温室变量喷药机器人液压系统设计

李昕宇 刘群铭 史颖刚 刘利

摘   要：针对变量喷药技术，文章设计了一种温室变量喷药机器人液压系统。选择恒压混流式变量喷药系统为基础，电子式套筒电动调节阀作为调流控制阀;采用二级动力驱动，完成混药和加压功能，配备先导式减压阀进行稳压;采用多喷头组合方式，完成作物在不同生长期的喷药任务，最终完成液压系统结构设计及控制系统设计。系统调节精准、易于控制、供电便利、易于推广，具有良好喷雾特性和研究价值。

关键词：温室;变量喷药;液压系统;电子式套筒调节阀

2013年我国农业用药96.72万t[1]。截至2014年，我国温室面积已经达到其他国家总和的5倍以上，大多数的温室均采用手动喷雾器进行喷药，这不仅对作业人员的健康构成影响，而且易造成施药不均匀、过量喷药的后果，效率较低，耗费大量的人力，只有极少量喷施的农药能取得理想的效果。变量喷药通过获取喷药对象的形貌、密度程度和病虫草害的信息，按照其实际需药量进行喷药，能减少农药在农作物上的残留和减少农药对环境的影响，提高农药利用率。

1    变量喷药液压系统方案设计

变量喷药液压系统如图1所示。液压系统安装在喷药机器人车体的上方，采用对称布局，以减少系统运行过程中由于车体晃动对喷药的影响。温室环境喷药时，受外部因素影响小，流量调节不频繁，在喷药过程中，需保持喷头压力恒定。10个喷头可以独立开闭，完成作物不同生长阶段的喷药任务;可根据变量喷药的实时流量，调节喷头压力和流量控制阀，调节喷药流量，以达到良好的喷药效果。

压力式变量喷药是通过改变喷药压力来改变喷药流量，系统压力损失较大，并且为了保持良好的喷雾特性，应使喷头的压力处于0.2 MPa[2]左右。系统通过流量控制阀调节系统流量，原理如下。

当达到稳定后，且液体均匀通过电动调节阀，损失的压力Δp为定值，在系统压力不变的情况下，Δp保持恒定。当A和Δp/ρ不变的情况下，影响流量Q的因素只与阻力系数ζ相关，即阀的角位移距离。调节阀开口角度减小，系统流量减少，系统出口压力减小;调节阀开口角度增大，系统流量增加，系统出口压力变大[3]。

系统通过改变电动调节阀的电压脉冲信号，控制电动调节阀，再根据脉冲信号的大小，调整阻力系数，从而改变电动调节阀阀体的角位移，最终达到改变流量大小的目的。但是由于在调节流量大小的过程中伴随着出口压力的变化，为确保良好的喷雾特性，需要用压力传感器、加压泵和先导式减压阀维持喷头压力恒定。

2    变量喷药液压系统设计

为解决作物在不同生长期生长高度不同的问题，并减少药液的浪费、提高药液利用率，喷药臂采用多喷头垂直组合的方式进行安装[4]。每个喷头都有一个电磁阀，控制电磁阀的开闭可打开不同数量的喷头，完成不同生长阶段的喷药任务。

在实际应用中，为降低频繁补药对作业人员健康的影响，采用药液分离式，所以用两个二位三通阀组成不同的药液回路。当药液已经混合好后，药液将直接由水泵输送到调节阀处;采用药水分离，高压水泵将水输送至水力比例调节阀与药液进行混合，然后输送至调节阀处。

流量调节由流量计和电子式套筒电动调节阀组成，上位机检测到当前流量与车速不匹配时，对电子式套筒电动调节阀发出控制信号，电动调节阀做出相应动作，从而改变流量大小。压力恒定由增压泵、压力传感器和先导式减压阀组成，增压泵对混合好的药液进行增压，确保药液具有一定的压力。先导式减压阀用于调节喷头处的压力大小，压力传感器检测喷头压力是否为最佳喷药压力，使喷头处压力保持恒定值，不随流量的改变而改变。设计在先导式减压阀之后，使检测的结果更加精准。变量喷药液压系统原理如图2所示。

3    变量喷药系统控制模型

变量喷药系统能根据喷药臂开启的喷头个数控制调节阀与增压泵，提供系统所需要的流量与压力，并且流量计与压力传感器传回当前系统的输出流量与压力大小，提供给变量控制器进行处理，然后将处理后的信号传回液压系统中的流量调节阀和增压泵，对系统的总流量和喷头压力进行调节。此外，变量控制器也能采集喷药机器人的行进速度，控制液压系统对当前速度的流量与压力大小进行匹配，实现喷药机器人在喷药过程中的变量喷药。原理如图3所示。

变量控制器是变量喷药系统的“大脑”，能采集喷药机器人当前行进速度，根据喷头开启的个数m，对系统流量进行调节，使单位面积喷药量一致。并且能够根据压力传感器反馈到上位机里的压力值大小，对增压泵发出控制信号，使变量喷药系统喷头压力保持恒定。

变量控制器的主控芯片选择89C52单片机，模数（Analog to Digital，AD）轉换器选择ADC0831。通过AD转换器将喷药机器人行进速度v、系统当前流量q、系统当前压力p的模拟量转换为数字量，将数字量输入到变量控制器，变量控制器处理后，通过方波信号控制调节阀的阀口开度、增压泵功率、高压水泵功率。对于变量喷药系统不同的工作方式，只是当前流量q的大小不一样，系统喷头处的压力始终保持在0.2 MPa，在整个变量喷药的过程中的流量调节原理不变。

根据不同工作方式的喷药模型及其控制条件可以得出系统的控制流程，如图4所示。

4    结语

本设计通过分析国内外变量喷药系统的优缺点，以恒压混流式变量喷药系统为设计基础，设计了针对此变量喷药系统的液压系统。分析了电动调节阀的流量与压力特性，通过先导式减压阀与增压泵组合进行系统的稳压。设计了液压系统的原理与结构，并完成了控制系统及控制流程设计。系统调节精准、易于控制、供电便利、易于推广，具有良好喷雾特性和研究价值。

[参考文献]

[1]杨军.减少化肥农药用量是保护恢复农业生态环境的重要保证[J].辽宁农业科学，2015（5）：66-68.

[2]张利君.基于动态PWM变量喷雾系统的雾量分布均匀性研究[D].杭州：浙江大学，2017.

[3]傅德薰，马延文.计算流体力学[M].北京：高等教育出版社，2002.

[4]白鹏.基于Android的果园自动对靶风送式喷雾试验台的研制[D].泰安：山东农业大学，2016.