对于超声波技术棉株高度自动测量的思考

陈文权　刘光辉

摘要：我国作为农业大国，棉花种植历史悠久是世界上棉花产量最多的国家，随着农业技术的进步，对棉花进行打顶作业的农用机械应运而生，但是由于棉花高度不同，打顶机打顶高度无法灵活地进行调节，导致一些棉花籽被误打，使棉花产量相对减少。为此本文通过研究超声波测距的工作原理，设计出可以应用到棉花打顶机上的超声波测距系统，使棉花打顶机更加智能、实用，促进我国农机技术和农业生产的发展。

关键词：超声波技术；自动测距；棉花打顶

我国幅员辽阔、农业历史悠久是世界上棉花产量最多的国家，但是相对于欧美国家，我国的棉花生产机械化水平不高、人口较少，棉花种植规模很难有较大的提升，特别是棉花的打顶工作大多数需要人工完成，效率非常低。

随着科技的发展，超声波技术的应用日趋成熟，将超声波技术运用于棉花打顶机，就可以使打顶机准确测量到棉花的高度，精确地进行打顶工作，对棉花生产规模的扩大有非常积极的作用。

一、 超声波测量的概念

超声波是声波的一种，因声波超过了人耳所能识别的频率，所以命名为超声波。超声波与所有的声波一样，可以在气体、液体、固体三种介质中传播，并且传播速度同样为340m/s。超声波的频率较长，波长较短可以像光线一样沿着特定方向进行传播，但是当遇到不同的介质时，超聲波所附带的能量会被反射回来。由于这些特性，超声波在遥感、航空、航海领域被广泛使用。

二、 超声波测距的工作原理

使用超声破进行测距的方法有很多，其中脉冲回波法应用最为广泛。在进行棉花植株高度的测量时，超声波发射器发出超声波传播到植被顶端，反射后被接收传感器接收。根据声波的传播速度，从声波发出开始计时，接收后停止就可以准确得出棉花植株顶端与一起的距离。通常情况下，声波的传播速度为340m/s，距离的计算公式为：

s=vt/2

其中v是声波的传播速度，t是传播时间

本文设计的超声波测距系统的工作原理就是基于这种方法对植株高度进行计算的。

三、 超声波测距仪器的设计

（一） 测量系统的制作方法

要制作超声波测量系统，首先需要安装传递命令的单片机对超声波发射装置和接收装置进行控制，同时对声波发射和接收时间进行计算。当单片机触发超声波发射装置后会产生40kHz的超声波信号，单片机进行计时，当超声波被反射回来后由接收装置接收，同时单片机开始根据时间计算测量系统与植株顶端的距离，最后根据测距系统与地面高度计算出植株高度。

（二） 驱动和工作方式

测距系统的工作方式较为简单，能源消耗也相对较小可以采用锂电池或者电瓶驱动。但是测量装置需要和棉花打顶机结合，这就需要在进行植株高度测量后，可以将信息传递到棉花打顶机，打顶机再根据植株高度自由调节，来完成对不同高度的棉花植株的打顶工作。

基于上述原因，需要把打顶机和测距装置进行结合，本设计采用建造支架的方法。首先将测量装置安装在与地面平行的滑杆上，保证测量的准确性；然后将基座与滑杆相连，基座顶端保留一个平台用于数据处理和信号发生装置的安装，使用连杆、齿轮组构成基座与驱动机器的连接，最后将打顶机安装在基座底部。示意图如下：

1. 信号发射、距离计算装置2. 高度调节系统3. 滑杆平台4. 超声波测量装置5. 棉花打顶机

将超声波测量装置与打顶机相结合可以使打顶机的高度根据植株高度的不同，及时进行调解，避免了因打顶机调节困难而造成的误打状况，保证棉花植株上有用的部位不被破坏，在进行部件的选择时，要重视性能，保证整个设计能按照计划灵活运行。

组合完成的装置还不能单独运行，需要机器的驱动才能实现位置移动和打顶机高度的调节。当前我国农用机械配件的驱动方式，大部分采用拖拉机进行驱动，因为拖拉机是柴油机，可以安装车斗、犟、犁等农用机械配件，用途多样，所以在我国比较普及。在进行打顶机组合的使用时可以用拖拉机进行驱动，更加方便灵活，但是对于不同的种植密度也可以考虑为该组合加装动力系统，进行单人操作。

由于该设计是由超声波测距来完成对植株高度的测量，所以在机械运行过程中要尽量保持平稳，防止测量出现误差，而耕地的平整性不是很好，所以需要安装减震装置保持平稳运行。

四、 仪器存在的问题和不足

在进行仪器设计时，由于没有对棉花生产基地进行实际考察，所以仪器在实际使用中可能存在着一些问题。如：仪器在工作过程中可能会对周围植株造成破坏等情况。此外，由于没有使用高端的控制芯片，仪器在信号传输、数据计算等方面可能略显不足，仪器的智能程度也有待提升。

五、 超声波测量棉株高度的前景

当前我国已经是世界上棉花生产总量最多的国家，但是由于一些地区的人口密度较大、农业机械化水平较低，在棉花种植时人采用人工播种、施肥、打顶和采摘工作，不仅生产效率低，所获得的经济效益也很不理想。机械化、自动化甚至智能化已经成为当前世界上农业生产的发展趋势，我国要在农业生产方面保持优势，就要提升农业生产效率、提高机械化水平。

想要提升棉花种植的机械化水平，首先要对棉花成长整个周期所要完成的动作进行分析。当前的机械化播种、施肥、灌溉技术已经相当成熟，而棉花的打顶和采摘工作还需要人工进行完成，而超声波测量仪器可以应用于打顶机上，提高棉花打顶效率。此外，棉花的采收也是因为棉花植株高度不同，而难以使用机器，超声波自动测量技术也可以为棉花自动采摘机器的研制提供参考。所以，使用超声波技术对棉株进行测量的使用前景十分广阔。

六、 总结

我国人口众多人均耕地面积较小，棉花生产量虽然位居世界首位，但是仍然难以满足国内需求，所以提升棉花种植的机械化水平势在必行。随着生产技术的不断革新棉花种植的机械化水平虽然有些提升，但是仍有部分工作需要人工完成。本文通过对超声波测距的工作原理进行分析，提出使用超声波进行棉株高度自动测量的仪器的设计方法，解决了当前的棉花打顶机器由于智能程度较低、高度调节不灵活而导致的棉花“误伤”现象，希望农业机械生产领域的相关人员加以重视，早日实现我国的农业现代化目标。

参考文献：

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[4]江泽涛.温度对气体中超声速度的影响[J].1998，（02）：47-51.

作者简介：

陈文权，刘光辉，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市，新疆工程学院。