對于超聲波技術棉株高度自動測量的思考

陳文權　劉光輝

摘要：我國作為農(nóng)業(yè)大國，棉花種植歷史悠久是世界上棉花產(chǎn)量最多的國家，隨著農(nóng)業(yè)技術的進步，對棉花進行打頂作業(yè)的農(nóng)用機械應運而生，但是由于棉花高度不同，打頂機打頂高度無法靈活地進行調(diào)節(jié)，導致一些棉花籽被誤打，使棉花產(chǎn)量相對減少。為此本文通過研究超聲波測距的工作原理，設計出可以應用到棉花打頂機上的超聲波測距系統(tǒng)，使棉花打頂機更加智能、實用，促進我國農(nóng)機技術和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展。

關鍵詞：超聲波技術；自動測距；棉花打頂

我國幅員遼闊、農(nóng)業(yè)歷史悠久是世界上棉花產(chǎn)量最多的國家，但是相對于歐美國家，我國的棉花生產(chǎn)機械化水平不高、人口較少，棉花種植規(guī)模很難有較大的提升，特別是棉花的打頂工作大多數(shù)需要人工完成，效率非常低。

隨著科技的發(fā)展，超聲波技術的應用日趨成熟，將超聲波技術運用于棉花打頂機，就可以使打頂機準確測量到棉花的高度，精確地進行打頂工作，對棉花生產(chǎn)規(guī)模的擴大有非常積極的作用。

一、 超聲波測量的概念

超聲波是聲波的一種，因聲波超過了人耳所能識別的頻率，所以命名為超聲波。超聲波與所有的聲波一樣，可以在氣體、液體、固體三種介質(zhì)中傳播，并且傳播速度同樣為340m/s。超聲波的頻率較長，波長較短可以像光線一樣沿著特定方向進行傳播，但是當遇到不同的介質(zhì)時，超聲波所附帶的能量會被反射回來。由于這些特性，超聲波在遙感、航空、航海領域被廣泛使用。

二、 超聲波測距的工作原理

使用超聲破進行測距的方法有很多，其中脈沖回波法應用最為廣泛。在進行棉花植株高度的測量時，超聲波發(fā)射器發(fā)出超聲波傳播到植被頂端，反射后被接收傳感器接收。根據(jù)聲波的傳播速度，從聲波發(fā)出開始計時，接收后停止就可以準確得出棉花植株頂端與一起的距離。通常情況下，聲波的傳播速度為340m/s，距離的計算公式為：

s=vt/2

其中v是聲波的傳播速度，t是傳播時間

本文設計的超聲波測距系統(tǒng)的工作原理就是基于這種方法對植株高度進行計算的。

三、 超聲波測距儀器的設計

（一） 測量系統(tǒng)的制作方法

要制作超聲波測量系統(tǒng)，首先需要安裝傳遞命令的單片機對超聲波發(fā)射裝置和接收裝置進行控制，同時對聲波發(fā)射和接收時間進行計算。當單片機觸發(fā)超聲波發(fā)射裝置后會產(chǎn)生40kHz的超聲波信號，單片機進行計時，當超聲波被反射回來后由接收裝置接收，同時單片機開始根據(jù)時間計算測量系統(tǒng)與植株頂端的距離，最后根據(jù)測距系統(tǒng)與地面高度計算出植株高度。

（二） 驅動和工作方式

測距系統(tǒng)的工作方式較為簡單，能源消耗也相對較小可以采用鋰電池或者電瓶驅動。但是測量裝置需要和棉花打頂機結合，這就需要在進行植株高度測量后，可以將信息傳遞到棉花打頂機，打頂機再根據(jù)植株高度自由調(diào)節(jié)，來完成對不同高度的棉花植株的打頂工作。

基于上述原因，需要把打頂機和測距裝置進行結合，本設計采用建造支架的方法。首先將測量裝置安裝在與地面平行的滑桿上，保證測量的準確性；然后將基座與滑桿相連，基座頂端保留一個平臺用于數(shù)據(jù)處理和信號發(fā)生裝置的安裝，使用連桿、齒輪組構成基座與驅動機器的連接，最后將打頂機安裝在基座底部。示意圖如下：

1. 信號發(fā)射、距離計算裝置2. 高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)3. 滑桿平臺4. 超聲波測量裝置5. 棉花打頂機

將超聲波測量裝置與打頂機相結合可以使打頂機的高度根據(jù)植株高度的不同，及時進行調(diào)解，避免了因打頂機調(diào)節(jié)困難而造成的誤打狀況，保證棉花植株上有用的部位不被破壞，在進行部件的選擇時，要重視性能，保證整個設計能按照計劃靈活運行。

組合完成的裝置還不能單獨運行，需要機器的驅動才能實現(xiàn)位置移動和打頂機高度的調(diào)節(jié)。當前我國農(nóng)用機械配件的驅動方式，大部分采用拖拉機進行驅動，因為拖拉機是柴油機，可以安裝車斗、犟、犁等農(nóng)用機械配件，用途多樣，所以在我國比較普及。在進行打頂機組合的使用時可以用拖拉機進行驅動，更加方便靈活，但是對于不同的種植密度也可以考慮為該組合加裝動力系統(tǒng)，進行單人操作。

由于該設計是由超聲波測距來完成對植株高度的測量，所以在機械運行過程中要盡量保持平穩(wěn)，防止測量出現(xiàn)誤差，而耕地的平整性不是很好，所以需要安裝減震裝置保持平穩(wěn)運行。

四、 儀器存在的問題和不足

在進行儀器設計時，由于沒有對棉花生產(chǎn)基地進行實際考察，所以儀器在實際使用中可能存在著一些問題。如：儀器在工作過程中可能會對周圍植株造成破壞等情況。此外，由于沒有使用高端的控制芯片，儀器在信號傳輸、數(shù)據(jù)計算等方面可能略顯不足，儀器的智能程度也有待提升。

五、 超聲波測量棉株高度的前景

當前我國已經(jīng)是世界上棉花生產(chǎn)總量最多的國家，但是由于一些地區(qū)的人口密度較大、農(nóng)業(yè)機械化水平較低，在棉花種植時人采用人工播種、施肥、打頂和采摘工作，不僅生產(chǎn)效率低，所獲得的經(jīng)濟效益也很不理想。機械化、自動化甚至智能化已經(jīng)成為當前世界上農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展趨勢，我國要在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面保持優(yōu)勢，就要提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、提高機械化水平。

想要提升棉花種植的機械化水平，首先要對棉花成長整個周期所要完成的動作進行分析。當前的機械化播種、施肥、灌溉技術已經(jīng)相當成熟，而棉花的打頂和采摘工作還需要人工進行完成，而超聲波測量儀器可以應用于打頂機上，提高棉花打頂效率。此外，棉花的采收也是因為棉花植株高度不同，而難以使用機器，超聲波自動測量技術也可以為棉花自動采摘機器的研制提供參考。所以，使用超聲波技術對棉株進行測量的使用前景十分廣闊。

六、 總結

我國人口眾多人均耕地面積較小，棉花生產(chǎn)量雖然位居世界首位，但是仍然難以滿足國內(nèi)需求，所以提升棉花種植的機械化水平勢在必行。隨著生產(chǎn)技術的不斷革新棉花種植的機械化水平雖然有些提升，但是仍有部分工作需要人工完成。本文通過對超聲波測距的工作原理進行分析，提出使用超聲波進行棉株高度自動測量的儀器的設計方法，解決了當前的棉花打頂機器由于智能程度較低、高度調(diào)節(jié)不靈活而導致的棉花“誤傷”現(xiàn)象，希望農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)領域的相關人員加以重視，早日實現(xiàn)我國的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化目標。

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作者簡介：

陳文權，劉光輝，新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市，新疆工程學院。