果園對靶噴藥控制系統的設計及試驗

鄒 偉，王 秀，高 斌，范鵬飛，蘇 帥

(1.北京農業智能裝備技術研究中心，北京 100097；2.國家農業智能裝備工程技術研究中心，北京 100097；3.農業部農業信息技術重點實驗室，北京 100097；4.農業智能裝備技術北京市重點實驗室，北京100097)

0 引言

精細農業果園生產管理中，單棵果樹是最小的作業單元, 果樹的位置和樹冠大小是果樹施肥、灌溉和果樹病蟲害防治中確定投入量多少的重要依據[1-3]。無靶標噴施造成的靶標以外大量農藥沉積是果園農藥殘留的主要原因之一，對靶噴藥技術是降低農藥殘留的有效手段，其關鍵技術是靶標探測技術[4-7]。

對靶噴藥可以有效節省農藥。翟長遠等設計了一種幼樹靶標探測器，通過紅外傳感器探測噴藥機兩側果樹樹干的位置，根據內部算法計算出靶標噴霧位置，從而控制開閉噴頭電磁閥，以實行對靶噴藥[8]。在實際的果園中，大多數果樹的樹干是很難檢測的。例如，如橘樹與桃樹的枝葉繁茂，樹冠很低,紅外傳感器幾乎無法探測樹干。在標準化果園中，果樹四周還有柵欄，傳感器實際上是在探測果樹的樹枝或欄桿，沒有實際探測到樹干，控制器誤以為這是樹干，將以這一探測點為中心，實行噴藥作業，導致單片機計算的噴藥范圍錯誤。另外，該噴藥機只是控制電磁閥開閉，無法做到變量噴藥。實現變量噴藥控制技術，其核心是根據噴藥實施環境的變化實時控制噴藥量；但傳統變量噴藥控制技術是根據調節系統壓力實現變量控制[9]，實際噴藥作業中壓力很難實現精確、快速調節。劉大印等人設計了基于單片機PWM 變量農藥噴灑控制系統。采用脈寬調制技術來控制噴藥流量，但是噴藥變量范圍比較小[10-11]。

針對這些問題，本文設計了一種基于樹冠探測的對靶控制系統。該控制系統通過紅外傳感器列陣探測樹冠位置及樹冠的寬度，結合拖拉機運行速度計算噴灑范圍，控制多路電磁閥的開閉以進行對靶噴藥，在沒有果樹的地方停止噴藥；采用PWM驅動方法，改變噴頭的噴藥流量，實現變量作業；傳感器固定架采用多孔設計，便于調整紅外傳感器的上下分布間距，以適應不同要求。噴頭可以通過旋轉調節噴藥范圍。

1 系統設計

1.1 噴藥機構成

噴藥機主要由機械部分及噴藥控制系統組成，如圖1所示。

圖1 系統結構圖

圖1中，機械部分主要由藥箱，離心泵，調壓閥，噴頭、風扇以及各種管道等組成。

藥箱通過閥門進入主管道，為避免藥液中較大的顆粒或其他雜質堵塞噴頭，藥液需要首先進入過濾器。主管道與調壓閥相連，調壓閥用于穩定噴藥管道的壓力，進過調壓閥后，輸出管道分成左右兩個分管道，左右兩個分管道的末端各接3個高壓電磁閥，每個電磁閥后接2個噴頭，一共12個噴頭。西門子PLC通過控制電磁閥的開閉來控制噴頭是否噴藥。

1.2 控制系統設計

控制系統主要由PLC控制器、紅外測距傳感器、速度傳感器、人機交互觸摸屏、電磁閥、固態繼電器及其他外圍電路等組成，如圖2所示。

圖2 系統結構圖

控制系統以西門子PLC-224XP為控制核心，處理傳感器的各種信號，完成與觸摸屏幕的人際交互，控制電磁閥的動作。紅外傳感器列陣用來檢測拖拉機左右兩側的果樹樹冠的高度及寬度，本文選用上海森正電氣有限公司生產的E3K80-DS5M1漫反射紅外傳感器，檢測最大距離150cm。傳感器在探測到靶標后，輸出開關信號。紅外傳感器信號輸出端需要外接10kΩ的上拉電阻，實現與PLC的IO口連接。

系統采用霍爾傳感器感應拖拉機的行駛速度,霍爾傳感器是浙江滬工自動化科技有限公司生產的NJK-5003C，屬于NPN常開型，檢測速度時需要配合強磁鐵使用，最大感應距離5cm。本系統在拖拉機的輪轂上均勻分布了6個強磁鐵，拖拉機輪子每轉動1圈，霍爾傳感器輸出6個脈沖。控制器通過脈沖信號來計算拖拉機的行駛速度及累計行駛距離。

電磁閥采用上海凱志閥門有限公司公司生產的V2A102，電磁閥壓力范圍0～1.0MPa，滿足噴藥工作壓力要求。由于PLC輸出口的輸出電流比較小，無法直接驅動電磁閥，需要設計相應的驅動電路來控制電磁閥的開啟。控制器通過控制固態繼電器的通斷，進而控制電磁閥的開閉。

人機交互界面采用深圳顯控發展有限公司的SA-7觸摸屏，實現人機交互，通過觸摸屏可以輸入各項參數數據，實時顯示傳感器的各項數據，并可以手動打開和關閉電磁閥，方便操作。

1.3 工作原理及控制算法

系統通過檢測靶標情況，結合拖拉機的運行速度，通過控制電磁閥來實現對靶變量噴藥。對靶噴藥的關鍵點在于：傳感器與噴頭不在同一作業面，傳感器在拖拉機車頭，噴藥噴頭在拖拉機車尾，拖拉機先檢測靶標并存儲數據和靶標位置，根據系統設置參數計算噴藥的位置及噴藥寬度。計算之后作業，解決靶標檢測與噴藥的不同步性問題；控制噴藥的噴灑范圍，做到有靶標噴藥，無靶標停止噴藥，實現精準噴藥和根據速度變量作業。

PLC首先根據按鍵選擇，判斷噴藥機處于何種工作模式下。如果按鍵沒有按下，判斷噴藥機處于手動控制下，PLC放棄對噴藥執行單元的控制；如果按下按鍵，則噴藥機處于自動噴藥模式。

在自動噴藥模式下，需要操作者預先設定單位面積的噴灑量，此后控制器會根據設定值自動控制噴藥作業。

開始工作后，PLC通過霍爾傳感器采集速度信號。拖拉機的輪轂上均勻地安裝了6塊強磁鐵，在拖拉機運動時，霍爾傳感器每接近1個磁鐵即輸出1個脈沖，每周輸出6個脈沖。

由于拖拉機的輪子轉動1周的距離是固定的，所以在傳感器輸出兩個相鄰脈沖的間隔時間內拖拉機的移動距離是相等的。PLC根據兩個脈沖之間的時間，計算出拖拉機的瞬時速度v，公式為

v=sd/△t

式中v—拖拉機行駛速度(m/s)；

sd—單一脈沖所代表的距離(m)；

Δt—相鄰兩個脈沖之間的時間間隔(s)。

拖拉機的行駛距離可以根據累計脈沖數和速度計算，當霍爾傳感器剛好接近強磁鐵時，此時的脈沖數乘以單位距離正好就是行駛距離，即

st=n·sd

式中st—拖拉機行駛距離(m)；

n—脈沖數。

當傳感器位于兩個強磁鐵之間時，由于下一個脈沖尚未來到，脈沖數維持不變，但實際距離在變大，需要估算增大的這部分距離，用sa表示。這一距離可以采用速度對時間的積分來計算，在這一區間認為拖拉機速度沒有突變(急剎車情況除外)，則拖拉機實際的距離為

式中v—拖拉機行駛速度；

sa—采用積分計算的距離；

Δt—相鄰兩個脈沖之間的時間間隔。

計算出累計距離用于對靶標定位，控制系統為每個傳感器建立1個數據緩沖區。當傳感器檢測到果樹樹冠時，輸出高電平信號，控制器在上升沿信號觸發下，記錄當前行駛距離s1，則樹冠檢測開始點為s1；如果傳感器端口恢復低電平，控制器檢測不到樹冠，控制器在下降沿信號觸發下，記錄當前行駛距離s2，則樹冠檢測停止點為s2。傳感器檢測范圍為

wse=s2-s1

式中wse—感應范圍(cm)；

s1—感應起始點；

s2—感應終止點。

由于傳感器的檢測范圍有限，樹冠一些地方超過了檢測范圍，傳感器的檢測寬度比樹冠寬度要小，在進行噴藥時，需要對這一寬度進行校準，設定噴藥校準寬度為wj(可以通過觸摸屏設置),在檢測樹冠之前和之后都需要校準。由于傳感器與噴藥噴頭不在一個工作面，控制器需要計算噴頭噴藥的起始點和終止點。設傳感器與噴頭的之間的距離為wL,起始點和終止點采用下面公式計算，即

式中wj—校準寬度(cm)；

wL—傳感器與噴頭之間的距離(cm)；

控制器為每個傳感器建立了1個對應的緩存區，這些數據計算完之后存儲到數組中，拖拉機在行駛中控制系統將不停地查詢規格數據區，將噴藥機的實時距離st與存儲的數據進行對比，當到達噴藥位置時，開啟噴藥；到達終止位置時，關閉噴藥。

根據單位面積地塊的噴藥量要求，單位面積(1m2)內的噴藥量為K0，則

式中R—施藥量(mL)；

Sare—面積(m2)；

K0—單位面積施藥量(常量)。

拖拉機噴藥覆蓋的面積等于噴藥覆蓋幅寬(La)乘以行駛距離，即

式中La—噴藥覆蓋幅寬。

在行駛過程中，噴藥機單位時間內的噴藥覆蓋面積根據如下公式計算，即

則單位時間內的噴藥量為

式中Q—噴藥流量(mL/min)。

由推導公式可知：單位時間內噴藥量(噴藥的流量)與拖拉機的實時速度v呈線性關系。

控制系統根據行駛的速度調整噴藥流量，從而達到變量噴藥的目的，而噴藥流量又與控制噴頭電磁閥的頻率與占空比之間存在線性關系，所以變量噴藥的核心在于根據拖拉機的實時速度調整頻率和占空比。

PLC采集速度值后，根據控制器內部計算，得出噴頭對應控制的頻率和占空比，通過Q0.0～Q0.5通道輸出6路不同的PWM波，驅動電路根據PWM波驅動電磁閥的開閉。

PLC通過內部精準的1ms定時器產生中斷，中斷服務程序控制輸出端的高低電平，產生精準PWM波。輸出端口連接固態繼電器的輸入端，固態繼電器的響應時間小于1ms，精度較高，滿足快速要求。固態繼電器的輸出電路跟隨PWM波形通斷，進而控制電磁閥的開啟和關閉，通過控制不同的頻率和占空比來驅動電磁閥，調節噴頭流量，達到變量噴藥的目的。當電磁閥打開后，藥液在高壓下快速進入噴頭，通過噴頭后呈霧狀散開。

2 試驗與結果分析

2.1 果園靶標檢測試驗

試驗地點位于北京市昌平區小湯山鎮國家精準農業研究示范基地，試驗裝置如圖3所示。

噴藥機設計的傳感器安裝架采用了多孔設計，傳感器固定臂可以調節安裝高度，以適應不同果樹的高度和樹冠大小。

選取園內的櫻桃樹作為試驗對象，根據櫻桃樹的大小,調節6個傳感器的安裝高度，使得1#與2#傳感器的高度為0.8m， 3#與4#傳感器高度為1.2m，5#與6#傳感器高度為1.6m。選取4棵相鄰的果樹并為之編號，測量每棵樹對應地面高度為0.8、1.2、1.6m時的樹冠的實際寬度wcr。傳感器檢測到樹冠時，傳感器會輸出低電平，根據電平信號的下降沿記錄樹冠起始點；當傳感器檢測不到樹冠時，傳感器會輸出高電平；根據電平信號的上升沿，記錄樹冠終止點；根據二者之間距離計算系統的檢測寬度wse。靶標檢測試驗結果如表1所示。

圖3 噴藥實驗裝置

試驗號速度/m·s-11#(高度80cm)樹冠寬度/cm檢測寬度/cm噴霧寬度/cm相對誤差/%2#(高度120cm)樹冠寬度/cm檢測寬度/cm噴霧寬度/cm相對誤差/%3#(高度160cm)樹冠寬度/cm檢測寬度/cm噴霧寬度/cm相對誤差/%10.5416415418613.415013617315.311210213217.80.761641531767.31501361628.011210212612.51.161641511693.01501331574.71121021196.320.5421820424512.424523227010.223621926011.10.762182032399.62452322556.92362202547.71.162182032326.42452302402.02362192505.930.5423022026113.42882683159.423422526412.80.762302182519.12882673055.92342252559.01.162302182446.12882652962.72342232444.340.542952743187.83263043466.12842603057.40.762952723105.13263023373.42842562964.21.162952743012.13263003311.52842582902.1

為了測量實際噴霧寬度，在樹木兩側插上竹竿，竹竿與果樹樹干平行，并使寬度超過整個樹冠1m；分別在高度80、120、160cm的樹冠位置掛上寬度為20cm的白色塑料紙，紙的分布沿著拖拉機運動方向。

在進行噴藥試驗時，往噴藥罐中加入50mL的羅丹明，使得噴霧藥滴呈現紅色，根據紅色霧滴在白色條上的分布，可以測量實際的噴藥寬度。

根據試驗結果數據，拖拉機在3種不同速度條件下，控制系統均能對果樹樹冠有效識別，靶標識別率為100%。對于同一區域的靶標，系統在不同速度條件下，測定靶標寬度基本相同，誤差小于4cm。所以，在拖拉機的行駛速度小于1.16m/s時，速度幾乎不會影響紅外傳感器的靶標識別。

根據對靶噴藥的控制算法，噴藥機首先探測靶標；探測到靶標后，記錄靶標的位置，系統在行駛過程中不斷地將行駛距離與存儲的數據進行對比。為了保證整個樹冠都在噴藥范圍內，必須提前開始噴藥，而到達停止位置，還需要繼續噴藥。

根據表1的試驗結果，在本實驗條件下控制系統對靶標識別后，均能實現對樹冠的噴藥覆蓋。

根據系統工作原理分析，紅外傳感器德檢測靶標反應時間不大于1ms，控制器的執行速度也在ms級，電磁閥的響應時間為20ms，執行速度比較快，而拖拉機在果園作業速度一般不超過1.2m/s。噴霧范圍的誤差主要是由于拖拉機行駛速度的檢測誤差、累計行駛距離誤差、噴藥執行延時及外界環境因素等造成的。

對于同一靶標區域，行駛速度越大，噴藥寬度越小，但是速度對檢測寬度幾乎沒有影響。根據噴藥控制算法，控制器是以實際檢測的靶標寬度為控制基礎的，在到達靶標之前提前一定的距離噴藥，而在剛好沒有靶標的位置還要繼續噴藥，寬度都是預先設定的。速度對于噴藥寬度有影響，但是引起的絕對誤差變化值相對較小。本次試驗中，在設定寬度為15cm的條件下，隨著速度的增大，噴藥寬度會減小，噴藥的相對誤差也越小，最大誤差17.8%。

根據整體試驗結果，在相同的速度及噴藥設定寬度不變的情況下，靶標的樹冠越大，噴藥寬度的相對誤差較小。這是因為即使速度條件改變時，控制器對靶噴藥算法基于實際距離控制，實際噴藥寬度沒有發生顯著的對應變化，樹冠越大，農藥的浪費也越小。

2.2 果園變量噴藥試驗

噴藥機根據行駛速度實行變量噴藥，為驗證果園噴藥變量調節，使用果園試驗裝置，測定不同速度下的噴頭流量。設定每667m2地的噴藥量為60L，調節壓力閥門，使得噴霧壓力為0.40MPa，設定PWM驅動電路的頻率為10Hz，根據前面的推導公式，占空比與速度之間存在線性關系。

噴霧機設定在自動噴藥模式，拖拉機在4種不同的速度下行走，分別為慢速Ⅲ擋(0.39m/s)、慢速Ⅳ擋(0.54m/s)、快速Ⅰ擋(0.76 m/s)及快速Ⅱ擋(1.16m/s)，采集單個噴頭每分鐘的噴藥量。為了準確地測量噴藥量，控制器采用了定時中斷，開啟噴藥后開始計時，當噴藥1min時停止噴藥。采集噴藥量采用了套袋收集法，體積計算采用了質量測量法，即采用精密電子秤測量收集到的液體質量，根據密度計算體積；每次測量3次，取3次的平均值作為實際噴藥量。測量數據如表2所示。

表2 變量噴藥試驗

3 結論

1)本文針對果樹樹冠設計的靶標探測器能探測噴藥機兩側果樹，根據噴霧寬度、延遲距離及拖拉機速度等參數計算出靶標噴霧范圍，準確控制閥門進行對靶噴藥作業。

2)果園對靶實驗表明：在行駛速度不大于1.16m/s時，傳感器對樹冠的檢測幾乎不受速度影響；在設定寬度15cm條件下，速度會影響噴藥寬度，速度越快，噴藥寬度的相對誤差越小。

3)果園變量噴藥試驗表明：根據速度調節噴頭電磁閥占空比，可以有效調節噴藥流量，實現變量噴藥，單個噴頭噴藥流量誤差不超過2.6mL/min，最大相對誤差3.7%。