宋淑然，鄭君彬，洪添勝，陳建澤，薛秀云，代秋芳

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 電子工程學(xué)院，廣州 510642)

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果樹對(duì)靶噴霧機(jī)柔性噴臂控制設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

宋淑然，鄭君彬，洪添勝，陳建澤，薛秀云，代秋芳

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 電子工程學(xué)院，廣州 510642)

由于生態(tài)環(huán)境問題日益嚴(yán)峻，農(nóng)藥噴霧必然是朝著低污染、高精度、智能化與安全化的趨勢(shì)發(fā)展。現(xiàn)有的對(duì)靶噴霧機(jī)雖然可以針對(duì)有無靶標(biāo)植株進(jìn)行噴藥，但其噴霧架通常是固定不變的，難以同時(shí)適用于不同靶標(biāo)植株。為此，提出噴臂變形以使中心噴頭對(duì)準(zhǔn)靶標(biāo)植株樹冠中心的柔性噴霧架方案，通過安裝在拖拉機(jī)側(cè)面的激光測(cè)距傳感器對(duì)靶標(biāo)植株進(jìn)行距離探測(cè)，采用安裝在噴臂上的角度傳感器對(duì)柔性噴霧架的形狀進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。根據(jù)上述檢測(cè)結(jié)果，通過程序內(nèi)部運(yùn)算， 獲得控制量，驅(qū)動(dòng)電推桿對(duì)噴霧架進(jìn)行形狀調(diào)整，同時(shí)由安裝在十字架上的超聲波傳感器對(duì)噴霧架下的靶標(biāo)植株進(jìn)行實(shí)時(shí)的識(shí)別探測(cè)，并設(shè)計(jì)了一種能同時(shí)滿足不同靶標(biāo)植株形狀的對(duì)靶噴霧控制機(jī)構(gòu)。為了減小調(diào)節(jié)時(shí)間和由于機(jī)構(gòu)抖動(dòng)造成的系統(tǒng)誤動(dòng)作，在噴臂調(diào)節(jié)算法的基礎(chǔ)上增加了調(diào)整死區(qū)。通過試驗(yàn)分析，噴霧架可以根據(jù)拖拉機(jī)側(cè)面與靶標(biāo)植株樹干的距離進(jìn)行柔性對(duì)靶調(diào)節(jié)，噴霧架最大的調(diào)節(jié)時(shí)間為5.8s，滿足對(duì)靶噴霧的實(shí)時(shí)性要求。

對(duì)靶噴霧；柔性噴臂；激光測(cè)距傳感器；超聲波傳感器；調(diào)整死區(qū)；噴霧機(jī)

0 引言

果園病蟲害防治是果園管理中最重要，也是最費(fèi)時(shí)的一項(xiàng)作業(yè)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，果樹在一年生長(zhǎng)期內(nèi)至少需要施藥8～15次，約占果園總作業(yè)量的30%[1]。我國(guó)果園傳統(tǒng)的施藥方式是連續(xù)噴藥，此種方法具有明顯缺點(diǎn)：由于果樹并非連續(xù)種植，而是存在較寬的株距，當(dāng)噴霧機(jī)運(yùn)行至兩棵果樹之間時(shí)，其所噴出的藥液不能有效地沉積在果樹上，從而造成無效噴藥。通過靶標(biāo)探測(cè)技術(shù)，噴霧系統(tǒng)能識(shí)別是否存在靶標(biāo)植株，從而決定是否噴藥，將連續(xù)噴藥轉(zhuǎn)化為間歇噴藥[2-5]。

在以上的研究中，研究的重點(diǎn)側(cè)重于通過探測(cè)傳感器指導(dǎo)噴霧機(jī)上噴頭的開合位置與開合時(shí)間，用于施藥的噴霧架結(jié)構(gòu)一般是固定不變的。而實(shí)際果園中，果樹的形狀及噴霧機(jī)與果樹的相對(duì)位置是不同的，為了更好地進(jìn)行精準(zhǔn)噴霧，設(shè)計(jì)了一種噴霧架形狀可調(diào)的柔性對(duì)靶噴霧裝置。該噴霧架能夠根據(jù)果樹樹冠的中心位置進(jìn)行自適應(yīng)變形，使柔性噴霧架上的噴霧中心與靶標(biāo)植株樹冠中心對(duì)齊，從而實(shí)現(xiàn)更好的對(duì)靶噴霧效果。

1 對(duì)靶噴霧機(jī)柔性噴臂的構(gòu)成及工作原理

1.1 果樹柔性對(duì)靶噴霧系統(tǒng)簡(jiǎn)介

果樹柔性對(duì)靶噴霧系統(tǒng)以拖拉機(jī)為移動(dòng)平臺(tái)，如圖1所示。柔性對(duì)靶噴霧系統(tǒng)包括噴臂單元、靶標(biāo)探測(cè)單元、噴霧單元和控制單元。噴臂單元由水平噴臂、斜撐噴臂和伸縮臂組成；靶標(biāo)探測(cè)單元由激光測(cè)距傳感器、傾角傳感器和超聲波傳感器組成；噴霧單元由通過軟管垂直懸掛在水平臂的5個(gè)噴頭組成，噴頭的霧錐角α為80°；控制單元由兩個(gè)mega16系統(tǒng)板組成。試驗(yàn)果樹的平均高度為1 700mm，平均冠幅為1 500mm。

1.水平臂 2. 1號(hào)傾角傳感器 3.2號(hào)傾角傳感器 4.斜撐噴臂 5.噴霧軟管 6.噴頭 7.伸縮臂 8.激光測(cè)距傳感器 9.果樹 10.拖拉機(jī)

圖1中，每根噴霧軟管管長(zhǎng)460mm，5根噴霧軟管間距均為230mm，水平噴霧覆蓋范圍為920mm。為使噴霧覆蓋范圍達(dá)到果樹冠幅1 500mm，需要最左與最右的兩個(gè)噴頭的噴霧范圍各向外延伸290mm，選用噴頭的霧錐角α為80°，所以噴頭到樹冠間的最小豎直距離h為

(1)

即噴頭到樹冠之間的豎直距離大于345mm時(shí)，噴霧范圍能覆蓋整個(gè)樹冠。

1.2 對(duì)靶噴霧機(jī)柔性噴臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

果園對(duì)靶噴霧機(jī)柔性噴臂的結(jié)構(gòu)根據(jù)挖掘機(jī)的挖掘臂結(jié)構(gòu)仿形設(shè)計(jì)，如圖2所示。整個(gè)機(jī)構(gòu)由水平噴臂、斜撐噴臂、伸縮臂、電動(dòng)推桿A和電動(dòng)推桿B等5個(gè)部分組成。水平噴臂在電動(dòng)推桿A的作用下需要始終與水平面保持平行，以保證噴霧霧滴附著在靶標(biāo)樹冠上；斜撐噴臂在電動(dòng)推桿B的作用下俯仰擺動(dòng)；伸縮臂除了對(duì)整個(gè)噴臂架構(gòu)起到固定與支撐作用外，還可以改變噴臂架構(gòu)的高度，使柔性對(duì)靶噴臂架構(gòu)適用于生長(zhǎng)期、植株高度不同的果樹。噴霧前，根據(jù)果樹的實(shí)際高度人工調(diào)節(jié)伸縮臂的高度?？紤]到果樹的行距，同時(shí)為保證噴臂調(diào)整的穩(wěn)定性及噴霧區(qū)域覆蓋樹冠，斜撐噴臂的長(zhǎng)度應(yīng)適宜，本文斜撐臂長(zhǎng)度為800mm，水平臂長(zhǎng)度為1 600mm。圖2(a)和(b)分別代表了噴霧單元中心噴頭隨著機(jī)構(gòu)變形移動(dòng)到左右兩個(gè)極限位置時(shí)柔性噴臂的形態(tài)。

(a) (b)

根據(jù)電動(dòng)推桿B的行程與安裝位置可得：斜撐噴臂與水平方向的夾角θn的變化范圍為20°～55°。為保證柔性噴霧架調(diào)整至圖2中的兩個(gè)極限位置時(shí)均能使霧滴在樹冠上的覆蓋，只需滿足當(dāng)θn為20°時(shí)，噴頭與樹冠的豎直距離不小于345mm即可。根據(jù)圖1與圖2，計(jì)算出伸縮臂的最小長(zhǎng)度L為

L=(460-800sinθn)+h+1700-200

(2)

其中，460為噴霧軟管長(zhǎng)度(mm)；θn=20°；h=345mm；1 700為試驗(yàn)果樹的平均高度(mm)；200為伸縮臂距離地面的高度(mm)。根據(jù)式(2)可以求出伸縮臂的最小長(zhǎng)度為2 032mm。

如圖3所示，實(shí)驗(yàn)果園果樹的行距為4.5m，株距為4m，搭載果園柔性對(duì)靶噴霧系統(tǒng)的拖拉機(jī)長(zhǎng)3.8m、寬1.5m。

在噴霧作業(yè)的過程中，拖拉機(jī)很難一直保持直線行駛，拖拉機(jī)側(cè)面距離靶標(biāo)樹干的距離D是可變的。柔性噴霧架調(diào)節(jié)目的就是在拖拉機(jī)的行進(jìn)過程中，保證噴霧單元的中心噴頭始終與靶標(biāo)植株中心重合，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的噴霧效果。

1.3 對(duì)靶噴霧柔性噴臂的調(diào)節(jié)原理

通過激光測(cè)距傳感器進(jìn)行靶標(biāo)植株探測(cè)，一旦檢測(cè)到有效靶標(biāo)，主控單元根據(jù)式(3)求出斜撐噴臂的目標(biāo)調(diào)整角度θt，有

(3)

其中，D為激光測(cè)距傳感器檢測(cè)到的靶標(biāo)樹干距離(參見圖1)；900為水平臂最左端到噴霧單元中心噴頭的水平距離(mm)；800為伸縮臂的長(zhǎng)度(mm)。

主控單元將目標(biāo)調(diào)整角度θt與當(dāng)前斜撐臂與水平方向的夾角θn作比較，從而決定電動(dòng)推桿B的伸縮。在噴霧臂的調(diào)節(jié)過程中，斜撐噴臂的調(diào)節(jié)是主動(dòng)調(diào)節(jié)，水平噴臂的調(diào)節(jié)是從動(dòng)調(diào)節(jié)。在斜撐噴臂進(jìn)行調(diào)節(jié)的同時(shí)，水平噴臂受其影響會(huì)偏離水平位置，主控單元根據(jù)其偏離的方向決定電動(dòng)推桿A的伸縮。

1.中心噴頭的位置 2.水平噴臂 3.斜撐噴臂 4.伸縮臂 5.電動(dòng)推桿B 6.電動(dòng)推桿A

2 靶標(biāo)檢測(cè)及噴臂控制

2.1 靶標(biāo)檢測(cè)

靶標(biāo)探測(cè)分為對(duì)靶標(biāo)樹干距離的探測(cè)、對(duì)噴臂角度的探測(cè)及對(duì)靶標(biāo)冠層的檢測(cè)。

本系統(tǒng)選用武漢歐卡科技有限公司的INSIGHT-60型激光測(cè)距傳感器，檢測(cè)拖拉機(jī)側(cè)面到靶標(biāo)樹干的距離D，探測(cè)距離范圍為0.001～60m，探測(cè)頻率為5Hz，最高探測(cè)精度為0.5mm。傳感器工作時(shí)，探測(cè)結(jié)果通過串口傳輸給主控單元，主控單元根據(jù)式(3)求出斜撐臂的目標(biāo)調(diào)整角度θt，然后根據(jù)控制程序，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)推桿調(diào)整斜撐臂。

在田間探索性試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，影響靶標(biāo)檢測(cè)準(zhǔn)確度的主要因素是光照強(qiáng)度和果園中的非靶標(biāo)樹干背景。通過在激光探測(cè)頭上添加濾鏡，減弱了光照強(qiáng)度對(duì)激光測(cè)距傳感器數(shù)據(jù)返回的干擾；對(duì)雜草、樹枝下垂及樹葉遮擋等非靶標(biāo)植株的干擾，可通過程序?yàn)V波進(jìn)行排除。由圖3可知：激光傳感器距離靶標(biāo)樹干的距離，最大值為3m，若探測(cè)結(jié)果大于3m，則視為無效數(shù)據(jù)；只有當(dāng)探測(cè)結(jié)果連續(xù)3次有效，主控單元才會(huì)對(duì)返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以此排除非靶標(biāo)產(chǎn)生的干擾。

噴臂的角度檢測(cè)需要用到兩個(gè)傾角傳感器，分別用于檢測(cè)水平噴臂和斜撐噴臂與水平方向的夾角。選用碩鋒電子科技公司的SSA型傾角傳感器，傾角傳感器工作時(shí)，測(cè)試結(jié)果通過模擬電壓的形式傳輸給主控單元。水平噴臂在水平方向上上下擺動(dòng)，因而選擇對(duì)稱型的SSA60，其量程為-60°～+60°；而斜撐噴臂始終在垂直方向的右側(cè)擺動(dòng)，所以選擇非對(duì)稱型傾角傳感器SSA61，其量程為-30°～+90°。

與樹干不同，樹冠由許多疏密不同的樹枝與樹葉構(gòu)成，如果仍然采用類似的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)形式的測(cè)距方式，就可能會(huì)因?yàn)闃淙~之間的縫隙而探測(cè)出錯(cuò)誤的結(jié)果，所以必須使用漫射型測(cè)距方式，超聲波測(cè)距就滿足上述的要求。本系統(tǒng)選用深圳導(dǎo)向技術(shù)公司生產(chǎn)的KS-103系列超聲波傳感器，探測(cè)結(jié)果通過I2C總線傳輸給主控系統(tǒng)。該傳感器探測(cè)距離范圍為10～5 500mm，探測(cè)頻率為500Hz，最高探測(cè)精度為1mm。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，若將超聲波測(cè)距傳感器直接安裝在水平噴臂底側(cè)，噴霧單元軟管的擺動(dòng)往往對(duì)超聲波測(cè)距傳感器的探測(cè)產(chǎn)生遮擋。為了避免這種情況，特別在水平臂噴臂中心位置設(shè)置了十字架(如圖3所示)，兩個(gè)超聲波測(cè)距傳感器分別固定安裝在十字架的兩翼。同時(shí)，通過這種結(jié)構(gòu)，主控單元可實(shí)現(xiàn)延后開放，提前關(guān)閉的控制方式(當(dāng)2號(hào)超聲波傳感器超聲波檢測(cè)到靶標(biāo)時(shí)，打開電池閥進(jìn)行噴霧；當(dāng)1號(hào)超聲波傳感器檢測(cè)不到靶標(biāo)時(shí)，關(guān)閉電磁閥停止噴霧)，與其他方式相比，這種方式能更有效實(shí)現(xiàn)對(duì)靶噴霧和提高霧滴沉積率[10]。

2.2 噴臂控制

噴臂的控制由主控單元和動(dòng)作執(zhí)行單元完成。

1)主控單元。主控單元的作用是在接收到傾角傳感器、激光測(cè)距傳感器、超聲波測(cè)距傳感器采集后的數(shù)據(jù)后，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。當(dāng)這些數(shù)據(jù)分別達(dá)到各自閾值時(shí)，主控單元控制電動(dòng)推桿與電磁閥進(jìn)行對(duì)應(yīng)的動(dòng)作，以達(dá)到調(diào)整噴霧架形狀和控制噴霧的目的。果園柔性對(duì)靶噴霧控制裝置需要用到的單片機(jī)資源有：一個(gè)串口總線接口、一個(gè)I2C協(xié)議接口、兩個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器、兩個(gè)8位定時(shí)計(jì)數(shù)器和兩個(gè)10位精度的A/D轉(zhuǎn)換器。本系統(tǒng)選擇使用兩片AVR-Mega16單片機(jī)實(shí)現(xiàn)上述功能。

2)動(dòng)作執(zhí)行單元。主控單元通過控制兩個(gè)電動(dòng)推桿的伸縮運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)柔性噴霧架的形狀調(diào)節(jié)。電動(dòng)推桿的運(yùn)動(dòng)速度及方向都由主控單元控制；電動(dòng)推桿內(nèi)部自帶行程開關(guān)，可以在往復(fù)運(yùn)動(dòng)兩個(gè)方向的極限位置自動(dòng)斷電停機(jī)，以防自身損壞；另外，電動(dòng)推桿在停止運(yùn)動(dòng)后具有自鎖能力，能夠在斷電的情況下承受負(fù)載并保持原狀。柔性噴霧架形狀的調(diào)節(jié)需要兩根電動(dòng)推桿來完成，為了完成指定的機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)，選用了兩個(gè)行程不同的電動(dòng)推桿，LAM1-S0-150型推桿(伸縮范圍為320～470mm)和LAM1-S0-200型推桿(伸縮范圍為370～570mm)分別作為電動(dòng)推桿A和電動(dòng)推桿B，其額定推力為3000N。

3 控制程序設(shè)計(jì)

柔性對(duì)靶噴臂控制程序包含斜撐噴臂角度調(diào)整控制程序和水平噴臂角度調(diào)整控制程序。

3.1 斜撐噴臂角度調(diào)整控制程序

在斜撐噴臂的角度調(diào)整過程中，其控制流程如圖4所示。

圖4 斜撐噴臂動(dòng)作控制流程圖

首先，由激光測(cè)距傳感器探測(cè)靶標(biāo)植株樹干到拖拉機(jī)的距離，并將此距離通過式(3)轉(zhuǎn)化成斜撐噴臂的目標(biāo)角度θt；主控單元通過傾角傳感器獲取到當(dāng)前角度θn后，開始對(duì)兩者進(jìn)行比較。當(dāng)θt-θn≥3°(死區(qū)角正向最大)時(shí)，主控單元控制電動(dòng)推桿B伸長(zhǎng)；當(dāng)θt-θn≤-3°(死區(qū)角反向最大)時(shí)，主控單元控制電動(dòng)推桿B收縮；當(dāng)3°≥θt-θn≥-3°時(shí)，主控單元默認(rèn)已達(dá)到控制目的，逐漸降低驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比。

斜撐噴臂的調(diào)節(jié)是整個(gè)柔性噴霧架調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)，其調(diào)節(jié)過程中的平穩(wěn)度及調(diào)節(jié)時(shí)間都對(duì)水平噴臂的調(diào)節(jié)和噴霧效果產(chǎn)生很大的影響，因此對(duì)斜撐噴臂的控制應(yīng)該重點(diǎn)滿足穩(wěn)定性和快速性的要求。經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：如果采用普通“通電動(dòng)、斷電停”的方法控制電動(dòng)推桿，在推桿啟動(dòng)和停止的瞬間，會(huì)引起整個(gè)柔性噴霧架的劇烈抖動(dòng)，不僅對(duì)噴霧的準(zhǔn)確性造成不利影響，也對(duì)柔性噴霧架本身的機(jī)械機(jī)構(gòu)造成沖擊。因此，使用“軟啟動(dòng)與軟停止”的方式控制電動(dòng)推桿。啟動(dòng)時(shí)，電推桿驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比由10%開始，以3%遞增，遞增頻率為50Hz，直至占空比達(dá)到100%時(shí)停止加速，電推桿維持此速度運(yùn)動(dòng)。當(dāng)檢測(cè)到3°≥θt-θn≥-3°時(shí)，即斜撐噴臂進(jìn)入死區(qū)范圍。此時(shí)電推桿驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比開始以5%遞減，頻率也是50Hz，直至占空比減小至10%時(shí)，將單驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸出口關(guān)閉，電動(dòng)推桿B停止運(yùn)動(dòng)，通過這種調(diào)節(jié)方式，不但有效減小了柔性噴霧架運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變時(shí)的機(jī)構(gòu)抖動(dòng)，還提高了柔性噴霧架的調(diào)節(jié)速度。

3.2 水平噴臂角度調(diào)整控制程序

在柔性噴霧架的調(diào)節(jié)過程中，斜撐噴臂的動(dòng)作必然會(huì)引起水平噴臂角度的變化，從而影響噴霧中心與靶標(biāo)植株中心的相對(duì)位置，進(jìn)而影響噴霧有效性。本程序的控制目標(biāo)是調(diào)整水平噴臂的位置，使其能在一定范圍內(nèi)保持水平。

為了避免由于機(jī)構(gòu)的機(jī)械抖動(dòng)導(dǎo)致水平噴臂調(diào)節(jié)時(shí)間過長(zhǎng)的問題，在控制水平噴臂的位置時(shí)沒有要求其絕對(duì)水平，而是將水平位置附近的一個(gè)死區(qū)范圍(-2°～2°)作為控制目標(biāo)，即平衡臂一旦進(jìn)入該死區(qū)范圍，即被系統(tǒng)認(rèn)定水平噴臂已處于水平位置。系統(tǒng)采集到水平噴臂的角度θk后，立即將它與死區(qū)角進(jìn)行比較：若θk≥2°，則控制電動(dòng)推桿A收縮，使θk減?。蝗籀萲≤-2°，則控制電動(dòng)推桿A伸長(zhǎng)，使θk增大；若2°≥θk≥-2°，則表明水平噴臂的角度進(jìn)入死區(qū)范圍，則電動(dòng)推桿A不動(dòng)作。其控制流程如圖5所示。

為了避免由于機(jī)構(gòu)的機(jī)械抖動(dòng)導(dǎo)致水平噴臂調(diào)節(jié)時(shí)間過長(zhǎng)的問題，在控制水平噴臂的位置時(shí)沒有要求其絕對(duì)水平，而是將水平位置附近的一個(gè)死區(qū)范圍(-2°～2°)作為控制目標(biāo)，即平衡臂一旦進(jìn)入該死區(qū)范圍，系統(tǒng)即認(rèn)定水平噴臂已處于水平位置。系統(tǒng)采集到水平噴臂的角度θk后，立即將它與死區(qū)角進(jìn)行比較，若θk≥2°，則控制電動(dòng)推桿A收縮，使θk減??；若θk≤-2°，則控制電動(dòng)推桿A伸長(zhǎng)，使θk增大；若2°≥θk≥-2°，則表明水平噴臂的角度進(jìn)入死區(qū)范圍，則電動(dòng)推桿A不動(dòng)作。

由于果園地面原因，柔性對(duì)靶噴霧控制機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)存在抖動(dòng)，因此對(duì)穩(wěn)態(tài)誤差的要求較低，而對(duì)響應(yīng)速度要求較高。為使水平噴臂在調(diào)節(jié)過程中能快速進(jìn)入平衡狀態(tài)，舍棄了影響調(diào)節(jié)速度的積分環(huán)節(jié)，采用比例微分的控制方式[11]，其控制規(guī)律為

u(t)=

(4)

其中，Kp是比例系數(shù)；Td是微分時(shí)間常數(shù)；T是采樣周期；Error(t)和Error(t-1)分別為第t次和第t-1次得到的偏差。水平噴臂的控制參數(shù)的整定采用實(shí)驗(yàn)試湊法，其中比例增益Kp取值20.6，微分時(shí)間常數(shù)Td取值為0.06。

圖5 水平噴臂動(dòng)作控制流程圖

4 柔性噴霧架調(diào)整試驗(yàn)

柔性噴霧架的調(diào)節(jié)時(shí)間由水平噴臂調(diào)節(jié)時(shí)間和斜撐噴臂調(diào)節(jié)時(shí)間構(gòu)成。其中，水平噴臂的調(diào)節(jié)由電動(dòng)推桿A完成，采用PD調(diào)節(jié)的控制方式；斜撐噴臂的調(diào)節(jié)由電動(dòng)推桿B完成，采用“軟啟動(dòng)與軟停止”。 由于水平噴臂的調(diào)節(jié)時(shí)間與其起始動(dòng)作的位置有關(guān)，因此在不同情況下柔性噴霧架的調(diào)節(jié)時(shí)間也不同。

4.1 斜撐噴臂角度對(duì)水平噴臂調(diào)節(jié)時(shí)間的影響

為了評(píng)估水平噴臂在調(diào)節(jié)速度上的性能，通過人工計(jì)時(shí)的方式測(cè)量了在斜撐噴臂與水平方向的夾角分別為35°、40°、45°的情況下，水平噴臂分別由8°、12°、16°、20°擺動(dòng)至停止所占用的時(shí)間。水平噴臂調(diào)節(jié)時(shí)間為秒級(jí)，可以用秒表計(jì)時(shí)。試驗(yàn)前首先調(diào)整斜撐噴臂至目標(biāo)角度，調(diào)節(jié)完成后切斷電動(dòng)推桿B的電源以保證斜撐噴臂角度不再變化；調(diào)整水平噴臂至試驗(yàn)的初始角度，待其靜止后開啟果園柔性對(duì)靶噴霧控制裝置的自動(dòng)模式(在自動(dòng)模式下，水平噴臂做自水平調(diào)節(jié))，從水平噴臂擺動(dòng)開始計(jì)時(shí)，到其停止擺動(dòng)終止，持續(xù)的時(shí)間即為水平噴臂調(diào)節(jié)時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 斜撐噴臂初始角度不同的情況下水平噴臂的調(diào)節(jié)時(shí)間

從表1中可以看出：在斜撐噴臂與水平方向夾角不同的情況下，水平噴臂由相同起始角度調(diào)整至水平位置所需要的時(shí)間是不同的。在斜撐噴臂與水平方向夾角為35°的情況下，水平噴臂對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)時(shí)間最短；在斜撐噴臂與水平方向夾角為45°的情況下，水平噴臂的調(diào)節(jié)時(shí)間最長(zhǎng)。因?yàn)楫?dāng)斜撐噴臂與水平方向的夾角θt不同，水平噴臂調(diào)節(jié)相同角度的情況下電動(dòng)推桿A的伸縮距離也不同。例如，當(dāng)θn為35°時(shí)，水平噴臂從起始角度12°開始運(yùn)動(dòng)，此時(shí)電動(dòng)推桿A的長(zhǎng)度是421.4mm；在水平噴臂進(jìn)入死區(qū)范圍并停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，電動(dòng)推桿A的長(zhǎng)度是410.2mm；即整個(gè)過程中電動(dòng)推桿A的收縮距離是11.2mm。而當(dāng)θn為45°的情況下，重復(fù)上述過程，電動(dòng)推桿A的收縮距離為15.0mm。因此，電動(dòng)推桿A收縮距離的不同導(dǎo)致了水平噴臂調(diào)節(jié)時(shí)間的不同。

4.2 柔性噴霧架整體調(diào)節(jié)時(shí)間

開啟果園柔性對(duì)靶噴霧控制裝置的自動(dòng)模式后，激光測(cè)距傳感器開始探測(cè)靶標(biāo)植株，如果沒有靶標(biāo)植株樹干出現(xiàn)在激光測(cè)距傳感器探測(cè)的有效距離范圍內(nèi)，斜撐噴臂會(huì)自動(dòng)調(diào)整至41.4°，同時(shí)水平噴臂也會(huì)隨之調(diào)整至水平狀態(tài)，該狀態(tài)被稱為初始化平衡狀態(tài)。

以秒表為工具，在激光測(cè)距傳感器探測(cè)到靶標(biāo)植株的樹干時(shí)開始計(jì)時(shí)，記錄柔性噴霧架從開始調(diào)節(jié)到調(diào)節(jié)完畢所需要的時(shí)間。試驗(yàn)中，將激光測(cè)距傳感器固定在桌面上，在距離其探頭1.35～1.65m的范圍內(nèi)每間隔0.05m選取一個(gè)點(diǎn)，用鐵板代替靶標(biāo)植株的樹干作為激光測(cè)距傳感器的探測(cè)靶標(biāo)；當(dāng)噴霧架靜止在初始化平衡狀態(tài)后，快速將鐵板放置在待測(cè)目標(biāo)點(diǎn)上，使其遮擋激光測(cè)距傳感器射出的激光束；從鐵板開始遮擋激光測(cè)距傳感器的時(shí)刻開始計(jì)時(shí)，到斜撐噴臂停止擺動(dòng)時(shí)所持續(xù)的時(shí)間即為斜撐噴臂調(diào)節(jié)時(shí)間，而到水平噴臂停止擺動(dòng)時(shí)所持續(xù)的時(shí)間即為柔性噴霧架整體調(diào)節(jié)時(shí)間。每個(gè)目標(biāo)距離下斜撐噴臂的調(diào)節(jié)時(shí)間和整體調(diào)節(jié)時(shí)間均進(jìn)行3次測(cè)量求平均值，結(jié)果如圖6所示。

圖6 斜撐噴臂調(diào)節(jié)時(shí)間與柔性噴霧架整體調(diào)節(jié)時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果

由圖6可知：隨著激光探測(cè)距離的變化，斜撐噴臂的目標(biāo)角度也會(huì)隨之變化，當(dāng)該目標(biāo)角度與斜撐噴臂初始平衡狀態(tài)的角度之差在死區(qū)范圍內(nèi)時(shí)，斜撐噴臂沒有動(dòng)作，整個(gè)柔性噴霧架保持原狀；當(dāng)斜撐臂的目標(biāo)調(diào)整角度與當(dāng)前角度之差在斜撐噴臂死區(qū)范圍外時(shí)，斜撐噴臂開始向目標(biāo)角度運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中直接影響水平噴臂的角度，當(dāng)該角度超出水平噴臂死區(qū)范圍時(shí)，便開始進(jìn)行自水平調(diào)節(jié)，以此完成柔性噴霧架形狀的調(diào)節(jié)。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：柔性噴霧架從初始平衡狀態(tài)調(diào)整到目標(biāo)位置最多需要5.8s。根據(jù)實(shí)際測(cè)量，拖拉機(jī)在低擋位(0.864km/h)的行駛速度下，從激光測(cè)距傳感器檢測(cè)到靶標(biāo)植株再到柔性噴霧架經(jīng)過靶標(biāo)植株，需要大約7.5s的時(shí)間。因此，在拖拉機(jī)進(jìn)行噴霧作業(yè)時(shí)，果園柔性對(duì)靶噴霧系統(tǒng)可以保證在柔性噴霧架到達(dá)每顆果樹之前，將柔性噴霧架的形狀調(diào)整至最佳。

5 結(jié)論與討論

1)果園柔性對(duì)靶噴霧系統(tǒng)的柔性噴霧架為形狀可調(diào)機(jī)構(gòu)，可以根據(jù)拖拉機(jī)側(cè)面與靶標(biāo)植株樹干的距離進(jìn)行柔性對(duì)靶調(diào)節(jié)，保證機(jī)構(gòu)的噴霧中心始終與靶標(biāo)植株樹冠的中心對(duì)齊。

2)果園柔性對(duì)靶噴霧系統(tǒng)噴霧單元的支管由硬質(zhì)管和柔性軟管共同構(gòu)成，當(dāng)系統(tǒng)在噴霧過程中遇到果樹遮擋噴頭的行進(jìn)路線時(shí)，軟管部分可以通過彎曲使噴頭能進(jìn)入果樹內(nèi)膛且不造成果樹機(jī)械性損傷。

探測(cè)性田間試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：由于激光探測(cè)傳感器的安裝位置與噴霧架之間的距離較近及激光測(cè)距傳感器探測(cè)頻率較低，使得果園柔性對(duì)靶噴霧系統(tǒng)只有在拖拉機(jī)行駛速度較低時(shí)才能完成噴霧架調(diào)節(jié)。為提高工效，可以延長(zhǎng)激光測(cè)距傳感器與柔性噴霧噴霧架的距離，保證有充足的時(shí)間進(jìn)行噴霧架調(diào)節(jié)；或者選用探測(cè)頻率較高的激光測(cè)距傳感器，通過硬件升級(jí)提高靶標(biāo)探測(cè)速度。

[1] 張海鋒, 許林云.果園噴霧機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào), 2014,35(3):112-118.

[2] 樊榮, 師帥兵, 楊福增, 等.我國(guó)植保機(jī)械常用噴頭的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].農(nóng)機(jī)化研究, 2014，36(6):6-9.

[3] 張富貴, 洪添勝, 王錦堅(jiān), 等.現(xiàn)代農(nóng)藥噴施技術(shù)及裝備研究進(jìn)展[J].農(nóng)機(jī)化研究, 2011，33(2):209-213.

[4] 劉金鎖, 王進(jìn)華, 賈晶霞.國(guó)外自走式噴霧機(jī)發(fā)展概況[J].農(nóng)業(yè)工程, 2015，5(4):29-31.

[5] 楊金平, 謝斌.車載式噴霧機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀[J].江蘇農(nóng)機(jī)化, 2015(3):53-54.

[7] 邱白晶, 李佐鵬, 吳昊, 等.變量噴霧裝置響應(yīng)性能的試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2007，23(11):148-152.

[8] Rosell Joan R., Llorens Jordi, Sanz Ricardo, et al.Obtaining the three-dimensional structure of tree orchards from remote 2D terrestrial LIDAR scanning[J].Agricultural and Forest Meteorology, 2009,149(9):1505-1515.

[9] 甘英俊, 周宏平, 鄭加強(qiáng).車載對(duì)靶噴霧機(jī)自動(dòng)控制及低速巡航系統(tǒng)的研究[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版, 2011，35(1):99-102.

[10] 宋淑然, 陳建澤, 洪添勝, 等.果園柔性對(duì)靶噴霧裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2015，31(10):57-63.

[11] 李國(guó)林.PID控制器參數(shù)整定技術(shù)研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].大連：大連理工大學(xué), 2010.

Design and Experiment of the Control of Flexible Spray Arm on Orchard Targeted Spray Device

Song Shuran, Zheng Junbin, Hong Tiansheng, Chen Jianze, Xue Xiuyun, Dai Qiufang

(College of Electronic Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

Because of the increasingly serious ecological environment, agricultural spray is definitely on the trend toward low pollution, high precision, intellectualization and safety. Prevention and control of orchard plant diseases and insect pests is the most essential and time-consuming job. According to statistic, the spray of the fruit tree would need at least 8-15 times in a year of growing period and this job will occupy 30% of the orchard workload. The traditional method of spray used in our country is continuous spray and this method has one obvious shortcomings: the fruit trees in the orchard is not planted continuously and there is row spacing between two trees. When the spray device moves to the row spacing between two trees, the spray can not be deposited on the tree efficiently and this will cause invalid spray. Via the detection technique, can the spray device distinguish the existence of the targeted plants.These technique will change the continuous spray into the discontinuous spray. Although the available targeted spray device can do the spray job based on the existence of the targeted plants, the spray frame is always fixed and it is hard to apply to different targeted plants. In order to solve this problem, this article has put forward a scheme that adjusting the position of the central nozzle to align the center of the crown of the targeted plant by deformation of the spray frame. The distance between the targeted plant and the right side of the tractor is measured by the laser sensor installed on the tractor. The shape of the flexible spray frame is detected by the inclinometer installed on the spray arm. Base on the detection result above, the controlled variable is acquired through the operation of the internal program and the electromotive handspikes are motivated to adjust the spray frame. In order to reduce the adjusting time and the mechanical vibration, the PD regulation algorithm is used in the control of the diagonal arm and the soft star and stop regulation algorithm is used in the control of the horizontal arm. In the same time, the ultrasonic sensor installed on the cross is used to detect the targeted plant below the spray frame. A targeted spray device is designed to apply to different targeted plants. This device is consisted of the spray arm unit, the detection unit, the spray unit and the control unit. The spray arm unit is consisted of the diagonal arm, the horizontal unit and the telescopic boom. The detection unit is consisted of the laser distance measuring sensor, the inclinometer and the ultrasonic sensor. The spray unit is consisted of five nozzles hanged in the horizontal arm. The control unit is consisted of two mega-16 system board. The regulated dead zone is added on the basis of the adjusting algorithm of the spray arm. Through the analysis of the experiment, the spray frame can do the flexible targeted deformation according to the distance between the right side of the tractor and the targeted plants.The maximum adjusting time of the spray frame is 5.8s and it fulfills the real-time demand of the targeted spray.

targeted spray; flexible spray arm; the laser distance measuring sensor; the ultrasonic sensor; the dead zone；spray device

2016-04-06

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201203016)

宋淑然(1965-)，女，河北安國(guó)人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)songshuran@scau.edu.cn。

洪添勝(1955-)，男，廣東梅縣人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，(E-mail)tshong@scau.edu.cn。

S491

A

1003-188X(2017)05-0106-07