溫室變量噴藥機器人液壓系統設計

李昕宇 劉群銘 史穎剛 劉利

摘 ? 要：針對變量噴藥技術，文章設計了一種溫室變量噴藥機器人液壓系統。選擇恒壓混流式變量噴藥系統為基礎，電子式套筒電動調節閥作為調流控制閥;采用二級動力驅動，完成混藥和加壓功能，配備先導式減壓閥進行穩壓;采用多噴頭組合方式，完成作物在不同生長期的噴藥任務，最終完成液壓系統結構設計及控制系統設計。系統調節精準、易于控制、供電便利、易于推廣，具有良好噴霧特性和研究價值。

關鍵詞：溫室;變量噴藥;液壓系統;電子式套筒調節閥

2013年我國農業用藥96.72萬t[1]。截至2014年，我國溫室面積已經達到其他國家總和的5倍以上，大多數的溫室均采用手動噴霧器進行噴藥，這不僅對作業人員的健康構成影響，而且易造成施藥不均勻、過量噴藥的后果，效率較低，耗費大量的人力，只有極少量噴施的農藥能取得理想的效果。變量噴藥通過獲取噴藥對象的形貌、密度程度和病蟲草害的信息，按照其實際需藥量進行噴藥，能減少農藥在農作物上的殘留和減少農藥對環境的影響，提高農藥利用率。

1 ? ?變量噴藥液壓系統方案設計

變量噴藥液壓系統如圖1所示。液壓系統安裝在噴藥機器人車體的上方，采用對稱布局，以減少系統運行過程中由于車體晃動對噴藥的影響。溫室環境噴藥時，受外部因素影響小，流量調節不頻繁，在噴藥過程中，需保持噴頭壓力恒定。10個噴頭可以獨立開閉，完成作物不同生長階段的噴藥任務;可根據變量噴藥的實時流量，調節噴頭壓力和流量控制閥，調節噴藥流量，以達到良好的噴藥效果。

壓力式變量噴藥是通過改變噴藥壓力來改變噴藥流量，系統壓力損失較大，并且為了保持良好的噴霧特性，應使噴頭的壓力處于0.2 MPa[2]左右。系統通過流量控制閥調節系統流量，原理如下。

當達到穩定后，且液體均勻通過電動調節閥，損失的壓力Δp為定值，在系統壓力不變的情況下，Δp保持恒定。當A和Δp/ρ不變的情況下，影響流量Q的因素只與阻力系數ζ相關，即閥的角位移距離。調節閥開口角度減小，系統流量減少，系統出口壓力減小;調節閥開口角度增大，系統流量增加，系統出口壓力變大[3]。

系統通過改變電動調節閥的電壓脈沖信號，控制電動調節閥，再根據脈沖信號的大小，調整阻力系數，從而改變電動調節閥閥體的角位移，最終達到改變流量大小的目的。但是由于在調節流量大小的過程中伴隨著出口壓力的變化，為確保良好的噴霧特性，需要用壓力傳感器、加壓泵和先導式減壓閥維持噴頭壓力恒定。

2 ? ?變量噴藥液壓系統設計

為解決作物在不同生長期生長高度不同的問題，并減少藥液的浪費、提高藥液利用率，噴藥臂采用多噴頭垂直組合的方式進行安裝[4]。每個噴頭都有一個電磁閥，控制電磁閥的開閉可打開不同數量的噴頭，完成不同生長階段的噴藥任務。

在實際應用中，為降低頻繁補藥對作業人員健康的影響，采用藥液分離式，所以用兩個二位三通閥組成不同的藥液回路。當藥液已經混合好后，藥液將直接由水泵輸送到調節閥處;采用藥水分離，高壓水泵將水輸送至水力比例調節閥與藥液進行混合，然后輸送至調節閥處。

流量調節由流量計和電子式套筒電動調節閥組成，上位機檢測到當前流量與車速不匹配時，對電子式套筒電動調節閥發出控制信號，電動調節閥做出相應動作，從而改變流量大小。壓力恒定由增壓泵、壓力傳感器和先導式減壓閥組成，增壓泵對混合好的藥液進行增壓，確保藥液具有一定的壓力。先導式減壓閥用于調節噴頭處的壓力大小，壓力傳感器檢測噴頭壓力是否為最佳噴藥壓力，使噴頭處壓力保持恒定值，不隨流量的改變而改變。設計在先導式減壓閥之后，使檢測的結果更加精準。變量噴藥液壓系統原理如圖2所示。

3 ? ?變量噴藥系統控制模型

變量噴藥系統能根據噴藥臂開啟的噴頭個數控制調節閥與增壓泵，提供系統所需要的流量與壓力，并且流量計與壓力傳感器傳回當前系統的輸出流量與壓力大小，提供給變量控制器進行處理，然后將處理后的信號傳回液壓系統中的流量調節閥和增壓泵，對系統的總流量和噴頭壓力進行調節。此外，變量控制器也能采集噴藥機器人的行進速度，控制液壓系統對當前速度的流量與壓力大小進行匹配，實現噴藥機器人在噴藥過程中的變量噴藥。原理如圖3所示。

變量控制器是變量噴藥系統的“大腦”，能采集噴藥機器人當前行進速度，根據噴頭開啟的個數m，對系統流量進行調節，使單位面積噴藥量一致。并且能夠根據壓力傳感器反饋到上位機里的壓力值大小，對增壓泵發出控制信號，使變量噴藥系統噴頭壓力保持恒定。

變量控制器的主控芯片選擇89C52單片機，模數（Analog to Digital，AD）轉換器選擇ADC0831。通過AD轉換器將噴藥機器人行進速度v、系統當前流量q、系統當前壓力p的模擬量轉換為數字量，將數字量輸入到變量控制器，變量控制器處理后，通過方波信號控制調節閥的閥口開度、增壓泵功率、高壓水泵功率。對于變量噴藥系統不同的工作方式，只是當前流量q的大小不一樣，系統噴頭處的壓力始終保持在0.2 MPa，在整個變量噴藥的過程中的流量調節原理不變。

根據不同工作方式的噴藥模型及其控制條件可以得出系統的控制流程，如圖4所示。

4 ? ?結語

本設計通過分析國內外變量噴藥系統的優缺點，以恒壓混流式變量噴藥系統為設計基礎，設計了針對此變量噴藥系統的液壓系統。分析了電動調節閥的流量與壓力特性，通過先導式減壓閥與增壓泵組合進行系統的穩壓。設計了液壓系統的原理與結構，并完成了控制系統及控制流程設計。系統調節精準、易于控制、供電便利、易于推廣，具有良好噴霧特性和研究價值。

[參考文獻]

[1]楊軍.減少化肥農藥用量是保護恢復農業生態環境的重要保證[J].遼寧農業科學，2015（5）：66-68.

[2]張利君.基于動態PWM變量噴霧系統的霧量分布均勻性研究[D].杭州：浙江大學，2017.

[3]傅德薰，馬延文.計算流體力學[M].北京：高等教育出版社，2002.

[4]白鵬.基于Android的果園自動對靶風送式噴霧試驗臺的研制[D].泰安：山東農業大學，2016.