朱 顏，崔雅筠

（聊城大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東 聊城 252059）

水果業(yè)的發(fā)展對(duì)促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要意義。噴藥能夠有效防止病蟲(chóng)危害，有利于果樹(shù)的正常生長(zhǎng)。市面上的噴藥機(jī)主要包括背負(fù)式噴藥機(jī)、車載式噴藥機(jī)、牽引式噴藥機(jī)等，這些噴藥機(jī)噴射范圍小、浪費(fèi)人力且不利于噴藥人員的健康，不適合果樹(shù)的高效噴藥。

目前，美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)噴藥機(jī)的研究成果已經(jīng)處于先進(jìn)水平。例如，F(xiàn)aial B S等人通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的研究，改良了無(wú)人機(jī)噴藥路線，加強(qiáng)了無(wú)人噴藥技術(shù)的精確性[1]；Tona E等人通過(guò)經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析，提出了以自主機(jī)器人平臺(tái)提高噴藥精度的思路[2]；Berenstein R等人研究出了可調(diào)整噴嘴角度、根據(jù)識(shí)別目標(biāo)改變噴涂直徑的農(nóng)藥噴灑裝置，減少了農(nóng)藥的浪費(fèi)，提高了噴藥精度[3]。

近年來(lái)，我國(guó)對(duì)農(nóng)業(yè)噴藥機(jī)的研究取得了一定成果。崔龍飛等人通過(guò)建模補(bǔ)償、算法研究，設(shè)計(jì)了有利于地面顛簸時(shí)保持噴藥平穩(wěn)的雙鐘擺被動(dòng)懸架式噴霧機(jī)噴桿[4]；張勇[5]、殷長(zhǎng)昊[6]、張巖[7]等課題組分別對(duì)噴藥裝置的控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，為植保機(jī)器的智能化做出了貢獻(xiàn)；丁在興等人設(shè)計(jì)了一種通過(guò)紅外測(cè)距傳感器定位的適用于林區(qū)苗圃的小型自動(dòng)噴藥機(jī)[8]。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者為加強(qiáng)噴藥機(jī)的智能化、自動(dòng)化，對(duì)噴藥機(jī)的控制系統(tǒng)、噴藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。作者在國(guó)內(nèi)外研究成果的啟發(fā)下，擬設(shè)計(jì)一款基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的可上下移動(dòng)的多噴頭智慧噴藥機(jī)，以適應(yīng)果園作業(yè)的需求。

1 可上下移動(dòng)的多噴頭智慧噴藥機(jī)的總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

可上下移動(dòng)噴藥的多噴頭智慧噴藥機(jī)主要由行走裝置、儲(chǔ)藥裝置、噴藥裝置、電路與控制裝置組成，它的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 可上下移動(dòng)的多噴頭智慧噴藥機(jī)的總體結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

可上下移動(dòng)噴藥的多噴頭智慧噴藥機(jī)的工作原理為：（1）啟動(dòng)電源，發(fā)布指令后，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)行走輪行走；（2）攝像頭負(fù)責(zé)識(shí)別路況、定位目標(biāo)點(diǎn)并將信號(hào)傳給控制系統(tǒng)，定位到目標(biāo)樹(shù)木后，行走輪停止；（3）移動(dòng)裝置帶動(dòng)連接桿勻速上升，以實(shí)現(xiàn)多噴頭自下而上霧化噴射藥物；（4）連接桿運(yùn)動(dòng)到最高限位點(diǎn)后，多噴頭停止噴射藥物；（5）移動(dòng)裝置較快地帶動(dòng)連接桿運(yùn)動(dòng)到最低限位點(diǎn)；（6）若繼續(xù)噴射下一目標(biāo)，則重復(fù)以上命令；若噴射藥物任務(wù)結(jié)束，則回到初始點(diǎn)，停止作業(yè)。

2 可上下移動(dòng)的多噴頭智慧噴藥機(jī)主要裝置的設(shè)計(jì)與分析

2.1 行走裝置的設(shè)計(jì)

可上下移動(dòng)噴藥的多噴頭智慧噴藥機(jī)行走裝置的三維模型如圖2所示，其主要由行走輪、步進(jìn)電機(jī)放置支架、步進(jìn)電機(jī)、承重底板等組成。

行走裝置采用四個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)四個(gè)行走輪完成行走作業(yè)，滿足控制噴藥機(jī)在目標(biāo)點(diǎn)啟停的需求；承重底板作為噴藥機(jī)的主要承重單元，選用了抗壓性能好的合金鋼。

2.2 儲(chǔ)藥裝置的設(shè)計(jì)

可上下移動(dòng)噴藥的多噴頭智慧噴藥機(jī)的儲(chǔ)藥裝置的三維模型如圖3所示，其主要由水泵、儲(chǔ)藥箱、軟水管組成。

塑料包括聚乙烯、聚丙烯等通用塑料，聚酰胺等工程塑料，光敏塑料等功能塑料。聚乙烯材料價(jià)格便宜、材料易得、耐腐蝕性強(qiáng)、緊密性好、使用壽命長(zhǎng)，因此選用聚乙烯為儲(chǔ)藥箱的制作材料。儲(chǔ)藥箱容積為20L，可容納較多的藥液；箱內(nèi)放置有濾網(wǎng)，以避免藥渣進(jìn)入噴藥裝置中。

選用了直徑為16mm具有導(dǎo)水層、防爆層、皮膚層三層結(jié)構(gòu)的軟水管，以增強(qiáng)水管的使用壽命。水管的一端與儲(chǔ)藥裝置的儲(chǔ)藥箱連接，另一端與噴藥裝置連接。

2.3 噴藥裝置的設(shè)計(jì)

可上下移動(dòng)噴藥的多噴頭智慧噴藥機(jī)噴藥裝置的三維模型如圖4所示，其主要由移動(dòng)裝置、噴頭連接桿、噴頭組成，移動(dòng)裝置主要由步進(jìn)電機(jī)和絲杠滑臺(tái)組成。

連接桿連接了絲杠滑臺(tái)和三個(gè)噴頭。在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，多噴頭在絲杠滑臺(tái)、連接桿的帶動(dòng)下可實(shí)現(xiàn)一定高度范圍內(nèi)的上下噴藥。

2.4 電路與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

電路與控制系統(tǒng)包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、穩(wěn)壓系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、藍(lán)牙通訊系統(tǒng)等電路系統(tǒng)。噴藥機(jī)運(yùn)用C語(yǔ)言編寫控制程序?qū)⒊绦驘浫隨TM51單片機(jī)后對(duì)整機(jī)進(jìn)行控制，檢測(cè)系統(tǒng)將提取的圖像信息轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)信息后傳給單片機(jī)最小系統(tǒng)，穩(wěn)壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電壓的穩(wěn)定，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作，藍(lán)牙通訊系統(tǒng)接收通訊信號(hào)[9]。

2.4.1 穩(wěn)壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在降壓電路中，采用LM2596芯片將DC24v電壓降至 DC12v、DC5v、DC3.3v，分別穩(wěn)定傳輸給水泵、攝像頭、單片機(jī)；在升壓電路中，采用MOSFET管半橋驅(qū)動(dòng)電路將DC24v電壓升至DC60v作為步進(jìn)電機(jī)的工作電壓，滿足大功率驅(qū)動(dòng)的要求[10-11]。

2.4.2 檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)自主檢測(cè)道路并規(guī)劃行走路線，增強(qiáng)噴藥目標(biāo)的精確識(shí)別能力，可上下移動(dòng)噴藥的多噴頭智慧噴藥機(jī)采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)的方法提取圖像。

（1）圖像采集：主要包括兩個(gè)高清攝像頭，一個(gè)攝像頭負(fù)責(zé)拍攝前進(jìn)道路的路況，另一個(gè)攝像頭負(fù)責(zé)拍攝目標(biāo)樹(shù)木、定位噴射目標(biāo)。

（2）圖像處理：攝像頭采集到的圖片信息采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（Convolutional Neural Networks，CNN）進(jìn)行處理。

3 可上下移動(dòng)噴藥的多噴頭智慧噴藥機(jī)關(guān)鍵部位的可行性分析

3.1 基于Matlab的振動(dòng)分析

3.1.1 路面模型的搭建

為保證噴藥機(jī)行駛的平順性和噴藥的穩(wěn)定性，運(yùn)用濾波白噪聲法對(duì)路面進(jìn)行路面不平度分析。根據(jù)路面的粗糙程度可將路面分為不同等級(jí)，噴藥機(jī)的作業(yè)環(huán)境為較為平整的土路，因此，按照B級(jí)路面的參數(shù)進(jìn)行路面激勵(lì)分析[12-13]。

路面不平度數(shù)學(xué)模型如式（1）所示：

運(yùn)用Simulink模塊建立路面不平度仿真模型，如圖5所示。

圖5 路面不平度的Simulink模型

路面不平度系數(shù)Gq（n0）在B級(jí)路面的上限為128×10-6m3，下限為32×10-6m3，幾何平均值為64×10-6m3，在計(jì)算Gain（增益）模塊時(shí)，Gq（n0）取64×10-6m3。當(dāng)行駛速度分別為5m/s、15m/s、25m/s時(shí)，Gain 模塊 K1、K2的值，如表1 所示。

表1 增益K1、K2在不同行駛速度下的取值

將Band-Limited White Noise（限寬白噪聲）模塊的Noise power（噪聲功率）的值設(shè)為0.5，從而獲得單邊功率譜；按照表1對(duì)增益模塊進(jìn)行設(shè)置。運(yùn)行Simulink模塊、對(duì)圖像進(jìn)行處理后，不同行駛速度下路面不平度隨時(shí)間的變化如圖6所示。

圖6 路面不平度隨時(shí)間響應(yīng)圖

由圖6可知，行駛速度不同時(shí)對(duì)路面激勵(lì)的振動(dòng)幅度有影響，但路面高度的變化幅度均在±0.04m之間，行駛速度對(duì)路面不平度的影響不明顯。因此，在對(duì)噴藥機(jī)進(jìn)行振動(dòng)分析時(shí)，不考慮行駛速度對(duì)振動(dòng)的影響，選擇5m/s的速度進(jìn)行分析，K1、K2的值分別設(shè)置為 0.014、0.314。

3.1.2 振動(dòng)分析

將噴藥機(jī)簡(jiǎn)化為1/4車身車輪二自由度力學(xué)模型進(jìn)行振動(dòng)分析，簡(jiǎn)化模型圖如圖7所示。

圖7 車身車輪二自由度簡(jiǎn)化模型

根據(jù)圖 7 建立數(shù)學(xué)模型，如式（2）、（3）所示：

式中，m1為噴藥機(jī)車輪的質(zhì)量（kg），k1為噴藥機(jī)車輪的剛度（N/m-1），m2為噴藥機(jī)其余部分質(zhì)量（kg），k2為噴藥機(jī)車身底部懸架的剛度（N/m-1），c為阻尼（N/（m/s）），x1、x2分別為噴藥機(jī)車輪、噴藥機(jī)其余部分的振動(dòng)位移（m），q為路面不平度。

噴藥機(jī)的性能參數(shù)如表2所示。

表2 噴藥機(jī)的性能參數(shù)

運(yùn)用Simulink模塊搭建車身車輪二自由度仿真模型并設(shè)置合適的參數(shù)，如圖8所示。

圖8 車身車輪二自由度Simulink仿真模型

運(yùn)行Simulink模塊、對(duì)圖像進(jìn)行處理后，振動(dòng)位移x1、x2，加速度a1、a2隨時(shí)間變化如圖 9所示。振動(dòng)位移、振動(dòng)加速度為矢量，數(shù)值代表大小，正負(fù)代表方向。

圖9 振動(dòng)位移、加速度響應(yīng)時(shí)間圖

通過(guò)Simulink模型的To Workspace模塊在Matlab的工作空間查看振動(dòng)位移、振動(dòng)機(jī)加速度的具體數(shù)值可知，噴藥機(jī)其余部分的振動(dòng)位移x2的最大值為0.0221m，振動(dòng)加速度a2的最大值為0.1973m/s2；噴藥機(jī)車輪的振動(dòng)位移x1的最大值為0.0207m，振動(dòng)加速度a1的最大值為0.1856m/s2。結(jié)合振動(dòng)位移、振動(dòng)加速度的最大值和圖9可知，噴藥機(jī)的平順性良好，能夠?qū)崿F(xiàn)在果園中穩(wěn)定行走的功能。

3.2 承重底板強(qiáng)度校核

行走裝置部分的承重底板是噴藥機(jī)的承重支撐單元，選用了抗壓性能較好的合金鋼。承重底板的強(qiáng)度對(duì)噴藥機(jī)的穩(wěn)定性具有重要作用，因此，對(duì)其進(jìn)行承重分析，校核其剛度是否滿足需求具有重要意義。

運(yùn)用Solidwoks的Simulation模塊對(duì)承重底板進(jìn)行了剛度校核。在儲(chǔ)藥箱裝配處施加200N豎直向下的載荷，噴藥裝置裝配處施加100N豎直向下的載荷，其von Mises應(yīng)力分布云圖結(jié)果如圖10所示。

圖10 底板von Mises應(yīng)力分布云圖

由圖10可知，承重底板受到的最大應(yīng)力σmax為1.645×103N/m2，合金鋼的屈服力 σ 為 6.204×108N/m2，因?yàn)棣襪ax＜σ，所以底板滿足強(qiáng)度要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

可上下移動(dòng)噴藥的多噴頭智慧噴藥機(jī)克服了傳統(tǒng)噴藥機(jī)的缺陷，采用基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的方法識(shí)別路況、定位目標(biāo)，采用絲杠滑臺(tái)升降的方式完成連接桿帶動(dòng)多噴頭的上下移動(dòng)噴藥。它對(duì)提升果樹(shù)產(chǎn)量、品質(zhì)，減小噴藥人員負(fù)擔(dān)，有極大的幫助。