一种可上下移动的多喷头智慧喷药机设计.pdf

2021年 4期 智慧农业导刊 JournalofSmartAgriculture 智慧农业 农机与装 备 一种可上下移动的多喷头智慧喷药机设计 朱 颜 崔雅筠 聊城大学机械与汽车工程学院 山东聊城 252059 水果业的发展对促进我国经济的发展具有重要 意义 喷药能够有效防止病虫危害 有利于果树的正 常生长 市面上的喷药机主要包括背负式喷药机 车 载式喷药机 牵引式喷药机等 这些喷药机喷射范围 小 浪费人力且不利于喷药人员的健康 不适合果树 的高效喷药 目前 美国等发达国家对喷药机的研究成果已经 处 于 先 进水 平 例如 FaialBS等人 通过计算 机 系统 的研究 改良了无 人机喷药 路线 加强了无 人喷药 技术 的 精确性 1 TonaE等人 通过 经济 技术分析 提出了以 自 主机 器 人 平台提 高喷药 精度 的 思路 2 BerensteinR 等人研究 出了可调整 喷 嘴角度 根据识别 目 标改变 喷 涂直径 的 农 药喷 洒装置 减少了农 药的浪费 提 高 了 喷 药 精度 3 近年来 我国对 农 业喷药机的研究 取得了一定 成 果 崔龙飞 等人 通过建模补偿 算法 研究 设计了 有利于 地 面 颠簸时保持 喷药 平稳 的 双钟摆被动悬架 式喷 雾 机 喷 杆 4 张勇 5 殷 长 昊 6 张岩 7 等 课题组分别 对喷药 装置 的 控 制 系统 进 行 了 研究 为植 保 机 器 的 智 能 化做 出了 贡 献 丁在兴 等人 设计了一 种 通过 红外测距传感 器定 位 的 适 用 于 林区苗圃 的小 型 自动 喷药机 8 综 上 所述 国 内外 学 者为 加强 喷药机的 智 能 化 自 动 化 对喷药机的 控 制 系统 喷药 结构 进 行 了 研究 作者 在 国 内外 研究成果的 启 发 下 拟 设计一 款基 于 计算 机 视 觉 的 可 上 下移 动 的 多 喷 头智慧 喷药机 以 适 应 果 园作 业 的 需求 1 可上下移动的多喷头智慧喷药机的总体结构与工作 原理 1 1总体结构 可 上 下移 动 喷药的 多 喷 头智慧 喷药机主要 由行走 装置 储 药 装置 喷药 装置 电 路 与 控 制 装置组 成 它 的 整 体结构 如 图 1所示 1 行走装置 2 储药装置 3 喷药装置 4 电路与控制系统 图 1 可上下移动的多喷头智慧喷药机的总体结构 1 2工作原理 可 上 下移 动 喷药的 多 喷 头智慧 喷药机的工 作原理 为 1 启 动 电源 发 布指令后 步 进 电 机 驱 动 行走轮行 走 2 摄像头 负 责 识别路 况 定 位 目 标 点并将信号传给 控 制 系统 定 位到 目 标 树 木后 行走轮停 止 3 移 动装 置 带 动 连接 杆 匀速 上 升 以 实现多 喷 头 自 下而 上 雾 化 喷 射药 物 4 连接 杆 运 动 到最 高 限位点后 多 喷 头停 止喷 射药 物 5 移 动装置 较快 地 带 动 连接 杆 运 动 到最 低 限 摘 要 为了防止病虫危害 保障果树作物正常生长 文章设计了一款基于计算机视觉可上下移动且适用于果园作业的多 喷头智慧喷药机 能自动识别路况 精准定位目标 关键词 多喷头 上下移动 计算机视觉 中图分类号 S436 6 文献标志码 A 文章编号 2096 9902 2021 04 0041 05 Abstract Inordertopreventtheharmofdiseasesandinsectsandensurethenormalgrowthoffruittrees thispaper designsamultinozzleintelligentsprayingmachinebasedoncomputervision whichcanmoveupanddownandissuitablefor orchardoperation Itcanautomaticallyidentifyroadconditionsandsetaccuratetargets Keywords multi nozzlespraying movingupanddown computervision 基金项目 聊城大学科研基金资助 编号 311101910 作者简介 朱颜 1975 女 硕士研究生 副教授 研究方 向 有限元 结构 分析 与 优化及 电动 汽车驱 动 技术 41 2021年 4期 智慧农业导刊 JournalofSmartAgriculture 智慧农业 农机与装 备 位点 6 若继续 喷射 下 一 目 标 则 重 复 以 上 命 令 若 喷 射药 物 任务 结 束 则回 到 初始 点 停 止 作 业 2 可上下移动的多喷头智慧喷药机主要装置的设计与 分析 2 1 行走装置的设计 可 上 下移 动 喷药的 多 喷 头智慧 喷药机 行走 装置 的 三维 模 型 如 图 2所示 其 主要 由行走轮 步 进 电 机 放 置 支 架 步 进 电 机 承 重 底板 等 组 成 1 行走 轮 2 步进 电机 放 置 支架 3 步进 电机 4 承重底板 图 2 行走装置 三维模型 行走 装置 采 用 四个 步 进 电 机 驱 动 四个 行走轮 完 成 行走作 业 满足 控 制 喷药机 在 目 标 点启停 的 需求 承 重 底板 作为 喷药机的主要 承 重 单元 选 用 了 抗压 性 能 好 的 合 金钢 2 2 储药装置的设计 可 上 下移 动 喷药的 多 喷 头智慧 喷药机的 储 药 装置 的 三维 模 型 如 图 3所示 其 主要 由 水 泵 储 药 箱 软 水 管 组 成 1 水泵 2 储药 箱 图 3 储药装置 三维模型 塑料 包括 聚乙烯 聚丙烯 等 通 用 塑料 聚酰胺 等工 程 塑料 光敏塑料 等 功 能 塑料 聚乙烯材料价格便宜 材 料易 得 耐腐蚀 性强 紧密 性 好 使 用 寿命 长 因此选 用 聚乙烯 为储 药 箱 的 制作 材料 储 药 箱容积 为 20L 可 容 纳 较多 的药 液 箱 内 放 置 有 滤网 以 避免 药 渣 进 入 喷药 装置 中 选 用 了直径 为 16mm具有 导 水 层 防 爆层 皮肤 层三层 结构 的 软 水 管 以 增 强 水 管 的 使 用 寿命 水 管 的 一 端 与 储 药 装置 的 储 药 箱 连接 另 一 端 与喷药 装置 连接 2 3喷药装置的设计 可 上 下移 动 喷药的 多 喷 头智慧 喷药机喷药 装置 的 三 维 模 型 如 图 4所示 其 主要 由移 动装置 喷 头连接 杆 喷 头 组 成 移 动装置 主要 由步 进 电 机 和丝杠滑 台组 成 1 步进 电机 2 丝杠滑台 3 移动装置 4 连接杆 5 喷头 图 4 喷药装置 三维模型 连接 杆 连接 了 丝杠滑 台 和三个 喷 头 在步 进 电 机的 驱 动 下 多 喷 头在 丝杠滑 台 连接 杆 的 带 动 下 可 实现 一 定 高 度 范围 内 的上 下 喷药 2 4 电路与控制系统的设计 电 路 与 控 制 系统 包括 单片 机 最 小 系统 检 测 系统 稳 压 系统 电 机 驱 动系统 蓝牙 通 讯 系统 等 电 路系统 喷 药机 运用 C语言编 写 控 制 程 序 将 程 序烧录 入 STM51单 片 机 后 对 整 机进 行 控 制 检 测 系统 将 提取 的 图像信 息转 变 为 数 据 信 息 后传给 单片 机 最 小 系统 稳 压 系统 实现 了 电 压 的 稳定 驱 动系统 驱 动 步 进 电 机工 作 蓝牙 通 讯 系 统 接 收 通 讯 信号 9 2 4 1稳 压 系统 的 设计 在 降 压 电 路 中 采 用 LM2596芯 片 将 DC24v电 压 降 至 DC12v DC5v DC3 3v 分别稳定 传 输 给 水 泵 摄像头 单片 机 在升 压 电 路 中 采 用 MOSFET管 半桥 驱 动 电 路 将 DC24v电 压 升 至 DC60v作为步 进 电 机的工 作电 压 满足 大 功 率 驱 动 的要 求 10 11 2 4 2检 测 系统 的 设计 为 了 实现 自 主 检 测 道 路 并 规划 行走 路线 增 强 喷药 目 标 的 精确识别 能力 可 上 下移 动 喷药的 多 喷 头智慧 喷 药机 采 用 计算 机 视觉 的 方 法提取 图像 1 图像 采 集 主要包括 两 个 高 清 摄像头 一 个 摄像 头 负 责 拍 摄 前进 道 路 的 路 况 另 一 个 摄像头 负 责 拍 摄 目 标 树 木 定 位 喷射目 标 2 图像 处 理 摄像头 采 集 到 的 图 片 信 息 采 用 卷 积 神 经 网 络 技术 ConvolutionalNeuralNetworks CNN 进 行 处 理 42 2021年 4期 智慧农业导刊 JournalofSmartAgriculture 智慧农业 农机与装 备 3 可上下移动喷药的多喷头智慧喷药机关键部位的可 行性分析 3 1基于 Matlab的振动分析 3 1 1 路 面 模 型 的 搭 建 为 保 证 喷药机 行 驶 的 平 顺 性 和 喷药的 稳定性 运用 滤 波白噪声 法 对 路 面进 行 路 面不 平度分析 根据路 面的 粗糙 程 度可 将 路 面 分 为 不 同 等 级 喷药机的 作 业 环境 为 较为 平整 的 土 路 因此 按照 B级 路 面的 参数 进 行 路 面 激励 分析 12 13 路 面不 平度 数 学 模 型 如 式 1 所示 Z g t 2 n 1 vZ g t 2 n 0 G q n 0 v t 1 式中 Z g t 为路 面不 平度 函数 n 0 为 参考空间频率 m 1 n 0 0 1m 1 n 1 0 01m 1 G q n 0 为 n 0 对 应 的 路 面不 平度系 数 m 3 v为速 度 m s t 为 标 准 高 斯白噪声 运用 Simulink模 块 建 立 路 面不 平度 仿真 模 型 如 图 5所示 图 5路 面不平度 的 Simulink模型 路 面不 平度系 数 G q n 0 在 B级 路 面的上 限为 128 10 6 m 3 下限为 32 10 6 m 3 几何 平 均值 为 64 10 6 m 3 在 计算 Gain 增 益 模 块 时 G q n 0 取 64 10 6 m 3 当 行 驶 速 度分别 为 5m s 15m s 25m s时 Gain模 块 K 1 K 2 的 值 如 表 1所示 表 1 增益 K 1 K 2 在不同 行 驶速度 下的 取值 将 Band LimitedWhiteNoise 限 宽白噪声 模 块 的 Noisepower 噪声 功 率 的 值 设 为 0 5 从 而 获 得 单 边 功 率谱 按照表 1对 增 益 模 块 进 行 设置 运行 Simulink模 块 对 图像 进 行 处 理后 不 同 行 驶 速 度 下 路 面不 平度 随 时 间 的 变 化 如 图 6所示 由图 6可 知 行 驶 速 度 不 同 时 对 路 面 激励 的 振 动 幅 度 有 影响 但 路 面高 度 的 变 化 幅 度 均 在 0 04m之间 行 驶 速 度 对 路 面不 平度 的 影响 不 明显 因此 在 对喷药机进 行 振 动分析时 不 考虑 行 驶 速 度 对 振 动 的 影响 选 择 5m s的 速 度 进 行 分析 K 1 K 2 的 值 分别设置 为 0 014 0 314 3 1 2 振 动分析 将 喷药机 简 化为 1 4车 身 车 轮 二 自 由 度 力学 模 型 进 行 振 动分析 简 化 模 型图 如 图 7所示 根据 图 7建 立数 学 模 型 如 式 2 3 所示 m 2 x 2 c x 2 x 1 k 2 x 2 x 1 0 2 m 1 x 1 c x 2 x 1 k 2 x 2 x 1 k 1 x 1 q 0 3 式 中 m 1 为 喷药机车 轮 的 质量 kg k 1 为 喷药机车 轮 的 刚 c 25m s时 路 面不平度时间响应 图 图 6路 面不平度随时间响应 图 a 5m s时 路 面不平度时间响应 图 b 15m s时 路 面不平度时间响应 图 图 7 车身车轮二 自 由度简化模型 43 2021年 4期 智慧农业导刊 JournalofSmartAgriculture 智慧农业 农机与装 备 度 N m 1 m 2 为 喷药机 其 余部 分 质量 kg k 2 为 喷药机车 身 底 部 悬架 的 刚 度 N m 1 c 为 阻尼 N m s x 1 x 2 分别 为 喷药机车 轮 喷药机 其 余部 分 的 振 动 位移 m q 为 路 面 不 平度 喷药机的 性 能 参数 如 表 2所示 表 2喷药机的 性 能 参数 运用 Simulink模 块搭 建 车 身 车 轮 二 自 由 度 仿真 模 型并 设置 合适的 参数 如 图 8所示 图 8车身车轮二 自 由度 Simulink仿真模型 运行 Simulink模 块 对 图像 进 行 处 理后 振 动 位移 x 1 x 2 加 速 度 a 1 a 2 随 时 间 变 化 如 图 9所示 振 动 位移 振 动加 速 度 为 矢量 数值代表 大小 正负 代表方向 通过 Simulink模 型 的 ToWorkspace模 块 在 Matlab 的工 作 空间查 看 振 动 位移 振 动 机 加 速 度 的具 体 数值 可 知 喷药机 其 余部 分 的 振 动 位移 x 2 的 最 大 值 为 0 0221m 振 动加 速 度 a 2 的 最 大 值 为 0 1973m s 2 喷药机 车 轮 的 振 动 位移 x 1 的 最 大 值 为 0 0207m 振 动加 速 度 a 1 的 最 大 值 为 0 1856m s 2 结 合 振 动 位移 振 动加 速 度 的 最 大 值 和 图 9可 知 喷药机的 平 顺 性良 好 能够 实现在 果 园 中 稳定 行走 的 功 能 3 2 承重底板强度校核 行走 装置 部 分 的 承 重 底板 是 喷药机的 承 重 支 撑 单 元 选 用 了 抗压 性 能 较 好 的合 金钢 承 重 底板 的 强度 对 喷药机的 稳定性 具有重要 作用 因此 对 其 进 行 承 重 分 析 校核 其 刚 度 是否 满足 需求 具有重要意义 运用 Solidwoks的 Simulation模 块 对 承 重 底板 进 行 了 刚 度 校核 在储 药 箱 装 配 处 施 加 200N竖 直 向 下 的载 荷 喷药 装置装 配 处 施 加 100N竖 直 向 下 的载 荷 其 von Mises应 力 分 布 云 图结 果 如 图 10所示 由图 10可 知 承 重 底板 受 到 的 最 大 应 力 max 为 1 645 10 3 N m 2 合 金钢 的 屈服 力 为 6 204 10 8 N m 2 因 为 max 所 以 底板满足 强度 要 求 4结束语 可 上 下移 动 喷药的 多 喷 头智慧 喷药机 克服 了 传 统 喷药机的 缺陷 采 用基 于 计算 机 视觉 的 方 法识别路 况 定 位 目 标 采 用 丝杠滑 台 升 降 的 方 式 完 成 连接 杆 带 动 多 参数 数值 单位 车轮的质量m 1 25 kg 其余部分质量m 2 110 kg 阻尼c 1200 N m s 车轮的刚度k 1 45000 N m 1 悬架的刚度k 2 80000 N m 1 b 振 动 加速度响应时间 图 图 9振 动位移 加速度响应时间 图 a 振 动位移 响应时间 图 图 10底板 vonMises应力分布云 图 44 2021年 4期 智慧农业导刊 JournalofSmartAgriculture 智慧农业 农机与装 备 4 系统调试与分析 4 1下位机调试 在 完 成 下位 机 硬件 设计 与 软 件 设计以 后 首 先 对 LCD1602下位 机 显 示 界 面进 行 了调 试 在 LCD1602液 晶屏 上 第 一 行 显 示 的 是湿 度 湿 度 上 限 湿 度 下限 第 二 行 显 示 温 度 温 度 上 限 温 度 下限 具 体 如 图 7 图 7LCD1602界面 4 2上位机调试 在 通过无线通 讯 传 输数 据以 后 通过 上 位 机 绘 制 波 形 图 如 图 8 其中 时 间 当 前 温 度 温 度 上 限 温 度 下限 当 前 湿 度 湿 度 上 限 湿 度 下限 以 Excel形 式 存 储在 硬盘 中 5 结束语 针 对 当 前 农 业 温室 大 棚 的 环境 监 测 问 题 本文 提出 了以 STC89C52单片 机 作为 核心 分别 采 用 数 字 传感 器 DS18B2检 测 温室 大 棚 的 温 度 采 用 YL 69检 测 湿 度 通过 显 示 屏就 地 显 示 温湿 度 信 息 并 通过 ZigBee无线 通 信 的 方 式上 传 至 Labview上 位 机 在 上 位 机 绘 制 温 度 湿 度 曲 线 并 存 储 数 据 当 监 测 数值 超 出 上 下限 时 由 下位 机 自动 进 行 温湿 度调 节 并 提 醒 工 作 人员进 行 关 注 通过 测 试 本 系统 具有 良 好 的 实用 性 推广 价 值 高 参考文献 1 杨金祥 章 海 农 业 温室大棚温湿度 控制系统的设计 J 农村经济 与 科技 2021 32 5 70 73 2 李先山 胡天让 物 联网技术在农 业 温室大棚中 的 应 用 J 现代农 机 2021 2 35 36 3 贾 海云 基于 DS18B20的智能 测 温 系统的设计 J 电 脑知 识与 技术 2021 17 9 251 252 4 宋希贤 王烨峰 姚 文 平 基于物 联网技术 的 节 水 灌溉 自动 化及 信 息 化 系统设计 J 农 业 开发 与装 备 2021 4 143 144 5 王瑞娜 潘晓贝 基于 ZigBee的 温室大棚 环境监测 系统研究设计 J 常 州信息职 业 技术 学院学报 2021 20 2 24 28 喷 头 的上 下移 动 喷药 它 对 提 升 果树 产 量 品 质 减 小喷 药人员负 担 有 极 大的 帮助 参考文献 1 FaialBS FreitasH GomesPH etal Anadaptiveapproachfor UAV basedpesticidesprayingindynamicenvironments J Computers andElectronicsinAgriculture 2017 138 210 223 2 TonaE CalcanteA ObertiR Theprofitabilityofprecisionspraying on specialty crops atechnical economicanalysis ofprotection equipmentatincreasingtechnologicallevels J PrecisionAgriculture 2018 19 4 606 629 3 BerensteinR EdanY AutomaticAdjustableSprayingDeviceforSite SpecificAgriculturalApplication J IEEETransactionsonAutomation ScienceandEngineering 2018 15 2 641 650 4 崔 龙飞 薛新宇 丁素明 等 双钟摆主被 动 悬 架 式 大型 喷 雾 机喷 杆 动 力 学 仿真 与 试验 J 农 业机 械学报 2017 48 2 82 90 5 张勇 王丽莉 一 种 农 业自 主导航 的智能 无人打 药 车 设计 J 机电 技 术 2020 4 16 19 6 殷 长 昊 农 用 打 药 车 远程 控制系统的研究与设计 D 沈阳 东北 大 学 2018 7 张岩 植 保机 器人 多 功 能作业 关键 技术 研究 D 济 南 济 南 大 学 2016 8 丁 在 兴 闫家政 胡 哲铭 等 小 型 自动喷 雾 型 林区苗圃 喷药机的设 计 J 现代农 业 科技 2020 19 165 166 9 林关成 基于 STM32的智能 平 衡小 车 控制系统设计 J 信息 技术 2021 2 44 49 10 杨 智 清 范琦 基于 LM2596芯片零 起调直流稳压 电 源 的设计 J 电 子 测 量 技术 2018 41 22 36 39 11 苏红卫 一 种 MOSFET管半桥 驱 动电路的设计 概述 J 福建 电 脑 2017 33 3 139 140 12 杨 明远 冯 金 芝 张 启涛 基于 Simulink的 随 机路 面 建 模及 验 证 J 农 业装 备 与 车 辆工 程 2019 57 12 104 107 13 程 少锋 基于 matlab simulink环境 下 仿真 生 成 路 面不平度 J 中 国 房地产 业 2017 22 234 图 8上位机 波形 图 上接 40页 45