郭建康，李彥沛，李亞芹，談桂秀，蒲巖巖，王超鵬

(1.佳木斯大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154000；2.佳木斯大學(xué) 現(xiàn)代教育技術(shù)中心，黑龍江 佳木斯 154000)

0 引言

針對(duì)果樹冠層厚、葉片密等特點(diǎn)，當(dāng)下自動(dòng)化果園中的主要做法是在自走式噴藥小車中加入超聲波傳感器并監(jiān)測(cè)當(dāng)前對(duì)靶向是否有目標(biāo)，當(dāng)檢測(cè)到空擋時(shí)關(guān)停液泵以減少藥液浪費(fèi)。本方案通過分析影響風(fēng)場(chǎng)分布和噴霧效果的各種因素，根據(jù)傳感器對(duì)于果樹的實(shí)時(shí)測(cè)繪取得的冠層厚度數(shù)據(jù)，通過改變噴霧各種技術(shù)參數(shù)并監(jiān)測(cè)噴霧覆蓋和霧滴的漂移量以達(dá)到最佳作業(yè)效果。采用伸縮輪履可切換式行走結(jié)構(gòu)，使彌霧機(jī)器人可適應(yīng)果園內(nèi)復(fù)雜的地形結(jié)構(gòu)。

1 數(shù)字波束形成技術(shù)

數(shù)字波束形成(DBF)技術(shù)是一種基于空間三維掃描的數(shù)字成像技術(shù)，通過自適應(yīng)地發(fā)射波束可實(shí)現(xiàn)空域點(diǎn)云圖像采集，通過控制多個(gè)獨(dú)立可控波束的形成達(dá)到可控信噪比(圖1)。使用數(shù)字波束成像技術(shù)利用了波束特性可由矢量控制的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)在作業(yè)中靈活可變的測(cè)繪模式切換目的。使用數(shù)字波束形成技術(shù)對(duì)果樹進(jìn)行成像，可以有效探測(cè)并生成果樹的三維尺寸，為仿形彌霧作業(yè)提供數(shù)據(jù)支持。

圖1 相控陣?yán)走_(dá)接收信號(hào)進(jìn)行波束處理

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)使用的是一塊高速信號(hào)處理板，包含8路10 bits的AD轉(zhuǎn)換器，一片F(xiàn)PGA,一塊10 bits的DA轉(zhuǎn)換芯片。在這個(gè)系統(tǒng)中，分別設(shè)計(jì)了軟件與硬件部分。在硬件方面，各通道在FPGA的控制下進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量,完成對(duì)由SHA模擬中頻輸入接口送來的中頓信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，形成8路數(shù)據(jù)流送入FPGA,在FPGA中完成數(shù)字正交解調(diào)、8路單波束DBP處理、脈沖壓縮處理，形成雙路的數(shù)字I/O信號(hào)，經(jīng)過求模，形成單路的數(shù)字視頻信號(hào)，送給DA芯片[1]。

在DBF體制雷達(dá)硬件結(jié)構(gòu)里(圖2)，每個(gè)模塊含有一個(gè)陣列天線，天線的每個(gè)單元接收的射頻(RF)信號(hào)由集成在硬件中的A/D變換器分別進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，由中央處理器將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行變頻與同步檢波處理后放在內(nèi)存中，圖像運(yùn)算單元對(duì)其進(jìn)行正交基帶信號(hào)處理，處理后的復(fù)基帶數(shù)字信號(hào)S與預(yù)定的復(fù)加權(quán)矢量W再次交由圖像處理器進(jìn)行相乘累加后，根據(jù)訓(xùn)練的圖像模型進(jìn)行三維點(diǎn)云圖的輸出[2]。

圖2 簡(jiǎn)化的面陣波束合成器

2 靜電彌霧

彌霧部分結(jié)構(gòu)由空氣壓縮機(jī)、柱塞泵、藥箱、控制電磁閥、靜電發(fā)生器、噴頭、風(fēng)機(jī)、機(jī)架等組成，風(fēng)量的確定遵循置換原則，原理為風(fēng)機(jī)吹出的氣流完全置換風(fēng)機(jī)前方到果樹空間的空氣，所述風(fēng)量應(yīng)大于其置換的空氣氣量，公式如下

Q>2vHLK

(1)

式中Q—末端送風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，m3·h-1；

v—靜電彌霧機(jī)的行駛速度，m·s-1；

H—數(shù)字成像雷達(dá)所測(cè)定的果樹高度，m；

L—數(shù)字成像雷達(dá)所測(cè)定的距離果樹的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)距離，m；

K—實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的空氣中氣流的衰減和沿途的氣流損失的系數(shù)。

在實(shí)際作業(yè)中，風(fēng)壓也是影響彌霧作業(yè)效果的重要因素(靜壓損失忽略不計(jì))，計(jì)算公式如下

Pd=ρ·v2/2

(2)

Pj=ζρ·v2/2

(3)

P=Pd+Pj

(4)

式中P—系統(tǒng)輸出的總壓，Pa；

Pd—系統(tǒng)內(nèi)部動(dòng)壓損失，Pa；

Pj—體統(tǒng)局部動(dòng)壓損失，Pa；

ρ—標(biāo)準(zhǔn)大氣密度，kg·m-3；

v—出口風(fēng)速，m·s-1；

ζ—局部阻力系數(shù)；

靜電彌霧發(fā)生部分以蓄電池為電源，選用50～100 kV的高壓靜電為靜電系統(tǒng)工作電壓，為了防止因高壓靜電發(fā)生器出現(xiàn)不良情況，每個(gè)噴頭單獨(dú)配有一個(gè)高壓靜電發(fā)生器。靜電系統(tǒng)通過開關(guān)控制電磁閥和靜電發(fā)生器工作。噴霧作業(yè)時(shí)需閉合靜電發(fā)生器控制開關(guān)、中間噴霧控制開關(guān)和左或右噴霧控制開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)分段、獨(dú)立噴霧，防止農(nóng)藥的浪費(fèi)[3]。

3 流量控制

靜電彌霧系統(tǒng)的流量采用變量控制，流量控制系統(tǒng)應(yīng)用脈寬調(diào)制技術(shù)，通過控制液泵的輸入功率改變噴灑管道壓力從而控制流量。同時(shí)，采用Abaqus有限元分析軟件對(duì)多旋翼植保無人機(jī)變量噴灑系統(tǒng)的關(guān)鍵受力部件進(jìn)行線性靜力分析，確保流量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

硬件方面采用STC15F104W單片機(jī)作為控制核心，通過控制液泵電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)控制噴灑流量。水泵使用無刷隔膜液泵，該系統(tǒng)由控制核心、液泵驅(qū)動(dòng)電路及 UBEC這 3 部分組成?？刂坪诵慕邮盏浇邮諜C(jī)發(fā)出的控制信號(hào)后，將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為 PWM 信號(hào)發(fā)送至液泵驅(qū)動(dòng)電路，最終控制液泵電機(jī)輸出功率，實(shí)現(xiàn)變量控制流量的功能。UBEC為無刷電機(jī)的電源控制電路，主要用于將鋰電池提供的高壓直流電源轉(zhuǎn)換為單片機(jī)和接收機(jī)可以使用的低壓直流電源[4]。系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 變量噴灑系統(tǒng)框圖

軟件方面，系統(tǒng)通過讀取上位機(jī)輸出的PWM信號(hào)并進(jìn)行信號(hào)判斷，當(dāng)輸入脈寬等于 1 ms 時(shí)，即控制端搖桿處于最低位時(shí)，變量噴灑控制系統(tǒng)開啟; 否則，系統(tǒng)將重新進(jìn)入輸入信號(hào)判斷。

由電路原理知，在控制端油門大于10%時(shí)所輸出的電壓才足以使水泵啟動(dòng)。因此，在變量控制系統(tǒng)開啟之后，當(dāng)輸入脈寬大于1.1 ms(即控制端油門大于10%)時(shí)，根據(jù)輸入信號(hào)計(jì)算出對(duì)應(yīng)輸出PWM并循環(huán)該步驟;否則，重新進(jìn)入輸入信號(hào)判斷步驟。

4 仿形風(fēng)送

通過數(shù)字波束形成技術(shù)，實(shí)時(shí)采集果樹的三維深度信息，并對(duì)噴口的流量進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，達(dá)到仿形彌霧的效果。系統(tǒng)通過數(shù)字成像雷達(dá)進(jìn)行點(diǎn)云成像，并根據(jù)點(diǎn)云圖擬合出果樹冠層圖像模型，根據(jù)模型進(jìn)行取點(diǎn)測(cè)距。信號(hào)轉(zhuǎn)換電路將數(shù)字電路計(jì)算出的信號(hào)轉(zhuǎn)換為微控制器可識(shí)別的模擬信號(hào)，單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行判斷與加權(quán)后根據(jù)實(shí)際情況打開或關(guān)閉電磁閥，調(diào)節(jié)水泵驅(qū)動(dòng)信號(hào)，噴頭組件開始噴霧并根據(jù)深度信息實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)流量。仿形彌霧系統(tǒng)解決了液滴漂移等復(fù)雜問題，實(shí)現(xiàn)了果園植保技術(shù)一體化革新。

5 可切換式輪履復(fù)合結(jié)構(gòu)

本機(jī)采用伸縮式輪履可切換式行走結(jié)構(gòu)，使彌霧機(jī)器人可適應(yīng)果園內(nèi)復(fù)雜的地形結(jié)構(gòu)(圖4)。輪履復(fù)合結(jié)構(gòu)的切換由驅(qū)動(dòng)液壓油缸實(shí)現(xiàn)。在機(jī)器人主體與輪式機(jī)構(gòu)的連接架兩側(cè)布置兩個(gè)液壓油缸，分別驅(qū)動(dòng)伸縮式輪式行走機(jī)構(gòu)的收起離地和下放接地。經(jīng)計(jì)算，使用液壓油缸作為切換動(dòng)力的液壓系統(tǒng)的工作壓力應(yīng)大于25 MPa。在平地行駛中輪式機(jī)構(gòu)工作下置時(shí)履帶最小離地高度達(dá)到越野車輛中等越野能力水平(≥185 mm), 液壓油缸與水平面夾角θ=17.5°。輪履切換系統(tǒng)既可以由操作者根據(jù)果園路面手動(dòng)控制切換，也可以由果園仿形彌霧機(jī)器人根據(jù)視覺識(shí)別系統(tǒng)與壓力傳感器識(shí)別路面情況，傳至中央總控制模塊，由控制模塊輸出電平控制自行切換。

圖4 整車結(jié)構(gòu)示意圖

全車車輪部分選用大功率輪轂電機(jī)為驅(qū)動(dòng)力。由于整機(jī)重量在藥液滿載時(shí)大于 60 kg故選擇了單個(gè)功率為0.5 kW的伺服輪轂電機(jī)如圖5所示。其額定電壓為24 V，電機(jī)最大橫向尺寸為 119.1 mm。動(dòng)力電池組包括8個(gè)電池包，兩個(gè)一組并配有懸掛，布置于施藥機(jī)器人儲(chǔ)藥箱下方電池倉。

圖5 輪轂電機(jī)及懸架部分

6 結(jié)論

通過數(shù)字成像雷達(dá)獲取實(shí)時(shí)作業(yè)果樹的深度圖像信息，并根據(jù)當(dāng)前行進(jìn)速度調(diào)節(jié)藥液流量，所搭載的靜電彌霧系統(tǒng)將藥液霧化成100 μm左右的霧滴，通過靜電吸附防漂移實(shí)現(xiàn)分段、獨(dú)立彌霧的多種作業(yè)模式。仿形彌霧計(jì)算系統(tǒng)通過數(shù)字成像雷達(dá)獲得的果樹冠層厚度的深度信息，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)各噴嘴流量實(shí)現(xiàn)變量噴撒大大提升了作業(yè)效果，有效提升了霧滴的附著率，防止霧滴的飄移，實(shí)現(xiàn)了果園植保一體化革新，具有極強(qiáng)的推廣價(jià)值。

(03)