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：我國作為農業(yè)大國，棉花種植歷史悠久是世界上棉花產量最多的國家，隨著農業(yè)技術的進步，對棉花進行打頂作業(yè)的農用機械應運而生，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節(jié)，導致一些棉花籽被誤打，使棉花產量相對減少。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，使棉花打頂機更加智能、實用，促進我國農機技術和農業(yè)生產的發(fā)展。

關鍵詞：超聲波技術；自動測距；棉花打頂

我國幅員遼闊、農業(yè)歷史悠久是世界上棉花產量最多的國家，但是相對于歐美國家，我國的棉花生產機械化水平不高、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） 測量系統的制作方法

要制作超聲波測量系統，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時間計算測量系統與植株頂端的距離，最后根據測距系統與地面高度計算出植株高度。

（二） 驅動和工作方式

測距系統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，打頂機再根據植株高度自由調節(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據處理和信號發(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. 高度調節(jié)系統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植株高度的不同，及時進行調解，避免了因打頂機調節(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位置移動和打頂機高度的調節(jié)。當前我國農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，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、數據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

當前我國已經是世界上棉花生產總量最多的國家，但是由于一些地區(qū)的人口密度較大、農業(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，不僅生產效率低，所獲得的經濟效益也很不理想。機械化、自動化甚至智能化已經成為當前世界上農業(yè)生產的發(fā)展趨勢，我國要在農業(yè)生產方面保持優(yōu)勢，就要提升農業(yè)生產效率、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，棉花生產量雖然位居世界首位，但是仍然難以滿足國內需求，所以提升棉花種植的機械化水平勢在必行。隨著生產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、高度調節(jié)不靈活而導致的棉花“誤傷”現象，希望農業(yè)機械生產領域的相關人員加以重視，早日實現我國的農業(yè)現代化目標。

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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。