適用于溫室蔬菜播種機的激光走直系統研究-藏刊網

0 引言

目前,我國已經成為溫室蔬菜種植大國,溫室蔬菜種植面積已占到全世界種植面積的 80% 以上,主要分布在山東、河北、北京、東北三省等地.2012 年"中央一號"文件與全國農業機械化發展第十二個五年規劃強調,實現精準農業,加快發展現代設施農業,提高設施農業裝備智能化、自動化水平[1].蔬菜準直播種技術具有節省種子、減少間苗用工量、出苗齊整、群體結構合理、成熟期一致等特點,便于一次收獲,并能提高蔬菜產量和質量,可避免由于人工操作播種機播種不精直給機械化收割帶來弊端.目前,種植主要是通過人工畫線和起壟的方式來保證播種精直,生產效率低,勞動強度大.

因此,研究開發一種適用于溫室蔬菜播種機的激光走直系統,可實現播種過程自動走直,減少人工勞動量,同時可以大幅度降低農業生產成本,提高設施農業土地利用率,在我國設施農業中具有廣闊的市場前景.

1 主體結構及激光走直原理

1. 1 主體結構

溫室蔬菜播種機激光走直系統主要由激光發射裝置、激光接收器、轉向執行機構和電子控制部分組成,如圖 1 所示.

1. 2 激光走直原理

在大棚中安置激光發射器,工作時輸出激光垂直面,為蔬菜播種機提供導向信號,蔬菜播種機上的兩個直流電推桿協同工作.播種機前端的激光接收器為蔬菜播種機提供直線行走、左轉、右轉輸入信號.

當激光導引信號照射在接收器正中時,左右兩電推桿不運動,蔬菜播種機沿激光導引信號直行; 當信號照射在接收器左側時,說明小車偏右,控制器同時控制右電推桿伸長和左電推桿收縮,小車左轉,直到導引信號回到正中; 當導引信號照射在接收器右側,說明小車偏左,控制器同時控制右電推桿收縮和左電推桿伸長,小車右轉,直到激光信號回到接收器中間位置,實現蔬菜播種機沿激光導向信號直線行走.

2 關鍵部件的設計

2. 1 轉向執行機構

前輪轉向執行機構如圖 2 所示.整個轉向執行機構由前轉向輪轉軸、前轉向輪、轉向輪支架和左右電推桿組成,電推桿與轉向輪支架和電推桿支架通過鉸鏈鏈接.轉向時,左右電推桿協同工作: 當向右轉時,左電推桿伸長,右電推桿收縮,實現右轉; 當向左轉時,左電推桿收縮,右電推桿伸長,實現左轉.

2. 2 激光發射器

激光發射器是一種由干電池供電的激光束發生裝置,由半導體激光器、光學準直壓縮系統、旋轉平臺和水平校正系統組成.半導體激光器經過激勵產生可視、低功率的激光束.常見的激光發射器產生的激光束是波長在 630 ~680nm 范圍內的紅光.由于激光束發散角較大,采用了光學準直壓縮系統,進行激光束準直和發散角壓縮.經過準直壓縮后,激光束垂直入射旋轉平臺上的五棱鏡,五棱鏡使激光束轉向 90°后出射,旋轉平臺通過由水平校正系統控制的電機拖動可以實現旋轉.水平校正系統利用重錘原理判斷激光發射器的水平狀態: 當激光發射器水平狀態符合工作要求時,水平校正系統發出信號使電機和激光器工作,實現激光束掃射.

經過對比國內外多種激光發射器的主要性能指標、價格等因素,選擇了國產福田激光水平儀 EK-155AP\\( 如圖 3 所示\\) 作為激光控制系統的激光信號源.此激光信號發射器能夠發射水平激光線和垂直線,采用自動調平方式,給校準工作提供精確的水平和垂直基準,操作簡單,可全天候工作,用途廣泛.紅光波段波長 635nm,自動安平范圍±2. 5°,工作半徑在50m 以上,精度±1mm /5m.

2. 3 激光接收器

激光接收器是激光控制系統的一個重要組成部分.激光發射器在作業時發射垂直光束,形成一個垂直激光束基準面; 激光接收器作為一座連接激光發射器與控制器的橋梁,實時接收微弱低頻的激光束信號,經過處理,傳送位置偏差信號給控制器.

激光接收器的設計關鍵在于光電傳感器,適用于激光接收的光電傳感器主要有光電二極管、光電三極管和光電池等.3 種光電傳感器的性能比較如表 1 所示.經比較,本系統選擇光電池作為光電傳感器.

硅光電池的排列方法: 將兩片硅光電池\\( 20mm×10mm\\) 水平橫向排列放置.激光接收器如圖 4 所示,輸出 3 個狀態為: 左硅光電池接收信號、右硅光電池接收信號、兩片硅光電池同時接收信號.

3 PLC 邏輯控制

3. 1 PLC 的選型及 I /O 接口分配

可編程序控制器簡稱 PLC,它是在傳統順序控制器的基礎上引入微電子技術、計算機技術、自動控制技術和通信技術等形成的新型工業控制裝置,具有能力強、可靠性高、配制靈活、編程簡單等優點.蔬菜播種機激光走直系統需要左偏信號、中間信號和右偏信號 3 個輸入端口和兩個信號輸出端口.根據對 PLC的 I/O 接口數量和價格的要求,選用了西門子公司的S7-200 系列小型 PLC,具有極高的可靠性、強大的通信能力和豐富的擴展模塊,而且價格便宜.

西門子公司的 S7-200 系列小型 PLC 的 I/O 接口具有以下特點: 輸入寄存器\\( I\\) 共有 14 個點,接受外部輸入設備的信號; 輸出寄存器\\( Q\\) 共有 10 個點,輸出程序執行結果并驅動外部設備; 左偏信號、中間信號和右偏信號 3 個輸入端口分別分配給 PLC 的 I0. 0、I0. 1、I1. 2; 兩個輸出信號分別分配給 PLC 的 Q0. 0、Q0. 1、Q0. 0 輸出的信號用來控制蔬菜播種機左轉,Q0. 1 輸出的信號用來控制蔬菜播種機右轉.

3. 2 程序控制

蔬菜播種機激光走直系統主要是通過激光接收器接收激光信號并判別播種機偏轉方向; 再將信號傳遞給 PLC,通過 PLC 邏輯運算后,發出相應指令,控制兩個電推桿執行轉彎動作,以實現自動走直.PLC 程序控制流程圖如圖 5 所示.

4 試驗與結果

4. 1 試驗條件與方法.

在完成溫室蔬菜播種機激光走直系統設計后,進行了溫室播種走直性能試驗.溫室試驗在保定南市區農大三分廠試驗地進行,主要測試了溫室蔬菜播種機激光走直系統的走直精度.本次試驗選取了一個長為 50m 的溫室,試驗地為旋耕平整過的土地,土壤類型為壤土,土壤緊實度為 1. 52×104Pa,土壤含水率為 19. 8% \\( 0 ~10cm\\) .采用對比方法進行試驗: 第 1次通過人控制播種機行進方向; 第 2 次啟用激光系統,利用激光控制系統自動控制播種機行進方向; 最后,測量播種機輪緣軌跡距離激光垂直面的距離,利用 Excel 對兩次實驗數據進行處理和對比.

4. 2 試驗結果與分析

經過 Excel 處理后的兩次試驗結果如圖 6 所示.圖中,點劃線為播種機人控時的試驗結果,粗實線為開啟激光走直系統后的試驗結果.

從試驗結果對比來看,開啟激光走直系統后走直精度明顯要比人控走直精度高,而且響應速度快,工作效率高.經實際測量,該激光走直系統的走直精度為±5cm /50m.

5 結語

通過研究設計電推桿走直機構、激光發射和接收裝置、PLC 控制部分,最終研究開發出了了一種適用于溫室蔬菜播種機的激光走直系統.溫室試驗表明:

該系統自動化程度高,響應速度快,實際測量該激光走直系統的走直精度為±4cm/50m,能夠滿足精準農業對溫室蔬菜精直播種機的走直精度要求.此外,本激光走直系統同樣適用于大田機械,但是目前缺少相關試驗,有待進一步的研究.

參考文獻:

[1] 農業部. 農業和農村經濟發展第十二個五年規[EB/OL].[2012-08-31].

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[4] 張開飛. 關于農業溫室自動化作業平臺的研究[D]. 鄭州:鄭州大學,2009.

[5] 倪志武. 高性能激光接收組件設計[D]. 南京: 南京理工大學,2010.