汪小志，吳東明

(1.南昌大學(xué)，南昌 330031；2.焦作師范高等專(zhuān)科學(xué)校，河南 焦作 454000；3.南昌工學(xué)院，南昌 330108)

?

基于微波探測(cè)的植株對(duì)靶精確施藥機(jī)研制

汪小志1,3，吳東明2

(1.南昌大學(xué)，南昌 330031；2.焦作師范高等專(zhuān)科學(xué)校，河南 焦作 454000；3.南昌工學(xué)院，南昌 330108)

為了提高施藥的精度和效率，將微波探測(cè)技術(shù)引入到了精確施藥機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)了一種具有自主定位能力的高精度施藥機(jī)。該裝置通過(guò)微波傳感器獲得植株標(biāo)靶靶向信息和距離信息，通過(guò)速度傳感器獲得機(jī)器人移動(dòng)速度，將兩者綜合處理后，輸出控制信號(hào)，控制電磁閥的啟閉，實(shí)現(xiàn)精確對(duì)靶施藥。為了驗(yàn)證施藥機(jī)的精確施藥效果，采用調(diào)頻連續(xù)三角波微波傳感器，對(duì)同一植株靶，在不同實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)分辨率、探測(cè)范圍與探測(cè)距離進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：以植株作為探測(cè)靶標(biāo)時(shí)，探測(cè)分辨率與植株間距具有相關(guān)性，光照強(qiáng)度、溫度和濕度對(duì)探測(cè)效果的影響不大。微波探測(cè)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力較強(qiáng)，因此可以將微波探測(cè)技術(shù)應(yīng)用到高精度施藥機(jī)的設(shè)計(jì)中，提高施藥機(jī)施藥的精確性和效率。

微波探測(cè)；精確對(duì)靶；噴霧施藥；傳感器；電磁閥

0 引言

病蟲(chóng)害防治是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中非常重要的環(huán)節(jié)，農(nóng)藥的利用率和病蟲(chóng)害的防治效果主要受農(nóng)藥、施藥技術(shù)和作業(yè)機(jī)械影響。目前，我國(guó)農(nóng)藥生產(chǎn)技術(shù)的水平已經(jīng)處于世界領(lǐng)先地位，但施藥器械的研究和施藥技術(shù)依然相對(duì)落后，農(nóng)藥利用率低，對(duì)環(huán)境污染較為嚴(yán)重。從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，我國(guó)對(duì)精確施藥技術(shù)展開(kāi)了研究，進(jìn)入21世紀(jì)后，精確對(duì)靶施藥技術(shù)有了突破性的進(jìn)展。精確對(duì)靶技術(shù)可以有效地對(duì)植株進(jìn)行選擇性施藥，提高農(nóng)藥在植株上的附著，降低農(nóng)藥在非靶區(qū)域的沉降，從而獲得較好的施藥效果，降低成本，減少環(huán)境污染。

目前，精確對(duì)靶定位傳感技術(shù)中使用最多的是紅外線(xiàn)探測(cè)和微波探測(cè)：紅外線(xiàn)探測(cè)對(duì)于植株對(duì)靶受環(huán)境因素影響較大，抗干擾的能力較弱，測(cè)量的距離較短，該技術(shù)的應(yīng)用受到了限制；微波探測(cè)是一種新型的探測(cè)技術(shù)，相對(duì)于紅外線(xiàn)探測(cè)技術(shù)，其抗干擾能力較強(qiáng)，不受熱、噪音、濕度、氣流塵埃等影響，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力較強(qiáng)，且測(cè)距較強(qiáng)。將微波測(cè)距應(yīng)用在施藥對(duì)靶方面的研究并不多，因此微波測(cè)距植株對(duì)靶的研究及對(duì)高精度施藥技術(shù)和施藥器械的設(shè)計(jì)具有重要的意義。

1 微波對(duì)靶探測(cè)施藥機(jī)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的微波對(duì)靶探測(cè)施藥機(jī)共有8部分組成，包括微波傳感模塊、速度傳感模塊、電氣控制模塊、藥箱和藥泵、電磁閥、低藥量噴頭、風(fēng)送機(jī)和動(dòng)力輸出模塊，將這些部分安裝到機(jī)器人移動(dòng)裝置上，便可以設(shè)計(jì)出基于微波探測(cè)的高精度施藥機(jī)，其設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

圖1 微波探測(cè)施藥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖

微波探測(cè)施藥系統(tǒng)分為4部分，包括行駛裝置部分、電氣控制部分、供藥部分和送風(fēng)部分，其電氣控制部分為設(shè)計(jì)的核心。行駛裝置采用自主導(dǎo)航模式的移動(dòng)機(jī)器人，可對(duì)壟行進(jìn)行自主準(zhǔn)確定位；供藥部分由藥泵和藥箱組成；送風(fēng)裝置主要是對(duì)噴出的藥物進(jìn)行霧化，提高施藥效果。電氣控制部分主要是實(shí)現(xiàn)微波對(duì)靶和速度檢測(cè)，通過(guò)微波傳感器獲得植株標(biāo)靶信息，并得到距離信息，通過(guò)速度傳感器獲得機(jī)器人移動(dòng)速度，將兩者傳送給系統(tǒng)處理器；通過(guò)綜合處理后，輸出控制信號(hào)，控制電磁閥的啟閉，實(shí)現(xiàn)精確對(duì)靶施藥。

圖2為微波對(duì)靶的電器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架。硬件控制部分主要分為5個(gè)部分，包括核心控制器、信號(hào)調(diào)節(jié)器、電源模塊、控制輸出模塊和人機(jī)交互模塊。微波探測(cè)器將信號(hào)調(diào)理后，輸入到計(jì)數(shù)器中，通過(guò)單片機(jī)計(jì)算1個(gè)周期內(nèi)的同步信號(hào)，從而得到施藥機(jī)和植株靶的距離；速度信號(hào)也通過(guò)計(jì)數(shù)器和單片機(jī)計(jì)算出來(lái)，綜合兩方面的信息后，發(fā)出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)噴霧的控制。

圖2 微波對(duì)靶探測(cè)電氣控制系統(tǒng)硬件電路框圖

圖3為施藥機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。施藥機(jī)的結(jié)構(gòu)主要為信息獲取、信息處理及末端執(zhí)行3大部分。信息的獲取可以通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)和測(cè)試機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，信息處理主要依靠PC機(jī)上位機(jī)和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，末端執(zhí)行部分由橫移機(jī)構(gòu)及噴施器件構(gòu)成。信息的獲取主要是植株靶的距離和方向信息，兩者在控制上相互獨(dú)立，但是控制的結(jié)果是相關(guān)的。

圖3 施藥機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

2 植株精確對(duì)靶微波探測(cè)原理

植物的精確對(duì)靶采用微波探測(cè)的原理實(shí)現(xiàn)。假設(shè)雷達(dá)發(fā)射的功率是Pt，天線(xiàn)的增益是Gt，則在自由空間進(jìn)行工作時(shí)，在與雷達(dá)天線(xiàn)相距R處的功率密度可以表示為

(1)

當(dāng)目標(biāo)植株被電磁波照射時(shí)會(huì)產(chǎn)生散射回波，散射功率的大小與功率密度S1及植株的特性有關(guān)。假設(shè)目標(biāo)植株的散射截面積σ表示散射特性，目標(biāo)可以將功率無(wú)損耗的輻射出去，可以得到二次輻射功率為

(2)

假設(shè)P2表示均勻輻射，接收天線(xiàn)收到的回波的功率密度為

(3)

假設(shè)接收天線(xiàn)的有效截面積為Ar，則回波功率為

(4)

根據(jù)天線(xiàn)理論，有效面積Ar和天線(xiàn)增益G的關(guān)系為

(5)

其中，λ表示所使用的波長(zhǎng)，于是接收的回波功率可以寫(xiě)成

(6)

(7)

反射功率在經(jīng)過(guò)雙倍的距離路程后，能力衰減較大，當(dāng)Pr與Simin相等時(shí)，微波雷達(dá)才能可靠的發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，其關(guān)系為

(8)

或

(9)

(10)

利用雷達(dá)測(cè)距方程，采用三角波信號(hào)作為微波調(diào)制信號(hào)，反射信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的形狀相同，只是在時(shí)間上有一個(gè)延遲Δt，其計(jì)算的表達(dá)式為

Δt=2R/c

(11)

其中，c表示光速。根據(jù)三角關(guān)系可得

(12)

其中，T表示三角波調(diào)制的周期；ΔF表示調(diào)制帶寬，則目標(biāo)距離R的值為

(13)

由此可以看出：目標(biāo)植株距離R與輸出信號(hào)的頻率為正比。

3 微波探測(cè)植株對(duì)靶精確施藥機(jī)實(shí)驗(yàn)

為了測(cè)試施藥機(jī)微波探測(cè)精確對(duì)靶的效果，本次研究采用中心頻率為10.6GHz的連續(xù)調(diào)頻三角波微波傳感器，對(duì)植株的微波對(duì)靶進(jìn)行了測(cè)試，輸出信號(hào)通過(guò)后接示波器輸出。本次測(cè)試主要針對(duì)植株間距、光照強(qiáng)度、溫度和濕度等參量，對(duì)微波對(duì)靶的影響因素進(jìn)行了深入的分析研究。對(duì)靶實(shí)驗(yàn)的操作如圖4所示。

圖4 對(duì)靶試驗(yàn)操作示意圖

在實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，將探頭固定，y軸為探頭的中心軸線(xiàn)，植株沿著y軸的正方向移動(dòng)，感應(yīng)區(qū)區(qū)間記作(y)，與y軸垂直的直線(xiàn)作為x軸，探頭沿著x軸方向移動(dòng)。

3.1 植株間距對(duì)探測(cè)效果的影響

微波探測(cè)器發(fā)射天線(xiàn)為喇叭口天線(xiàn)，其發(fā)射出的信號(hào)為類(lèi)似立體椎體形狀。由于植株漫發(fā)射存在放大信號(hào)的延遲，因此探測(cè)器探測(cè)到的無(wú)目標(biāo)區(qū)間要比實(shí)際的植株間距要小。假設(shè)微波探測(cè)器的分辨率為δ，實(shí)際的植株間距為d，微波探測(cè)的區(qū)間為d'，則

(14)

對(duì)微波探測(cè)器的移動(dòng)速度進(jìn)行固定，調(diào)節(jié)植株間距分別為30、20、10cm，然后進(jìn)行微波植株對(duì)靶探測(cè)實(shí)驗(yàn)，植株間距分別為2、4、6cm，對(duì)分辨率進(jìn)行計(jì)算，最終得到了如表1所示的結(jié)果。

表1 不同植株間距微波探測(cè)分辨率計(jì)算結(jié)果

Table 1 Calculation results of microwave detection resolution of different plant spacing

由表1可以看出:當(dāng)植株間距降低到一定值時(shí)，探測(cè)器的分辨率降低為0，從而無(wú)法區(qū)分個(gè)體植株，植株間距與分辨率存在正相關(guān)，對(duì)靶植株距離探測(cè)器越高，分辨率越高。

3.2 自然光照強(qiáng)度對(duì)探測(cè)效果的影響

自然光照的強(qiáng)度可以用太陽(yáng)輻射的等級(jí)來(lái)表示，太陽(yáng)輻射等級(jí)可以通過(guò)太陽(yáng)高度角計(jì)算得到，選擇不同的光照強(qiáng)度對(duì)微波對(duì)靶進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)測(cè)試得到了如圖5所示的結(jié)果。

圖5 不同光照條件下微波探測(cè)范圍和距離測(cè)試結(jié)果

圖5中，R1和R2分別表示兩種不同的光照強(qiáng)度。由圖5曲線(xiàn)結(jié)果可以看出：在不同光照條件下，對(duì)于同植株，同一物體在不同光照強(qiáng)度下的探測(cè)效果影響并不明顯。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：光照對(duì)微波探測(cè)的影響不大，施藥機(jī)可以在不同的光照條件下，完成植株的對(duì)靶。

3.3 溫度和濕度對(duì)微波探測(cè)的影響

在自然光照條件下，利用空氣調(diào)節(jié)和加濕的方式，對(duì)室內(nèi)的溫度和濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)，測(cè)試不同溫度和濕度條件下的施藥機(jī)植株對(duì)靶效果，在相同的光照條件下，將溫度分別調(diào)節(jié)為36、26、16℃，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得到了如圖6所示的結(jié)果。

圖6 不同溫度條件下微波探測(cè)范圍和距離測(cè)試結(jié)果

圖6中，t1、t2和t3分別表示3種不同的溫度。由圖6曲線(xiàn)結(jié)果可以看出：在不同溫度條件下，對(duì)于同植株，在相同的光照條件下，不同溫度對(duì)微波探測(cè)的效果影響也不明顯。在相同自然光照強(qiáng)度、相同溫度t條件下，繼續(xù)對(duì)不同高濕度的微波對(duì)靶探測(cè)效果進(jìn)行測(cè)試，將濕度分別設(shè)置90%、70%和50%，通過(guò)計(jì)算得到了如圖7所示的測(cè)試結(jié)果。

圖7 不同濕度條件下微波探測(cè)范圍和距離測(cè)試結(jié)果

圖7中，M1、M2和M3分別表示3種不同的濕度。由圖7曲線(xiàn)結(jié)果可以看出：在不同濕度條件下，對(duì)于同植株，在相同的光照和溫度條件下，不同濕度對(duì)微波探測(cè)的效果影響也不明顯。綜合上述測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)，外部環(huán)境對(duì)施藥機(jī)的微波探測(cè)效果影響不大，從而驗(yàn)證了施藥機(jī)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力較強(qiáng)，對(duì)靶效果較好。

4 結(jié)論

利用微波探測(cè)測(cè)距和定位技術(shù)，采用傳感器和單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種高效的施藥機(jī)。該施藥機(jī)具有自主定位能力，對(duì)環(huán)境能力的適應(yīng)性較強(qiáng)。該裝置通過(guò)微波傳感器可以有效地獲得植株標(biāo)靶靶向信息和距離信息，通過(guò)速度傳感器可以獲得機(jī)器人移動(dòng)速度，將兩者綜合處理后可以決定是否施藥和施藥量。對(duì)施藥機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試使用的調(diào)頻連續(xù)三角波微波傳感器，對(duì)不同實(shí)驗(yàn)條件下分辨率、探測(cè)范圍與探測(cè)距離進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。由測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：外部環(huán)境對(duì)施藥機(jī)的微波探測(cè)效果影響不大，施藥機(jī)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力非常強(qiáng)，可以有效地提高施藥的精度和效率。

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Microwave Detection Plants Based on Target Precision Spraying Machine

Wang Xiaozhi1,3, Wu Dongming2

(1.Nanchang University, Nanchang 330031, China;2.Jiaozuo Teachers College, Jiaozuo 454000, China;3.Nanchang Institute of Science & Technology, Nanchang 330108, China)

With the development of mobile communication technology, array technology has been widely used, and formed the research field of smart antenna, which has adaptive and anti-jamming capability of linear array antenna is a hot research. Based on this, a field with the auto disturbance rejection ability of the field to follow the car control system, and the design of the car's mechanical and transmission structure. The vehicle can be used to control the signal with simple and flexible operation, so as to obtain the ideal spatial directional beam, and make full use of the user's signal, and delete or inhibit the interference signal. Design of experiment of tracing robot prototype, and the design of a linear array of composed of N number of antenna elements, found by testing, car after external interference torque, system of horizontal and vertical channels can still good follow their respective set value, has better robustness, can guarantee in the field of complex environment and signal interference, with high working efficiency and precision.

linear array; follow the car; directional beam; robustness; adaptive; anti jamming

2015-12-04

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(41505015)

汪小志(1981-)，女，武漢人，副教授，博士研究生，(E-mail)fiberhome@126.com。

S491；TN958

A

1003-188X(2017)01-0127-05