摘 要：
为了提高传统果园喷雾机的智能化程度，实现对靶喷施的效果，设计了果园喷雾机的电控系统。通过建立MatLab仿真模型，对步进电机进行机械特性仿真，研究电机转速与控制系统发射的脉冲频率的内在联系，针对此联系结合HC-SR04超声波传感器的电路特征和步进电机驱动器通信协议，设计了以Arduino单片机为核心的控制系统，实现了喷雾机仿形功能。台架试验结果表明：超声波测量的平均误差率均小于4%,平均响应时间均小于3s,符合田间作业需求，与传统作业方式相比，雾滴分布更加均匀，优化了喷雾机作业效果，节约了药量。
关键词:果园喷雾机;电控系统;仿形; Matl _ab仿真模型;
Design and Experiment of Electrical Control System for Orchard Sprayer
Wang Xu Yang Xin Liu Lixing Chen Chunhao Li Jjianping Liu Hongjie Wang Pengfei
College of Mechanical and Electrical Engineering, Hebei Agricultural University
Abstract：
In order to improve the intelligentization of traditional orchard sprayer and achieve the effect of raking, an electrical control system of orchard sprayer was designed. By establishing the Matlab simulation model, the mechanical characteristics of the stepper motor are simulated, and the internal relationship between the motor speed and the pulse frequency of the control system is studied. Aiming at this connection, combining with the circuit characteristics of the HC-SR04 ultrasonic sensor and the communication protocol of the stepper motor driver, the control system based on Arduino single chip microcomputer is designed to realize the profiling function of the sprayer.The results of bench test show that the average error rate of ultrasonic measurement is less than 4%, and the average response time is less than 3 s. In line with field operation requirements, the droplet distribution is more uniform compared with the traditional operation mode, which optimizes the operation effect of the sprayer and saves the dosage.
Keyword：
orchard sprayer; electrical control system; profiling; MatLab simulation model;
0 引言
随着农业产业结构的优化升级，我国已成为第一大果品消费国和生产国[1]。截止到2020年，我国果园种植面积已达到2×108hm2[2]。
在果园农事作业中，喷雾机作业对果树的生长具有至关重要的作用，不同的生长阶段喷施对应的药物可以控制病虫害的发生，减少不利的生长因素对果树的影响。喷雾作业的机械化、自动化、智能化设计与应用，是当前主流的果园机械的发展方向之一[3,4,5,6,7]。为此，根据国家提出的“双减”政策，采用自动控制仿形设计，精准化调整作业距离进行喷雾作业，可以保证雾锥角最佳状态，提高药液附着效果，并有效节约药液[8]。
根据最佳喷雾作业距离的设计思路[9,10,11],针对喷雾机在行进过程中因丘陵地势的变化导致喷嘴与树冠不能保持最佳作业距离而影响作业效果这一问题，采用立体分层结构与活动滑台设计，实现了初步的仿形控制，为智能化仿形喷雾设备的发展提供了新思路。
1 结构设计
1.1 数学模型建立
1)模型建立思路。
以仿形风送式喷雾机为研究对象，建立了其模型映射，实现了对仿形喷雾机工作过程中运行特性的分析，并为整体控制方案奠定基础。模型建立了步进电机转轴扭矩、角位移与丝杠旋转速度之间的关系，为基于单片机进行电机驱动的控制系统创立数学基础。基于机械设计与智能控制建立的闭环控制系统，为整机控制系统优化设计建立模型基础和整体框架。
2)仿形喷雾机结构简介。
所研究的仿形喷雾机为立体方格结构包括支撑结构、运动结构、喷雾结构和控制系统。机器整体由28根方钢组成支撑框架，运动结构包括高精度丝杠螺母、滑台、连接器及86HCY155AL3S步进电机。步进电机通过转轴向连接器传递扭矩，带动丝杠螺母旋转，嵌套在丝杠螺母上的滑台通过丝杠螺母扭矩传动产生前后移动。喷雾结构包括风扇、水泵、橡胶软管、环形不锈钢导管及高压喷头，不锈钢导管焊接在风扇前端，高压喷头分布在环形不锈钢导管上，风扇焊接于运动结构中的滑台之上，由丝杠螺母带动做平面单线运动。控制系统包括以Arduino单片机为控制核心的CPU及外围电路、ZD-3HD660M步进电机驱动器和超声波传感器。
3)物理模型结构。
仿形喷雾机物理结构如图1所示。
4)喷雾机运动结构建模。
在实际工作中，喷雾机的运动结构在CPU控制下进行调节，保证喷头与树冠的最佳作业距离，运动结构与控制结构之间的数学关系需要通过建立模型进行表达。
滑台运行距离公式为
其中，L为丝杠螺母的长度及滑台能够运动的范围(mm);S为丝杠螺母的螺距(mm);θ为步进电机步距角(°);α为CPU所发出脉冲频率(kHz);t为运行时间(Ts)。
喷雾机的控制系统所控制的运动系统物理结构如图2所示。
1.2 仿真试验
1)步进电机工作原理及分析。
本文中使用的步进电机型号是86HCY98AL3S,为三相反应式步进电机，采用步进转动方式。电机内部有A、B、C三相绕组，通过开关分别对步进电机绕组轮流通电，产生齿距。通电频率和通电顺序决定转子的转速和转向。
2)利用MatLab对步进电机进行仿真。
根据设计要求，主要的被控对象为步进电机，其性能决定喷雾机仿形效果。作为执行机构的核心部件，通过前期用MatLab对步进电机进行直接起动这一过程进行建模和仿真。图3为步进电机的Simulink仿真模型。
通过设置时间模块参数、可控电源模块参数、串联阻抗模块参数、电机模块参数、直流电源模块参数、电压测量模块参数、比例因子模块参数、信号选择模块参数、示波器模块参数，得到步进电机调节脉冲频率调速的仿真结果，如图4所示。
由图4可知：步进电机的转速与脉冲频率成正比。脉冲信号质量决定步进电机的工作状态，需要通过进一步分析步进电机的机械性能对转速的影响，寻找机械性能与脉冲的关系特征，为控制系统中CPU产生对应的脉冲信号提供参考，最终为实现喷雾机仿形功能的算法设计以及控制电路设计提供依据。
3)利用MatLab对步进电机性能进行测试。
利用MatLab对步进电机的内部特性进行仿真，研究电磁转矩与转速之间的关系。频率与失步的关系、振动频率的测量如图5、图6所示。
在步进电机的定子中，每一项的1对磁极只有1个齿(即磁极本身),3对相磁极为6个齿。转子的齿与另外两相绕组磁极产生错齿，转子进行转动，实现步进工作。绕组通电的相序决定步进电机旋转方向。步进电机绕组中的电流由单片机Arduino传送的脉冲信号控制，电磁绕组通电频率过高，超过步进电机最大步进速度时会产生失步现象。转子的平均速度高于定子磁场的平均旋转速度，定子通电激磁的时间较长，大于转子步进一步所需时间，转子的步进过程得到过多能量，产生严重振荡导致失步。低频单步运行会使步进电机振荡，通过实验可知脉冲频率低于19kHz开始振动并且出现失步情况，低于5kHz时制动停车，步进电机转子停滞，电机处于振动状态并伴有温度上升的现象。针对脉冲频率与转子转速关系，通过分析可知转折点处脉冲频率为27kHz时，步进电机的转速可以达到稳定运行状态，此时产生脉冲信号的算法部分延时时间为10ms。
2 控制单元设计
2.1 控制闭环回路设计
闭环过程控制系统由给定值、比较环节、偏差信号、控制装置、执行机构、干扰信号、被控对象、检测装置、转换器和输出信号组成，如图7所示。根据喷雾标准及喷嘴的物理特征，结合雾滴漂移原理的研究，设置程序喷嘴到作物的最佳工作距离为30～50cm, 根据最佳工作距离设置的给定值a有3组范围，分别为：a<50cm、50cm<a<100cm、a>100cm。比较环节是超声波传感器采集的距离信号与给定值a的比较过程，经过算法运算产生偏差信号传递至控制装置的CPU,CPU经过判断计算出执行机构所需要的输出信号(即脉冲数量和种类),执行机构中步进电机步距与脉冲数量成正比例关系，脉冲数量决定转轴方向。受检测装置超声波传感器发出的超声波呈发散状态，在采集超声波信号时，受自身框架结构的影响，超声波传感器采集的距离信号通过转换器产生的为超声波传感器至框架的距离，此信号为干扰信号；被控对象为搭载于丝杠螺母滑台的喷雾装置。
1)CPU及外围电路设计。
CPU采用的是Arduino单片机作为核心控制元件，基于Arduino IDE开发环境设计程序，通过采集超声波传感器传送的距离信号进行判断；单片机发出高频脉冲信号传输至步进电机驱动器，以此来驱动步进电机转轴的转向与转速。当喷头与树冠之间的距离大于最佳作业距离时，步进电机转轴顺时针旋转，带动丝杠螺母上的滑台运动，减小实际距离；反之，步进电机转轴逆时针旋转，增加实际距离。
2)超声波传感器。
设计采用的是HC-SR04型号超声波传感器，有关电路图如图8、图9、图10所示。
超声波传感器主要参数如下：
额定电压/V:DC3～5
静态电流/mA:<2
高电平输出/V:5
低电平输出/V:0
接线端口：电源(VCC)、控制端(trig)、接收端(echo)、地(GND)
超声波传感器模块可产生高于20kHz的机械波，具有频率高、波长短、绕射现象小、方向性好、射线定向传播的特点，采用IO触发测距，如图8所示。在前期的测距模块试验中，对超声波传感器和红外传感器进行比较。采用超声波传感器采集准确距离信息的程序运行时间为0.001s, 采样准确率为95.81%;光电传感器采样距离信号并计算距离的程序运算平均时间为0.021s, 采样准确率为40.23%。光电传感器通过二极管作为光源，利用漫反射的工作原理，形成扇形光源区域，根据公式计算出距离。光电传感器使用松下PM-T45光电感应开关，试验发现距离超过40cm时开始产生误差，超声波传感器试验距离超过150cm时开始产生明显误差。根据矮砧密植果园的园艺要求，果树行距为4m, 喷雾机在行间行走时台架距离果树最远距离为150cm, 红外传感器容易受到外界光线的干扰，二极管光源蒙尘后无法正常工作，则超声波传感器更适应田间作业。
3)步进电机驱动器。
采用的是时代超群公司生产的ZD-3HD660M型号的驱动器，设有控制系统、细分设置、电流设置、步进电机接口和直流电源接口，主要技术参数如表1所示。
驱动信号需要为高电平高于5V的脉冲信号。通过改造电路，使用设计电压放大电路的方法使单片机输出端的信号电压在高电平时高于5V、低电平时小于5V。
2.2 算法实现与优化
1)距离信号采集与处理。
HC-SR04模块采用I/O触发测距，模块发射探头发射方波信号，高电平信号高于10μs, 数量为8,频率为40kHz, 并自动检测返回的信号，trig控制端在程序中设定为OUTPUT;返回信号在I/O口输出为高电平，echo接收端设置为INPUT。高电平持续时间为探头至所测目标的距离的2倍，测试距离=[高电平时间×声速(340m/s)/2]。
2)步进电机转子控制。
以Arduino单片机为核心的CPU,经过接收端接收超声波传感器传回的电信号，计算出超声波传感器与探测的目标之间的实际距离b;b与给定值a进行比较，经过判断选择符合对应的控制策略，包括发送脉冲的数量和种类，驱动器PUL端口接收对应数量的脉冲控制转子转速；DR端口接收对应种类的脉冲信号，高电平设置为方向+,低电平设置为方向-。
3 台架试验
3.1 试验地点及设备
2020年11月21日，在保定市河北农业大学机电工程学院进行台架试验。试验湿度22%,平均温度2℃。试验用平台为设计的仿形喷雾机，如图11所示。响应时间采用秒表计时的方法进行统计，喷雾效果采用水敏纸计量雾滴的试验方法，如图12所示。
3.2 试验数据
试验采集到的数据如表2所示。
3.3 试验结果与分析
1)超声波测量的平均误差率均小于4%,平均响应时间均小于3s。通过试验，总体的控制策略、机械运动均已实现。与传统作业方式相比，雾滴分布更加均匀，优化了喷雾机作业效果，节约药量。
2)超声波传感器跟随滑台移动至中间位置处由于散射原因导致不能正确采集正前方距离信息，滑台在中间位置时由于支架的因素导致CPU一直采集1个25cm的信号。因此，CPU会受到干扰，在跨越干扰信号时产生短暂停滞的状态。
4 结论
1)通过研究国内外喷雾机相关文献并根据最佳喷雾作业距离的设计思路，设计了果园仿形喷雾机电控系统，可优化喷雾效果，提高药液附着率，降低生产成本。
2)建立喷雾系统仿真模型并对步进电机进行仿真测试，验证了步进电机的转速与脉冲频率成正比，脉冲信号质量决定步进电机的工作状态。
3)采用模块化的编程理念，设计了电控系统各个模块，并选择超声波传感器为核心采集数据单元。
4)台架试验结果表明：超声波测量的平均误差率均小于4%,平均响应时间均小于3s, 符合田间作业需求。与传统作业方式相比，雾滴分布更加均匀，优化了喷雾机作业效果，节约了药量。
5)通过对试验结果进行分析，后期考虑利用卡尔曼滤波的方法对“假优”信号(真噪声)进行剔除。
[1] 耿艳先，张彦杰，赵志豪.河北省“三优”苹果矮砧密植栽培模式的发展现状研究[J].农技服务，2017,34(21):41.
[2] 郑永军，江世界.丘陵山区果园机械化技术与装备研究进展[J].农业机械学报，2020,51(11):1-20.
[3] 吕世雄，胡佳宁，任振辉，等.基于PLC的可变量对靶弥雾喷药机控制系统设计[J].农机化研究，2021,43(12):152-156.
[4] 郑加强，徐幼林.环境友好型农药喷施机械研究进展与展望[J].农业机械学报，2021,52(3):1-16.
[5] 李宇飞，胡军，刘崇林，等.背负式静电喷雾机喷雾沉积性能试验研究[J].黑龙江八一农垦大学学报，2021,33(1):76-82,121.
[6] 陈志刚，夏郑伟，王鹏程，等.变量喷雾机实时混药系统设计与实现[J].软件导刊，2021,20(2):142-147.
[7] 王士林，李雪，雷哓晖，等.冠层推拨装置对喷杆喷雾机雾滴飘失与沉积特性的影响[J].植物保护，2021,47(1):68-73.
[8] 侯晨光，张攀，段继海，等.文丘里喷雾器数值模拟的研究进展[J].当代化工，2021,50(1):128-131,136.
[9] M LOGHAVI,B BEHZADI MACKVANDI.Development of atarget oriented weed control system[J].Computers and electronics in agriculture,2008,63(2):112-118.
[10] D L BROWN,D K GILES,M N OLIVER,et al.Targeted spray technology to reduce pesticide in runoff from dormant orchards[J].Crop protection,2007,27(3):545-552.
[11]翟长远，赵春江，NING WANG,等果园风送喷雾精准控制方法研究进展[J].农业工程学报，2018,34(10):1-15.