馬偉+高春華+蔡吉晨+程湞湞+程一帆

背景

溫室管理過(guò)程中噴藥是非常重要的環(huán)節(jié)。噴藥能有效的防止溫室內(nèi)作物病害大面積蔓延，同時(shí)阻斷病害的交互感染。但高效噴藥作業(yè)是設(shè)施栽培的一個(gè)難題。果菜和葉菜相比果實(shí)膨大周期長(zhǎng)、株高大，果實(shí)按照高度分層，對(duì)噴藥的要求更高。研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)藥噴灑利用率低是因?yàn)樗幰簺](méi)有有效噴施在靶標(biāo)植株葉片上，無(wú)靶標(biāo)噴施造成靶標(biāo)外大量農(nóng)藥沉積是引發(fā)農(nóng)藥殘留的主要原因之一[1]，對(duì)靶標(biāo)的探測(cè)識(shí)別是提高藥效的重要途徑，當(dāng)前研究有超聲靶標(biāo)探測(cè)[1]和紅外靶標(biāo)探測(cè)[2]用于噴藥，取得較好的省藥效果，但果菜靶標(biāo)探測(cè)的報(bào)道卻不多。

原理

通過(guò)在彌霧機(jī)運(yùn)行軌道上安裝磁鐵，利用霍爾傳感器機(jī)構(gòu)采集對(duì)應(yīng)位置信號(hào)，獲得行進(jìn)過(guò)程中果菜壟的具體位置，利用控制器計(jì)算得出作業(yè)區(qū)間，發(fā)出控制信號(hào)給噴藥機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)噴灑作業(yè)。

總體設(shè)計(jì)

果菜噴藥靶標(biāo)探測(cè)器的設(shè)計(jì)遵循簡(jiǎn)約穩(wěn)定的技術(shù)思路，重點(diǎn)優(yōu)化解決溫室濕熱的環(huán)境影響，單獨(dú)設(shè)計(jì)2組接口電路，包括輸入轉(zhuǎn)換接口和驅(qū)動(dòng)電路接口，消除干擾和溫度補(bǔ)償。輸入轉(zhuǎn)換接口主要采集霍爾傳感器信號(hào)和速度傳感器信號(hào)，進(jìn)行信號(hào)糾錯(cuò)檢驗(yàn)后發(fā)送給單片機(jī)，獲得當(dāng)前噴霧機(jī)的位置信息。驅(qū)動(dòng)電路接口用來(lái)將控制信號(hào)從3 V放大到12～24 V，放大后的控制信號(hào)用來(lái)驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備會(huì)更加穩(wěn)定，同時(shí)對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)，發(fā)信號(hào)給末端執(zhí)行器（圖1）。

傳感器設(shè)計(jì)

傳感器采用盤式旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，按照間隔120°角分別布置3組傳感器，盤式旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速為0.33 r/s，采集信號(hào)分別存放在3個(gè)寄存器中進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)探測(cè)器經(jīng)過(guò)角鐵軌道上的磁鐵時(shí)，3組傳感器依次采集到信號(hào)，解析規(guī)則判斷時(shí)，如果發(fā)生數(shù)據(jù)丟包或干擾錯(cuò)誤，誤差為0.33 s（圖2）。

控制器算法

控制器首先上電進(jìn)行初始化，然后判斷傳感器的3個(gè)采集板是否有電流信號(hào)輸出，當(dāng)有信號(hào)變化時(shí)，控制器立即接收這個(gè)磁鐵的信號(hào)，并存放起來(lái)，然后繼續(xù)讀取相鄰采集板是否有信號(hào)輸出，通過(guò)3個(gè)傳感器的信號(hào)確認(rèn)和解析，最終判斷能否探測(cè)到靶標(biāo)，如果確認(rèn)靶標(biāo)后，開始對(duì)存儲(chǔ)在數(shù)組的數(shù)值進(jìn)行運(yùn)算，目的是計(jì)算行進(jìn)時(shí)間以便確認(rèn)行走距離，然后開始計(jì)算當(dāng)前時(shí)間和采集板采集信號(hào)的時(shí)間間隔，用時(shí)間段長(zhǎng)度來(lái)得出彌霧機(jī)的當(dāng)前位點(diǎn)，并通過(guò)這個(gè)時(shí)間段長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的預(yù)設(shè)施藥程序中的唯一位點(diǎn)來(lái)讀取當(dāng)前噴藥機(jī)的準(zhǔn)確噴藥參數(shù)（包括噴藥量、離心風(fēng)機(jī)風(fēng)量等）。為了使程序更加適應(yīng)農(nóng)藝要求，可以預(yù)先將作物長(zhǎng)勢(shì)和行寬參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。由于傳感器設(shè)計(jì)的盤式結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，每轉(zhuǎn)動(dòng)1周會(huì)有3個(gè)間隔時(shí)長(zhǎng)一致的波動(dòng)信號(hào)，當(dāng)彌霧機(jī)掃過(guò)作物靶標(biāo)旁的磁鐵時(shí)，會(huì)有連續(xù)的信號(hào)產(chǎn)生。噴霧機(jī)探測(cè)的坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)定為采集板連續(xù)探測(cè)磁鐵的信號(hào)時(shí)第1個(gè)霍爾電流信號(hào)對(duì)應(yīng)的位置。當(dāng)連續(xù)信號(hào)結(jié)束時(shí)，通過(guò)計(jì)算第1個(gè)信號(hào)發(fā)生時(shí)刻和當(dāng)前時(shí)刻的時(shí)間關(guān)系，噴霧機(jī)會(huì)到達(dá)預(yù)設(shè)的位置進(jìn)行對(duì)靶噴藥，當(dāng)達(dá)到程序設(shè)定的噴霧量后，控制器驅(qū)動(dòng)彌霧機(jī)往前行走一定距離后，再次停止前進(jìn)，噴頭擺動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作，對(duì)行的另外一側(cè)作物進(jìn)行噴霧（圖3）。

試驗(yàn)及結(jié)果分析

在測(cè)試樣機(jī)的底部靠近作物一側(cè)固定傳感器，在對(duì)應(yīng)的一側(cè)位置固定2 cm長(zhǎng)的永磁鐵，直接吸附在軌道上（圖4）。選擇自來(lái)水替代農(nóng)藥進(jìn)行測(cè)試。

以3行作物作為靶標(biāo)噴藥行，選擇第1行的磁鐵位置提前1 m為坐標(biāo)原點(diǎn)，選擇彌霧機(jī)前進(jìn)方向?yàn)閄軸正方向，選定作物一側(cè)的距離為Y軸正方向。預(yù)設(shè)噴霧量和前進(jìn)速度等數(shù)值，進(jìn)行試驗(yàn)并重復(fù)3次。實(shí)際對(duì)靶得出的作業(yè)區(qū)間和作物壟的位置邊緣有一定滯后，通過(guò)系統(tǒng)可以進(jìn)行修正，但計(jì)算的作業(yè)位點(diǎn)偏差不大（圖5）。

進(jìn)行不同靶標(biāo)距離對(duì)靶噴霧的測(cè)試（圖6），通過(guò)磁鐵標(biāo)示的信號(hào)識(shí)別靶標(biāo)邊緣后，彌霧機(jī)在作業(yè)區(qū)間內(nèi)停止前進(jìn)同時(shí)進(jìn)行噴霧，噴頭擺動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)定為正前方，噴霧時(shí)間設(shè)定為30 s，靶標(biāo)采樣距離噴嘴6～8 m，噴霧在作物葉片上的沉積量隨距離的增大而減小，但霧滴均勻性沒(méi)有隨靶標(biāo)距離變化而顯著變化。

結(jié)論

本文開發(fā)了一種果菜噴藥靶標(biāo)探測(cè)器，并進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。結(jié)論如下：①利用霍爾傳感器機(jī)構(gòu)采集對(duì)應(yīng)位置磁場(chǎng)信號(hào)得到靶標(biāo)位點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)靶噴霧。②果菜的柔性非規(guī)則輪廓的靶標(biāo)探測(cè)不準(zhǔn)的問(wèn)題能很好的解決。③不同靶標(biāo)距離霧滴在水敏紙的沉積測(cè)試結(jié)果表明該對(duì)靶噴霧有較好的均勻性。

參考文獻(xiàn)

[1] 翟長(zhǎng)遠(yuǎn)，趙春江，王秀，等.幼樹靶標(biāo)探測(cè)器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012（02）：18-22.

[2] 李麗，李恒，何雄奎，等.紅外靶標(biāo)自動(dòng)探測(cè)器的研制及試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012（12）：159-163.

*項(xiàng)目支持：“公益性行業(yè)專項(xiàng)201203025”；果類蔬菜北京市創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目。