李東星

(1.北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司，北京 100094；2.北京市植物工廠工程技術(shù)研究中心，北京 100094)

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自適應(yīng)升降噴桿施藥系統(tǒng)的研發(fā)

李東星1，2

(1.北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司，北京 100094；2.北京市植物工廠工程技術(shù)研究中心，北京 100094)

針對傳統(tǒng)簡易施藥機易造成人員中毒、藥液噴灑過多易造成環(huán)境污染等問題，以及現(xiàn)在溫室內(nèi)用施藥機在自適應(yīng)作物高矮、自主行走、精準(zhǔn)施藥等方面仍存在一定的局限，北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司研發(fā)了一種自適應(yīng)升降噴桿施藥系統(tǒng)，包括噴藥系統(tǒng)、霧化系統(tǒng)、噴桿自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及無軌道自走式底盤等。該施藥系統(tǒng)創(chuàng)新性在于溫室內(nèi)與無軌道自走式底盤配合使用，可實現(xiàn)路徑導(dǎo)航的自動化、智能化；其噴桿自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)創(chuàng)新性地采用超聲波傳感器用于探測施藥機與農(nóng)作物施藥目標(biāo)的距離，以便進行精準(zhǔn)施藥，擬為解決狹小溫室空間內(nèi)自主行走及施藥問題提供參考，實現(xiàn)溫室內(nèi)施藥的無人化、機械化、自動化、精準(zhǔn)化，提高溫室內(nèi)植保裝備的機械化水平，改善勞動環(huán)境，提高勞動效率。

施藥機；自適應(yīng)；升降噴桿

0 引言

溫室作物生長過程中，一旦受到病蟲害的侵害，農(nóng)作物的品質(zhì)和產(chǎn)量會受到極大的影響，因此病蟲害防治是溫室作物生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。

目前，國外較早開展了對農(nóng)藥精準(zhǔn)施用方法的研究，以提高農(nóng)藥利用率、保護環(huán)境[1-3]。在病蟲害防治方面，主要應(yīng)用精確噴霧技術(shù)和高效利用噴霧技術(shù)，但主要適用于大中型噴霧機械，不適合我國溫室生產(chǎn)[4]。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研制了溫室對靶噴霧機器人，能在高架導(dǎo)軌上根據(jù)黃瓜病害壟位置啟停，并控制機械臂對植株病害表面進行預(yù)定位，從而進行噴藥作業(yè)[5]。北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心研制了一種溫室軌道施藥機器人，即在溫室內(nèi)鋪設(shè)相應(yīng)軌道，施藥系統(tǒng)在軌道上進行噴藥作業(yè)[6]。由于設(shè)施內(nèi)部作物種類及高矮不一、土地利用率高、種植密度大及行間通過性差，其研發(fā)的裝備在作物高矮方面適應(yīng)性及自主行走方面仍有一定的局限性。為此，北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司研發(fā)了一種自適應(yīng)升降噴桿施藥系統(tǒng)。該系統(tǒng)無需鋪設(shè)軌道，將噴頭裝在豎立噴桿上，便可根據(jù)傳感器實現(xiàn)自動探測目標(biāo)噴灑區(qū)域范圍，實現(xiàn)精準(zhǔn)噴藥；能自適應(yīng)地進行噴桿升降及噴桿運動空間路徑規(guī)劃，自動適應(yīng)草莓等低矮作物和番茄辣椒等高桿作物，最大限度地利用農(nóng)藥資源，節(jié)省藥液，實現(xiàn)設(shè)施內(nèi)施藥的精準(zhǔn)化、無人化操作，適用于小面積或空間受限場合，可掛接在無軌道自走式底盤上使用。

1 設(shè)計原理及機構(gòu)

1.1 設(shè)計原理

針對傳統(tǒng)簡易施藥機易造成人員中毒、藥液噴灑過多易造成環(huán)境污染，以及現(xiàn)在溫室內(nèi)用施藥機在自適應(yīng)作物高矮、自主行走及精準(zhǔn)施藥等方面仍存在一定的局限，北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司研發(fā)了一種自適應(yīng)升降噴桿施藥系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用電力驅(qū)動，與傳統(tǒng)燒汽油的施藥機相比，具有綠色環(huán)保、對環(huán)境污染小等特點，可掛接在無軌道自走式底盤上使用。通電后，無軌道自走式底盤配合施藥系統(tǒng)行進到作物栽培槽之間(兩行作物之間的過道)進行作業(yè)；噴桿上安裝有高、中、低3個高度的超聲波傳感器，通過超聲波傳感器可自動探測到植物病害的位置。當(dāng)病蟲害在作物植株位置1時，噴桿的超聲波傳感器1探測到并執(zhí)行噴藥命令；當(dāng)病蟲害在作物植株位置2時，噴桿的超聲波傳感器2探測到并執(zhí)行噴藥命令；以此類推(見圖1)，進而鎖定目標(biāo)噴灑區(qū)域范圍，液壓驅(qū)動泵根據(jù)傳感器探測的位置舉升油缸帶動噴桿移動到病害位置，啟動風(fēng)機，風(fēng)筒內(nèi)形成定向風(fēng)吹到噴桿的噴頭上；同時，加壓泵啟動將藥箱內(nèi)的藥液供應(yīng)到噴桿上的噴頭，隨著風(fēng)向進行藥液定向噴施，進行精準(zhǔn)噴施作業(yè)，從而實現(xiàn)作物病害識別的自動化及噴藥的精準(zhǔn)化。

該系統(tǒng)具有以下特點：①能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)施內(nèi)精量施藥的無人化操作，避免操作人員因操作不當(dāng)引發(fā)中毒等問題。②可借助超聲波傳感器，自動探測目標(biāo)噴灑區(qū)域范圍，實現(xiàn)精準(zhǔn)噴藥，節(jié)省成本，提高施藥精度；能自適應(yīng)地進行噴桿升降以及噴桿運動空間路徑規(guī)劃。③能自動適應(yīng)草莓等低矮作物和番茄辣椒等高桿作物，最大限度地利用農(nóng)藥資源，節(jié)省藥液。④適用于小面積或空間受限場合，可掛接在無軌道的自走式底盤上使用，通用性強。

圖1 施藥機設(shè)計原理圖

1.2 總體設(shè)計方案

自適應(yīng)升降噴桿施藥系統(tǒng)，主要由噴藥系統(tǒng)、霧化系統(tǒng)、噴桿自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)、電控系統(tǒng)及無軌道自走式底盤等5部分組成，如圖2所示。

1.液壓舉升油缸 2.液壓剪叉機構(gòu) 3.控制箱 4.藥箱 5.驅(qū)動電機 6.風(fēng)機 7.施藥軟管 8.風(fēng)筒 9.出風(fēng)口 10.超聲波傳感器 11.噴頭 12.噴桿

噴藥系統(tǒng)主要用于噴施藥液，將藥箱里的藥液通過施藥軟管通入噴頭進行施藥；霧化系統(tǒng)將藥液的霧滴變得細小均勻，進行精準(zhǔn)噴施；噴桿自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)可通過超聲波傳感器探測到目標(biāo)作物的位置，從而調(diào)節(jié)噴頭進行噴藥；電控系統(tǒng)主要實現(xiàn)各執(zhí)行動作的自動化；無軌道自走式底盤主要用于實現(xiàn)噴藥機前進、后退、轉(zhuǎn)彎等。其主要技術(shù)參數(shù)如下：

藥液壓力/MPa：0.4～0.5

藥箱容量/L：25

噴頭流量/L·min-1：1～2

作業(yè)幅寬/m：3～6

2 主要部件的設(shè)計

2.1 噴藥系統(tǒng)

噴藥系統(tǒng)主要由噴頭、藥箱、噴桿、施藥軟管、驅(qū)動電機及風(fēng)機等部分組成，如圖3所示。

圖3 噴藥系統(tǒng)設(shè)計簡圖

其中，噴頭采用扇形防滴漏噴頭，如圖4所示。噴藥時，噴霧扇形剖面產(chǎn)生逐漸變小的邊緣噴霧液滴，具有噴霧水流均勻及液滴大小中等等特點。

圖4 噴頭選型示意圖

由于設(shè)計該施藥系統(tǒng)是與多功能自走式作業(yè)平臺相掛接使用，噴藥系統(tǒng)由人工安裝上去，考慮人均提藥液在20～30L左右，設(shè)計藥箱藥液容量為25L，噴頭總流量為1～2L/min。由于噴藥系統(tǒng)工作時間=藥液藥箱容量/噴頭流量，即該噴藥系統(tǒng)在溫室內(nèi)工作時間=25L/(1～2L/min)=12.5～25min。

本設(shè)計驅(qū)動電機動力源采用48V20AH型鉛酸蓄電池作為供應(yīng)能源，具有安全、綠色、環(huán)保等特點，其蓄電池技術(shù)參數(shù)如下：

品牌：超威

型號：48V20AH

外型尺寸/mm：318×188×206

電壓/V：12

額定容量/L：13

噴藥系統(tǒng)可固定在無軌道自走式底盤上，噴頭與藥箱之間通過施藥軟管進行連接。施藥時，將混合好的農(nóng)藥倒入藥箱中，藥液由液壓泵從藥箱中抽出經(jīng)施藥軟管送到各個噴頭。

2.2 霧化系統(tǒng)

霧化系統(tǒng)由風(fēng)機供風(fēng)，主要部件為直立風(fēng)筒。該直立風(fēng)筒呈同軸柱形結(jié)構(gòu)(見圖5)可使風(fēng)筒的氣流速度呈外高內(nèi)低的階梯度分布，約束霧滴的運動軌跡，減少霧滴漂移。

圖5 風(fēng)筒柱形結(jié)構(gòu)

直立風(fēng)筒固位于豎立噴桿的后方，其上布設(shè)1組風(fēng)咀，各風(fēng)咀的出風(fēng)口朝向前面的噴頭組。風(fēng)咀外口大、內(nèi)口小，且外口端面為非直立狀態(tài)，其外口端面與直立風(fēng)筒中心軸線的夾角為10°～35°。這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計使風(fēng)咀的氣流速度外高內(nèi)低，可以再次約束霧滴的運動軌跡，減小霧滴漂移。噴霧時，進入施藥軟管的具有壓力的藥液在噴頭的作用下，以霧狀形式噴出，并通過風(fēng)機產(chǎn)生的強大氣流，將霧滴再次進行霧化。同時，通過風(fēng)咀氣流將霧化后的細霧滴吹送到植株冠層內(nèi)。

2.3 噴桿自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)

噴桿自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由液壓剪叉機構(gòu)、液壓舉升油缸及超聲波傳感器等組成。液壓剪叉機構(gòu)安裝在機架上，液壓舉升油缸安裝在剪叉機構(gòu)上且受控于電控系統(tǒng),以帶動液壓剪叉機構(gòu)實現(xiàn)起升和回落。超聲波傳感器分設(shè)安裝在噴桿的上、中、下3個位置上，通過該組超聲波傳感器可以感知作物的高度，將采集的信息反饋給電控系統(tǒng)以控制液壓舉升油缸作用于液壓剪叉機構(gòu)，實現(xiàn)對噴桿噴霧高度的控制。

傳統(tǒng)方法探索噴灑區(qū)有無病害作物的形式，通常采用圖像識別處理技術(shù)[7-16]，而考慮成本和實用性，本設(shè)計采用超聲波傳感器。

超聲波傳感器為噴桿自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的核心部件，其工作原理(見圖6)為超聲波傳感器發(fā)射高頻聲波，通過測量聲波從發(fā)生器發(fā)出至農(nóng)作物發(fā)射回來所需要的時間，根據(jù)聲速、傳播時間與距離的關(guān)系來感知被測物體的距離。

本研究采用南京漢盟的超聲波探頭HM-UL05M-CP1，技術(shù)參數(shù)如表1所示。其具有以下特性：①雙探頭，一個探頭發(fā)出超聲波，另一個探頭接收超聲波；②反射式，超聲波測距儀發(fā)出超聲波，超聲波經(jīng)過被測物體反射回來，又回到測距儀；③超聲波發(fā)射張角為60°；④設(shè)備外形為長方體；⑤安裝方式為測距儀兩端的安裝孔。

圖6 超聲波傳感器探頭測距原理圖

參數(shù)項參數(shù)值默認值供電電壓直流9～24V12V工作電流小于100mA測量范圍5m盲區(qū)0．3m通信規(guī)范RS232/RS485RS232通信波特率9600/1152009600通信方式主動發(fā)送/請求應(yīng)答主動發(fā)送測量精度0．01m溫度補償有/無有測量誤差0．01m產(chǎn)品等級民用級/工業(yè)級工業(yè)級體積13cm×6cm×5cm質(zhì)量100g

2.4 電控系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由顯示屏、控制面板、工控機、PLC與外圍電路等硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)組成，主要控制噴桿高度調(diào)節(jié)、液壓執(zhí)行和噴藥執(zhí)行3個部分，其原理圖如圖7所示。其中，噴桿高度調(diào)節(jié)控制器采用西門子PLC控制器PLCS7-200。噴桿高度調(diào)節(jié)控制器通過安裝在噴桿上的一組傳感器實時檢測目標(biāo)噴灑區(qū)域范圍,并據(jù)此產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號,控制比例換向閥來驅(qū)動大臂擺動控制液壓舉升油缸，實現(xiàn)噴桿高度的調(diào)節(jié)。

在工作過程中，水泵由總電源開關(guān)同時控制開閉，水泵處于常開狀態(tài)，通過回水電磁閥開閉實現(xiàn)水流方向轉(zhuǎn)換；超聲波傳感器確定噴施決策，傳遞至控制系統(tǒng)。噴施工作時，PLC控制相應(yīng)電磁閥組開啟，回水電磁閥關(guān)閉；上限位液位開關(guān)控制進水電磁閥開閉狀態(tài)，如果液位到達上限位，則關(guān)閉電磁閥，否則關(guān)閉；下限位開關(guān)控制水位報警燈，如果液位到達下限位，則開啟報警燈，提示缺水；電磁閥組由PLC控制器控制，由控制系統(tǒng)依據(jù)噴施決策進行開閉。

圖7 一種自適應(yīng)升降噴桿施藥機工作原理圖

2.5 無軌道自走式底盤

自適應(yīng)升降噴桿施藥系統(tǒng)設(shè)有一個無軌道自走式底盤(見圖8)，該底盤具有一組液壓驅(qū)動輪，驅(qū)動輪均為鐵制外包膠鋼輪，用于承載自適應(yīng)升降噴桿施藥系統(tǒng)的主體單元并實現(xiàn)行走功能。

圖8 無軌道自走式底盤

3 結(jié)論

1)自適應(yīng)升降噴桿施藥系統(tǒng)不受溫室作物品種和種植方式的限制，可適應(yīng)農(nóng)藥噴灑要求，無需操作者進入，避免環(huán)境封閉易造成人員中毒等危害。

2)自適應(yīng)升降噴桿施藥系統(tǒng)采用的自適應(yīng)噴桿調(diào)節(jié)系統(tǒng)，能自適應(yīng)地進行噴桿升降以及噴桿運動空間路徑規(guī)劃，自動適應(yīng)不同高度作物的施藥需求。

3)自適應(yīng)升降噴桿施藥系統(tǒng)配設(shè)完善的電控系統(tǒng)，可實現(xiàn)溫室作物病蟲害的機械化、自動化防治；可最大限度地利用農(nóng)藥資源，節(jié)省藥液，有利于提高作業(yè)工效和農(nóng)藥利用率，減輕施藥造成的環(huán)境污染。

4)自適應(yīng)升降噴桿施藥系統(tǒng)可與無軌道自走式底盤自動掛接，方便作業(yè)，具有較強的通用性和一定的推廣前景。

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Research of Spraying Machine of Adaptive Lifting

Li Dongxing1,2

(1.Beijing Kingpeng International Hi-Tech Corporation, Beijing 100094, China； 2.Beijing Engineering Research Center of Plant factory, Beijing 100094, China)

Beijing Kingpeng International Hi-Tech Corporation has developed an adaptive lifting spraying machine because that traditional simple spraying machine is easy to cause the personnel poisoning and spraying machine which used in greenhouse has problems of adapting different crop height and walking independently. The spraying machine included pesticide application system, spraying system, spray bar automatic adjusting system, control system and trackless self-propelled chassis etc. There are two innovations. The adaptive lifting spraying machine which uses trackless self-propelled chassis can realize automatically and intelligent of path navigation is one innovation. The spray bar automatic adjusting system uses ultrasonic sensors to detect the distance of machine and crops to pesticide accurately is another innovation. It will provide the reference to solve the problems of walking automatically and pesticide application in small greenhouse, and achieve to unmanned pesticide application, mechanization, automation and precision in greenhouse, improve the mechanization level of plant protection equipment in greenhouse, improve working environment and labor efficiency.

spraying machine; adaptive; lifting; research

2016-07-06

北京市科委項目(D151100003715002)

李東星(1986-)，女，河北承德人，碩士，(E-mail)ddxing521@126.com。

S491

A

1003-188X(2017)08-0097-05