一種全自動果園農藥噴灑車結構設計

李 帥 柏 順 楊德昊 曹 鑫 孫桂琦 麻曉飛

(臨沂大學機械與車輛工程學院，山東 臨沂 276005)

0前言

目前國內果園農藥噴灑大多采用人工噴藥和機械連續噴藥的方式，存在工作效率低、農藥利用率低及環境污染大等缺點[1]。結合自動控制技術和噴霧技術，將連續噴藥方式轉變為間歇噴藥方式，是解決上述問題最為有效的方法之一。

農村果園農藥殺蟲劑噴灑主要分2種模式，一是針對大規模果園的植保無人機噴灑技術[2-4]，二是傳統的人工背負式農藥噴灑方式[5]。無人機技術可以提高農藥噴灑效率，但這樣噴灑方式資金花費較大，僅適用于較大規模果園使用，而且該方式需要較高的操作技術，不適合廣大果農群眾普及。人工背負式農藥噴灑方式對勞動力的需求大，工作效率較低，并且在噴灑的過程中容易對人體產生危害。

為此，本文利用避障系統、速率遙控系統與電動機結合技術，采用抽水閥、攪拌裝置與噴灑裝置結合的方式，建立系統的、通用的果園農藥自動噴灑車技術方案，最終構建了一款適用于中小型果園的自動噴灑裝置。

1結構設計

1.1系統結構

果園農藥噴灑車的系統構成如圖1所示，主要由軟件與硬件2部分組成。軟件包括避障系統、速率控制系統與光電感應裝置。硬件部分包括動力裝置、水箱和噴灑裝置，動力裝置包括電動機與避障系統、速率遙控系統，水箱主要包括抽水閥和攪拌裝置，噴灑裝置主要包括噴灑頭、伸縮桿件和光電感應裝置。

圖1系統組成

1.2自動避障系統

光電傳感器能夠對設定距離范圍內的障礙物進行識別，將光電傳感器安裝在小車主體上，從而實現果園農藥自動噴灑車的障礙識別。當設定距離范圍內有障礙物時，光電傳感器的輸出為1，否則為0。自控避障小車主體安裝有5個光電傳感器，前方1個，左右兩側各2個。設置自控避障小車的避障規則如表1所示。

1.3速率遙控系統

作為速率遙控系統的控制核心，80C196KC單片機的CPU主要接收的輸入信號有電動機實際轉速信號、設定轉速信號和齒條位移反饋信號，上述信號均通過信號調理電路(A/D轉換器)之后進入單片機。其中選用磁電式轉速傳感器來測量電動機實際轉速，轉速傳感器信號經過放大整形成方波，經過8254以及積分電路將其變換為直流電壓信號進入A轉換器，經過D轉換器轉換成數字信號后進入單片機80C196KC進行處理。設定轉速信號由手動電位器或

表1 自控避障小車避障規則表

電動電位器來給出，設定信號同樣要進入D轉換器換成數字信號后進入單片機進行處理。齒條位移采用轉角位移傳感器來測量，其輸出信號要經過放大電路放大后進入 A/D換器，然后才進入單片機進行后續處理。

1.4光電感應裝置的設計

光電感應裝置采用5個光電傳感器和1個數據處理器構成，在避障系統中，光電傳感器將光電接收器接收的數據轉換成距離參數，在判斷出障礙物的前提下，系統通過設定的相關參數自動判定障礙物是否為果樹。與此同時，光電傳感器將小車左右兩邊果樹的高度、寬度和小車與果樹的距離等數據發送到數據處理器，實現了對果樹輪廓的數據收集。光電感應裝置工作流程圖如圖2所示。

圖2光電感應裝置工作流程圖

1.5抽水閥、攪拌裝置和噴灑裝置

果園農藥自動噴灑車還需要考慮噴灑流量、農藥溶解度、農藥沉積、系統安全及系統通用性等因素。為滿足以上要求，設計了抽水閥，用于實時控制農藥噴灑流量，既可避免多灑引起的浪費，又能避免少灑導致藥效不夠。設計的智能噴藥控制系統由儲藥柜、配料機構、水箱，控制單元、顯示屏等構成，儲藥柜可以儲存不同的藥品，水箱儲水量為30 kg，噴藥控制系統硬件結構如圖3所示。

圖3智能噴藥控制系統硬件結構

1.6伸縮桿件、控制器及數據處理裝置

采用曲柄連桿機構作為高壓噴霧器桿，其下端與高壓噴霧器底座相連，頂端與噴灑頭相連。高壓噴霧桿內有數個過濾孔，這些過濾孔在高壓噴霧桿內的拐點處，用來過濾藥液殘渣，實現高壓噴霧頭的噴灑強度?？刂破鬟x用80C196KC單片機，以實現全自動操作。電機動力箱內安裝紅外成像儀與激光雷達顯像器來控制高壓噴霧桿的噴灑方向。噴霧桿安裝有微型攝像頭，與遙控器上的顯示屏幕進行數據傳輸。通過微型攝像頭接收數據傳給80C196KC單片機進行數據處理反饋給遙控器。操作者可根據屏幕上的圖像信息和農藥噴灑方向來進行實時觀看。

2結語

利用避障系統、速率遙控系統與電動機結合技術，采用抽水閥、攪拌裝置與噴灑裝置結合的方式，建立了一種新的果園農藥自動噴灑車技術方案。通過八路灰度循跡傳感器、陀螺儀、激光雷達與控制單元通訊，實現噴灑車的自動尋跡行進與定位。通過紅外傳感器實現了噴灑車的避障功能，利用激光雷達和SLAM算法，實現了噴灑車的智能噴灑。