一種高度可智能調(diào)節(jié)的農(nóng)業(yè)噴桿控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王　強(qiáng)，張文愛，王　秀,王松林

(1.太原理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，太原　030024；2. 北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京　100097；3.國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心，北京　100097； 4.農(nóng)業(yè)部 農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100097；5.北京市農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)研究中心，北京　100097)

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一種高度可智能調(diào)節(jié)的農(nóng)業(yè)噴桿控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王強(qiáng)1,2，張文愛1，王秀2,3,4,5,王松林2,3,4,5

(1.太原理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，太原030024；2. 北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京100097；3.國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心，北京100097； 4.農(nóng)業(yè)部 農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100097；5.北京市農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)研究中心，北京100097)

摘要：為了提高農(nóng)藥噴灑效率并防止當(dāng)?shù)孛娌黄綍r(shí)噴桿傾斜與地面發(fā)生碰撞,設(shè)計(jì)了一種高度可智能調(diào)節(jié)的農(nóng)業(yè)噴桿控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以單片機(jī)MSP430F149為核心控制系統(tǒng)，包括超聲波傳感器測(cè)距設(shè)計(jì)、PWM驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、PID變速調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)及防抖動(dòng)干擾設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)可以進(jìn)行地面仿形工作，根據(jù)地面高度來快速調(diào)節(jié)噴桿高度，以保證噴頭處于合適的噴灑位置，從而提高了噴灑效率，也避免了噴頭被碰撞損壞。通過實(shí)驗(yàn)可以看出：超聲波測(cè)距結(jié)果在誤差范圍內(nèi)可以接受，且當(dāng)?shù)孛娓叨劝l(fā)生變化時(shí)，控制噴桿高度的電機(jī)轉(zhuǎn)速也會(huì)發(fā)生變化。該系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)在農(nóng)業(yè)實(shí)踐中具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：噴桿；地面仿形；高度調(diào)節(jié)；超聲波；測(cè)距

0引言

中國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，為保證農(nóng)作物的良好生長，農(nóng)戶需要在特定的時(shí)期對(duì)大田中的作物進(jìn)行農(nóng)藥噴灑。但是,由于農(nóng)田面積的巨大，僅僅依靠人力遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法完成任務(wù)，因此機(jī)械化農(nóng)藥噴灑在全國各地開始流行起來。

目前，國內(nèi)進(jìn)行機(jī)械化農(nóng)藥噴灑的農(nóng)機(jī)設(shè)備大多數(shù)是尾部固定折疊噴桿的拖拉機(jī)，其噴桿完全展開后長度可達(dá)20～30m。利用這種設(shè)備進(jìn)行大田作物的農(nóng)藥噴灑，雖然可以快速地對(duì)多塊農(nóng)田進(jìn)行農(nóng)藥噴灑；但由于純機(jī)械工作，還是存在著很多的不足。首先，這種設(shè)備上噴桿的高度是固定不變的，不能隨著地勢(shì)高度而變化，會(huì)影響農(nóng)藥噴霧量的均勻性，降低噴灑效率；其次，在拖拉機(jī)運(yùn)行過程中，噴桿會(huì)有一定程度的抖動(dòng)，如果抖動(dòng)過大，同樣會(huì)影響噴霧量的均勻性，降低噴灑效率；最后，由于地面不平造成噴桿傾斜而與地面發(fā)生碰撞。

為了解決上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種高度可智能調(diào)整的農(nóng)業(yè)噴桿控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以MSP430單片機(jī)為核心控制部分，且由于430單片機(jī)是一種超低功耗的微控制器，所以其耗電量十分小，可以滿足長時(shí)間的農(nóng)業(yè)實(shí)踐活動(dòng)。本系統(tǒng)利用超聲波傳感器進(jìn)行測(cè)距，將測(cè)得的高度與設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)高度差來調(diào)整噴桿的高度。該系統(tǒng)通過單片機(jī)產(chǎn)生PWM脈沖，利用PWM脈沖來驅(qū)動(dòng)電推桿，從而使得噴桿高度可調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)在通過高度差來控制PWM脈沖的占空比時(shí)，使用了P調(diào)節(jié)(比例調(diào)節(jié))。高度差的絕對(duì)值越大，PWM的占空比也越大，也就是說高度差越大電推桿的伸縮速度也越快，從而噴桿能夠快速的回到合適的高度位置。

1系統(tǒng)硬件組成和噴桿的結(jié)構(gòu)

電路系統(tǒng)中主要由以下器件組成：

①低功耗微處理器，MSP430F149單片機(jī)；②超聲波傳感器，KS103；③顯示屏，1602a液晶顯示模塊；④電機(jī)驅(qū)動(dòng)，L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。

系統(tǒng)硬件搭建如圖1所示。

圖1　控制系統(tǒng)框圖

這套電路系統(tǒng)中的核心控制器件是430單片機(jī)，具有超低功耗、處理速度快、支持在線調(diào)試及片上外設(shè)豐富等特點(diǎn)。設(shè)計(jì)中加入電機(jī)驅(qū)動(dòng)是由于單片機(jī)輸出電壓不足以驅(qū)動(dòng)電推桿運(yùn)動(dòng)，因此需要將電壓信號(hào)放大來驅(qū)動(dòng)電推桿。設(shè)計(jì)中的顯示屏可以實(shí)時(shí)顯示測(cè)距高度。電源是由拖拉機(jī)的車載12V電源經(jīng)過降壓處理后得到，單片機(jī)的輸入電壓為5V。超聲波測(cè)距傳感器KS103的探測(cè)范圍是1~800cm，探測(cè)頻率高達(dá)500Hz，擁有工業(yè)級(jí)的配置可工作在-30~+85℃的溫度范圍內(nèi)，工作電壓可以在3~5.5V之間波動(dòng)，而且自帶濾波降噪功能，受外界干擾小。電機(jī)驅(qū)動(dòng)L298N內(nèi)部包含四通道的邏輯驅(qū)動(dòng)電路，是專門為二相和四相電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)的，它內(nèi)部有2個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋的驅(qū)動(dòng)器，能夠接收標(biāo)準(zhǔn)的TTL邏輯電平信號(hào)，能夠驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的電機(jī)。

與控制系統(tǒng)相配套的噴桿結(jié)構(gòu)如圖2所示。這個(gè)噴桿已經(jīng)具備了最新三段式噴桿的所有優(yōu)點(diǎn)，噴桿總長為3.5m，左右噴桿均為1.275m，中段噴桿是0.95m；三段噴桿分別由3個(gè)電推桿控制，中段電推桿起主要作用來調(diào)節(jié)三段噴桿的整體高度，左右電推桿起輔助調(diào)節(jié)的作用，使整體高度保持在一個(gè)合適的位置。噴桿采用三段式的結(jié)構(gòu)有利于分別調(diào)整3段噴桿的高度，減少了由于噴桿過長而引起的不可避免的誤差，同時(shí)也能大大降低因抖動(dòng)而引起的農(nóng)藥噴灑不均勻。

1.右段電推桿　2.固定架　3.中段電推桿　4.左段電推桿

2系統(tǒng)工作原理

2.1　超聲波傳感器測(cè)距的防抖動(dòng)算法

超聲波測(cè)距的基本原理是超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)出超聲波的同時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中勻速傳播；當(dāng)遇到障礙物就會(huì)返回(見圖3)，當(dāng)超聲波接收器收到返回的超聲波時(shí)計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。根據(jù)計(jì)數(shù)器記錄的時(shí)間t(s)，可以計(jì)算出距離s為

(1)

其中，340為超聲波在空氣中傳播的速度。

圖3　超聲波測(cè)距示意圖

由于拖拉機(jī)在行進(jìn)的過程中噴桿會(huì)出現(xiàn)上下抖動(dòng)，這種頻繁的抖動(dòng)會(huì)影響最終噴桿高度的調(diào)整，所以加入了防抖動(dòng)干擾算法。在多次實(shí)驗(yàn)后，確定具體算法如下，定時(shí)器定時(shí)測(cè)距，定時(shí)50ms測(cè)1次，在測(cè)得5個(gè)數(shù)據(jù)之后，對(duì)中間3個(gè)數(shù)據(jù)求算數(shù)平均值；最后將這個(gè)算數(shù)平均值作為一次實(shí)際測(cè)距高度，單片機(jī)根據(jù)這個(gè)高度值來調(diào)整噴桿的高度。

2.2　調(diào)節(jié)噴桿平衡作業(yè)原理

本文中利用MSP430單片機(jī)產(chǎn)生PWM脈沖，利用PWM脈沖來控制電推桿的伸縮功能。電推桿的伸和縮是通過2個(gè)PWM脈沖實(shí)現(xiàn)的，電推桿的正負(fù)極分別給了兩個(gè)PWM脈沖：電推桿伸則正極給PWM脈沖負(fù)極給零電壓；電推桿縮則正極給零電壓負(fù)極給PWM脈沖。單片機(jī)根據(jù)測(cè)距的高度來調(diào)整PWM脈沖的占空比，從而使噴桿能夠快速的調(diào)節(jié)到合適的高度位置。

2.2.1噴桿高度調(diào)節(jié)原理

本設(shè)計(jì)中，設(shè)定噴桿高度L為50cm(噴頭的最佳噴灑高度為50cm)，當(dāng)實(shí)時(shí)測(cè)量高度h大于L時(shí)電推桿伸，當(dāng)實(shí)時(shí)測(cè)量高度h小于L時(shí)電推桿縮。

由于拖拉機(jī)在行走過程中，噴桿會(huì)出現(xiàn)上下抖動(dòng)的情況，為了避免由于噴桿的上下抖動(dòng)而引起電推桿不停地進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)，本設(shè)計(jì)采用了數(shù)字濾波的限幅濾波法來解決這個(gè)問題。具體原理是：首先設(shè)定一個(gè)值A(chǔ)，如果|h-L|>A,再判斷L和h的大小關(guān)系；如果|h-L|

其具體工作流程如圖4所示。

圖4　高度調(diào)節(jié)流程

2.2.2PWM脈沖驅(qū)動(dòng)電推桿的原理

脈沖寬度調(diào)制(PWM)在電路控制領(lǐng)域中有著非常廣泛的應(yīng)用，本設(shè)計(jì)中利用單片機(jī)產(chǎn)生PWM脈沖，由此來控制電推桿的運(yùn)動(dòng)。

PWM波是數(shù)字輸出，其輸出只有高電平和低電平，因此只需要使單片機(jī)上輸出PWM脈沖的管腳輸出高電平和低電平即可；然后調(diào)節(jié)高電平與低電平所持續(xù)的時(shí)間，就可以形成不同周期不同占空比的PWM波。例如，要產(chǎn)生一個(gè)周期為10ms，占空比為50%的PWM波，首先設(shè)定單片機(jī)的定時(shí)器的工作模式為輸出PWM波，然后設(shè)定PWM波的頻率為100Hz、占空比為50%，就可以產(chǎn)生1個(gè)周期為10ms，占空比為50%的PWM波了，如圖5所示。

圖5　PWM波

本設(shè)計(jì)中設(shè)定PWM的周期為10ms， PWM波的占空比根據(jù)|h-L|的值來調(diào)節(jié)。本設(shè)計(jì)的目的是當(dāng)噴桿高度偏離設(shè)定值越大時(shí)噴桿調(diào)節(jié)的速度越快，因此需要根據(jù)|h-L|的值來調(diào)節(jié)PWM波的占空比。也就是說，當(dāng)噴桿的高度值與設(shè)定值L的差值越大，那么PWM的占空比也越大，進(jìn)而電推桿的輸入電壓也越大，因此電推桿的伸縮速度也越快。所以，當(dāng)噴桿偏離設(shè)定位置越大，噴桿得到的調(diào)節(jié)速度也越大，因此可以高效快速地調(diào)節(jié)噴桿高度。

本設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)L298N的開關(guān)驅(qū)動(dòng)的方式，通過單片機(jī)輸出的PWM波來控制電推桿的電壓，從而實(shí)現(xiàn)電推桿伸縮速度的變化。當(dāng)L298N內(nèi)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是高電平時(shí)，開關(guān)管會(huì)導(dǎo)通，電推桿電機(jī)兩端有電壓U：t2秒后驅(qū)動(dòng)信號(hào)降為0，開關(guān)管截止，電機(jī)兩端電壓為0；t2秒后，驅(qū)動(dòng)信號(hào)重新升為高電平，然后循環(huán)下去，如圖6所示。在這里PWM波的占空比D就是在一個(gè)周期T里，開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間t2與周期T的比值，D的范圍是0~1。當(dāng)電源電壓恒定不變的時(shí)候，輸出電壓的大小取決于占空比D，改變D值大小，就能改變輸出電壓的大小，從而控制電推桿伸縮速度的大小。

圖6　PWM波

在利用PWM波調(diào)速時(shí)，占空比D是一個(gè)重要的參數(shù)。本設(shè)計(jì)利用PID控制理論中的P調(diào)節(jié)方式來改變占空比D，設(shè)計(jì)中取Kp為0.1，高度差值的單位是cm，占空比D按照式(2)來計(jì)算,有

D=Kp|h-L|且D∈[0,1]

(2)

最終輸出電壓為U0=DU。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了證明整套系統(tǒng)具備變速調(diào)節(jié)噴桿高度的能力，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。為了更直觀地看出噴桿的調(diào)節(jié)速度隨距離差|h-L|的增大而增大，直到速度增加到最大值，系統(tǒng)輸出連接了一個(gè)轉(zhuǎn)速可測(cè)的小電機(jī)，此電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)最高轉(zhuǎn)速為25 000r/min。實(shí)驗(yàn)中選取了16個(gè)高度點(diǎn)，并記錄超聲波傳感器位于各個(gè)點(diǎn)時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

為了直觀地觀察轉(zhuǎn)速隨高度的變化，這里將表中的數(shù)據(jù)擬合成發(fā)展趨勢(shì)曲線，如圖7所示。

表1　不同高度點(diǎn)的電機(jī)轉(zhuǎn)速

圖7　轉(zhuǎn)速隨高度變化圖

由圖7可以看出：當(dāng)傳感器遠(yuǎn)離50cm高度的位置時(shí)，無論高度值增加或減小，電機(jī)轉(zhuǎn)速都會(huì)增加，直到達(dá)到電機(jī)最大轉(zhuǎn)速后保持不變。在實(shí)驗(yàn)中當(dāng)傳感器高度位于49~51cm時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為0，這是由于加入數(shù)字濾波造成的，這樣可以避免由于噴桿自然抖動(dòng)而引起

噴桿高度被調(diào)節(jié)。

4結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種高度可智能調(diào)節(jié)的農(nóng)業(yè)噴桿的控制系統(tǒng)，以430單片機(jī)為核心控制部件，使用到了超聲波測(cè)距、PID工業(yè)控制、PWM驅(qū)動(dòng)電機(jī)和數(shù)字濾波的技術(shù)。通過實(shí)驗(yàn)可以看出：超聲波測(cè)距結(jié)果良好，且當(dāng)噴桿偏離設(shè)定值越大時(shí)，其獲得的被調(diào)節(jié)的速度也越大，直到調(diào)節(jié)速度達(dá)到最大值。

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The Control System Design of Agricultural Spray Boom whose Height Can Be Intelligent Adjusted

Wang Qiang1,2, Zhang Wen’ai1, Wang Xiu2,3,4,5, Wang Songlin2,3,4,5

(1.School of Information Engineering， Taiyuan University of Technology, Taiyuan030024,China;2. Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing 100097，China；3. National Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing 100097，China；4. Key Laboratory of Agri-informatics, Ministry of Agriculture, Beijing 100097,China；5.Beijing Key Laboratory of Intelligent Equipment Technology for Agriculture, Beijing 100097，China)

Abstract：In order to improve the efficiency of pesticide spraying, to do the ground contour and prevent collision of the spray boom. This paper designs an control system of agricultural spray boom whose height can be intelligent adjusted, the core control part of the system is the SCM MSP430F149, the system includes ultrasonic ranging part, PWM driver part, PID variable-speed adjustment part and debounce part. The system can do the contour following accurately, and adjust the height of spray boom quickly according to the height of the ground, to keep the spray boom in the right position, and finally improve the efficiency of pesticide spraying and successfully protect the spray boom. It can be seen by the result of the experiment, the distance measuring results are acceptable, and when the height of the ground change, the speed of the motor controlling spray boom change too. So we can conclude that the design has important significance in agriculture practice.

Key words：spray boom； contour following； height adjustment； ultrasonic; distance measurement

中圖分類號(hào)：S491

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)09-0156-05

作者簡介：王強(qiáng)(1987-)，男，太原人，碩士研究生，(E-mail)wangqiangtyut@163.com。通訊作者：王秀(1965-)，男，河北萬全人，研究員，博士生導(dǎo)師，(E-mail)wangx@nercita.org.cn。

基金項(xiàng)目：公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201303031)

收稿日期：2015-08-27