漫反射光電開關在除草機器人中的應用

一、引言

光電開關是一種利用光的強弱變化實現電的變化的一種傳感器，主要用來檢測遮擋物體。由于光電開關具有光電隔離的特性，所以它可以應用在各種工業控制領域中。

光電開關是一種數字量輸出的光電傳感器，主要用于控制系統。智能除草機器人是農作物健康生長的重要組成部分，運用了光學，機電，電氣等光電學原理，自動化程度較高。把光電開關廣泛應用于農業除草機器人中，保證了除草機器人除草的安全，高效，也保證了農作物的生長不受雜草影響，茁壯成長。

二、光電開關的工作原理

光電開關是光電接近開關的簡稱，它首先把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉換為電信號。光電開關由發送器、接收器和檢測電路三部分組成。發射器向著一定的方向不斷地發射光束，發射的光束來源于發光二極管、紅外發射二極管等半導體光源，接收器由光電二極管、光電三極管等組成。光學元件裝在接收器前面，而在接收器后面是檢測電路，能夠濾出有效信號，并且應用此信號。另外為了防止外界可見光的干擾，光電開關還輔助有發射板，反光板和光導纖維[1]。

它是利用被檢測物對光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測遮擋物體的有無。所有能反射光線的物體均可被檢測，光電開關將輸入電流在發射器上轉換為光信號射出，接收器在根據接收到的光線強弱或有無對目標物體進行檢測[2]，各種光電開關的工作原理如圖1所示。

光電開關多種多樣，圖2是一種集發射和接收于一體的漫反射式紅外光電傳感器，發射器發出信號，接收器通過不透明物體的反射光來接收信號，從而產生一個開關變化；另外可以通過電位器調節檢測距離在3cm～80cm。該傳感器具有探測距離可調，受可見光干擾小，價格便宜，易于裝配，使用方便等優點，可以廣泛應用于機器人避障，流水線計件等眾多場合。

三、光電開關的分類

光電開關的型號種類很多。按結構分主要可以分為三種。

第一種是放大器分離型，顧名思義就是將放大器和傳感器分離，并采用專用集成電路和混合安裝工藝制成，此類放大器的功能較多，并可交直流電源通用；

而第二種是放大器內藏型，它將傳感器和放大器集成一體化，采用專用集成電路和表面安裝工藝制成，使用直流電源工作，另外在系統中安裝方便，能檢測狹小和高速運動的物體；

第三種則是電源內藏型，則是將電源裝置與放大器、傳感器一體化，采用專用集成電路和表面安裝工藝制成。它適用于交流電源，可直接用于控制強電電路[3]。

按檢測方式分可以分為漫射式、對射式、鏡面反射式、光纖式光電開關和槽式光電開關。對射式光電開關由結構相互隔離的發射器和接收器組成，主要檢測光束是否被中斷，如果被中斷，就會產生一個開關信號變化；對射式光電開關在同一軸線是最大距離可以達到50m。鏡面反射式和槽式光電開關的工作原理與對射式光電開關一樣，也是通過光束被隔斷產生一個開關信號的變化。但是他們各有特點，鏡面反射可以辨別不透明物體，有效距離范圍遠，不易受干擾。槽式光電開關比較安全可靠的檢測高速變化，分辨透明和半透明物體[4,5]。而漫反射式光電開關是當開關發射光束時，目標產生漫反射，當有足夠的組合光返回接收器時，開關狀態才會發生變化，作用距離典型值一般為3m，此類光電開關應用廣泛。

四、光電開關的優缺點

1、優點

（1）分辨率高。能通過特殊的光學系統進行微小物體的檢測和位置判別；

（2）響應時間短。由于發射接受信號的都是光速，因此觸發動作幾乎無延時；

（3）實現非接觸檢測。無需機械式接觸來檢測物體，不會對檢測物和傳感器造成損傷；

（4）便于調節。通過集成電路技術和特殊工藝把光電開關做到通過調節電位器來調節檢測距離。

2、缺點

缺點是消耗功率和故障率比霍爾器件要大，可以通過調整檢測距離以降低由于自身功率的限制造成的錯誤信號。

五、光電開關在農業除草機器人中的應用

1、除草機器人的組成

除草機器人由車身本體，控制器，行內行間除草末端執行器和光電開關組成。機器人沿著作物行直線行駛，遇到行內和行間雜草時，放慢速度鏟除。具體過程如下：機器人首先沿著作物行直線行駛，驅動機器人行駛的部分由兩個直流伺服電機驅動前輪行駛，前輪和電機通過齒輪箱連接，采用差速轉向，后輪采用萬向輪，然后利用漫反射光電開關來檢測區分雜草和植株，可以實時檢測，定點鏟除行內雜草。當識別到雜草時，控制行內除草末端執行器臂閉合，底部高速旋轉的刀盤嵌入土中，攪斷雜草根部，未識別到雜草時，行內除草執行器臂不動作，刀盤做空轉。同時，行間除草末端執行器由滾輪和滾齒組成，滾齒高速旋轉切割行間雜草[6]，這樣能夠使除草機器人在行駛過程中高速地進行行內、行間除草。除草機器人整體架構如圖3所示。

2、光電開關在除草機器人中的應用

（1）等間距種植植株來除草

為了能使植株生長互相不受影響，也可更好的區分植株和雜草，采用機械播種的方法進行種植植物，每一行植株，每一列植株間距基本相等，但是由于在實際播種過程中，受到各種因素的影響，植株的實際位置和理想位置有所偏差，所以我們設定了如下判定方法：把植株區域設定為理想植株方圓3cm范圍，在此區域內都確定為植株，在植株區域以外都認為是雜草，這樣可以避免累計誤差出現，又可避免錯誤識別而誤鏟植株。

（2）利用高度來區分植株和雜草

當植株高度遠遠大于雜草高度時，就可采用光電開關檢測植株高度來區分植株和雜草。此方法要把光電開關安裝在植株高度以內以便檢測到植株，并且在雜草高度以上以防止檢測到雜草產生誤動作，當光電開關檢測到有物體時，說明植株已使光電開關產生信號，行內除草執行器臂不動作，放過植株；反之，說明沒有植株，就可驅動除草執行器工作，鏟除雜草。

（3）利用植株的形狀來區分

當雜草高度和植株高度相當時，這里就采用分析植株的一般形狀來區分植株和雜草。具體過程如下：首先按照植株的形狀在適當的高度和方位安置若干個光電開關，以便檢測植株，并記錄光電開關接收器疊加輸出的二進制脈沖，二進制脈沖等級設定一個閾值，通過單片機編程控制區分植株和雜草。如果大于這個閾值，說明是植株，反之，則是雜草。

六、結論

本文提出了一種漫反射光電開關在除草機器人中的應用。使用價格低廉的光電開關來替代昂貴的攝像頭來識別行內雜草，大大降低了成本。另外也不需要做圖像處理的算法，只需要簡單的控制。

但是光電開關也有其自身的局限性，單個光電開關只能檢測被檢測物的有無，無法區分物體的形狀，顏色，大小以及其他特征，因此要通過集成電路和光學器件結合改變光電開關內部結構進行研究開發。