激光掃描精密施肥定位機械裝置研究—基于PLC控制

宣　峰，朱清智，梁　碩，汪小志

(1.河南工業職業技術學院，河南 南陽　473000；2.南昌工學院，南昌　330108；3.南昌大學 資源環境與化工學院，南昌　330031)

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激光掃描精密施肥定位機械裝置研究
—基于PLC控制

宣峰1，朱清智1，梁碩1，汪小志2,3

(1.河南工業職業技術學院，河南 南陽473000；2.南昌工學院，南昌330108；3.南昌大學 資源環境與化工學院，南昌330031)

摘要：為了提高施肥的精度，實現施肥過程的自動化，設計了一款新的激光掃描定位PLC自動化控制的精密施肥機器人。采用PID調節的方式設計了機器人的PLC控制閉環系統，以激光掃描得到的施肥深度為依據，通過邏輯判斷調整變速器的傳動比，實現不同深度的施肥效果，提高了施肥作業的智能化水平及施肥的精度。為了驗證裝置的有效性和可靠性，在田間對精密施肥機器人進行了測試。田間測試發現：對于施肥長度為50m的作業，所設計的施肥機器人的施肥時間明顯降低，大大提高了作業效率，施肥合格率明顯高于傳統的施肥機器人，可在精密化施肥和自動化農業生產中進行推廣。

關鍵詞：施肥精度；PLC控制；激光掃描；反饋調節

0引言

農業機器人融合了眾多的技術，主要包括傳感技術、監測技術、人工智能技術、通訊技術、圖像識別技術、精密技術及系統集成技術等。它使得多種前沿科學技術于一身，使人們從繁重的農業生產勞動中脫離出來，且大大提高了機械作業的效率和質量。施肥機器人的作業過程如圖1所示。

該機器人可以有效改善農村勞動力不足，降低勞動強度，并且減少農藥、化肥等對人體的傷害。

1精密施肥定位裝置結構設計

精密施肥的控制主要是對變速箱差速器的控制。施肥機器人主要由5部分構成，包括動力源部分、減速差速器部分、方向控制部分、儲料箱部分及施肥控制部分，其軸測圖和前視圖如圖2所示。

圖2　施肥機器人軸測圖和前視圖

該機動力是由動力源部分提供，主要是柴油機；差速器包括減速箱、差速器及離合器，這3者可以實現機構的啟停控制與動力的分配；減速器的控制采用繼電器控制，而繼電器的反饋調節主要根據激光掃描信號的反饋和PLC控制實現。

圖3表示減速器外觀圖和內部結構。利用繼電器可以控制帶差速度和圓錐齒輪減速器，從而實現機器人的優化配置。其中，帶差速器的圓錐齒輪減速器總體布置如圖4所示。

圖4中：假設機器人阻力為F，轉矩為T，圓周速度為v，轉速為n，則柴油機的輸出功率為

(1)

其中，Pd為發動機輸出功率；Pw為工作機所需功率；ηa為傳動裝置效率；ηw為工作機效率。假設前輪的直徑為D,輪子的轉速為n，則機器人的速度為

(2)

施肥機器人的精密控制主要通過結構的傳動比優化配置來實現。機構的總傳動比計算公式為

(3)

傳動比的分配如下

i=i1×i2×i3

(4)

考慮到適應性與成本問題，采用平行四邊形的結構的聯動設計較為簡單，因此將其作為聯動結構，如圖5所示。

圖3　減速器外觀圖和內部結構

圖4　帶差速器的圓錐齒輪減速器示意圖

圖5　平行四邊形機構圖

在設計平行四邊形機構時，考慮到對于不同地壟寬度的適應性，在聯動桿上設置了3個間距。當地壟寬度不同時，可以進行適應性的調節，以便使得輪子的邊緣正好坐落于地壟之間的溝槽內。為了實現施肥的精密控制，使用PID控制器來調整變速箱的傳動比。PID控制器是一種結構簡單的線性控制器，其結構如圖6所示。

圖6　PID控制器

利用PID控制器對變速箱的傳動比進行控制，其控制方程為

(5)

其中，kp為積分系數；ki為微分系數；T為采樣周期；e為施肥深度的控制誤差，施肥深度可以通過激光掃描定位來實現。

2施肥過程激光掃描定位和PLC控制

施肥過程的施肥深度主要由PLC控制系統來實現。在本系統設計中，選用的激光器的型號為LD-G650A13。激光器的具體參數如表1所示。

表1　激光器參數表

出于安全性的考慮，所選用的激光器功率為10mW，屬于安全的功率范圍。激光器工作時的功率比較小，在該功率的激光照射下，物質不會發生化學物理變化，激光內置直流電進行供電。

圖7為設計的激光器實物圖。其中，激光器的控制主要由上位機系統和下位機系統組成。上位機還包括PC主機、PC連接相機和數據通信接口；下位機包括主控制器、激光器驅動器、激光器、步進電機驅動器、步進電機及通信接口等。系統硬件結構組成如圖8所示。

圖7　激光器實物圖

圖8　系統硬件結構組成

PLC作為下位機控制器，通過RS232通訊總線，直接與上位系統處理中心進行通訊。PLC主要控制變速箱傳遞比的輸出，激光掃描會隨時將施肥深度信息傳遞給數據存儲；通過MAD02模擬量模塊A/D轉化后，將數量與預設值進行比對，實現PLC對施肥執行機構的控制。該系統是閉環系統，如圖9所示。

圖9　PLC控制系統簡單示意圖

在運行速度方面，CPM2A CPU完成一條邏輯指令的運行速度僅為1.72us，完全可以勝任在施肥精密控制機械裝置中的應用。

3精密施肥機器人測試結果與分析

為了測試本設計的精密施肥機器人的有效性和可靠性，在試驗田間對機器人的施肥效果進行了綜合試驗。通過測試，首先得到了機器人激光掃描施肥深度的測試結果，如圖10所示。

圖10　激光掃描施肥深度測試結果

由圖10可以看出：通過激光掃描施肥深度的輪廓明顯，且通過上位機可以準確地判斷施肥深度，從而達到精確控制的目的。

圖11表示激光掃描深度的測試結果。由圖11可以看出：通過激光掃描，可以準確地測試出施肥深度。其中，施肥采用打孔施肥，施肥深度為2.0cm，符合設計要求。

圖11　激光掃描深度測試結果

圖12為通過多次調試施肥機器人執行末端響應時間。由圖12可以看出：多次試驗的響應時間都較短，且魯棒性較好，響應過程平穩。通過對比傳統機器人和本文設計機器人的施肥時間，得到了如表2所示的結果。

圖12　多次調試系統響應結果

測試編號傳統施肥機器人施肥時間本文設計機器人施肥時間120.2110.13221.3210.24320.4810.35421.8910.22523.2710.25625.1110.31

由表2可以看出：相對于傳統的施肥機器人，本文設計的施肥機器人的施肥時間明顯降低，大大提高了作業效率。

表3表示施肥合格率的測試數據。由表3可以看出：采用本文設計的施肥機器人施肥合格率明顯高于傳統的施肥機器人。這是由于激光掃描定位具有較高的精度，從而大大提高了施肥的合格率，提高了作業的機械效率。

表3　施肥合格率測試數據統計

4結論

對傳統施肥機器人進行了改造，并使用現代PLC控制和經典PID控制器對施肥系統進行了優化。同時，利用激光掃描設備設計了閉環的施肥精度調節系統，從而大大提高了施肥作業的機械自動化和智能化水平。

對設計的精密施肥機器人進行了田間測試，測試項目主要包括施肥時間和施肥深度合格率。通過田間測試發現：對于施肥長度為50m的施肥作業，本施肥機器人的施肥時間和施肥合格率都明顯優于傳統的施肥作業機器人。由此驗證了該施肥機器人的可靠性，為現代化農業施肥技術的研究提供了較高價值的參考。

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Study on Fertilization Positioning Mechanism of Laser Scanning Precision—Based on PLC

Xuan Feng1, Zhu Qingzhi1, Liang Shuo1, Wang Xiaozhi2,3

(1.Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000, China; 2.Nanchang Institute of Science & Technology, Nanchang 330108, China; 3.School of Resources Environment & Chemical Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031, China )

Abstract：In order to improve fertilizing precision, fertilization process automation, design a new laser scanning and positioning of the PLC automatic control of precision fertilization robot. Using PID methods to adjust the design of the robot PLC closed-loop control system, the system of fertilization depth by laser scanning as the basis, determine the transmission ratio through the transmission adjustment logic, achieve different depth of fertilization effect, improve the intelligent level of fertilization, the effectiveness of high precision fertilization device in order to verify in the field of precision and reliability, fertilization robot was tested by field test, found that, for the fertilization of length 50m fertilization, fertilization robot designed in this paper the fertilization time is significantly reduced, thereby greatly improving the work efficiency, the qualified rate of fertilization was higher than that of the traditional fertilization robot, thus greatly improve the qualified rate of fertilization, which can be used in precision fertilization and automation in agricultural production.

Key words：precision fertilization; PLC control; laser scanning; feedback control

文章編號：1003-188X(2016)06-0021-05

中圖分類號：S224.21；TP273

文獻標識碼：A

作者簡介：宣峰(1981-)，男，河南南陽人，講師，碩士。通訊作者：汪小志(1981-)，女，武漢人，講師，博士研究生，(E-mail)wangxiaozhi@ncu.edu.cn。

基金項目：國家自然科學基金青年基金項目(51305152)

收稿日期：2015-05-18