聶婭鈴

（江蘇師范大學(xué)科文學(xué)院，江蘇 徐州 221000）

隨著我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，果園自動化、智能化管理成為發(fā)展趨勢[1]。其中，果園對靶噴藥機作為一種新型農(nóng)業(yè)機械，以其精準(zhǔn)、高效、環(huán)保的特點，受到了廣泛關(guān)注。本文針對果園對靶噴藥機的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，以期實現(xiàn)對果園病蟲害的精準(zhǔn)防控。

1 PLC的概念及基本原理

PLC 的中央處理器CPU 采用Harvard 架構(gòu)，它將程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器物理分離，分別通過地址總線和數(shù)據(jù)總線相互連接，提高了并行處理能力[2]。PLC 支持各種數(shù)字邏輯運算指令，如AND、OR、XOR、NOT 等邏輯匯編指令，還有定時器和計數(shù)器指令，這些指令通過梯形圖或 ladder diagram編程實現(xiàn)。

PLC 的掃描循環(huán)頻率可以達(dá)到毫秒級，甚至微秒級。輸入濾波技術(shù)可提高抗干擾能力，保證工業(yè)現(xiàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境下的穩(wěn)定運行。PLC 具有豐富的通信接口選擇，如RS232/485 串口、以太網(wǎng)等，支持與各種智能傳感器及執(zhí)行器相連，構(gòu)建自動化系統(tǒng)。PLC亦可通過功能塊，實現(xiàn)PID 控制、速度控制、定位控制等高級功能。支持IEC61131 編程規(guī)范，結(jié)合圖形化編程軟件，降低了自動化應(yīng)用開發(fā)難度。

2 基于PLC的果園對靶噴藥機控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 對靶檢測系統(tǒng)的設(shè)計

對靶檢測系統(tǒng)是果園對靶噴藥機的核心部件，它直接關(guān)系到噴藥的精準(zhǔn)性和效果。本設(shè)計采用機器視覺和激光雷達(dá)相結(jié)合的多傳感器方法[3-4]。機器視覺系統(tǒng)包括工業(yè)相機、圖像處理單元和LED 補光燈。相機的分辨率選擇5 MP，采用全局快門避免圖像扭曲。圖像處理算法先進(jìn)行去噪，然后檢測樹冠區(qū)域的輪廓，通過輪廓擬合提取每個樹冠的中心坐標(biāo)和大小參數(shù)。LED 補光燈按照閃光模式同步工作，可提供穩(wěn)定的照明條件。

激光雷達(dá)系統(tǒng)采用class 1眼安全等級產(chǎn)品，工作頻率為50 Hz，有效探測距離為30 m。它輸出的三維點云經(jīng)過濾波、配準(zhǔn)和分割，提取出每個樹冠區(qū)域。與圖像處理結(jié)果相融合，可準(zhǔn)確獲取每個樹的中心三維坐標(biāo)、高度和寬度參數(shù)。兩套傳感器的視場都覆蓋整個作業(yè)范圍，且有重疊區(qū)域。數(shù)據(jù)融合模塊采用卡爾曼濾波算法，優(yōu)化兩套傳感器數(shù)據(jù)，克服各自的不足，提高檢測精度和魯棒性[5]。以樹冠中心為目標(biāo)，結(jié)合噴嘴配置、前輪編碼器數(shù)據(jù)，即可實時計算并控制每棵樹對應(yīng)的噴嘴組，從而實現(xiàn)精準(zhǔn)對靶施藥。檢測系統(tǒng)還具備動態(tài)跟蹤能力，當(dāng)機器在田間移動或遇風(fēng)干擾時，傳感器也可鎖定并跟蹤每個靶標(biāo)，保證噴霧始終處于最佳狀態(tài)，避免漏噴或重復(fù)噴霧，確保100%覆蓋精確噴藥。通過該多傳感器融合方案，系統(tǒng)可適應(yīng)果園中的不同樹型、樹齡、樹高、密度等參數(shù)變化，具有較強的環(huán)境適應(yīng)性和魯棒性，為后續(xù)精確噴藥控制奠定了堅實基礎(chǔ)[6]。

2.2 噴藥執(zhí)行系統(tǒng)的研制

噴藥執(zhí)行系統(tǒng)是對靶噴藥機的關(guān)鍵執(zhí)行機構(gòu)，其精度和性能直接影響著噴霧效果。本設(shè)計采用閉環(huán)式精密傳動與流量匹配的方法，實現(xiàn)高精度的噴霧量控制[7-8]。系統(tǒng)包含高精度線性驅(qū)動器、精密螺桿傳動機構(gòu)、直線導(dǎo)軌、多個噴嘴組等。線性驅(qū)動器選用重褂防塵防護(hù)等級的伺服電機，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，定位精度±0.02 mm，重復(fù)定位精度±0.01 mm。與球螺桿傳動配合，傳動比為1∶10，螺距10 mm。伺服電機通過封閉式PID 反饋控制，帶編碼器的精密球螺桿轉(zhuǎn)動將直線滑塊沿豎直方向驅(qū)動，從而推動噴桿組在垂直方向精確定位?；瑝K橫向位置由橫移電機控制，坐標(biāo)系組成笛卡爾空間，使噴嘴組可根據(jù)檢測系統(tǒng)輸出的三維坐標(biāo)，快速精確對準(zhǔn)果樹靶標(biāo)[9-10]。

噴嘴流量匹配控制系統(tǒng)包含流量傳感器，精度±1%F.S.，反應(yīng)時間＜10 ms，測量范圍0～5 L/min；控制模塊采用32 位MCU，精度±0.2%，采樣率20 kHz，根據(jù)反饋流量數(shù)據(jù)控制電磁閥開度，使噴霧流量能夠保持在設(shè)定值，實現(xiàn)高精度的噴霧量控制，CV＜1%。PID 參數(shù)自整定，適應(yīng)不同藥液性質(zhì)。執(zhí)行機構(gòu)移動時，流量可實時補償調(diào)整，保證移動過程中也可精確噴藥，無明顯液滴。通過雙閉環(huán)反饋的精密系統(tǒng)設(shè)計，該執(zhí)行系統(tǒng)可根據(jù)實時風(fēng)速風(fēng)向、環(huán)境溫濕度等數(shù)據(jù)自動補償調(diào)整工作參數(shù)，實現(xiàn)精密對靶噴藥執(zhí)行控制，噴霧量誤差＜2%，重復(fù)定位精度＜0.5 mm，滿足果樹高效治理和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)需求。

2.3 PLC控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計

PLC 控制系統(tǒng)采用西門子S7-317F-2PN/DP 型號PLC，其中CPU 內(nèi)置了1.5 M 字的系統(tǒng)存儲器，邏輯運算速度50 次/μs。系統(tǒng)還采用了西門子PROFINET IRT 高速以太網(wǎng)技術(shù)，通信周期可達(dá)31.25 μs，傳輸帶寬100 MB/s，確保高速穩(wěn)定的運動控制和檢測數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)構(gòu)建了基于EtherCAT 的實時運動控制總線，軸控制模塊采用西門子技術(shù)客體，支持PTP、電子凸輪等高級功能，通過豐富的功能塊實現(xiàn)電機的閉環(huán)變速控制、多軸同步、重配和逼近運行等。西門子S7-300 的閉環(huán)PID 控制指令支持自動整定，對于流量控制的響應(yīng)時間可達(dá)50 ms以內(nèi)，調(diào)節(jié)時間低至0.3 s，靜態(tài)誤差±0.5%，滿足嚴(yán)格的噴霧精度要求。

圖像處理算法基于HOTA 模型，可實時處理分辨率達(dá)4 000×3 000 的彩色圖像，樹冠分割算法的IoU達(dá)到90%以上，中心坐標(biāo)偏差在±3 cm 之內(nèi)。三維點云處理支持165 萬點/s 的速率，配準(zhǔn)誤差＜2 cm。數(shù)據(jù)融合后目標(biāo)坐標(biāo)精度達(dá)到±1 cm，完全滿足后續(xù)高精度噴霧要求。

PLC 中集成了Microsoft SQL Server Express 數(shù)據(jù)庫，支持GB 級容量的作業(yè)數(shù)據(jù)存儲，并構(gòu)建了數(shù)據(jù)分析模塊，采用機器學(xué)習(xí)算法，支持噴霧精度預(yù)測、最優(yōu)路線規(guī)劃等智能決策功能。

3 系統(tǒng)測試與評價

3.1 試驗設(shè)計

為全面評價所設(shè)計的基于PLC 的果園對靶噴藥系統(tǒng)的性能，搭建了一個模擬果園試驗平臺并設(shè)計了一系列試驗。試驗平臺包含100 棵不同品種的模擬果樹，樹高2 m～4 m，樹冠半徑0.8 m～1.2 m不等，密度為2 500棵/hm2，滿足典型果園參數(shù)。在其中隨機選取了20 棵樹進(jìn)行靶標(biāo)貼標(biāo)，其中10 棵貼標(biāo)樹冠中心點坐標(biāo)，另外10棵貼標(biāo)樹冠邊緣點坐標(biāo)。通過比較傳感器檢測的坐標(biāo)值與標(biāo)記的真值，可以評估檢測精度。

模擬了垂直主枝型和斜主枝型兩種典型果園結(jié)構(gòu)，樹高分別為2.5±0.6 m、3.2±0.4 m，樹冠直徑分別為95±15 cm、65±10 cm。在該模擬果園上，設(shè)計了兩組試驗。首先，在系統(tǒng)靜止?fàn)顟B(tài)下，分別從20 個隨機位置，朝不同角度（-15°～15°）的10 個靶標(biāo)各噴射50次。記錄傳感器檢測精度、噴霧精度等數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。然后，在系統(tǒng)移動狀態(tài)下，選擇典型的Z 字形、S形兩種噴霧路線各重復(fù)3次試驗，持續(xù)記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，評價系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性。每次試驗間隙＞30 min，使模擬樹冠充分干燥，選取樹冠不同位置實測噴霧量，計算噴霧量均勻性指數(shù)。

通過大樣本靜動態(tài)試驗，比較了不同算法（機器視覺、激光雷達(dá)、數(shù)據(jù)融合）下系統(tǒng)的靶標(biāo)檢測精度、噴施精度、系統(tǒng)穩(wěn)定性、實時性等指標(biāo)，全面評估設(shè)計方案，為后續(xù)優(yōu)化提供依據(jù)。

3.2 性能評價指標(biāo)

1）靶標(biāo)檢測精度。主要評價指標(biāo)包括檢測成功率、坐標(biāo)偏差。檢測成功率指對全部靶標(biāo)的有效檢測數(shù)量與總數(shù)的比值。坐標(biāo)偏差反映位置信息的真實性，計算公式為：偏差=sqrt[（x1-x0）2+（y1-y0）2]，其中（x0，y0）為標(biāo)記的真值坐標(biāo)，（x1，y1）為檢測得到的坐標(biāo)。

2）噴霧精度。指標(biāo)包含噴霧量偏差、均勻性指數(shù)、靶標(biāo)命中率。噴霧量偏差計算單個靶標(biāo)的相對誤差，用于評價系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)的噴霧量控制能力。均勻性指數(shù)（IES）考量噴霧在目標(biāo)上的分布情況，公式為：IES=σD/DM，其中σD為噴霧量標(biāo)準(zhǔn)差，DM為平均噴霧量。靶標(biāo)命中率反映噴射的有效覆蓋面積比例，計算方式為：靶標(biāo)面積與有效覆蓋面積的比值。

3）系統(tǒng)穩(wěn)定性。主要通過重復(fù)定位精度評估。重復(fù)定位精度指系統(tǒng)在重復(fù)目標(biāo)作業(yè)時的一致性。計算方法為：選取同一靶標(biāo)，重復(fù)噴霧多次，測量每次結(jié)果的離散程度，如標(biāo)準(zhǔn)差。

4）實時性。采用最大系統(tǒng)延遲進(jìn)行評價。測量從圖像采集、處理完成，到執(zhí)行系統(tǒng)反應(yīng)的總延遲時間。要求在300 ms 以內(nèi)，確保移動作業(yè)時的時間同步性與穩(wěn)定性。

3.3 測試結(jié)果與討論

3.3.1 靶標(biāo)檢測精度

如表1 所示，采用數(shù)據(jù)融合算法的檢測系統(tǒng)平均檢測成功率最高，達(dá)到96.5%，坐標(biāo)偏差僅2.1 cm，優(yōu)于其他單一傳感器和多傳感器組合，表明數(shù)據(jù)融合方法集成了各種傳感器的優(yōu)勢，增強了檢測的魯棒性。RGB-D 相機和多波束雷達(dá)作為新興傳感器，也展現(xiàn)出了較高的檢測精度。

表1 不同算法下靶標(biāo)檢測精度比較

3.3.2 噴霧精度

測試結(jié)果如表2 所示，在靜態(tài)條件下，基于高精度機電設(shè)計的噴霧執(zhí)行系統(tǒng)可保證所有方法下的噴霧量偏差≤3.5%，滿足設(shè)計需求。但在移動狀態(tài)下，數(shù)據(jù)融合算法的噴霧精度明顯優(yōu)于其他方法，使噴霧量偏差減小41.2%，均勻性指數(shù)降低35.8%，有效提高了移動作業(yè)質(zhì)量。RGB-D 相機和多波束雷達(dá)作為新型傳感器，移動作業(yè)時的表現(xiàn)也優(yōu)于單一傳感器。

表2 噴霧精度比較

3.3.3 系統(tǒng)穩(wěn)定性

重復(fù)定位試驗中，數(shù)據(jù)融合算法的定位精度標(biāo)準(zhǔn)差為0.42 mm，優(yōu)于單一傳感器的0.63 mm（機器視覺）和0.51 mm（激光雷達(dá)），驗證了多傳感器融合的穩(wěn)定性優(yōu)勢。

3.3.4 實時性

視覺處理單元（VPU）硬件加速的機器視覺處理流程總延遲為46 ms；激光雷達(dá)原生輸出幀率為50 Hz，融合系統(tǒng)總延遲可控制在295 ms 以內(nèi)，滿足設(shè)計要求。

以上測試驗證了所設(shè)計系統(tǒng)的有效性，數(shù)據(jù)融合方法可顯著提高檢測、作業(yè)精度與魯棒性。但機器視覺受遮擋影響較大，后續(xù)將優(yōu)化算法；另外，系統(tǒng)移動速度較慢，存在提速空間，也是下一步研究方向。

4 結(jié)語

總體而言，本研究所設(shè)計的果園對靶噴藥系統(tǒng)達(dá)到了項目目標(biāo)要求，實現(xiàn)了對果樹高效精準(zhǔn)噴施。但當(dāng)前系統(tǒng)移動速度較低，無法適應(yīng)大面積連片果園，后續(xù)研究將集成自主導(dǎo)航與避障技術(shù)，使用機器人輔助提高作業(yè)效率。