(論文)精確噴施智能除草裝置和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)(2013年優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)論文)

精確噴施智能除草裝置和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是目前全球農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，也是未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)之一。 精確施藥技術(shù)是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的重要組成部分，通過(guò)對(duì)農(nóng)藥投入的合理分配，最大限度地 提高農(nóng)藥的利用率，提高效益；同時(shí)降低作物中農(nóng)藥的殘留量，提高作物的品質(zhì)與產(chǎn) 量，保證糧食與食品安全，也保護(hù)了農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境。 本文對(duì)精確噴施智能除草裝置和控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，開(kāi)展一系列的試驗(yàn)和分析， 研究解決了技術(shù)難點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上探索田間精確噴施除草的效果。主要的研究工作 包括以下幾個(gè)方面： 1 ) 精確噴施智能除草裝置設(shè)計(jì)：根據(jù)田間實(shí)際作業(yè)環(huán)境及除草裝置的功能要求， 對(duì)智能除草裝置移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，另外，選擇合適的泵、流量傳感器、電磁閥和噴 頭等來(lái)構(gòu)建噴施系統(tǒng)。 2 ) 控制系統(tǒng)策略與方案設(shè)計(jì)：采用R S 2 3 2 串口通訊方式，實(shí)現(xiàn)P C 機(jī)與控制器 問(wèn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊；采用旋轉(zhuǎn)編碼器作為速度位移傳感器，實(shí)時(shí)采集除草裝置移動(dòng) 平臺(tái)的行駛速度；利用模糊控制原理，設(shè)計(jì)模糊控制器，對(duì)電磁閥進(jìn)行模糊控制，實(shí) 現(xiàn)農(nóng)藥的精確噴施。 3 ) 控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)：以A R M 7 為硬件平臺(tái)，移植了嵌入式操作系統(tǒng)uC O S I I ， 并對(duì)外圍接口電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用C 語(yǔ)言對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行編程，完成模糊控制器、 流量與速度信息采集以及人機(jī)界面等功能。 4 ) 試驗(yàn)研究：根據(jù)推算定位原理對(duì)定位精度進(jìn)行標(biāo)定：測(cè)定控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí) 間；對(duì)壓力與噴施流量的關(guān)系、P W M 變量噴施的流量特性進(jìn)行研究；最后結(jié)合試驗(yàn) 結(jié)果，對(duì)精確噴施系統(tǒng)的進(jìn)一步改進(jìn)工作提出自己的看法。 研制的精確噴施智能除草裝置控制系統(tǒng)主要有以下功能：實(shí)現(xiàn)上、下位機(jī)的數(shù)據(jù) 通訊，下位機(jī)接收視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)的雜草位置與面積信息，同時(shí)向上位機(jī)發(fā)送觸發(fā)指令 來(lái)獲取下一幅圖片；利用旋轉(zhuǎn)編碼器結(jié)合推算定位的方法，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的精確定位；根 據(jù)模糊理論對(duì)進(jìn)行電磁閥控制，實(shí)現(xiàn)變量噴施；利用渦輪流量傳感器采集系統(tǒng)中的噴 施流量，并將結(jié)果顯示在L C D 上。 本文的研究為田間精確噴施除草裝置的研發(fā)提供了理論和實(shí)踐依據(jù)。 關(guān)鍵詞：精確噴施；嵌入式；模糊控制；A R M I 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 A B S T R A C T A tp r e s e n t , t h ep r e c i s i o na g r i c u l t u r eh a sb e e nah o tf i e l di nt h ei n t e r n a t i o n a l a g r i c u l t u r a ls c i e n t i f i cr e s e a r c h ，a n dt h ep r e c i s i o nc h e m i c a li so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t c o m p o n e n t s o ft h e p r e c i s i o na g r i c u l t u r e T o f a l lo f fb e i n g e x t r a v a g a n tb y t h e r e a s o n a b l e n e s sd i s t r i b u t i o na n dt om a x i m u mt h eu t i l i z a t i o nr a t i oo fp e s t i c i d e ，t or e d u c e c o s ta n di m p r o v eb e n e f i c i a lr e s u l t ；a tt h es a m et i m et or e d u c et h et o x i cr e s i d u a li nc r o p p r o d u c t ，r a i s i n gt h eq u a l i t yo ft h ec r o pp r o d u c t ，a l s op r o t e c te c o l o g i c a le n v i r o n m e n ti n a g r i c u l t u r e I nt h ep a p e r , a ne m b e d d e dw e e dc o n t r o ls y s t e mf o rp r e c i s i o ns p r a y i n gb a s e do n A R M 7h a sb e e nd e v e l o p e d As e r i e so fe x p e r i m e n t sa n da n a l y s i s ，w h i c hc o v e rt h em a i n p u z z l e sa n dt e c h n i c a ld i f f i c u l t i e s ，w e r ec a m e do u tt op r e d i c tt h ef e a s i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y o fs y s t e mf o rw o r k i n gi nt h eo u t - d o o rf i e l d T h er e s e a r c hm a i n l yc o n c l u d e ss e v e r a la s p e c t s a sf o l l o w s ： 1 ) T h ed e s i g no fi n t e l l i g e n tw e e dp l a t f o r mf o rp r e c i s es p r a y i n g ：d e s i g nt h ei n t e l l i g e n t w e e de q u i p m e n tb a s e do nt h ee n v i r o n m e n to ff i l e d I na d d i t i o n ，c h o o s i n gt h es u i t a b l e d e v i c et oc o n s t r u c tt h es p r a y i n gs y s t e m 2 ) T h ed e s i g no fs c h e m ef o rc o n t r o ls y s t e m ：t Or e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e n t h eP Ca n dS C Mb a s e do nR S 2 3 2 ，t h ee n c o d e ra ss p e e ds e n s o rt og e tt h ei n f o r m a t i o no f p r e c i s ep o s i t i o n U s i n gt h ef u z z yt h e o r yt od e s i g nt h ef u z z yc o n t r o l l e ra n dc o n t r o lt h e v a l v e st Os p r a yt h ew e e d s 3 ) D e s i g no fc o n t r o ls y s t e m ：d e s i g nt h eh a r d w a r eo fc o n t r o ls y s t e mb a s e do nA R M 7 a n duC O S - I I ，u s i n gt h eCt or e a l i z et h ef u n c t i o mo ff u z z yc o n t r o l l e r , i n t e r f a c ea n dS Oo n 4 ) E x p e r i m e n t sa n dS t u d y ：U s i n gam e t h o do ft h ec a l c u l a t i o no np o s i t i o nb a s e do n e n c o d e r , t or e a l i z ep r e c i s ep o s i t i o n ；T og e tt h er e l a yt i m eo fc o n t r o ls y s t e ma n dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e np r e s sa n df l u x ，s t u d yt h ev a r i a b l es p r a y i n gb a S e do nP W M T h es y s t e mi sc o m p o s e do fw e e d i n gp l a t f o r m ，A R M 7 c o n t r o l l e r , h y d r o m e t e r , e n c o d e r , n o z z l e sa n ds o l e n o i d v a l v e s T w os e t so fs o f t w a r ew e r ew r i t t e ni nV C + +a n dC r e s p e c t i v e l yt or e a l i z et h ef u n c t i o n sa sf o l l o w s ：R e a l i z i n gd a t ae x c h a n g eb e t w e e nP Ca n d S C M ，t h eS C Mr e c e i v et h es p r a y i n gi n f o r m a t i o nf r o mm a c h i n ev i s i o n ，a tt h es a m et i m e ， s e n d i n gt h ei n s t r u c t i o nt oc o n t r o lP Ct og e tn e wp i c t u r e s ；U s i n gam e t h o do ft h ec a l c u l a t i o n o np o s i t i o nb a s e do ne n c o d e r , t or e a l i z ep r e c i s ep o s i t i o n ；T oc o n t r o lt h es o l e n o i d v a l v e s b a s e do nt h et h e o r yo ff u z z y , a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l to ff u z z yc o n t r o l l e rv a l i d a t et h er u l e s o ff u z z yc o n t r o l ；A c q u i r i n gt h ed a t ao ff l u xi ns y s t e mb yh y d r o m e t e r , a n dd i s p l a y i n gd a t a o nL C D T h er e s e a r c hi nt h ep a p e rw i l lp r o v i d ev a l u a b l ee x p e r i e n c e sb o t ht h e o r e t i c a l l ya n d p r a c t i c a l l yf o rt h ep r e c i s es p r a y i n gw e e d i n gs y s t e mb a s e do nm a c h i n ev i s i o n K e yW o r d s ：p r e c i s es p r a y i n g ；e m b e d d e d ；f u z z yc o n t r o l ；A R M 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú) 立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的內(nèi)容以外，本論 文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的作品成果。對(duì)本文 的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本 人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名：融使 日期：2 多年否月么日 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 1 引言 第一章緒論弟一早三百下匕 中國(guó)作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，在過(guò)去的幾十年問(wèn)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)生了巨大的變化，農(nóng)業(yè) 生產(chǎn)的科技技術(shù)含量有了很大的提高，高新技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的推廣和應(yīng) 用。從傳統(tǒng)的粗放型作業(yè)方式向精確節(jié)約型轉(zhuǎn)變，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了“高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、 高效、持續(xù)”的農(nóng)業(yè)發(fā)展。然而，在我國(guó)加入W T O 之后，我國(guó)農(nóng)業(yè)面臨著嚴(yán)峻的挑 戰(zhàn)，與西方國(guó)家的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平還有一些差距。為此，尋求一種依靠科技進(jìn)步來(lái)降低 農(nóng)產(chǎn)品成本與提高質(zhì)量，以提高在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式已勢(shì)在必行。 精確農(nóng)業(yè)【1 】1 2 】( P r e c i s i o nA g r i c u l t u r e ，縮寫(xiě)為P A ) ，或稱精細(xì)農(nóng)業(yè)，是大約2 0 年 前在美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)的土壤學(xué)者倡導(dǎo)下開(kāi)始探索的環(huán)境保護(hù)型農(nóng)業(yè)的通稱。作為基 于信息高科技的集約農(nóng)業(yè)，P A 將R e m o t eS e n s i n g 、G e o g r a p h i cI n f o r m a t i o nS y s t e m 及 G l o b a lP o s i t i o n i n gS y s t e m ( 簡(jiǎn)記R S ，G I S ，G P S ，即3 S ) 等技術(shù)與農(nóng)學(xué)、地理學(xué)、生態(tài) 學(xué)、土壤學(xué)、植物生理學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科有機(jī)地結(jié)合，實(shí)現(xiàn)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全過(guò)程中對(duì)農(nóng)作物、 土地、土壤從宏觀到微觀的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其目的就是同時(shí)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)率的提高和環(huán)境保全 型可持續(xù)發(fā)展。精確變量施藥除草技術(shù)是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的重要課題，其核心是獲取 農(nóng)田中雜草的位置及雜草的密度信息，采取精確施藥除草，一方面提高農(nóng)藥有效利用 率，降低農(nóng)業(yè)成本；另一方面通過(guò)適當(dāng)減少農(nóng)藥用量，降低環(huán)境污染，改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán) 境，提高農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化，是我國(guó)農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新，面向經(jīng)濟(jì)全球 化、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的要求。 1 2 研究的目的和意義 1 2 1 研究的目的 農(nóng)田中的雜草是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的大敵，對(duì)莊稼的危害很大，它們直接與莊稼爭(zhēng)奪養(yǎng)分， 水分和陽(yáng)光，使作物的產(chǎn)量減少，降低經(jīng)濟(jì)作物的效益【3 1 。全世界大約有3 0 0 0 種雜 草，其中1 8 0 0 種可影響作物的收成。根據(jù)我國(guó)一次農(nóng)田草害調(diào)查研究結(jié)果，我國(guó)農(nóng) 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 田共有雜草約5 8 0 種，其中危害嚴(yán)重又難于防除的惡性雜草有1 5 種，還有分布較廣 而危害較重的主要雜草3 1 種。農(nóng)田草害面積約4 3 0 0 萬(wàn)公頃，其中嚴(yán)重受害面積約 1 0 0 0 萬(wàn)公頃，因雜草危害減產(chǎn)1 5 4 ，估計(jì)每年減產(chǎn)糧食1 7 5 0 萬(wàn)噸。 目I j ，除草的方法有：人工除草( 手工拔草、鋤草等) 、機(jī)械除草、覆蓋除草、熱 水或蒸汽除草、生物防除和化學(xué)除草等。比較這些除草方法，化學(xué)除草還是廣泛的被 人們接受，它成為我國(guó)田問(wèn)除草的主要方法。近年來(lái)，我國(guó)使用化學(xué)除草的面積以每 年3 0 0 0 萬(wàn)畝遞增，糧食作物由于使用了農(nóng)藥，每年可以挽回的糧食損失占總產(chǎn)量的 7 。然而，在看到農(nóng)藥使用帶柬利益的同時(shí)，使用農(nóng)藥也帶來(lái)了很大的危害【4 】： 1 1 農(nóng)藥對(duì)土壤的污染：施用農(nóng)藥時(shí)約有一半藥劑灑落在土壤中，而且在土壤中殘 留時(shí)間很長(zhǎng)。特別是有些農(nóng)藥在土壤中的分解產(chǎn)物為苯胺類及其衍生物，或者有的產(chǎn) 生N 亞硝基化合物。這些分解產(chǎn)物有的是致癌性物質(zhì)，有的可能進(jìn)一步衍生為致癌性 物質(zhì)，還有的農(nóng)藥本身或其中含有的雜質(zhì)具有致畸、致突變作用。 勁農(nóng)藥對(duì)大氣的污染：農(nóng)藥微粒和蒸汽散發(fā)到空氣中，隨風(fēng)飄移污染大氣。進(jìn) 入土壤中的農(nóng)藥，可能通過(guò)氣體揮發(fā)，或隨水溶在土壤中擴(kuò)散遷移。灑落在土壤表面 的農(nóng)藥經(jīng)揮發(fā)進(jìn)入大氣，造成了大氣的污染。 由于我國(guó)施藥機(jī)械和施藥技術(shù)的落后，農(nóng)藥的使用率僅為2 0 4 0 t 3 1 ，大部分 農(nóng)藥都流失到土壤和環(huán)境中，不僅浪費(fèi)巨大，而且嚴(yán)重污染生態(tài)環(huán)境，所以如何改變 施藥技術(shù)已成為我國(guó)精確農(nóng)業(yè)發(fā)展中的急待解決的一個(gè)重要問(wèn)題。 1 2 2 研究的意義 針對(duì)農(nóng)藥的大量使用給環(huán)境帶來(lái)的污染，需要開(kāi)發(fā)一個(gè)可以減少或消除化學(xué)藥劑 使用量的精確除草系統(tǒng)。本課題研究的田間精確噴藥除草系統(tǒng)，利用機(jī)器視覺(jué)實(shí)時(shí)識(shí) 別雜草技術(shù)，從作物中識(shí)別出雜草，再采用精確對(duì)靶噴灑除草藥劑的方法來(lái)除掉雜草， 達(dá)到減少農(nóng)藥使用量的要求，保護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化和實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生 產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。精確噴施除草系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成功，可以使農(nóng)業(yè)機(jī)械在作業(yè)過(guò)程中自主 行走，大大提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)化程度，減少操作人員的操作時(shí)間和減輕勞動(dòng)強(qiáng)度， 從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度看，能夠減少農(nóng)業(yè)作業(yè)成本，有利于農(nóng)業(yè)的智能化和自動(dòng)化。 2 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論正 13 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 31 國(guó)外研究現(xiàn)狀 隨著機(jī)器 見(jiàn)證技術(shù)的發(fā)展以及其在椒業(yè)L 定位和識(shí)別領(lǐng)域的應(yīng)川，牡于機(jī)器視覺(jué) 的除草機(jī)器人技術(shù)也得到丁根大的發(fā)展。除草機(jī)器人u r 以代粹人類進(jìn)行除畢活動(dòng)，減 輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高農(nóng)業(yè)設(shè)備的自動(dòng)化和智能化。國(guó)外從I 個(gè)世紀(jì)6 0 年代就丌始廠有 關(guān)除草機(jī)器人的研究，而到了2 0 世紀(jì)9 0 年代，除草機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)得到了，一泛的研 ，t 1 5 i 1 6 7 I 。 莢閏加州人學(xué)戴維斯學(xué)皖W O NS U K L E E 等1 9 9 8 年以機(jī)器人耕作機(jī)為、r 臺(tái)， 研制出基丁_ 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的精確噴藥除草機(jī)器人n 如圖11 所示。緩系統(tǒng)利用作物 葉片的形狀學(xué)特征結(jié)合貝斯分離曬數(shù)，將爵茄和雜草I l 別出來(lái)，計(jì)算機(jī)將雜草的位 置信息送劍精確施藥系統(tǒng)的控制器，然后由_ | 守制措控制相應(yīng)的噴頭”肩，將農(nóng)藥噴施 到目標(biāo)雜草上，達(dá)到除草的目的。1 9 9 8 年3 月至5 月，在位r 加利福尼北部的番 茄l 間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，n1 2 0 K M h 的行駛速度F ，7 5 8 的西紅柿沒(méi)有噴上農(nóng)藥，4 7 6 的目標(biāo)雜草噴r 農(nóng)藥。 翻 巍、 幽12 棉剛除革機(jī)器人 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)、噴藥系統(tǒng)和位移信息采集系統(tǒng)組成。視覺(jué)系統(tǒng)片j 丁獲取圖片并識(shí)別I _ f 雜 革和棉花，位移信息采集系統(tǒng)控制l 也磁閥組”I i 相應(yīng)的噴頭，將農(nóng)藥噴施到日標(biāo)雜犖 l ，川時(shí)向視覺(jué)系統(tǒng)發(fā)送觸發(fā)信號(hào)，獲取F 一幅罔兒，他們?cè)? 4 塊不同的地塊進(jìn)1 _ 實(shí)驗(yàn)，在0 4 5 m s 的行駛速度F ，塒靶準(zhǔn)確率u r 咀達(dá)到8 09 9 65 。 四班牙農(nóng)業(yè)研究所( 1 n s t i t u t oV a l e n c i a n od el n v e s t i g a c i o n e sA g r a r i a s S p a m ) J B l a s c o 等2 0 0 2 年丌發(fā)r 基1 機(jī)器視覺(jué)的牛菜閉問(wèn)除草機(jī)器人I ”J ，如圖1 f 3 所幣。主 要有個(gè)人白度的、r 行式機(jī)械于臂、機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)_ f 【】高壓電產(chǎn)乍模塊組成。視覺(jué)識(shí) 刖系統(tǒng)識(shí)出雜草后，機(jī)械手臂移動(dòng)到目標(biāo)雜爭(zhēng)j 方，高壓電產(chǎn)，- 模塊通過(guò)機(jī)械手臂 的術(shù)端l I 械，將雜啦殺死。機(jī)器人在O8 m s 的行駛速度F ，n f 咀識(shí)別出8 4 的雜草 和9 9 的啦菜。機(jī)械手臂移動(dòng)并將雜孛殺死大概需要1 秒的叫問(wèn)。 美圍堪薩斯人學(xué)( K A N s A sS t a t eU n i v e r s i t y ) N I N GW A N G 等2 0 0 2 年設(shè)計(jì)個(gè)實(shí)時(shí) 嵌入式的麥陽(yáng)雜卓識(shí)別和噴施系統(tǒng)I ”】，帥圖1 4 所示。系統(tǒng)基于機(jī)器視覺(jué)和微處理器 剛絡(luò)，微處理器網(wǎng)絡(luò)間的通信及微處理器與算機(jī)間的通信采用C A N 總線通信。麥 陽(yáng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示8 0 的雜草u J 以被識(shí)別出來(lái)。 幽13 十菜田f 噼草機(jī)器人吲l4 盤(pán)蝴際草機(jī)器人 卅麥奧胡斯人學(xué)農(nóng)、研究所r U n i v e r s i t yo fA a r h u s ，l n s f i t u m o fA g r i c u l t u r a l E n g i n e e 五n g ) C l a u s C tS o r e n s e n 和M i c h a e lN c r r e m a r k 等2 0 0 6 年研制成一種能在成熟作 圖15 甜菜I I I 問(wèn)除草機(jī)器人 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 物的陽(yáng)問(wèn)發(fā)現(xiàn)雜草的機(jī)器人【1 3 l ，如圖1 5 所示，它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，不會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造 成任何危害。機(jī)器人程序能使它根據(jù)外形來(lái)識(shí)別有害植物，在丹麥甜菜田里進(jìn)行的試 驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)器人發(fā)現(xiàn)并有選擇地消除雜草，可使除草劑用量減少7 0 。 2 0 0 7 年南丹麥大學(xué)生物與環(huán)境技術(shù)學(xué)院，他們開(kāi)發(fā)了第二代農(nóng)田自主移動(dòng)機(jī)器 人平臺(tái)系統(tǒng)1 1 4 1 ，并在平臺(tái)上安裝機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)及G P S 系統(tǒng)，可用于雜草的監(jiān)測(cè)，開(kāi) 發(fā)了基于主動(dòng)形狀特征的雜草識(shí)別系統(tǒng)和精確微量噴施系統(tǒng)；G e r h a r d s 等2 0 0 7 年設(shè) 計(jì)了基于地圖信息的除草劑精確噴藥系糾1 5 l ，通過(guò)對(duì)冬小麥、冬大麥、玉米、甜菜地 雜草管理的研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用該技術(shù)確實(shí)能夠減少除草劑的使用量； R T a n g w o n g k i t ，V M S a l o k h e 等2 0 0 7 年【1 6 1 丌發(fā)基于機(jī)器視覺(jué)的甘蔗行間變量噴施除草 嵌入式系統(tǒng)，通過(guò)不同速度下的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)可以減少至少2 0 的農(nóng)藥用量。 1 3 2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)的除草機(jī)器人研究起步較晚，而且研究的單位和個(gè)人也較少，南京林業(yè)大學(xué) 的陳勇等【1 7 】提出了首先切割雜草，然后再往雜草的切口上涂抹除草劑方法的除草機(jī)器 人如圖1 7 所示，機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)出雜草后，利用機(jī)械臂進(jìn)行“直接施藥方法”除草， 利用“機(jī)械和“化學(xué)”除草，大大減少了化學(xué)除草劑使量。 S 1 4 論文研究的主要內(nèi)容 1 主體2 攝像頭 3 、5 祝板臂4 輪子 圖1 7 直接抹藥除草機(jī)器人 本文研究的主要內(nèi)容是精確噴施智能除草裝置和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。介紹控 制系統(tǒng)中使用的速度位移傳感器、平衡式減壓閥、流量傳感器和電磁閥，并根據(jù)控 5 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 制系統(tǒng)的具體要求，對(duì)執(zhí)行模塊以及控制軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和編程，實(shí)現(xiàn)精確噴施除草的 功能。其主要研究?jī)?nèi)容如下： 1 ) 精確噴施智能除草裝置設(shè)計(jì) 首先，根據(jù)田間實(shí)際作業(yè)環(huán)境并參照國(guó)外除草機(jī)器人實(shí)例，對(duì)智能除草裝置移 動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，用于承載機(jī)器視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)、噴施系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；其次，根據(jù) 噴施系統(tǒng)的具體需要，如噴霧量、工作壓力以及系統(tǒng)的響應(yīng)速度等，選擇合適的泵、 噴頭、流量傳感器和電磁閥等來(lái)構(gòu)建噴施系統(tǒng)。 2 ) 控制系統(tǒng)策略與方案設(shè)計(jì) 采用R S 2 3 2 串口通訊方式，實(shí)現(xiàn)P C 機(jī)與控制器間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊；旋轉(zhuǎn)編碼 器作為速度位移傳感器，實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)速度并將獲取噴頭位置信息，利用模糊控制 原理，通過(guò)模糊規(guī)則對(duì)雜草面積和系統(tǒng)前進(jìn)速度進(jìn)行模糊決策，再根據(jù)決策的結(jié)果， 對(duì)電磁閥進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥的精確噴施；利用流量傳感器，測(cè)得系統(tǒng)中的瞬 時(shí)流量和累計(jì)流量，將該信息送給控制器，在L C D 上實(shí)時(shí)顯示，便于操作人員觀察。 3 ) 控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā) 首先，以A R M 7 為硬件平臺(tái)，對(duì)外圍接口電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括串口通信模塊、 傳感器信息采集模塊、人機(jī)界面和電磁閥控制模塊；其次，設(shè)計(jì)模糊控制器，實(shí)現(xiàn) 對(duì)噴施藥量的模糊控制；最后，將l ac o s I I 嵌入式操作系統(tǒng)移植到A R M 7 上，并利 用C 語(yǔ)言對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中流量、速度信息的采集和精確噴施等功能。 4 ) 試驗(yàn)研究 利用上述精確噴施除草裝置，根據(jù)推算定位原理對(duì)定位精度進(jìn)行標(biāo)定；測(cè)定控制 系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間以及對(duì)壓力與噴施流量的關(guān)系、P W M 變量噴施的流量特性進(jìn)行研究； 最后結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)精確噴施系統(tǒng)的進(jìn)一步改進(jìn)工作提出自己的看法。 6 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章精確噴施除草裝置總體設(shè)計(jì) 本章將對(duì)精確噴施除草裝置總體方案的選擇以及架構(gòu)進(jìn)行介紹。設(shè)計(jì)除草裝置的 移動(dòng)平臺(tái)，并根據(jù)要求對(duì)傳感器執(zhí)行器進(jìn)行選擇。除草裝置的總體方案設(shè)計(jì)以及傳感 器執(zhí)行器的性能將直接影響整個(gè)精確噴施除草系統(tǒng)的噴施效果，直接關(guān)系到系統(tǒng)質(zhì)量 和性能的好壞。 2 1 系統(tǒng)總體方案 精確噴施除草裝置利用微處理器接收視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)傳送的雜草信息( 雜草面積和 位置信息) ，結(jié)合速度傳感器采集的速度信息，當(dāng)噴頭組經(jīng)過(guò)雜草上方時(shí)，控制相應(yīng) 電磁閥的開(kāi)啟，實(shí)現(xiàn)精確噴施除草【9 J 。精確噴施除草方案的原理圖如圖2 1 所示。 1 戮方匆 圖2 1 精確噴施除草方案的原理圖 根據(jù)上述精確噴施除草方案的原理圖，對(duì)精確噴施除草裝置進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，如圖 2 2 所示。主要由用于采集圖像的相機(jī)、安放上位機(jī)( P C 電腦) 的電腦箱、噴藥泵、 7 江蘇走學(xué)碩士學(xué)位論文 藥箱、電磁閥噴頭組、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等組成。 電腦箱r 、 相機(jī)卜 車輪r 車輪支架r 撇拉制罌卜噴藥褒I - 車架1 藥箱 圖22 精確除草裝置整體結(jié)構(gòu)圖 22 除草裝置移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì) 221 雇盤(pán)設(shè)計(jì) 電授箱 電磁閥組 1 驅(qū)動(dòng)機(jī)搗 I 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 本節(jié)將對(duì)除草裝置移動(dòng)平臺(tái)的底盤(pán)進(jìn)行設(shè)計(jì)，考慮到除草平臺(tái)將在棉田進(jìn)行除草 作業(yè)，結(jié)合我國(guó)棉花種植的行間距，將左右輪距設(shè)計(jì)為1 0 0 0 m m ，前后輪距為1 3 ( ) 0 1 1 m a ， 相機(jī)安裝架離地高度為6 0 0 r a m 。 根據(jù)平臺(tái)的總體尺寸、結(jié)構(gòu)和智能除草裝置中所用設(shè)備的外觀尺寸和重量對(duì)底盤(pán) 各部件的外觀及設(shè)各在平臺(tái)上的布置進(jìn)行設(shè)計(jì)。 2 21 1 除草裝置中所用主要設(shè)備 1 ) 電瓶 整個(gè)系統(tǒng)所需的總電能如表2 - 1 所示，電瓶必須保證楚個(gè)除草裝置持續(xù)工作4 6 個(gè)小時(shí)，以使我們有足夠長(zhǎng)的時(shí)間對(duì)除草裝置進(jìn)行測(cè)試和研究，所以系統(tǒng)需要大 約1 2 0 A h 1 8 0 A h 電能。根據(jù)卜速分析，選用同本湯淺閥控免維護(hù)電瓶N P l 0 0 - 1 2 1 2 V 1 0 0 A h 兩只，這兩只電瓶可以為系統(tǒng)提供大約7 個(gè)小時(shí)的工作時(shí)間。電瓶的外型尺 8 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 表2 - 1 系統(tǒng)所需的總電能 寸為4 0 0X1 7 0X2 3 0 m m ( 長(zhǎng)X 寬X 高) ，重量為3 5 蠔。 2 ) 電腦及附件 所選用電腦的外型尺寸為3 9 0X3 5 0X1 3 0 m m ，重量為8 k g ；顯示器為1 5 寸液晶 顯示器，重量大約2 k g ；為了提供系統(tǒng)所需的2 2 0 V 電壓，選用電壓逆變器B J A - M 1 0 2 7 7 0 0 W ，外型尺寸為1 7 0X1 5 0X9 0 m m ，重量為l k g 。 3 ) 藥箱及噴藥機(jī) 根據(jù)系統(tǒng)噴藥量要求及底盤(pán)設(shè)計(jì)尺寸，對(duì)藥箱進(jìn)行設(shè)計(jì)。藥箱的外型尺寸為1 0 0 0 X3 0 0X3 0 0 m m ，容積大約為9 0 L ，總重量為1 0 0 k g ，考慮除草劑水溶劑有輕微腐蝕 性，藥箱的材質(zhì)選用不銹鋼，并對(duì)內(nèi)部進(jìn)行防銹處理。選用噴藥機(jī)的外型尺寸為9 0 0 X3 5 0X3 5 0 m m ，重量為2 0 k g 。 2 2 1 2 設(shè)備布置 根據(jù)設(shè)備的外型及重量，將其在底盤(pán)上進(jìn)行布置：電腦、顯示器、逆變器及控制 器布置在前部車輪軸上方；電瓶及藥箱布置在后輪軸的前部靠近底盤(pán)中心的位置： 噴藥機(jī)布置在底盤(pán)中心位置。根據(jù)上述布置，得到底盤(pán)載荷分布如下： 前部輪軸載荷為3 5 k g 后部輪軸載荷為1 6 5 k g 2 2 1 3 前后車輪連接軸設(shè)計(jì) 在進(jìn)行前、后車輪連接軸設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到實(shí)際田間的地面狀況，當(dāng)車輪通過(guò)較大 的障礙物或地面高低不平時(shí)，對(duì)平臺(tái)的平穩(wěn)性將產(chǎn)生較大的影響，為了能夠盡量消除 這些影響，將前輪連接軸設(shè)計(jì)成擺動(dòng)梁形式，如圖2 3 所示，其與除草裝置平臺(tái)車架 的安裝方式如圖2 4 所示。 9 江蘇太學(xué)碩士學(xué)位論文 擺動(dòng)梁主要由擺動(dòng)粱體、擺動(dòng)粱軸和擺動(dòng)軸承組成，選用U C P 2 0 6 帶座外球面軸 承作為擺動(dòng)軸承，其工作原理如圖2 5 所示。圖巾：為連接法蘭，通過(guò)螺栓與兩前 艫，一囂。 髓 酗23 擺動(dòng)粱機(jī)構(gòu) 圖24 前輪連接軸與車架的安裝方式 輪支架相連如圖2 5 所示，為擺動(dòng)梁軸 接點(diǎn)，c 為前輪連接軸弓車架的連接支點(diǎn) A 、B 是車架與后輪連接軸的兩個(gè)崮定連 近似認(rèn)為是。當(dāng)兩前輪中有任一個(gè)輪子 幽25 前后輪軸毆討原理 經(jīng)過(guò)凸起障礙物或凹坑而兩后輪行駛在水平地面的時(shí)候，日U 輪軸會(huì)繞著支點(diǎn)c 做徑 向擺動(dòng)，由于A 、B 兩點(diǎn)足保持水甲的，那么面A B C 就會(huì)保持平衡，即平臺(tái)車架保 持水平，而保證安裝在年架上的相機(jī)鏡頭與地而垂直；當(dāng)前輪越過(guò)障礙物，后輪沿著 前輪軌跡同樣經(jīng)過(guò)凸起障礙物或凹坑時(shí)，由于A 、B 是固定連接點(diǎn)，所以車架會(huì)發(fā)生 傾斜，但相機(jī)足安裝在車架C 點(diǎn)處，而前后軸距比障礙物高度要大的多，所以后輪 鏟 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 導(dǎo)致的車架傾斜對(duì)相機(jī)的垂直度影響較小，從而達(dá)到盡可能保證鏡頭與地面垂直的目 的。 2 22 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 圉26 前車輪支架與車輪連接軸連接安裝幽 目前，犬部分的輪式車輛聚用的都是阿克曼( A c k e r m a n ) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，根據(jù)阿克 曼原理，可將小車兩前輪轉(zhuǎn)向角間建立關(guān)系式。如圖2 7 所示，其中c 點(diǎn)為兩前輪旋 轉(zhuǎn)軸延長(zhǎng)線與兩后輪輪軸延長(zhǎng)線的交點(diǎn)，B 為兩前輪轉(zhuǎn)軸間距離，L 為前后輪軸距。 B 為內(nèi)側(cè)車輪轉(zhuǎn)軸到C 點(diǎn)的水平距離，q 、q 分別為前輪的轉(zhuǎn)角。 c o t L 3 = B L ( 2 1 ) 西= Z 1 且么1 + Z 2 = Z 2 + Z 3 = 9 9 0 ，故 講= Z 3 ，將其代入( 21 ) 可得 c o t 西= B L( 2 - 2 ) 同理可得： c o t a2 ( B + B 1 ) L t 23 、 幽27A c k e n N a r i 轉(zhuǎn)向原理 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 將式( 23 ) 與( 22 ) 相減得 c o f 越c o t a t = B L ( 24 ) 式( 24 ) 即為兩前輪轉(zhuǎn)向角間關(guān)系式。 除草裝置上所用的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)就是基于阿克曼原理設(shè)計(jì)的中心撥桿式梯形轉(zhuǎn)向機(jī) 構(gòu)，保證除草裝置平臺(tái)在低速轉(zhuǎn)向行進(jìn)中能沿單一的轉(zhuǎn)向中心做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如圖2 8 # 自機(jī)卜- # n 酗28 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 所示。梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)梯形臂長(zhǎng)5 0 0 n m a ，連桿長(zhǎng)7 5 0 m m ，撥桿長(zhǎng)3 5 0 r a m 。轉(zhuǎn)向電機(jī)采 用美國(guó)B O D I N E 公司的2 4 V 直流減速電機(jī)，功率為8 0 W 。轉(zhuǎn)向電機(jī)帶動(dòng)撥桿在一定 角度范圍內(nèi)擺動(dòng)，梯形機(jī)構(gòu)在撥桿的作用下使車輪轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，完成轉(zhuǎn)向功能。 223 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 除草裝置移動(dòng)甲臺(tái)，采用直流減速電機(jī)以鏈傳動(dòng)的形式驅(qū)動(dòng)平臺(tái)行走。減速電機(jī) 的具體參數(shù)見(jiàn)表2 2 。 表2 - 2 減速電機(jī)參數(shù) 在馳動(dòng)鏈的松邊增加惰輪：一方面張緊鏈條，保證平穩(wěn)傳動(dòng)：另一方面連接編碼 器，如圖2 9 所示。 2 24 噴施系統(tǒng)設(shè)計(jì) 噴施系統(tǒng)包括S 3 C A 4 B O X 嵌入式控制器、傳統(tǒng)噴藥機(jī)具、流量傳感器、變量噴藥 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位磚文 圖29 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 執(zhí)行器及電源模塊等幾部分組成。 嵌入式控制器：嵌入式控制器足整個(gè)精確對(duì)靶變量噴施除草控制系統(tǒng)的核心， 它根據(jù)機(jī)器識(shí)別系統(tǒng)的提供的雜草信息和來(lái)自位置速度傳感器的定位信息 結(jié)合分析，提供最終的噴施方案。 噴藥機(jī)具：噴藥機(jī)具為噴施除草系統(tǒng)提供具有定壓力及濃度的農(nóng)藥。噴藥 機(jī)有【r q 路進(jìn)出接口，分別為進(jìn)藥口、I 旦I 流口和兩路帶丌關(guān)球閥的出藥口。如 圖2 1 0 所示。 回攮口 I 出藥口 I 進(jìn)藥口 閣21 0 噴藥機(jī)且 流量傳感器：實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的流量，并將信息傳給控制器。 變量噴施的執(zhí)行裝霄：變量噴施的執(zhí)行裝置( 包括4 組電磁閥噴頭) 是精確 對(duì)靶變量噴施的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如圖21 1 所示。 幽隧t 塑醚：】 圖2 兒噴施系統(tǒng)的執(zhí)行裝置 1 3 江蘇走學(xué)碩士擘住論文 噴施控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框圖如圖21 2 所不。 幽21 2 噴施系統(tǒng)的軺體設(shè)計(jì)框圖 2 25 視覺(jué)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)部分介紹 視覺(jué)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)部分主要包括電腦箱、相機(jī)安裝架和光源罩等。電腦箱用來(lái)保 護(hù)電腦主機(jī)和顯示器；相機(jī)安裝架設(shè)計(jì)的時(shí)，要考慮相機(jī)高度的可調(diào)性；光源罩的設(shè) 計(jì)是為了螺補(bǔ)外界光線不均勻或亮度不夠給圖像采集帶來(lái)的影響。具體機(jī)構(gòu)如圖2 1 3 所示。 0 ) 相機(jī)安裝架嘞電腦箱與光源罩 H2t 3 視覺(jué)系統(tǒng)機(jī)械機(jī)構(gòu)部分 23 系統(tǒng)的影響因素 2 3t 壓力的影響 壓力對(duì)施藥量的影響主要體現(xiàn)在壓力對(duì)噴嘴流量的影響，對(duì)于已選定的噴嘴型 1 4 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 號(hào)，壓力和流量之間的關(guān)系表達(dá)式為： 式中： 級(jí)一壓力為A 時(shí)的流量； 吼一壓力為P 2 時(shí)的流量； 由式( 2 5 ) 可得： 魚(yú)：匠 q l 、JP 2 A 吼2 = P 2 q 2 2 ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) 如果仍q ：2 設(shè)為常數(shù)的話，可知吼就與A 成反比例關(guān)系，所以當(dāng)壓力有變化，流 量也將隨之變化。另外，壓力變化對(duì)噴流角度也有影響。表2 3 為所選用的上海守望 者噴霧公司的州G 系列噴嘴的流量及噴流角度與壓力的關(guān)系。 表2 3 噴嘴流量及噴流角度與壓力的關(guān)系 2 3 2 速度的影響 除草裝置的行駛速度是精確噴施除草系統(tǒng)精度影響的較大因素之一?？紤]到控制 系統(tǒng)中執(zhí)行器的響應(yīng)時(shí)間，為了能使農(nóng)藥精確噴施到目標(biāo)雜草上，因此要將整個(gè)控制 系統(tǒng)的執(zhí)行時(shí)間( 即從控制器發(fā)出指令到執(zhí)行器動(dòng)作的延遲時(shí)間) 與除草裝置的行駛 速度結(jié)合，用來(lái)決定相應(yīng)噴嘴開(kāi)啟的時(shí)刻。另外，速度對(duì)噴施藥量也有一定的影響， 電磁閥在某一開(kāi)度下，平臺(tái)行駛速度快，則單位面積的噴施藥量就少，相反的話，單 位面積噴施藥量就相對(duì)多一些。除草裝置的最大行使速度為1 2 K m h ，決定選擇旋轉(zhuǎn) 編碼器作為除草平臺(tái)的位移和速度傳感器。光電編碼器是利用光柵衍射原理實(shí)現(xiàn)位移 和數(shù)字的變換，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、計(jì)量精度高、壽命長(zhǎng)，在精密定位、速度、長(zhǎng)度等方面 得到廣泛的應(yīng)用。 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 4 控制系統(tǒng)方案的選擇及組成 自動(dòng)控制系統(tǒng)是本除草系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，控制系統(tǒng)能否根據(jù)雜草識(shí)別系統(tǒng)的 處理結(jié)果實(shí)現(xiàn)精確噴施，將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。自動(dòng)控制系統(tǒng)的精準(zhǔn)度、響應(yīng) 時(shí)間是變量控制系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)【1 8 1 。 可變量技術(shù)又是整個(gè)控制系統(tǒng)的重要組成部分，它是在處理了大量信息的基礎(chǔ)上 決策后得到的執(zhí)行。它包括基于地圖的可變量技術(shù)和基于傳感器的可變量技術(shù)?；?傳感器的可變量技術(shù)，可以對(duì)實(shí)時(shí)噴藥量與其對(duì)應(yīng)的位置被記錄下來(lái)，人們可以根據(jù) 記錄下來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到實(shí)時(shí)噴施的效果，方便以后對(duì)控制系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化。 所以，系統(tǒng)采用基于視覺(jué)傳感器的可變量噴施系統(tǒng)。 本控制系統(tǒng)在控制方案確定的時(shí)候，根據(jù)變量原理考慮了兩種控制方式：基于壓 力變化的變量噴施控制方式和脈沖電控變量噴藥控制方式。 1 ) 基于壓力變化的變量噴施控制方式 基于壓力變化的變量噴施控制系統(tǒng)主要是采用實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)供液管路的壓力以實(shí)現(xiàn) 變量施藥，系統(tǒng)示意圖如圖2 1 4 所示。 圖2 1 4 基于壓力變化的變鼉噴施系統(tǒng)不意圖 該系統(tǒng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單且響應(yīng)速度很快，幾乎能在響應(yīng)新的流量信號(hào)的同時(shí)使噴嘴流量 得到調(diào)整，但由于改變施藥系統(tǒng)的噴藥壓力的同時(shí)還改變了霧滴的尺寸和分布圖形， 由此會(huì)影響噴霧的質(zhì)量。 2 ) 基于脈沖電控的變量噴施控制方式 基于脈沖電控的變量噴施控制系統(tǒng)主要是通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖寬度( P W M ) ，控制一個(gè) 周期內(nèi)噴嘴開(kāi)啟與關(guān)閉時(shí)間比值( 占空比) ，從而改變一個(gè)周期內(nèi)噴嘴的流量。在保 持噴藥壓力恒定的條件下，由于脈沖寬度的調(diào)節(jié)范圍比較大，所以噴嘴流量的調(diào)節(jié)范 圍也相應(yīng)較大。 1 6 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 其系統(tǒng)示意圖如圖2 1 5 所示。 圖2 1 5 基于脈沖電控的變量噴施系統(tǒng)示意圖 以沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)其效果基本相同，以此 結(jié)論為理論基礎(chǔ)，出現(xiàn)P W M 控制技術(shù)。P W M 技術(shù)對(duì)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷 進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不等的脈沖，按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖 的寬度進(jìn)行調(diào)制，從而控制一個(gè)周期內(nèi)噴嘴開(kāi)啟與關(guān)閉時(shí)間比值，實(shí)現(xiàn)變量噴施。 一般情況下認(rèn)為在脈寬調(diào)制技術(shù)控制下高速開(kāi)關(guān)閥的平均流量Q 與脈沖信號(hào)的 占空比t 成正比。即 Q = f Q 衄 ( 2 7 ) 式中： f 一脈沖信號(hào)占空比， f ：t A _ e t f 0 一脈沖信號(hào)周期； 一脈寬； Q 眥一閥的最大流量； = c 4 p 2 浮 8 ， 式中： c 一流量系數(shù)； 卯一閥的流通截面積5 卻一閥的上下游壓力差； 伊一流體密度。 江蘇太學(xué)碩士學(xué)位論支 根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際要求和影響田素，系統(tǒng)決定選用基r 脈沖電擰的變量噴施控制方 案，由驅(qū)動(dòng)電路結(jié)合P W M 技術(shù)根據(jù)除草平臺(tái)的速度和叫雜# 分怖狀況及而穆 控制 電磁閥的丌啟時(shí)刻及_ f 1 = 啟時(shí)陽(yáng)J 與關(guān)閉時(shí)間比值，以滿足精確塒靶變量噴施系統(tǒng)調(diào)節(jié)噴 蜘量和”肩時(shí)刻，準(zhǔn)確地將農(nóng)藥噴施到目標(biāo)雜草上。 為了進(jìn)步提l 吉_ _ 控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、u r 牟性和宜仝t I ：，采川A R M 7 微控制器， 井移植嵌入式實(shí)時(shí)系績(jī)uc ，O S 1 I 。 25 傳感器的選擇 在精確噴施除犖控制系統(tǒng)中，山十系統(tǒng)的噴藥n J 刻和噴藥量與很多參數(shù)有關(guān)， 所咀該控制系統(tǒng)涉及到很多傳感器，它們選擇的好壞與精度將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的精 度及穩(wěn)定性。其中也括川米測(cè)量行使速度位移的旋轉(zhuǎn)編碼器、川柬測(cè)定系統(tǒng)流量的 流量傳感器等。下血就設(shè)計(jì)葉1 用到的傳感器做個(gè)簡(jiǎn)單的論述。 251 速度位移傳感器 速度位移傳感器在系統(tǒng)中擔(dān)任著采集除草裝置的行駛速度信息和位移信息的重 要任務(wù)，它的精確度平可靠性的商低，將直接影響系統(tǒng)能雨E 常工作。本系統(tǒng)根據(jù)需 要選片j 旋轉(zhuǎn)編碼器進(jìn)行精確對(duì)靶變量噴施除草系統(tǒng)j r 使速度的測(cè)量。使用的足歐姆龍 E 6 8 2 旋轉(zhuǎn)編碼器，血罔2 1 6 所示，接線力式見(jiàn)表2 4 。 喪24 旋轉(zhuǎn)編碼器接線說(shuō)明 線也端f 名 揭 1 “ 自 桁 齲 幽21 6 旋轉(zhuǎn)編碼器 利用旋轉(zhuǎn)編碼器洲垃r 臺(tái)行駛距離時(shí)，就是通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將阿線位移轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn) 編碼器的旋轉(zhuǎn)角度t 而旋轉(zhuǎn)編碼器每旋轉(zhuǎn)一蒯就會(huì)輸i I 定數(shù)的脈沖( 本業(yè)選用的 歐姆龍E 6 8 2 旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)輸m2 0 0 0 個(gè)脈沖) 。 J 8 相相相州 叫 A B z 哪“出出出蚴輸輸輸 4 0 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論丈 設(shè)、平臺(tái)向前行駛時(shí)，旋轉(zhuǎn)編碼器l F 轉(zhuǎn)，此時(shí)A 相超前B 相9 0 度( 即1 4 周期) 當(dāng)、f J 臺(tái)后退時(shí)，旋轉(zhuǎn)編碼器反轉(zhuǎn)，A 柏落后B 相9 0 度，如圖2 1 7 所目i 。 蹴簍乎戰(zhàn)哿母 鼬：鳧哥亭砼 252 流量傳感器 流爵倦感器J 口束采集噴施除草系統(tǒng)的藥液流量，流量傳感器的準(zhǔn)確度和町靠性的 高低，也將足決定系統(tǒng)的成敗的重要因素之- o 選用的是L W G Y - 0 6 型渦輪流最傳感 。要黧0 4 m 刪2 5 m 弧 悄 流量范圍：o3 ，l l o3 m飛曩 常規(guī)耐受壓力：63 M P a 供電電源：外供電2 4 V D c 0 - l 一 輸出信號(hào)：4 2 0 m A 輸出( 兩線制) J 作原理：渦輪流量傳感器q J 的渦輪在流體流動(dòng)作用F 會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，由于葉輪的 葉片與流向有一定的角度，流體的沖力使I r t - ；q 具有轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，克服摩擦力矩和流體阻 力之后葉片旋轉(zhuǎn)，在力矩平衡后轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，在一定的條件下，轉(zhuǎn)速與流速成正比，由 于葉片有導(dǎo)磁性，它處于佶號(hào)榆測(cè)器( 由水久磁鍘干線罔組成) 的磁場(chǎng)中，旋轉(zhuǎn)的叫 片切割磁力線，周期性的改變著線圈的磁通雖，從而使線圈兩端感應(yīng)山f 乜信、，。 26 執(zhí)行設(shè)備及調(diào)壓閥的選擇 26 1 電磁閥 電磁R j j 作為執(zhí)行外關(guān)，控制噴施除草系統(tǒng)藥液的通斷，并結(jié)合P W M 技術(shù)實(shí)現(xiàn)變 江蘇太學(xué)碩士學(xué)住論文 量控制。所以電磁閥要具有控制精度較高及響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，本系統(tǒng)選用的 I V Y 7 9 A 直動(dòng)活塞式電磁閥，它在真卒、負(fù)壓、零壓時(shí)能T F 常工作，闊芯為聚四氟乙 烯，耐腐蝕性強(qiáng)，領(lǐng)先的四氟活塞結(jié)構(gòu)，最高耐壓06 M I a 。如圖21 9 所示。原理： 通電時(shí)，電磁閥的電磁線圈產(chǎn)生電磁力將閥芯向上提起，閥門(mén)打開(kāi)：斷電時(shí)，電磁力 消失，電磁閥芯在彈簧的作用下復(fù)位，閥門(mén)關(guān)閉。 主要技術(shù)參數(shù)： 最高切換頻率：1 0 H z 額定電壓D C 2 4 V 公稱壓力：6 b a r 公稱通徑：6 r a m 控制方式；常閉 最大流量：8 I d m i n 262 平衡減壓閥 盈 圖21 9 直動(dòng)活塞式電磁閥 平衡減壓閥作為噴施系統(tǒng)的保護(hù)裝置，防止系統(tǒng)過(guò)壓造成器件的損壞，同時(shí)， 它還可以在線寬范圍調(diào)節(jié)系統(tǒng)的壓力有助于分析系統(tǒng)在不同壓力下的性能。安裝甲 衡減壓閥后還可以降低管道內(nèi)的噪聲。選用H o n e y W e l l D 0 6 型平衡減壓閥，如圖2 2 0 所示。 主要技術(shù)參數(shù)： 入口壓力：最大2 5 b a r I l 幾難力：1 5 b m r 6 b m 最小壓降：1 0 b a r 流量：最大2 4 m 弧 T 作介質(zhì)：壓縮的水或輕微腐蝕液體圖22 0 平衡減壓閥 利用減壓闊內(nèi)的減壓閥門(mén)彈簧和橫膈膜的力平衡原理如果作用在橫膈膜上的力 下降，那么閥門(mén)彈簧的較強(qiáng)力量導(dǎo)致閥門(mén)打開(kāi)，出lj 壓力增加，直到橫膈膜上的力與 彈簧彈力再一次相等。同時(shí)，入口壓力的波動(dòng)并不影響出口壓力的變化，保證出n 壓 力的平穩(wěn)性。 冷 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 7 系統(tǒng)的功能框圖 控制系統(tǒng)是基于機(jī)器視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)的精確噴施除草系統(tǒng)，整個(gè)控制系統(tǒng)處于自 動(dòng)工作模式?？刂葡到y(tǒng)的功能框圖如圖2 2 1 所示。 圖2 2 1 控制系統(tǒng)的功能框圖 在系統(tǒng)工作過(guò)程中，嵌入式微控制器S 3 C 4 4 B O X 首先接收視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)傳來(lái)的田 間雜草信息，將其存儲(chǔ)在S D R A M 中，并且在液晶屏上實(shí)時(shí)顯示雜草的位置；同時(shí)將 編碼器中的位置信息讀入S 3 C 4 4 B O X 中，結(jié)合雜草位置信息及面積信息，利用模糊控 制技術(shù)