王昊凡

摘 要：本智能農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)，涉及農(nóng)藥噴灑設(shè)備制造技術(shù)領(lǐng)域，通過設(shè)置移動(dòng)底盤能夠方便在噴灑區(qū)域進(jìn)行移動(dòng)，設(shè)置檢測裝置能夠?qū)姙^(qū)域的植物和人體進(jìn)行檢測，設(shè)置控制裝置和噴灑裝置，能夠自動(dòng)對(duì)植物進(jìn)行農(nóng)藥噴灑，提高農(nóng)藥噴灑效率和精度。

關(guān)鍵詞：無人車；智能噴灑；紅外線傳感器

中圖分類號(hào)：S768 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

近年來，我國作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，如何提高農(nóng)業(yè)作業(yè)的效率，解放勞動(dòng)力，是一個(gè)亟待解決的問題，尤其是精細(xì)農(nóng)業(yè)的提出，智能的農(nóng)業(yè)機(jī)械尤其重要。西方發(fā)達(dá)國家在這方面走在前列，如美國的施肥機(jī)器人，德國的大田除草機(jī)器人等等，但成本高，動(dòng)輒十幾甚至幾十萬。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，農(nóng)作物容易受到病蟲害的侵?jǐn)_，噴灑農(nóng)藥是一種非常有效的手段，現(xiàn)有的農(nóng)藥噴灑方法是通過人工進(jìn)行噴灑，但這種方式人力消耗大，噴灑不均勻，且工作人員容易受到農(nóng)藥污染。

本智能農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)（如圖1所示）包括移動(dòng)底盤、檢測裝置、控制裝置和噴灑裝置。檢測裝置、控制裝置和噴灑裝置設(shè)置在所述移動(dòng)底盤上，控制裝置分別與移動(dòng)底盤、檢測裝置、噴灑裝置連接，檢測裝置包括紅外傳感器和人體傳感器，紅外傳感器和人體傳感器與所述控制裝置連接。移動(dòng)底盤，用于驅(qū)動(dòng)農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)通過小車循跡按照噴灑區(qū)域預(yù)設(shè)的軌跡進(jìn)行移動(dòng)；檢測裝置，用于檢測噴灑區(qū)域的植物和人體，當(dāng)檢測到植物或人體時(shí)，向控制裝置發(fā)送檢測信息；控制裝置，用于控制檢測裝置進(jìn)行檢測，接收檢測裝置發(fā)送的檢測信息，控制移動(dòng)底盤移動(dòng)，控制噴灑裝置進(jìn)行農(nóng)藥噴灑；噴灑裝置，用于根據(jù)控制裝置控制進(jìn)行農(nóng)藥噴灑。

本系統(tǒng)，通過設(shè)置移動(dòng)底盤能夠方便在噴灑區(qū)域進(jìn)行移動(dòng)，設(shè)置檢測裝置能夠?qū)姙^(qū)域的植物和人體進(jìn)行檢測，設(shè)置控制裝置和噴灑裝置，能夠自動(dòng)對(duì)植物進(jìn)行農(nóng)藥噴灑，提高農(nóng)藥噴灑效率和精度。

本系統(tǒng)，移動(dòng)底盤可以以飛思卡爾智能車做底盤，通過小車循跡系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)小車在農(nóng)田中按照預(yù)設(shè)的軌跡運(yùn)動(dòng)。其中，移動(dòng)底盤設(shè)置有第一尋線電感和第二尋線電感，第一尋線電感和第二尋線電感與控制裝置連接。第一尋線電感和第二尋線電感用于感應(yīng)預(yù)先設(shè)置在第一尋線電感和第二尋線電感之間的導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場變化，將磁場變化轉(zhuǎn)化為電壓值發(fā)送給控制裝置。

智能車底盤的舵機(jī)按照說明書建議安放位置是在車子的靠中部的地方，調(diào)整舵機(jī)的位置，并選擇長度合適的舵機(jī)片，這樣可以達(dá)到快速轉(zhuǎn)向但又不會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)向力不足的情況。經(jīng)長時(shí)間驗(yàn)證，此方法可以確保舵機(jī)的可靠使用。

安裝紅外傳感器，用于采用三角測量法采集和檢測噴灑區(qū)域的植物，確定紅外傳感器與植物的距離，生成植物檢測信息，并將所述植物檢測信息發(fā)送給控制裝置；紅外傳感器對(duì)檢測噴灑區(qū)域的植物進(jìn)行檢測產(chǎn)生檢測電壓，利用下式將所述檢測電壓轉(zhuǎn)換為紅外傳感器與植物的距離；

d=（6762/（val-9））-4

其中，d為紅外傳感器與植物的距離，val為檢測電壓。

安裝人體檢測裝置，用于利用熱釋電模塊對(duì)檢測噴灑區(qū)域的人體進(jìn)行檢測，生成人體檢測信息，并將所述人體檢測信息發(fā)送給控制裝置。

紅外測距傳感器的功能是利用采集到的距離信息判斷前方是否有樹木，如果有則讓小車停止并開啟農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)，可以選用夏普GP2Y0A02YK0F作為紅外測距傳感器。GP2Y0A02YK0F是夏普的一款距離測量傳感器模塊。它由PSD（position sensitive detector）IRED（infrar edemitting diode）以及信號(hào)處理電路3個(gè)部分組成。由于采用了三角測量方法，被測物體的材質(zhì)、環(huán)境溫度以及測量時(shí)間都不會(huì)影響傳感器的測量精度。傳感器輸出電壓值對(duì)應(yīng)探測的距離，通過測量電壓值就可以得出所探測物體的距離，所以這款傳感器可以用于距離測量、避障等場合。

當(dāng)前方有物體是人而不是樹木時(shí)，僅用距離傳感器就會(huì)出現(xiàn)誤噴灑，因而還需要加入一個(gè)人體檢測傳感器判斷前方物體是否是人，如果是則僅停車而不開啟噴灑裝置。這里可以選用HC-SR501熱釋電模塊作為人體檢測傳感器。該模塊常應(yīng)用在防盜報(bào)警電路中，也可用在智能探測小車上面。它是全自動(dòng)感應(yīng)裝置，當(dāng)人走到探測范圍內(nèi)輸出高電平，人離開則延時(shí)輸出低電平。

本智能農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)包括供電裝置，供電裝置的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，采用全橋驅(qū)動(dòng)電路作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。主要是因其控制簡單，并且驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)。通過對(duì)驅(qū)動(dòng)芯片輸出電流、加速、制動(dòng)時(shí)間、穩(wěn)定性能、發(fā)熱情況等性能進(jìn)行比較，最終選擇BTS7970作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。使用4片BTS7970搭成兩個(gè)全橋電路對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。

控制裝置包括：尋線控制單元，用于獲取第一尋線電感產(chǎn)生的電壓值和第二尋線電感產(chǎn)生的電壓值，計(jì)算第一尋線電感產(chǎn)生的電壓值和第二尋線電感產(chǎn)生的電壓值之差，得到偏離值，根據(jù)所述偏離值控制移動(dòng)底盤調(diào)整行進(jìn)方向。其中，小車采用電感進(jìn)行循線，因?qū)Ь€中有交變的電流，電感可以感應(yīng)到其產(chǎn)生的交變的磁場，并返回相應(yīng)電壓值。采用兩個(gè)電感進(jìn)行方向的確定。當(dāng)小車行進(jìn)過程中偏離中心導(dǎo)線時(shí)，會(huì)使一邊電感靠近導(dǎo)線，一邊電感遠(yuǎn)離導(dǎo)線，這就使單片機(jī)采集的數(shù)據(jù)一個(gè)增大一個(gè)減小。通過兩者做差就可以得出相應(yīng)的偏離量。

植物檢測控制單元，用于獲取紅外傳感器發(fā)送的植物檢測信息，將植物檢測信息中紅外傳感器與植物的距離與預(yù)先設(shè)定的距離閾值進(jìn)行比較，當(dāng)紅外傳感器與植物的距離小于預(yù)先設(shè)定的第一距離閾值時(shí)，控制移動(dòng)底盤停止移動(dòng)，控制噴灑裝置進(jìn)行農(nóng)藥噴灑，當(dāng)紅外傳感器與植物的距離小于預(yù)先設(shè)定的第二距離閾值時(shí)，控制噴灑裝置停止農(nóng)藥噴灑。其中，紅外傳感器所給出的電壓值對(duì)應(yīng)著距離信息。當(dāng)小車行駛路線兩旁出現(xiàn)了物體時(shí)（不能判斷是人還是樹木），紅外傳感器就會(huì)返回一個(gè)較高的電壓值，當(dāng)該電壓值大于我們所設(shè)定的閾值，單片機(jī)就發(fā)出控制命令，一方面讓電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，從而小車停止前進(jìn)，另一方面打開水泵，從而噴頭可以順利噴灑農(nóng)藥。從而該部分程序關(guān)鍵是選擇合適的閾值并能合理開中斷和關(guān)中斷。

中斷是CPU在執(zhí)行一個(gè)程序時(shí)，對(duì)系統(tǒng)發(fā)生的某個(gè)事件（程序自身或外界的原因）作出的一種反應(yīng)。若中斷發(fā)生，CPU暫停正在執(zhí)行的程序，保留現(xiàn)場后自動(dòng)轉(zhuǎn)去處理相應(yīng)的事件，處理完該事件后，到適當(dāng)?shù)臅r(shí)候返回?cái)帱c(diǎn)，繼續(xù)完成被打斷的程序。

人體檢測控制單元，用于獲取人體檢測裝置發(fā)送的人體檢測信息，判斷檢測噴灑區(qū)域是否存在人體，當(dāng)存在人體時(shí)停止移動(dòng)底盤，當(dāng)不存在人體時(shí)控制噴灑裝置進(jìn)行農(nóng)藥噴灑。其中，人體檢測傳感器用來判斷物體是人還是樹木。如果是人該傳感器就會(huì)返回高電平信號(hào)。因此在用紅外測距傳感器判斷出小車兩旁有物體時(shí)，首先要判斷人體檢測傳感器返回電平值是否是高電平，如果是則只令小車停止5s，否則還要執(zhí)行打開水泵電機(jī)的命令。

噴灑裝置包括水泵、水箱、噴頭和水管，水箱與水泵連接，水泵與水管連接，水管與噴頭連接，水泵和水管與控制裝置連接。噴灑裝置根據(jù)控制裝置設(shè)置進(jìn)行農(nóng)藥噴灑。

本系統(tǒng)還包括車速測量裝置，車速測量裝置與控制裝置連接。為了使小車速度可以控制，需要加入速度檢測傳感器模塊。常用的速度檢測傳感器有編碼器和光電碼盤。因?yàn)榫幋a器體積較大，而且價(jià)格較高，安裝不便，所以選擇采用光電碼盤對(duì)小車速度進(jìn)行檢測。這種檢測方式安裝簡單，電路輕便，使用電源為5V，非常適合在類似的模型上使用，測量精度與編碼器并無太大差別，但缺點(diǎn)穩(wěn)定性不好，將其固定死并不會(huì)有太大影響。

本智能農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)，提出了智能噴灑農(nóng)藥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案并得到實(shí)現(xiàn)。在硬件方面，系統(tǒng)的控制是基于飛思卡爾K60單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的。通過額定電壓為7.2V鋰電池和各種穩(wěn)壓電路可以為小車行駛供電。通過搭建兩個(gè)全橋電路可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制從而完成驅(qū)動(dòng)。噴灑部分主要由水泵、噴頭和連接的水管組成，通過控制水泵的開閉來控制是否噴水。在軟件設(shè)計(jì)方面，系統(tǒng)主要結(jié)合兩個(gè)傳感器所給出的信息發(fā)出相應(yīng)的控制命令。首先通過紅外測距傳感器返回的電壓信息判斷車右側(cè)及前方是否有障礙物存在，如有，則開中斷讓小車停止前進(jìn)。之后利用人體檢測傳感器返回電平值判斷車和樹之間是否有人，如果是低電平則該障礙物是樹木，開啟農(nóng)藥噴灑裝置，否則是人，不作其他處理。本系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)智能噴灑。采用無人車搭載檢測及噴灑裝置，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)噴灑，大大提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低人工成本，減少農(nóng)藥污染與殘留。

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