（机械电子工程专业论文）基于超声传感的喷杆位姿控制研究.pdf

江 苏大学硕士学位论文 摘要 国内外研究现状结果表明，喷杆喷雾机在田间作业时，喷杆相对于作物冠层的 不正确位姿将显著影响雾量分布均匀性。因此，开展喷杆位姿检测及其控制研究 对于提高雾量分布均匀性有着及其重要的意义。本文针对目前国内喷杆喷雾机自 动化作业要求，开发设计了一套基于超声波传感器的喷杆位姿控制系统。通过分 析喷杆位姿控制要求，设计了控制器的硬件电路与软件；通过超声波检测喷杆距 作物冠层高度试验，分析了超声检测喷杆位姿的可行性；运用工程整定法对控制 器p d 参数进行了整定，根据整定得到的p 参数开展了喷杆位姿控制试验。 本文研究内容主要包括以下几个方面： i 、喷杆位姿控制器的设计 ( 1 ) 对喷杆位姿调节液压系统进行了分析，阐述了超声波检测喷杆位姿原理， 提出了以a t 8 9 s 5 2 微处理器为核心的喷杆位姿控制系统，建立了喷杆位姿控制系 统的总体结构及硬件实现图。 ( 2 ) 完成了a d 转换、数据存储、d a 转换、运算放大与信号输出等硬件电路 及其相关软件的设计。 i i 、超声波检测喷杆距作物冠层高度试验分析 采用超声波传感器建立了一套喷杆距作物冠层高度检测系统，在室内和温室大 棚分别对平面木板与作物冠层进行了测量试验，得到了如下结论： ( 1 ) 在室内对平面木板进行测量，得到了距离值与输出电压值的回归模型，并 由回归模型得到了回归残差图，其中残差的绝对平均值万= 0 5 3 6 c m 。 ( 2 ) 分析了波束角对超声波测距的影响，在距离一定时，随着目标靶的旋转角 度越来越大，误差增加也越来越快；旋转角度一定时，随着距离增大，测量误差 呈增大趋势。 ( 3 ) 在温室大棚对作物冠层进行了检测，得到了距离值与输出电压值的回归模 型、残差图和残差频率分布图，结果显示，回归残差的绝对值大小为5 0 8 1 c m ，其 中残差绝对值有6 8 9 不大于6 c m ，有1 0 的残差值大于1 0 c m 。 ( 4 ) 将超声波测量平面木板与作物冠层得到的回归模型进行对比发现，随着距 基于超声传感的喷杆位姿控制研究 离的增加，两者得到的回归方程，其数值模拟差值随着电压的增大由大变小，再 由小变大，当电压输出为2 v 时差值最小，只有o 0 7 c m 。 ( 5 ) 通过在温室大棚对作物冠层的测量，探讨了作物冠层平面中叶片分布对测 距的影响，指出了三种不同情况下得到的回波信号是不同的。 、喷杆位姿控制试验 ( 1 ) 构建了由喷杆喷雾机和喷杆位姿控制器组成的喷杆位姿控制系统，对控制 系统的输出进行了标定，并确立了p d 控制算法。运用工程整定法中的扩充临界 比例度法对p i d 参数进行了整定，通过整定得到七。= 0 7 ，毛= 0 0 1 ，= 0 1 。 ( 2 ) 设计了用于喷杆位姿控制试验的阶跃信号，利用整定得到的p d 参数进行 了喷杆位姿控制试验，实验结果表明，喷杆位姿控制系统的调整时间为5 8 8 s ，最 大峰值为9 4 9 6 c m ，稳态值为4 7 9 伽。 关键词：喷杆位姿，超声波传感器，检测，作物冠层，p i d 控制 i i 江 苏大学 硕士学位论文 a bs t r a c t 翩r d i n gt or e s e a r c hs t a t l l s a th o m e 卸da b r o a d ，t h e u l l i f o 姗i t yo fs p r a y d e p o s i t i o nw a sr e m a r k a b l ei n n u e n o e db yt h ew r o n gp o s eo fs p r a yb o o mw i t hr e s p e c tt o t h ec r o pc a n 叩y n e r e f o r e ，i t sav e r yi n l p o r t a n ts i 鲥f i c a n c et 0i m p r 0 、，et h eu n i f 0 姗i t y b yc o n d u c tr e s e a r c ho ns p r a yb o o mp o s em e a s ur e 】m e n t 卸dc o n t r 0 1 ho r d e rt 0m e e tt h e r c q u 硫m e mo fs p r a y e ra u t o m a t e dj o ba th o m e ，as p r a yb o o mp o s ec o n t r o ls y s t c mb a s e d o nu l t r a s o n i cs e n s o 飓w 勰d e s i 毋1 e di nt h i sa m c l e b ya n a l y z i n gt h er e q u i r e m e n t0 f s p r a yb o o mp o s ec o n t r o l ，t h eh a r d w a r e 趾ds o f t w a r ef o fc o n t r o ls y s t e mw e r ed e s i g n e d t be v a l u a t eu l t r a s o n i cs e n s o r sd e t e c t i o n 绷r a c yw h e nt h es p r a yb o o mp o s ew a s t e s t e d ，ae x p e 曲e n tw 弱c o n d u c t e di i ll a b o r a t o r ya n dg r e e n h o u s e a t l a s t ，am e t h o df o r r c g u l a t i n gp i dp a r a m e t e r sw a sp r e s e n t e da n dac o n t f o lt r i a lw a sc o n d u c t e d 1 km a i nw o r k si n d u d et h ef o l l o w i n g ： id e s i 印o ft h es p r a yb o o m p o c o n t r o ls y s t e m ( 1 ) d e s c r i b e dt h ep r i n c i p l eo f s p r a yb o o mp o s em e a s u r e m e mw i t hu l t r a s o n i c s e n s o r sa n dp r e s e n ta s p r a yb o o mp o s ec o n t r o ls y s t e mw m c ha = r 8 9 s 5 2a sc o r e b n i l t t h es t l l l c t u r eo f c l o s e d l o o ps p r a yb o o mp o s ec o n t r o ls y s t e m ( 2 ) c o m p l e t e dm ed e s 咖o f h a r d w a r e 血c u i to ft h ea dc o n v e r s i o n ，d a t as t o f a g e ， d ac o n v e r s i o n ，叩e r a t i o n a la i i l p l i f i e r 趾do u t p u t 卸dr e l a t e ds o r w a r e i i e x p e 山e m a la i l a l y s i so nt e s ts p r a yb 0 0 mh e i 曲t 劬mc r o pc a n o p yw i m u l t r a s 0 i l i c a s p r a yb o o mh e i 曲tf 如mc r o pc a n o p ym e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do nu l t r a s o n i c n s o rh a sb e e nd e s i 印e d as e r i e so ft e s t sw a sc o n d u c t e di nt h el a b o r a t o r y 觚d 黟e e n h o u s et 0i n v e s t i g a t et h ea c c i l r a c yo fm e a s u r e m e n to fs u c has y s t e m ，t h er e s u l t s s h o w e dt h a t ： ( 1 ) t h ea b s o l u t ea v e r 憋r ee r r o fi l ld i s t a n c em e a s u r e m e n ti nl a b o r a t o r yc o n d i t i o n w a s0 5 3 6c m ( 2 ) w h e nt h ed i s t a n c ew 嬲c o n s t a n t ，w i t ht h ei n c r e a s e do fr o t a t i o na n 百e ，t 1 1 ef a s t t h ee 1 1 r o ri n c r e a s e d ；w h e nt h er o t a t i o nw a sc o n s t a n t ，t h ee r r o fw o u l di n c r e a s ew i t ht l l e i i i i n c i e a s eo fd i s t a n c e ( 3 ) t h eb o o mh e i g h tf r o mc f 叩啪o p i e sw a sm e a s u r e m e n ti nt h e 伊e e n h o u s e ， e x p e 曲e n t a lr e s u 】t ss h o w e d 出a t ：i ka v e f a j g ea b s o l u t ee 玎0 rw a s5 0 8 1 c l n ，a6 8 9 0 f o b s e a t i o n ss m a l l e ro re q u a lt o6 c ma n da1 0 l a r g e ro re q u a lt o1 0 c m ( 7 r h em o d e l so b t a i n e di nl a b o r a t o r y n d i t i o na n d 五e l dc 0 n d i t i o nw a sc o m p a r e d ， i ts h o w e dt h a tt h eb i g 鲈s td i f 6 e r e n c e sa r ef o u n da tb o t h e n d so ft h e s e n s i i l gr a n g e w h e n t h ev o l t a g ew a s2 vt 1 1 ed i m 鳓1 c ew 勰o i l l yo 0 7 c m ( 5 ) a n a l y s i st l l ee f f e c to ft 1 1 ef o l i a g eo nt ：h eu l t r a s o n i cc 0 岫eu n d e rt h r e ec o n d i t i o n s b yt h ee x p e r i i i l e n t a l0 fc r o pc a n o p yh e i 曲tm e a s u r e m e n ti nt h eg 璋e n h o u s e e x p e r i m e n t a lo fs p r a yb o o mp o s ec o n t r o l ( 1 ) s p r a yb o o mp o s eo o n t r o ls y s t e mw a sc 0 n s t m c t e db yb o o ms p r a y e ra n ds p r a y b o o mp o s ec o n t r o l l e r r r h e o u t p u to fc o n t r o ls y s t e mw 勰c a l i b r a t i o n n ep i d p a r 锄e t e r sw e r ea d j u s tw i t he x p a n dc r i t i c a lr a t i om e t h o d ，w eg o t = 0 7 ，毛= 0 0 1 ， 屹= 0 1 。 ( 2 ) as t e ps i n 西ef o rs p r a yb o o mp o s ec o n t r o le x p e r i r i l e n t a lw a sd e s i g n e d b yt h e e x p e r i m e n t a l ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ed e b u gt i m ew a s5 8 8 s ，t 1 1 em a x i i n u mp e a kw a s 一9 4 9 6 c ma n dt h es t e a d v s t a t ev a l u ew a s4 7 9 c m k e y w o r d s ：s p r a yb o o mp o s e ，u 1 蛔s 伽i cs e n s o r ，t e s t ，c 叫) c a n 叩y ，p i dc o n t r o l l e r 江 苏大学硕 士 学位论文 1 1选题背景 第一章绪论 作为农业生产大国，我国农药生产技术处于国际先进水平，而植保机械发展技 术严重落后的现状与高速发展的农药水平极不相称，已严重妨碍了农作物病虫害 的有效防治【1 1 。喷杆喷雾机作为大田植保作业应用最为广泛的机型，因其有着高 效、快速、可控和自动化等优势，在减少农药损失、提高农药利用率、降低农药 残留和保护生态环境等方面具有显著的经济与社会效益，成为了人们研究的热点。 提高喷杆喷雾机的喷施均匀性成为全世界植保工作者研究的核心问题之一。 喷杆喷雾机的显著特点是具有较长( 其长度一般在6 至3 6 米之间) 的喷杆。施 药时，喷杆喷雾机轻微的外部激励都可能造成喷杆末端的剧烈运动，使喷杆位姿 发生变化，进而导致药液沉积的不均匀。通常称这种对喷杆喷雾机的沉积均匀性 产生不良影响的喷杆运动为喷杆的有害运动n w a m e d 舢n d e s i r e dm o t i o n ) 。诸多研 究表明喷杆的有害运动对喷杆喷雾机施药均匀性有非常显著的影响【2 4 1 。 当喷杆喷雾机在地头转弯或地不平时，喷杆的端头就有可能碰到地面或障碍 物。另外，在作物的不同生长阶段，喷杆的喷施高度也必须根据作物的高度进行 调整，使其适合地面或作物高度对喷雾垂直间隔的要求【5 】。所以，对喷杆位姿进 行控制是提高喷杆喷雾机喷施均匀性的有效途径，而如何获取精确的喷杆位姿信 息是进行喷杆位姿控制的关键。 本课题研究的目的是通过采用超声波传感器检测喷杆两端与作物冠层之间的 高度差来获得准确的喷杆位姿，建立一套基于超声波传感器的喷杆位姿控制系统， 实现喷杆喷雾机作业过程中喷杆位姿的实时控制，提高喷施均匀性。 1 2 国内外研究现状 针对本课题的研究目的，现将国内外研究现状分为以下四个部分分别进行阐 述：( 1 ) 喷杆运动与雾量分布均匀性；( 2 ) 喷杆位姿检测方法；( 3 ) 超声波检测 喷杆距作物冠层高度；( 4 ) 喷杆位姿控制。 基于超声传感的喷杆位姿控制研究 1 2 1 喷杆运动与雾量分布均匀性 1 2 1 1 喷杆运动 喷杆喷雾机施药作业时，喷杆运动可分解为两种运动的合成。第一种是沿喷杆 喷雾机前进方向的匀速运动，这是喷杆喷雾机正常作业所必须的运动，因此称为 必要运动或有益运动( w a n t e d d e s h dm o t i o n ) 。其余运动均属于第二种，称之为有 害运动。喷杆的有害运动是喷杆平衡控制的对象，所以本文以下所指喷杆运动中 的“运动 就是指这类有害运动。 喷杆运动按其运动形式可分为转动( r 0 l l i n g ) 、摇摆a 撕向g ) 和颤动( j o l t i i l g ) 【6 】三 种，如图1 1 所示。转动通常指喷杆垂直方向( x y 平面) 的角加速度变化；摇摆通 常指喷杆水平方( x z 平面) 向的角加速度变化；而颤动则通常是指当喷杆喷雾机沿 水平( x z 平面) 和垂直方向( x 。y 平面) 有速度变化时，喷杆整体的加速度变化。杆喷 雾机喷施作业时喷杆的空间运动又可以分解为水平运动血o n t a l m 0 t i o n m 0 v 锄e “痢垂直运动( v c r t i i c a lm o t i o n m o v e m e n t ) 【7 l 。可以看出，喷杆的水 平运动包含了颤动和摇摆，垂直运动包含了颤动和转动。在喷杆喷雾机作业时， 转动、摇摆和颤动往往是同时存在的，而且转动和摇摆的加速度变化往往更为显 著。因此，很多学者将摇摆和转动分别等同于喷杆的水平运动和垂直运动【8 9 】。 z 厂x 圈卜y r x 重y r x 垂 一一一 图1 1 喷杆运动形式1 6 】 f i g 1 1m o 曲np a n e m so fs p r a yb o o m a 转动b 摇摆c 颤动 1 9 7 4 年s p e e h 觚和j a n s c n 【7 】研究了喷雾机的行驶速度对喷杆运动的影响，试 验结果表明：随着喷杆喷雾机运行速度的增加，喷杆末端在垂直方向和水平方向 的最大振幅也随着增加。1 9 9 3 年r 锄o n 【1 0 】利用液压振动试验台来模拟标准人工道 路【1 l 】，研究了喷杆喷雾机行驶速度分别为4 h l h 和8 h 1 l l 时喷杆末端的响应，仿 真结果为：当行驶速度为4 虹l h 时，喷杆末端的水平位移和垂直位移分别为0 2 6 m 和0 7 m ；当行驶速度为8 m h 时，喷杆末端的水平位移和垂直位移分别为0 4 m 2 江 苏大学硕士学位论文 和0 7 m 。1 9 9 9 年k e 皿e s 等【1 2 】采用有限元法建立了喷杆长度为2 4 m 的喷杆喷雾机 有限模型，同样是采用标准人工道路来作为该模型的激励信号，分析了行驶速度 为5 k m h 时喷杆末端的最大位移，分析结果得到：水平方向与垂直方向上的最大 位移分别为3 m 和1 6 2 m 。 1 9 9 5 年l a n g e n a k e n s 【1 3 】等首先将轮胎气压引入了喷杆运动的分析当中，研究了 行驶速度与轮胎气压对喷杆末端位移的影响，他们的仿真结果如表1 1 所示。可以 看出，喷杆末端的位移不但会随着速度的增加而增加，同样会随着轮胎气压的增 一加而增加。 表1 1 行驶速度与轮胎气压对喷杆末端位移的影响f 1 3 】 t a b 1 1n ee f f to fd 晰i n gs p e e d 卸dt i r ep r e s s u r eo nm o v e m e n t so fs p f a yb o 唧卸 s p e e h a n 和j a n s e n 【刀1 9 7 4 年不但研究了行驶速度对喷杆末端位移的影响，同 样研究了药箱储液量对喷杆末端位移的影响，研究结果显示：当药箱的储液量由 2 5 增加到7 5 时，喷杆末端的振幅整体上呈增加趋势。1 9 9 6 年r 锄o n 和 b a e r d e m a e k e r 1 4 】研究了药箱储液量分别为空箱、半箱和满箱时的喷杆末端的位移 响应，试验表明：随着药箱储液量的增加，喷杆末端位移减小。 2 0 0 4 年j e o n 等【1 5 】在一条长为2 2 0 m 的土质跑道上设计了两种不同的地面激励， 研究了喷杆喷雾机的喷杆末端位移和加速度，其喷杆长度为2 7 4 m ，最后得出在 两种不同的地面激励下喷杆末端位移和加速度均有显著差别。 上述研究结果表明，喷杆喷雾机在田间作业过程中，除了喷杆喷雾机自身的结 构参数外，喷雾机的行驶速度、轮胎气压、药箱储液量等因素均会对喷杆运动有 影响，特别是喷杆末端位移。 1 2 1 2 雾量分布均匀性 雾量分布均匀性是评价喷杆喷雾机喷雾性能好坏的重要指标之一，它是指雾滴 在目标靶上分布的均匀程度，通常用分布变异系数( c o e f f i c i e n to fv a r i a t i o n ) 的大小 来表示，分布变异系数是指单位面积上雾滴沉积量的标准差与平均值的比值，目 前国内外喷雾试验测试标准中都广泛采用这一指标。目前也有研究者提出用沉积 比这个指标来反映雾量分布均匀性，它是指单位面积上的沉积量与期望值的比值。 3 基于超声传感的喷杆位姿控制研究 沉积比除了可反映雾量分布均匀性，它还可以提供雾量在空间分布上的信息，当 沉积比大于1 时为多喷( o v e 卜a p p l i c a t i o n ) ，小于1 时为少喷( u n d e r - a p p l i c a t i o n ) ，等 于o 时则为漏喷( l e a k a g e ) 。 s p e e l m a n 和j a n s e n 【刀曾在1 9 7 4 年研究过喷杆在水平方向与垂直方向的振动对 雾量分布均匀性的影响，试验结果表明，当振动频率从3 h z 降到0 5 h z 时，雾量 分布变异系数分别增加了2 0 0 和1 0 0 。1 9 9 7 年r o m 觚和b a e r d e m a e k e r f 2 】的研究 结果得出：喷杆的垂直运动会使雾量分布沉积比的变化范围为0 1 0 0 0 ，喷杆 的水平运动会使雾量分布沉积比的变化范围在2 0 6 0 0 。 1 9 9 9 年l a i l g e n a k e 璐掣1 6 】提出在垂直方向上对雾量分布均匀性造成影响的喷 杆运动形式主要有两种：刚性运动与弹性运动。其中刚性运动主要由路面不平、 轮胎变形两种因素引起，包括刚性位移和刚性摆动，而弹性运动主要由拖拉机行 驶过程中在垂直方向上的加速度与底盘摆动时的加速度两种因素所引起，主要指 弹性弯曲变形。研究结果表明：刚性转动与弯曲变形对雾量分布均匀性的影响大 于刚性位移的影响。 2 0 0 3 年o o m s 等【1 7 】通过田间试验，得出了喷杆的水平运动是引起雾量纵向分 布不均匀性的主要原因，喷杆的喷施高度主要影响雾量横向分布均匀性。2 0 0 5 年 a n t h o n i s 等【1 8 】提出喷杆影响雾量分布均匀性的主要运动形式有垂直方向上的转 动、水平方向上的摆动和颤动。 2 0 0 8 年陈志刚等【1 9 】人在探讨喷杆喷雾雾量的分布均匀性时指出，在相同振动 的程度下，相比起喷杆的垂直振动，喷杆的水平振动对喷杆雾量分布均匀性的影 响大得多。 1 2 2 喷杆位姿检测方法 获取精确的喷杆位姿信息是喷杆位姿控制的前提。喷杆作业时的位姿信息主要 包括以下两个方面：1 、喷杆的振动信息。即喷杆在水平和垂直平面内的线加速度 和角加速度信息。由于喷杆长度尺寸较大，单纯的测试喷杆末端运动很难反映喷 杆的整体运动状态，所以如何布置喷杆的运动监测点及如何对数据进行处理，从 而获得有效的喷杆位姿信息是喷杆位姿检测的第一个关键问题。2 、喷杆的位置信 息。即喷杆各点距离作物冠层的高度。由于高精度的接触式测量很难用于喷杆和 作物冠层之间的动态测量，所以如何获得准确而稳定的喷杆距作物冠层的高度信 4 江 苏大学硕 士学位论文 息是喷杆位姿检测的第二个关键问题。 由于早期的主动悬挂研究多集中于中小型喷杆，虽然人们很早就将加速度传感 器吲、视频录像i 冽、激光传感器【2 1 】和超声波与红外传感器相结合【2 2 】等测试手段用 于喷杆位姿的试验测试，但是对于上面两个关键问题并没有引起早期研究者的过 多注意。1 9 9 4 年s i i 哟f t 等【8 】在研究喷杆悬挂系统对雾量分布均匀性的影响时，在 实验室建立了一套基于红外( i n f r a r e d ) 发射器的喷杆位姿测控装置，用来测试喷杆 的转动角与摆动角，试验结果表明，该测试装置能准确测出喷杆位姿。由于该试 验是在实验室模仿田间试验，测量喷杆位姿时已在室内选好了固定的参考坐标系， 所以该装置还不能用于田间试验。 2 c h d l 年p o c h i 等【2 3 】以电位器式传感器( 由一个线性电位计与两个角度电位计 组成) 作为测试元件，建立了一套喷杆位姿测试系统，并在实验室将此系统和红 外- 超声测试系统( v _ s c o p es y s t e m ，u p u r e ka d v 孤c e ds y s t e m sn d ，i s r a e l ) 进行 了对比实验，结果表明，两者的测试结果非常接近。2 0 0 2 年p o c h i 等【刎又进一步 将该测试系统用于测试喷杆喷雾机户外行驶时的喷杆位姿。由于该测试方法采用 的是接触式测量，虽然测试精度颇高，但事实上不大可能用于喷杆的实时位姿测 试。 2 0 0 2 年o o m s 等【6 】采用雷达、超声波传感器、加速度传感器和动态测试单元 p y n 锄i c m e a s u r e m e n tu n i t ，c r o s s b o wt e c h i l o l o g y ) 组合进行喷杆的水平位姿测试， 利用数据融合方法进行数据处理以获得喷杆的水平位姿。对比试验表明，该测试 方法获得的数据很接近于激光传感器。所谓数据融合是指从多种传感器信号中通 过数据处理策略得到一个物理量的有效数值。显然该数据融合方法为喷杆的精确 位姿测试开辟了一个新的途径。 2 0 0 3 年j e o n 等【1 5 】提出将三维加速度传感器和超声波测距传感器用于喷杆的位 姿测试，主要测试了喷杆末端与喷杆中心在三个方向上的加速度，研究表明，该 方法也可获得比较理想的测试结果。 在喷杆上布置尽可能多的加速度传感器有利于获得精确的喷杆位姿信息，但这 对数据处理器的处理速度提出了更高的要求。因此，选择恰当的传感器测试点和 数量，采取必要的数据融合方法有利于获取理想的喷杆位姿信息。相比较而言， 激光和超声波等非接触式传感器更适用于喷杆的实时位姿检测。就性价比和适用 5 基于超声传感的喷杆位姿控制研究 性而言，超声波传感器更有优势。超声波传感器用于检测喷杆与作物冠层之间的 高度时，超声波传感器固有的声束角和作物冠层叶片分布的不规则必将影响超声 波传感器的测试精度，但影响机理目前尚不明确。值得注意的是，国外许多企业 已经克服了这一困难，推出了基于超声波传感器的精确喷杆位姿测控产品，如加 拿大的n o r a c 公司等。 1 2 3 超声波检测喷杆距作物冠层高度 超声波测距在农业领域中的应用已经超过了4 0 年，在以往的研究中，关于超 声波检测作物冠层参数的研究主要集中于变量喷雾与果树仿形喷雾。早在1 9 8 8 年 g i l e s 等【铆就在果园鼓风喷雾机上建立了一套基于超声波传感器的果树冠层体积 测量系统，并在不同的行驶速度条件下测量了超声波与果树冠层叶片之间的距离， 试验表明：当喷雾机的行驶速度在灿、4 k m l l 、6 l 【i n l l 时，测量精度不受影响。 2 0 0 2 年l ( a t a o l 【a 等【2 6 懈超声波传感器与激光传感器组合在一起，用于检测作 物高度，分析结果显示，与人工测量相比，超声波传感器测量的平均误差为3 0 蚴。 同样在2 0 0 2 年，t i u m b o 等【2 刀将超声波检测、激光检测分别与人工检测作物冠层体 积进行了对比试验，结果表明，三种检测方法表现出了很好的一致性，但该研究 并没有在不同的行驶速度下进行对比。 2 0 0 4 年z a n i a l l n 等【2 8 】分析了叶片分布密度与喷雾机行驶速度对超声波检测作 物冠层体积的影响，试验结果如表1 2 所示。由表1 2 可知：叶片分布密度越稠密， 测量误差就越小；随着速度的增加，叶片分布密度稀疏的区域测量误差会相应的 增加，而叶片分布密度稠密的区域测量误差基本不发生变化。 表1 2 超声波测量占人工测量体积大小的百分比【勰1 t 铀1 2u l t r a s o n i cv o l u m ea sp e 赋n t a g eo fm a n u a lv o l u 础 2 0 1 0 年j e o n 等【2 9 】在实验室模仿田间条件，分析了影响超声波传感器( 美国 m a x b o t i 】【公司生产，型号为【v m a x s o n a r 、 哏1 ) 测量作物高度精度的因素。试验 6 江 苏大学硕 士学位论文 以人工植株作为测试对象，研究了温度、风速、喷雾机的行驶速度、喷雾云( s p r a y d o u d s ) 、灰尘雾( d u s td o u d s ) 等因素。试验结果表明：该传感器暴露在户外4 0 天 之后，测量精度并没有受到实质性的影响；风速由1 5 m s 增加到7 5 n 怕时，测量 误差也没有相应的增加，同样，灰尘雾对测量精度也无影响；当超声波传感器与 人工作物的距离设定为8 1 9 c m ，喷雾机的行驶速度由0 8 m s 增加到3 0 m s 时，测 量值的均方根误差由1 0 1 c m 增加到了1 9 4 c m ；当温度由1 9 增加到3 5 时，测 量误差也随之增加了2 2 c m ；在喷雾云的测试试验中，测量值的均方根误差却由 2 3 c m 增加到了8 3 0 锄。很显然，虽然该研究检测的是某一特定型号的超声波传 感器的测量精度，但它对研究超声波检测喷杆距作物冠层高度是有借鉴意义的。 2 0 0 4 年高巍等【刈，2 0 0 8 年李霞等【3 1 】都对作物高度的测量装置进行过研究，并 进行了相关测量试验，但他们的重点均侧重于硬件上的设计。 上述诸多研究表明，关于超声波检测作物冠层参数的研究主要集中于国外，国 内鲜有学者对此进行过探讨，但现有的研究成果都是将超声波检测到的冠层参数 与人工检测的进行对比，并没有提供作物冠层与超声波传感器本身固有的参数对 测量精度影响的信息，对于超声波传感器固有的波束角与作物冠层叶片分布的不 规则性对测量精度的影响还有待进一步研究。 1 2 4 喷杆位姿控制 喷杆式喷雾机按喷雾机与配套动力的连接方式可分为悬挂式、牵引式和自走式 三种类型，而喷雾机按喷杆与机架的连接方式又可分为无控制( 无悬挂) 、被动控制 ( 被动悬挂) 和主动控制( 主动悬挂) 三种类型，其中，被动控制与主动控制是喷杆位 姿控制的主要控制方式。 1 2 4 1 喷杆位姿的被动控制 由于作物生长一般和地面走势相关，因此，由地面走势变化所引起的喷杆低频 运动往往是需要保留的信息，即希望喷杆平行于地面走势。而地面不平整所引起 的喷杆高频振动导致雾液沉积不均匀，因此，高频分量是必须滤除的信息。被动 控制时悬挂系统通常由弹簧、铰链、阻尼等组成。由于机械部件的响应频率较高， 因此不但可以滤除高频振动分量，而且保留了低频信息，即被动控制本身具有低 通滤波特性【3 2 3 3 1 。 被动控制常见的悬挂结构有( 单_ 双) 万向节悬挂、弹，双) 摆悬挂、( 单双) 梯形悬 7 基于超声传感的喷杆位姿控制研究 挂和对称轴悬挂等。被动控制的基本原理是依靠系统机械构件的重力进行平衡， 具有简单、稳定和成本低廉的优点，所以多用在喷幅较小的中小型喷杆喷雾机上。 而大型喷杆喷雾机的喷杆长度较大，且喷杆长度范围内的地表走势往往并不平直， 仅能被动平行于地面走势和低通滤波的被动控制往往难以满足使用要求，必须采 用喷杆位姿的主动控制以实现更高的位姿控制精度。 1 2 4 2 喷杆位姿的主动控制 喷杆位姿的主动控制与被动控制相比，需要位姿传感器、执行器、处理器和功 率放大器等【3 3 】。喷杆位姿主动控制的实质是对喷杆的运动和位姿进行主动补偿。 因此喷杆位姿主动控制系统是一个完整的测控系统。另外，喷杆位姿的主动控制 可以认为是在被动控制的基础上增加了主动测控系统，因此主动控制系统往往具 有被动控制系统的特性p 4 】。1 9 8 8 年s u l l i v a n 等p 5 】通过实验室仿真和田间试验验证 了主动控制系统的低通滤波特性。 早在1 9 8 9 年m a r c h a m 和f r o s t p 6 】就开始将反馈控制引入到喷杆的主动悬挂系 统中，通过试验得到：当执行器的运行速度提高时，喷杆位姿的控制效果得到了 改善，但随着执行器运行速度的进一步提高，系统便开始失稳。1 9 9 8 年r 锄o n 等【3 7 】设计了喷杆水平振动位姿控制器，通过液压执行器对喷杆的水平振动进行补 偿，该控制器可以有效的抑制喷杆在水平方向上的振动。 2 0 0 2 年d e p r e z 等【3 8 3 9 】采用数学建模与试验识别的方法得到了缆悬挂的主动控 制模型，并以喷杆与水平位置的倾斜角秒作为测试物理量，利用根轨迹方法设计 了三阶补偿控制器。试验时将喷杆倾斜角度护旋转到8 。时开启控制器，进行喷杆 的响应测试，试验结果表明：达到峰值时间为7 s ，稳定时间需要2 5 s ，喷杆末端 的最大偏移量为0 7 m 。 2 0 0 3 年a n t l l o n i s 等【加】将水平喷杆悬挂考虑成具有二阶传递矩阵( d v a d i c t r a n s f e rf u i l c t i o nm a t r i 】【，d t m ) 特性的线性系统。将系统的输入和输出考虑成多个 单输入单输出( s i s o ) 系统的叠加，并设计了相应的喷杆水平悬挂控制器。在喷幅 为1 2 米、i s 0 5 0 0 8 标准人工道路条件下，喷杆末端的水平振幅控制范围约为- 5 8 c m 。 2 0 1 1 年江苏大学邱白晶f 4 1 1 以喷杆长度方向与水平方向的夹角为测试物理量设 计了了喷杆运动控制器，并开展了喷杆响应建模和运动控制的研究。 8 江 苏大学硕士 学位论文 综上所述，喷杆位姿的主动控制是对被动控制性能的强化和补充。采用一定 的控制策略和控制方法，可将喷杆的位姿控制在非常理想的水平。目前，关于喷 杆位姿控制研究的内容主要集中于国外，喷杆位姿信息的获取也主要是以喷杆与 水平位置的倾斜角为测试目标，并没有考虑到喷杆与作物冠层之间的相对位姿。 事实上，喷杆喷雾机在田间作业过程中喷杆必须与作物冠层保持正确的位姿，以 提高雾量的分布均匀性。 1 3 主要研究内容与技术路线 1 3 1 主要研究内容 总结了国内外研究现状四个方面( 喷杆运动与雾量分布均匀性；喷杆位姿 检测方法；超声波检测喷杆距作物冠层高度；喷杆位姿控制) 的优势与不足 后，本文主要研究内容如下： ( 1 ) 喷杆位姿控制器的设计。对喷杆位姿调节液压系统原理进行分析，提出 喷杆位姿的超声检测原理，设计喷杆位姿控制系统的硬件电路与软件，建立喷杆 位姿控制系统。 ( 2 ) 超声检测喷杆距作物冠层高度的试验分析，针对利用超声波检测喷杆两 端与作物冠层的高度差，分析超声波超感器固有的波束角与作物冠层叶片分布的 不规则性对超声检测喷杆距作物冠层高度精度的影响，验证其检测喷杆位姿的可 行性。 ( 3 ) 喷杆位姿控制试验研究。对控制系统输出进行标定，确立控制p d 算法， 通过整定p d 参数，进行喷杆位姿控制试验。 1 3 2 技术路线 ( 1 ) 根据喷杆喷雾机的总体结构，分析喷杆位姿的控制要求，制定喷杆位姿 控制系统的结构框图及硬件实现图，设计控制器的硬件电路及软件。 ( 2 ) 制定超声波检测喷杆距作物冠层高度试验方案，在实验室和温室大棚分 别进行超声波的检测试验，分析波束角与作物冠层叶片分布对检测精度的影响。 ( 3 ) 依据控制系统的总体结构确立控制器的p i d 算法，运用工程整定法对p i d 参数进行整定，制定喷杆位姿控制试验方案并开展相关试验，分析喷杆位姿控制 系统的控制特性。 o 基于超声传感的喷杆位姿控制研究 1 4 本章小结 本章主要从四个方面( 喷杆运动与雾量分布均匀性：喷杆位姿检测方法； 超声波检测喷杆距作物冠层高度；喷杆位姿控制) 分析和总结了喷杆位姿控 制的国内外研究现状，指出了国内外在喷杆位姿检测与控制方面还有待解决的问 题，在此基础上提出了本文的主要研究内容，并制定了针对研究内容的相关技术 路线。 1 0 江苏大学硕士学位论文 第二章喷杆位姿控制系统设计 对喷杆位姿进行控制是提高喷杆喷雾机喷施质量的有效途径，为了使喷杆喷雾 机在田间作业过程中喷杆与作物冠层保持正确的位姿，本章设计了一套以 a r 8 9 s 5 2 微处理器为核心的喷杆位姿控制器。主要介绍了喷杆喷雾机的总体结构、 喷杆位姿调节的液压系统及喷杆位姿的超声检测原理，给出了喷杆位姿闭环控制 系统的结构示意图和硬件结构实现示意图，并在此基础上对控制器的硬件电路及 其软件进行了设计。 2 1喷杆喷雾机的总体结构 本文的研究对象为江苏大学农业工程研究院自行设计的高地隙喷杆喷雾机( 国 家“8 6 3 ”高技术研究发展计划项目2 0 0 8 a a l 0 0 9 0 5 ) ，其实物图与结构示意图如图2 1 所示。 ( a ) ( b ) 图2 1 喷杆喷雾机实物图与结构示意图 f 追2 1d i a 伊a mo fb o o ms p 豫y c r ( a ) 喷杆喷雾机实物图喷杆喷雾机结构示意图 1 行走底盘2 机架3 移动架4 高度调整液压缸5 角度调整液压缸6 喷杆7 超声波传感器 喷雾机采用改造后的d f 2 5 0 型轮式拖拉机作为其输出动力，喷雾机机械系统 与拖拉机采用悬挂式连接方式。喷杆可相对于移动架转动，移动架的升降由高度 调整液压缸来实现，且喷杆、角度调整液压缸可随移动架上下移动，所以喷杆与 作物冠层之间的喷雾高度可通过高度调整液压缸来调整，而喷杆相对于作物冠层 基于超声传感的喷杆位姿控制研究 平面的位姿则通过角度调整液压缸来调整，喷杆位姿信息的获取则由安装在喷杆 两端的超声波传感器检测实现。喷杆喷雾机的主要技术参数如表2 1 所示。 表2 1 喷杆喷雾机的主要技术参数【4 2 】 1 曲2 1t h ep r i l a r yp a 删衄【e t e r so fb o o ms p r a y e f 2 2 液压系统分析 由喷杆喷雾机的结构示意图可知，液压系统的主要执行机构为高度调整液压缸 和角度调整液压缸。由于喷杆喷雾机在田间行驶过程中不可避免地存在较大振动， 故高度调整液压缸和角度调整液压缸均采用h s g 系列工程液压缸。高度调整液压 缸由海门液压生产的型号为3 4 e y _ h 6 b t 的电磁驱动式三位四通换向阀点动控制， 角度调整液压缸则由宁波华液机器制造有限公司生产的型号为b 网m 0 2 3 c 4 0 1 5 的内置驱动式比例换向阀来实现流量和方向的控制。各液压器件的主要技术参数 如表2 2 所示。 1 2 表2 - 2 液压器件的主要技术参数【4 2 】 1 曲2 2r 1 1 l ep r i n m yp 龇a 删淝体0 fh y d 圳d e v 斌 驱动电压1 2驱动电压 电磁换向阀中位y 型比例换向阀中位 控制信号 l ? ( a ) 图2 2 比例换向阀与电属嗽向阀 f i g 2 2p r o p o n i o n a lr e v e r s i n gv a l v ea i l dm a 鲫e t i ce x c h 锄g ev a l v e ( a ) 比例换向阀( b ) 电磁换向阀 嚣；i 江苏大 学 硕 士 学位论文 液压系统原理刚4 2 】如图2 3 所示。由原理图可以看出，该系统的总油路开关由 一个手动换向阀( 5 ) 来控制，为了保证液压系统停止工作时，两只油缸可以保压， 即喷杆可以保持恒定的位姿，采用了两只液控单向阀( 1 0 ，1 1 ) 来防止油液反向流动。 两只溢流阀( 8 ，9 ) 分别对高度调整液压缸( 1 4 ) 和角度调整液压缸( 1 3 ) 起安全保护作 用。比例换向阀( 6 ) 和电磁换向阀( 7 ) 均采用y 型中位机能，目的是保证液压阀无动 作时液压系统可迅速卸荷，减少液压系统的功率消耗。 1 2 图2 3 液压系统原理图【4 2 】 f i g 2 3s t m c t u r eo fh y d r a u h cs y s t e m 1 ，4 油箱2 过滤器3 油泵5 手动换向阀6 比例换向阀7 电磁换向阀8 ，9 溢流阀 1 0 ，1 1 液控单向阀1 2 压力表1 3 角度调整液压缸1 4 高度调整液压缸 2 3 喷杆位姿的检测原理 表征喷杆位姿信息的物理量包括喷杆的加速度、角度与位移等，所以目前有关 喷杆位姿检测的研究主要是针对这三个物理量而展开的。o o m s 等【6 】曾利用数据融 合方法采用雷达、超声波传感器、加速度传感器和动态测试单元组合进行喷杆的 水平位姿测试。d e p r e z 等p 8 3 9 】在喷杆的缆主动悬挂系统中通过检测喷杆两端的位 移来控制喷杆的角度。胡炼等【4 3 1 曾利用超声波传感器评定水田激光平地机水平控 制系统性能时，通过超声波传感器测量平地铲两端与参考平面的距离，再利用三 角关系计算得到了平地铲的倾斜角度。邱白晶等【4 1 】也曾利用倾角传感器检测喷杆 基于超声传感的喷杆位姿控制研究 在长度方向上与水平面的倾斜角度，使其作为控制