噴桿噴霧機變量控制特性測試系統設計與試驗*

陳彬，陳小兵，于慶旭，張井超，裴亮，馮耀寧，劉燕

(農業農村部南京農業機械化研究所，南京市，210014)

0 引言

傳統施藥技術農藥有效利用率僅為20%～30%，而精準施藥技術農藥有效利用率可達50%～60%[1]，變量噴霧控制系統是實現精準施藥作業的關鍵部件[2-5]。噴桿噴霧機作為一種高效的大田植保機械，具有霧化效果好、作業效率高、農藥霧滴沉積分布均勻等優點[6]。將變量噴霧控制系統與噴桿噴霧機相結合的變量噴桿噴霧機也日漸成熟，研究其變量控制特性測試系統，對推動精準變量噴霧技術的發展至關重要。

Anglund E A和Aters P D等通過試驗研究得到變量噴霧控制系統的總延時為2.35 s，控制閥體的延時為1.5 s[7]。邱白晶等進行了變量噴霧裝置響應特性試驗和節流閥階躍響應特性試驗，試驗結果表明：系統流量調節響應時間為3 s，響應時間對噴霧均勻性有較大影響；節流閥存在純時滯環節時間，變量噴霧系統上升時間與階躍幅值有關，階躍幅值越大，上升時間的數值越大[8-16]。未見針對噴桿噴霧機整機流量隨速控制特性測試方面的研究報道。因此，研究開發噴桿噴霧機變量控制特性測試系統，測試流量隨速調節的精準性、響應性，為變量控制系統提供準確的測試手段，滿足精準農業的發展需求。

本文研制了一種基于Android和CAN總線的噴桿噴霧機變量控制特性測試系統，通過網絡RTK(Real-time kinematic)技術、高精度傳感器、計算機軟件得到機具流量控制的精準性和隨速調節的響應特性。為噴桿噴霧機變量控制作業質量的評價提供技術支撐，也為其他變量作業機具的性能測試提供參考依據。

1 測試系統整體結構

在指定施藥量Q和噴幅L的條件下，噴桿噴霧機變量控制系統工作原理如式(1)所示，管路流量隨車速實時變化，以實現均勻噴灑的目的。

(1)

式中：q——管路流量，L/min；

Q——施藥量，L/hm2；

L——噴幅，m；

v——機具前進速度，km/h。

因此，在其變量控制特性測試時，速度、管路流量為主要監測參數。

如圖1所示，噴桿噴霧機變量控制特性測試系統(以下簡稱測試系統)主要由主處理器、4G天線、三模GNSS天線、數傳天線、流量傳感器、壓力傳感器、流量-壓力監測終端處理器(以下簡稱終端處理器)、數傳-藍牙中繼站、CAN總線、Android智能設備、PC、電池等組成。

圖1 測試系統整體結構示意圖

測試作業時，按照主處理器和終端處理器的接口標識掛接各個傳感器單元；流量傳感器與壓力傳感器串接進噴桿與變量噴霧控制執行機構之間的液體管路。綜合各部分傳感器信息后，主處理器一方面將數據通過無線傳輸的方式發送至Android智能設備上；另一方面將數據存儲至內部空間，待測試完畢后通過USB接口下載至PC進行測試結果的處理與分析。

2 硬件設計

2.1 主處理器組成與電路設計

如圖2所示，主處理器包括中央處理器、各類模塊(穩壓降壓模塊、4G模塊、RTK模塊)、天線接口與數據通訊接口。其中，4G模塊與RTK模塊組成網絡RTK模塊，輕巧便攜的同時可保證其速度測試精度[17]。CAN通訊電路采用總線分布式控制方式，具有實時性好、高位率、高抗電磁干擾及容錯性強等優點[18-21]。數據接口采用4芯航空插頭，減少線束的同時提高工作穩定性(IP68防護等級)。電源電路總共分為三路，分別為穩壓降壓模塊、RTK模塊和終端處理器供電。

圖2 主處理器電路原理圖

2.2 終端處理器設計

終端處理器主控板電路原理圖如圖3所示。

圖3 終端處理器電路原理圖

采用意法STM32F103CB嵌入式微型控制器，工作頻率為72 MHz，搭配KOAN8 MHz外部晶振，具有豐富的通信接口，包括USB、CAN、2個10通道ADC、SPI、I2C、LIN、UART/USART等，并提供37路的輸入與輸出。主控板電壓需求為12 V，需要通過電壓轉換將蓄電池的24 V降至12 V，采用金升陽VRB2412LD-50W型電源模塊，輸入電壓為18～36 V，輸出電壓為12 V/4 167 mA。為保證通訊質量減少線束使用，在其主控板上設計兩個可隨意級聯拓撲擴展連接的CAN總線通訊接口。

2.3 傳感器選型

選擇GEMS FT-100系列液體渦輪流量計，量程為2～35 L/min，精度為±3%，重復性為0.5%，工作電壓為5～24 V，脈沖信號的輸出頻率為25～438 Hz，響應時間小于40 ms，滿足數據采集的實時性需求；采用螺紋連接、重量輕、便于攜帶，適合田間作業。選用PT-100系列壓力傳感器，量程為0～2.5 MPa，精度為0.5%，工作電壓為8～30 V，輸出信號為4～20 mA，采樣頻率2 400 Hz，響應時間2 ms。采用HG-GOYH7151型GNSS多星多頻天線，相位中心誤差小于2 mm，工作電壓3～5.5 V，可以同時接收北斗(B1/B2/B3)、GPS(L1/L2)和GLONASS(G1/G2)三星七頻段信號。

3 軟件設計

3.1 主要參數測試原理

3.1.1 速度信息獲取

網絡RTK定位測速信息包含在NEMA0183協議的$GNGGA和$GNVTG命令中，利用ASCⅡ碼傳遞信息，其速度信息格式如下[22-23]，本研究主要利用$GNVTG命令中的(4)處數據得到機具的實時速度信息。

$GNVTG,(1),T,(2),M,(3),N,(4),K,(5)*hh(CR)(LF)

$GNVTG：$為命令起始位，GN為識別符，VTG為命令句；(1)：以真北為參照的對地航向；(2)：以磁北為參照的對地航向；(3)：對地航速(單位：節/h)；(4)：對地航速(單位：km/h)；(5)：模式指示(A=自主定位，D=差分，E=估算，N=數據無效)。

3.1.2 流量信息的獲取

渦輪流量計的輸出脈沖信號與流量數值之間的關系如式(2)所示[24-25]。

(2)

式中：q0——流量數值，L/min；

p——流量計t時間內輸出的脈沖數；

t——流量計脈沖輸出時間間隔，s；

K——流量計儀表系數，取750脈沖/L。

3.1.3 壓力信息的獲取

壓力傳感器輸出的為4～20 mA模擬信號，通過A/D 轉化為數字信號，經終端處理器計算得到相應壓力數值。壓力傳感器壓力信息計算如式(3)所示[24]。

(3)

式中：P——壓力，MPa；

Pmax——壓力傳感器測量上限值，取2.5 MPa；

Pmin——壓力傳感器測量上限值，取0 MPa；

Pm——壓力模擬量采樣值。

3.2 硬件驅動程序

程序流程圖如圖4所示。

圖4 硬件程序流程圖

硬件驅動程序主要包括主處理器驅動程序和終端處理器驅動程序。主處理器程序完成各個傳感器單元的信息綜合解析傳遞、控制LED狀態指示燈、生成并存儲數據信息文件供用戶下載。結合各傳感器響應時間，設定速度、流量、壓力信息采集頻率均為10 Hz，即系統的處理響應時間為0.1 s。終端處理器程序通過Keil uVision5進行編譯，負責收集噴霧機管路流量與壓力信息，按照自定義的協議通過CAN口反饋至主處理器。

3.3 Android監測軟件和數據處理軟件

Android監測軟件采用java語言基于Android Studio平臺進行開發，軟件界面如圖5(a)所示。測試作業時，以1 Hz的數據更新頻率實時將網絡RTK速度、流量、總流量、壓力信息等噴霧機狀態信息解析出來，顯示于軟件界面上。

數據分析處理軟件，主要將主處理器記錄的各項數據用圖表的形式呈現，如圖5(b)所示。軟件左側為所需分析數據的選項按鈕；中間數據呈現區域，將數據用曲線圖的形式表達，橫坐標為時間，單位ms；右側數據曲線偏置和倍率系數設置欄，解決各項數據單位不統一，同一坐標系下曲線特征不能完全展現的問題。

(a) Android軟件界面

4 測試系統性能試驗與結果分析

4.1 試驗條件

測試系統試驗包括數據采集性能試驗和測試系統驗證試驗，試驗于2020年5—7月進行。流量壓力數據采集性能試驗在噴霧器性能試驗臺上進行，試驗臺搭載LDG-10LM型電磁流量計，量程2～50 L/min，精度0.5級；PCM300DT型壓力傳感器，量程0～2.5 MPa，精度0.2級。速度數據采集性能試驗比對數據的儀器設備是本單位前期研發的基站RTK定位測速系統(以下簡稱基站RTK)，動態差分定位精度(0～40 km/h)為0.07 m。設定本測試系統、試驗臺和基站RTK的數據采集輸出頻率均為10 Hz。

圖6 噴霧器性能試驗臺

系統驗證試驗機型為SWAN 3WP-500型自走式噴桿噴霧機，噴幅9.5 m，液泵流量62 L/min，液泵轉速1 520 r/min；搭載ARAG 400S型電腦控制器和3個電磁閥組分別控制3路區段噴桿流量，噴桿上共配置21個422HCC01型號噴頭。

圖7 系統驗證試驗

4.2 流量數據采集性能試驗

參考JJG 1037-2008《渦輪流量計檢定規程》，分別調整試驗臺流量為2 L/min、7 L/min、14 L/min以及35 L/min，4種工況，每種工況做7次重復。用量筒承接出水口流出的液體，稱量其體積作為理論累計流量值，對比測試系統自動記錄的累計流量數值，計算相對誤差和系統讀數的重復性。試驗結果如表1所示，系統累計流量與理論累計流量之間的最大誤差為1.63%，平均誤差為0.99%，系統讀數的平均重復性為0.31%。統計系統瞬時流量數據穩定階段的平均值和標準差，可看出瞬時流量的平均標準偏差為0.04 L/min；說明該流量傳感器精度較高，重復性和穩定性好，滿足測試的要求。

4.3 壓力數據采集性能試驗

分別調整試驗臺壓力至0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa，統計穩壓階段測試系統壓力平均值與試驗臺壓力值之間的數值偏差，以檢驗系統的壓力測試精度；每組試驗重復7次，計算其變異系數，以檢驗系統的穩定性。如圖8所示，系統壓力數據與試驗臺壓力數據平均偏差為0.02 MPa，最大變異系數為2.88%，平均變異系數為2.09%，說明系統壓力讀數精度較高，穩定性較好。

圖8 壓力測量精度試驗

4.4 速度數據采集性能試驗

根據噴桿噴霧機作業速度，試驗速度范圍確定為0～20 km/h，駕駛試驗車分別在低速段(5 km/h)、中速段(10 km/h、15 km/h)以及高速段20 km/h做勻速運動，每種速度狀態行駛20～30 s；在低速段、中速段和高速段之間做加減速試驗，加減速度間隔為5 km/h；試驗總時長為180 s。以時間為橫坐標，以速度為縱坐標建立直角坐標系；以基站RTK數據為試驗真值，繪制速度-時間曲線圖，如圖9所示。

圖9 原始速度數值曲線圖

網絡RTK速度與基站RTK速度曲線變化一致，重合性較好。為進一步分析速度偏差，根據拉依達準則剔除速度互差的異常數據[26]，得到如圖10所示速度偏差曲線圖。可以看出在穩定行駛階段，速度偏差表現較為穩定，呈小幅度振動現象，變化區間為-0.3～0.3 km/h；速度的快慢對測速偏差無顯著性影響。在車速劇烈變化的加減速階段，速度偏差出現大幅度波動現象，速度偏差值較大，其最大偏差為-0.86 km/h。整個試驗區間的平均速度偏差為-0.02 km/h。

圖10 速度偏差散點圖

4.5 測試系統驗證試驗

根據整機工作條件，設置施藥量為150 L/hm2。在0～9 km/h的速度區間內以3 km/h、6 km/h及9 km/h 的速度進行穩速行駛，以3 km/h的階躍速度進行加減速行駛。每種穩定狀態行駛20 s，取中間10 s 穩態數據的平均值為分析對象。導出測試系統實時記錄的各項數據信息，以時間為橫坐標，以流量、速度、壓力為縱坐標，分別繪制流量隨車速變化曲線圖和流量隨壓力變化曲線圖。由圖11可以看出，隨著車速的變化，噴霧系統管路的流量和壓力隨之改變；流量、壓力變化趨勢基本一致，流量變化相較于壓力變化平均滯后0.2 s，但二者變化相較于車速變化有明顯的滯后時間。說明該變量噴霧控制系統屬于壓力調節式，即車速增加，管路壓力逐漸上升，流量隨之增大；隨著車速的減小，管路壓力逐漸下降，流量隨之減小。

(a) 流量隨車速變化

根據文獻[15]和[16]，以滯后時間tz、調節偏差時間tε表征噴桿噴霧機流量控制響應特性。整理得到如表2所示的流量控制響應特性試驗結果。其中ts為速度調節時間，tq為流量調節時間，調節偏差時間tε為二者差值。加速階段的平均滯后時間為1.31 s，標準差為0.57 s；平均調節時間偏差為0.56 s，標準差為0.24 s。減速階段的平均滯后時間為1.70 s，標準差為0.54 s；平均調節偏差時間為1.47 s，標準差為1.35 s。

機具加速階段的滯后特性和調節特性均優于減速階段。尤其在機具減速停車狀態(3 km/h→0 km/h)，電磁閥開口突然關閉，導致管路內產生水錘現象，即壓力激增；因此在變量噴桿噴霧機在實際使用過程中，應避免緊急剎車現象，或增加緩壓設備。通過試驗，說明本測試系統各項數據采集處理響應迅速、功能完整，可準確描述機具實時工作狀態變化，實現了對變量噴桿噴霧機流量控制特性的監測和評價功能，也為其他機具的變量作業測試提供參考。

表2 流量調節響應特性試驗結果

5 結論

1) 研制了一種噴桿噴霧機變量控制特性測試系統，利用網絡RTK獲取噴桿噴霧機前進速度，采用高精度流量傳感器和壓力傳感器監測噴桿噴霧機管路流量和壓力變化，以主處理器為核心結合CAN總線完成信息的收集、處理、傳遞及命令的下發，利用Android智能終端APP實現數據的實時顯示與人機交互，通過PC端的后處理軟件完成數據的導出與分析，得到流量隨速變化的響應特性。

2) 測試系統數據采集性能試驗表明，與基站RTK定位測速系統數據對比，網絡RTK測速平均偏差為-0.02 km/h。與實驗室噴霧器性能試驗臺數據對比，流量傳感器的平均誤差為0.99%，平均重復性為0.31%，穩定階段的瞬時流量讀數的平均標準偏差為0.04 L/min，壓力傳感器的平均偏差為0.02 MPa、平均變異系數為2.09%。

3) 驗證試驗表明，系統測得某款壓力調節式噴桿噴霧機，加速和減速階段流量調節的平均滯后時間分別為1.31 s和1.70 s，平均調節偏差時間為0.56 s和1.47 s。同時系統測得數據表明在機具速度降至0階段，會出現管路壓力激增，這是因為電磁閥開口突然關閉，導致管路內產生水錘現象。本測試系統各項數據采集處理單元響應迅速、系統功能性完整，能準確描述機具實時工作狀態變化，可用于噴桿噴霧機變量控制特性測試。