自走式高地隙菠蘿催花機設(shè)計與控制*

張日紅，張 權(quán)，區(qū)建爽，何凱均，王志偉，盧德賢

（仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院機電工程學(xué)院，廣州 510225）

0 引言

菠蘿是深受消費者喜愛的熱帶水果之一，在世界上80 多個國家及地區(qū)廣泛種植。我國的菠蘿種植面積及產(chǎn)量均占世界總量的7%左右，是菠蘿十大主產(chǎn)國之一[1]。菠蘿是特色高效的熱帶經(jīng)濟作物，也是熱區(qū)農(nóng)民重要的經(jīng)濟來源。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和人民生活水平顯著提高，菠蘿消費的比重逐年增加[2]。2014—2018 年，國內(nèi)菠蘿消費量由134萬t增長到166萬t，年均增長4.7%。

自然狀態(tài)下的菠蘿抽蕾時間不集中致果實成熟不集中、管理難度大，而合理有效的催花可以調(diào)節(jié)菠蘿的產(chǎn)期和上市時間，延長果實供應(yīng)期，提高菠蘿的品質(zhì)和產(chǎn)量[3-4]。但目前傳統(tǒng)催花方式存在作業(yè)勞動度大、催花效果差等缺點。為了減輕工人噴灑過程的工作量，降低勞動成本，同時減少人工噴灑過程出現(xiàn)的失誤，2018 年云南大學(xué)公開了一種輔助人工的菠蘿催花裝置，通過分別操作儲液桶導(dǎo)流閥門開關(guān)推動桿按鈕和定量筒出口閥門蓋推動桿按鈕，完成將催花液緩緩注入菠蘿植株株心，可以方便、精確地完成菠蘿的催花過程[5]。2020 年廣西壯族自治區(qū)亞熱帶作物研究所提出了一種適合菠蘿催花的無人機均勻噴灑裝置，增加催花槍的往復(fù)擺動和回轉(zhuǎn)運動2 個自由度，擴大了噴灑裝置的噴灑范圍，使噴灑過程更加均勻[6]。

本文以地勢平緩或環(huán)山等高、有良好的排水灌溉系統(tǒng)等種植環(huán)境的菠蘿種植園作為催花作業(yè)環(huán)境，采用高地隙行走方案，保證了菠蘿催花作業(yè)裝備在菠蘿植株上良好的通過性，作業(yè)過程中不會對菠蘿植株造成傷害，在大部分作物的病蟲害防治方面具有很高的實用價值[7-8]，催花作業(yè)高度、作業(yè)行距和株距均可根據(jù)種植方式進行調(diào)整，自走式自動化催花作業(yè)的控制系統(tǒng)引入了PLC 邏輯控制器，保證了控制過程的實時性和穩(wěn)定性。

1 功能方案

基于PLC 控制的自走式高地隙菠蘿催花機，包括機架、動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、噴灑系統(tǒng)、PLC 控制系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等。車架一端安裝有噴灑系統(tǒng)，動力系統(tǒng)與傳動系統(tǒng)傳動連接，傳動系統(tǒng)安裝在車架的底面；PLC 控制系統(tǒng)固定安裝在車架，分別與動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和噴灑系統(tǒng)電性連接。噴灑系統(tǒng)在推桿電機的驅(qū)動下上下升降，調(diào)節(jié)噴頭與噴灑位置的距離，噴頭在水平方向也可進行調(diào)節(jié)，以適應(yīng)菠蘿種植行距的變化。PLC設(shè)置好車體前進方向和速度、催花液噴灑間隔時間、每次噴灑的時間、噴頭豎直方向的高度以及車體行走最大距離。系統(tǒng)啟動后，隨著車體的勻速前進，催花液噴灑系統(tǒng)按照預(yù)設(shè)好的間隔時間向菠蘿株苗噴灑催花液；直流永磁無刷電機通過前橋總成驅(qū)動前高地輪；液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)驅(qū)動兩個前輪支腿旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。此機器具有機械化程度高、操作方便、噴灑效率高等優(yōu)點。

1.1 行走與轉(zhuǎn)向單元

如圖1 所示，車體的轉(zhuǎn)向和驅(qū)動均來源于前輪，直流永磁無刷電機通過前橋總成驅(qū)動前高地輪正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，進而實現(xiàn)車體的前進或后退；兩個前輪的動力支腿分別與液壓轉(zhuǎn)向油缸的兩側(cè)相連，在液壓轉(zhuǎn)向油缸的驅(qū)動下可實現(xiàn)前輪的轉(zhuǎn)向控制[9]。

圖1 行走與轉(zhuǎn)向原理Fig.1 Schematic diagram of walking and steering

傳動系統(tǒng)包括傳動軸、前橋、高地輪和后支腿；傳動軸一端與動力系統(tǒng)傳動連接，另一端與前橋傳動連接，前橋與高地輪傳動連接，高地輪為主動輪，后支腿通過墊板與機架固定連接，后支腿兩端分別與高地輪固定連接，對應(yīng)高地輪為從動輪。

動力系統(tǒng)輸出的動力經(jīng)過擺線針輪減速器增大扭矩后通過傳動軸傳遞給前橋，前橋經(jīng)過錐型齒輪將動力給兩端的第一半軸，第一半軸通過齒輪傳遞給第二半軸，最后將動力傳遞給主動高地輪，主動高地輪通過車架將動力傳遞給從動高地輪，從而使車體行走。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包括液壓裝置、轉(zhuǎn)向油缸、轉(zhuǎn)向拉桿、限位支架、液壓進油管、液壓回油管。液壓裝置固定在機架上，液壓進油管、液壓回油管的一端分別與液壓裝置連通，另一端與轉(zhuǎn)向油缸連通，轉(zhuǎn)向油缸的兩端面各與一轉(zhuǎn)向拉桿一端連接，轉(zhuǎn)向拉桿另一端鉸接在第二半軸上，第二半軸為回轉(zhuǎn)體，液壓缸內(nèi)通過進油回油控制轉(zhuǎn)向拉桿伸長縮短，從而使第二半軸回轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)，帶動高地輪轉(zhuǎn)向[10]，限位支架一端固定在第二半軸上，另一端固定鉸接在轉(zhuǎn)接頭上；限位支架限制轉(zhuǎn)向角度，液壓轉(zhuǎn)向裝置受PLC控制系統(tǒng)控制。

1.2 噴藥單元

噴藥單元原理如圖2 所示。噴灑單元包括溶液箱、過濾器、雙核隔膜泵、閥組、連接管道、升降部件和噴頭等。水平滑軌上安裝有4 個噴頭，可在水平方向上自由調(diào)整，以便適應(yīng)菠蘿左右種植行距的規(guī)格，水平滑軌固接于豎直滑動板的底端，以便滿足菠蘿株苗的不同橫距種植。電磁閥的啟停由PLC控制。

圖2 噴藥單元原理Fig.2 Schematic diagram of spraying unit

水箱固定安裝于機架上，水箱通過連接管道與噴頭連通。噴灑系統(tǒng)包括有過濾器和雙核隔膜泵、分流管道和電磁閥；水箱出水管與過濾器的一端連通，另一端與雙核隔膜泵的輸入端連通，輸出端連通分流管道，分流管道上開設(shè)有若干個連通孔，且每一連通孔均與一連接管道連通，電磁閥安裝在連接管道前端。

存放在水箱里的催花藥劑水溶液通過過濾器濾除雜質(zhì)，然后通過雙核隔膜泵加壓后經(jīng)管道流向電磁閥控制的分流管道，PLC 控制箱控制電磁閥閥門的開啟，實現(xiàn)噴藥動作控制。

1.3 升降單元

如圖3 所示，升降單元包括框架板、外殼、推桿電機和滑動板，框架板豎直安裝在機架的一端，推桿電機通過一對螺母與絲杠，將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成直線運動，利用電動機正反轉(zhuǎn)完成推桿動作，絲杠端部固定在滑動板上，滑動板通過滾珠軸承滑動連接在滑動軌道柱上，絲杠上下運動帶動滑動板沿軌道柱上下運動。

圖3 升降單元原理Fig.3 Schematic diagram of lifting unit

2 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)原理如圖4所示?？刂破?、行走電機、液壓電機、垂直電機和噴藥泵電機的供電電源來自于DC48V 蓄電池。Y0、Y1 分別是行走電機的正、反轉(zhuǎn)信號，最終實現(xiàn)車體的前進與后退； Y6、Y7 為液壓轉(zhuǎn)向電機的左、右轉(zhuǎn)信號； Y10、Y11、Y12、Y13 分別控制4 個噴藥電磁閥。行走電機的前進、后退速度由調(diào)速電位器控制。位置編碼器用來反饋行走電機的轉(zhuǎn)動方向、轉(zhuǎn)動角位移和轉(zhuǎn)動速度，間接獲得車體行進位移、行進方向和行走速度。

圖4 電氣控制系統(tǒng)原理Fig.4 Schematic diagram of electrical control system

3 PLC程序設(shè)計

3.1 PLC的I/O分配表

表1 所示為高地隙菠蘿催化機PLC 控制系統(tǒng)的I/O 分配表。輸入信號主要涵蓋安裝在行走電機一端的編碼器信號、啟停信號、推桿電機上升和下降限位信號等。輸出信號主要涵蓋行走電機正、反轉(zhuǎn)，液壓轉(zhuǎn)向電機控制、推桿電機垂直升降和4個噴藥電磁閥啟停控制等。

表1 PLC輸入和輸出地址配置表Tab.1 Input and output address of PLC configuration

3.2 控制程序設(shè)計

控制系統(tǒng)選用了信捷XD2-32 型PLC 作為控制核心，程序設(shè)計分為兩部分，分別為自動模式和手動模式。自動工作模式中通過HD10 設(shè)定噴藥時間，其數(shù)據(jù)儲存在時間寄存器T0 中，在觸控屏可輸入噴藥時間。HD20 為讀取實時位置脈沖當(dāng)量，通過C 語言編譯可將脈沖當(dāng)量轉(zhuǎn)化為行走電機的間距，可直觀地在觸控屏上顯示。寄存器D20 為噴藥時的間距即兩次噴藥之間的距離，其數(shù)據(jù)可在觸控屏上調(diào)整。寄存器HD2 為行走最大距離，可在觸控屏中輸入數(shù)值，若HD20 大于或等于HD2 系統(tǒng)急停。在輸入噴藥時間、噴藥間距、行走最大距離，以及選定噴藥電磁閥后即可啟動自動模式，實現(xiàn)定時間間隔、定噴灑距離和定噴灑時長自動化噴灑作業(yè)。自動控制工作模式設(shè)計程序流程如圖5所示。

圖5 控制程序原理Fig.5 Schematic diagram of control program

3.3 慣性誤差的補償

由于本裝置行走動力源采用的直流無刷電機無剎車功能，為延長電機的使用壽命沒有采用反接制動方案。因此車體在電機停止輸出動力后會受物理慣性影響繼續(xù)前進一段距離，從而導(dǎo)致車體實際位置與理論位置存在誤差。如不采取誤差補償，裝置在持續(xù)工作時會使得絕對位置誤差越來越大，進而影響作業(yè)的精度和效果[11-12]。為消除慣性誤差，采用了慣性補償算法，以達到精準作業(yè)的目的，該算法的核心思想是通過實時監(jiān)控編碼器實際位置差和車體催花行走間距預(yù)設(shè)值的差值來自動矯正車體行走位移。表2 所示為慣性誤差補償中所用到的設(shè)計變量，程序設(shè)計流程如圖6所示。

表2 程序設(shè)計變量列表Tab.2 List of programming variables

圖6 慣性誤差補償原理Fig.6 Schematic diagram of inertial error compensation

4 結(jié)束語

菠蘿抽蕾期的催花效果決定著菠蘿果實的品質(zhì)和產(chǎn)量，關(guān)乎菠蘿種植戶經(jīng)濟收入。針對現(xiàn)在菠蘿催花主要以人工為主，但存在著人工噴灑勞動成本高、人工噴灑不精準、催花效果不理想等問題，本文以實現(xiàn)菠蘿植株的準確催花作業(yè)為目標，設(shè)計了基于PLC 控制的自走式高地隙催花機。采用了高地隙行走與轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)、噴射高度電動可調(diào)的總體結(jié)構(gòu)，慣性補償控制算法可有效消除行走車體行走過程中所產(chǎn)生的慣性誤差。這種以PLC 控制為核心的高地隙自走式菠蘿催花機是提高菠蘿催花作業(yè)效率的有效途徑之一。