果園自動對靶施藥系統(tǒng)設(shè)計與試驗

張 伏，王亞飛，許子和，郭儒雅

(河南科技大學(xué) 農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，河南 洛陽 471003)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平逐漸提高，對水果的需求量增多，為增加果樹產(chǎn)量，在種植果樹的過程中，會對果樹噴藥防止病蟲害[1-2]。目前，我國大多采用高壓噴槍進(jìn)行淋洗式噴藥，這易造成農(nóng)藥的利用率低及環(huán)境污染等問題[3-4]。為解決上述問題，采用對靶噴藥是重要方法之一，對靶噴藥是對目標(biāo)進(jìn)行噴藥，非目標(biāo)不噴或少噴[5-6]。對靶噴藥始于美國，采用超聲波傳感器用于自動噴藥[7]。后來國外研究學(xué)者相繼采用光電傳感器完成對靶噴藥，或利用圖像處理技術(shù)與噴藥結(jié)合方式實現(xiàn)對靶噴藥[8-9]。而國內(nèi)發(fā)展較慢，在21世紀(jì)初江蘇大學(xué)和中國農(nóng)業(yè)大學(xué)開始對靶噴藥的試驗研究[10-12]，后來國內(nèi)學(xué)者相繼采用光電傳感器、微波傳感器、超聲波傳感器等實現(xiàn)對靶噴藥[13-14]，但有關(guān)自動行走避障噴藥的研究較少。為此，本研究設(shè)計了一種果園自動對靶施藥系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)自主行走、壟間穿行、果樹識別和對靶施藥。

1 總體方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計原理

自動對靶施藥系統(tǒng)由運(yùn)動控制系統(tǒng)和噴藥系統(tǒng)組成。本研究以四輪底盤小車為基礎(chǔ)，由運(yùn)動控制系統(tǒng)控制小車的前進(jìn)及轉(zhuǎn)彎，實現(xiàn)自動行走。噴藥系統(tǒng)通過光電傳感器識別靶來實現(xiàn)對靶噴藥。

運(yùn)動控制系統(tǒng)以四輪底盤小車為主體，小車采用后輪直流電機(jī)驅(qū)動，使用舵機(jī)控制前輪轉(zhuǎn)向來實現(xiàn)小車前進(jìn)及左右轉(zhuǎn)彎。小車前方和左右兩側(cè)各安裝有測距傳感器用于測量小車在行駛時與各測障礙物之間的距離，以此實現(xiàn)避障和轉(zhuǎn)彎。

噴藥系統(tǒng)主體由藥桶、水泵、噴頭、電磁閥和光電傳感器構(gòu)成。水泵將藥液泵至噴頭端，紅外光電傳感器采集到信息經(jīng)處理器控制電磁閥的開閉，電磁閥開閉控制噴頭，兩個電磁閥各自獨(dú)立工作。根據(jù)自動對靶施藥系統(tǒng)的功能，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖Fig.1 The block diagram of the system

1.2 室內(nèi)模擬試驗場地

為在室內(nèi)更好地模擬果園中的環(huán)境，使設(shè)計的自動對靶施藥系統(tǒng)具有可行性和實用性，根據(jù)實際情況，在室內(nèi)設(shè)計并搭建作業(yè)場地，如圖2所示。

場地大小為160cm×250cm，壟寬為30cm，高12cm，長為80cm，作業(yè)通道寬度為40cm。圍欄、壟和仿真果樹為綠色，地面為灰色，吸水紙為白色。圍欄、壟和仿真果樹都采用木質(zhì)材料制作。地面采用密實的防滑漏水材料鋪設(shè)。吸水紙采用普通餐巾紙。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件組成

通過對自動對靶施藥系統(tǒng)的功能分析，確定系統(tǒng)硬件組成：四輪底盤小車1個、中心控制器1個、光電傳感器2個、測距傳感器3個、電磁閥2個、水泵1個、電源1個、降壓模塊1個、藥箱1個、水管1m，以及噴頭2個。系統(tǒng)布置圖如圖3所示。

1.轉(zhuǎn)向舵機(jī) 2.驅(qū)動電機(jī) 3.前側(cè)測距傳感器 4.左側(cè)測距傳感器 5.右側(cè)測距傳感器 6.左側(cè)光電傳感器 7.右側(cè)光電傳感器 8.左噴頭 9.右噴頭 10.藥桶 11.控制器圖3 系統(tǒng)布置圖Fig.3 The system distribution diagram

2.2 主要系統(tǒng)硬件選型

2.2.1 控制器

控制器是自動對靶施藥裝置的核心，控制器通過控制電機(jī)實現(xiàn)小車前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎等運(yùn)動，通過控制光電傳感器及電磁閥的開合實現(xiàn)對靶噴藥的功能， 因此對

控制器要求較高。

本研究采用Arduino uno r3型號的控制板，核心處理器為ATmega328。是AVR系列的單片機(jī)。Arduino uno有14路數(shù)字的輸入或者輸出口，14路中有6路是用來進(jìn)行PWM輸出的，Arduino uno還有6路模擬的輸入。Arduino uno還包括1個石英晶體振蕩器(頻率為16MHz)、1個復(fù)位的按鍵、1個USB接口、1個電源接頭，以及1個ICSP數(shù)據(jù)頭。

2.2.2 傳感器

根據(jù)距離及性能要求，光電傳感器采用E18-D80NK型號的紅外光電傳感器，其既可接收光線也能發(fā)射，測量距離范圍3～80cm。紅外測距傳感器采用GP2Y0A41SK0F型號的測距傳感器，為測距傳感器單元，主要包括的有信號處理電路組、位置敏感探測器及紅外發(fā)射二極管，對各種物體的距離檢測，不易受到環(huán)境溫度和操作時間的影響。由于采用三角測量的方法輸出電壓對應(yīng)檢測距離，該裝置也可用作接近傳感器，測距范圍為4～30cm。

2.2.3 電磁閥

電磁閥用于控制噴藥系統(tǒng)中的噴頭開關(guān)，從而實現(xiàn)噴藥，本研究采用常閉型的微型電磁閥，大小是21mm×43mm，進(jìn)出口的內(nèi)徑為2.5mm，外徑5.5mm，線長33mm，需要額定電壓為直流電壓12V，電流不超過120mA。

2.2.4 降壓模塊

由于控制器、傳感器、水泵、電磁閥所需的額定電壓不同，本研究采用12V的直流電源，需要降壓模塊來實現(xiàn)不同元件的供電需求。采用DSN6000AUD自動升降壓模塊，模塊性質(zhì)為非隔離升壓(BOOST)，整流方式是非同步整流，輸入電壓最低為3.8V，最高可達(dá)32V，輸出電壓最低為1.25V，最高可達(dá)35V，輸入電流不超過3A，轉(zhuǎn)換效率<94%(壓差越大，效率越低)，開關(guān)頻率為400kHz，負(fù)載的調(diào)整率和電壓的調(diào)整率都為0.5%左右。

2.2.5 水泵

藥箱里的水由水泵抽出經(jīng)過管子到噴頭，本研究采用DC1020型號的微型水泵，揚(yáng)程為150cm，功率為3W，流量為200L/h，需要額定電壓為3.5～9V，出水口為8mm，尺寸為39mm×38mm×28mm。

2.3 系統(tǒng)總體原理圖

根據(jù)系統(tǒng)控制要求，設(shè)計整個果園自動對靶施藥系統(tǒng)原理圖。Arduino uno控制板中I/O口分配表、 原理圖分別如表1和圖4所示。

表1 Arduino uno r3控制板中I/O口分配表Table 1 The distribution of the I/O

續(xù)表1

圖4 系統(tǒng)原理圖Fig.4 System schematic

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 運(yùn)動控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

在室內(nèi)試驗場地的基礎(chǔ)上，設(shè)定小車行駛的軌跡，小車運(yùn)動軌跡如圖5所示。

根據(jù)小車左側(cè)和右側(cè)的紅外測距傳感器設(shè)定距離來控制小車保持直行，根據(jù)小車前側(cè)、左側(cè)以及右側(cè)紅外測距傳感設(shè)定距離來控制小車轉(zhuǎn)彎。具體流程如下：

小車從入口駛?cè)耄邮盏降?次轉(zhuǎn)彎信號，90°右轉(zhuǎn)直行；接收到第2次轉(zhuǎn)彎信號時，180°左轉(zhuǎn)直行；接收到第3次轉(zhuǎn)彎信號時，180°右轉(zhuǎn)直行；接收到第4次轉(zhuǎn)彎信號時，180°左轉(zhuǎn)直行；接收到第5次轉(zhuǎn)彎信號時，90°左轉(zhuǎn)直行直至駛出軌道。

行駛特點(diǎn)及實現(xiàn)方法(X、Y的值均由試驗所得)：

1)小車啟動后駛?cè)肴肟冢?jīng)過一段延時右轉(zhuǎn)，小車實現(xiàn)第1次轉(zhuǎn)彎后，當(dāng)左側(cè)紅外距離傳感器檢測小車距離左側(cè)壟Ycm時，小車保持直行。

2)從第2次轉(zhuǎn)彎到第4次轉(zhuǎn)彎信號，接收偶數(shù)次轉(zhuǎn)彎信號后180°左轉(zhuǎn)直行，接收奇數(shù)次轉(zhuǎn)彎信號后180°右轉(zhuǎn)直行。為保證轉(zhuǎn)彎和直行階段小車不碰圍欄和壟，轉(zhuǎn)彎實現(xiàn)方法如下：①180°右轉(zhuǎn)直行。調(diào)用前、右側(cè)紅外距離傳感器，當(dāng)前方紅外距離傳感器檢測小車距離前方圍欄Xcm時右轉(zhuǎn)，根據(jù)測量距離調(diào)整右轉(zhuǎn)時小車前輪轉(zhuǎn)向角度，使小車與右側(cè)壟保持距離Ycm。②180°左轉(zhuǎn)直行。調(diào)用前、左側(cè)紅外距離傳感器,當(dāng)前方紅外距離傳感器檢測小車距離前方圍欄Xcm時左轉(zhuǎn)，根據(jù)測量距離調(diào)整右轉(zhuǎn)時小車前輪轉(zhuǎn)向角度，使小車與左側(cè)壟保持距離Ycm。

3)小車第4次轉(zhuǎn)彎后，當(dāng)前方紅外距離傳感器檢測小車距離前方圍欄Xcm時(第5次轉(zhuǎn)彎信號)，90°左轉(zhuǎn)直行；只有小車右側(cè)有圍欄，故調(diào)用右側(cè)紅外距離傳感器數(shù)據(jù)，調(diào)整前輪轉(zhuǎn)向，保持小車距右側(cè)圍欄Ycm，以保證直線行駛在通道中。當(dāng)小車駛出果園時，紅外測距傳感器檢測到距離值大于Zcm時，關(guān)閉驅(qū)動模塊，小車停止在啟動區(qū)。

圖5 小車運(yùn)動軌跡Fig.5 The trajectory diagram of car

根據(jù)方案設(shè)計，運(yùn)動控制系統(tǒng)程序框圖如圖6所示。

3.2 噴藥系統(tǒng)軟件設(shè)計

小車駛?cè)牍麍@后右轉(zhuǎn)，進(jìn)入通道，兩個紅外光電傳感器各自獨(dú)立檢測，當(dāng)檢測到果樹后，打開電磁閥，同側(cè)噴頭向果樹噴藥；第2次至第4次轉(zhuǎn)彎過程，關(guān)閉噴藥電磁閥，防止向果樹非施藥側(cè)噴藥；在第5次轉(zhuǎn)彎后，關(guān)閉噴藥電磁閥，停止噴藥，直至小車駛出果園。系統(tǒng)的噴藥程序框圖如圖7所示。

圖6 運(yùn)動控制系統(tǒng)程序框圖Fig.6 The block diagram of the motion control system

圖7 噴藥系統(tǒng)的程序框圖Fig.7 The block diagram of the spray system

4 系統(tǒng)組成及測試

4.1 系統(tǒng)組建

根據(jù)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及室內(nèi)試驗場地設(shè)計要求，為更精確地實現(xiàn)藥箱、水管、噴頭、支架的組裝，用SolidWorks軟件繪制實物三維圖，系統(tǒng)模型如圖8所示。

圖8 果園自動對靶施藥系統(tǒng)模型Fig.8 The model of orchard automatic target application system

4.2 系統(tǒng)測試

1) 運(yùn)動情況測試。在事先設(shè)計好的室內(nèi)場地內(nèi)實際測量，自動對靶施藥機(jī)器人運(yùn)行速度約為0.5m/s，并能順利通過直行、轉(zhuǎn)彎，未碰到周圍的壟，最終走出場地，停止運(yùn)動。

2) 噴藥情況測試。經(jīng)過實際測試，當(dāng)自動對靶施藥機(jī)器人運(yùn)行到有靶位的地方，經(jīng)紅外光電傳感器傳輸信號，機(jī)器人能迅速將藥水準(zhǔn)確噴向靶位，且噴頭處未出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，噴藥時間約為20ms。實物測試圖如圖9所示。

圖9 自動對靶施藥模型系統(tǒng)實際模型Fig.9 The automatic model of target system for automatic target application

5 結(jié)論

本文研制的自動對靶施藥機(jī)器人實現(xiàn)了自動對靶噴藥，能有效減少農(nóng)藥浪費(fèi)，降低環(huán)境污染；能按照預(yù)先設(shè)定的軌跡自行行走，可減輕勞動力；。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，具有較好的應(yīng)用價值。