徐浩成，張燕軍，徐 勇，謝 思，張善文，繆 宏

（揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

0 引 言

發(fā)達(dá)國(guó)家的農(nóng)業(yè)施藥機(jī)械發(fā)展起步較早，機(jī)械化、自動(dòng)化程度較高，現(xiàn)已基本實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)施藥機(jī)械產(chǎn)品的市場(chǎng)化和系列化。歐美等國(guó)開發(fā)了很多大型的植保裝備，如用于溫室大棚的軌道式噴霧機(jī)，該噴霧機(jī)由計(jì)算機(jī)控制，自動(dòng)化程度與工作效率都非常高[[]]。日本團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種電磁誘導(dǎo)式噴霧機(jī)，將電磁傳感器檢測(cè)到的磁場(chǎng)強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換成噴霧機(jī)與誘導(dǎo)線的相對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)了噴霧機(jī)的轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)，減輕了工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度、保障了作業(yè)人員的人身安全。

我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備發(fā)展的比較晚，智能化水平相對(duì)較低，現(xiàn)有的施藥設(shè)備大部分采用人工駕駛，少數(shù)智能控制行走的設(shè)備，還處于試驗(yàn)階段。李良等針對(duì)溫室環(huán)境下人工施藥效率不足，且容易中毒的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)開發(fā)了溫室軌道施藥機(jī)器人系統(tǒng)。系統(tǒng)采用PLC 作為控制核心，控制移動(dòng)搭載平臺(tái)、電機(jī)、電磁閥及藥液泵等各個(gè)部分，通過調(diào)控PWM 波占空比實(shí)施變量施藥作業(yè)，從而達(dá)到溫室自動(dòng)化精準(zhǔn)施藥的目的[1]。

本文針對(duì)自動(dòng)化程度低、農(nóng)藥浪費(fèi)嚴(yán)重造成環(huán)境污染、操作人員易中毒問題，基于對(duì)履帶式車輛自動(dòng)控制原理、導(dǎo)航技術(shù)、智能施藥技術(shù)、圖像識(shí)別技術(shù)以及云端遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)研究運(yùn)用，通過對(duì)溫室內(nèi)施藥作業(yè)環(huán)境進(jìn)行分析，結(jié)合履帶式車輛適合于松軟、泥濘等復(fù)雜環(huán)境作業(yè)，且下陷度小、滾動(dòng)阻力小、越野機(jī)動(dòng)性高等優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)建溫室智能施藥車控制系統(tǒng)，為設(shè)施農(nóng)業(yè)中智能化施藥作業(yè)提供了技術(shù)和裝備支撐。

1 施藥環(huán)境分析

1.1 溫室環(huán)境結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，溫室框架結(jié)構(gòu)主要由基礎(chǔ)、立柱、拱桿、天溝、門、頂部手動(dòng)開窗等組成，另外現(xiàn)代化溫室還配置：外遮陽系統(tǒng)、內(nèi)保溫遮蔭系統(tǒng)、噴灌系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、補(bǔ)光/補(bǔ)氣系統(tǒng)、降溫/加溫設(shè)備、配電系統(tǒng)、循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)等。

1.2 溫室黃瓜生長(zhǎng)特性分析

溫室大棚中一般都選擇經(jīng)濟(jì)效益高的經(jīng)濟(jì)作物來種植，以黃瓜為例，黃瓜作為我國(guó)居民食用的主要蔬菜之一，冬春季節(jié)溫室大棚黃瓜種植具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。由于連棟溫室黃瓜生產(chǎn)面積大、生長(zhǎng)時(shí)間長(zhǎng)、連作較多，經(jīng)歷不同季節(jié)的氣候條件，容易發(fā)生病蟲害[2]。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)黃瓜葉片主要集中在距離地面35～180 cm 的高度范圍，按照植株高度將溫室黃瓜植株空間分層為：上部、中部、下部（如圖2 所示）。

2 溫室智能施藥車的設(shè)計(jì)

2.1 履帶式智能施藥車總體設(shè)計(jì)

履帶式智能施藥車應(yīng)具有以下的功能要求：（1）履帶式移動(dòng)底盤作為智能施藥車的行走機(jī)構(gòu)，保證施藥車能夠適應(yīng)溫室環(huán)境且具備一定的越障能力，施藥車具備一定的承載能力。（2）采用磁導(dǎo)航為施藥車的導(dǎo)引方式，并結(jié)合運(yùn)動(dòng)控制策略完成在預(yù)設(shè)路徑施藥作業(yè)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)具備自動(dòng)糾偏功能，保證智能施藥車不會(huì)偏離預(yù)定路線[3]。（3）運(yùn)用圖像識(shí)別技術(shù)感知作業(yè)區(qū)域，結(jié)合噴灑施藥機(jī)構(gòu)完成自主識(shí)別施藥工作。（4）建立云端監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)顯示溫室環(huán)境數(shù)據(jù)及施藥車運(yùn)行狀況參數(shù)，相關(guān)數(shù)據(jù)為施藥車后續(xù)優(yōu)化、自主決策等方面提供大數(shù)據(jù)分析。（5）在安全保障方面，智能施藥車應(yīng)具有非接觸式避障功能、急停功能；能夠?qū)崟r(shí)顯示當(dāng)前的電量，具備電路過載保護(hù)能力[4]。

根據(jù)功能及需求，履帶式智能施藥車的總體結(jié)構(gòu)包括機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)（如圖3 所示），其機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包含履帶式底盤和施藥機(jī)構(gòu)，其控制系統(tǒng)主要包括運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、智能施藥系統(tǒng)、云監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、安全報(bào)警模塊和電源管理模塊等。

2.2 履帶式智能施藥車樣機(jī)模型

確定整車設(shè)計(jì)方案后，通過研究以及對(duì)履帶式底盤的關(guān)鍵部件參數(shù)計(jì)算，最終完成履帶式智能施藥車樣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為樣機(jī)的加工制作提供了主要設(shè)計(jì)依據(jù)，其三維模型如圖4 所示。

2.3 智能施藥車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的履帶式智能施藥車是能夠在溫室植株行間實(shí)現(xiàn)自主施藥作業(yè)的智能行走作業(yè)裝備，根據(jù)需求分析，智能施藥車控制系統(tǒng)主要由硬件部分和軟件部分組成。硬件部分采用模塊化設(shè)計(jì)思路，本文設(shè)計(jì)的智能施藥車的控制系統(tǒng)硬件主要包括：主控制器模塊、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、智能施藥系統(tǒng)、云監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、安全報(bào)警模塊、電源管理模塊等。智能施藥車控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成簡(jiǎn)圖如圖5 所示。

主控制器通過串口實(shí)現(xiàn)磁導(dǎo)航信號(hào)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，并根據(jù)導(dǎo)航信號(hào)通過模糊PID 算法實(shí)時(shí)調(diào)整左、右驅(qū)動(dòng)電機(jī)的PWM 信號(hào)進(jìn)而控制左、右驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)智能施藥車對(duì)既定航線的運(yùn)動(dòng)控制，同時(shí)將各傳感器檢測(cè)到的溫室環(huán)境數(shù)據(jù)和施藥車運(yùn)行狀況數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通信模塊發(fā)送到云平臺(tái)；Pixy 模塊將識(shí)別到的作業(yè)區(qū)域信息發(fā)送給施藥控制器，控制器再發(fā)出施藥指令；通過超聲波傳感器和報(bào)警裝置組成的安全報(bào)警模塊，保障智能施藥車在前進(jìn)路徑上遇到障礙物時(shí)能夠自動(dòng)停車、停止施藥并發(fā)出警報(bào)。

3 結(jié) 語

本文研發(fā)的溫室智能施藥車可以根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)所收集的環(huán)境和作物信息，可實(shí)現(xiàn)非接觸式自主施藥，解決自動(dòng)化程度低、農(nóng)藥浪費(fèi)嚴(yán)重造成環(huán)境污染、操作人員易中毒問題，為設(shè)施農(nóng)業(yè)中智能化施藥作業(yè)提供了技術(shù)和裝備支撐，通過面向設(shè)施農(nóng)業(yè)的履帶式智能施藥車開發(fā)研究具有現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。