，變量噴霧系統(tǒng)上升時(shí)間與階躍幅值有關(guān)，階躍幅值越大，上升時(shí)間的數(shù)值越大[8-16]。未見針對(duì)噴桿噴霧機(jī)整機(jī)流量隨速控制特性測(cè)試方面的研究報(bào)道。因此，研究開發(fā)噴桿噴霧機(jī)變量控制特性測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試流量隨速調(diào)節(jié)的精準(zhǔn)性、響應(yīng)性，為變量控制系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的測(cè)試手段，滿足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展需求。

本文研制了一種基于Android和CAN總線的噴桿噴霧機(jī)變量控制特性測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)RTK(Real-time kinematic)技術(shù)、高精度傳感器、計(jì)算機(jī)軟件得到機(jī)具流量控制的精準(zhǔn)性和隨速調(diào)節(jié)的響應(yīng)特性。為噴桿噴霧機(jī)變量控制作業(yè)質(zhì)量的評(píng)價(jià)提供技術(shù)支撐，也為其他變量作業(yè)機(jī)具的性能測(cè)試提供參考依據(jù)。

1 測(cè)試系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

在指定施藥量Q和噴幅L的條件下，噴桿噴霧機(jī)變量控制系統(tǒng)工作原理如式(1)所示，管路流量隨車速實(shí)時(shí)變化，以實(shí)現(xiàn)均勻噴灑的目的。

(1)

式中：q——管路流量，L/min；

Q——施藥量，L/hm2；

L——噴幅，m；

v——機(jī)具前進(jìn)速度，km/h。

因此，在其變量控制特性測(cè)試時(shí)，速度、管路流量為主要監(jiān)測(cè)參數(shù)。

如圖1所示，噴桿噴霧機(jī)變量控制特性測(cè)試系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱測(cè)試系統(tǒng))主要由主處理器、4G天線、三模GNSS天線、數(shù)傳天線、流量傳感器、壓力傳感器、流量-壓力監(jiān)測(cè)終端處理器(以下簡(jiǎn)稱終端處理器)、數(shù)傳-藍(lán)牙中繼站、CAN總線、Android智能設(shè)備、PC、電池等組成。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖

測(cè)試作業(yè)時(shí)，按照主處理器和終端處理器的接口標(biāo)識(shí)掛接各個(gè)傳感器單元；流量傳感器與壓力傳感器串接進(jìn)噴桿與變量噴霧控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的液體管路。綜合各部分傳感器信息后，主處理器一方面將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送至Android智能設(shè)備上；另一方面將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至內(nèi)部空間，待測(cè)試完畢后通過(guò)USB接口下載至PC進(jìn)行測(cè)試結(jié)果的處理與分析。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主處理器組成與電路設(shè)計(jì)

如圖2所示，主處理器包括中央處理器、各類模塊(穩(wěn)壓降壓模塊、4G模塊、RTK模塊)、天線接口與數(shù)據(jù)通訊接口。其中，4G模塊與RTK模塊組成網(wǎng)絡(luò)RTK模塊，輕巧便攜的同時(shí)可保證其速度測(cè)試精度[17]。CAN通訊電路采用總線分布式控制方式，具有實(shí)時(shí)性好、高位率、高抗電磁干擾及容錯(cuò)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[18-21]。數(shù)據(jù)接口采用4芯航空插頭，減少線束的同時(shí)提高工作穩(wěn)定性(IP68防護(hù)等級(jí))。電源電路總共分為三路，分別為穩(wěn)壓降壓模塊、RTK模塊和終端處理器供電。

圖2 主處理器電路原理圖

2.2 終端處理器設(shè)計(jì)

終端處理器主控板電路原理圖如圖3所示。

圖3 終端處理器電路原理圖

采用意法STM32F103CB嵌入式微型控制器，工作頻率為72 MHz，搭配KOAN8 MHz外部晶振，具有豐富的通信接口，包括USB、CAN、2個(gè)10通道ADC、SPI、I2C、LIN、UART/USART等，并提供37路的輸入與輸出。主控板電壓需求為12 V，需要通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換將蓄電池的24 V降至12 V，采用金升陽(yáng)VRB2412LD-50W型電源模塊，輸入電壓為18～36 V，輸出電壓為12 V/4 167 mA。為保證通訊質(zhì)量減少線束使用，在其主控板上設(shè)計(jì)兩個(gè)可隨意級(jí)聯(lián)拓?fù)鋽U(kuò)展連接的CAN總線通訊接口。

2.3 傳感器選型

選擇GEMS FT-100系列液體渦輪流量計(jì)，量程為2～35 L/min，精度為±3%，重復(fù)性為0.5%，工作電壓為5～24 V，脈沖信號(hào)的輸出頻率為25～438 Hz，響應(yīng)時(shí)間小于40 ms，滿足數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性需求；采用螺紋連接、重量輕、便于攜帶，適合田間作業(yè)。選用PT-100系列壓力傳感器，量程為0～2.5 MPa，精度為0.5%，工作電壓為8～30 V，輸出信號(hào)為4～20 mA，采樣頻率2 400 Hz，響應(yīng)時(shí)間2 ms。采用HG-GOYH7151型GNSS多星多頻天線，相位中心誤差小于2 mm，工作電壓3～5.5 V，可以同時(shí)接收北斗(B1/B2/B3)、GPS(L1/L2)和GLONASS(G1/G2)三星七頻段信號(hào)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主要參數(shù)測(cè)試原理

3.1.1 速度信息獲取

網(wǎng)絡(luò)RTK定位測(cè)速信息包含在NEMA0183協(xié)議的$GNGGA和$GNVTG命令中，利用ASCⅡ碼傳遞信息，其速度信息格式如下[22-23]，本研究主要利用$GNVTG命令中的(4)處數(shù)據(jù)得到機(jī)具的實(shí)時(shí)速度信息。

$GNVTG,(1),T,(2),M,(3),N,(4),K,(5)*hh(CR)(LF)

$GNVTG：$為命令起始位，GN為識(shí)別符，VTG為命令句；(1)：以真北為參照的對(duì)地航向；(2)：以磁北為參照的對(duì)地航向；(3)：對(duì)地航速(單位：節(jié)/h)；(4)：對(duì)地航速(單位：km/h)；(5)：模式指示(A=自主定位，D=差分，E=估算，N=數(shù)據(jù)無(wú)效)。

3.1.2 流量信息的獲取

渦輪流量計(jì)的輸出脈沖信號(hào)與流量數(shù)值之間的關(guān)系如式(2)所示[24-25]。

(2)

式中：q0——流量數(shù)值，L/min；

p——流量計(jì)t時(shí)間內(nèi)輸出的脈沖數(shù)；

t——流量計(jì)脈沖輸出時(shí)間間隔，s；

K——流量計(jì)儀表系數(shù)，取750脈沖/L。

3.1.3 壓力信息的獲取

壓力傳感器輸出的為4～20 mA模擬信號(hào)，通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)終端處理器計(jì)算得到相應(yīng)壓力數(shù)值。壓力傳感器壓力信息計(jì)算如式(3)所示[24]。

(3)

式中：P——壓力，MPa；

Pmax——壓力傳感器測(cè)量上限值，取2.5 MPa；

Pmin——壓力傳感器測(cè)量上限值，取0 MPa；

Pm——壓力模擬量采樣值。

3.2 硬件驅(qū)動(dòng)程序

程序流程圖如圖4所示。

圖4 硬件程序流程圖

硬件驅(qū)動(dòng)程序主要包括主處理器驅(qū)動(dòng)程序和終端處理器驅(qū)動(dòng)程序。主處理器程序完成各個(gè)傳感器單元的信息綜合解析傳遞、控制LED狀態(tài)指示燈、生成并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息文件供用戶下載。結(jié)合各傳感器響應(yīng)時(shí)間，設(shè)定速度、流量、壓力信息采集頻率均為10 Hz，即系統(tǒng)的處理響應(yīng)時(shí)間為0.1 s。終端處理器程序通過(guò)Keil uVision5進(jìn)行編譯，負(fù)責(zé)收集噴霧機(jī)管路流量與壓力信息，按照自定義的協(xié)議通過(guò)CAN口反饋至主處理器。

3.3 Android監(jiān)測(cè)軟件和數(shù)據(jù)處理軟件

Android監(jiān)測(cè)軟件采用java語(yǔ)言基于Android Studio平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，軟件界面如圖5(a)所示。測(cè)試作業(yè)時(shí)，以1 Hz的數(shù)據(jù)更新頻率實(shí)時(shí)將網(wǎng)絡(luò)RTK速度、流量、總流量、壓力信息等噴霧機(jī)狀態(tài)信息解析出來(lái)，顯示于軟件界面上。

數(shù)據(jù)分析處理軟件，主要將主處理器記錄的各項(xiàng)數(shù)據(jù)用圖表的形式呈現(xiàn)，如圖5(b)所示。軟件左側(cè)為所需分析數(shù)據(jù)的選項(xiàng)按鈕；中間數(shù)據(jù)呈現(xiàn)區(qū)域，將數(shù)據(jù)用曲線圖的形式表達(dá)，橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位ms；右側(cè)數(shù)據(jù)曲線偏置和倍率系數(shù)設(shè)置欄，解決各項(xiàng)數(shù)據(jù)單位不統(tǒng)一，同一坐標(biāo)系下曲線特征不能完全展現(xiàn)的問(wèn)題。

(a) Android軟件界面

4 測(cè)試系統(tǒng)性能試驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)條件

測(cè)試系統(tǒng)試驗(yàn)包括數(shù)據(jù)采集性能試驗(yàn)和測(cè)試系統(tǒng)驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)于2020年5—7月進(jìn)行。流量壓力數(shù)據(jù)采集性能試驗(yàn)在噴霧器性能試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，試驗(yàn)臺(tái)搭載LDG-10LM型電磁流量計(jì)，量程2～50 L/min，精度0.5級(jí)；PCM300DT型壓力傳感器，量程0～2.5 MPa，精度0.2級(jí)。速度數(shù)據(jù)采集性能試驗(yàn)比對(duì)數(shù)據(jù)的儀器設(shè)備是本單位前期研發(fā)的基站RTK定位測(cè)速系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱基站RTK)，動(dòng)態(tài)差分定位精度(0～40 km/h)為0.07 m。設(shè)定本測(cè)試系統(tǒng)、試驗(yàn)臺(tái)和基站RTK的數(shù)據(jù)采集輸出頻率均為10 Hz。

圖6 噴霧器性能試驗(yàn)臺(tái)

系統(tǒng)驗(yàn)證試驗(yàn)機(jī)型為SWAN 3WP-500型自走式噴桿噴霧機(jī)，噴幅9.5 m，液泵流量62 L/min，液泵轉(zhuǎn)速1 520 r/min；搭載ARAG 400S型電腦控制器和3個(gè)電磁閥組分別控制3路區(qū)段噴桿流量，噴桿上共配置21個(gè)422HCC01型號(hào)噴頭。

圖7 系統(tǒng)驗(yàn)證試驗(yàn)

4.2 流量數(shù)據(jù)采集性能試驗(yàn)

參考JJG 1037-2008《渦輪流量計(jì)檢定規(guī)程》，分別調(diào)整試驗(yàn)臺(tái)流量為2 L/min、7 L/min、14 L/min以及35 L/min，4種工況，每種工況做7次重復(fù)。用量筒承接出水口流出的液體，稱量其體積作為理論累計(jì)流量值，對(duì)比測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)記錄的累計(jì)流量數(shù)值，計(jì)算相對(duì)誤差和系統(tǒng)讀數(shù)的重復(fù)性。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，系統(tǒng)累計(jì)流量與理論累計(jì)流量之間的最大誤差為1.63%，平均誤差為0.99%，系統(tǒng)讀數(shù)的平均重復(fù)性為0.31%。統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)瞬時(shí)流量數(shù)據(jù)穩(wěn)定階段的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，可看出瞬時(shí)流量的平均標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.04 L/min；說(shuō)明該流量傳感器精度較高，重復(fù)性和穩(wěn)定性好，滿足測(cè)試的要求。

4.3 壓力數(shù)據(jù)采集性能試驗(yàn)

分別調(diào)整試驗(yàn)臺(tái)壓力至0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa，統(tǒng)計(jì)穩(wěn)壓階段測(cè)試系統(tǒng)壓力平均值與試驗(yàn)臺(tái)壓力值之間的數(shù)值偏差，以檢驗(yàn)系統(tǒng)的壓力測(cè)試精度；每組試驗(yàn)重復(fù)7次，計(jì)算其變異系數(shù)，以檢驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如圖8所示，系統(tǒng)壓力數(shù)據(jù)與試驗(yàn)臺(tái)壓力數(shù)據(jù)平均偏差為0.02 MPa，最大變異系數(shù)為2.88%，平均變異系數(shù)為2.09%，說(shuō)明系統(tǒng)壓力讀數(shù)精度較高，穩(wěn)定性較好。

圖8 壓力測(cè)量精度試驗(yàn)

4.4 速度數(shù)據(jù)采集性能試驗(yàn)

根據(jù)噴桿噴霧機(jī)作業(yè)速度，試驗(yàn)速度范圍確定為0～20 km/h，駕駛試驗(yàn)車分別在低速段(5 km/h)、中速段(10 km/h、15 km/h)以及高速段20 km/h做勻速運(yùn)動(dòng)，每種速度狀態(tài)行駛20～30 s；在低速段、中速段和高速段之間做加減速試驗(yàn)，加減速度間隔為5 km/h；試驗(yàn)總時(shí)長(zhǎng)為180 s。以時(shí)間為橫坐標(biāo)，以速度為縱坐標(biāo)建立直角坐標(biāo)系；以基站RTK數(shù)據(jù)為試驗(yàn)真值，繪制速度-時(shí)間曲線圖，如圖9所示。

圖9 原始速度數(shù)值曲線圖

網(wǎng)絡(luò)RTK速度與基站RTK速度曲線變化一致，重合性較好。為進(jìn)一步分析速度偏差，根據(jù)拉依達(dá)準(zhǔn)則剔除速度互差的異常數(shù)據(jù)[26]，得到如圖10所示速度偏差曲線圖?？梢钥闯鲈诜€(wěn)定行駛階段，速度偏差表現(xiàn)較為穩(wěn)定，呈小幅度振動(dòng)現(xiàn)象，變化區(qū)間為-0.3～0.3 km/h；速度的快慢對(duì)測(cè)速偏差無(wú)顯著性影響。在車速劇烈變化的加減速階段，速度偏差出現(xiàn)大幅度波動(dòng)現(xiàn)象，速度偏差值較大，其最大偏差為-0.86 km/h。整個(gè)試驗(yàn)區(qū)間的平均速度偏差為-0.02 km/h。

圖10 速度偏差散點(diǎn)圖

4.5 測(cè)試系統(tǒng)驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)整機(jī)工作條件，設(shè)置施藥量為150 L/hm2。在0～9 km/h的速度區(qū)間內(nèi)以3 km/h、6 km/h及9 km/h 的速度進(jìn)行穩(wěn)速行駛，以3 km/h的階躍速度進(jìn)行加減速行駛。每種穩(wěn)定狀態(tài)行駛20 s，取中間10 s 穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)的平均值為分析對(duì)象。導(dǎo)出測(cè)試系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息，以時(shí)間為橫坐標(biāo)，以流量、速度、壓力為縱坐標(biāo)，分別繪制流量隨車速變化曲線圖和流量隨壓力變化曲線圖。由圖11可以看出，隨著車速的變化，噴霧系統(tǒng)管路的流量和壓力隨之改變；流量、壓力變化趨勢(shì)基本一致，流量變化相較于壓力變化平均滯后0.2 s，但二者變化相較于車速變化有明顯的滯后時(shí)間。說(shuō)明該變量噴霧控制系統(tǒng)屬于壓力調(diào)節(jié)式，即車速增加，管路壓力逐漸上升，流量隨之增大；隨著車速的減小，管路壓力逐漸下降，流量隨之減小。

(a) 流量隨車速變化

根據(jù)文獻(xiàn)[15]和[16]，以滯后時(shí)間tz、調(diào)節(jié)偏差時(shí)間tε表征噴桿噴霧機(jī)流量控制響應(yīng)特性。整理得到如表2所示的流量控制響應(yīng)特性試驗(yàn)結(jié)果。其中ts為速度調(diào)節(jié)時(shí)間，tq為流量調(diào)節(jié)時(shí)間，調(diào)節(jié)偏差時(shí)間tε為二者差值。加速階段的平均滯后時(shí)間為1.31 s，標(biāo)準(zhǔn)差為0.57 s；平均調(diào)節(jié)時(shí)間偏差為0.56 s，標(biāo)準(zhǔn)差為0.24 s。減速階段的平均滯后時(shí)間為1.70 s，標(biāo)準(zhǔn)差為0.54 s；平均調(diào)節(jié)偏差時(shí)間為1.47 s，標(biāo)準(zhǔn)差為1.35 s。

機(jī)具加速階段的滯后特性和調(diào)節(jié)特性均優(yōu)于減速階段。尤其在機(jī)具減速停車狀態(tài)(3 km/h→0 km/h)，電磁閥開口突然關(guān)閉，導(dǎo)致管路內(nèi)產(chǎn)生水錘現(xiàn)象，即壓力激增；因此在變量噴桿噴霧機(jī)在實(shí)際使用過(guò)程中，應(yīng)避免緊急剎車現(xiàn)象，或增加緩壓設(shè)備。通過(guò)試驗(yàn)，說(shuō)明本測(cè)試系統(tǒng)各項(xiàng)數(shù)據(jù)采集處理響應(yīng)迅速、功能完整，可準(zhǔn)確描述機(jī)具實(shí)時(shí)工作狀態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)變量噴桿噴霧機(jī)流量控制特性的監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)功能，也為其他機(jī)具的變量作業(yè)測(cè)試提供參考。

表2 流量調(diào)節(jié)響應(yīng)特性試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

1) 研制了一種噴桿噴霧機(jī)變量控制特性測(cè)試系統(tǒng)，利用網(wǎng)絡(luò)RTK獲取噴桿噴霧機(jī)前進(jìn)速度，采用高精度流量傳感器和壓力傳感器監(jiān)測(cè)噴桿噴霧機(jī)管路流量和壓力變化，以主處理器為核心結(jié)合CAN總線完成信息的收集、處理、傳遞及命令的下發(fā)，利用Android智能終端APP實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示與人機(jī)交互，通過(guò)PC端的后處理軟件完成數(shù)據(jù)的導(dǎo)出與分析，得到流量隨速變化的響應(yīng)特性。

2) 測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集性能試驗(yàn)表明，與基站RTK定位測(cè)速系統(tǒng)數(shù)據(jù)對(duì)比，網(wǎng)絡(luò)RTK測(cè)速平均偏差為-0.02 km/h。與實(shí)驗(yàn)室噴霧器性能試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)對(duì)比，流量傳感器的平均誤差為0.99%，平均重復(fù)性為0.31%，穩(wěn)定階段的瞬時(shí)流量讀數(shù)的平均標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.04 L/min，壓力傳感器的平均偏差為0.02 MPa、平均變異系數(shù)為2.09%。

3) 驗(yàn)證試驗(yàn)表明，系統(tǒng)測(cè)得某款壓力調(diào)節(jié)式噴桿噴霧機(jī)，加速和減速階段流量調(diào)節(jié)的平均滯后時(shí)間分別為1.31 s和1.70 s，平均調(diào)節(jié)偏差時(shí)間為0.56 s和1.47 s。同時(shí)系統(tǒng)測(cè)得數(shù)據(jù)表明在機(jī)具速度降至0階段，會(huì)出現(xiàn)管路壓力激增，這是因?yàn)殡姶砰y開口突然關(guān)閉，導(dǎo)致管路內(nèi)產(chǎn)生水錘現(xiàn)象。本測(cè)試系統(tǒng)各項(xiàng)數(shù)據(jù)采集處理單元響應(yīng)迅速、系統(tǒng)功能性完整，能準(zhǔn)確描述機(jī)具實(shí)時(shí)工作狀態(tài)變化，可用于噴桿噴霧機(jī)變量控制特性測(cè)試。