温室轨道施药机器人系统设计

1 系统设计

1． 1 施药系统
施药系统分为风筒升降部分与药液供给部分。整个组件由宽1m、高2m 的脚架固定于移动搭载平台表面。风筒升降部分中，风筒由升降电机牵动沿升降导轨上下运动，风筒由最高转速为 1 400r/min 的风机驱动，出风口最大风速可达7．3m/s。药液供给部分是由排水量为5．5L/min 的12V 直流高压药液泵为整个施药系统提供强劲稳定的压力。控制系统可通过改变固态继电器的导通与截止时间比来控制电磁阀的开闭，从而实现对环形喷头流量的精确控制。为了确保电磁阀调节流量过程中药液泵的压力恒定，防止水泵因压力过大而损坏内部电机，在药液泵与电磁阀间接入溢流阀; 当电磁阀开口较小，管中水压变大时，可使管中多余的药液经由溢流阀回流到药桶中。环形喷头是4 个圆锥型喷头相隔 90°分布于风筒表面的 4 个角。作业时，PLC 的输出端控制升降电机正反转拉动风筒上下循环移动，同时固态继电器控制电磁阀开启，药液经药液泵泵取到达喷头处成为雾状药液，风筒出风将药液送到指定施药位置，从而达到风送施药的目的。

1.2控制系统
控制系统由 PLC 控制器、显控触摸屏控制模块、继电器控制模块、电磁阀固态继电器控制模块及风机调速模块组成。PLC 控制器选用的是三菱 FX1n －14MT，其 Y0、Y1 两个点可输出 0 ～ 100kHz 的脉冲。机器人前端的1 对光电探测传感器输出的标准开关信号可不经过数模转换直接被 PLC 的 X0、X1 口所采集，PLC 的输出端口亦可直接驱动继电器控制模块。继电器控制模块的输入输出采用的光耦隔离可对模块的输入端起到良好的保护作用，通过继电器模块输出端的开闭来控制升降电机的正反转，风机及药液泵的开闭。PLC 的 PWM 输出模块通过 Y0 端口输出可变占空比的 PWM 波来控制固态继电器的通断，实现对电磁阀开闭频率的改变，进而对环形喷头的流量实现精确调节。风机调速模块采用的是无极调速原理，通过控制晶闸管的导通角来改变加载到风机的电压，从而达到调节转速的目的。
触摸屏控制模块使用的显控 SA －7A 触摸屏面板通过422 串口线与 PLC 实现通信。将触摸屏界面虚拟按键的位地址设置为与 PLC 内部程序软元件的地址一致，即可通过触摸屏来控制 PLC 的动作，操作者通过触摸屏输入指令，显示信息进行人机交互，触摸屏界面控制程序在 Sam － Draw4． 0 环境下编写。整个控制系统由12V 开关电源供电，可以确保工作电压的稳定与安全。

2 软件设计

软件设计主要是基于三菱 PLC 内部的程序设计流程，在三菱编程软件GX Developer 环境下，使用梯形图语言编写程序。PLC 的接口输入输出分配如表1 所示，系统软件流程如图 4 所示。机器人在启动时，有自动和手动两种工作模式可选择，若选择自动模式，机器人即进入自主识别喷药状态。机器人前端红外探测传感器开始工作，若两个探测传感器均有信号输入，机器人尚未到达指定空行施药位置，机器人继续向前探索; 当探测传感器输入信号均消失，则机器人判定已到达指定空行作业位置。此时，脚架上方升降电机开始工作，拉动风筒上下移动，同时药液泵电磁阀开启，药液经由药液泵到达喷头处开始施药工作;在升降电机完成一次升降操作后，施药作业完成，机器人则按照程序设定继续向前探索，按照之前所述重复完成施药作业。若选择手动施药模式，则机器人在人为操控状态下进行施药操作，操作者可以自由设置机器人施药位置、风筒施药高度、出风速度和电磁阀流量等各种参数，从而达到更为精确的施药效果。



3 施药实验

3． 1 流量的测定
机器人的施药实验在施药实验室进行。机器人工作时，在不同 PWM 占空比条件下对环形喷头30s 内3 施药实验3． 1 流量的测定机器人的施药实验在施药实验室进行。机器人工作时，在不同 PWM 占空比条件下对环形喷头30s 的药液流量进行测定，测定结果如表2 所示。


3． 2 药液沉积量的测定
在模拟温室施药环境下，使用雾滴沉积采集装置来模拟施药作业时的作物行，装置长 4m、高 2m、宽1m，在装置里放置 5 列滤纸，每列相隔 40cm，对轨道施药机器人在一定风速情况下的雾滴沉积分布进行测定，如表3 所示，绘制成拟合图如图6 所示。实验装置采集点布置的示意图如图7 所示。为了测量雾滴沉积量，用配有示踪剂诺丹明的蒸馏水代替药液，每50mL 诺丹明原液配 10L 蒸馏水; 采样滤纸能迅速吸收该溶液，通过清洗滤纸可获得该溶液，使用农药喷施测定系统精确测量出滤纸上的示踪剂的含量，可计算出相应位置的药液沉积量，从而可以描绘出系统雾滴沉积量的分布。



3． 3 药液沉积量与 PWM 占空比的关系
在相同风速不同占空比的情况下，测定距机器人240cm 处的雾滴沉积量。测定结果如表 4 所示绘制成图8 所示。


4 结论
1) 通过上述实验可以看出: 轨道施药机器人系统在进行风送施药作业时，施药距离每增加 40cm，药液的沉积量相对地减少 5 ～22g，平均减少量为 13g。通过分析不同位置药液沉积量的拟合曲线可知: 施药机器人药液沉积分布呈抛物线状。
2) 经过分析表 2 和表 4 的数据可知: 不同 PWM占空比下对应的喷头流量与指定位置的药液沉积量，占空比每增加10%，喷头流量平均增加58g，药液沉积量增加9． 5g。通过控制 PWM 占空比来调节喷头流量，可进行精准施药作业，提高温室施药作业的效率与农药利用率。
3) 通过调节占空比控制流量，避免了使用价格昂贵的流量传感器，且流量传感器误差也较大 ，可有效降低温室作业成本，适合在农村推广。
参考文献（略）