果菜喷药靶标探测器的设计与试验

马伟+高春华+蔡吉晨+程浈浈+程一帆

背景

温室管理过程中喷药是非常重要的环节。喷药能有效的防止温室内作物病害大面积蔓延，同时阻断病害的交互感染。但高效喷药作业是设施栽培的一个难题。果菜和叶菜相比果实膨大周期长、株高大，果实按照高度分层，对喷药的要求更高。研究发现，农药喷洒利用率低是因为药液没有有效喷施在靶标植株叶片上，无靶标喷施造成靶标外大量农药沉积是引发农药残留的主要原因之一[1]，对靶标的探测识别是提高药效的重要途径，当前研究有超声靶标探测[1]和红外靶标探测[2]用于喷药，取得较好的省药效果，但果菜靶标探测的报道却不多。

原理

通过在弥雾机运行轨道上安装磁铁，利用霍尔传感器机构采集对应位置信号，获得行进过程中果菜垄的具体位置，利用控制器计算得出作业区间，发出控制信号给喷药机构，实现喷洒作业。

总体设计

果菜喷药靶标探测器的设计遵循简约稳定的技术思路，重点优化解决温室湿热的环境影响，单独设计2组接口电路，包括输入转换接口和驱动电路接口，消除干扰和温度补偿。输入转换接口主要采集霍尔传感器信号和速度传感器信号，进行信号纠错检验后发送给单片机，获得当前喷雾机的位置信息。驱动电路接口用来将控制信号从3 V放大到12～24 V，放大后的控制信号用来驱动外部设备会更加稳定，同时对采集的信号进行响应，发信号给末端执行器（图1）。

传感器设计

传感器采用盘式旋转结构，按照间隔120°角分别布置3组传感器，盘式旋转机构的转速为0.33 r/s，采集信号分别存放在3个寄存器中进行计算。当探测器经过角铁轨道上的磁铁时，3组传感器依次采集到信号，解析规则判断时，如果发生数据丢包或干扰错误，误差为0.33 s（图2）。

控制器算法

控制器首先上电进行初始化，然后判断传感器的3个采集板是否有电流信号输出，当有信号变化时，控制器立即接收这个磁铁的信号，并存放起来，然后继续读取相邻采集板是否有信号输出，通过3个传感器的信号确认和解析，最终判断能否探测到靶标，如果确认靶标后，开始对存储在数组的数值进行运算，目的是计算行进时间以便确认行走距离，然后开始计算当前时间和采集板采集信号的时间间隔，用时间段长度来得出弥雾机的当前位点，并通过这个时间段长度对应的预设施药程序中的唯一位点来读取当前喷药机的准确喷药参数（包括喷药量、离心风机风量等）。为了使程序更加适应農艺要求，可以预先将作物长势和行宽参数进行设置。由于传感器设计的盘式结构特点，每转动1周会有3个间隔时长一致的波动信号，当弥雾机扫过作物靶标旁的磁铁时，会有连续的信号产生。喷雾机探测的坐标原点设定为采集板连续探测磁铁的信号时第1个霍尔电流信号对应的位置。当连续信号结束时，通过计算第1个信号发生时刻和当前时刻的时间关系，喷雾机会到达预设的位置进行对靶喷药，当达到程序设定的喷雾量后，控制器驱动弥雾机往前行走一定距离后，再次停止前进，喷头摆动机构动作，对行的另外一侧作物进行喷雾（图3）。

试验及结果分析

在测试样机的底部靠近作物一侧固定传感器，在对应的一侧位置固定2 cm长的永磁铁，直接吸附在轨道上（图4）。选择自来水替代农药进行测试。

以3行作物作为靶标喷药行，选择第1行的磁铁位置提前1 m为坐标原点，选择弥雾机前进方向为X轴正方向，选定作物一侧的距离为Y轴正方向。预设喷雾量和前进速度等数值，进行试验并重复3次。实际对靶得出的作业区间和作物垄的位置边缘有一定滞后，通过系统可以进行修正，但计算的作业位点偏差不大（图5）。

进行不同靶标距离对靶喷雾的测试（图6），通过磁铁标示的信号识别靶标边缘后，弥雾机在作业区间内停止前进同时进行喷雾，喷头摆动机构设定为正前方，喷雾时间设定为30 s，靶标采样距离喷嘴6～8 m，喷雾在作物叶片上的沉积量随距离的增大而减小，但雾滴均匀性没有随靶标距离变化而显著变化。

结论

本文开发了一种果菜喷药靶标探测器，并进行试验测试。结论如下：①利用霍尔传感器机构采集对应位置磁场信号得到靶标位点，能够实现对靶喷雾。②果菜的柔性非规则轮廓的靶标探测不准的问题能很好的解决。③不同靶标距离雾滴在水敏纸的沉积测试结果表明该对靶喷雾有较好的均匀性。

参考文献

[1] 翟长远，赵春江，王秀，等.幼树靶标探测器设计与试验[J].农业工程学报，2012（02）：18-22.

[2] 李丽，李恒，何雄奎，等.红外靶标自动探测器的研制及试验[J].农业工程学报，2012（12）：159-163.

*项目支持：“公益性行业专项201203025”；果类蔬菜北京市创新团队项目。