【果树农药喷洒机器人】Part7：静态PWM变量喷药实验

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一、引言

为综合评估所设计的果树喷药机器人变量喷药效率和质量，验证系统的控制性能和实际作业的可行性，本章开展果树变量喷药实验。首先，通过静态的PWM变量喷药实验，探究系统的控制和雾滴分布规律。再者，以履带型底盘为远程遥控平台，搭建果树喷药机器人样机，并完成对果树的精准喷施实验。通过对靶喷药与连续喷药的对比实验，研究基于视觉感知树冠存在时的对靶喷药效果；在对靶喷药实验的基础上，引入PWM控制技术，完成变量喷药实验，并与对靶喷药、连续喷药的雾滴沉积指标比较，以探究变量喷药的病虫害防治效果与省药率。

二、静态PWM变量喷药实验

2.1搭建喷药实验平台

为探究变量喷药系统控制与流量之间的特性关系，即确定PWM占空比、喷雾压力跟喷头流量之间的相关性，进而为变量喷施的精准调控提供理论支持。本节根据所选硬件设计并搭建变量喷药实验平台，具体实验布置如图5-1所示。
平台由地面和桌面上的两部分硬件组成，主要包括笔记本电脑、便携式移动电源、喷药泵、药箱、压力传感器以及电控盒，其中移动电源分别为电控盒内的硬件和笔记本提供12V、220V电压，实验人员通过笔记本向电控盒内的单片机发送控制指令。此外，实验时将塑料药箱装满清水，以此代替农药。
系统启动后，水箱顶盖引出两条管路，其中黑色粗管中的水由喷药泵从药箱中抽出，流经水管分流器后，白色细管为其中一条支路，作为泄压管路调节部分流量引回水箱。而另一条支路上装有普通压力表（量程范围为0.0~1.0Mpa）和电磁阀，其中压力表用于实时监测输出管路中的液压变化。电磁阀连接着继电器（电控盒内），通过单片机发送PWM占空比信号，以改变继电器的通断频率，管路中的流速也随之改变，最后由量杯收集一定时间内从喷头流出的水量。

2.2变量喷药控制实验

为探究系统的控制和雾滴分布规律，采用上节搭建的喷药实验平台进行单喷头的静态PWM变量喷施控制实验。由于所选喷头的适用喷雾压力范围为0.2~0.5MPa，因此，实验过程中使管路内压力分别保持在0.2、0.3和0.4MPa，作为实验压力；占空比设定为10-100%，取10%的整数倍。每次系统启动后，单片机向电磁阀发送不同PWM占空比信号，最后将清水引入到量程为1L的量杯中，喷雾结束后，读取秒表记录液面到达1L刻度时的所用时间，从而测量出不同PWM占空比下的喷头流速，每组实验重复3次，取各组流速数据的平均值记录在表5-1中。通过多组数据分析并确定不同PWM占空比下，喷药控制系统中的电磁阀通断频率、喷雾压力等因素与喷头流量之间的相关性。

将表5-1中的数据制成曲线图，如图5-2所示。喷头流量q与PWM占空比x通过线性拟合的方法，得到不同压力下的模型函数，如表5-2所示。
图表的数据显示，在喷雾压力一定，PWM占空比为10%和20%时，喷雾流量几乎为0。根据电磁阀通断原理分析可知，在此工况下，单位时间内电磁阀断开时间占比过长，而电路接通时间非常短，继电器传输给电磁阀的电压过低，实测值约为2V，远远低于电磁阀的额定电压12V，不足以启动电磁阀工作，导致其处于闭合状态。但是，随着PWM占空比的不断增大，当处于30~80%区间内，PWM占空比与喷头流量之间呈现良好的线性关系，线性拟合优度均大于0.92。当PWM占空比在80%至100%区间时，电磁阀上的电压接近12V，喷头流速与全开状态较为接近，因此流量呈现较缓增长趋势。

综上所述，在不同压力下，PWM占空比与喷头流量之间在主要喷施区间均为线性关系。因此在所设计的变量对靶喷药系统中，可通过调整PWM占空比实现对喷头流速的可变控制，且PWM占空比最佳调节范围为30~80%。