一种全自动果园农药喷洒车结构设计

李 帅 柏 顺 杨德昊 曹 鑫 孙桂琦 麻晓飞

(临沂大学机械与车辆工程学院，山东 临沂 276005)

0前言

目前国内果园农药喷洒大多采用人工喷药和机械连续喷药的方式，存在工作效率低、农药利用率低及环境污染大等缺点[1]。结合自动控制技术和喷雾技术，将连续喷药方式转变为间歇喷药方式，是解决上述问题最为有效的方法之一。

农村果园农药杀虫剂喷洒主要分2种模式，一是针对大规模果园的植保无人机喷洒技术[2-4]，二是传统的人工背负式农药喷洒方式[5]。无人机技术可以提高农药喷洒效率，但这样喷洒方式资金花费较大，仅适用于较大规模果园使用，而且该方式需要较高的操作技术，不适合广大果农群众普及。人工背负式农药喷洒方式对劳动力的需求大，工作效率较低，并且在喷洒的过程中容易对人体产生危害。

为此，本文利用避障系统、速率遥控系统与电动机结合技术，采用抽水阀、搅拌装置与喷洒装置结合的方式，建立系统的、通用的果园农药自动喷洒车技术方案，最终构建了一款适用于中小型果园的自动喷洒装置。

1结构设计

1.1系统结构

果园农药喷洒车的系统构成如图1所示，主要由软件与硬件2部分组成。软件包括避障系统、速率控制系统与光电感应装置。硬件部分包括动力装置、水箱和喷洒装置，动力装置包括电动机与避障系统、速率遥控系统，水箱主要包括抽水阀和搅拌装置，喷洒装置主要包括喷洒头、伸缩杆件和光电感应装置。

图1系统组成

1.2自动避障系统

光电传感器能够对设定距离范围内的障碍物进行识别，将光电传感器安装在小车主体上，从而实现果园农药自动喷洒车的障碍识别。当设定距离范围内有障碍物时，光电传感器的输出为1，否则为0。自控避障小车主体安装有5个光电传感器，前方1个，左右两侧各2个。设置自控避障小车的避障规则如表1所示。

1.3速率遥控系统

作为速率遥控系统的控制核心，80C196KC单片机的CPU主要接收的输入信号有电动机实际转速信号、设定转速信号和齿条位移反馈信号，上述信号均通过信号调理电路(A/D转换器)之后进入单片机。其中选用磁电式转速传感器来测量电动机实际转速，转速传感器信号经过放大整形成方波，经过8254以及积分电路将其变换为直流电压信号进入A转换器，经过D转换器转换成数字信号后进入单片机80C196KC进行处理。设定转速信号由手动电位器或

表1 自控避障小车避障规则表

电动电位器来给出，设定信号同样要进入D转换器换成数字信号后进入单片机进行处理。齿条位移采用转角位移传感器来测量，其输出信号要经过放大电路放大后进入 A/D换器，然后才进入单片机进行后续处理。

1.4光电感应装置的设计

光电感应装置采用5个光电传感器和1个数据处理器构成，在避障系统中，光电传感器将光电接收器接收的数据转换成距离参数，在判断出障碍物的前提下，系统通过设定的相关参数自动判定障碍物是否为果树。与此同时，光电传感器将小车左右两边果树的高度、宽度和小车与果树的距离等数据发送到数据处理器，实现了对果树轮廓的数据收集。光电感应装置工作流程图如图2所示。

图2光电感应装置工作流程图

1.5抽水阀、搅拌装置和喷洒装置

果园农药自动喷洒车还需要考虑喷洒流量、农药溶解度、农药沉积、系统安全及系统通用性等因素。为满足以上要求，设计了抽水阀，用于实时控制农药喷洒流量，既可避免多洒引起的浪费，又能避免少洒导致药效不够。设计的智能喷药控制系统由储药柜、配料机构、水箱，控制单元、显示屏等构成，储药柜可以储存不同的药品，水箱储水量为30 kg，喷药控制系统硬件结构如图3所示。

图3智能喷药控制系统硬件结构

1.6伸缩杆件、控制器及数据处理装置

采用曲柄连杆机构作为高压喷雾器杆，其下端与高压喷雾器底座相连，顶端与喷洒头相连。高压喷雾杆内有数个过滤孔，这些过滤孔在高压喷雾杆内的拐点处，用来过滤药液残渣，实现高压喷雾头的喷洒强度。控制器选用80C196KC单片机，以实现全自动操作。电机动力箱内安装红外成像仪与激光雷达显像器来控制高压喷雾杆的喷洒方向。喷雾杆安装有微型摄像头，与遥控器上的显示屏幕进行数据传输。通过微型摄像头接收数据传给80C196KC单片机进行数据处理反馈给遥控器。操作者可根据屏幕上的图像信息和农药喷洒方向来进行实时观看。

2结语

利用避障系统、速率遥控系统与电动机结合技术，采用抽水阀、搅拌装置与喷洒装置结合的方式，建立了一种新的果园农药自动喷洒车技术方案。通过八路灰度循迹传感器、陀螺仪、激光雷达与控制单元通讯，实现喷洒车的自动寻迹行进与定位。通过红外传感器实现了喷洒车的避障功能，利用激光雷达和SLAM算法，实现了喷洒车的智能喷洒。