連棟溫室分段變距噴霧機器人設計與試驗_李天華.pdf

2 0 2 4 年 2 月 農 業(yè) 機 械 學 報 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器人設計與試驗 李天華 1 2 董廣勝 1 姚玉康 1 張觀山 1 2 王德倫 3 施國英 1 2 1 山東農業(yè)大學機械與電子工程學院 泰安 271018 2 山東省農業(yè)裝備智能化工程實驗室 泰安 271018 3 泰安市質量技術檢驗檢測研究院 泰安 271000 摘要 針對國內連棟溫室缺乏植保噴霧機 機械走直定位與換軌轉向精度低等問題 設計了一種連棟溫室分段變距 噴霧機器人 在實現(xiàn)無人化噴藥的同時提高作業(yè)精度 為滿足連棟溫室機械作業(yè)路軌結合 精準切換的要求 提出 一種通用型移動底盤 并確定其關鍵設計參數(shù) 為減少底盤上下軌時的偏移量 設計軌上矯正裝置 通過分析計算 及試驗驗證 確定其安裝余量為 4 mm 針對底盤對軌誤差大的問題 提出一種二維碼融合陀螺儀及光電傳感器雙向 垂直尋跡的路面關鍵點定位與轉向控制方法 設計分段變距噴霧裝置 提出一種絲桿滑臺驅動的噴桿變距方案 分析校驗其驅動參數(shù)以滿足工作要求 基于滾針軸承設計噴桿輔助防抖裝置 減小因噴桿劇烈抖動帶來的滑臺與 噴桿損傷 開發(fā)底盤運動及分段變距噴霧控制系統(tǒng) 實現(xiàn)噴霧機器人在連棟溫室內的全程自動化作業(yè) 最后 對 樣機進行底盤性能與噴霧效果試驗 底盤作業(yè)時直線行走與對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方向的抖動量從 1 1 3 降低到 0 4 內 噴頭方向的抖動量從 0 5 降低到 0 3 內 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 關鍵詞 連棟溫室 噴霧機器人 掃碼定位 分段噴霧 變距噴霧 中圖分類號 S224 3 文獻標識碼 A 文章編號 1000 1298 2024 02 0170 10 OSID 收稿日期 2023 07 13 修回日期 2023 08 22 基金項目 山東省重大科技創(chuàng)新工程項目 2022CXGC020708 2019JZZY020620 和山東省蔬菜產業(yè)技術體系項目 SDAIT 05 11 作者簡介 李天華 1976 男 教授 博士生導師 主要從事智能農機裝備研究 E mail lth5460 163 com 通信作者 施國英 1980 女 高級實驗師 主要從事設施機械與農機裝備研究 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)是嚴重制約農作物產量和經濟 發(fā)展的重要因素 1 噴灑農藥是目前病蟲害防治中 最高效的手段 2 3 在連棟溫室內噴灑藥液過程中 普遍存在定量 無差別噴霧的現(xiàn)象 因此提高農藥噴 灑效率 減少藥液浪費是當前亟需解決的難題 圍繞溫室植保機械 國外學者不僅對小型化背 負式噴霧設備 4 6 進行了改良 還對溫室智能化噴 霧設備的精確噴霧 自動導航等進行了較多研究 EFIGH 等 7 利用溫室內部搭建的標準化熱水管道 作為移動軌道 設計了一款自動裝置對兩側同時噴 霧 提高了作業(yè)效率 HEJAZIPOO 等 8 設計了一 種使用 Kinect v 1 相機采集植株冠層體積的智能噴 霧機 器 人 通過估算冠層體積進行對靶噴霧 CANTELLI 等 9 開發(fā)了一種能夠在溫室與田地中作 業(yè)的履帶式植保機器人 利用立體攝像頭并融合多 傳感器技術 實現(xiàn)在復雜環(huán)境下自主導航植保作業(yè) HEIDA I 等 10 利用溫室噴霧移動機器人驗證了基 于路徑學習的導航算法 其自主學習算法的直線與 方形路徑導航精度偏差低于人工遙控方式 我國溫室噴灑農藥的方式仍然以人工或半自動 機械噴霧為主 存在效率低 成本高 難以實現(xiàn)人藥 分離 噴灑隨機性高 藥液利用率低等問題 11 14 部分研究學者與機構對植保噴霧機械靜電噴霧 變 距噴霧 風送噴霧及自動導航等關鍵技術 15 20 進行 了相關研究 吳亞壘等 21 設計了嵌入式遠程噴霧 控制系統(tǒng) 通過采集植株冠層信息 改變風送噴霧距 離 實現(xiàn)變距離對靶噴霧 石雨欣等 22 針對內部無 行走通道的溫室設計了一種手推式離心霧化噴霧 機 采用離心霧化技術配合氣流輔助噴霧方式 進行 遠距離風送噴霧 馬國義等 23 結合風送噴霧及遠 程遙控技術 設計了一種溫室履帶式自走噴霧機 北京農業(yè)智能裝備技術研究中心 24 設計了一款應 用于大型玻璃溫室的植保噴霧機器人 采用 SLAM Simultaneous localization and mapping 技術實現(xiàn)室 內導航作業(yè) 但沒有對不同高度植株變量噴霧展開 研究 蘇州博田自動化技術有限公司 25 也根據雙 行保溫管道的鋪設特點 研制了軌道噴霧機器人 使 用視覺結合 FID adio frequency identification 標 簽定位的方式實現(xiàn)導航作業(yè) 使用超聲波傳感器檢 測植株高度以達到精準對靶噴霧的目的 綜上所述 國內所應用的溫室植保噴霧設備正 從手動式向半自動 全自動化方向發(fā)展 但是大多數(shù) 植保噴霧機械需要人工輔助作業(yè) 自動化 智能化植 保噴霧設備仍處于研究試驗階段 本研究擬提出一 種連棟溫室分段變距噴霧機器人 實現(xiàn)基于作物高 度與植株生長特性的自動噴霧作業(yè) 1 整機結構與參數(shù) 噴霧機器人包括上部噴霧系統(tǒng)和下部通用移動 底盤 噴霧系統(tǒng)主要包括雙邊移動噴桿裝置 供水 調壓裝置及終端控制裝置等 通用移動底盤主要包 圖 1 噴霧機器人三維模型圖 Fig 1 3D model diagram of spray robot 1 終端控制裝置 2 噴霧系統(tǒng) 3 通用移動底盤 4 萬向輪 5 主動輪 6 卡扣 7 軌道輪 8 超聲波傳感器 9 防撞條 10 雙邊移動噴桿 括方管框架 直流電機 軌道輪 主動輪 萬向輪及多 種傳感器等 三維模型如圖 1 所示 相關設計參數(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器人設計與試驗 表 1 噴霧機器人設計參數(shù) Tab 1 Design parameters of spray robot 參數(shù) 數(shù)值 長 寬 高 mm mm mm 1 750 718 2 458 整機最大質量 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)工作時長 h 5 噴桿調節(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 關鍵部件設計與分析 2 1 通用移動底盤 設計通用移動底盤以滿足連棟溫室機械 路軌 結合 移動方式要求 在行間作業(yè)時以雙行保溫管 道為行走軌道 換行時在室內路面行走 轉向 通用 移動底盤結構如圖 2 所示 圖 2 通用移動底盤結構簡圖 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 6 鋰電 池 7 控制箱 8 方管框架 9 主動軌道輪 10 光電傳感器 11 掃碼模塊 12 從動軌道輪 13 連接底板 14 軌上矯正裝 置 15 行走主動輪 16 萬向輪 2 1 1 行走驅動設計 通用移動底盤由兩臺直流電機提供動力 經減 速器連接主傳動軸 主傳動軸一端連接行走主動輪 另一端連接鏈輪 主動軌道輪由兩級鏈傳動驅動 與從動軌道輪組成四輪系統(tǒng) 滿足軌道行走要求 此外 4 個萬向輪用于地面行走的輔助支撐 移動 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 底盤運行時克服的阻力 N F f 地面滾動摩擦力 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 N f 滾動阻力系數(shù) 取 0 018 m 0 整機最大質量 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 經計算 底盤需要克服的阻力 F 為 495 N 單 個電機扭矩 T 0 轉速 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 傳動效率 取 0 9 i 減速比 取 30 v 設計運行速度 取 1 2 m s 經計算 滿足條件的電機扭矩 T 0 為 1 4 N m 轉 速 n 0 為 2 291 r min 功率 P 0 為 0 34 kW 選型時留 出適量余量 最終選擇的電機額定扭矩為 1 7 N m 功率為 0 5 kW 轉速為 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 個直角軸承構 成 通過 U 形螺栓分別固定于左右兩側車架上 單 個直角軸承由滾針軸承與支架構成 滾針軸承通過 螺栓固定于支架上 每個直角軸承可上下自由調 節(jié) 將滾針軸承中部調節(jié)至保溫管道中部水平切面 位置 以防止脫軌 同時 通過調整雙孔墊片個數(shù)調 271 農 業(yè) 機 械 學 報 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 即對角線軌上矯 正裝置的滾針軸承同時接觸軌道時 車身達到最大 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 個滾針軸承中心點構成長方形 4 個頂 點 圖中 L 表示側邊兩個直角軸承機構中心間距 mm 表示偏差角 K 表示左右兩個軌上矯正 裝置軸承機構中心距離 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 整理可得左右兩個軌上滾針軸承中心的 水平間距 K 與偏差角 的關系為 K 640 500sin cos 9 底盤與軌道兩者中心線重合時 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 過小會出現(xiàn)卡軌導致上軌失 敗 經測試 在 M 4 mm 時 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生較大 波動 這是因為主動軌道輪剛上軌時 矯正裝置尚未 接觸軌道 當軌上矯正裝置接觸軌道后 可以明顯 抑制噴霧機器人擺動 限制其偏差角 使其順利上軌 2 1 3 路面定位系統(tǒng) 1 路面定位標志 路面定位標志由黑色十字標及位于其交叉中心 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 水平點劃線為地面通道底盤行 走中軸線 兩條線相交點即為定位標記鋪設位置 其中 二維碼用于標記軌道編號及路軌切換信息 黑 色十字標用于噴霧機器人的轉向校準 解決因路面 不平整 建設誤差等原因造成的機器人跑偏問題 圖 6 路面定位標志 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 以獲取編號信息 光電 傳感器陣列檢測黑色十字標 進行車身角度調整 增 加對軌準確性 底盤定位傳感器安裝于移動底盤底 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 分段變距噴霧機構 分段變距噴霧機構由噴頭 噴桿 電磁閥 激光 傳感器 絲桿滑臺 連接桿 藥桶 水泵及護罩等構 成 分段變距噴霧機構結構如圖 8 所示 2 2 1 雙邊移動噴桿裝置 選用絲桿滑臺作為噴桿移動驅動裝置 提供豎 直方向的驅動力 連接桿一端鉸接于絲桿滑臺滑塊 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器人設計與試驗 圖 8 分段變距噴霧機構結構圖 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 9 連接桿 10 護罩 11 噴桿 夾緊裝置 12 螺栓型滾針軸承 13 安裝支架 14 絲桿滑臺支 架 15 雙頭連接件 16 水泵 17 水管 18 滑軌 19 滑塊 底座 經支架固定于底部的滑塊上 可在滑軌上移動 為保證絲桿滑臺在工作時的穩(wěn)定性 校核所選 絲桿容許極限負載與轉速 容許極限軸向負載 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 絲桿滑臺為垂直安裝 且使用時為勻速轉動 其 軸向負載為 P b M 0 g 2 2 0 M 1 gtan 14 式中 P b 軸向負載 N M 0 滑塊與連接桿質量 取 1 kg M 1 單側噴桿裝置質量 取 4 kg 0 滑臺摩擦因數(shù) 取 0 15 連接桿與水平面夾角 負載扭矩為 T P b l 0 2 1 15 其中 1 1 1 tan 1 1 1 tan 1 16 式中 T 負載轉矩 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 經計算 軸向負載最大約為 133 N 負載扭矩最大 約 為 11 8 N cm 最終選定絲桿滑臺的滾珠絲桿直徑為 1 6 cm 導程為 5 cm 步進電機扭矩為 65 N cm 所 選絲桿滑臺容許極限負載與轉速均符合設計要求 噴頭間距與到噴霧作業(yè)面的距離關系如圖 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度 m 圖 9 噴頭安裝間距與噴頭到噴霧作業(yè)面距離關系示意圖 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 選用噴頭型號為 VP110 015 其噴霧角為 471 農 業(yè) 機 械 學 報 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 在噴霧機器人啟停與上下軌過程中 受慣性與 振動影響噴桿易產生抖動 影響滑軌使用壽命與噴 霧精度 為降低噴桿的抖動幅度 增加噴桿輔助防 抖裝置 如圖 10 所示 防抖裝置由護罩及噴桿夾緊 裝置兩部分組成 護罩的中部槽寬 60 mm 其槽內側 擋板能夠為噴桿夾緊裝置提供支撐作用 夾緊裝置 由 2 個螺栓型滾針軸承及安裝架構成 單側噴桿左 右兩側對稱安裝有 2 個噴桿夾緊裝置 滾針軸承緊 貼護罩槽內側板 限制噴桿在運行時的抖動幅度 圖 10 噴桿輔助防抖裝置 Fig 10 Spray rod auxiliary anti shaking device 3 控制系統(tǒng)設計 噴霧機器人硬件系統(tǒng)構成如圖 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運行 完 成底盤的直行與轉向等功能 超聲波模塊與防撞條 用于安全防護 掃碼模塊用于換行信息的采集 光電 傳感器對底盤進行姿態(tài)微調 保證對行的準確度 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 實現(xiàn)分段噴霧 控制器改變給水泵驅動器的 PWM Pulse width modulation 信號以調整噴霧供水 壓力 液位傳感器檢測水箱中水位 水位過低時報警 提示 步進電機驅動絲桿滑臺運轉 調整噴桿與植株 的距離 進行變距噴霧 接近開關安裝于絲桿滑臺工 作范圍的上端與下端 進 行 限 位 保 護 MCGS Monitor and control generated system 用于人機交 互 修改相關參數(shù) 3 1 底盤運動控制系統(tǒng) 1 底盤直線行走與轉向控制 噴霧機器人在相鄰兩個路面定位標志之間移動 時 采 用 串 級 PID Proportion integration differentiation 控制算法對兩輪動態(tài)調速 使其保持 直線運動 其中 驅動輪轉動速度由空心軸增量式 編碼器測量 車體角度通過 IMU 獲取 串級 PID 內 環(huán)為速度環(huán) 用于控制機器人的速度 外環(huán)為位置 環(huán) 用于控制機器人在直線上的位置 如圖 12a 所 圖 11 硬件系統(tǒng)構成圖 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 9 光電傳感器 10 激光傳感 器 11 液位傳感器 12 水泵驅動器 13 水泵 14 繼電器模 塊 15 電磁閥 16 聲光報警器 17 步進電機驅動器 18 絲 桿滑臺 19 電機驅動器 20 電機 示 以左輪為參考標準 右輪調速進行車體角度跟 隨 使得兩輪速度相關聯(lián) 保持前行角度 旋轉時 串級 PID 內環(huán)為角速度環(huán) 用于控制機器人旋轉速 度 外環(huán)為角度環(huán) 用于控制機器人原地旋轉角度 如圖 12b 所示 圖 12 串級 PID 結構圖 Fig 12 Cascade PID structure diagram 2 底盤定位控制 通過對光電傳感器觸發(fā)閾值的調整 使其照射 地面時為觸發(fā)狀態(tài) 照射黑色十字標時為非觸發(fā)狀 態(tài) 噴霧機器人行間定位時 當左右任一邊激光點 均檢測到黑色十字標時 停機掃碼 此時若激光點 狀態(tài)如圖 13a 所示 則對齊結束 若有激光點位于黑 色十字標之外 如圖 13b 所示 則噴霧機器人進行姿 態(tài)微調 直到達到圖 13a 所示的激光點照射狀態(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 噴霧機器人除手動模式設置噴霧高度外 也支 持自動測高分段模式 通過單點激光傳感器分段檢 測作物高度 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器人設計與試驗 圖 13 定位控制示意圖 Fig 13 Positioning control schematics 桿支架上 對植株分為 3 個擋位進行分段噴霧 噴霧機器人在上軌的同時開始采集激光傳感器 信號 若沒有檢測到植株 則會檢測到較為規(guī)律的吊 蔓繩信號 如圖 14a 所示 在典型噴霧速度 0 4 m s 時 吊蔓繩產生的平均脈寬信號為 2 5 ms 為留有一 定余量 選取 3 ms 為吊蔓繩判定脈寬 檢測過程中 當采集的脈寬信號大于 3 ms 時為植株信號 如 圖 14b 所示 噴霧機器人開啟對應電磁閥進行分段 噴霧 在下軌階段時 底盤光電傳感器檢測到地面 信號后 噴霧停止 圖 14 脈寬信號示意圖 Fig 14 Schematics of pulse width signal 3 2 2 基于定植時間的變距噴霧 除手動設置噴頭與植株距離實現(xiàn)變距噴霧外 還可根據番茄植株生長規(guī)律實現(xiàn)自動變距噴霧 以 番茄為試驗對象 從定植開始 每隔 5 d 進行一次測 量 每次選取 50 株同批次的植株 記錄植株外側葉 片到植株主稈的平均距離 將同一天采集的數(shù)據取 平均值 得到如圖 15 所示的統(tǒng)計圖 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間的增長明顯 在 20 d 后穩(wěn)定在 30 cm 左右 在 30 d 后有所下降是因為葉 片生長后期下垂的原因 以上述曲線作為控制依據 20 d 前使用曲線數(shù) 據擬合葉片伸出距離 定植時間不在折線點處的數(shù) 據由其前后折線點數(shù)據線性擬合 20 d 后的數(shù)據使 用 20 55 d 葉片平均伸出距離的平均數(shù)進行代替 即 30 cm 圖 15 作物葉片平均伸出距離與定植時間的關系曲線 Fig 15 elationship curve between average extension distance of crop leaves and planting time 如圖 16 所示 控制器調整絲桿滑臺上雙頭連接 件的位置即可實現(xiàn)噴桿在噴霧機器人位置的調整 絲桿滑臺上的雙頭連接件與其初始位置的長度 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 連接桿長度 m Z 噴霧機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 長度為噴霧距離 h 0 39 m 加 一段噴頭長度與連接桿固定座的補償 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系圖 Fig 16 Distance relationship diagram of various parts of variable distance spray 4 樣機試驗 4 1 底盤性能試驗 噴霧機器人在運行過程中 對正 走直 轉準是 作業(yè)成功的關鍵 因此對底盤性能進行試驗 確保 其滿足設計要求 試驗在山東華龍農業(yè)裝備股份有 671 農 業(yè) 機 械 學 報 2 0 2 4 年 限公司試驗棚進行 樣機與試驗環(huán)境如圖 17 所示 圖 17 樣機與試驗環(huán)境 Fig 17 Prototype and test environment 1 直線行走試驗 選定兩處相鄰的路面定位標志 分別作為起點 與終點 使激光水平儀的光線穿過兩處黑色十字標 中心點 在噴霧機器人前方標記車身中心 調整車 身位置使其落在激光線處 使底盤從起點出發(fā) 進 行直線行走 在終點處停止 并利用十字標記調整自 身姿態(tài) 調整完畢后停機并聲光報警 記錄此時激 光線與車身中心標記線的距離 試驗 5 次 取平 均值 2 對軌試驗 標記測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 在延伸處布置路面定位標志 使定位標志中心點與兩軌道中心點共線 試驗時 噴霧機器人從起始位置出發(fā) 當掃描到路面定位標 志后停止 進行微調與 90 旋轉對軌 對齊后 停機 報警 測量此時激光線與車身前部中心線的誤差 將此值作為對軌誤差 試驗 5 次 取平均值 3 避障試驗 對噴霧機器人的超聲波避障進行試驗 確保其 避障距離符合安全性要求 試驗時 在噴霧機器人 的工作路徑上 包括軌道上 隨機放置 5 處采摘筐 每次避障停機報警后 測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 直至 5 處 避障距離數(shù)據采集完畢 對試驗數(shù)據進行整理 得到如表 2 所示的試驗 結果 經過試驗 噴霧機器人直線行走與對軌誤差平 均值均在 6 mm 以內 控制精度滿足自動化運行的 表 2 底盤性能試驗結果 Tab 2 Chassis performance test results 試驗組別 直線行走誤差 mm 對軌誤差 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 行的安全性 4 2 噴桿抖動試驗 為驗證噴桿輔助防抖裝置的防抖效果 設計了 噴桿抖動試驗 采用型號為 TL720D 的 IMU 實時測 量噴桿抖動情況 如圖 18 所示 圖 18 噴桿抖動試驗 Fig 18 Spray rod shake test 行走距離設置為 3 m 在有 無防抖裝置的情況 下 分別設置行走速度為 0 3 0 4 0 5 m s 采集噴 桿抖動數(shù)據 噴桿抖動角度數(shù)據通過 Gyroscope 軟 件保存 并輸出至 Excel 表格中 對 Excel 表格中 y 軸 沿噴頭方向抖動量 z 軸 沿行進方向抖動量 角度數(shù)據進行整理 結果如圖 19 所示 圖 19 噴桿抖動試驗結果 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 進方向的抖動從 1 1 3 控制在 0 4 內 噴頭 方向的抖動從 0 5 控制在 0 3 內 因此 輔助 防抖裝置對噴桿抖動影響具有顯著性 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器人設計與試驗 4 3 噴霧效果試驗 現(xiàn)場噴霧試驗在山東壽光現(xiàn)代農業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)示 范園進行 試驗時 隨機選取 5 行作業(yè)軌道 在每行 作業(yè)軌道中隨機選擇一個位置 在上 中 下 3 層任 選 1 個葉片 分別在正反面使用曲別針加持一片水 敏紙 噴霧機器人對所選行進行分段變距噴霧作 業(yè) 試驗現(xiàn)場如圖 20 所示 圖 20 試驗現(xiàn)場 Fig 20 Testing site 試驗完畢后 收集所有水敏紙并晾干 放入塑料 密封袋中保存 處理時 將水敏紙粘貼于 A4 紙上 使用惠普掃描儀在分辨率為 600 dpi 下對水敏紙進 行掃描 隨后編號保存 通過進行圖像優(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 將同一位置的數(shù)據取平均值作為噴 霧效果最終評價標準 結果如表 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 達到較好的防治效果 當霧滴直徑大于 200 m 時 可能會從葉片上脫落 影響藥液利用 29 本試驗霧 滴體積中徑在 100 180 m 之間 滿足此參數(shù)要求 5 結論 1 提出了一種分段變距連棟溫室噴霧機器 表 3 噴霧效果試驗結果 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 設計了通用移動底盤 提出了軌上矯正裝置 保 證了機器人軌上運行的穩(wěn)定性 設計分段變距噴霧 機構 提出了以絲桿滑臺為動力部件的噴桿雙邊移 動結構 并設計輔助防抖裝置減小噴桿抖動 研發(fā) 噴霧機器人底盤運動與分段變距噴霧控制系統(tǒng) 并 制作樣機進行試驗 2 噴霧機器人行間直線行走誤差為 4 8 mm 對軌誤差為 5 8 mm 避障距離為 34 cm 各參數(shù)滿足 噴霧機器人導航精度 上下軌成功率及運行安全性 的要求 3 通過安裝防抖裝置 將噴桿行進方向抖動 從 1 1 3 控制在 0 4 內 噴頭方向抖動從 0 5 控制在 0 3 內 防抖效果顯著 4 進行分段變距噴霧試驗 結果表明 葉片正 面可以得到約 1 7