溫室變量噴藥機(jī)器人液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李昕宇 劉群銘 史穎剛 劉利

摘 ? 要：針對變量噴藥技術(shù)，文章設(shè)計(jì)了一種溫室變量噴藥機(jī)器人液壓系統(tǒng)。選擇恒壓混流式變量噴藥系統(tǒng)為基礎(chǔ)，電子式套筒電動(dòng)調(diào)節(jié)閥作為調(diào)流控制閥;采用二級動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，完成混藥和加壓功能，配備先導(dǎo)式減壓閥進(jìn)行穩(wěn)壓;采用多噴頭組合方式，完成作物在不同生長期的噴藥任務(wù)，最終完成液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)調(diào)節(jié)精準(zhǔn)、易于控制、供電便利、易于推廣，具有良好噴霧特性和研究價(jià)值。

關(guān)鍵詞：溫室;變量噴藥;液壓系統(tǒng);電子式套筒調(diào)節(jié)閥

2013年我國農(nóng)業(yè)用藥96.72萬t[1]。截至2014年，我國溫室面積已經(jīng)達(dá)到其他國家總和的5倍以上，大多數(shù)的溫室均采用手動(dòng)噴霧器進(jìn)行噴藥，這不僅對作業(yè)人員的健康構(gòu)成影響，而且易造成施藥不均勻、過量噴藥的后果，效率較低，耗費(fèi)大量的人力，只有極少量噴施的農(nóng)藥能取得理想的效果。變量噴藥通過獲取噴藥對象的形貌、密度程度和病蟲草害的信息，按照其實(shí)際需藥量進(jìn)行噴藥，能減少農(nóng)藥在農(nóng)作物上的殘留和減少農(nóng)藥對環(huán)境的影響，提高農(nóng)藥利用率。

1 ? ?變量噴藥液壓系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

變量噴藥液壓系統(tǒng)如圖1所示。液壓系統(tǒng)安裝在噴藥機(jī)器人車體的上方，采用對稱布局，以減少系統(tǒng)運(yùn)行過程中由于車體晃動(dòng)對噴藥的影響。溫室環(huán)境噴藥時(shí)，受外部因素影響小，流量調(diào)節(jié)不頻繁，在噴藥過程中，需保持噴頭壓力恒定。10個(gè)噴頭可以獨(dú)立開閉，完成作物不同生長階段的噴藥任務(wù);可根據(jù)變量噴藥的實(shí)時(shí)流量，調(diào)節(jié)噴頭壓力和流量控制閥，調(diào)節(jié)噴藥流量，以達(dá)到良好的噴藥效果。

壓力式變量噴藥是通過改變噴藥壓力來改變噴藥流量，系統(tǒng)壓力損失較大，并且為了保持良好的噴霧特性，應(yīng)使噴頭的壓力處于0.2 MPa[2]左右。系統(tǒng)通過流量控制閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)流量，原理如下。

當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定后，且液體均勻通過電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，損失的壓力Δp為定值，在系統(tǒng)壓力不變的情況下，Δp保持恒定。當(dāng)A和Δp/ρ不變的情況下，影響流量Q的因素只與阻力系數(shù)ζ相關(guān)，即閥的角位移距離。調(diào)節(jié)閥開口角度減小，系統(tǒng)流量減少，系統(tǒng)出口壓力減小;調(diào)節(jié)閥開口角度增大，系統(tǒng)流量增加，系統(tǒng)出口壓力變大[3]。

系統(tǒng)通過改變電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的電壓脈沖信號，控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，再根據(jù)脈沖信號的大小，調(diào)整阻力系數(shù)，從而改變電動(dòng)調(diào)節(jié)閥閥體的角位移，最終達(dá)到改變流量大小的目的。但是由于在調(diào)節(jié)流量大小的過程中伴隨著出口壓力的變化，為確保良好的噴霧特性，需要用壓力傳感器、加壓泵和先導(dǎo)式減壓閥維持噴頭壓力恒定。

2 ? ?變量噴藥液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為解決作物在不同生長期生長高度不同的問題，并減少藥液的浪費(fèi)、提高藥液利用率，噴藥臂采用多噴頭垂直組合的方式進(jìn)行安裝[4]。每個(gè)噴頭都有一個(gè)電磁閥，控制電磁閥的開閉可打開不同數(shù)量的噴頭，完成不同生長階段的噴藥任務(wù)。

在實(shí)際應(yīng)用中，為降低頻繁補(bǔ)藥對作業(yè)人員健康的影響，采用藥液分離式，所以用兩個(gè)二位三通閥組成不同的藥液回路。當(dāng)藥液已經(jīng)混合好后，藥液將直接由水泵輸送到調(diào)節(jié)閥處;采用藥水分離，高壓水泵將水輸送至水力比例調(diào)節(jié)閥與藥液進(jìn)行混合，然后輸送至調(diào)節(jié)閥處。

流量調(diào)節(jié)由流量計(jì)和電子式套筒電動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成，上位機(jī)檢測到當(dāng)前流量與車速不匹配時(shí)，對電子式套筒電動(dòng)調(diào)節(jié)閥發(fā)出控制信號，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥做出相應(yīng)動(dòng)作，從而改變流量大小。壓力恒定由增壓泵、壓力傳感器和先導(dǎo)式減壓閥組成，增壓泵對混合好的藥液進(jìn)行增壓，確保藥液具有一定的壓力。先導(dǎo)式減壓閥用于調(diào)節(jié)噴頭處的壓力大小，壓力傳感器檢測噴頭壓力是否為最佳噴藥壓力，使噴頭處壓力保持恒定值，不隨流量的改變而改變。設(shè)計(jì)在先導(dǎo)式減壓閥之后，使檢測的結(jié)果更加精準(zhǔn)。變量噴藥液壓系統(tǒng)原理如圖2所示。

3 ? ?變量噴藥系統(tǒng)控制模型

變量噴藥系統(tǒng)能根據(jù)噴藥臂開啟的噴頭個(gè)數(shù)控制調(diào)節(jié)閥與增壓泵，提供系統(tǒng)所需要的流量與壓力，并且流量計(jì)與壓力傳感器傳回當(dāng)前系統(tǒng)的輸出流量與壓力大小，提供給變量控制器進(jìn)行處理，然后將處理后的信號傳回液壓系統(tǒng)中的流量調(diào)節(jié)閥和增壓泵，對系統(tǒng)的總流量和噴頭壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。此外，變量控制器也能采集噴藥機(jī)器人的行進(jìn)速度，控制液壓系統(tǒng)對當(dāng)前速度的流量與壓力大小進(jìn)行匹配，實(shí)現(xiàn)噴藥機(jī)器人在噴藥過程中的變量噴藥。原理如圖3所示。

變量控制器是變量噴藥系統(tǒng)的“大腦”，能采集噴藥機(jī)器人當(dāng)前行進(jìn)速度，根據(jù)噴頭開啟的個(gè)數(shù)m，對系統(tǒng)流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，使單位面積噴藥量一致。并且能夠根據(jù)壓力傳感器反饋到上位機(jī)里的壓力值大小，對增壓泵發(fā)出控制信號，使變量噴藥系統(tǒng)噴頭壓力保持恒定。

變量控制器的主控芯片選擇89C52單片機(jī)，模數(shù)（Analog to Digital，AD）轉(zhuǎn)換器選擇ADC0831。通過AD轉(zhuǎn)換器將噴藥機(jī)器人行進(jìn)速度v、系統(tǒng)當(dāng)前流量q、系統(tǒng)當(dāng)前壓力p的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，將數(shù)字量輸入到變量控制器，變量控制器處理后，通過方波信號控制調(diào)節(jié)閥的閥口開度、增壓泵功率、高壓水泵功率。對于變量噴藥系統(tǒng)不同的工作方式，只是當(dāng)前流量q的大小不一樣，系統(tǒng)噴頭處的壓力始終保持在0.2 MPa，在整個(gè)變量噴藥的過程中的流量調(diào)節(jié)原理不變。

根據(jù)不同工作方式的噴藥模型及其控制條件可以得出系統(tǒng)的控制流程，如圖4所示。

4 ? ?結(jié)語

本設(shè)計(jì)通過分析國內(nèi)外變量噴藥系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，以恒壓混流式變量噴藥系統(tǒng)為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了針對此變量噴藥系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)。分析了電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的流量與壓力特性，通過先導(dǎo)式減壓閥與增壓泵組合進(jìn)行系統(tǒng)的穩(wěn)壓。設(shè)計(jì)了液壓系統(tǒng)的原理與結(jié)構(gòu)，并完成了控制系統(tǒng)及控制流程設(shè)計(jì)。系統(tǒng)調(diào)節(jié)精準(zhǔn)、易于控制、供電便利、易于推廣，具有良好噴霧特性和研究價(jià)值。

[參考文獻(xiàn)]

[1]楊軍.減少化肥農(nóng)藥用量是保護(hù)恢復(fù)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的重要保證[J].遼寧農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015（5）：66-68.

[2]張利君.基于動(dòng)態(tài)PWM變量噴霧系統(tǒng)的霧量分布均勻性研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2017.

[3]傅德薰，馬延文.計(jì)算流體力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2002.

[4]白鵬.基于Android的果園自動(dòng)對靶風(fēng)送式噴霧試驗(yàn)臺的研制[D].泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2016.