精准果树红外自动喷药控制系统总体设计与研究

丁锐+马宇良+李大尉+焦丹丹

摘 要：该控制系统涵盖三大组成部分：果树信息检测用以检测果树的有无和果实间隙；药液回路系统通过对传输装置、液泵、汽油机、电磁阀、喷头、喷杆的设计，形成完整的药液回路装置系统；控制器用以实现硬件的整体控制，包括是否喷洒农药等。

关键词：信息检测；药液回路；控制器；精准红外扫描；步进电机

1.总体设计思路

喷药系统总体的设计如图1-1，整个系统的果树信息检测通过红外光电开关实现果树有无和间距的检测，其中，转速控制电路通过对步进电机的控制，实现对曲柄滑块的运动的控制，从而进行多方向和角度的扫描。其基本工作过程如下：

1.1信息检测系统通过电机对曲柄滑块的控制，进行果树的扫描；

1.2若扫描到果树，则光电开关输出开信号传送给控制器，总控制器将信号传输到电磁阀，实现电磁阀的开控制；若未扫描到果树，则光电开关输出闭信号传送给控制器，总控制器将信号传输到电磁阀，实现电磁阀的关控制；

1.3电磁阀收到开信号后，三缸柱塞泵通过药液回路系统抽送农药，实施喷洒；电磁阀收到关信号后，三缸柱塞泵不抽送药液，不进行喷药动作；

1.4通过电磁阀的开关控制，进行果树间歇式的喷药。

2.果树信息检测系统

果树信息检测系统的基本技术是采用红外光电开关进行红外扫描，获取是否有果树和果树间距的测量值，从而控制决定是否采取喷药动作[1]，通过信息检测系统，实现了精准果树精准间歇式喷药，避免农药的浪费，提供农药利用率，降低农药对土壤和环境的污染。

2.1红外光电信息检测

2.1.1检测装置的选择

信息检测系统通常采用的方式有红外扫描技术，超声波技术、图像传感技术，具体如下：

（1）超声波传感器

通过超声波的发射和接收之间的时间差进行超声波探测，实现精准果树果树的喷药。国内外采用超声波技术在喷雾上取得了一定的进展。

但是其存在的主要缺陷是：波束发散、超声波仪器价格较为昂贵的缺陷，波束发散的缺陷会导致超声波传感器检测果树距离时，定位精度不高的问题，不能做到精准的农药喷洒过程。

（2）图像传感器

图像传感技术是将图像传感器安装在喷药机械装置上，通过机器视觉技术分析精准果树树木图形和颜色，针对有树木的位置和病害部位进行专门的喷药操作。

然而，图像传感技术在精准果树喷药系统中存在图像获取信息量大，处理数据量大的问题，这些问题会导致控制器发出的信号出现延时情况，也不能很好地进行精准果树农药的精准喷洒。

（3）红外扫描传感器

通过红外光电信号的扫描实现对果树的检测，红外传感器具有扫描速度快，效率高，灵敏度高，精准度高的优点，而且红外光不受到外界光束的影响。在果树检测的精准度和效率上都是最佳选择。

2.1.2红外光电开关工作原理

红外探测器对红外线的接收和发射方式主要是直射式和反射式两种方式。其中，直射式是将红外发射和接收模块放置在有一定间距的两端，靶标遮挡光波的传播方向，通过控制器发出相关指令，做出相关动作；反射式是将红外发射和接收模块放置在同一端，通过发射模块发出红外光，经靶标反射回接收模块，进而通过控制器发出相关指令。两种方式的红外探测器相比，反射式的红外探测器结构更简单，操作更方便。研究采用反射式红外探测器，通过光电开关的动作进行喷药，拟定选用ES50-D08NK型光电开关。

其工作原理是通过被检测物体遮挡红外光线，实现发射，通过电路将信号传送给单片机控制器实现目标物体的探测，工作原理如图1-2所示。

2.2步进电机动力装置

选用步进电机，控制曲柄的转速，实现实时控制。通常控制曲柄转速的装置采用电机提供动力，再经由减速装置，将液泵的动力降低，从而实现曲柄的转动，该该方法不能满足曲柄转速的实时改变，且不易于安装。本试验采用步进电机作为整个信息检测系统的动力装置，实现曲柄的控制，从而实现果树扫描。拟定选用85BYGH303 型永磁感应子式步进电机。

通过步进电机，将脉冲信号转换为角位移，作为动力供给单元。

2.3扫描检测装置

扫描装置通过水平前进和垂直方向的往复运动实现对果树的检测。

扫描装置的运动以往都是采用将装置固定在某一点，喷药机进行一定的速率的前进运动，则喷药机的扫描装置轨迹近似一条直线；本次扫描装置的设计在保持喷药机以一定速度前进的同时，通过机械控制使装置做上下垂直的往复运动，在两个速度的合成下，装置扫描的轨迹近乎一条正余弦曲线。

通过这种改进方式，扫描范围增大，检测范围更广。扫描装置上安装有红外光电开关，随着扫描范围的扩大，红外扫描范围也随之增大，对精准果树中果树的检测面积更广，喷洒农药更均匀。

3.药液回路系统

药液回路系统分为药液的传输和药液的回流两大部分。其组成部分有：液泵、药箱、供药管道、喷杆、喷头、电磁阀，组成机构图如图1-3所示。

基本工作原理为：药液通过液泵压力被抽出，从出水管输送到电磁阀，电磁阀产生开关信号控制喷头的药液喷出；当电磁阀关闭时，剩余的药液将通过回流管返回到药箱中。

试验采用的电磁阀型号选用2W-15GBN-Y32B-DC24V 型，通過电磁力控制电磁阀的开关，该型号电磁阀的基本参数如表1-1所示。

实验中，药箱选用抗腐蚀的高密度聚乙烯容器；供药管路的基本组成如1-3图所示，包括吸水管、出水管、回流管；喷杆选用长度为1-2.5m的可伸缩杆，进行扫描；喷头选用扇形双喷嘴。

4.控制器

控制器是整个精准果树喷药控制系统的核心，通过控制器实现对硬件电路、信息检测系统以及控制软件的实时控制[2]。控制器决定电磁阀是否打开，喷头是否进行喷药等动作，对控制器的要求是高性能，稳定性良好。研究选用的控制器为AT89S52单片机，其基本的性能参数如表1-2所示：

本文是对精准果树红外自动喷药控制系统进行了整体设计，确定了系统的总体设计思想和架构。对系统的三大主要部分：信息检测系统、药液回路系统、控制器的型号进行了选择，确定了总体设计方案。

参考文献；

[1]王长新，陈善美，王富民，王可田.精准果树喷药常见问题与解决方法[J].河北果树，2015，01：44-45.

[2]唐占英.精准果树喷药易造成药害的原因[J].果树实用技术与信息，2012，09：34-35.