溫室軌道施藥機器人系統設計

李　良，張文愛，馮青春，王　秀

(1.太原理工大學 信息工程學院，太原　030024；2.北京農業智能裝備技術研究中心，北京　100097)

?

溫室軌道施藥機器人系統設計

李良1,2，張文愛1，馮青春2，王秀2

(1.太原理工大學 信息工程學院，太原030024；2.北京農業智能裝備技術研究中心，北京100097)

摘要：針對溫室人工施藥效率不足，且容易中毒的現狀，設計開發了溫室軌道施藥機器人系統。結合探測、限位傳感器輸入信號及輸出執行元件的特點，系統采用三菱PLC作為控制核心，控制移動搭載平臺、電機、電磁閥及藥液泵等各個部分，通過探測傳感器定位作物行，調控PWM波占空比實施變量施藥作業，從而實現溫室自動化精準施藥。實驗結果表明：機器人定位準確率高，噴頭流量與PWM占空比呈正相關，隨著施藥距離的增加，藥液沉積量呈遞減趨勢；系統操作簡單，自動化程度高，可以有效提高溫室施藥工作效率和農藥利用率。

關鍵詞：PLC；精準施藥；PWM；溫室；機器人

0引言

機器人技術是根據設施生產中殺菌和病蟲害防治的要求，應用光機電一體化、自動化控制等技術在施藥過程中按照實際的需要噴灑農藥，實現施藥作業的人工智能化技術。近年來，中國農業大學曹錚勇、北京林業大學陳來榮等研制了多種溫室自動化施藥設備，目前仍處于試驗樣機階段，實現產業化推廣仍需改進。為此，本文針對溫室番茄、黃瓜作物的自動化施藥作業，選用三菱PLC為控制核心，在系統外圍搭建移動搭載平臺、風送系統及PWM噴藥系統等，實現溫室精準自動化施藥作業。

1系統設計

1.1移動搭載平臺

溫室軌道施藥機器人系統主要由可移動搭載平臺、施藥系統及控制系統3部分構成，系統樣機、系統框圖及作業環境如圖1～圖3所示。移動搭載平臺由額定400W大功率直流電機驅動，在間距為50cm的角鋼平行鋪裝的軌道上行駛，軌道方向與作物壟垂直，兩者距離20～40cm，平臺移動速度可在0.1～0.7m/s之間自由調節。在實際使用中，為確保機器人運行穩定及安全，一般工作為0.2m/s，移動平臺可根據控制系統的指令完成前進、換向、急停等動作。移動平臺前后兩側各裝有光電傳感器作為限位開關，當機器人接近障礙物或限位擋板時，平臺自動停止行駛，以防平臺碰撞障礙物產生毀損。

1.升降電機　2.絲杠　3. 探測光電傳感器　4.觸摸屏　5限位擋板1

圖2　施藥機器人系統框圖

1.2施藥系統

施藥系統分為風筒升降部分與藥液供給部分。整個組件由寬1m、高2m的腳架固定于移動搭載平臺表面。風筒升降部分中，風筒由升降電機牽動沿升降導軌上下運動，風筒由最高轉速為1 400r/min的風機驅動，出風口最大風速可達7.3m/s。藥液供給部分是由排水量為5.5L/min的12V直流高壓藥液泵為整個施藥系統提供強勁穩定的壓力。控制系統可通過改變固態繼電器的導通與截止時間比來控制電磁閥的開閉，從而實現對環形噴頭流量的精確控制。為了確保電磁閥調節流量過程中藥液泵的壓力恒定，防止水泵因壓力過大而損壞內部電機，在藥液泵與電磁閥間接入溢流閥；當電磁閥開口較小，管中水壓變大時，可使管中多余的藥液經由溢流閥回流到藥桶中。環形噴頭是4個圓錐型噴頭相隔90°分布于風筒表面的4個角。作業時，PLC的輸出端控制升降電機正反轉拉動風筒上下循環移動，同時固態繼電器控制電磁閥開啟，藥液經藥液泵泵取到達噴頭處成為霧狀藥液，風筒出風將藥液送到指定施藥位置，從而達到風送施藥的目的。

1.3控制系統

控制系統由PLC控制器、顯控觸摸屏控制模塊、繼電器控制模塊、電磁閥固態繼電器控制模塊及風機調速模塊組成。PLC控制器選用的是三菱FX1n-14MT，其Y0、Y1兩個點可輸出0～100kHz的脈沖。機器人前端的1對光電探測傳感器輸出的標準開關信號可不經過數模轉換直接被PLC的X0、X1口所采集，PLC的輸出端口亦可直接驅動繼電器控制模塊。繼電器控制模塊的輸入輸出采用的光耦隔離可對模塊的輸入端起到良好的保護作用，通過繼電器模塊輸出端的開閉來控制升降電機的正反轉，風機及藥液泵的開閉。PLC的PWM輸出模塊通過Y0端口輸出可變占空比的PWM波來控制固態繼電器的通斷，實現對電磁閥開閉頻率的改變，進而對環形噴頭的流量實現精確調節。風機調速模塊采用的是無極調速原理，通過控制晶閘管的導通角來改變加載到風機的電壓，從而達到調節轉速的目的。

觸摸屏控制模塊使用的顯控SA-7A觸摸屏面板通過422串口線與PLC實現通信。將觸摸屏界面虛擬按鍵的位地址設置為與PLC內部程序軟元件的地址一致，即可通過觸摸屏來控制PLC的動作，操作者通過觸摸屏輸入指令，顯示信息進行人機交互，觸摸屏界面控制程序在Sam-Draw4.0環境下編寫。整個控制系統由12V開關電源供電，可以確保工作電壓的穩定與安全。

2軟件設計

軟件設計主要是基于三菱PLC內部的程序設計流程，在三菱編程軟件GX Developer環境下，使用梯形圖語言編寫程序。PLC的接口輸入輸出分配如表1所示，系統軟件流程如圖4所示。機器人在啟動時，有自動和手動兩種工作模式可選擇，若選擇自動模式，機器人即進入自主識別噴藥狀態。機器人前端紅外探測傳感器開始工作，若兩個探測傳感器均有信號輸入，機器人尚未到達指定空行施藥位置，機器人繼續向前探索；當探測傳感器輸入信號均消失，則機器人判定已到達指定空行作業位置。此時，腳架上方升降電機開始工作，拉動風筒上下移動，同時藥液泵電磁閥開啟，藥液經由藥液泵到達噴頭處開始施藥工作；在升降電機完成一次升降操作后，施藥作業完成，機器人則按照程序設定繼續向前探索，按照之前所述重復完成施藥作業。若選擇手動施藥模式，則機器人在人為操控狀態下進行施藥操作，操作者可以自由設置機器人施藥位置、風筒施藥高度、出風速度和電磁閥流量等各種參數，從而達到更為精確的施藥效果。

表1　PLC接口分配

圖4　系統軟件流程圖

3施藥實驗

3.1流量的測定

機器人的施藥實驗在施藥實驗室進行。機器人工作時，在不同PWM占空比條件下對環形噴頭30s內的藥液流量進行測定，測定結果如表2所示。

表2　占空比與流量對應表

將數據結果繪制成折線圖如圖5所示。

圖5　流量與占空比的擬合圖

3.2藥液沉積量的測定

在模擬溫室施藥環境下，使用霧滴沉積采集裝置來模擬施藥作業時的作物行，裝置長4m、高2m、寬1m，在裝置里放置5列濾紙，每列相隔40cm，對軌道施藥機器人在一定風速情況下的霧滴沉積分布進行測定，如表3所示，繪制成擬合圖如圖6所示。實驗裝置采集點布置的示意圖如圖7所示。為了測量霧滴沉積量，用配有示蹤劑諾丹明的蒸餾水代替藥液，每50mL諾丹明原液配10L蒸餾水；采樣濾紙能迅速吸收該溶液，通過清洗濾紙可獲得該溶液，使用農藥噴施測定系統精確測量出濾紙上的示蹤劑的含量，可計算出相應位置的藥液沉積量，從而可以描繪出系統霧滴沉積量的分布。

表3　不同位置的藥液沉積量

圖6　不同位置藥液沉積量的擬合圖

圖7　藥液沉積量采集裝置

3.3藥液沉積量與PWM占空比的關系

在相同風速不同占空比的情況下，測定距機器人240cm處的霧滴沉積量。測定結果如表4所示繪制成圖8所示。

表 4　不同占空比下的藥液沉積量

圖8　同一位置藥液沉積量與占空比的擬合圖

4結論

1)通過上述實驗可以看出：軌道施藥機器人系統在進行風送施藥作業時，施藥距離每增加40cm，藥液的沉積量相對地減少5～22g，平均減少量為13g。通過分析不同位置藥液沉積量的擬合曲線可知：施藥機器人藥液沉積分布呈拋物線狀。

2)經過分析表2和表4的數據可知：不同PWM占空比下對應的噴頭流量與指定位置的藥液沉積量，占空比每增加10%，噴頭流量平均增加58g，藥液沉積量增加9.5g。通過控制PWM占空比來調節噴頭流量，可進行精準施藥作業，提高溫室施藥作業的效率與農藥利用率。

3)通過調節占空比控制流量，避免了使用價格昂貴的流量傳感器，且流量傳感器誤差也較大 ，可有效降低溫室作業成本，適合在農村推廣。

參考文獻：

[1]劉大印，張文愛.基于單片機的定量農藥噴灑控制系統[J].農機化研究，2010,32(3):134-137.

[2]何雄奎．改變我國植保機械和施藥技術嚴重落后的現狀[J]．農業工程學報，2004，20(1)：13-15.

[3]卜云龍，楊仁全．JYG-1型移動噴灌機的研制[J]．沈陽農業大學學報，2006，37(3)：286-290.

[4]傅澤田，祁力鈞，王秀.農藥噴施技術的優化[M].北京:中國農業科學技術出版社，2003.

[5]陳勇，鄭加強．精確施藥可變量噴霧控制系統的研究[J]．農業工程學報，2005，21(5): 69-72.

[6]隨順濤，朱瑞祥，王麗麗．基于脈寬調制的變量噴藥技術控制系統[J]．農機化研究，2009，31(4): 143-145.

[7]劉曙光．壓力式可變量噴霧技術的研究[J]．農機化研究，2006(7): 146-147.

[8]王勁松，車小賀，張巖.智能噴藥系統的設計[J].中國科技論文在線精品論文,2009,2(6):650-655.

[9] 陸靜霞.噴頭綜合性能試驗臺控制器的研究與實現[D].南京：南京農業大學，2006.

Abstract ID:1003-188X(2016)01-0109-EA

System Design for Rail Spraying Robot in Greenhouse

Li Liang1，2, Zhang Wen’ai1, Feng Qingchun2, Wang Xiu2

(1.College of Information Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China；2.Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture，Beijing 100097，China)

Abstract：Aim to improve the efficiency of greenhouse spraying, and reduce the risk of staff poisoning, this paper designed and developed a greenhouse track spraying robot system. Combined with detection, limit sensor input signal and output actuator characteristics, system uses PLC as the control core Mitsubishi, control the movement of each platform, with motor and electromagnetic valve, liquid pump and other parts, through the detection of sensor location of crop rows, the regulation of the PWM duty cycle implementation of variable spraying, so as to realize the automation of precision pesticide application in greenhouse. The experimental results show that, the robot positioning accuracy rate is high, the nozzle flow and PWM duty ratio were positively correlated with the increase of distance, pesticide, liquid deposition showed a decreasing trend. The system has the advantages of simple operation, high automation degree, and can effectively improve the work efficiency and greenhouse spraying pesticide utilization rate.

Key words：PLC； precision spraying； PWM; greenhouse； robot

文章編號：1003-188X(2016)01-0109-04

中圖分類號：S224.3;TP24

文獻標識碼：A

作者簡介：李良(1989-)，男，山西河曲人，碩士研究生，(E-mail)liliang200809@sina.com。通訊作者：王秀(1964-)，男，河北萬全人，研究員，博士生導師，(E-mail)wangx@nercita.org.cn。

基金項目：國家”863計劃”項目(2013AA102406)；果類蔬菜產業體系北京市創新團隊項目(2012-2014)

收稿日期：2015-01-15