基于聲信號(hào)的隔膜泵施藥量監(jiān)測(cè)方法研究*

田勇，丁素明，薛新宇，徐陽，孫竹，焦雨軒

(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

施藥量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是施藥機(jī)械的重要組成部分，是當(dāng)前作業(yè)區(qū)域施藥信息的實(shí)時(shí)反饋，同時(shí)是實(shí)現(xiàn)按需施藥、精準(zhǔn)施藥的基礎(chǔ)和重要前提。國內(nèi)施藥機(jī)械依舊處于相對(duì)落后局面[1-3]，且受田間農(nóng)情、工況、環(huán)境等因素影響大，經(jīng)常出現(xiàn)部分地區(qū)施藥量不足、部分地區(qū)過量施藥的現(xiàn)象[4]，若不對(duì)其進(jìn)行施藥量監(jiān)測(cè)工作，將嚴(yán)重影響作物的生產(chǎn)質(zhì)量。

流量計(jì)監(jiān)測(cè)法是當(dāng)下施藥機(jī)械最常用的施藥量檢測(cè)方法，由流量計(jì)提供的施藥量參數(shù)可使機(jī)手直接掌握施藥信息，有效避免局部施藥量過大或過小的問題，像渦輪流量計(jì)[5]、和電磁流量計(jì)[6]都已是應(yīng)用較為成熟的流量計(jì)。然而在復(fù)雜的田間環(huán)境中工作時(shí)，受機(jī)身振動(dòng)的影響，流量計(jì)監(jiān)測(cè)法經(jīng)常出現(xiàn)“測(cè)不準(zhǔn)”現(xiàn)象，影響作業(yè)效果。藥箱液位監(jiān)測(cè)法也是使用較多的施藥量監(jiān)測(cè)方法，然而在進(jìn)行植保作業(yè)時(shí)，受環(huán)境、地形、慣性等因素影響，藥箱內(nèi)的藥量一直處在一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程之中，因此針對(duì)藥箱液位的測(cè)量是一個(gè)非常復(fù)雜的過程[7-8]。為此學(xué)者展開了大量的研究，劉洋洋等[9]使用LDY02型電容式液位傳感器監(jiān)測(cè)記錄藥箱液面高度，監(jiān)測(cè)和實(shí)際液位誤差控制在5%以內(nèi)。周志艷等[10]提出了提出氣壓式藥箱液位無線監(jiān)測(cè)的解決方案，采用空心氣管作為間接測(cè)量媒介，利用混合數(shù)字濾波算法和陀螺儀角度數(shù)據(jù)消除了植保無人機(jī)內(nèi)液面波動(dòng)引起的誤差，大幅度提高了植保無人機(jī)藥箱液位監(jiān)測(cè)法的監(jiān)測(cè)精度。然而施藥機(jī)械藥箱薄壁上通常會(huì)掛有農(nóng)藥液滴，造成藥箱的測(cè)量液位小于實(shí)際的藥箱液位，導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)。上述施藥量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)均采用嵌入式傳感器監(jiān)測(cè)的方法，受農(nóng)藥的理化性質(zhì)(如濃度、腐蝕性、懸浮顆粒)等影響，嵌入式流量傳感器的使用壽命通常都很短。于是諸多學(xué)者展開了基于聲信號(hào)處理的流量測(cè)試方法，Makwiza等[11]在為期1個(gè)月的戶外用水記錄試驗(yàn)中，通過使用小型麥克風(fēng)和錄音機(jī)記錄的聲音文件，實(shí)現(xiàn)對(duì)戶外用水量的監(jiān)測(cè)，這表明了流量與聲音之間是存在一定關(guān)系的，然而戶外水龍頭的水流量較大，施藥機(jī)械的流量較小，與其并沒有太大的可比性。Ruiz-Gonzalez R等[12]提出了通過對(duì)施藥系統(tǒng)噴嘴尖端發(fā)出的聲音進(jìn)行處理來提取施藥量的方法，這種方法提取精度達(dá)到了95%，但是對(duì)麥克風(fēng)的安裝位置要求過為嚴(yán)格，距離過近容易被噴霧打濕，過遠(yuǎn)則難以錄制到有效的聲音信息。

為解決上述問題，提出一種基于聲信號(hào)處理的隔膜泵噴灑流量測(cè)試方法，主要針對(duì)經(jīng)過隔膜泵的流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。研究?jī)?nèi)容共分為三部分：首先錄制流量泵工作時(shí)的聲音并進(jìn)行聲信號(hào)處理，提取隔膜泵的工作狀態(tài)及轉(zhuǎn)速信息；之后通過分析隔膜泵轉(zhuǎn)速與流量、壓力間的關(guān)系，找出相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，得到聲信號(hào)與施藥量間的關(guān)系；最后進(jìn)行基于聲信號(hào)的隔膜泵施藥量監(jiān)測(cè)精度試驗(yàn)，驗(yàn)證本方法的精確度。

1 隔膜泵流量提取方法

1.1 隔膜泵工作原理

隔膜泵由驅(qū)動(dòng)裝置、振動(dòng)隔膜以及進(jìn)、出液閥等組成，隔膜泵的理論流量Q一般與驅(qū)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)速s正相關(guān)。

Q=s×Qs0

(1)

其中Qs0為隔膜泵的額定單位流量，然而在實(shí)際進(jìn)行施藥作業(yè)時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)外接噴頭的出口面積A2要遠(yuǎn)小于輸藥管路的橫截面積A1，因此將會(huì)在施藥系統(tǒng)中會(huì)產(chǎn)生工作壓力，這種壓力將會(huì)引起振動(dòng)隔膜的彈性形變而導(dǎo)致實(shí)際單位流量不等于額定單位流量。為驗(yàn)證隔膜泵流量與出口面積及工作轉(zhuǎn)速的關(guān)系，本研究在第2部分進(jìn)行了隔膜泵轉(zhuǎn)速與流量、壓力擬合試驗(yàn)。

1.2 隔膜泵聲音信息提取方法

隔膜泵聲信號(hào)處理主要包括傅里葉變換(FFT)、小波分解(DWT)及端點(diǎn)識(shí)別3種方法，將采樣到的泵聲信號(hào)進(jìn)行小波分解得到高頻分量和低頻分量，對(duì)分解后的低頻分量進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換以快速準(zhǔn)確地得到聲信號(hào)的幅值和頻率等信息；對(duì)高頻分量進(jìn)行短時(shí)能量提取，以獲取隔膜泵的開關(guān)狀態(tài)信息，信號(hào)處理流程如圖1所示。

圖1 聲信號(hào)處理流程圖

1.2.1 基于小波分解的隔膜泵轉(zhuǎn)速提取方法

為提取隔膜泵工作時(shí)的轉(zhuǎn)速，采用小波分解的方法對(duì)隔膜泵工作時(shí)的聲音信號(hào)進(jìn)行分析如式(2)所示。

(2)

式中：t——時(shí)間；

X(t)——液泵聲信號(hào)

Ψ(t)——基小波；

a——伸縮因子；

b——平移因子。

其中伸縮因子a的作用是將基波Ψ(t)進(jìn)行伸縮變動(dòng)來改變窗的大小，平移因子b的作用是將其在時(shí)間軸t上進(jìn)行移動(dòng)，來確定X(t)小波分解的時(shí)間位置。這樣就可以用一族寬度不斷變化的基小波來對(duì)泵的聲信號(hào)X(t)進(jìn)行分析處理，使其在不同頻率范圍里有不同的分辨率。小波分解原理如圖2所示，將泵聲信號(hào)X(t)分解一次得到低頻分量cd1和高頻分量d1，第二次分解則保留高頻分量d1，繼續(xù)將低頻分量cd1分解為更低頻分量cd2和高頻分量d2，以此類推，隨著分解次數(shù)的增加不斷分解低頻分量，于是

X(t)=d1+d2+d3+…+dn+cdn

(3)

圖2 小波分解原理示意圖

設(shè)離散時(shí)間信號(hào)的采樣頻率為fs、DWT的分解層次為j，于是第j層細(xì)節(jié)系數(shù)的分解方法如式(4)所示，由于隔膜泵的主要工作頻率在20～50 Hz，于是使用db15小波基對(duì)隔膜泵的聲信號(hào)X(t)進(jìn)行10層分解，分解結(jié)果如圖3所示，每層的分解頻率范圍見表1。

(4)

表1 db15小波分解頻率范圍Tab. 1 db15 wavelet decomposition frequency range

為提取泵聲信號(hào)所攜帶的初始頻率信息，對(duì)小波分解后的d10層信號(hào)進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換(STFT)，首先將液泵的聲信號(hào)進(jìn)行離散化，設(shè)液泵的聲音信號(hào)X(t)經(jīng)過采樣后為x(n)，n=0，1，…，N-1，其中n為時(shí)域采樣點(diǎn)序號(hào)。分幀會(huì)導(dǎo)致聲音能量泄露，為了保持信號(hào)的短時(shí)平穩(wěn)性，取幀長wlen=32 768，幀移inc=16 384，對(duì)液泵聲信號(hào)進(jìn)行加窗處理，具體做法為將x(n)與窗函數(shù)w(n)相乘，相乘后的結(jié)果為ym(n)，如式(5)所示，本研究選用漢寧窗，表達(dá)式如式(6)所示。

ym(n)=x(n)×w(m-n)

(5)

(6)

式中：L——窗長。

圖3 db15小波分解結(jié)果

對(duì)ym(n)進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換，可以快速得出所需頻率的幅值，其STFT頻譜圖如圖4所示，由圖4可知隔膜泵此時(shí)的工作頻率f為27 Hz。值得注意的是，該試驗(yàn)在開放式環(huán)境中進(jìn)行，環(huán)境中存在鳥叫聲、說話聲、腳步聲等干擾，但并未對(duì)轉(zhuǎn)速的提取結(jié)果產(chǎn)生影響。

圖4 d10層STFT頻譜圖

已知隔膜泵工作時(shí)的轉(zhuǎn)速s與隔膜泵工作時(shí)聲信號(hào)的原頻率f存在以下關(guān)系

s=60×f

(7)

為驗(yàn)證經(jīng)聲信號(hào)處理的隔膜泵轉(zhuǎn)速提取準(zhǔn)確性，通過改變輸入功率大小以控制隔膜泵的工作轉(zhuǎn)速，使用頻閃儀記錄隔膜泵實(shí)際工作轉(zhuǎn)速s1，經(jīng)聲信號(hào)提取到的轉(zhuǎn)速記為s2，將二者進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，聲信號(hào)提取到的隔膜泵轉(zhuǎn)速最大誤差為2.8%，平均誤差為1.712%，由該方法提取到的流量泵的轉(zhuǎn)速精度已達(dá)到使用要求。

表2 測(cè)量轉(zhuǎn)速誤差表Tab. 2 Measurement tachometer

1.2.2 基于短時(shí)能量分析的泵開關(guān)狀態(tài)端點(diǎn)檢測(cè)方法

泵的聲音信號(hào)端點(diǎn)檢測(cè)法就是通過確定隔膜泵工作時(shí)聲信號(hào)的起始點(diǎn)與終止點(diǎn)來獲取隔膜泵的開關(guān)狀態(tài)的方法。在端點(diǎn)檢測(cè)的諸多方法中，短時(shí)能量法[13]是一種簡(jiǎn)單有效的方法，只要計(jì)算出泵聲信號(hào)的短時(shí)能量，就能把泵的開關(guān)狀態(tài)區(qū)分開來，隔膜泵的第i幀聲音信號(hào)

yi(n)=w(n)×x[(i-1)×inc+n]

1≤n≤L, 1≤i≤fn

(8)

隔膜泵的第i幀聲音信號(hào)的短時(shí)能量

(9)

為獲得隔膜泵的開關(guān)狀態(tài)，對(duì)db15小波基分解后的d5～d9層進(jìn)行短時(shí)能量提取，提取結(jié)果如圖5所示。在無聲音信號(hào)階段，短時(shí)能量為0，在接入流量泵聲信號(hào)之后，泵的短時(shí)能量閾值有明顯躍遷，基于短時(shí)能量的算法很好地提取出了流量泵聲信號(hào)中的振動(dòng)部分。

為驗(yàn)證短時(shí)能量法對(duì)隔膜泵開關(guān)狀態(tài)的提取準(zhǔn)確性，將短時(shí)能量提取到的隔膜泵開關(guān)時(shí)間與秒表記錄的開關(guān)時(shí)間進(jìn)行了對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示?；诙虝r(shí)能量的狀態(tài)提取方法對(duì)隔膜泵開始工作時(shí)間提取的最大偏差為0.23 s，對(duì)隔膜泵停止工作時(shí)間提取的最大偏差為0.2 s，對(duì)隔膜泵持續(xù)工作時(shí)間的最大偏差為0.41 s。

(a) 語音波形 (b) d7層短時(shí)能量

(c) d5層短時(shí)能量 (d) d8層短時(shí)能量

(e) d6層短時(shí)能量 (f) d9層短時(shí)能量

表3 短時(shí)能量提取時(shí)間與秒表記錄時(shí)間偏差表Tab. 3 Deviation table between short-time energy extraction time and stopwatch recording time

2 隔膜泵轉(zhuǎn)速與流量、壓力擬合試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)儀器

為探究隔膜泵聲信號(hào)與流量間的關(guān)系，搭建了開放式施藥量測(cè)試平臺(tái)，如圖6所示。流量泵選型為XTL-3210隔膜泵，額定電壓12 V，額定最大流量6.5 L/min、最大壓力0.9 MPa。使用DT2239B閃頻測(cè)速儀獲取流量泵的工作轉(zhuǎn)速，測(cè)量準(zhǔn)確度為±0.05%，PC894秒表記錄隔膜泵的運(yùn)行時(shí)間，監(jiān)測(cè)精度為0.01 s。聲音錄取設(shè)備選用了Schaller723拾音器和SONY ICD-UX570F錄音筆，采樣頻率為44 100 Hz，錄制音頻以wav格式存儲(chǔ)。

圖6 開放式施藥量測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1) 通過改變接入噴頭的個(gè)數(shù)及型號(hào)改變?cè)囼?yàn)平臺(tái)的總出口面積。首先接入2個(gè)F110-015型噴嘴，實(shí)測(cè)出口面積0.8 mm2，打開水泵后，通過調(diào)整接入電壓大小，使水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速分別穩(wěn)定在1 600 r/min、1 700 r/min、1 800 r/min、1 900 r/min、2 000 r/min、2 100 r/min，記錄管道內(nèi)實(shí)際流量q大小、壓力大小并錄制對(duì)應(yīng)的聲信號(hào)。

2) 分別接入3個(gè)F110-015型噴嘴、3個(gè)F110-02型噴嘴、4個(gè)F110-02型噴嘴、3個(gè)F110-03型噴嘴(實(shí)測(cè)出口面積分別為1.2 mm2、1.62 mm2、2.16 mm2、2.46 mm2)，并重復(fù)步驟(1)。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

由圖7壓力、流量隨水泵轉(zhuǎn)速變化分布圖可知，隔膜泵的流量和壓力均隨轉(zhuǎn)速的增大而增大。通過試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，隔膜泵的最終流量不僅與其工作轉(zhuǎn)速相關(guān)，還與接入噴頭數(shù)量及型號(hào)(系統(tǒng)出口面積)呈現(xiàn)較大的相關(guān)性。

(b) 流量隨水泵轉(zhuǎn)速變化圖

分析原因可能是當(dāng)接入不同類型噴頭時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)會(huì)產(chǎn)生較大的壓力，從而引起隔膜泵發(fā)生彈性形變，從而單次泵藥量發(fā)生變化，導(dǎo)致對(duì)最終流量產(chǎn)生影響。為探究管道內(nèi)壓力對(duì)流量監(jiān)測(cè)產(chǎn)生的影響，設(shè)管道內(nèi)壓力為P1，采用伯努利方程

(10)

QS0=A1V1=A2V2

(11)

式中：A1——管道橫截面積；

V1——管道內(nèi)流速；

ρ——管路內(nèi)流體的密度；

V2——噴頭處流速，于是得到壓力值

(12)

由于A1?A2，式(12)可以簡(jiǎn)化為

(13)

根據(jù)式(1)和式(13)得

(14)

因此隔膜泵流量不僅與其轉(zhuǎn)速還與其接入噴頭出口面積具有相關(guān)性。

為了得到隔膜泵流量、壓力與其聲信號(hào)的原頻率f之間具體關(guān)系，使用matlab對(duì)其進(jìn)行擬合，形成的擬合曲面如圖8、圖9所示，并形成隔膜泵流量監(jiān)測(cè)模型擬合公式

Q=-4.663+0.305 4×f+2.368×A2-

4.568 4×10-3×f2-6×10-3×f×A2-

0.437 4×A22

(15)

壓力監(jiān)測(cè)模型擬合公式

P=0.131 8+0.039 5×f-0.450 1×A2-

5.356 8×10-4×f2-4.441×10-4×f×

A2+0.082 8×A22

(16)

則隔膜泵時(shí)間t內(nèi)的總施藥量

(17)

式中：q1——監(jiān)測(cè)流量。

圖8 水泵流量與轉(zhuǎn)速、口面積的曲面

圖9 水泵壓力與轉(zhuǎn)速、出口面積的曲面

表4 流量曲面、壓力曲面的擬合誤差Tab. 4 Fitting error of flow surface and pressure surface

3 基于聲信號(hào)的隔膜泵流量監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

為驗(yàn)證基于聲信號(hào)的隔膜泵施藥量監(jiān)測(cè)方法的監(jiān)測(cè)精度，選用了兩組噴嘴組合進(jìn)行了2 min總施藥量監(jiān)測(cè)驗(yàn)證試驗(yàn)，1組接入F110-015型噴嘴3個(gè)，2組接入F110-03型噴嘴2個(gè)。

3.1 流量監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

固定隔膜泵的輸入轉(zhuǎn)速1 800 r/min，由于系統(tǒng)流量較小，渦輪流量計(jì)無法對(duì)其進(jìn)行精確的監(jiān)測(cè)，因此使用電子秤收集并記錄隔膜泵工作10 s、30 s、60 s、90 s、120 s總流量，并與基于聲信號(hào)的隔膜泵流量監(jiān)測(cè)方法測(cè)得的施藥量進(jìn)行對(duì)比，監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，流量監(jiān)測(cè)的最大偏差為4.2%、平均偏差為2.85%，證明了隔膜泵的聲信號(hào)帶有足夠的流量信息，可以通過這種方法實(shí)現(xiàn)對(duì)隔膜泵的流量監(jiān)測(cè)。

3.2 壓力監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

通過改變隔膜泵的輸入功率來改變隔膜泵的轉(zhuǎn)速，將聲信號(hào)處理提取到的轉(zhuǎn)速s2與總出口面積帶入式(16)得到隔膜泵的監(jiān)測(cè)壓力，并與實(shí)際測(cè)得的壓力進(jìn)行對(duì)比，基于聲信號(hào)的隔膜泵壓力監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果如表6所示，壓力監(jiān)測(cè)的最大偏差為4.17%、平均偏差為1.47%。

表5 實(shí)際測(cè)量的流量與監(jiān)測(cè)流量對(duì)比Tab. 5 Comparing the actual measured flow rate versus the fitted flow rate

表6 實(shí)際測(cè)量的壓力與擬合壓力對(duì)比Tab. 6 Actual measured pressure comparison with the fitted pressure

3.3 討論

經(jīng)過上述內(nèi)容，本研究可得出以下發(fā)現(xiàn)：(1)隔膜泵的聲信號(hào)帶有足夠的流量信息，通過對(duì)隔膜泵聲信號(hào)進(jìn)行處理，可以得到最終施藥量，這與JacobsHe等[14]通過聲信號(hào)處理的方式獲取水龍頭流速與流量所得出來的結(jié)論一致，且由于施藥系統(tǒng)流量小，施藥過程相對(duì)穩(wěn)定，這種方法對(duì)隔膜泵流量提取結(jié)果的誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于對(duì)水龍頭流量提取結(jié)果的誤差；(2)該方法是一種相對(duì)低成本的施藥量監(jiān)測(cè)方法，作為非嵌入式的施藥量監(jiān)測(cè)方法避免了對(duì)施藥系統(tǒng)的破壞，只需將麥克風(fēng)及錄音筆安裝在流量泵表面即可完成對(duì)施藥量的監(jiān)測(cè)工作；(3)該方法可以實(shí)時(shí)工作，當(dāng)在MATLAB中執(zhí)行該聲信號(hào)處理中，只需要不到5 s中即可完成60 s的聲信號(hào)處理工作，且該方法的監(jiān)測(cè)精度在5%以內(nèi)，達(dá)到了使用要求；(4)試驗(yàn)環(huán)境為開放式環(huán)境，腳步聲、說話聲、鳥叫等對(duì)測(cè)量結(jié)果均未產(chǎn)生明顯影響，這可能是因?yàn)殇浺纛l率44 100 Hz，而使用小波變換提取轉(zhuǎn)速時(shí)，只針對(duì)d9、d10層進(jìn)行 提取，也就是保留21～86 Hz的頻率段，排除其他頻率段所攜帶的信息，從而屏蔽了絕大多數(shù)噪聲干擾。

4 結(jié)論

聲音是有頻率的，頻率的大小決定聲音的高低，基于聲信號(hào)的隔膜泵施藥量監(jiān)測(cè)法就是利用聲音了頻率特性，通過小波分解和短時(shí)能量算法提取流量泵的工作狀態(tài)及轉(zhuǎn)速信息，代入施藥量監(jiān)測(cè)模型從而得出施藥量的方法。

1) 本研究所提聲信號(hào)處理的方法具有良好的使用性能，其中基于小波分解的方法對(duì)隔膜泵的轉(zhuǎn)速最大提取誤差為2.8%、平均誤差為1.712%；基于短時(shí)能量分析的泵開關(guān)端點(diǎn)檢測(cè)方法對(duì)隔膜泵開關(guān)狀態(tài)提取的最大時(shí)間偏差為0.41 s。

2) 本研究以XTL-3210隔膜泵為例，通過控制液泵的工作轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)的總出口面積，得到了隔膜泵流量、壓力與隔膜泵聲信號(hào)頻率間數(shù)學(xué)模型，其中流量擬合公式的R2為0.987 1，壓力擬合公式的R12為0.995 7。

3) 本研究通過試驗(yàn)驗(yàn)證了基于聲信號(hào)的隔膜泵施藥量監(jiān)測(cè)方法的準(zhǔn)確性，結(jié)果表明：基于聲信號(hào)的隔膜泵施藥量監(jiān)測(cè)方法對(duì)流量監(jiān)測(cè)的最大偏差1為4.2%、平均偏差為2.85%；對(duì)壓力監(jiān)測(cè)的最大偏差為4.17%、平均偏差為1.47%，預(yù)計(jì)可達(dá)到使用要求。