一種高度可智能調節的農業噴桿控制系統設計

王　強，張文愛，王　秀,王松林

(1.太原理工大學 信息工程學院，太原　030024；2. 北京農業信息技術研究中心，北京　100097；3.國家農業信息化工程技術研究中心，北京　100097； 4.農業部 農業信息技術重點實驗室，北京　100097；5.北京市農業物聯網工程技術研究中心，北京　100097)

?

一種高度可智能調節的農業噴桿控制系統設計

王強1,2，張文愛1，王秀2,3,4,5,王松林2,3,4,5

(1.太原理工大學 信息工程學院，太原030024；2. 北京農業信息技術研究中心，北京100097；3.國家農業信息化工程技術研究中心，北京100097； 4.農業部 農業信息技術重點實驗室，北京100097；5.北京市農業物聯網工程技術研究中心，北京100097)

摘要：為了提高農藥噴灑效率并防止當地面不平時噴桿傾斜與地面發生碰撞,設計了一種高度可智能調節的農業噴桿控制系統。該系統以單片機MSP430F149為核心控制系統，包括超聲波傳感器測距設計、PWM驅動設計、PID變速調節設計及防抖動干擾設計。該系統可以進行地面仿形工作，根據地面高度來快速調節噴桿高度，以保證噴頭處于合適的噴灑位置，從而提高了噴灑效率，也避免了噴頭被碰撞損壞。通過實驗可以看出：超聲波測距結果在誤差范圍內可以接受，且當地面高度發生變化時，控制噴桿高度的電機轉速也會發生變化。該系統的研究與設計在農業實踐中具有重要的意義。

關鍵詞：噴桿；地面仿形；高度調節；超聲波；測距

0引言

中國是一個農業大國，為保證農作物的良好生長，農戶需要在特定的時期對大田中的作物進行農藥噴灑。但是,由于農田面積的巨大，僅僅依靠人力遠遠無法完成任務，因此機械化農藥噴灑在全國各地開始流行起來。

目前，國內進行機械化農藥噴灑的農機設備大多數是尾部固定折疊噴桿的拖拉機，其噴桿完全展開后長度可達20～30m。利用這種設備進行大田作物的農藥噴灑，雖然可以快速地對多塊農田進行農藥噴灑；但由于純機械工作，還是存在著很多的不足。首先，這種設備上噴桿的高度是固定不變的，不能隨著地勢高度而變化，會影響農藥噴霧量的均勻性，降低噴灑效率；其次，在拖拉機運行過程中，噴桿會有一定程度的抖動，如果抖動過大，同樣會影響噴霧量的均勻性，降低噴灑效率；最后，由于地面不平造成噴桿傾斜而與地面發生碰撞。

為了解決上述問題，本文設計了一種高度可智能調整的農業噴桿控制系統。該系統以MSP430單片機為核心控制部分，且由于430單片機是一種超低功耗的微控制器，所以其耗電量十分小，可以滿足長時間的農業實踐活動。本系統利用超聲波傳感器進行測距，將測得的高度與設定值進行比較，根據高度差來調整噴桿的高度。該系統通過單片機產生PWM脈沖，利用PWM脈沖來驅動電推桿，從而使得噴桿高度可調節。本系統在通過高度差來控制PWM脈沖的占空比時，使用了P調節(比例調節)。高度差的絕對值越大，PWM的占空比也越大，也就是說高度差越大電推桿的伸縮速度也越快，從而噴桿能夠快速的回到合適的高度位置。

1系統硬件組成和噴桿的結構

電路系統中主要由以下器件組成：

①低功耗微處理器，MSP430F149單片機；②超聲波傳感器，KS103；③顯示屏，1602a液晶顯示模塊；④電機驅動，L298N電機驅動模塊。

系統硬件搭建如圖1所示。

圖1　控制系統框圖

這套電路系統中的核心控制器件是430單片機，具有超低功耗、處理速度快、支持在線調試及片上外設豐富等特點。設計中加入電機驅動是由于單片機輸出電壓不足以驅動電推桿運動，因此需要將電壓信號放大來驅動電推桿。設計中的顯示屏可以實時顯示測距高度。電源是由拖拉機的車載12V電源經過降壓處理后得到，單片機的輸入電壓為5V。超聲波測距傳感器KS103的探測范圍是1~800cm，探測頻率高達500Hz，擁有工業級的配置可工作在-30~+85℃的溫度范圍內，工作電壓可以在3~5.5V之間波動，而且自帶濾波降噪功能，受外界干擾小。電機驅動L298N內部包含四通道的邏輯驅動電路，是專門為二相和四相電機提供驅動的，它內部有2個H橋的高電壓大電流雙全橋的驅動器，能夠接收標準的TTL邏輯電平信號，能夠驅動46V、2A以下的電機。

與控制系統相配套的噴桿結構如圖2所示。這個噴桿已經具備了最新三段式噴桿的所有優點，噴桿總長為3.5m，左右噴桿均為1.275m，中段噴桿是0.95m；三段噴桿分別由3個電推桿控制，中段電推桿起主要作用來調節三段噴桿的整體高度，左右電推桿起輔助調節的作用，使整體高度保持在一個合適的位置。噴桿采用三段式的結構有利于分別調整3段噴桿的高度，減少了由于噴桿過長而引起的不可避免的誤差，同時也能大大降低因抖動而引起的農藥噴灑不均勻。

1.右段電推桿　2.固定架　3.中段電推桿　4.左段電推桿

2系統工作原理

2.1　超聲波傳感器測距的防抖動算法

超聲波測距的基本原理是超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發出超聲波的同時計數器開始計時，超聲波在空氣中勻速傳播；當遇到障礙物就會返回(見圖3)，當超聲波接收器收到返回的超聲波時計數器停止計數。根據計數器記錄的時間t(s)，可以計算出距離s為

(1)

其中，340為超聲波在空氣中傳播的速度。

圖3　超聲波測距示意圖

由于拖拉機在行進的過程中噴桿會出現上下抖動，這種頻繁的抖動會影響最終噴桿高度的調整，所以加入了防抖動干擾算法。在多次實驗后，確定具體算法如下，定時器定時測距，定時50ms測1次，在測得5個數據之后，對中間3個數據求算數平均值；最后將這個算數平均值作為一次實際測距高度，單片機根據這個高度值來調整噴桿的高度。

2.2　調節噴桿平衡作業原理

本文中利用MSP430單片機產生PWM脈沖，利用PWM脈沖來控制電推桿的伸縮功能。電推桿的伸和縮是通過2個PWM脈沖實現的，電推桿的正負極分別給了兩個PWM脈沖：電推桿伸則正極給PWM脈沖負極給零電壓；電推桿縮則正極給零電壓負極給PWM脈沖。單片機根據測距的高度來調整PWM脈沖的占空比，從而使噴桿能夠快速的調節到合適的高度位置。

2.2.1噴桿高度調節原理

本設計中，設定噴桿高度L為50cm(噴頭的最佳噴灑高度為50cm)，當實時測量高度h大于L時電推桿伸，當實時測量高度h小于L時電推桿縮。

由于拖拉機在行走過程中，噴桿會出現上下抖動的情況，為了避免由于噴桿的上下抖動而引起電推桿不停地進行伸縮運動，本設計采用了數字濾波的限幅濾波法來解決這個問題。具體原理是：首先設定一個值A，如果|h-L|>A,再判斷L和h的大小關系；如果|h-L|

其具體工作流程如圖4所示。

圖4　高度調節流程

2.2.2PWM脈沖驅動電推桿的原理

脈沖寬度調制(PWM)在電路控制領域中有著非常廣泛的應用，本設計中利用單片機產生PWM脈沖，由此來控制電推桿的運動。

PWM波是數字輸出，其輸出只有高電平和低電平，因此只需要使單片機上輸出PWM脈沖的管腳輸出高電平和低電平即可；然后調節高電平與低電平所持續的時間，就可以形成不同周期不同占空比的PWM波。例如，要產生一個周期為10ms，占空比為50%的PWM波，首先設定單片機的定時器的工作模式為輸出PWM波，然后設定PWM波的頻率為100Hz、占空比為50%，就可以產生1個周期為10ms，占空比為50%的PWM波了，如圖5所示。

圖5　PWM波

本設計中設定PWM的周期為10ms， PWM波的占空比根據|h-L|的值來調節。本設計的目的是當噴桿高度偏離設定值越大時噴桿調節的速度越快，因此需要根據|h-L|的值來調節PWM波的占空比。也就是說，當噴桿的高度值與設定值L的差值越大，那么PWM的占空比也越大，進而電推桿的輸入電壓也越大，因此電推桿的伸縮速度也越快。所以，當噴桿偏離設定位置越大，噴桿得到的調節速度也越大，因此可以高效快速地調節噴桿高度。

本設計中，系統利用電機驅動L298N的開關驅動的方式，通過單片機輸出的PWM波來控制電推桿的電壓，從而實現電推桿伸縮速度的變化。當L298N內開關管的驅動信號是高電平時，開關管會導通，電推桿電機兩端有電壓U：t2秒后驅動信號降為0，開關管截止，電機兩端電壓為0；t2秒后，驅動信號重新升為高電平，然后循環下去，如圖6所示。在這里PWM波的占空比D就是在一個周期T里，開關管導通的時間t2與周期T的比值，D的范圍是0~1。當電源電壓恒定不變的時候，輸出電壓的大小取決于占空比D，改變D值大小，就能改變輸出電壓的大小，從而控制電推桿伸縮速度的大小。

圖6　PWM波

在利用PWM波調速時，占空比D是一個重要的參數。本設計利用PID控制理論中的P調節方式來改變占空比D，設計中取Kp為0.1，高度差值的單位是cm，占空比D按照式(2)來計算,有

D=Kp|h-L|且D∈[0,1]

(2)

最終輸出電壓為U0=DU。

3實驗結果與分析

為了證明整套系統具備變速調節噴桿高度的能力，設計實驗進行了驗證。為了更直觀地看出噴桿的調節速度隨距離差|h-L|的增大而增大，直到速度增加到最大值，系統輸出連接了一個轉速可測的小電機，此電機的標準最高轉速為25 000r/min。實驗中選取了16個高度點，并記錄超聲波傳感器位于各個點時電機的轉速，實驗結果如表1所示。

為了直觀地觀察轉速隨高度的變化，這里將表中的數據擬合成發展趨勢曲線，如圖7所示。

表1　不同高度點的電機轉速

圖7　轉速隨高度變化圖

由圖7可以看出：當傳感器遠離50cm高度的位置時，無論高度值增加或減小，電機轉速都會增加，直到達到電機最大轉速后保持不變。在實驗中當傳感器高度位于49~51cm時，電機轉速為0，這是由于加入數字濾波造成的，這樣可以避免由于噴桿自然抖動而引起

噴桿高度被調節。

4結論

設計了一種高度可智能調節的農業噴桿的控制系統，以430單片機為核心控制部件，使用到了超聲波測距、PID工業控制、PWM驅動電機和數字濾波的技術。通過實驗可以看出：超聲波測距結果良好，且當噴桿偏離設定值越大時，其獲得的被調節的速度也越大，直到調節速度達到最大值。

參考文獻：

[1]屠豫欽.略論我國農藥使用技術的演變和發展方向[J].中國農業科學,1986(5):1-76.

[2]陳志剛,吳春篤,楊學軍.噴桿噴霧霧量的分布均勻性[J].江蘇大學學報，2008，29(6):465-468.

[3]王立軍,孫文峰,陳寶昌,等.噴桿式噴霧機的研究[J].農機化研究,2008(7):63-65.

[4]高巍,陳進,李耀明.作物高度自動測量裝置的研制[J].農機化研究,2004(4):213-221.

[5]李霞,王維新,宋海堂.基于超聲波技術棉珠高度自動測量的研究[J].農機化研究,2008(6)：187-189.

[6]Frost A R. Simulation of an active spray boom suspension[J].Journal of Agriculturel Engineering Research,1984，30:313-325.

[7]路錦正,王建勤,楊紹國，等.超聲波測距儀的設計[J].傳感器技術,2002,21(8):29-31，34.

[8]陳進,張淑紅, 李耀明.聯合收割機梳脫臺高度自動控制系統的設計[J].農業機械學報,2003,34(6)：65-67.

[9]蘇偉龔,壁建,潘笑.超聲波測距誤差分析[J].傳感器技術,2004,23(6)：8-11.

[10]劉金琨.先進PID控制及其MATLAB仿真[M].北京：電子工業出版社,2003.

The Control System Design of Agricultural Spray Boom whose Height Can Be Intelligent Adjusted

Wang Qiang1,2, Zhang Wen’ai1, Wang Xiu2,3,4,5, Wang Songlin2,3,4,5

(1.School of Information Engineering， Taiyuan University of Technology, Taiyuan030024,China;2. Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing 100097，China；3. National Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing 100097，China；4. Key Laboratory of Agri-informatics, Ministry of Agriculture, Beijing 100097,China；5.Beijing Key Laboratory of Intelligent Equipment Technology for Agriculture, Beijing 100097，China)

Abstract：In order to improve the efficiency of pesticide spraying, to do the ground contour and prevent collision of the spray boom. This paper designs an control system of agricultural spray boom whose height can be intelligent adjusted, the core control part of the system is the SCM MSP430F149, the system includes ultrasonic ranging part, PWM driver part, PID variable-speed adjustment part and debounce part. The system can do the contour following accurately, and adjust the height of spray boom quickly according to the height of the ground, to keep the spray boom in the right position, and finally improve the efficiency of pesticide spraying and successfully protect the spray boom. It can be seen by the result of the experiment, the distance measuring results are acceptable, and when the height of the ground change, the speed of the motor controlling spray boom change too. So we can conclude that the design has important significance in agriculture practice.

Key words：spray boom； contour following； height adjustment； ultrasonic; distance measurement

中圖分類號：S491

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)09-0156-05

作者簡介：王強(1987-)，男，太原人，碩士研究生，(E-mail)wangqiangtyut@163.com。通訊作者：王秀(1965-)，男，河北萬全人，研究員，博士生導師，(E-mail)wangx@nercita.org.cn。

基金項目：公益性行業(農業)科研專項(201303031)

收稿日期：2015-08-27