宣　峰，朱清智，梁　碩，汪小志

(1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽　473000；2.南昌工學(xué)院，南昌　330108；3.南昌大學(xué) 資源環(huán)境與化工學(xué)院，南昌　330031)

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激光掃描精密施肥定位機(jī)械裝置研究
—基于PLC控制

宣峰1，朱清智1，梁碩1，汪小志2,3

(1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽473000；2.南昌工學(xué)院，南昌330108；3.南昌大學(xué) 資源環(huán)境與化工學(xué)院，南昌330031)

摘要：為了提高施肥的精度，實(shí)現(xiàn)施肥過程的自動化，設(shè)計(jì)了一款新的激光掃描定位PLC自動化控制的精密施肥機(jī)器人。采用PID調(diào)節(jié)的方式設(shè)計(jì)了機(jī)器人的PLC控制閉環(huán)系統(tǒng)，以激光掃描得到的施肥深度為依據(jù)，通過邏輯判斷調(diào)整變速器的傳動比，實(shí)現(xiàn)不同深度的施肥效果，提高了施肥作業(yè)的智能化水平及施肥的精度。為了驗(yàn)證裝置的有效性和可靠性，在田間對精密施肥機(jī)器人進(jìn)行了測試。田間測試發(fā)現(xiàn)：對于施肥長度為50m的作業(yè)，所設(shè)計(jì)的施肥機(jī)器人的施肥時(shí)間明顯降低，大大提高了作業(yè)效率，施肥合格率明顯高于傳統(tǒng)的施肥機(jī)器人，可在精密化施肥和自動化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)行推廣。

關(guān)鍵詞：施肥精度；PLC控制；激光掃描；反饋調(diào)節(jié)

0引言

農(nóng)業(yè)機(jī)器人融合了眾多的技術(shù)，主要包括傳感技術(shù)、監(jiān)測技術(shù)、人工智能技術(shù)、通訊技術(shù)、圖像識別技術(shù)、精密技術(shù)及系統(tǒng)集成技術(shù)等。它使得多種前沿科學(xué)技術(shù)于一身，使人們從繁重的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動中脫離出來，且大大提高了機(jī)械作業(yè)的效率和質(zhì)量。施肥機(jī)器人的作業(yè)過程如圖1所示。

該機(jī)器人可以有效改善農(nóng)村勞動力不足，降低勞動強(qiáng)度，并且減少農(nóng)藥、化肥等對人體的傷害。

1精密施肥定位裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

精密施肥的控制主要是對變速箱差速器的控制。施肥機(jī)器人主要由5部分構(gòu)成，包括動力源部分、減速差速器部分、方向控制部分、儲料箱部分及施肥控制部分，其軸測圖和前視圖如圖2所示。

圖2　施肥機(jī)器人軸測圖和前視圖

該機(jī)動力是由動力源部分提供，主要是柴油機(jī)；差速器包括減速箱、差速器及離合器，這3者可以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的啟?？刂婆c動力的分配；減速器的控制采用繼電器控制，而繼電器的反饋調(diào)節(jié)主要根據(jù)激光掃描信號的反饋和PLC控制實(shí)現(xiàn)。

圖3表示減速器外觀圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。利用繼電器可以控制帶差速度和圓錐齒輪減速器，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的優(yōu)化配置。其中，帶差速器的圓錐齒輪減速器總體布置如圖4所示。

圖4中：假設(shè)機(jī)器人阻力為F，轉(zhuǎn)矩為T，圓周速度為v，轉(zhuǎn)速為n，則柴油機(jī)的輸出功率為

(1)

其中，Pd為發(fā)動機(jī)輸出功率；Pw為工作機(jī)所需功率；ηa為傳動裝置效率；ηw為工作機(jī)效率。假設(shè)前輪的直徑為D,輪子的轉(zhuǎn)速為n，則機(jī)器人的速度為

(2)

施肥機(jī)器人的精密控制主要通過結(jié)構(gòu)的傳動比優(yōu)化配置來實(shí)現(xiàn)。機(jī)構(gòu)的總傳動比計(jì)算公式為

(3)

傳動比的分配如下

i=i1×i2×i3

(4)

考慮到適應(yīng)性與成本問題，采用平行四邊形的結(jié)構(gòu)的聯(lián)動設(shè)計(jì)較為簡單，因此將其作為聯(lián)動結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖3　減速器外觀圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖4　帶差速器的圓錐齒輪減速器示意圖

圖5　平行四邊形機(jī)構(gòu)圖

在設(shè)計(jì)平行四邊形機(jī)構(gòu)時(shí)，考慮到對于不同地壟寬度的適應(yīng)性，在聯(lián)動桿上設(shè)置了3個(gè)間距。當(dāng)?shù)貕艑挾炔煌瑫r(shí)，可以進(jìn)行適應(yīng)性的調(diào)節(jié)，以便使得輪子的邊緣正好坐落于地壟之間的溝槽內(nèi)。為了實(shí)現(xiàn)施肥的精密控制，使用PID控制器來調(diào)整變速箱的傳動比。PID控制器是一種結(jié)構(gòu)簡單的線性控制器，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6　PID控制器

利用PID控制器對變速箱的傳動比進(jìn)行控制，其控制方程為

(5)

其中，kp為積分系數(shù)；ki為微分系數(shù)；T為采樣周期；e為施肥深度的控制誤差，施肥深度可以通過激光掃描定位來實(shí)現(xiàn)。

2施肥過程激光掃描定位和PLC控制

施肥過程的施肥深度主要由PLC控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選用的激光器的型號為LD-G650A13。激光器的具體參數(shù)如表1所示。

表1　激光器參數(shù)表

出于安全性的考慮，所選用的激光器功率為10mW，屬于安全的功率范圍。激光器工作時(shí)的功率比較小，在該功率的激光照射下，物質(zhì)不會發(fā)生化學(xué)物理變化，激光內(nèi)置直流電進(jìn)行供電。

圖7為設(shè)計(jì)的激光器實(shí)物圖。其中，激光器的控制主要由上位機(jī)系統(tǒng)和下位機(jī)系統(tǒng)組成。上位機(jī)還包括PC主機(jī)、PC連接相機(jī)和數(shù)據(jù)通信接口；下位機(jī)包括主控制器、激光器驅(qū)動器、激光器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、步進(jìn)電機(jī)及通信接口等。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成如圖8所示。

圖7　激光器實(shí)物圖

圖8　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成

PLC作為下位機(jī)控制器，通過RS232通訊總線，直接與上位系統(tǒng)處理中心進(jìn)行通訊。PLC主要控制變速箱傳遞比的輸出，激光掃描會隨時(shí)將施肥深度信息傳遞給數(shù)據(jù)存儲；通過MAD02模擬量模塊A/D轉(zhuǎn)化后，將數(shù)量與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比對，實(shí)現(xiàn)PLC對施肥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。該系統(tǒng)是閉環(huán)系統(tǒng)，如圖9所示。

圖9　PLC控制系統(tǒng)簡單示意圖

在運(yùn)行速度方面，CPM2A CPU完成一條邏輯指令的運(yùn)行速度僅為1.72us，完全可以勝任在施肥精密控制機(jī)械裝置中的應(yīng)用。

3精密施肥機(jī)器人測試結(jié)果與分析

為了測試本設(shè)計(jì)的精密施肥機(jī)器人的有效性和可靠性，在試驗(yàn)田間對機(jī)器人的施肥效果進(jìn)行了綜合試驗(yàn)。通過測試，首先得到了機(jī)器人激光掃描施肥深度的測試結(jié)果，如圖10所示。

圖10　激光掃描施肥深度測試結(jié)果

由圖10可以看出：通過激光掃描施肥深度的輪廓明顯，且通過上位機(jī)可以準(zhǔn)確地判斷施肥深度，從而達(dá)到精確控制的目的。

圖11表示激光掃描深度的測試結(jié)果。由圖11可以看出：通過激光掃描，可以準(zhǔn)確地測試出施肥深度。其中，施肥采用打孔施肥，施肥深度為2.0cm，符合設(shè)計(jì)要求。

圖11　激光掃描深度測試結(jié)果

圖12為通過多次調(diào)試施肥機(jī)器人執(zhí)行末端響應(yīng)時(shí)間。由圖12可以看出：多次試驗(yàn)的響應(yīng)時(shí)間都較短，且魯棒性較好，響應(yīng)過程平穩(wěn)。通過對比傳統(tǒng)機(jī)器人和本文設(shè)計(jì)機(jī)器人的施肥時(shí)間，得到了如表2所示的結(jié)果。

圖12　多次調(diào)試系統(tǒng)響應(yīng)結(jié)果

測試編號傳統(tǒng)施肥機(jī)器人施肥時(shí)間本文設(shè)計(jì)機(jī)器人施肥時(shí)間120.2110.13221.3210.24320.4810.35421.8910.22523.2710.25625.1110.31

由表2可以看出：相對于傳統(tǒng)的施肥機(jī)器人，本文設(shè)計(jì)的施肥機(jī)器人的施肥時(shí)間明顯降低，大大提高了作業(yè)效率。

表3表示施肥合格率的測試數(shù)據(jù)。由表3可以看出：采用本文設(shè)計(jì)的施肥機(jī)器人施肥合格率明顯高于傳統(tǒng)的施肥機(jī)器人。這是由于激光掃描定位具有較高的精度，從而大大提高了施肥的合格率，提高了作業(yè)的機(jī)械效率。

表3　施肥合格率測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

4結(jié)論

對傳統(tǒng)施肥機(jī)器人進(jìn)行了改造，并使用現(xiàn)代PLC控制和經(jīng)典PID控制器對施肥系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。同時(shí)，利用激光掃描設(shè)備設(shè)計(jì)了閉環(huán)的施肥精度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，從而大大提高了施肥作業(yè)的機(jī)械自動化和智能化水平。

對設(shè)計(jì)的精密施肥機(jī)器人進(jìn)行了田間測試，測試項(xiàng)目主要包括施肥時(shí)間和施肥深度合格率。通過田間測試發(fā)現(xiàn)：對于施肥長度為50m的施肥作業(yè)，本施肥機(jī)器人的施肥時(shí)間和施肥合格率都明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的施肥作業(yè)機(jī)器人。由此驗(yàn)證了該施肥機(jī)器人的可靠性，為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)施肥技術(shù)的研究提供了較高價(jià)值的參考。

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Study on Fertilization Positioning Mechanism of Laser Scanning Precision—Based on PLC

Xuan Feng1, Zhu Qingzhi1, Liang Shuo1, Wang Xiaozhi2,3

(1.Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000, China; 2.Nanchang Institute of Science & Technology, Nanchang 330108, China; 3.School of Resources Environment & Chemical Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031, China )

Abstract：In order to improve fertilizing precision, fertilization process automation, design a new laser scanning and positioning of the PLC automatic control of precision fertilization robot. Using PID methods to adjust the design of the robot PLC closed-loop control system, the system of fertilization depth by laser scanning as the basis, determine the transmission ratio through the transmission adjustment logic, achieve different depth of fertilization effect, improve the intelligent level of fertilization, the effectiveness of high precision fertilization device in order to verify in the field of precision and reliability, fertilization robot was tested by field test, found that, for the fertilization of length 50m fertilization, fertilization robot designed in this paper the fertilization time is significantly reduced, thereby greatly improving the work efficiency, the qualified rate of fertilization was higher than that of the traditional fertilization robot, thus greatly improve the qualified rate of fertilization, which can be used in precision fertilization and automation in agricultural production.

Key words：precision fertilization; PLC control; laser scanning; feedback control

文章編號：1003-188X(2016)06-0021-05

中圖分類號：S224.21；TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：宣峰(1981-)，男，河南南陽人，講師，碩士。通訊作者：汪小志(1981-)，女，武漢人，講師，博士研究生，(E-mail)wangxiaozhi@ncu.edu.cn。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(51305152)

收稿日期：2015-05-18