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文章目录
- 一、引言
- 二、静态PWM变量喷药实验
- 2.1搭建喷药实验平台
- 2.2变量喷药控制实验
一、引言
为综合评估所设计的果树喷药机器人变量喷药效率和质量,验证系统的控制性能和实际作业的可行性,本章开展果树变量喷药实验。首先,通过静态的PWM变量喷药实验,探究系统的控制和雾滴分布规律。再者,以履带型底盘为远程遥控平台,搭建果树喷药机器人样机,并完成对果树的精准喷施实验。通过对靶喷药与连续喷药的对比实验,研究基于视觉感知树冠存在时的对靶喷药效果;在对靶喷药实验的基础上,引入PWM控制技术,完成变量喷药实验,并与对靶喷药、连续喷药的雾滴沉积指标比较,以探究变量喷药的病虫害防治效果与省药率。
二、静态PWM变量喷药实验
2.1搭建喷药实验平台
为探究变量喷药系统控制与流量之间的特性关系,即确定PWM占空比、喷雾压力跟喷头流量之间的相关性,进而为变量喷施的精准调控提供理论支持。本节根据所选硬件设计并搭建变量喷药实验平台,具体实验布置如图5-1所示。
平台由地面和桌面上的两部分硬件组成,主要包括笔记本电脑、便携式移动电源、喷药泵、药箱、压力传感器以及电控盒,其中移动电源分别为电控盒内的硬件和笔记本提供12V、220V电压,实验人员通过笔记本向电控盒内的单片机发送控制指令。此外,实验时将塑料药箱装满清水,以此代替农药。
系统启动后,水箱顶盖引出两条管路,其中黑色粗管中的水由喷药泵从药箱中抽出,流经水管分流器后,白色细管为其中一条支路,作为泄压管路调节部分流量引回水箱。而另一条支路上装有普通压力表(量程范围为0.0~1.0Mpa)和电磁阀,其中压力表用于实时监测输出管路中的液压变化。电磁阀连接着继电器(电控盒内),通过单片机发送PWM占空比信号,以改变继电器的通断频率,管路中的流速也随之改变,最后由量杯收集一定时间内从喷头流出的水量。
2.2变量喷药控制实验
为探究系统的控制和雾滴分布规律,采用上节搭建的喷药实验平台进行单喷头的静态PWM变量喷施控制实验。由于所选喷头的适用喷雾压力范围为0.2~0.5MPa,因此,实验过程中使管路内压力分别保持在0.2、0.3和0.4MPa,作为实验压力;占空比设定为10-100%,取10%的整数倍。每次系统启动后,单片机向电磁阀发送不同PWM占空比信号,最后将清水引入到量程为1L的量杯中,喷雾结束后,读取秒表记录液面到达1L刻度时的所用时间,从而测量出不同PWM占空比下的喷头流速,每组实验重复3次,取各组流速数据的平均值记录在表5-1中。通过多组数据分析并确定不同PWM占空比下,喷药控制系统中的电磁阀通断频率、喷雾压力等因素与喷头流量之间的相关性。
将表5-1中的数据制成曲线图,如图5-2所示。喷头流量q与PWM占空比x通过线性拟合的方法,得到不同压力下的模型函数,如表5-2所示。
图表的数据显示,在喷雾压力一定,PWM占空比为10%和20%时,喷雾流量几乎为0。根据电磁阀通断原理分析可知,在此工况下,单位时间内电磁阀断开时间占比过长,而电路接通时间非常短,继电器传输给电磁阀的电压过低,实测值约为2V,远远低于电磁阀的额定电压12V,不足以启动电磁阀工作,导致其处于闭合状态。但是,随着PWM占空比的不断增大,当处于30~80%区间内,PWM占空比与喷头流量之间呈现良好的线性关系,线性拟合优度均大于0.92。当PWM占空比在80%至100%区间时,电磁阀上的电压接近12V,喷头流速与全开状态较为接近,因此流量呈现较缓增长趋势。
综上所述,在不同压力下,PWM占空比与喷头流量之间在主要喷施区间均为线性关系。因此在所设计的变量对靶喷药系统中,可通过调整PWM占空比实现对喷头流速的可变控制,且PWM占空比最佳调节范围为30~80%。