2 0 2 4 年 2 月 農(nóng) 業(yè) 機(jī) 械 學(xué) 報(bào) 第 55 卷 第 2 期 doi 10 6041 j issn 1000 1298 2024 02 016 連棟溫室分段變距噴霧機(jī)器人設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 李天華 1 2 董廣勝 1 姚玉康 1 張觀山 1 2 王德倫 3 施國(guó)英 1 2 1 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院 泰安 271018 2 山東省農(nóng)業(yè)裝備智能化工程實(shí)驗(yàn)室 泰安 271018 3 泰安市質(zhì)量技術(shù)檢驗(yàn)檢測(cè)研究院 泰安 271000 摘要 針對(duì)國(guó)內(nèi)連棟溫室缺乏植保噴霧機(jī) 機(jī)械走直定位與換軌轉(zhuǎn)向精度低等問題 設(shè)計(jì)了一種連棟溫室分段變距 噴霧機(jī)器人 在實(shí)現(xiàn)無人化噴藥的同時(shí)提高作業(yè)精度 為滿足連棟溫室機(jī)械作業(yè)路軌結(jié)合 精準(zhǔn)切換的要求 提出 一種通用型移動(dòng)底盤 并確定其關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù) 為減少底盤上下軌時(shí)的偏移量 設(shè)計(jì)軌上矯正裝置 通過分析計(jì)算 及試驗(yàn)驗(yàn)證 確定其安裝余量為 4 mm 針對(duì)底盤對(duì)軌誤差大的問題 提出一種二維碼融合陀螺儀及光電傳感器雙向 垂直尋跡的路面關(guān)鍵點(diǎn)定位與轉(zhuǎn)向控制方法 設(shè)計(jì)分段變距噴霧裝置 提出一種絲桿滑臺(tái)驅(qū)動(dòng)的噴桿變距方案 分析校驗(yàn)其驅(qū)動(dòng)參數(shù)以滿足工作要求 基于滾針軸承設(shè)計(jì)噴桿輔助防抖裝置 減小因噴桿劇烈抖動(dòng)帶來的滑臺(tái)與 噴桿損傷 開發(fā)底盤運(yùn)動(dòng)及分段變距噴霧控制系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)噴霧機(jī)器人在連棟溫室內(nèi)的全程自動(dòng)化作業(yè) 最后 對(duì) 樣機(jī)進(jìn)行底盤性能與噴霧效果試驗(yàn) 底盤作業(yè)時(shí)直線行走與對(duì)軌誤差平均值分別為 4 8 5 8 mm 滿足控制精度要 求 避障距離為 34 cm 滿足安全性要求 防抖裝置的安裝使噴桿行進(jìn)方向的抖動(dòng)量從 1 1 3 降低到 0 4 內(nèi) 噴頭方向的抖動(dòng)量從 0 5 降低到 0 3 內(nèi) 防抖效果顯著 分段變距噴霧作業(yè)后 盛果期番茄葉片正面霧滴沉積 量為 1 76 L cm 2 反面沉積量為 0 2 L cm 2 霧滴體積中徑在 100 180 m 之間 滿足作業(yè)要求 關(guān)鍵詞 連棟溫室 噴霧機(jī)器人 掃碼定位 分段噴霧 變距噴霧 中圖分類號(hào) S224 3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1000 1298 2024 02 0170 10 OSID 收稿日期 2023 07 13 修回日期 2023 08 22 基金項(xiàng)目 山東省重大科技創(chuàng)新工程項(xiàng)目 2022CXGC020708 2019JZZY020620 和山東省蔬菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項(xiàng)目 SDAIT 05 11 作者簡(jiǎn)介 李天華 1976 男 教授 博士生導(dǎo)師 主要從事智能農(nóng)機(jī)裝備研究 E mail lth5460 163 com 通信作者 施國(guó)英 1980 女 高級(jí)實(shí)驗(yàn)師 主要從事設(shè)施機(jī)械與農(nóng)機(jī)裝備研究 E mail sgy509 sdau edu cn Design and Experiment of Segmented and Variable Distance Spraying obot for Multi span Greenhouse LI Tianhua 1 2 DONG Guangsheng 1 YAO Yukang 1 ZHANG Guanshan 1 2 WANG Delun 3 SHI Guoying 1 2 1 College of Mechanical and Electronic Engineering Shandong Agricultural University Taian 271018 China 2 Shandong Provincial Engineering Laboratory of Agricultural Equipment Intelligence Taian 271018 China 3 Taian Institute of Quality and Technology Inspection and Testing Taian 271000 China Abstract In response to the lack of connected greenhouse plant protection spraying machines low precision in mechanical straight line positioning and rail switching a segmented and variable distance spraying robot was designed for multi span greenhouses to achieve unmanned spraying while improving operational precision To meet the requirements of combining road and track operation and precise switching for mechanical operations in multi span greenhouses a universal mobile chassis was proposed with its key design parameters determined To reduce deviations during chassis movement along the upper and lower rails a rail correction device was designed Through analysis calculations and experimental validation an installation clearance of 4 mm was established as suitable Considering the significant chassis tracking errors a road surface key point positioning and steering control method combining Q codes gyroscopes and photoelectric sensors was proposed The design of the segmented and variable distance spraying device involved proposing a screw slide table driven spray boom with variable distance capabilities The driving parameters were analyzed and validated to meet the operational requirements Additionally an auxiliary anti vibration device based on roller bearings was developed to reduce damage caused by severe vibration of the spray rod The chassis motion and segmented and variable distance spraying control system were developed to enable full automation of the spraying robot within multi span greenhouses Finally performance and spray effect tests were conducted on the prototype yielding the following results the average straight line travel error and tracking error of the chassis were 4 8 mm and 5 8 mm respectively meeting the requirements for control precision The obstacle avoidance distance was 34 cm ensuring safety The installation of the anti vibration device reduced the vibration in the travel direction of the spray rod from 1 to 1 3 to within 0 4 and limited the vibration in the nozzle direction from 0 5 to within 0 3 demonstrating significant improvement in anti vibration effectiveness Following segmented and variable distance spraying the deposition of mist droplets on the front surface of tomato leaves during the fruiting stage was approximately 1 76 L cm 2 while the back surface achieved approximately 0 2 L cm 2 of deposition The mist droplet volume median diameter ranged from 100 m to 180 m meeting the operational requirements Key words multi span greenhouse spray robot scan code positioning segmented spray variable distance spray 0 引言 溫室病蟲害多發(fā)是嚴(yán)重制約農(nóng)作物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì) 發(fā)展的重要因素 1 噴灑農(nóng)藥是目前病蟲害防治中 最高效的手段 2 3 在連棟溫室內(nèi)噴灑藥液過程中 普遍存在定量 無差別噴霧的現(xiàn)象 因此提高農(nóng)藥噴 灑效率 減少藥液浪費(fèi)是當(dāng)前亟需解決的難題 圍繞溫室植保機(jī)械 國(guó)外學(xué)者不僅對(duì)小型化背 負(fù)式噴霧設(shè)備 4 6 進(jìn)行了改良 還對(duì)溫室智能化噴 霧設(shè)備的精確噴霧 自動(dòng)導(dǎo)航等進(jìn)行了較多研究 EFIGH 等 7 利用溫室內(nèi)部搭建的標(biāo)準(zhǔn)化熱水管道 作為移動(dòng)軌道 設(shè)計(jì)了一款自動(dòng)裝置對(duì)兩側(cè)同時(shí)噴 霧 提高了作業(yè)效率 HEJAZIPOO 等 8 設(shè)計(jì)了一 種使用 Kinect v 1 相機(jī)采集植株冠層體積的智能噴 霧機(jī) 器 人 通過估算冠層體積進(jìn)行對(duì)靶噴霧 CANTELLI 等 9 開發(fā)了一種能夠在溫室與田地中作 業(yè)的履帶式植保機(jī)器人 利用立體攝像頭并融合多 傳感器技術(shù) 實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境下自主導(dǎo)航植保作業(yè) HEIDA I 等 10 利用溫室噴霧移動(dòng)機(jī)器人驗(yàn)證了基 于路徑學(xué)習(xí)的導(dǎo)航算法 其自主學(xué)習(xí)算法的直線與 方形路徑導(dǎo)航精度偏差低于人工遙控方式 我國(guó)溫室噴灑農(nóng)藥的方式仍然以人工或半自動(dòng) 機(jī)械噴霧為主 存在效率低 成本高 難以實(shí)現(xiàn)人藥 分離 噴灑隨機(jī)性高 藥液利用率低等問題 11 14 部分研究學(xué)者與機(jī)構(gòu)對(duì)植保噴霧機(jī)械靜電噴霧 變 距噴霧 風(fēng)送噴霧及自動(dòng)導(dǎo)航等關(guān)鍵技術(shù) 15 20 進(jìn)行 了相關(guān)研究 吳亞壘等 21 設(shè)計(jì)了嵌入式遠(yuǎn)程噴霧 控制系統(tǒng) 通過采集植株冠層信息 改變風(fēng)送噴霧距 離 實(shí)現(xiàn)變距離對(duì)靶噴霧 石雨欣等 22 針對(duì)內(nèi)部無 行走通道的溫室設(shè)計(jì)了一種手推式離心霧化噴霧 機(jī) 采用離心霧化技術(shù)配合氣流輔助噴霧方式 進(jìn)行 遠(yuǎn)距離風(fēng)送噴霧 馬國(guó)義等 23 結(jié)合風(fēng)送噴霧及遠(yuǎn) 程遙控技術(shù) 設(shè)計(jì)了一種溫室履帶式自走噴霧機(jī) 北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心 24 設(shè)計(jì)了一款應(yīng) 用于大型玻璃溫室的植保噴霧機(jī)器人 采用 SLAM Simultaneous localization and mapping 技術(shù)實(shí)現(xiàn)室 內(nèi)導(dǎo)航作業(yè) 但沒有對(duì)不同高度植株變量噴霧展開 研究 蘇州博田自動(dòng)化技術(shù)有限公司 25 也根據(jù)雙 行保溫管道的鋪設(shè)特點(diǎn) 研制了軌道噴霧機(jī)器人 使 用視覺結(jié)合 FID adio frequency identification 標(biāo) 簽定位的方式實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航作業(yè) 使用超聲波傳感器檢 測(cè)植株高度以達(dá)到精準(zhǔn)對(duì)靶噴霧的目的 綜上所述 國(guó)內(nèi)所應(yīng)用的溫室植保噴霧設(shè)備正 從手動(dòng)式向半自動(dòng) 全自動(dòng)化方向發(fā)展 但是大多數(shù) 植保噴霧機(jī)械需要人工輔助作業(yè) 自動(dòng)化 智能化植 保噴霧設(shè)備仍處于研究試驗(yàn)階段 本研究擬提出一 種連棟溫室分段變距噴霧機(jī)器人 實(shí)現(xiàn)基于作物高 度與植株生長(zhǎng)特性的自動(dòng)噴霧作業(yè) 1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與參數(shù) 噴霧機(jī)器人包括上部噴霧系統(tǒng)和下部通用移動(dòng) 底盤 噴霧系統(tǒng)主要包括雙邊移動(dòng)噴桿裝置 供水 調(diào)壓裝置及終端控制裝置等 通用移動(dòng)底盤主要包 圖 1 噴霧機(jī)器人三維模型圖 Fig 1 3D model diagram of spray robot 1 終端控制裝置 2 噴霧系統(tǒng) 3 通用移動(dòng)底盤 4 萬向輪 5 主動(dòng)輪 6 卡扣 7 軌道輪 8 超聲波傳感器 9 防撞條 10 雙邊移動(dòng)噴桿 括方管框架 直流電機(jī) 軌道輪 主動(dòng)輪 萬向輪及多 種傳感器等 三維模型如圖 1 所示 相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù) 如表 1 所示 171第 2 期 李天華 等 連棟溫室分段變距噴霧機(jī)器人設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 表 1 噴霧機(jī)器人設(shè)計(jì)參數(shù) Tab 1 Design parameters of spray robot 參數(shù) 數(shù)值 長(zhǎng) 寬 高 mm mm mm 1 750 718 2 458 整機(jī)最大質(zhì)量 kg 500 最大載藥液量 L 200 地面行駛最大速度 m s 1 1 2 軌道行駛最大速度 m s 1 0 5 連續(xù)工作時(shí)長(zhǎng) h 5 噴桿調(diào)節(jié)距離 cm 0 25 噴霧壓力 MPa 0 3 0 5 噴幅 m 2 1 作業(yè)效率 km 2 h 1 2 5 2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與分析 2 1 通用移動(dòng)底盤 設(shè)計(jì)通用移動(dòng)底盤以滿足連棟溫室機(jī)械 路軌 結(jié)合 移動(dòng)方式要求 在行間作業(yè)時(shí)以雙行保溫管 道為行走軌道 換行時(shí)在室內(nèi)路面行走 轉(zhuǎn)向 通用 移動(dòng)底盤結(jié)構(gòu)如圖 2 所示 圖 2 通用移動(dòng)底盤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 Fig 2 Structural diagrams of universal mobile chassis 1 配重 2 鏈條 3 減速器 4 減振器 5 直流電機(jī) 6 鋰電 池 7 控制箱 8 方管框架 9 主動(dòng)軌道輪 10 光電傳感器 11 掃碼模塊 12 從動(dòng)軌道輪 13 連接底板 14 軌上矯正裝 置 15 行走主動(dòng)輪 16 萬向輪 2 1 1 行走驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) 通用移動(dòng)底盤由兩臺(tái)直流電機(jī)提供動(dòng)力 經(jīng)減 速器連接主傳動(dòng)軸 主傳動(dòng)軸一端連接行走主動(dòng)輪 另一端連接鏈輪 主動(dòng)軌道輪由兩級(jí)鏈傳動(dòng)驅(qū)動(dòng) 與從動(dòng)軌道輪組成四輪系統(tǒng) 滿足軌道行走要求 此外 4 個(gè)萬向輪用于地面行走的輔助支撐 移動(dòng) 底盤行駛阻力為 26 F F f F r F a F q 1 其中 F f fm 0 g 2 F r m 0 gsin 0 3 F a m 0 a 0 4 式中 F 底盤運(yùn)行時(shí)克服的阻力 N F f 地面滾動(dòng)摩擦力 N F r 坡度阻力 N F a 加速阻力 N F q 空氣阻力 忽略不計(jì) N f 滾動(dòng)阻力系數(shù) 取 0 018 m 0 整機(jī)最大質(zhì)量 取 500 kg g 重力加速度 取 9 8 m s 2 0 地面坡度 取 3 a 0 最大加速度 取 0 3 m s 2 經(jīng)計(jì)算 底盤需要克服的阻力 F 為 495 N 單 個(gè)電機(jī)扭矩 T 0 轉(zhuǎn)速 n 0 功率 P 0 需滿足 T 0 Fd 0 4 0 i 5 n 0 60vi d 0 6 P 0 T 0 n 0 9 550 7 式中 d 0 車輪直徑 取 0 3 m 0 傳動(dòng)效率 取 0 9 i 減速比 取 30 v 設(shè)計(jì)運(yùn)行速度 取 1 2 m s 經(jīng)計(jì)算 滿足條件的電機(jī)扭矩 T 0 為 1 4 N m 轉(zhuǎn) 速 n 0 為 2 291 r min 功率 P 0 為 0 34 kW 選型時(shí)留 出適量余量 最終選擇的電機(jī)額定扭矩為 1 7 N m 功率為 0 5 kW 轉(zhuǎn)速為 2 800 r min 2 1 2 軌上矯正裝置 圖 3 軌上矯正裝置 Fig 3 Angle correction device on rail 軌上矯正裝置如圖 3 所示 由 4 個(gè)直角軸承構(gòu) 成 通過 U 形螺栓分別固定于左右兩側(cè)車架上 單 個(gè)直角軸承由滾針軸承與支架構(gòu)成 滾針軸承通過 螺栓固定于支架上 每個(gè)直角軸承可上下自由調(diào) 節(jié) 將滾針軸承中部調(diào)節(jié)至保溫管道中部水平切面 位置 以防止脫軌 同時(shí) 通過調(diào)整雙孔墊片個(gè)數(shù)調(diào) 271 農(nóng) 業(yè) 機(jī) 械 學(xué) 報(bào) 2 0 2 4 年 節(jié)滾針軸承與管道間的距離 底盤上軌整體偏到極限位置 即對(duì)角線軌上矯 正裝置的滾針軸承同時(shí)接觸軌道時(shí) 車身達(dá)到最大 偏差角 如圖 4 所示 以底盤處于軌上右偏極限位 置進(jìn)行分析 圖中豎直虛線為雙行保溫管道中心線 矯正裝置的 4 個(gè)滾針軸承中心點(diǎn)構(gòu)成長(zhǎng)方形 4 個(gè)頂 點(diǎn) 圖中 L 表示側(cè)邊兩個(gè)直角軸承機(jī)構(gòu)中心間距 mm 表示偏差角 K 表示左右兩個(gè)軌上矯正 裝置軸承機(jī)構(gòu)中心距離 mm r 表示滾針軸承半徑 mm J 表示雙行保溫管道距離 mm 圖 4 右偏極限位置示意圖 Fig 4 Diagram of right deviation limit position 由圖 4 可知 ABC DBE 可得 K 2 L 2 tan L 2cos J 2 r L 2 8 將 L 500 mm J 600 mm r 20 mm 代入 式 8 中 整理可得左右兩個(gè)軌上滾針軸承中心的 水平間距 K 與偏差角 的關(guān)系為 K 640 500sin cos 9 底盤與軌道兩者中心線重合時(shí) 單邊軌上滾針 軸承外邊緣與保溫管道的距離為 M K J 2 r 10 結(jié)合上下軌精度要求 偏差角 范圍為 0 2 符合偏差角要求的 M 最大值為 8 9 mm 可減小 M 提高矯正效果 但 M 過小會(huì)出現(xiàn)卡軌導(dǎo)致上軌失 敗 經(jīng)測(cè)試 在 M 4 mm 時(shí) 可以兼顧上軌矯正精 度與成功率 上軌矯正效果如圖 5 所示 由圖可知 安裝與未安裝矯正裝置均在上軌初始階段產(chǎn)生較大 波動(dòng) 這是因?yàn)橹鲃?dòng)軌道輪剛上軌時(shí) 矯正裝置尚未 接觸軌道 當(dāng)軌上矯正裝置接觸軌道后 可以明顯 抑制噴霧機(jī)器人擺動(dòng) 限制其偏差角 使其順利上軌 2 1 3 路面定位系統(tǒng) 1 路面定位標(biāo)志 路面定位標(biāo)志由黑色十字標(biāo)及位于其交叉中心 圖 5 上軌矯正效果 Fig 5 Effect diagram of upper rail correction 的二維碼組成 如圖 6 所示 豎直短劃線為作物行 間保溫管道中心線 水平點(diǎn)劃線為地面通道底盤行 走中軸線 兩條線相交點(diǎn)即為定位標(biāo)記鋪設(shè)位置 其中 二維碼用于標(biāo)記軌道編號(hào)及路軌切換信息 黑 色十字標(biāo)用于噴霧機(jī)器人的轉(zhuǎn)向校準(zhǔn) 解決因路面 不平整 建設(shè)誤差等原因造成的機(jī)器人跑偏問題 圖 6 路面定位標(biāo)志 Fig 6 oad positioning signs 2 底盤定位傳感器 底盤定位傳感器由掃碼模塊與光電傳感器陣列 組成 掃碼模塊掃描二維碼 以獲取編號(hào)信息 光電 傳感器陣列檢測(cè)黑色十字標(biāo) 進(jìn)行車身角度調(diào)整 增 加對(duì)軌準(zhǔn)確性 底盤定位傳感器安裝于移動(dòng)底盤底 面的中心位置 排列方式如圖 7 所示 圖 7 底盤定位傳感器排列方式示意圖 Fig 7 Schematic diagram of the arrangement of chassis positioning sensor 2 2 分段變距噴霧機(jī)構(gòu) 分段變距噴霧機(jī)構(gòu)由噴頭 噴桿 電磁閥 激光 傳感器 絲桿滑臺(tái) 連接桿 藥桶 水泵及護(hù)罩等構(gòu) 成 分段變距噴霧機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖 8 所示 2 2 1 雙邊移動(dòng)噴桿裝置 選用絲桿滑臺(tái)作為噴桿移動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置 提供豎 直方向的驅(qū)動(dòng)力 連接桿一端鉸接于絲桿滑臺(tái)滑塊 的雙頭連接件上 另一端鉸接于噴桿支架上 噴桿 371第 2 期 李天華 等 連棟溫室分段變距噴霧機(jī)器人設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 圖 8 分段變距噴霧機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖 Fig 8 Structure diagram of segmented and variable distance spray mechanism 1 控制箱 2 藥桶 3 噴桿支架 4 激光傳感器 5 電磁閥 6 噴頭 7 噴桿 8 絲桿滑臺(tái) 9 連接桿 10 護(hù)罩 11 噴桿 夾緊裝置 12 螺栓型滾針軸承 13 安裝支架 14 絲桿滑臺(tái)支 架 15 雙頭連接件 16 水泵 17 水管 18 滑軌 19 滑塊 底座 經(jīng)支架固定于底部的滑塊上 可在滑軌上移動(dòng) 為保證絲桿滑臺(tái)在工作時(shí)的穩(wěn)定性 校核所選 絲桿容許極限負(fù)載與轉(zhuǎn)速 容許極限軸向負(fù)載 為 27 P c n 2 EQ k 2 m m d 4 r k 2 10 4 11 其中 Q 64 d r 12 式中 P c 容許極限軸向載荷 N k 螺母與支撐座間距 mm E 楊氏模量 取 2 06 10 11 Pa Q 絲桿軸螺紋內(nèi)徑截面最小慣性矩 mm 4 d r 絲桿軸徑 mm m 余量系數(shù) 取 0 8 n m 由滾珠絲桿支撐方式確定的系數(shù) n 取 4 m 取 19 9 容許極限轉(zhuǎn)速為 N c f a 60 2 2 k 2 1 000EQ 槡 d r k 2 10 7 13 式中 N c 絲桿容許極限轉(zhuǎn)速 r min f a 余量系數(shù) 取 0 8 密度 取 7 8 10 6 kg mm 3 由滾珠絲桿支撐方式確定的系數(shù) 取 4 73 取 21 9 絲桿滑臺(tái)為垂直安裝 且使用時(shí)為勻速轉(zhuǎn)動(dòng) 其 軸向負(fù)載為 P b M 0 g 2 2 0 M 1 gtan 14 式中 P b 軸向負(fù)載 N M 0 滑塊與連接桿質(zhì)量 取 1 kg M 1 單側(cè)噴桿裝置質(zhì)量 取 4 kg 0 滑臺(tái)摩擦因數(shù) 取 0 15 連接桿與水平面夾角 負(fù)載扭矩為 T P b l 0 2 1 15 其中 1 1 1 tan 1 1 1 tan 1 16 式中 T 負(fù)載轉(zhuǎn)矩 N cm l 0 滾珠絲桿螺距 取 0 5 cm 1 滾珠絲桿效率 取 0 9 1 滾珠絲桿摩擦因數(shù) 1 螺紋升角 連接桿與水平面夾角 最大值為 70 經(jīng)計(jì)算 軸向負(fù)載最大約為 133 N 負(fù)載扭矩最大 約 為 11 8 N cm 最終選定絲桿滑臺(tái)的滾珠絲桿直徑為 1 6 cm 導(dǎo)程為 5 cm 步進(jìn)電機(jī)扭矩為 65 N cm 所 選絲桿滑臺(tái)容許極限負(fù)載與轉(zhuǎn)速均符合設(shè)計(jì)要求 噴頭間距與到噴霧作業(yè)面的距離關(guān)系如圖 9 所 示 圖中 d 為噴頭安裝間距 m h 為噴頭到噴霧平 面的距離 m 為噴霧角 a 為相鄰噴頭間噴霧 線重疊距離 m l 為噴頭有效噴霧線長(zhǎng)度 m 圖 9 噴頭安裝間距與噴頭到噴霧作業(yè)面距離關(guān)系示意圖 Fig 9 Schematic diagram of relationship between sprinkler installation spacing and distance from sprinkler to spray working surface 相鄰兩噴頭之間 一定的重疊作業(yè)面積能保證 噴頭邊緣作業(yè)的有效性 重疊率控制在 0 25 0 3 為宜 本研究取 0 3 故由圖 9 可得 28 l 2htan 2 17 a 0 3l 18 d l a 19 整理得 d 1 4htan 2 20 選用噴頭型號(hào)為 VP110 015 其噴霧角為 471 農(nóng) 業(yè) 機(jī) 械 學(xué) 報(bào) 2 0 2 4 年 110 噴頭間距為 0 78 m 噴頭到噴霧平面的距離 h 為 0 39 m 2 2 2 噴桿輔助防抖裝置 在噴霧機(jī)器人啟停與上下軌過程中 受慣性與 振動(dòng)影響噴桿易產(chǎn)生抖動(dòng) 影響滑軌使用壽命與噴 霧精度 為降低噴桿的抖動(dòng)幅度 增加噴桿輔助防 抖裝置 如圖 10 所示 防抖裝置由護(hù)罩及噴桿夾緊 裝置兩部分組成 護(hù)罩的中部槽寬 60 mm 其槽內(nèi)側(cè) 擋板能夠?yàn)閲姉U夾緊裝置提供支撐作用 夾緊裝置 由 2 個(gè)螺栓型滾針軸承及安裝架構(gòu)成 單側(cè)噴桿左 右兩側(cè)對(duì)稱安裝有 2 個(gè)噴桿夾緊裝置 滾針軸承緊 貼護(hù)罩槽內(nèi)側(cè)板 限制噴桿在運(yùn)行時(shí)的抖動(dòng)幅度 圖 10 噴桿輔助防抖裝置 Fig 10 Spray rod auxiliary anti shaking device 3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 噴霧機(jī)器人硬件系統(tǒng)構(gòu)成如圖 11 所 示 STM32 控制器采集 IMU Inertial measurement unit 的姿態(tài)信息與編碼器速度信息并控制電機(jī)運(yùn)行 完 成底盤的直行與轉(zhuǎn)向等功能 超聲波模塊與防撞條 用于安全防護(hù) 掃碼模塊用于換行信息的采集 光電 傳感器對(duì)底盤進(jìn)行姿態(tài)微調(diào) 保證對(duì)行的準(zhǔn)確度 激 光傳感器采集植株的高度信息 改變噴霧作業(yè)覆蓋 范圍 實(shí)現(xiàn)分段噴霧 控制器改變給水泵驅(qū)動(dòng)器的 PWM Pulse width modulation 信號(hào)以調(diào)整噴霧供水 壓力 液位傳感器檢測(cè)水箱中水位 水位過低時(shí)報(bào)警 提示 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿滑臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn) 調(diào)整噴桿與植株 的距離 進(jìn)行變距噴霧 接近開關(guān)安裝于絲桿滑臺(tái)工 作范圍的上端與下端 進(jìn) 行 限 位 保 護(hù) MCGS Monitor and control generated system 用于人機(jī)交 互 修改相關(guān)參數(shù) 3 1 底盤運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 1 底盤直線行走與轉(zhuǎn)向控制 噴霧機(jī)器人在相鄰兩個(gè)路面定位標(biāo)志之間移動(dòng) 時(shí) 采 用 串 級(jí) PID Proportion integration differentiation 控制算法對(duì)兩輪動(dòng)態(tài)調(diào)速 使其保持 直線運(yùn)動(dòng) 其中 驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度由空心軸增量式 編碼器測(cè)量 車體角度通過 IMU 獲取 串級(jí) PID 內(nèi) 環(huán)為速度環(huán) 用于控制機(jī)器人的速度 外環(huán)為位置 環(huán) 用于控制機(jī)器人在直線上的位置 如圖 12a 所 圖 11 硬件系統(tǒng)構(gòu)成圖 Fig 11 Hardware system composition diagram 1 STM32 2 MCGS 3 IMU 4 編碼器 5 超聲波模塊 6 防 撞條 7 掃碼模塊 8 接近開關(guān) 9 光電傳感器 10 激光傳感 器 11 液位傳感器 12 水泵驅(qū)動(dòng)器 13 水泵 14 繼電器模 塊 15 電磁閥 16 聲光報(bào)警器 17 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 18 絲 桿滑臺(tái) 19 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 20 電機(jī) 示 以左輪為參考標(biāo)準(zhǔn) 右輪調(diào)速進(jìn)行車體角度跟 隨 使得兩輪速度相關(guān)聯(lián) 保持前行角度 旋轉(zhuǎn)時(shí) 串級(jí) PID 內(nèi)環(huán)為角速度環(huán) 用于控制機(jī)器人旋轉(zhuǎn)速 度 外環(huán)為角度環(huán) 用于控制機(jī)器人原地旋轉(zhuǎn)角度 如圖 12b 所示 圖 12 串級(jí) PID 結(jié)構(gòu)圖 Fig 12 Cascade PID structure diagram 2 底盤定位控制 通過對(duì)光電傳感器觸發(fā)閾值的調(diào)整 使其照射 地面時(shí)為觸發(fā)狀態(tài) 照射黑色十字標(biāo)時(shí)為非觸發(fā)狀 態(tài) 噴霧機(jī)器人行間定位時(shí) 當(dāng)左右任一邊激光點(diǎn) 均檢測(cè)到黑色十字標(biāo)時(shí) 停機(jī)掃碼 此時(shí)若激光點(diǎn) 狀態(tài)如圖 13a 所示 則對(duì)齊結(jié)束 若有激光點(diǎn)位于黑 色十字標(biāo)之外 如圖 13b 所示 則噴霧機(jī)器人進(jìn)行姿 態(tài)微調(diào) 直到達(dá)到圖 13a 所示的激光點(diǎn)照射狀態(tài) 3 2 分段變距噴霧控制系統(tǒng) 3 2 1 基于激光傳感器的分段噴霧 噴霧機(jī)器人除手動(dòng)模式設(shè)置噴霧高度外 也支 持自動(dòng)測(cè)高分段模式 通過單點(diǎn)激光傳感器分段檢 測(cè)作物高度 傳感器安裝在與電磁閥高度一致的噴 571第 2 期 李天華 等 連棟溫室分段變距噴霧機(jī)器人設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 圖 13 定位控制示意圖 Fig 13 Positioning control schematics 桿支架上 對(duì)植株分為 3 個(gè)擋位進(jìn)行分段噴霧 噴霧機(jī)器人在上軌的同時(shí)開始采集激光傳感器 信號(hào) 若沒有檢測(cè)到植株 則會(huì)檢測(cè)到較為規(guī)律的吊 蔓繩信號(hào) 如圖 14a 所示 在典型噴霧速度 0 4 m s 時(shí) 吊蔓繩產(chǎn)生的平均脈寬信號(hào)為 2 5 ms 為留有一 定余量 選取 3 ms 為吊蔓繩判定脈寬 檢測(cè)過程中 當(dāng)采集的脈寬信號(hào)大于 3 ms 時(shí)為植株信號(hào) 如 圖 14b 所示 噴霧機(jī)器人開啟對(duì)應(yīng)電磁閥進(jìn)行分段 噴霧 在下軌階段時(shí) 底盤光電傳感器檢測(cè)到地面 信號(hào)后 噴霧停止 圖 14 脈寬信號(hào)示意圖 Fig 14 Schematics of pulse width signal 3 2 2 基于定植時(shí)間的變距噴霧 除手動(dòng)設(shè)置噴頭與植株距離實(shí)現(xiàn)變距噴霧外 還可根據(jù)番茄植株生長(zhǎng)規(guī)律實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變距噴霧 以 番茄為試驗(yàn)對(duì)象 從定植開始 每隔 5 d 進(jìn)行一次測(cè) 量 每次選取 50 株同批次的植株 記錄植株外側(cè)葉 片到植株主稈的平均距離 將同一天采集的數(shù)據(jù)取 平均值 得到如圖 15 所示的統(tǒng)計(jì)圖 從圖 15 可以看出 作物在定植后的前 20 d 左 右 葉片平均伸出距離隨時(shí)間的增長(zhǎng)明顯 在 20 d 后穩(wěn)定在 30 cm 左右 在 30 d 后有所下降是因?yàn)槿~ 片生長(zhǎng)后期下垂的原因 以上述曲線作為控制依據(jù) 20 d 前使用曲線數(shù) 據(jù)擬合葉片伸出距離 定植時(shí)間不在折線點(diǎn)處的數(shù) 據(jù)由其前后折線點(diǎn)數(shù)據(jù)線性擬合 20 d 后的數(shù)據(jù)使 用 20 55 d 葉片平均伸出距離的平均數(shù)進(jìn)行代替 即 30 cm 圖 15 作物葉片平均伸出距離與定植時(shí)間的關(guān)系曲線 Fig 15 elationship curve between average extension distance of crop leaves and planting time 如圖 16 所示 控制器調(diào)整絲桿滑臺(tái)上雙頭連接 件的位置即可實(shí)現(xiàn)噴桿在噴霧機(jī)器人位置的調(diào)整 絲桿滑臺(tái)上的雙頭連接件與其初始位置的長(zhǎng)度 X 為 X H P 2 Z O 槡 2 21 式中 H 連接桿上部安裝位置與雙頭連接件初 始位置的豎直距離 m P 連接桿長(zhǎng)度 m Z 噴霧機(jī)器人中心位置與培養(yǎng)槽中心位 置距離 m O 連接桿上部安裝位置到葉片邊緣的水 平距離 長(zhǎng)度為噴霧距離 h 0 39 m 加 一段噴頭長(zhǎng)度與連接桿固定座的補(bǔ)償 距離 0 1 m 取 0 49 m 葉片伸出距離 m 圖 16 變距噴霧各部分距離關(guān)系圖 Fig 16 Distance relationship diagram of various parts of variable distance spray 4 樣機(jī)試驗(yàn) 4 1 底盤性能試驗(yàn) 噴霧機(jī)器人在運(yùn)行過程中 對(duì)正 走直 轉(zhuǎn)準(zhǔn)是 作業(yè)成功的關(guān)鍵 因此對(duì)底盤性能進(jìn)行試驗(yàn) 確保 其滿足設(shè)計(jì)要求 試驗(yàn)在山東華龍農(nóng)業(yè)裝備股份有 671 農(nóng) 業(yè) 機(jī) 械 學(xué) 報(bào) 2 0 2 4 年 限公司試驗(yàn)棚進(jìn)行 樣機(jī)與試驗(yàn)環(huán)境如圖 17 所示 圖 17 樣機(jī)與試驗(yàn)環(huán)境 Fig 17 Prototype and test environment 1 直線行走試驗(yàn) 選定兩處相鄰的路面定位標(biāo)志 分別作為起點(diǎn) 與終點(diǎn) 使激光水平儀的光線穿過兩處黑色十字標(biāo) 中心點(diǎn) 在噴霧機(jī)器人前方標(biāo)記車身中心 調(diào)整車 身位置使其落在激光線處 使底盤從起點(diǎn)出發(fā) 進(jìn) 行直線行走 在終點(diǎn)處停止 并利用十字標(biāo)記調(diào)整自 身姿態(tài) 調(diào)整完畢后停機(jī)并聲光報(bào)警 記錄此時(shí)激 光線與車身中心標(biāo)記線的距離 試驗(yàn) 5 次 取平 均值 2 對(duì)軌試驗(yàn) 標(biāo)記測(cè)試軌道兩頭的中心位置 將激光水平儀 的激光線穿過這兩點(diǎn) 在延伸處布置路面定位標(biāo)志 使定位標(biāo)志中心點(diǎn)與兩軌道中心點(diǎn)共線 試驗(yàn)時(shí) 噴霧機(jī)器人從起始位置出發(fā) 當(dāng)掃描到路面定位標(biāo) 志后停止 進(jìn)行微調(diào)與 90 旋轉(zhuǎn)對(duì)軌 對(duì)齊后 停機(jī) 報(bào)警 測(cè)量此時(shí)激光線與車身前部中心線的誤差 將此值作為對(duì)軌誤差 試驗(yàn) 5 次 取平均值 3 避障試驗(yàn) 對(duì)噴霧機(jī)器人的超聲波避障進(jìn)行試驗(yàn) 確保其 避障距離符合安全性要求 試驗(yàn)時(shí) 在噴霧機(jī)器人 的工作路徑上 包括軌道上 隨機(jī)放置 5 處采摘筐 每次避障停機(jī)報(bào)警后 測(cè)量承載底盤到采摘筐的距 離并記錄 隨后移除障礙物使其繼續(xù)行進(jìn) 直至 5 處 避障距離數(shù)據(jù)采集完畢 對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理 得到如表 2 所示的試驗(yàn) 結(jié)果 經(jīng)過試驗(yàn) 噴霧機(jī)器人直線行走與對(duì)軌誤差平 均值均在 6 mm 以內(nèi) 控制精度滿足自動(dòng)化運(yùn)行的 表 2 底盤性能試驗(yàn)結(jié)果 Tab 2 Chassis performance test results 試驗(yàn)組別 直線行走誤差 mm 對(duì)軌誤差 mm 避障距離 cm 1 4 6 34 2 3 4 33 3 6 7 36 4 6 6 34 5 5 6 33 平均值 4 8 5 8 34 要求 避障距離平均在 34 cm 左右 可以保證底盤運(yùn) 行的安全性 4 2 噴桿抖動(dòng)試驗(yàn) 為驗(yàn)證噴桿輔助防抖裝置的防抖效果 設(shè)計(jì)了 噴桿抖動(dòng)試驗(yàn) 采用型號(hào)為 TL720D 的 IMU 實(shí)時(shí)測(cè) 量噴桿抖動(dòng)情況 如圖 18 所示 圖 18 噴桿抖動(dòng)試驗(yàn) Fig 18 Spray rod shake test 行走距離設(shè)置為 3 m 在有 無防抖裝置的情況 下 分別設(shè)置行走速度為 0 3 0 4 0 5 m s 采集噴 桿抖動(dòng)數(shù)據(jù) 噴桿抖動(dòng)角度數(shù)據(jù)通過 Gyroscope 軟 件保存 并輸出至 Excel 表格中 對(duì) Excel 表格中 y 軸 沿噴頭方向抖動(dòng)量 z 軸 沿行進(jìn)方向抖動(dòng)量 角度數(shù)據(jù)進(jìn)行整理 結(jié)果如圖 19 所示 圖 19 噴桿抖動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果 Fig 19 Spray rod shaking test results 由圖 19 可知 通過安裝輔助防抖裝置 噴桿行 進(jìn)方向的抖動(dòng)從 1 1 3 控制在 0 4 內(nèi) 噴頭 方向的抖動(dòng)從 0 5 控制在 0 3 內(nèi) 因此 輔助 防抖裝置對(duì)噴桿抖動(dòng)影響具有顯著性 提高了噴桿 穩(wěn)定性 771第 2 期 李天華 等 連棟溫室分段變距噴霧機(jī)器人設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 4 3 噴霧效果試驗(yàn) 現(xiàn)場(chǎng)噴霧試驗(yàn)在山東壽光現(xiàn)代農(nóng)業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)示 范園進(jìn)行 試驗(yàn)時(shí) 隨機(jī)選取 5 行作業(yè)軌道 在每行 作業(yè)軌道中隨機(jī)選擇一個(gè)位置 在上 中 下 3 層任 選 1 個(gè)葉片 分別在正反面使用曲別針加持一片水 敏紙 噴霧機(jī)器人對(duì)所選行進(jìn)行分段變距噴霧作 業(yè) 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖 20 所示 圖 20 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng) Fig 20 Testing site 試驗(yàn)完畢后 收集所有水敏紙并晾干 放入塑料 密封袋中保存 處理時(shí) 將水敏紙粘貼于 A4 紙上 使用惠普掃描儀在分辨率為 600 dpi 下對(duì)水敏紙進(jìn) 行掃描 隨后編號(hào)保存 通過進(jìn)行圖像優(yōu)化降噪 閾 值優(yōu)化 背景填充等操作 最終得到沉積量與體積中 徑的分析數(shù)據(jù) 將同一位置的數(shù)據(jù)取平均值作為噴 霧效果最終評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 結(jié)果如表 3 所示 由 表 3 可 知 葉片正面霧滴沉積量約 1 76 L cm 2 葉片反面沉積量約 0 2 L cm 2 可以 達(dá)到較好的防治效果 當(dāng)霧滴直徑大于 200 m 時(shí) 可能會(huì)從葉片上脫落 影響藥液利用 29 本試驗(yàn)霧 滴體積中徑在 100 180 m 之間 滿足此參數(shù)要求 5 結(jié)論 1 提出了一種分段變距連棟溫室噴霧機(jī)器 表 3 噴霧效果試驗(yàn)結(jié)果 Tab 3 Spray effect test results 位置 沉積量 L cm 2 體積中徑 m 上部正面 1 912 178 上部反面 0 253 97 中部正面 1 512 179 中部反面 0 192 117 下部正面 1 881 155 下部反面 0 209 97 人 設(shè)計(jì)了通用移動(dòng)底盤 提出了軌上矯正裝置 保 證了機(jī)器人軌上運(yùn)行的穩(wěn)定性 設(shè)計(jì)分段變距噴霧 機(jī)構(gòu) 提出了以絲桿滑臺(tái)為動(dòng)力部件的噴桿雙邊移 動(dòng)結(jié)構(gòu) 并設(shè)計(jì)輔助防抖裝置減小噴桿抖動(dòng) 研發(fā) 噴霧機(jī)器人底盤運(yùn)動(dòng)與分段變距噴霧控制系統(tǒng) 并 制作樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn) 2 噴霧機(jī)器人行間直線行走誤差為 4 8 mm 對(duì)軌誤差為 5 8 mm 避障距離為 34 cm 各參數(shù)滿足 噴霧機(jī)器人導(dǎo)航精度 上下軌成功率及運(yùn)行安全性 的要求 3 通過安裝防抖裝置 將噴桿行進(jìn)方向抖動(dòng) 從 1 1 3 控制在 0 4 內(nèi) 噴頭方向抖動(dòng)從 0 5 控制在 0 3 內(nèi) 防抖效果顯著 4 進(jìn)行分段變距噴霧試驗(yàn) 結(jié)果表明 葉片正 面可以得到約 1 7