溫室軌道施藥機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李　良，張文愛，馮青春，王　秀

(1.太原理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，太原　030024；2.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京　100097)

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溫室軌道施藥機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李良1,2，張文愛1，馮青春2，王秀2

(1.太原理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，太原030024；2.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京100097)

摘要：針對(duì)溫室人工施藥效率不足，且容易中毒的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)開發(fā)了溫室軌道施藥機(jī)器人系統(tǒng)。結(jié)合探測、限位傳感器輸入信號(hào)及輸出執(zhí)行元件的特點(diǎn)，系統(tǒng)采用三菱PLC作為控制核心，控制移動(dòng)搭載平臺(tái)、電機(jī)、電磁閥及藥液泵等各個(gè)部分，通過探測傳感器定位作物行，調(diào)控PWM波占空比實(shí)施變量施藥作業(yè)，從而實(shí)現(xiàn)溫室自動(dòng)化精準(zhǔn)施藥。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：機(jī)器人定位準(zhǔn)確率高，噴頭流量與PWM占空比呈正相關(guān)，隨著施藥距離的增加，藥液沉積量呈遞減趨勢；系統(tǒng)操作簡單，自動(dòng)化程度高，可以有效提高溫室施藥工作效率和農(nóng)藥利用率。

關(guān)鍵詞：PLC；精準(zhǔn)施藥；PWM；溫室；機(jī)器人

0引言

機(jī)器人技術(shù)是根據(jù)設(shè)施生產(chǎn)中殺菌和病蟲害防治的要求，應(yīng)用光機(jī)電一體化、自動(dòng)化控制等技術(shù)在施藥過程中按照實(shí)際的需要噴灑農(nóng)藥，實(shí)現(xiàn)施藥作業(yè)的人工智能化技術(shù)。近年來，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)曹錚勇、北京林業(yè)大學(xué)陳來榮等研制了多種溫室自動(dòng)化施藥設(shè)備，目前仍處于試驗(yàn)樣機(jī)階段，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化推廣仍需改進(jìn)。為此，本文針對(duì)溫室番茄、黃瓜作物的自動(dòng)化施藥作業(yè)，選用三菱PLC為控制核心，在系統(tǒng)外圍搭建移動(dòng)搭載平臺(tái)、風(fēng)送系統(tǒng)及PWM噴藥系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)溫室精準(zhǔn)自動(dòng)化施藥作業(yè)。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1移動(dòng)搭載平臺(tái)

溫室軌道施藥機(jī)器人系統(tǒng)主要由可移動(dòng)搭載平臺(tái)、施藥系統(tǒng)及控制系統(tǒng)3部分構(gòu)成，系統(tǒng)樣機(jī)、系統(tǒng)框圖及作業(yè)環(huán)境如圖1～圖3所示。移動(dòng)搭載平臺(tái)由額定400W大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在間距為50cm的角鋼平行鋪裝的軌道上行駛，軌道方向與作物壟垂直，兩者距離20～40cm，平臺(tái)移動(dòng)速度可在0.1～0.7m/s之間自由調(diào)節(jié)。在實(shí)際使用中，為確保機(jī)器人運(yùn)行穩(wěn)定及安全，一般工作為0.2m/s，移動(dòng)平臺(tái)可根據(jù)控制系統(tǒng)的指令完成前進(jìn)、換向、急停等動(dòng)作。移動(dòng)平臺(tái)前后兩側(cè)各裝有光電傳感器作為限位開關(guān)，當(dāng)機(jī)器人接近障礙物或限位擋板時(shí)，平臺(tái)自動(dòng)停止行駛，以防平臺(tái)碰撞障礙物產(chǎn)生毀損。

1.升降電機(jī)　2.絲杠　3. 探測光電傳感器　4.觸摸屏　5限位擋板1

圖2　施藥機(jī)器人系統(tǒng)框圖

1.2施藥系統(tǒng)

施藥系統(tǒng)分為風(fēng)筒升降部分與藥液供給部分。整個(gè)組件由寬1m、高2m的腳架固定于移動(dòng)搭載平臺(tái)表面。風(fēng)筒升降部分中，風(fēng)筒由升降電機(jī)牽動(dòng)沿升降導(dǎo)軌上下運(yùn)動(dòng)，風(fēng)筒由最高轉(zhuǎn)速為1 400r/min的風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，出風(fēng)口最大風(fēng)速可達(dá)7.3m/s。藥液供給部分是由排水量為5.5L/min的12V直流高壓藥液泵為整個(gè)施藥系統(tǒng)提供強(qiáng)勁穩(wěn)定的壓力?？刂葡到y(tǒng)可通過改變固態(tài)繼電器的導(dǎo)通與截止時(shí)間比來控制電磁閥的開閉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)形噴頭流量的精確控制。為了確保電磁閥調(diào)節(jié)流量過程中藥液泵的壓力恒定，防止水泵因壓力過大而損壞內(nèi)部電機(jī)，在藥液泵與電磁閥間接入溢流閥；當(dāng)電磁閥開口較小，管中水壓變大時(shí)，可使管中多余的藥液經(jīng)由溢流閥回流到藥桶中。環(huán)形噴頭是4個(gè)圓錐型噴頭相隔90°分布于風(fēng)筒表面的4個(gè)角。作業(yè)時(shí)，PLC的輸出端控制升降電機(jī)正反轉(zhuǎn)拉動(dòng)風(fēng)筒上下循環(huán)移動(dòng)，同時(shí)固態(tài)繼電器控制電磁閥開啟，藥液經(jīng)藥液泵泵取到達(dá)噴頭處成為霧狀藥液，風(fēng)筒出風(fēng)將藥液送到指定施藥位置，從而達(dá)到風(fēng)送施藥的目的。

1.3控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由PLC控制器、顯控觸摸屏控制模塊、繼電器控制模塊、電磁閥固態(tài)繼電器控制模塊及風(fēng)機(jī)調(diào)速模塊組成。PLC控制器選用的是三菱FX1n-14MT，其Y0、Y1兩個(gè)點(diǎn)可輸出0～100kHz的脈沖。機(jī)器人前端的1對(duì)光電探測傳感器輸出的標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)信號(hào)可不經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換直接被PLC的X0、X1口所采集，PLC的輸出端口亦可直接驅(qū)動(dòng)繼電器控制模塊。繼電器控制模塊的輸入輸出采用的光耦隔離可對(duì)模塊的輸入端起到良好的保護(hù)作用，通過繼電器模塊輸出端的開閉來控制升降電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，風(fēng)機(jī)及藥液泵的開閉。PLC的PWM輸出模塊通過Y0端口輸出可變占空比的PWM波來控制固態(tài)繼電器的通斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥開閉頻率的改變，進(jìn)而對(duì)環(huán)形噴頭的流量實(shí)現(xiàn)精確調(diào)節(jié)。風(fēng)機(jī)調(diào)速模塊采用的是無極調(diào)速原理，通過控制晶閘管的導(dǎo)通角來改變加載到風(fēng)機(jī)的電壓，從而達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。

觸摸屏控制模塊使用的顯控SA-7A觸摸屏面板通過422串口線與PLC實(shí)現(xiàn)通信。將觸摸屏界面虛擬按鍵的位地址設(shè)置為與PLC內(nèi)部程序軟元件的地址一致，即可通過觸摸屏來控制PLC的動(dòng)作，操作者通過觸摸屏輸入指令，顯示信息進(jìn)行人機(jī)交互，觸摸屏界面控制程序在Sam-Draw4.0環(huán)境下編寫。整個(gè)控制系統(tǒng)由12V開關(guān)電源供電，可以確保工作電壓的穩(wěn)定與安全。

2軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要是基于三菱PLC內(nèi)部的程序設(shè)計(jì)流程，在三菱編程軟件GX Developer環(huán)境下，使用梯形圖語言編寫程序。PLC的接口輸入輸出分配如表1所示，系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。機(jī)器人在啟動(dòng)時(shí)，有自動(dòng)和手動(dòng)兩種工作模式可選擇，若選擇自動(dòng)模式，機(jī)器人即進(jìn)入自主識(shí)別噴藥狀態(tài)。機(jī)器人前端紅外探測傳感器開始工作，若兩個(gè)探測傳感器均有信號(hào)輸入，機(jī)器人尚未到達(dá)指定空行施藥位置，機(jī)器人繼續(xù)向前探索；當(dāng)探測傳感器輸入信號(hào)均消失，則機(jī)器人判定已到達(dá)指定空行作業(yè)位置。此時(shí)，腳架上方升降電機(jī)開始工作，拉動(dòng)風(fēng)筒上下移動(dòng)，同時(shí)藥液泵電磁閥開啟，藥液經(jīng)由藥液泵到達(dá)噴頭處開始施藥工作；在升降電機(jī)完成一次升降操作后，施藥作業(yè)完成，機(jī)器人則按照程序設(shè)定繼續(xù)向前探索，按照之前所述重復(fù)完成施藥作業(yè)。若選擇手動(dòng)施藥模式，則機(jī)器人在人為操控狀態(tài)下進(jìn)行施藥操作，操作者可以自由設(shè)置機(jī)器人施藥位置、風(fēng)筒施藥高度、出風(fēng)速度和電磁閥流量等各種參數(shù)，從而達(dá)到更為精確的施藥效果。

表1　PLC接口分配

圖4　系統(tǒng)軟件流程圖

3施藥實(shí)驗(yàn)

3.1流量的測定

機(jī)器人的施藥實(shí)驗(yàn)在施藥實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。機(jī)器人工作時(shí)，在不同PWM占空比條件下對(duì)環(huán)形噴頭30s內(nèi)的藥液流量進(jìn)行測定，測定結(jié)果如表2所示。

表2　占空比與流量對(duì)應(yīng)表

將數(shù)據(jù)結(jié)果繪制成折線圖如圖5所示。

圖5　流量與占空比的擬合圖

3.2藥液沉積量的測定

在模擬溫室施藥環(huán)境下，使用霧滴沉積采集裝置來模擬施藥作業(yè)時(shí)的作物行，裝置長4m、高2m、寬1m，在裝置里放置5列濾紙，每列相隔40cm，對(duì)軌道施藥機(jī)器人在一定風(fēng)速情況下的霧滴沉積分布進(jìn)行測定，如表3所示，繪制成擬合圖如圖6所示。實(shí)驗(yàn)裝置采集點(diǎn)布置的示意圖如圖7所示。為了測量霧滴沉積量，用配有示蹤劑諾丹明的蒸餾水代替藥液，每50mL諾丹明原液配10L蒸餾水；采樣濾紙能迅速吸收該溶液，通過清洗濾紙可獲得該溶液，使用農(nóng)藥噴施測定系統(tǒng)精確測量出濾紙上的示蹤劑的含量，可計(jì)算出相應(yīng)位置的藥液沉積量，從而可以描繪出系統(tǒng)霧滴沉積量的分布。

表3　不同位置的藥液沉積量

圖6　不同位置藥液沉積量的擬合圖

圖7　藥液沉積量采集裝置

3.3藥液沉積量與PWM占空比的關(guān)系

在相同風(fēng)速不同占空比的情況下，測定距機(jī)器人240cm處的霧滴沉積量。測定結(jié)果如表4所示繪制成圖8所示。

表 4　不同占空比下的藥液沉積量

圖8　同一位置藥液沉積量與占空比的擬合圖

4結(jié)論

1)通過上述實(shí)驗(yàn)可以看出：軌道施藥機(jī)器人系統(tǒng)在進(jìn)行風(fēng)送施藥作業(yè)時(shí)，施藥距離每增加40cm，藥液的沉積量相對(duì)地減少5～22g，平均減少量為13g。通過分析不同位置藥液沉積量的擬合曲線可知：施藥機(jī)器人藥液沉積分布呈拋物線狀。

2)經(jīng)過分析表2和表4的數(shù)據(jù)可知：不同PWM占空比下對(duì)應(yīng)的噴頭流量與指定位置的藥液沉積量，占空比每增加10%，噴頭流量平均增加58g，藥液沉積量增加9.5g。通過控制PWM占空比來調(diào)節(jié)噴頭流量，可進(jìn)行精準(zhǔn)施藥作業(yè)，提高溫室施藥作業(yè)的效率與農(nóng)藥利用率。

3)通過調(diào)節(jié)占空比控制流量，避免了使用價(jià)格昂貴的流量傳感器，且流量傳感器誤差也較大 ，可有效降低溫室作業(yè)成本，適合在農(nóng)村推廣。

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Abstract ID:1003-188X(2016)01-0109-EA

System Design for Rail Spraying Robot in Greenhouse

Li Liang1，2, Zhang Wen’ai1, Feng Qingchun2, Wang Xiu2

(1.College of Information Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China；2.Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture，Beijing 100097，China)

Abstract：Aim to improve the efficiency of greenhouse spraying, and reduce the risk of staff poisoning, this paper designed and developed a greenhouse track spraying robot system. Combined with detection, limit sensor input signal and output actuator characteristics, system uses PLC as the control core Mitsubishi, control the movement of each platform, with motor and electromagnetic valve, liquid pump and other parts, through the detection of sensor location of crop rows, the regulation of the PWM duty cycle implementation of variable spraying, so as to realize the automation of precision pesticide application in greenhouse. The experimental results show that, the robot positioning accuracy rate is high, the nozzle flow and PWM duty ratio were positively correlated with the increase of distance, pesticide, liquid deposition showed a decreasing trend. The system has the advantages of simple operation, high automation degree, and can effectively improve the work efficiency and greenhouse spraying pesticide utilization rate.

Key words：PLC； precision spraying； PWM; greenhouse； robot

文章編號(hào)：1003-188X(2016)01-0109-04

中圖分類號(hào)：S224.3;TP24

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡介：李良(1989-)，男，山西河曲人，碩士研究生，(E-mail)liliang200809@sina.com。通訊作者：王秀(1964-)，男，河北萬全人，研究員，博士生導(dǎo)師，(E-mail)wangx@nercita.org.cn。

基金項(xiàng)目：國家”863計(jì)劃”項(xiàng)目(2013AA102406)；果類蔬菜產(chǎn)業(yè)體系北京市創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(2012-2014)

收稿日期：2015-01-15