馬偉+高春華+蔡吉晨+程湞湞+程一帆

背景

溫室管理過程中噴藥是非常重要的環(huán)節(jié)。噴藥能有效的防止溫室內(nèi)作物病害大面積蔓延，同時阻斷病害的交互感染。但高效噴藥作業(yè)是設(shè)施栽培的一個難題。果菜和葉菜相比果實膨大周期長、株高大，果實按照高度分層，對噴藥的要求更高。研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)藥噴灑利用率低是因為藥液沒有有效噴施在靶標植株葉片上，無靶標噴施造成靶標外大量農(nóng)藥沉積是引發(fā)農(nóng)藥殘留的主要原因之一[1]，對靶標的探測識別是提高藥效的重要途徑，當(dāng)前研究有超聲靶標探測[1]和紅外靶標探測[2]用于噴藥，取得較好的省藥效果，但果菜靶標探測的報道卻不多。

原理

通過在彌霧機運行軌道上安裝磁鐵，利用霍爾傳感器機構(gòu)采集對應(yīng)位置信號，獲得行進過程中果菜壟的具體位置，利用控制器計算得出作業(yè)區(qū)間，發(fā)出控制信號給噴藥機構(gòu)，實現(xiàn)噴灑作業(yè)。

總體設(shè)計

果菜噴藥靶標探測器的設(shè)計遵循簡約穩(wěn)定的技術(shù)思路，重點優(yōu)化解決溫室濕熱的環(huán)境影響，單獨設(shè)計2組接口電路，包括輸入轉(zhuǎn)換接口和驅(qū)動電路接口，消除干擾和溫度補償。輸入轉(zhuǎn)換接口主要采集霍爾傳感器信號和速度傳感器信號，進行信號糾錯檢驗后發(fā)送給單片機，獲得當(dāng)前噴霧機的位置信息。驅(qū)動電路接口用來將控制信號從3 V放大到12～24 V，放大后的控制信號用來驅(qū)動外部設(shè)備會更加穩(wěn)定，同時對采集的信號進行響應(yīng)，發(fā)信號給末端執(zhí)行器（圖1）。

傳感器設(shè)計

傳感器采用盤式旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，按照間隔120°角分別布置3組傳感器，盤式旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的轉(zhuǎn)速為0.33 r/s，采集信號分別存放在3個寄存器中進行計算。當(dāng)探測器經(jīng)過角鐵軌道上的磁鐵時，3組傳感器依次采集到信號，解析規(guī)則判斷時，如果發(fā)生數(shù)據(jù)丟包或干擾錯誤，誤差為0.33 s（圖2）。

控制器算法

控制器首先上電進行初始化，然后判斷傳感器的3個采集板是否有電流信號輸出，當(dāng)有信號變化時，控制器立即接收這個磁鐵的信號，并存放起來，然后繼續(xù)讀取相鄰采集板是否有信號輸出，通過3個傳感器的信號確認和解析，最終判斷能否探測到靶標，如果確認靶標后，開始對存儲在數(shù)組的數(shù)值進行運算，目的是計算行進時間以便確認行走距離，然后開始計算當(dāng)前時間和采集板采集信號的時間間隔，用時間段長度來得出彌霧機的當(dāng)前位點，并通過這個時間段長度對應(yīng)的預(yù)設(shè)施藥程序中的唯一位點來讀取當(dāng)前噴藥機的準確噴藥參數(shù)（包括噴藥量、離心風(fēng)機風(fēng)量等）。為了使程序更加適應(yīng)農(nóng)藝要求，可以預(yù)先將作物長勢和行寬參數(shù)進行設(shè)置。由于傳感器設(shè)計的盤式結(jié)構(gòu)特點，每轉(zhuǎn)動1周會有3個間隔時長一致的波動信號，當(dāng)彌霧機掃過作物靶標旁的磁鐵時，會有連續(xù)的信號產(chǎn)生。噴霧機探測的坐標原點設(shè)定為采集板連續(xù)探測磁鐵的信號時第1個霍爾電流信號對應(yīng)的位置。當(dāng)連續(xù)信號結(jié)束時，通過計算第1個信號發(fā)生時刻和當(dāng)前時刻的時間關(guān)系，噴霧機會到達預(yù)設(shè)的位置進行對靶噴藥，當(dāng)達到程序設(shè)定的噴霧量后，控制器驅(qū)動彌霧機往前行走一定距離后，再次停止前進，噴頭擺動機構(gòu)動作，對行的另外一側(cè)作物進行噴霧（圖3）。

試驗及結(jié)果分析

在測試樣機的底部靠近作物一側(cè)固定傳感器，在對應(yīng)的一側(cè)位置固定2 cm長的永磁鐵，直接吸附在軌道上（圖4）。選擇自來水替代農(nóng)藥進行測試。

以3行作物作為靶標噴藥行，選擇第1行的磁鐵位置提前1 m為坐標原點，選擇彌霧機前進方向為X軸正方向，選定作物一側(cè)的距離為Y軸正方向。預(yù)設(shè)噴霧量和前進速度等數(shù)值，進行試驗并重復(fù)3次。實際對靶得出的作業(yè)區(qū)間和作物壟的位置邊緣有一定滯后，通過系統(tǒng)可以進行修正，但計算的作業(yè)位點偏差不大（圖5）。

進行不同靶標距離對靶噴霧的測試（圖6），通過磁鐵標示的信號識別靶標邊緣后，彌霧機在作業(yè)區(qū)間內(nèi)停止前進同時進行噴霧，噴頭擺動機構(gòu)設(shè)定為正前方，噴霧時間設(shè)定為30 s，靶標采樣距離噴嘴6～8 m，噴霧在作物葉片上的沉積量隨距離的增大而減小，但霧滴均勻性沒有隨靶標距離變化而顯著變化。

結(jié)論

本文開發(fā)了一種果菜噴藥靶標探測器，并進行試驗測試。結(jié)論如下：①利用霍爾傳感器機構(gòu)采集對應(yīng)位置磁場信號得到靶標位點，能夠?qū)崿F(xiàn)對靶噴霧。②果菜的柔性非規(guī)則輪廓的靶標探測不準的問題能很好的解決。③不同靶標距離霧滴在水敏紙的沉積測試結(jié)果表明該對靶噴霧有較好的均勻性。

參考文獻

[1] 翟長遠，趙春江，王秀，等.幼樹靶標探測器設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012（02）：18-22.

[2] 李麗，李恒，何雄奎，等.紅外靶標自動探測器的研制及試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012（12）：159-163.

*項目支持：“公益性行業(yè)專項201203025”；果類蔬菜北京市創(chuàng)新團隊項目。