温室设施蔬菜智能施药车研究

2020-08-24徐浩成张燕军张善文

农业装备技术 2020年4期

徐浩成，张燕军，徐勇，谢思，张善文，缪宏

（扬州大学机械工程学院，江苏扬州 225127）

0 引言

发达国家的农业施药机械发展起步较早，机械化、自动化程度较高，现已基本实现了农业施药机械产品的市场化和系列化。欧美等国开发了很多大型的植保装备，如用于温室大棚的轨道式喷雾机，该喷雾机由计算机控制，自动化程度与工作效率都非常高[[]]。日本团队开发了一种电磁诱导式喷雾机，将电磁传感器检测到的磁场强弱转换成喷雾机与诱导线的相对位置，实现了喷雾机的转向调节，减轻了工作人员劳动强度、保障了作业人员的人身安全。

我国农业机械设备发展的比较晚，智能化水平相对较低，现有的施药设备大部分采用人工驾驶，少数智能控制行走的设备，还处于试验阶段。李良等针对温室环境下人工施药效率不足，且容易中毒的现状，设计开发了温室轨道施药机器人系统。系统采用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，通过调控PWM 波占空比实施变量施药作业，从而达到温室自动化精准施药的目的[1]。

本文针对自动化程度低、农药浪费严重造成环境污染、操作人员易中毒问题，基于对履带式车辆自动控制原理、导航技术、智能施药技术、图像识别技术以及云端远程监测技术研究运用，通过对温室内施药作业环境进行分析，结合履带式车辆适合于松软、泥泞等复杂环境作业，且下陷度小、滚动阻力小、越野机动性高等优点，构建温室智能施药车控制系统，为设施农业中智能化施药作业提供了技术和装备支撑。

1 施药环境分析

1.1 温室环境结构

如图1 所示，温室框架结构主要由基础、立柱、拱杆、天沟、门、顶部手动开窗等组成，另外现代化温室还配置：外遮阳系统、内保温遮荫系统、喷灌系统、计算机控制系统、供水系统、补光/补气系统、降温/加温设备、配电系统、循环通风系统等。

1.2 温室黄瓜生长特性分析

温室大棚中一般都选择经济效益高的经济作物来种植，以黄瓜为例，黄瓜作为我国居民食用的主要蔬菜之一，冬春季节温室大棚黄瓜种植具有较好的经济效益。由于连栋温室黄瓜生产面积大、生长时间长、连作较多，经历不同季节的气候条件，容易发生病虫害[2]。经调查发现黄瓜叶片主要集中在距离地面35～180 cm 的高度范围，按照植株高度将温室黄瓜植株空间分层为：上部、中部、下部（如图2 所示）。

2 温室智能施药车的设计

2.1 履带式智能施药车总体设计

履带式智能施药车应具有以下的功能要求：（1）履带式移动底盘作为智能施药车的行走机构，保证施药车能够适应温室环境且具备一定的越障能力，施药车具备一定的承载能力。（2）采用磁导航为施药车的导引方式，并结合运动控制策略完成在预设路径施药作业，运动控制系统具备自动纠偏功能，保证智能施药车不会偏离预定路线[3]。（3）运用图像识别技术感知作业区域，结合喷洒施药机构完成自主识别施药工作。（4）建立云端监测系统，实时显示温室环境数据及施药车运行状况参数，相关数据为施药车后续优化、自主决策等方面提供大数据分析。（5）在安全保障方面，智能施药车应具有非接触式避障功能、急停功能；能够实时显示当前的电量，具备电路过载保护能力[4]。

根据功能及需求，履带式智能施药车的总体结构包括机械结构和控制系统（如图3 所示），其机械结构主要包含履带式底盘和施药机构，其控制系统主要包括运动控制系统、智能施药系统、云监测系统、安全报警模块和电源管理模块等。

2.2 履带式智能施药车样机模型

确定整车设计方案后，通过研究以及对履带式底盘的关键部件参数计算，最终完成履带式智能施药车样机结构设计，为样机的加工制作提供了主要设计依据，其三维模型如图4 所示。

2.3 智能施药车控制系统设计

本文设计的履带式智能施药车是能够在温室植株行间实现自主施药作业的智能行走作业装备，根据需求分析，智能施药车控制系统主要由硬件部分和软件部分组成。硬件部分采用模块化设计思路，本文设计的智能施药车的控制系统硬件主要包括：主控制器模块、运动控制系统、智能施药系统、云监测系统、安全报警模块、电源管理模块等。智能施药车控制系统硬件构成简图如图5 所示。

主控制器通过串口实现磁导航信号的实时检测，并根据导航信号通过模糊PID 算法实时调整左、右驱动电机的PWM 信号进而控制左、右驱动电机的转速，以实现智能施药车对既定航线的运动控制，同时将各传感器检测到的温室环境数据和施药车运行状况数据经网络通信模块发送到云平台；Pixy 模块将识别到的作业区域信息发送给施药控制器，控制器再发出施药指令；通过超声波传感器和报警装置组成的安全报警模块，保障智能施药车在前进路径上遇到障碍物时能够自动停车、停止施药并发出警报。