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温室超低量智能施药机器人
摘 要：温室超低量智能施药机器人,属于农业电子机械控制技术领域.该装置包括报警系统,超声气力雾化装置,铅蓄电池,万向轴喷头装置,金属底盘电动越野坦克底盘,自由伸缩折叠支架.根据机器人传感器反馈的路面信息和作物种类,实现自动避障和智能浇灌,弥补了现代温室农业缺乏针对性施药策略、农药浪费严重、地形适应能力差、操作人员易中毒以及智能化程度低等缺陷,可解决超低量施药问题,可最大化节省施药量,既节约资源又保护环境；通过规模化应用本项目产品,对推动我国农业植保技术的发展,以及为提升高质量、绿色的瓜果类设施蔬菜产品质量提供坚实的保障.
关键词：温室；超低量；智能施药机器人
1前言
本项目针对传统温室施药技术的缺乏针对性施药策略、农药浪费严重、施药机具地形适应能力差、操作人员易中毒以及智能化自动化程度低等问题,从基于RBF人工神经网络技术的瓜果类设施蔬菜病虫害施药策略系统设计研究、基于超声气力喷雾技术的智能化超低量施药关键技术研究、面向瓜果类设施蔬菜种植温室的轮距可调履带式行走机构关键技术研究、基于激光导航A技术的自走系统设计研究、基于多传感融合技术（DHP）的施药作业模式智能专家决策系统研究出发,开展面向瓜果类设施蔬菜的智能化超声气力施药机器人关键技术研究.
2国内外农药喷洒现状
2.1国外研究现状
在美国大型蔬菜种植温室中,采用喷幅达18m以上的轨道式喷雾机,药剂箱的容量接近3000L,作业速度达8～10km/h,自动化程度和工作效率都非常高,但是对于篱架类瓜果设施蔬菜并不适用,药液浪费严重；在自动控制方面,日本的施药机械已在传感器、导航和控制理论的实际应用上进行了大量研究,实现了自动化控制和减少人员与用药的接触,但对于人机界面控制技术、自动喷头位置设定调整等方面应用仍然比较缺乏；另外,国外的施药机械完成高度智能化控制的集成,目前其应用于温室的视觉农业机器人采用图像处理算法检测制导线,并运用了模糊逻辑控制方法,可以进行远程操控自主导航,但是缺乏对复杂地形的适应力,缺少减震功能,在行距多变的环境也无法行进,只能在平坦地面作业；尽管国外的智能化水平已经非常高了,但是针对瓜果类设施蔬菜的机具都没有智能化的专家决策系统.
2.2国内研究现状
我国的温室施药机械经过建国以来的发展,取得了显著的提升,但在使用的技术理论和技术措施方面仍然无法匹配我国农业大国的水平.针对于瓜果类设施蔬菜,国内大棚温室普遍采用和一般菜叶类蔬菜相似的施药手段,缺乏针对性的施药策略远低于发达国家50%的水平,造成农药流失的环境中严重污染了环境,极易引发操作人员中毒现象；除此之外的,还有与大型温室搭配的有轨式喷雾施药,施药的沉积性差,面对篱架型瓜果类设施蔬菜在生长期的高度变化缺乏应对措施,设备局限性大,不适用于篱架型作物,昂贵.北京林业大学基于Kinect技术开发的温室喷雾机器人视觉导航定位系统利用先进的传感器感知温室内局部环境信息,让机器人在温室内自主行走完成是要任务,不过现阶段大部分都只在实验室阶段,实用阶段的技术与设备还十分欠缺,特别是对病虫害的种类和危害程度缺乏足够识别能力,不能自动调节作业参数.
3温室超低量智能施药机器人的设计
3.1水位监测报警系统
水位监测报警器使用5V低压直流电源,可以进行监测处于20～30cm范围内的水位,用LED显示和数码管显示水位.主要采用CD4066、74LS86、74LS32、CD4511芯片,采用高亮LED发光灯芯配合高分贝警示蜂鸣音,采用304可加长不锈钢水位线,系统材料采用IP55防水等级,再加上数码管、蜂鸣器、发光二极管、电阻这些器件组成一个简单而灵敏的监测报警电路,操作简单,接通电源即可工作.而且大部分电路采用数字电路,所以本水位监测报警器还具有耗能低、准确性高的特点.
3.2超声力雾化装置
超声雾化器的主要作用是将供液装置提供的雾化液雾化.常见的雾化方式有喷嘴机械雾化和压电超声雾化两种.压力喷射式雾化是雾化液在雾化器压力作用下具备一定动能,在高速旋转中喷出喷孔,在离心力、喷孔反作用力等力作用下,克服雾化液的表面张力和粘性力,碎裂成雾粒；转杯高速旋转雾化是雾化液以细流经管道进入安装在空心轴上的雾化转杯内,在高速旋转雾化杯的离心作用下,紧贴在雾化杯壁面,形成的液膜随着转杯高速旋转,并不断向杯口移动直至甩出裂解成细小的成曲线运动的雾粒.
本产品采用的就是低频大功率超声雾化,超声气力雾化装置包含一主体座、一震荡器、一IC控制板、一蓄电器及一风扇装置.所述主体座是由一第一壳体区及第二壳体区延伸而成,且是供震荡器、IC控制板、蓄电器及风扇装置结合放置.低频大功率超声雾化不仅具有气雾分布均匀,气雾颗粒小,雾化速度低等高频超声雾化器的优点,而且雾化量较大,雾粒速度高等特点.其设计基于声波在弹性介质中的一维传播理论及相关设计理论并结合有限元分析,确定超声雾化器的结构参数.
3.3铅蓄电池设计
铅蓄电池正极板的正极电极材料含有Sb和碳,该效果大于仅含有Sb时的效果与仅含有碳时的效果之和.正极板为包层式时,正极板由正极集电体、正极电极材料和玻璃纤维管、上下的框架等构成,玻璃纤维管内的芯骨以外的固体成分属于正极电极材料,负极板由负极集电体和负极电极材料构成.所述铅蓄电池电量监控装置包括检测铅酸蓄电池剩余容量值的检测电路与所述检测电路相连的处理器,以及与所述处理器相连的报警器和仪表显示器.
3.4设计喷嘴装置
喷嘴装置中的喷嘴通过两节万向节与连接座连接组成万向轴喷头组件,喷嘴的尾端与首端的一个万向节的首端通过活结连接,尾端的一个万向节的尾端通过活结与连接座连接.在该喷嘴和底座内的轴心设有液体孔,在该液体孔的旁边设有气体孔,该喷嘴的气体孔和液体孔分别通过软管并穿过多个万向节与底座的气体孔和液体孔对应连接；该底座的气体孔和液体孔分别通过连接管内的相应通道与所述的气体调节阀和液体调节阀连接.
3.5金属底盘设计
金属底盘电动越野坦克底盘使用304不锈钢材质蒙皮加强喷塑处理车身,采用130mm带宽内外独特加强防滑筋及可拆卸履刺的履带,配合10枚阻尼减震器的金属耗能减震结构（下转第85页）及独立悬挂设计的车架.窄长的履带,滚动阻力较小,有较好的牵引附着性能.
3.6喷洒支架设计
可调节多节自由伸缩喷洒支架为铰链六杆机构,支杆连接采用DC01六角冷轧钢,行程杆采用QPQ处理,滑块处精密油封,所述稳固连接支撑杆采用T型头液压气撑杆,支撑杆采用阻尼缓冲机构,气撑杆和支架之间用m3沉头铝制铆钉
3.7使用效果
为了验证该产品的使用效果,与传统农业进行比较,施药效率提高10%,农药有效利用率提高10%.本项目产品可实现超低量精细化施药,着力解决农药浪费问题,每亩可节约农药30%,至少可节省施药费用20元/667m2,另外比人工作业提高工效20倍,人工作业每人每天按60元计,人工温室作业生产效率是200m2/天,包括伙食费用在200元/667m2,而机械作业费用为60元,可节约140元/667m2.本项目产品每天可作业6666.67m2左右,目前我国温室面积约333.33万hm2,如果能占领国内1/3的施药装备产业,则全国饱有量约为数千万台,按照每台售价3万元计算,则本产品全国市场份额可达数十亿元,具有很好的产业化前景.为更加客观的对比机器与人工喷洒效率的对比,进行了有关机器与人工在温室大棚里喷洒效率的实验,进行机器喷洒和人工喷洒的对照试验.
4结论
通过本项目研究,集成创新研制面向瓜果类设施蔬菜的智能化超声气力施药机器人,将提供一种高效、智能、实用的智能化温室施药装备,填补国内超声气力智能化施药领域的技术空白；本项目产品可解决定向超低量施药问题,可最大化节省施药量,既节约资源又保护环境；通过规模化应用本项目产品,对推动我国农业植保技术的发展,以及为提升高质量、绿色的瓜果类设施蔬菜产品质量提供坚实的保障.
参考文献
[1]刘平义,王振杰,李海涛,等.行星履带式农用动力底盘设计与越障性能研究[J].农业机械学报,2014,（s1）：17-23.
机器人论文范文结:
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