自適應(yīng)升降噴桿施藥系統(tǒng)的研發(fā)

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(duì)傳統(tǒng)簡(jiǎn)易施藥機(jī)易造成人員中毒、藥液噴灑過(guò)多易造成環(huán)境污染等問(wèn)題，以及現(xiàn)在溫室內(nèi)用施藥機(jī)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(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及無(wú)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(wú)軌道自走式底盤配合使用，可實(shí)現(xiàn)路徑導(dǎo)航的自動(dòng)化、智能化；其噴桿自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)創(chuàng)新性地采用超聲波傳感器用于探測(cè)施藥機(jī)與農(nóng)作物施藥目標(biāo)的距離，以便進(jìn)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(wèn)題提供參考，實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)施藥的無(wú)人化、機(jī)械化、自動(dòng)化、精準(zhǔn)化，提高溫室內(nèi)植保裝備的機(jī)械化水平，改善勞動(dòng)環(huán)境，提高勞動(dòng)效率。

施藥機(jī)；自適應(yīng)；升降噴桿

0 引言

溫室作物生長(zhǎng)過(guò)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(huì)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(guó)外較早開展了對(duì)農(nóng)藥精準(zhǔn)施用方法的研究，以提高農(nóng)藥利用率、保護(hù)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(jī)械，不適合我國(guó)溫室生產(chǎn)[4]。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研制了溫室對(duì)靶噴霧機(jī)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(jī)械臂對(duì)植株病害表面進(jìn)行預(yù)定位，從而進(jìn)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(jī)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(jìn)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(guò)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(wú)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)探測(cè)目標(biāo)噴灑區(qū)域范圍，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)噴藥；能自適應(yīng)地進(jìn)行噴桿升降及噴桿運(yùn)動(dòng)空間路徑規(guī)劃，自動(dòng)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(shí)現(xiàn)設(shè)施內(nèi)施藥的精準(zhǔn)化、無(wú)人化操作，適用于小面積或空間受限場(chǎng)合，可掛接在無(wú)軌道自走式底盤上使用。

1 設(shè)計(jì)原理及機(jī)構(gòu)

1.1 設(shè)計(jì)原理

針對(duì)傳統(tǒng)簡(jiǎn)易施藥機(jī)易造成人員中毒、藥液噴灑過(guò)多易造成環(huán)境污染，以及現(xiàn)在溫室內(nèi)用施藥機(jī)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(dòng)，與傳統(tǒng)燒汽油的施藥機(jī)相比，具有綠色環(huán)保、對(duì)環(huán)境污染小等特點(diǎn)，可掛接在無(wú)軌道自走式底盤上使用。通電后，無(wú)軌道自走式底盤配合施藥系統(tǒng)行進(jìn)到作物栽培槽之間(兩行作物之間的過(guò)道)進(jìn)行作業(yè)；噴桿上安裝有高、中、低3個(gè)高度的超聲波傳感器，通過(guò)超聲波傳感器可自動(dòng)探測(cè)到植物病害的位置。當(dāng)病蟲害在作物植株位置1時(shí)，噴桿的超聲波傳感器1探測(cè)到并執(zhí)行噴藥命令；當(dāng)病蟲害在作物植株位置2時(shí)，噴桿的超聲波傳感器2探測(cè)到并執(zhí)行噴藥命令；以此類推(見(jiàn)圖1)，進(jìn)而鎖定目標(biāo)噴灑區(qū)域范圍，液壓驅(qū)動(dòng)泵根據(jù)傳感器探測(cè)的位置舉升油缸帶動(dòng)噴桿移動(dòng)到病害位置，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，風(fēng)筒內(nèi)形成定向風(fēng)吹到噴桿的噴頭上；同時(shí)，加壓泵啟動(dòng)將藥箱內(nèi)的藥液供應(yīng)到噴桿上的噴頭，隨著風(fēng)向進(jìn)行藥液定向噴施，進(jìn)行精準(zhǔn)噴施作業(yè)，從而實(shí)現(xiàn)作物病害識(shí)別的自動(dòng)化及噴藥的精準(zhǔn)化。

該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：①能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)施內(nèi)精量施藥的無(wú)人化操作，避免操作人員因操作不當(dāng)引發(fā)中毒等問(wèn)題。②可借助超聲波傳感器，自動(dòng)探測(cè)目標(biāo)噴灑區(qū)域范圍，實(shí)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(jìn)行噴桿升降以及噴桿運(yùn)動(dòng)空間路徑規(guī)劃。③能自動(dòng)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(chǎng)合，可掛接在無(wú)軌道的自走式底盤上使用，通用性強(qiáng)。

圖1 施藥機(jī)設(shè)計(jì)原理圖

1.2 總體設(shè)計(jì)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(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)、電控系統(tǒng)及無(wú)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(jī)構(gòu) 3.控制箱 4.藥箱 5.驅(qū)動(dòng)電機(jī) 6.風(fēng)機(jī) 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(guò)施藥軟管通入噴頭進(jìn)行施藥；霧化系統(tǒng)將藥液的霧滴變得細(xì)小均勻，進(jìn)行精準(zhǔn)噴施；噴桿自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)可通過(guò)超聲波傳感器探測(cè)到目標(biāo)作物的位置，從而調(diào)節(jié)噴頭進(jìn)行噴藥；電控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)各執(zhí)行動(dòng)作的自動(dòng)化；無(wú)軌道自走式底盤主要用于實(shí)現(xiàn)噴藥機(jī)前進(jìn)、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(jì)

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(dòng)電機(jī)及風(fēng)機(jī)等部分組成，如圖3所示。

圖3 噴藥系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖

其中，噴頭采用扇形防滴漏噴頭，如圖4所示。噴藥時(shí)，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(diǎn)。

圖4 噴頭選型示意圖

由于設(shè)計(jì)該施藥系統(tǒng)是與多功能自走式作業(yè)平臺(tái)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(jì)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(shí)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(shí)間=25L/(1～2L/min)=12.5～25min。

本設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)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(diǎn)，其蓄電池技術(shù)參數(shù)如下：

品牌：超威

型號(hào)：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(wú)軌道自走式底盤上，噴頭與藥箱之間通過(guò)施藥軟管進(jìn)行連接。施藥時(shí)，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(gè)噴頭。

2.2 霧化系統(tǒng)

霧化系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)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(jiàn)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(yùn)動(dòng)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(jì)使風(fēng)咀的氣流速度外高內(nèi)低，可以再次約束霧滴的運(yùn)動(dòng)軌跡，減小霧滴漂移。噴霧時(shí)，進(jìn)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(guò)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的強(qiáng)大氣流，將霧滴再次進(jìn)行霧化。同時(shí)，通過(guò)風(fēng)咀氣流將霧化后的細(xì)霧滴吹送到植株冠層內(nèi)。

2.3 噴桿自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

噴桿自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由液壓剪叉機(jī)構(gòu)、液壓舉升油缸及超聲波傳感器等組成。液壓剪叉機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)架上，液壓舉升油缸安裝在剪叉機(jī)構(gòu)上且受控于電控系統(tǒng),以帶動(dòng)液壓剪叉機(jī)構(gòu)實(shí)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(gè)位置上，通過(guò)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(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)噴桿噴霧高度的控制。

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

超聲波傳感器為噴桿自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的核心部件，其工作原理(見(jiàn)圖6)為超聲波傳感器發(fā)射高頻聲波，通過(guò)測(cè)量聲波從發(fā)生器發(fā)出至農(nóng)作物發(fā)射回來(lái)所需要的時(shí)間，根據(jù)聲速、傳播時(shí)間與距離的關(guān)系來(lái)感知被測(cè)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(gè)探頭發(fā)出超聲波，另一個(gè)探頭接收超聲波；②反射式，超聲波測(cè)距儀發(fā)出超聲波，超聲波經(jīng)過(guò)被測(cè)物體反射回來(lái)，又回到測(cè)距儀；③超聲波發(fā)射張角為60°；④設(shè)備外形為長(zhǎng)方體；⑤安裝方式為測(cè)距儀兩端的安裝孔。

圖6 超聲波傳感器探頭測(cè)距原理圖

參數(shù)項(xiàng)參數(shù)值默認(rèn)值供電電壓直流9～24V12V工作電流小于100mA測(cè)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(dòng)發(fā)送/請(qǐng)求應(yīng)答主動(dòng)發(fā)送測(cè)量精度0．01m溫度補(bǔ)償有/無(wú)有測(cè)量誤差0．01m產(chǎn)品等級(jí)民用級(jí)/工業(yè)級(jí)工業(yè)級(jí)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(jī)、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(gè)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(guò)安裝在噴桿上的一組傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)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(hào),控制比例換向閥來(lái)驅(qū)動(dòng)大臂擺動(dòng)控制液壓舉升油缸，實(shí)現(xiàn)噴桿高度的調(diào)節(jié)。

在工作過(guò)程中，水泵由總電源開關(guān)同時(shí)控制開閉，水泵處于常開狀態(tài)，通過(guò)回水電磁閥開閉實(shí)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(shí)，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(jìn)水電磁閥開閉狀態(tài)，如果液位到達(dá)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(bào)警燈，如果液位到達(dá)下限位，則開啟報(bào)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(jìn)行開閉。

圖7 一種自適應(yīng)升降噴桿施藥機(jī)工作原理圖

2.5 無(wú)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(gè)無(wú)軌道自走式底盤(見(jiàn)圖8)，該底盤具有一組液壓驅(qū)動(dòng)輪，驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)行走功能。

圖8 無(wú)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(wú)需操作者進(jìn)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(jìn)行噴桿升降以及噴桿運(yùn)動(dòng)空間路徑規(guī)劃，自動(dòng)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(shí)現(xiàn)溫室作物病蟲害的機(jī)械化、自動(dòng)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(wú)軌道自走式底盤自動(dòng)掛接，方便作業(yè)，具有較強(qiáng)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(xiàng)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