吳志東，潘 迪，馮宇琛，韓承津

(1.齊齊哈爾大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006；2.齊齊哈爾大學(xué)理學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

不同地域和季節(jié)，溫室內(nèi)環(huán)境會(huì)隨之發(fā)生變化，作物灌溉需求量也因此受到影響，不同農(nóng)作物有不同的需水特性、灌溉時(shí)間和灌溉量，這些因素直接影響土壤濕度，進(jìn)而影響農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量[1-3]。溫室節(jié)水灌溉系統(tǒng)研究較多，一般采用多傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)溫室內(nèi)土壤濕度，以ZigBee和WiFi等無線通訊方式實(shí)現(xiàn)CPU、多傳感器檢測(cè)系統(tǒng)和噴灌系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)智能控制[4-6]。文獻(xiàn)[7-10]中采用的模糊控制、綜合決策等方法，可以實(shí)現(xiàn)更加精確地澆灌控制。文獻(xiàn)[11]中設(shè)計(jì)的噴灌系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定點(diǎn)，但是此種定點(diǎn)噴灌系統(tǒng)需預(yù)先埋置水管、噴頭以實(shí)現(xiàn)全區(qū)域噴灌，施工較為復(fù)雜。目前，雖然針對(duì)溫室的智能灌溉系統(tǒng)研究較多，但多數(shù)以研究控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制方法為主，澆灌的形式多為地面噴灌。基于目前溫室澆灌系統(tǒng)的研究成果，本文提出一種適用于溫室環(huán)境的軌道式灌溉系統(tǒng)，采用模糊控制方法，以實(shí)現(xiàn)精細(xì)灌溉，同時(shí)該種澆灌方式不僅可以實(shí)現(xiàn)澆水，也可以實(shí)現(xiàn)噴淋藥液，其功能區(qū)別于地面澆灌方式，對(duì)提高作物產(chǎn)量和質(zhì)量具有重要意義。

1 裝置結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

裝置結(jié)構(gòu)由移動(dòng)式機(jī)械臂和運(yùn)動(dòng)軌道組成。為減小裝置對(duì)溫室內(nèi)農(nóng)作物遮光影響，提升灌溉輻射面積，裝置采用工字型行走軌道，可視為X、Y直角坐標(biāo)系。倒掛式機(jī)械臂噴灌機(jī)構(gòu)可在工字型沿X、Y方向行走，軌道運(yùn)動(dòng)方式為直線型運(yùn)動(dòng)；采用往復(fù)運(yùn)動(dòng)滾子鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，將鏈條展開拉直固定在支撐梁上，鏈輪裝配在移動(dòng)的橫梁上，鏈輪與鏈條相互嚙合，在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，可精確控制運(yùn)動(dòng)位置。裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量較輕，不需要大型軌道結(jié)構(gòu)，以免遮光。整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)由四根立柱架起，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)鏈輪在鏈上運(yùn)動(dòng)，從而使橫向?qū)к壴诨壣闲凶撸?qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)鏈輪在鏈上運(yùn)動(dòng)，從而使機(jī)械臂在滑軌上行走，完成倒掛式機(jī)械臂噴灌機(jī)構(gòu)在直角坐標(biāo)下任意位置定位，定位后即可根據(jù)土壤濕度實(shí)際情況進(jìn)行灌溉動(dòng)作。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)圖

倒掛式機(jī)械臂噴灌機(jī)構(gòu)具有3自由度，分別為：繞末端Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)、沿Y軸平動(dòng)以及沿X軸平動(dòng)，3個(gè)自由度采用3個(gè)步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速器傳動(dòng)，各個(gè)自由度保持運(yùn)動(dòng)的相互獨(dú)立性，互不干涉，用以完成澆灌時(shí)伸縮和旋轉(zhuǎn)的操作功能。該機(jī)構(gòu)主要包括大臂、小臂、旋轉(zhuǎn)底座3個(gè)部分，底座的旋轉(zhuǎn)中心與噴頭的旋轉(zhuǎn)中心在同一直線上，所以大臂和小臂長(zhǎng)度必須相等用以實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的澆灌，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和三維結(jié)構(gòu)分別如圖2(a)和2(b)所示，參數(shù)如表1所示。機(jī)座可進(jìn)行 360°轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手各個(gè)方向的噴灌動(dòng)作；大臂可完成0°～180°俯仰運(yùn)動(dòng)；小臂可完成0°～180°俯仰運(yùn)動(dòng)，小臂端部為噴頭固定端，可以實(shí)現(xiàn)固定不同種類噴頭。

表1 主要參數(shù)

圖2 倒掛式機(jī)械臂噴灌結(jié)構(gòu)

1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，如圖3所示，主要由傳感器檢測(cè)模塊、無線通訊模塊、控制處理模塊以及驅(qū)動(dòng)模塊組成。土壤濕度采用YL-69型傳感器實(shí)時(shí)采集土壤濕度， 根據(jù)“勢(shì)函數(shù)”方法對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行布置；運(yùn)動(dòng)軌跡檢測(cè)模塊由多個(gè)紅外測(cè)距接近傳感器組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)式機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡判定；控制處理模塊以STM32芯片為核心，實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)、控制機(jī)械臂移動(dòng)以及控制澆水量，協(xié)調(diào)各模塊之間工作；驅(qū)動(dòng)模塊主要包括繼電器驅(qū)動(dòng)電磁閥模塊和L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊；通過計(jì)算，底座電機(jī)轉(zhuǎn)矩約為 ，故選用86BYG250CN型號(hào)步進(jìn)電機(jī)。

圖3 控制系統(tǒng)原理框圖

本文所設(shè)計(jì)裝置核心部分為前端土壤濕度采集和后端澆灌裝置運(yùn)動(dòng)精確控制，從而實(shí)現(xiàn)精細(xì)噴灌目的。

2 土壤濕度采集方法

現(xiàn)階段土壤濕度傳感器節(jié)點(diǎn)多依靠人工經(jīng)驗(yàn)布置，數(shù)據(jù)采集誤差較大[12]，因此不能夠滿足本文高精度灌溉決策要求。為克服以上問題，本文提出一種傳感器在空間區(qū)域有效布點(diǎn)的方法，基于勢(shì)函數(shù)和電勢(shì)場(chǎng)理論，可將傳感器節(jié)點(diǎn)視為“帶電荷粒子”。借鑒電荷勢(shì)函數(shù)的相關(guān)理論，即“假設(shè)在一個(gè)正方形平面區(qū)域內(nèi)，存在若干個(gè)帶等量電荷粒子，并相互排斥，所以在該平面區(qū)域內(nèi)粒子會(huì)達(dá)到一定平衡狀態(tài)”，當(dāng)勢(shì)函數(shù)值取得極小值時(shí)則各粒子達(dá)到平衡狀態(tài)[13]。在運(yùn)動(dòng)學(xué)中勢(shì)函數(shù)常用于防碰撞控制中，速度和距離均是重點(diǎn)考慮對(duì)象[14,15]。用于土壤濕度采集的傳感器節(jié)點(diǎn)為非運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，故計(jì)算過程中僅考慮距離即可。根據(jù)該理論，節(jié)水灌溉實(shí)施過程中可以將溫室視作n個(gè)正方形模塊組合而成，各模塊內(nèi)檢測(cè)土壤濕度的所有傳感器節(jié)點(diǎn)xi構(gòu)成一個(gè)集合S，而傳感器節(jié)點(diǎn)視作“帶電荷粒子”，其電量為qi(可用傳感器感知范圍表示“粒子帶電量”)，用傳感器節(jié)點(diǎn)xi勢(shì)函數(shù)值大小度量節(jié)點(diǎn)布置是否到達(dá)均勻性。傳感器節(jié)點(diǎn)xi到 (1≤i≤n,j≠i,1≤i≤m)的距離為|xj-xi|，則點(diǎn)xi與xj相互作用勢(shì)函數(shù)u為：

(1)

點(diǎn)xi與集合S中其他節(jié)點(diǎn)相互作用勢(shì)函數(shù)ui，s為[16]：

(2)

若采用的傳感器為同一類型，則可認(rèn)為qi=qj，則：

(3)

勢(shì)函數(shù)取得極小值條件為[17,18]：

(4)

根據(jù)人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行傳感器布點(diǎn)分布比較隨機(jī)，如圖4(a)所示，布置傳感器節(jié)點(diǎn)較多，數(shù)據(jù)采集范圍有交疊。勢(shì)函數(shù)值度量了傳感器節(jié)點(diǎn)是否均勻的程度，根據(jù)文獻(xiàn)[19]中所述，可認(rèn)為任一節(jié)點(diǎn)受集合內(nèi)所有點(diǎn)作用力的矢量和為零時(shí)，勢(shì)函數(shù)為最小值，布點(diǎn)達(dá)到均勻。

圖4 均勻布點(diǎn)前后對(duì)比

根據(jù)勢(shì)函數(shù)值大小需要調(diào)整每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在平面中的位置，沿著使勢(shì)函數(shù)值減小的方向移動(dòng)某傳感器節(jié)點(diǎn)，使該節(jié)點(diǎn)在平面內(nèi)勢(shì)函數(shù)值最小，重復(fù)此過程，最終可使平面內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的勢(shì)函數(shù)值處于最小。但當(dāng)勢(shì)函數(shù)最小時(shí)，傳感器對(duì)數(shù)據(jù)采集不能達(dá)到最大面積的覆蓋，綜合考慮，取各節(jié)點(diǎn)勢(shì)函數(shù)相等時(shí)，可實(shí)現(xiàn)均衡狀態(tài)即傳感器節(jié)點(diǎn)的布置達(dá)到最優(yōu)狀態(tài),如圖4(b)所示, 其中，xi(i=1,2,…,n)分別表示傳感器節(jié)點(diǎn)，白色區(qū)域表示傳感器可采集數(shù)據(jù)范圍 ，此均勻性布點(diǎn)并不是土壤面積的全區(qū)域覆蓋，而是土壤濕度數(shù)據(jù)的全區(qū)域覆蓋。

通過以上分析可知，傳感器數(shù)據(jù)采集范圍是影響均勻布點(diǎn)的主要因素。本文研究以YL-69型土壤濕度采集傳感器為例，通過實(shí)驗(yàn)可知當(dāng)傳感器埋置在45 cm深處，對(duì)中心點(diǎn)單點(diǎn)澆灌，當(dāng)中心點(diǎn)濕度達(dá)到100%時(shí)(土壤水分飽和)即已達(dá)到傳感器采集數(shù)據(jù)的上限值，其對(duì)土壤濕度的采集范圍為60 cm。

對(duì)傳感器采集范圍進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，以傳感器節(jié)點(diǎn)i為中心，在平面S上任何一點(diǎn)采集的土壤濕度值可表示為：

(5)

式中：r為距中心節(jié)點(diǎn)距離；Q為中心處澆水量；當(dāng)傳感器類型固定，埋設(shè)深度固定，k值為常數(shù)。

而點(diǎn)電荷i所在在平面S上任何一點(diǎn)的電勢(shì)可表示為：

(6)

傳感器檢測(cè)所在平面上任一點(diǎn)土壤濕度與點(diǎn)電荷所在平面任一點(diǎn)電勢(shì)基本性質(zhì)相似，根據(jù)對(duì)偶性，可用公式(6)代替公式(5)。若將n個(gè)傳感器所在的平面視為一個(gè)集合S，那么，平面內(nèi)任一節(jié)點(diǎn)xi與集中其他節(jié)點(diǎn)的相互作用勢(shì)函數(shù)可用公式(3)表示，從而得出最優(yōu)傳感器布點(diǎn)結(jié)果。均勻性布點(diǎn)可以更加精確采集土壤濕度，也可以得到區(qū)域內(nèi)任一點(diǎn)土壤濕度值，為精確控制澆灌時(shí)間提供數(shù)據(jù)支持。

3 土壤濕度模糊控制

為精確控制澆灌時(shí)間，進(jìn)而控制澆灌量，土壤濕度采用模糊方法控制。選擇土壤濕度偏差E以及偏差變化率ΔE為系統(tǒng)輸入量，電磁閥開啟時(shí)間U為輸出量。設(shè)置土壤濕度傳感器采樣周期為2 s，一個(gè)周期內(nèi)土壤濕度在10%以內(nèi)變化，模擬實(shí)驗(yàn)過程中，由裝置單點(diǎn)澆灌，土壤最低濕度值達(dá)到50%所需時(shí)間為40 s，土壤濕度偏差E基本論域范圍為[-8%，8%]，△E基本論域范圍[-12%，12%]，輸出控制量U基本論域?yàn)閇0，40 s]。土壤濕度偏差E和偏差變化率△E模糊語言描述為：NB(負(fù)大)、NS(負(fù)小)、O(0)、PB(正小)、PS(正大)。O表示當(dāng)前土壤濕度處于土壤濕度50%范圍內(nèi)；NB、NS分別表示土壤濕度值小于50%的程度逐漸減弱(NB：缺水較為嚴(yán)重)；PB、PS分別表示土壤濕度值高于50%的程度逐漸增強(qiáng)(PS：水分含量過大)?？刂齐姶砰y開啟時(shí)間變量U用五個(gè)模糊語言描述為：O(關(guān)閉電磁閥)、PS(短時(shí)間打開電磁閥)、PM(中等時(shí)間開啟電磁閥)、PB(長(zhǎng)時(shí)間開啟電磁閥)、PB+(很長(zhǎng)時(shí)間開啟電磁閥)。從O到PS+表示滴灌電磁閥開啟時(shí)間逐漸加長(zhǎng)，表2為模糊論域與基本論域關(guān)系。

表2 輸入輸出關(guān)系

土壤濕度控制中輸入輸出變量都具有線性關(guān)系，輸入輸出變量均采用三角形隸屬函數(shù)，使其均勻分布在模糊集合中。土壤濕度模糊控制器的偏差E、偏差變化率ΔE與控制電磁開啟時(shí)間U的隸屬函數(shù)分別定義如圖5-7所示。

將模糊控制理論與人工專家經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，在土壤含水量偏差大時(shí)，輸出量要盡可能大，盡快消除偏差；土壤濕度偏差較小時(shí)，輸出量要以系統(tǒng)的穩(wěn)定為主，防止輸出量大引起超調(diào)現(xiàn)象。在溫室大棚中，土壤濕度高于所設(shè)置土壤濕度最大值時(shí)無法使電磁閥動(dòng)作，其模糊控制響應(yīng)表如表3所示。

圖5 E隸屬函數(shù)

圖6 ΔE隸屬函數(shù)

圖7 U隸屬函數(shù)

表3 土壤濕度模糊控制

建立模糊規(guī)則，在SIMULINK 環(huán)境下建立模糊控制仿真結(jié)構(gòu)圖，并對(duì)其系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。仿真結(jié)構(gòu)如圖8所示，仿真曲線如圖9所示。通過仿真曲線可以看出，響應(yīng)速度快，小于1 s，超調(diào)量小，控制精度高和定性強(qiáng)。

4 機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)路徑及PI控制

4.1 運(yùn)動(dòng)路徑

倒掛式機(jī)械臂噴灌機(jī)構(gòu)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下在工字型軌道上沿直角坐標(biāo)方向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)路徑如圖10所示?？刂品绞綖殚_關(guān)控制，其主要控制分兩部分：一是行走，機(jī)械臂沿X方向行走，在X方向軌道的等距離處安裝紅外測(cè)距接近傳感器即定位傳感器，當(dāng)機(jī)械臂沿X方向行走到達(dá)定位傳感器處，輸出量由常閉變成常開，此時(shí)機(jī)械臂在X方向停止運(yùn)動(dòng)，重復(fù)以上動(dòng)作，直至運(yùn)動(dòng)到X方向末端；橫向軌道帶動(dòng)機(jī)械臂沿Y方向運(yùn)動(dòng)，直至Y方向定位傳感器處停止，繼續(xù)沿X方向運(yùn)動(dòng)；機(jī)構(gòu)按照以上路徑規(guī)則行走，直至終點(diǎn)。二是定位，機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)過程中主要在X方向進(jìn)行定位，根據(jù)檢測(cè)土壤濕度的傳感器相應(yīng)的位置，在X方向軌道上安裝一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的紅外測(cè)距接近傳感器，當(dāng)傳感器檢測(cè)到預(yù)定濕度時(shí)將信號(hào)輸出給與之對(duì)應(yīng)的開關(guān)量使機(jī)械臂在X方向停止運(yùn)動(dòng)，完成定位，進(jìn)行噴灌。

圖8 模糊控制仿真結(jié)構(gòu)圖

圖9 模糊控制仿真曲線

圖10 機(jī)械臂行走路徑

4.2 PI控制

為配合土壤濕度模糊控制，實(shí)現(xiàn)整體裝置的快速動(dòng)作，采用比例積分方法控制即PI控制，實(shí)現(xiàn)倒掛式機(jī)械臂機(jī)構(gòu)快速響應(yīng)控制指令功能，驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，完成相應(yīng)行走路徑。PI控制基本原理如圖11所示，并利用MATLAB/Simulink對(duì)本文所采用的PI控制器進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖12所示，電機(jī)控制響應(yīng)至穩(wěn)定時(shí)間可控制在1 s以內(nèi)，表明PI控制可以保證驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制響應(yīng)速度快、運(yùn)行穩(wěn)定。

圖11 比例積分調(diào)節(jié)器原理圖

圖12 PI控制仿真結(jié)果

4.3 模型測(cè)試

圖13為裝置整體結(jié)構(gòu)模型，利用土壤濕度檢測(cè)儀器測(cè)得個(gè)采集節(jié)點(diǎn)濕度并校對(duì)土壤濕度傳感器，通過上位機(jī)預(yù)設(shè)各節(jié)點(diǎn)土壤所需濕度。裝置下方為實(shí)驗(yàn)土壤區(qū)域，區(qū)域內(nèi)埋置4個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)上方設(shè)有接近開關(guān)。通電調(diào)試后，機(jī)械臂可按預(yù)設(shè)指令進(jìn)行上下伸展、旋轉(zhuǎn)，無線接收模塊接收數(shù)據(jù)至機(jī)械臂動(dòng)作時(shí)間不到1 s；倒掛式機(jī)械臂可沿橫向、縱向軌道運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)軌跡與預(yù)設(shè)運(yùn)動(dòng)軌跡一致。

圖13 裝置模型

裝置工作過程中，水管半徑尺寸R固定不變，假設(shè)水流速度v也不變，則任一節(jié)點(diǎn)噴灌水量Q由噴灌時(shí)間決定，機(jī)械臂末端在各節(jié)點(diǎn)處停留時(shí)間T即噴灌時(shí)間，Q與T關(guān)系由公式(7)表示。

Q=πR2vT

(7)

以每噴灌30 s土壤濕度變化5%作為量化標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)時(shí)測(cè)得土壤濕度數(shù)據(jù)記作C，任一節(jié)點(diǎn)所需濕度記作A(可設(shè)置)，則T可用公式(8)表示，所得結(jié)果如表4所示，各數(shù)據(jù)取整數(shù)?？芍b置可自動(dòng)完成相應(yīng)動(dòng)作，噴灌時(shí)間滿足作物預(yù)設(shè)所需。

(8)

表4 測(cè)試數(shù)據(jù)

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)一種可沿軌道移動(dòng)的大棚灌溉裝置，設(shè)計(jì)倒掛式機(jī)械臂噴灌結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)澆灌、噴藥兩種功能。提出以“勢(shì)函數(shù)”理論為基礎(chǔ)的傳感器布點(diǎn)方式代替人工經(jīng)驗(yàn)布置，可保證傳感器布點(diǎn)均勻，采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。土壤濕度采用模糊控制方法進(jìn)行調(diào)節(jié)，超調(diào)量小，響應(yīng)速度小于1 s；同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)裝置得快速動(dòng)作響應(yīng)，采用PI控制方法可對(duì)裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，響應(yīng)時(shí)間小于1 s。裝置模型搭建完成，以5%的濕度作為量化數(shù)值，數(shù)據(jù)測(cè)試及分析，可知裝置按軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)并完成噴灌動(dòng)作。