大棚清洗機(jī)棚頂行走及檢測裝置的設(shè)計

趙健 梁永江 何培祥 孔維蓉

摘要 為保證大棚清洗機(jī)沿著棚頂縱向桿直線行走不偏，提出了清洗機(jī)棚頂行走及檢測裝置的設(shè)計方案，完成了機(jī)械結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)控制程序的設(shè)計，在棚頂行走裝置上增加一套安裝有軸轉(zhuǎn)角傳感器的輔助輪，傳感器檢測各輔助輪的轉(zhuǎn)角變化率，將信號傳輸給控制器，控制器分析各輔助輪轉(zhuǎn)角變化率是否一致來判斷整個棚頂行走裝置是否走偏，通過控制清洗機(jī)兩側(cè)行走履帶的電機(jī)速度進(jìn)行自動矯正，保證清洗機(jī)棚頂行走裝置在棚頂縱向桿上正常行走，完成清洗任務(wù)。

關(guān)鍵詞 塑料大棚；大棚清洗機(jī)；棚頂行走裝置；檢測裝置

中圖分類號 S626.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）27-332-03

Design of the Shed Cleaner Roof Walking and Testing Device

ZHAO Jian1， LIANG Yong-jiang1， HE Pei-xiang2 et al

（1. Zunyi Tobacco Company in Guizhou Province， Zunyi， Guizhou 563000； 2. College of Engineering and Technology， Southwest University， Chongqing 400715）

Abstract In order to guarantee that the greenhouse cleaning machine can walk straight along the longitudinal rod on the roof， this paper tries to put forward a design plan of shed cleaner roof walking and testing device， completed the design of the mechanical structure and system control program， increase a set of auxiliary wheel which installed with shaft Angle sensor on the roof walking device， Sensors detect the angle changing rate of each auxiliary wheel， and send the signal to the controller， the controller analyze whether the Angle changing rate of each auxiliary wheel is consistent to each other to decide if the walking device go astray. If so， it can adjust automatically by controlling the motor speed of track on both sides of cleaning machine to ensure the walking device of cleaning machine walk straight along the longitudinal rod to accomplish cleaning task.

Key words Plastic greenhouse； Cleaning machine of greenhouse； Roof walking device； Detecting device

近年來，隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，我國各地都在大力推廣設(shè)施農(nóng)業(yè)，其中大棚栽培是重中之重[1-2]。由于氣候、海拔和溫濕度不同，蔬菜花卉等農(nóng)作物的種植具有季節(jié)性和地理區(qū)域性，影響了農(nóng)作物的種植和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，而大棚栽培有效地解決了上述問題。大棚可以收集光照或者人為地控制溫度濕度等來滿足作物對光合作用的需求，有效提高作物的生長速度和產(chǎn)量，是農(nóng)民脫貧致富的重要手段[3-4]。我國大棚種類主要有塑料大棚和玻璃大棚兩種，塑料大棚由于成本低、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點被廣泛的應(yīng)用到我國溫室農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。塑料大棚通過透明的塑料薄膜覆蓋在其頂面來達(dá)到采光和保溫目的，采用鍍錫鋼管作為大棚支架。隨著塑料材料的質(zhì)量不斷提高，塑料大棚的壽命也得到了有效的提高，一般鋼管結(jié)構(gòu)的塑料大棚壽命能達(dá)七八年甚至更久。由于塑料大棚長時間處于風(fēng)吹日曬、雨淋、塵土的自然環(huán)境中，薄膜往往會被灰塵污染，日積月累后會有微生物繁殖形成苔蘚等附著在大棚表面，不易被自然降雨沖掉，造成大棚透光率降低，嚴(yán)重影響了植物的光合作用及其生長發(fā)育，導(dǎo)致作物減產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)效益下降。這種現(xiàn)象在我國南方地區(qū)尤其常見。因此對塑料大棚棚頂進(jìn)行清潔，保證其透光率非常必要[5-7]。

國外對塑料大棚清洗設(shè)備的研究已經(jīng)很成熟，有相應(yīng)的公司制作塑料大棚清洗機(jī)作為產(chǎn)品售賣，其主要工作方式是整個工作平臺單排輪行走于塑料大棚天溝內(nèi)，兩側(cè)有兩個仿形物如同兩側(cè)棚頂伸出的臂，上面安裝多個毛刷，多個毛刷一起轉(zhuǎn)動，同時伸出臂上端噴出高壓水，進(jìn)行刷洗，清洗效果好、效率高，但在我國大棚上大都安裝遮陰網(wǎng)，天溝無法行走，所以此類設(shè)備不適用于我國大棚清洗。國內(nèi)近幾年才有幾位學(xué)者對塑料大棚清洗機(jī)械進(jìn)行研究，其主要清洗方式是采用高壓水槍噴水，沖擊帶有葉輪的圓盤刷，使圓盤刷轉(zhuǎn)動，水和刷子同時對污垢進(jìn)行沖刷，這種裝置結(jié)構(gòu)簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)塑料大棚的清洗，但自動化程度低，且耗水量較大。

針對上述問題，設(shè)計了一種料大棚棚頂清洗機(jī)，其利用皮帶和中心行走輪帶著較長的柔性清洗毛刷輥和噴水裝置在大棚棚頂行走進(jìn)行清洗。其行走皮帶行走于塑料大棚兩邊的棚面上，皮帶較長，所以其主要承力點是大棚橫向拉桿上，從而有效地避免了清洗機(jī)對大棚棚頂薄膜的損壞，同時也避開了天溝，使之適用于我國塑料大棚的清洗。在清洗過程中，噴水裝置向棚頂噴水，同時柔性毛刷輥以一定速度轉(zhuǎn)動，對大棚棚頂進(jìn)行刷洗。由于該清洗機(jī)的棚頂行走裝置分為左右兩個部分，中間由中間行走輪提供支撐，所以必須保證清洗裝置始終保持沿塑料大棚縱向拉桿行走，如果走偏不但會影響到清洗效果，更嚴(yán)重的將損壞大棚薄膜，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。為保證清洗裝置始終垂直沿大棚縱向桿行走，中間行走輪和左右行走輪必須行走同步，這就需要對行走輪進(jìn)行合理控制，因此大棚清洗機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計研究非常重要。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)與工作原理

該大棚清洗機(jī)主要用在鋼管結(jié)構(gòu)的塑料大棚上，由于塑料薄膜承壓能力較弱容易被損壞，因此該清洗機(jī)利用大棚棚頂?shù)目v向鋼管承受機(jī)器的大部分重量，兩側(cè)采用較長、接觸面積較大的履帶在薄膜上支撐清洗裝置。所以清洗裝置由棚頂?shù)男凶哐b置和兩側(cè)的行走履帶共同驅(qū)動清洗機(jī)前進(jìn)，兩邊有兩條附在大棚薄膜上的長毛刷輥以一定速度旋轉(zhuǎn)，對膜上的灰塵和苔蘚等附著物進(jìn)行清洗，同時行走裝置兩側(cè)的噴水管從大棚天溝抽水進(jìn)行噴水，前面噴水濕潤棚頂便于清洗，后面噴水對已經(jīng)刷掉的污垢進(jìn)行沖洗，清洗效果較好。該清洗機(jī)的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作示意圖見圖1、2示。

圖1 清洗機(jī)在大棚棚頂?shù)母┮晥D

圖2 清洗機(jī)在大棚上工作的示意圖

由圖1、2可知，該清洗機(jī)上端有一支撐架且仿形大棚棚頂呈拱形，清洗裝置為兩較長的柔性毛刷輥，貼合在塑料大棚棚頂。中間行走輪行走于大棚頂部縱向支撐桿上，兩側(cè)行走履帶行走于大棚邊緣，在中間行走輪左右兩側(cè)有噴水機(jī)構(gòu)，清洗機(jī)的水源由單側(cè)邊的抽水泵向天溝抽水，從而避免了過長過重的供水水管對大棚薄膜的負(fù)面影響，大大提高了清洗機(jī)的靈活性和行走的穩(wěn)定性。另外，整個清洗機(jī)的電源由電源線提供。

上述清洗機(jī)的棚頂行走機(jī)構(gòu)必須一直在棚頂縱向桿上行走才能保證清洗機(jī)的正常工作，所以需要設(shè)計一種能夠控制行走電機(jī)的裝置，對行走位置進(jìn)行自動矯正。根據(jù)上述要求設(shè)計了棚頂行走及檢測裝置，其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3所示。

由圖3可知，該大棚清洗機(jī)棚頂行走及檢測裝置包括主車架2，車架用支撐桿12固定。車架上設(shè)置有前后兩排主車輪3，每排2個輪，兩輪間有小于棚頂縱向桿13直徑的間隙，使其架在縱向桿上行走。后排主車輪一側(cè)由電機(jī)8經(jīng)同步帶輪5、6、7驅(qū)動，另一側(cè)與前排主車輪經(jīng)同步帶輪11連接，電機(jī)驅(qū)動主車輪帶著整個裝置前進(jìn)。兩排主車輪3前后各有一排用于檢測的輔助輪4，每排2個，兩輪間有一定間隙架在縱向桿上行走，4個輔助輪上都安有軸轉(zhuǎn)角傳感器9。輔助輪通過懸架1安裝在主車架上，有支撐桿12固定，懸架與主車架間是鉸接10，保證輔助輪能靠自重落在棚頂縱向桿上。

大棚清洗機(jī)在塑料大棚上工作時，行走裝置上的4個主車輪和4個輔助輪都緊貼著棚頂縱向桿轉(zhuǎn)動，如果走偏則會出現(xiàn)4個輔助輪中有一個或幾個不轉(zhuǎn)或者轉(zhuǎn)速不一致的現(xiàn)象，此時4個軸轉(zhuǎn)角傳感器接收到信號傳給控制器，經(jīng)過控制器分析后輸出3個信號控制3個電機(jī)（棚頂行走電機(jī)8，清洗機(jī)兩側(cè)行走履帶上的2個電機(jī)）的轉(zhuǎn)速進(jìn)行矯正，使大棚清洗機(jī)棚頂?shù)男凶咧鬈囕喴恢毖刂v向桿直線行走，保證整個清洗機(jī)的正常工作，提高清洗機(jī)的自行走能力和可靠性。

2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)原理

大棚清洗機(jī)棚頂行走及檢測裝置的控制系統(tǒng)主要功能是：控制器根據(jù)軸轉(zhuǎn)角傳感器測到的各個輔助輪的軸轉(zhuǎn)角變化率作出判斷，輸出信號控制各個行走電機(jī)的轉(zhuǎn)速，其控制原理如圖4所示。

圖4 控制原理

由圖4可知，4個軸轉(zhuǎn)角傳感器檢測到輔助輪的軸轉(zhuǎn)角變化率，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂破鳎–PU）可讀懂的模擬信號輸入控制器，控制器進(jìn)行分析處理后輸出控制轉(zhuǎn)速的PWM信號，電機(jī)驅(qū)動單元收到信號對各電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制[8-9]，通過轉(zhuǎn)速的控制來矯正清洗機(jī)行走方向，保證清洗機(jī)順利工作。

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制器要控制大棚清洗機(jī)棚頂行走主車輪和兩側(cè)行走履帶按著正確的路徑行走，當(dāng)出現(xiàn)走偏時及時作出調(diào)整，其控制系統(tǒng)主程序流程如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)主程序流程

由圖5可知，該驅(qū)動系統(tǒng)通過簡單的控制信號對整機(jī)工作進(jìn)行控制，當(dāng)清洗機(jī)開啟時，系統(tǒng)進(jìn)行初始化工作，包括檢測各個模塊是否正常，關(guān)閉不用的模塊，清看門狗等，初始化完成后等待程序啟動信號。前進(jìn)子程序流程見圖6。

圖6 前進(jìn)子程序流程

由圖6可知，控制器首先判斷清洗機(jī)是否啟動，啟動后是前進(jìn)方向還是后退方向行走，如果是前進(jìn)則調(diào)用前進(jìn)子程序。前進(jìn)子程序中先檢測左前軸和右前軸轉(zhuǎn)角傳感器的轉(zhuǎn)角變化率是否一致，如果不一致說明輔助輪有一個已經(jīng)偏離棚頂縱向桿，清洗機(jī)行走裝置走偏了，于是控制器根據(jù)程序控制落后一側(cè)的履帶行走電機(jī)加速，直到與另一側(cè)履帶完全平行，棚頂?shù)男凶咧鬈囕喕氐酱笈锟v向桿上直線行走。如果是后退，則其子程序與前進(jìn)子程序一樣，不過是檢測左后軸和右后軸轉(zhuǎn)角傳感器的轉(zhuǎn)角變化率是否一致[10-13]。

3 結(jié)論

設(shè)計的大棚清洗機(jī)棚頂行走及檢測裝置能夠根據(jù)檢測各輔助輪的軸轉(zhuǎn)角變化率是否一致判斷整個清洗機(jī)是否走偏，如果走偏則控制器控制相應(yīng)的行走電機(jī)改變轉(zhuǎn)速，進(jìn)行糾正，以保證清洗機(jī)棚頂行走主車輪一直沿著棚頂縱向桿直線行走，有效地避免了清洗機(jī)走偏后損壞大棚薄膜，提高了清洗機(jī)的工作質(zhì)量和可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1] 張衛(wèi)東.我國溫室發(fā)展的現(xiàn)狀及發(fā)展建議[J].科技信息，2007，8（1）：439.

[2] 王琦，徐克生，郭艷玲，等.現(xiàn)代溫室發(fā)展趨勢[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2004（10）：8-9.

[3] 周長吉.現(xiàn)代溫室工程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[4] 鐘鋼.國內(nèi)外溫室發(fā)展歷程、現(xiàn)狀及趨勢[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備，2013（9）：68-69.

[5] 周清.塑料大棚清洗機(jī)的研發(fā)設(shè)計[J].農(nóng)機(jī)化研究，2003（3）：105-106.

[6] 丁潤鎖，寧書臣，張景岐，等.溫室大棚清潔裝置研究[J].天津農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，17（4）：66-67.

[7] 周娟.基于單片機(jī)的溫室大棚智能清洗機(jī)[D].保定：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2009.

[8] 張紅潤.傳感器技術(shù)大全：上冊[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[9] 張紅潤.傳感器技術(shù)大全：下冊[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[10] 張建民.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：高等教育出版社，2009.

[11] 李學(xué)海.PIC 單片機(jī)實用教程：基礎(chǔ)篇[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[12] 李學(xué)海.PIC 單片機(jī)實用教程：提高篇[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[13] 劉和平，劉林，余紅欣，等.PIC18Fxxx單片機(jī)原理及接口程序設(shè)計[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.