漫反射光電開關在除草機器人中的應用

一、引言

光電開關是一種利用光的強弱變化實現(xiàn)電的變化的一種傳感器，主要用來檢測遮擋物體。由于光電開關具有光電隔離的特性，所以它可以應用在各種工業(yè)控制領域中。

光電開關是一種數(shù)字量輸出的光電傳感器，主要用于控制系統(tǒng)。智能除草機器人是農(nóng)作物健康生長的重要組成部分，運用了光學，機電，電氣等光電學原理，自動化程度較高。把光電開關廣泛應用于農(nóng)業(yè)除草機器人中，保證了除草機器人除草的安全，高效，也保證了農(nóng)作物的生長不受雜草影響，茁壯成長。

二、光電開關的工作原理

光電開關是光電接近開關的簡稱，它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。光電開關由發(fā)送器、接收器和檢測電路三部分組成。發(fā)射器向著一定的方向不斷地發(fā)射光束，發(fā)射的光束來源于發(fā)光二極管、紅外發(fā)射二極管等半導體光源，接收器由光電二極管、光電三極管等組成。光學元件裝在接收器前面，而在接收器后面是檢測電路，能夠濾出有效信號，并且應用此信號。另外為了防止外界可見光的干擾，光電開關還輔助有發(fā)射板，反光板和光導纖維[1]。

它是利用被檢測物對光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測遮擋物體的有無。所有能反射光線的物體均可被檢測，光電開關將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號射出，接收器在根據(jù)接收到的光線強弱或有無對目標物體進行檢測[2]，各種光電開關的工作原理如圖1所示。

光電開關多種多樣，圖2是一種集發(fā)射和接收于一體的漫反射式紅外光電傳感器，發(fā)射器發(fā)出信號，接收器通過不透明物體的反射光來接收信號，從而產(chǎn)生一個開關變化；另外可以通過電位器調(diào)節(jié)檢測距離在3cm～80cm。該傳感器具有探測距離可調(diào)，受可見光干擾小，價格便宜，易于裝配，使用方便等優(yōu)點，可以廣泛應用于機器人避障，流水線計件等眾多場合。

三、光電開關的分類

光電開關的型號種類很多。按結構分主要可以分為三種。

第一種是放大器分離型，顧名思義就是將放大器和傳感器分離，并采用專用集成電路和混合安裝工藝制成，此類放大器的功能較多，并可交直流電源通用；

而第二種是放大器內(nèi)藏型，它將傳感器和放大器集成一體化，采用專用集成電路和表面安裝工藝制成，使用直流電源工作，另外在系統(tǒng)中安裝方便，能檢測狹小和高速運動的物體；

第三種則是電源內(nèi)藏型，則是將電源裝置與放大器、傳感器一體化，采用專用集成電路和表面安裝工藝制成。它適用于交流電源，可直接用于控制強電電路[3]。

按檢測方式分可以分為漫射式、對射式、鏡面反射式、光纖式光電開關和槽式光電開關。對射式光電開關由結構相互隔離的發(fā)射器和接收器組成，主要檢測光束是否被中斷，如果被中斷，就會產(chǎn)生一個開關信號變化；對射式光電開關在同一軸線是最大距離可以達到50m。鏡面反射式和槽式光電開關的工作原理與對射式光電開關一樣，也是通過光束被隔斷產(chǎn)生一個開關信號的變化。但是他們各有特點，鏡面反射可以辨別不透明物體，有效距離范圍遠，不易受干擾。槽式光電開關比較安全可靠的檢測高速變化，分辨透明和半透明物體[4,5]。而漫反射式光電開關是當開關發(fā)射光束時，目標產(chǎn)生漫反射，當有足夠的組合光返回接收器時，開關狀態(tài)才會發(fā)生變化，作用距離典型值一般為3m，此類光電開關應用廣泛。

四、光電開關的優(yōu)缺點

1、優(yōu)點

（1）分辨率高。能通過特殊的光學系統(tǒng)進行微小物體的檢測和位置判別；

（2）響應時間短。由于發(fā)射接受信號的都是光速，因此觸發(fā)動作幾乎無延時；

（3）實現(xiàn)非接觸檢測。無需機械式接觸來檢測物體，不會對檢測物和傳感器造成損傷；

（4）便于調(diào)節(jié)。通過集成電路技術和特殊工藝把光電開關做到通過調(diào)節(jié)電位器來調(diào)節(jié)檢測距離。

2、缺點

缺點是消耗功率和故障率比霍爾器件要大，可以通過調(diào)整檢測距離以降低由于自身功率的限制造成的錯誤信號。

五、光電開關在農(nóng)業(yè)除草機器人中的應用

1、除草機器人的組成

除草機器人由車身本體，控制器，行內(nèi)行間除草末端執(zhí)行器和光電開關組成。機器人沿著作物行直線行駛，遇到行內(nèi)和行間雜草時，放慢速度鏟除。具體過程如下：機器人首先沿著作物行直線行駛，驅(qū)動機器人行駛的部分由兩個直流伺服電機驅(qū)動前輪行駛，前輪和電機通過齒輪箱連接，采用差速轉(zhuǎn)向，后輪采用萬向輪，然后利用漫反射光電開關來檢測區(qū)分雜草和植株，可以實時檢測，定點鏟除行內(nèi)雜草。當識別到雜草時，控制行內(nèi)除草末端執(zhí)行器臂閉合，底部高速旋轉(zhuǎn)的刀盤嵌入土中，攪斷雜草根部，未識別到雜草時，行內(nèi)除草執(zhí)行器臂不動作，刀盤做空轉(zhuǎn)。同時，行間除草末端執(zhí)行器由滾輪和滾齒組成，滾齒高速旋轉(zhuǎn)切割行間雜草[6]，這樣能夠使除草機器人在行駛過程中高速地進行行內(nèi)、行間除草。除草機器人整體架構如圖3所示。

2、光電開關在除草機器人中的應用

（1）等間距種植植株來除草

為了能使植株生長互相不受影響，也可更好的區(qū)分植株和雜草，采用機械播種的方法進行種植植物，每一行植株，每一列植株間距基本相等，但是由于在實際播種過程中，受到各種因素的影響，植株的實際位置和理想位置有所偏差，所以我們設定了如下判定方法：把植株區(qū)域設定為理想植株方圓3cm范圍，在此區(qū)域內(nèi)都確定為植株，在植株區(qū)域以外都認為是雜草，這樣可以避免累計誤差出現(xiàn)，又可避免錯誤識別而誤鏟植株。

（2）利用高度來區(qū)分植株和雜草

當植株高度遠遠大于雜草高度時，就可采用光電開關檢測植株高度來區(qū)分植株和雜草。此方法要把光電開關安裝在植株高度以內(nèi)以便檢測到植株，并且在雜草高度以上以防止檢測到雜草產(chǎn)生誤動作，當光電開關檢測到有物體時，說明植株已使光電開關產(chǎn)生信號，行內(nèi)除草執(zhí)行器臂不動作，放過植株；反之，說明沒有植株，就可驅(qū)動除草執(zhí)行器工作，鏟除雜草。

（3）利用植株的形狀來區(qū)分

當雜草高度和植株高度相當時，這里就采用分析植株的一般形狀來區(qū)分植株和雜草。具體過程如下：首先按照植株的形狀在適當?shù)母叨群头轿话仓萌舾蓚€光電開關，以便檢測植株，并記錄光電開關接收器疊加輸出的二進制脈沖，二進制脈沖等級設定一個閾值，通過單片機編程控制區(qū)分植株和雜草。如果大于這個閾值，說明是植株，反之，則是雜草。

六、結論

本文提出了一種漫反射光電開關在除草機器人中的應用。使用價格低廉的光電開關來替代昂貴的攝像頭來識別行內(nèi)雜草，大大降低了成本。另外也不需要做圖像處理的算法，只需要簡單的控制。

但是光電開關也有其自身的局限性，單個光電開關只能檢測被檢測物的有無，無法區(qū)分物體的形狀，顏色，大小以及其他特征，因此要通過集成電路和光學器件結合改變光電開關內(nèi)部結構進行研究開發(fā)。