全地形果園仿形彌霧機器人的設計

郭建康，李彥沛，李亞芹，談桂秀，蒲巖巖，王超鵬

(1.佳木斯大學 機械工程學院，黑龍江 佳木斯 154000；2.佳木斯大學 現代教育技術中心，黑龍江 佳木斯 154000)

0 引言

針對果樹冠層厚、葉片密等特點，當下自動化果園中的主要做法是在自走式噴藥小車中加入超聲波傳感器并監測當前對靶向是否有目標，當檢測到空擋時關停液泵以減少藥液浪費。本方案通過分析影響風場分布和噴霧效果的各種因素，根據傳感器對于果樹的實時測繪取得的冠層厚度數據，通過改變噴霧各種技術參數并監測噴霧覆蓋和霧滴的漂移量以達到最佳作業效果。采用伸縮輪履可切換式行走結構，使彌霧機器人可適應果園內復雜的地形結構。

1 數字波束形成技術

數字波束形成(DBF)技術是一種基于空間三維掃描的數字成像技術，通過自適應地發射波束可實現空域點云圖像采集，通過控制多個獨立可控波束的形成達到可控信噪比(圖1)。使用數字波束成像技術利用了波束特性可由矢量控制的特點，實現在作業中靈活可變的測繪模式切換目的。使用數字波束形成技術對果樹進行成像，可以有效探測并生成果樹的三維尺寸，為仿形彌霧作業提供數據支持。

圖1 相控陣雷達接收信號進行波束處理

數據處理系統使用的是一塊高速信號處理板，包含8路10 bits的AD轉換器，一片FPGA,一塊10 bits的DA轉換芯片。在這個系統中，分別設計了軟件與硬件部分。在硬件方面，各通道在FPGA的控制下進行數據測量,完成對由SHA模擬中頻輸入接口送來的中頓信號進行模數轉換，形成8路數據流送入FPGA,在FPGA中完成數字正交解調、8路單波束DBP處理、脈沖壓縮處理，形成雙路的數字I/O信號，經過求模，形成單路的數字視頻信號，送給DA芯片[1]。

在DBF體制雷達硬件結構里(圖2)，每個模塊含有一個陣列天線，天線的每個單元接收的射頻(RF)信號由集成在硬件中的A/D變換器分別進行模數轉換，由中央處理器將得到的數據進行變頻與同步檢波處理后放在內存中，圖像運算單元對其進行正交基帶信號處理，處理后的復基帶數字信號S與預定的復加權矢量W再次交由圖像處理器進行相乘累加后，根據訓練的圖像模型進行三維點云圖的輸出[2]。

圖2 簡化的面陣波束合成器

2 靜電彌霧

彌霧部分結構由空氣壓縮機、柱塞泵、藥箱、控制電磁閥、靜電發生器、噴頭、風機、機架等組成，風量的確定遵循置換原則，原理為風機吹出的氣流完全置換風機前方到果樹空間的空氣，所述風量應大于其置換的空氣氣量，公式如下

Q>2vHLK

(1)

式中Q—末端送風機的風量，m3·h-1；

v—靜電彌霧機的行駛速度，m·s-1；

H—數字成像雷達所測定的果樹高度，m；

L—數字成像雷達所測定的距離果樹的點對點距離，m；

K—實驗室測定的空氣中氣流的衰減和沿途的氣流損失的系數。

在實際作業中，風壓也是影響彌霧作業效果的重要因素(靜壓損失忽略不計)，計算公式如下

Pd=ρ·v2/2

(2)

Pj=ζρ·v2/2

(3)

P=Pd+Pj

(4)

式中P—系統輸出的總壓，Pa；

Pd—系統內部動壓損失，Pa；

Pj—體統局部動壓損失，Pa；

ρ—標準大氣密度，kg·m-3；

v—出口風速，m·s-1；

ζ—局部阻力系數；

靜電彌霧發生部分以蓄電池為電源，選用50～100 kV的高壓靜電為靜電系統工作電壓，為了防止因高壓靜電發生器出現不良情況，每個噴頭單獨配有一個高壓靜電發生器。靜電系統通過開關控制電磁閥和靜電發生器工作。噴霧作業時需閉合靜電發生器控制開關、中間噴霧控制開關和左或右噴霧控制開關，從而實現分段、獨立噴霧，防止農藥的浪費[3]。

3 流量控制

靜電彌霧系統的流量采用變量控制，流量控制系統應用脈寬調制技術，通過控制液泵的輸入功率改變噴灑管道壓力從而控制流量。同時，采用Abaqus有限元分析軟件對多旋翼植保無人機變量噴灑系統的關鍵受力部件進行線性靜力分析，確保流量控制系統結構穩定。

硬件方面采用STC15F104W單片機作為控制核心，通過控制液泵電機轉速實現控制噴灑流量。水泵使用無刷隔膜液泵，該系統由控制核心、液泵驅動電路及 UBEC這 3 部分組成。控制核心接收到接收機發出的控制信號后，將接收到的信號轉換為 PWM 信號發送至液泵驅動電路，最終控制液泵電機輸出功率，實現變量控制流量的功能。UBEC為無刷電機的電源控制電路，主要用于將鋰電池提供的高壓直流電源轉換為單片機和接收機可以使用的低壓直流電源[4]。系統框圖如圖3所示。

圖3 變量噴灑系統框圖

軟件方面，系統通過讀取上位機輸出的PWM信號并進行信號判斷，當輸入脈寬等于 1 ms 時，即控制端搖桿處于最低位時，變量噴灑控制系統開啟; 否則，系統將重新進入輸入信號判斷。

由電路原理知，在控制端油門大于10%時所輸出的電壓才足以使水泵啟動。因此，在變量控制系統開啟之后，當輸入脈寬大于1.1 ms(即控制端油門大于10%)時，根據輸入信號計算出對應輸出PWM并循環該步驟;否則，重新進入輸入信號判斷步驟。

4 仿形風送

通過數字波束形成技術，實時采集果樹的三維深度信息，并對噴口的流量進行實時調整，達到仿形彌霧的效果。系統通過數字成像雷達進行點云成像，并根據點云圖擬合出果樹冠層圖像模型，根據模型進行取點測距。信號轉換電路將數字電路計算出的信號轉換為微控制器可識別的模擬信號，單片機對信號進行判斷與加權后根據實際情況打開或關閉電磁閥，調節水泵驅動信號，噴頭組件開始噴霧并根據深度信息實時調節流量。仿形彌霧系統解決了液滴漂移等復雜問題，實現了果園植保技術一體化革新。

5 可切換式輪履復合結構

本機采用伸縮式輪履可切換式行走結構，使彌霧機器人可適應果園內復雜的地形結構(圖4)。輪履復合結構的切換由驅動液壓油缸實現。在機器人主體與輪式機構的連接架兩側布置兩個液壓油缸，分別驅動伸縮式輪式行走機構的收起離地和下放接地。經計算，使用液壓油缸作為切換動力的液壓系統的工作壓力應大于25 MPa。在平地行駛中輪式機構工作下置時履帶最小離地高度達到越野車輛中等越野能力水平(≥185 mm), 液壓油缸與水平面夾角θ=17.5°。輪履切換系統既可以由操作者根據果園路面手動控制切換，也可以由果園仿形彌霧機器人根據視覺識別系統與壓力傳感器識別路面情況，傳至中央總控制模塊，由控制模塊輸出電平控制自行切換。

圖4 整車結構示意圖

全車車輪部分選用大功率輪轂電機為驅動力。由于整機重量在藥液滿載時大于 60 kg故選擇了單個功率為0.5 kW的伺服輪轂電機如圖5所示。其額定電壓為24 V，電機最大橫向尺寸為 119.1 mm。動力電池組包括8個電池包，兩個一組并配有懸掛，布置于施藥機器人儲藥箱下方電池倉。

圖5 輪轂電機及懸架部分

6 結論

通過數字成像雷達獲取實時作業果樹的深度圖像信息，并根據當前行進速度調節藥液流量，所搭載的靜電彌霧系統將藥液霧化成100 μm左右的霧滴，通過靜電吸附防漂移實現分段、獨立彌霧的多種作業模式。仿形彌霧計算系統通過數字成像雷達獲得的果樹冠層厚度的深度信息，實時調節各噴嘴流量實現變量噴撒大大提升了作業效果，有效提升了霧滴的附著率，防止霧滴的飄移，實現了果園植保一體化革新，具有極強的推廣價值。

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