【果树农药喷洒机器人】Part3：变量喷药系统工作原理介绍

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一、变量喷药系统工作原理

果树喷药机器人通过现代测量技术获取果树冠层参数信息，并对获取的信息进行分析，为变量喷药决策提供数据支持。本文深入研究基于机器视觉探测的智能变量喷药系统，依据果树冠层的几何特征信息以及变量喷药控制原理，设计变量喷药系统及控制程序，达到果树变量喷药的目的，其实现原理如图2-10所示。

由上图可知，变量喷药系统主要由上位机模块、下位机模块以及通信模块三部分组成，其中上位机模块为视觉探测系统，主要由深度相机、笔记本电脑组成，以深度相机为数据采集传感器，获取树冠RGB-D（深度）以及彩色图像，以计算机视觉技术中的实例分割模型处理树冠图像，结合深度值和掩膜面积预估冠层体积；通信模块根据冠层体积发送对应的ASCII码值，数值经过RS232串口协议传输给STC89C52单片机，单片机程序内设定了ASCII码与PWM占空比的对应关系。下位机模块为变量控制系统，主要由单片机、继电器以及电磁阀组成，PWM占空比从单片机发送给继电器，继电器又与电磁阀直接相连，进而实现单片机对电磁阀的间接控制。由PWM原理可知，在保持通断的时间不变（根据电磁阀频率可计算出每次通断的固定时长），通过改变单位时间内电磁阀通断的次数，进而实现根据冠层体积对喷头流量的变量控制。
综上所述，变量喷药控制系统的关键作用是根据靶标信息生成实时可调的喷药策略，进而实现智能的变量喷药。通过上位机控制器将深度相机获取的柑橘树冠体积转化为下位机可读取的PWM占空比，接收到信号的下位机再根据不同的PWM占空比控制电磁阀的启闭频率实现变量喷药。

二、液压通路设计与控制系统封装

2.1液压通路设计

喷药液压通路方案主要根据变量喷药控制策略进行设计，由于采用PWM控制方式，因此需要通过下位机单独控制喷头支路中电磁阀的通断频率，进而改变单位时间内流经喷头的施药量。为此，本章设计了喷药液压通路示意图，如图2-11所示。

喷药泵在启动后，将图中蓝色部分表示的农药从药箱中抽取出来，首先使用过滤器去除药液中的颗粒等杂质。在流入分流器前设计了一条回流支路，主要用于调节主干水路的压力。在分流器之后，通过压力表实时观察管路中的液压变化，当压力过高时，开启溢流阀将部分药液引回药箱，以保持管路内压力稳定。为实现变量喷药系统多喷头同时喷雾，使用分流器将主干管道分为多条分流支路（图中以两条支路简化表示）。紧接着，农药依次流经压力表、电磁阀和喷头，因此可通过控制电磁阀的通断，实现喷头开闭式喷药；改变电磁阀的通断频率达到变量喷药。

2.2 控制系统总体封装

为防止机器人在喷药作业时，喷洒出的农药对控制系统中的电路器件可能造成的腐蚀，有必要对其进行适当的封装保护。为此，根据控制系统中主要硬件的具体尺寸，设计布置方案，使用热熔胶将其固定在塑料的防水电器控制盒（下文均简称为电控盒）的底部，并对线路进行合理排布。为进一步提高电控盒的密封性，将适配器、单片机中需要与外部连接的线路裁剪为两部分，分别改为航空插头、插座的连接形式，具体连接实物图如图2-12（a）所示。盖上电控盒的塑料外壳后，系统整体的外观如图2-12（b）所示。

三、喷头测定与布置实验

3.1喷雾角度测定实验

为设计合适的喷头布置方案，使得喷雾范围能尽量覆盖到整株树冠，需要通过实验进一步确定上述选用的扇形喷头的有效喷雾角度、喷雾距离等参数。由于所布置的喷头采用横向的喷药方式，因此喷雾角的测定实验按照单喷头固定朝着垂直方向进行。对喷雾角度测定的具体实验步骤如下：

步骤1：根据上述所选型号的硬件设备在室内搭建出一条单支路液压管道，搭建的测定场景如图2-13（a）所示，将喷头绑在竖直的金属支架上。为计算出准确的喷雾角度，需保证拍摄的图片前后景对比明显，因此在墙壁上贴上黑色幕布作为背景。
步骤2：单片机发送连续的高电平信号，以控制电磁阀处于常开状态，此时PWM占空比设定为100%，并且一直保持，以测定喷头的最大喷雾角度。药液被喷药泵从水箱中抽取后依次通过电磁阀和喷头，最终雾化效果如图2-13（b）所示；
步骤3：待喷雾测试平台工作稳定后，通过摄像机连续拍摄多组喷雾角的正投影，经过筛选，其中10张喷雾照片的界限较为清晰，并导入Visio制图软件，利用尺寸度量工具测得，测定数据见表2-6，最终确定的平均值约为81°。

3.2确定喷头布置间距

由于喷施的药液分布为平面扇形，故果树喷药机器人在直线作业过程中喷雾面呈现矩形。根据机器人横向喷药的作业特点，对多个喷头采用等间距的垂直布置方式，从而建立起喷头布置间距与喷雾距离模型，如图2-14所示。其中，黑色圆点代表喷头，阴影部分表示相邻喷头的喷雾重叠区域。

因果树生长状态的差异导致冠幅有所差别，经过实地测量，喷头一般距果树冠层的距离d为30-60cm，代入式（2-10），计算出喷头的布置间距h，为简化参数，取系数为1.24，此时得到h为37~74cm。本文取h为50cm，符合取值范围要求，即在喷头布置间距50cm的条件下，可保证较好的雾化性能的同时，符合喷头的作业幅宽规划，基本满足有效喷雾作业需求。