果菜噴藥靶標探測器的設計與試驗

馬偉+高春華+蔡吉晨+程湞湞+程一帆

背景

溫室管理過程中噴藥是非常重要的環節。噴藥能有效的防止溫室內作物病害大面積蔓延，同時阻斷病害的交互感染。但高效噴藥作業是設施栽培的一個難題。果菜和葉菜相比果實膨大周期長、株高大，果實按照高度分層，對噴藥的要求更高。研究發現，農藥噴灑利用率低是因為藥液沒有有效噴施在靶標植株葉片上，無靶標噴施造成靶標外大量農藥沉積是引發農藥殘留的主要原因之一[1]，對靶標的探測識別是提高藥效的重要途徑，當前研究有超聲靶標探測[1]和紅外靶標探測[2]用于噴藥，取得較好的省藥效果，但果菜靶標探測的報道卻不多。

原理

通過在彌霧機運行軌道上安裝磁鐵，利用霍爾傳感器機構采集對應位置信號，獲得行進過程中果菜壟的具體位置，利用控制器計算得出作業區間，發出控制信號給噴藥機構，實現噴灑作業。

總體設計

果菜噴藥靶標探測器的設計遵循簡約穩定的技術思路，重點優化解決溫室濕熱的環境影響，單獨設計2組接口電路，包括輸入轉換接口和驅動電路接口，消除干擾和溫度補償。輸入轉換接口主要采集霍爾傳感器信號和速度傳感器信號，進行信號糾錯檢驗后發送給單片機，獲得當前噴霧機的位置信息。驅動電路接口用來將控制信號從3 V放大到12～24 V，放大后的控制信號用來驅動外部設備會更加穩定，同時對采集的信號進行響應，發信號給末端執行器（圖1）。

傳感器設計

傳感器采用盤式旋轉結構，按照間隔120°角分別布置3組傳感器，盤式旋轉機構的轉速為0.33 r/s，采集信號分別存放在3個寄存器中進行計算。當探測器經過角鐵軌道上的磁鐵時，3組傳感器依次采集到信號，解析規則判斷時，如果發生數據丟包或干擾錯誤，誤差為0.33 s（圖2）。

控制器算法

控制器首先上電進行初始化，然后判斷傳感器的3個采集板是否有電流信號輸出，當有信號變化時，控制器立即接收這個磁鐵的信號，并存放起來，然后繼續讀取相鄰采集板是否有信號輸出，通過3個傳感器的信號確認和解析，最終判斷能否探測到靶標，如果確認靶標后，開始對存儲在數組的數值進行運算，目的是計算行進時間以便確認行走距離，然后開始計算當前時間和采集板采集信號的時間間隔，用時間段長度來得出彌霧機的當前位點，并通過這個時間段長度對應的預設施藥程序中的唯一位點來讀取當前噴藥機的準確噴藥參數（包括噴藥量、離心風機風量等）。為了使程序更加適應農藝要求，可以預先將作物長勢和行寬參數進行設置。由于傳感器設計的盤式結構特點，每轉動1周會有3個間隔時長一致的波動信號，當彌霧機掃過作物靶標旁的磁鐵時，會有連續的信號產生。噴霧機探測的坐標原點設定為采集板連續探測磁鐵的信號時第1個霍爾電流信號對應的位置。當連續信號結束時，通過計算第1個信號發生時刻和當前時刻的時間關系，噴霧機會到達預設的位置進行對靶噴藥，當達到程序設定的噴霧量后，控制器驅動彌霧機往前行走一定距離后，再次停止前進，噴頭擺動機構動作，對行的另外一側作物進行噴霧（圖3）。

試驗及結果分析

在測試樣機的底部靠近作物一側固定傳感器，在對應的一側位置固定2 cm長的永磁鐵，直接吸附在軌道上（圖4）。選擇自來水替代農藥進行測試。

以3行作物作為靶標噴藥行，選擇第1行的磁鐵位置提前1 m為坐標原點，選擇彌霧機前進方向為X軸正方向，選定作物一側的距離為Y軸正方向。預設噴霧量和前進速度等數值，進行試驗并重復3次。實際對靶得出的作業區間和作物壟的位置邊緣有一定滯后，通過系統可以進行修正，但計算的作業位點偏差不大（圖5）。

進行不同靶標距離對靶噴霧的測試（圖6），通過磁鐵標示的信號識別靶標邊緣后，彌霧機在作業區間內停止前進同時進行噴霧，噴頭擺動機構設定為正前方，噴霧時間設定為30 s，靶標采樣距離噴嘴6～8 m，噴霧在作物葉片上的沉積量隨距離的增大而減小，但霧滴均勻性沒有隨靶標距離變化而顯著變化。

結論

本文開發了一種果菜噴藥靶標探測器，并進行試驗測試。結論如下：①利用霍爾傳感器機構采集對應位置磁場信號得到靶標位點，能夠實現對靶噴霧。②果菜的柔性非規則輪廓的靶標探測不準的問題能很好的解決。③不同靶標距離霧滴在水敏紙的沉積測試結果表明該對靶噴霧有較好的均勻性。

參考文獻

[1] 翟長遠，趙春江，王秀，等.幼樹靶標探測器設計與試驗[J].農業工程學報，2012（02）：18-22.

[2] 李麗，李恒，何雄奎，等.紅外靶標自動探測器的研制及試驗[J].農業工程學報，2012（12）：159-163.

*項目支持：“公益性行業專項201203025”；果類蔬菜北京市創新團隊項目。