一種全自動果園農(nóng)藥噴灑車結(jié)構(gòu)設(shè)計

李 帥 柏 順 楊德昊 曹 鑫 孫桂琦 麻曉飛

(臨沂大學(xué)機械與車輛工程學(xué)院，山東 臨沂 276005)

0前言

目前國內(nèi)果園農(nóng)藥噴灑大多采用人工噴藥和機械連續(xù)噴藥的方式，存在工作效率低、農(nóng)藥利用率低及環(huán)境污染大等缺點[1]。結(jié)合自動控制技術(shù)和噴霧技術(shù)，將連續(xù)噴藥方式轉(zhuǎn)變?yōu)殚g歇噴藥方式，是解決上述問題最為有效的方法之一。

農(nóng)村果園農(nóng)藥殺蟲劑噴灑主要分2種模式，一是針對大規(guī)模果園的植保無人機噴灑技術(shù)[2-4]，二是傳統(tǒng)的人工背負式農(nóng)藥噴灑方式[5]。無人機技術(shù)可以提高農(nóng)藥噴灑效率，但這樣噴灑方式資金花費較大，僅適用于較大規(guī)模果園使用，而且該方式需要較高的操作技術(shù)，不適合廣大果農(nóng)群眾普及。人工背負式農(nóng)藥噴灑方式對勞動力的需求大，工作效率較低，并且在噴灑的過程中容易對人體產(chǎn)生危害。

為此，本文利用避障系統(tǒng)、速率遙控系統(tǒng)與電動機結(jié)合技術(shù)，采用抽水閥、攪拌裝置與噴灑裝置結(jié)合的方式，建立系統(tǒng)的、通用的果園農(nóng)藥自動噴灑車技術(shù)方案，最終構(gòu)建了一款適用于中小型果園的自動噴灑裝置。

1結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

果園農(nóng)藥噴灑車的系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，主要由軟件與硬件2部分組成。軟件包括避障系統(tǒng)、速率控制系統(tǒng)與光電感應(yīng)裝置。硬件部分包括動力裝置、水箱和噴灑裝置，動力裝置包括電動機與避障系統(tǒng)、速率遙控系統(tǒng)，水箱主要包括抽水閥和攪拌裝置，噴灑裝置主要包括噴灑頭、伸縮桿件和光電感應(yīng)裝置。

圖1系統(tǒng)組成

1.2自動避障系統(tǒng)

光電傳感器能夠?qū)υO(shè)定距離范圍內(nèi)的障礙物進行識別，將光電傳感器安裝在小車主體上，從而實現(xiàn)果園農(nóng)藥自動噴灑車的障礙識別。當設(shè)定距離范圍內(nèi)有障礙物時，光電傳感器的輸出為1，否則為0。自控避障小車主體安裝有5個光電傳感器，前方1個，左右兩側(cè)各2個。設(shè)置自控避障小車的避障規(guī)則如表1所示。

1.3速率遙控系統(tǒng)

作為速率遙控系統(tǒng)的控制核心，80C196KC單片機的CPU主要接收的輸入信號有電動機實際轉(zhuǎn)速信號、設(shè)定轉(zhuǎn)速信號和齒條位移反饋信號，上述信號均通過信號調(diào)理電路(A/D轉(zhuǎn)換器)之后進入單片機。其中選用磁電式轉(zhuǎn)速傳感器來測量電動機實際轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速傳感器信號經(jīng)過放大整形成方波，經(jīng)過8254以及積分電路將其變換為直流電壓信號進入A轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后進入單片機80C196KC進行處理。設(shè)定轉(zhuǎn)速信號由手動電位器或

表1 自控避障小車避障規(guī)則表

電動電位器來給出，設(shè)定信號同樣要進入D轉(zhuǎn)換器換成數(shù)字信號后進入單片機進行處理。齒條位移采用轉(zhuǎn)角位移傳感器來測量，其輸出信號要經(jīng)過放大電路放大后進入 A/D換器，然后才進入單片機進行后續(xù)處理。

1.4光電感應(yīng)裝置的設(shè)計

光電感應(yīng)裝置采用5個光電傳感器和1個數(shù)據(jù)處理器構(gòu)成，在避障系統(tǒng)中，光電傳感器將光電接收器接收的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成距離參數(shù)，在判斷出障礙物的前提下，系統(tǒng)通過設(shè)定的相關(guān)參數(shù)自動判定障礙物是否為果樹。與此同時，光電傳感器將小車左右兩邊果樹的高度、寬度和小車與果樹的距離等數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理器，實現(xiàn)了對果樹輪廓的數(shù)據(jù)收集。光電感應(yīng)裝置工作流程圖如圖2所示。

圖2光電感應(yīng)裝置工作流程圖

1.5抽水閥、攪拌裝置和噴灑裝置

果園農(nóng)藥自動噴灑車還需要考慮噴灑流量、農(nóng)藥溶解度、農(nóng)藥沉積、系統(tǒng)安全及系統(tǒng)通用性等因素。為滿足以上要求，設(shè)計了抽水閥，用于實時控制農(nóng)藥噴灑流量，既可避免多灑引起的浪費，又能避免少灑導(dǎo)致藥效不夠。設(shè)計的智能噴藥控制系統(tǒng)由儲藥柜、配料機構(gòu)、水箱，控制單元、顯示屏等構(gòu)成，儲藥柜可以儲存不同的藥品，水箱儲水量為30 kg，噴藥控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3智能噴藥控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.6伸縮桿件、控制器及數(shù)據(jù)處理裝置

采用曲柄連桿機構(gòu)作為高壓噴霧器桿，其下端與高壓噴霧器底座相連，頂端與噴灑頭相連。高壓噴霧桿內(nèi)有數(shù)個過濾孔，這些過濾孔在高壓噴霧桿內(nèi)的拐點處，用來過濾藥液殘渣，實現(xiàn)高壓噴霧頭的噴灑強度。控制器選用80C196KC單片機，以實現(xiàn)全自動操作。電機動力箱內(nèi)安裝紅外成像儀與激光雷達顯像器來控制高壓噴霧桿的噴灑方向。噴霧桿安裝有微型攝像頭，與遙控器上的顯示屏幕進行數(shù)據(jù)傳輸。通過微型攝像頭接收數(shù)據(jù)傳給80C196KC單片機進行數(shù)據(jù)處理反饋給遙控器。操作者可根據(jù)屏幕上的圖像信息和農(nóng)藥噴灑方向來進行實時觀看。

2結(jié)語

利用避障系統(tǒng)、速率遙控系統(tǒng)與電動機結(jié)合技術(shù)，采用抽水閥、攪拌裝置與噴灑裝置結(jié)合的方式，建立了一種新的果園農(nóng)藥自動噴灑車技術(shù)方案。通過八路灰度循跡傳感器、陀螺儀、激光雷達與控制單元通訊，實現(xiàn)噴灑車的自動尋跡行進與定位。通過紅外傳感器實現(xiàn)了噴灑車的避障功能，利用激光雷達和SLAM算法，實現(xiàn)了噴灑車的智能噴灑。