温室轨道施药机器人系统设计

李　良，张文爱，冯青春，王　秀

(1.太原理工大学 信息工程学院，太原　030024；2.北京农业智能装备技术研究中心，北京　100097)



温室轨道施药机器人系统设计

李良1,2，张文爱1，冯青春2，王秀2

(1.太原理工大学 信息工程学院，太原030024；2.北京农业智能装备技术研究中心，北京100097)

摘要：针对温室人工施药效率不足，且容易中毒的现状，设计开发了温室轨道施药机器人系统。结合探测、限位传感器输入信号及输出执行元件的特点，系统采用三菱PLC作为控制核心，控制移动搭载平台、电机、电磁阀及药液泵等各个部分，通过探测传感器定位作物行，调控PWM波占空比实施变量施药作业，从而实现温室自动化精准施药。实验结果表明：机器人定位准确率高，喷头流量与PWM占空比呈正相关，随着施药距离的增加，药液沉积量呈递减趋势；系统操作简单，自动化程度高，可以有效提高温室施药工作效率和农药利用率。

关键词：PLC；精准施药；PWM；温室；机器人

0引言

机器人技术是根据设施生产中杀菌和病虫害防治的要求，应用光机电一体化、自动化控制等技术在施药过程中按照实际的需要喷洒农药，实现施药作业的人工智能化技术。近年来，中国农业大学曹铮勇、北京林业大学陈来荣等研制了多种温室自动化施药设备，目前仍处于试验样机阶段，实现产业化推广仍需改进。为此，本文针对温室番茄、黄瓜作物的自动化施药作业，选用三菱PLC为控制核心，在系统外围搭建移动搭载平台、风送系统及PWM喷药系统等，实现温室精准自动化施药作业。

1系统设计

1.1移动搭载平台

温室轨道施药机器人系统主要由可移动搭载平台、施药系统及控制系统3部分构成，系统样机、系统框图及作业环境如图1～图3所示。移动搭载平台由额定400W大功率直流电机驱动，在间距为50cm的角钢平行铺装的轨道上行驶，轨道方向与作物垄垂直，两者距离20～40cm，平台移动速度可在0.1～0.7m/s之间自由调节。在实际使用中，为确保机器人运行稳定及安全，一般工作为0.2m/s，移动平台可根据控制系统的指令完成前进、换向、急停等动作。移动平台前后两侧各装有光电传感器作为限位开关，当机器人接近障碍物或限位挡板时，平台自动停止行驶，以防平台碰撞障碍物产生毁损。

1.升降电机　2.丝杠　3. 探测光电传感器　4.触摸屏　5限位挡板1

图2　施药机器人系统框图

1.2施药系统

施药系统分为风筒升降部分与药液供给部分。整个组件由宽1m、高2m的脚架固定于移动搭载平台表面。风筒升降部分中，风筒由升降电机牵动沿升降导轨上下运动，风筒由最高转速为1 400r/min的风机驱动，出风口最大风速可达7.3m/s。药液供给部分是由排水量为5.5L/min的12V直流高压药液泵为整个施药系统提供强劲稳定的压力。控制系统可通过改变固态继电器的导通与截止时间比来控制电磁阀的开闭，从而实现对环形喷头流量的精确控制。为了确保电磁阀调节流量过程中药液泵的压力恒定，防止水泵因压力过大而损坏内部电机，在药液泵与电磁阀间接入溢流阀；当电磁阀开口较小，管中水压变大时，可使管中多余的药液经由溢流阀回流到药桶中。环形喷头是4个圆锥型喷头相隔90°分布于风筒表面的4个角。作业时，PLC的输出端控制升降电机正反转拉动风筒上下循环移动，同时固态继电器控制电磁阀开启，药液经药液泵泵取到达喷头处成为雾状药液，风筒出风将药液送到指定施药位置，从而达到风送施药的目的。

1.3控制系统

控制系统由PLC控制器、显控触摸屏控制模块、继电器控制模块、电磁阀固态继电器控制模块及风机调速模块组成。PLC控制器选用的是三菱FX1n-14MT，其Y0、Y1两个点可输出0～100kHz的脉冲。机器人前端的1对光电探测传感器输出的标准开关信号可不经过数模转换直接被PLC的X0、X1口所采集，PLC的输出端口亦可直接驱动继电器控制模块。继电器控制模块的输入输出采用的光耦隔离可对模块的输入端起到良好的保护作用，通过继电器模块输出端的开闭来控制升降电机的正反转，风机及药液泵的开闭。PLC的PWM输出模块通过Y0端口输出可变占空比的PWM波来控制固态继电器的通断，实现对电磁阀开闭频率的改变，进而对环形喷头的流量实现精确调节。风机调速模块采用的是无极调速原理，通过控制晶闸管的导通角来改变加载到风机的电压，从而达到调节转速的目的。

触摸屏控制模块使用的显控SA-7A触摸屏面板通过422串口线与PLC实现通信。将触摸屏界面虚拟按键的位地址设置为与PLC内部程序软元件的地址一致，即可通过触摸屏来控制PLC的动作，操作者通过触摸屏输入指令，显示信息进行人机交互，触摸屏界面控制程序在Sam-Draw4.0环境下编写。整个控制系统由12V开关电源供电，可以确保工作电压的稳定与安全。

2软件设计

软件设计主要是基于三菱PLC内部的程序设计流程，在三菱编程软件GX Developer环境下，使用梯形图语言编写程序。PLC的接口输入输出分配如表1所示，系统软件流程如图4所示。机器人在启动时，有自动和手动两种工作模式可选择，若选择自动模式，机器人即进入自主识别喷药状态。机器人前端红外探测传感器开始工作，若两个探测传感器均有信号输入，机器人尚未到达指定空行施药位置，机器人继续向前探索；当探测传感器输入信号均消失，则机器人判定已到达指定空行作业位置。此时，脚架上方升降电机开始工作，拉动风筒上下移动，同时药液泵电磁阀开启，药液经由药液泵到达喷头处开始施药工作；在升降电机完成一次升降操作后，施药作业完成，机器人则按照程序设定继续向前探索，按照之前所述重复完成施药作业。若选择手动施药模式，则机器人在人为操控状态下进行施药操作，操作者可以自由设置机器人施药位置、风筒施药高度、出风速度和电磁阀流量等各种参数，从而达到更为精确的施药效果。

表1　PLC接口分配

图4　系统软件流程图

3施药实验

3.1流量的测定

机器人的施药实验在施药实验室进行。机器人工作时，在不同PWM占空比条件下对环形喷头30s内的药液流量进行测定，测定结果如表2所示。

表2　占空比与流量对应表

将数据结果绘制成折线图如图5所示。

图5　流量与占空比的拟合图

3.2药液沉积量的测定

在模拟温室施药环境下，使用雾滴沉积采集装置来模拟施药作业时的作物行，装置长4m、高2m、宽1m，在装置里放置5列滤纸，每列相隔40cm，对轨道施药机器人在一定风速情况下的雾滴沉积分布进行测定，如表3所示，绘制成拟合图如图6所示。实验装置采集点布置的示意图如图7所示。为了测量雾滴沉积量，用配有示踪剂诺丹明的蒸馏水代替药液，每50mL诺丹明原液配10L蒸馏水；采样滤纸能迅速吸收该溶液，通过清洗滤纸可获得该溶液，使用农药喷施测定系统精确测量出滤纸上的示踪剂的含量，可计算出相应位置的药液沉积量，从而可以描绘出系统雾滴沉积量的分布。

表3　不同位置的药液沉积量

图6　不同位置药液沉积量的拟合图

图7　药液沉积量采集装置

3.3药液沉积量与PWM占空比的关系

在相同风速不同占空比的情况下，测定距机器人240cm处的雾滴沉积量。测定结果如表4所示绘制成图8所示。

表 4　不同占空比下的药液沉积量

图8　同一位置药液沉积量与占空比的拟合图

4结论

1)通过上述实验可以看出：轨道施药机器人系统在进行风送施药作业时，施药距离每增加40cm，药液的沉积量相对地减少5～22g，平均减少量为13g。通过分析不同位置药液沉积量的拟合曲线可知：施药机器人药液沉积分布呈抛物线状。

2)经过分析表2和表4的数据可知：不同PWM占空比下对应的喷头流量与指定位置的药液沉积量，占空比每增加10%，喷头流量平均增加58g，药液沉积量增加9.5g。通过控制PWM占空比来调节喷头流量，可进行精准施药作业，提高温室施药作业的效率与农药利用率。

3)通过调节占空比控制流量，避免了使用价格昂贵的流量传感器，且流量传感器误差也较大 ，可有效降低温室作业成本，适合在农村推广。

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Abstract ID:1003-188X(2016)01-0109-EA

System Design for Rail Spraying Robot in Greenhouse

Li Liang1，2, Zhang Wen’ai1, Feng Qingchun2, Wang Xiu2

(1.College of Information Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China；2.Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture，Beijing 100097，China)

Abstract：Aim to improve the efficiency of greenhouse spraying, and reduce the risk of staff poisoning, this paper designed and developed a greenhouse track spraying robot system. Combined with detection, limit sensor input signal and output actuator characteristics, system uses PLC as the control core Mitsubishi, control the movement of each platform, with motor and electromagnetic valve, liquid pump and other parts, through the detection of sensor location of crop rows, the regulation of the PWM duty cycle implementation of variable spraying, so as to realize the automation of precision pesticide application in greenhouse. The experimental results show that, the robot positioning accuracy rate is high, the nozzle flow and PWM duty ratio were positively correlated with the increase of distance, pesticide, liquid deposition showed a decreasing trend. The system has the advantages of simple operation, high automation degree, and can effectively improve the work efficiency and greenhouse spraying pesticide utilization rate.

Key words：PLC； precision spraying； PWM; greenhouse； robot

文章编号：1003-188X(2016)01-0109-04

中图分类号：S224.3;TP24

文献标识码：A

作者简介：李良(1989-)，男，山西河曲人，硕士研究生，(E-mail)liliang200809@sina.com。通讯作者：王秀(1964-)，男，河北万全人，研究员，博士生导师，(E-mail)wangx@nercita.org.cn。

基金项目：国家”863计划”项目(2013AA102406)；果类蔬菜产业体系北京市创新团队项目(2012-2014)

收稿日期：2015-01-15