溫室內(nèi)軌道式噴灌裝置設(shè)計(jì).pdf

文章編號(hào) 1007 4929 2020 06 0091 06 溫室內(nèi)軌道式噴灌裝置設(shè)計(jì) 吳志東 1 潘 迪 2 馮宇琛 1 韓承津 1 1 齊齊哈爾大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 黑龍江 齊齊哈爾 161006 2 齊齊哈爾大學(xué)理學(xué)院 黑龍江 齊齊哈爾 161006 摘 要 為達(dá)到溫室內(nèi)灌溉節(jié)約用水的目的 設(shè)計(jì)可沿軌道運(yùn)動(dòng)的三自由度倒掛機(jī)械臂噴灌裝置 同時(shí) 可保障 作物生長(zhǎng)在最佳濕度土壤中 以提高作物產(chǎn)量 本文提出一種基于勢(shì)函數(shù) 電勢(shì)場(chǎng)理論的土壤濕度傳感器均勻性布 點(diǎn)方法 可精確采集區(qū)域內(nèi)土壤濕度 采用模糊控制更加精確地控制土壤濕度 為快速響應(yīng)控制指令 采用 PI 方法對(duì) 各關(guān)節(jié)電機(jī)進(jìn)行控制 計(jì)算 分析及仿真結(jié)果表明 PI 控制可使裝置快速響應(yīng)指令進(jìn)行運(yùn)動(dòng) 響應(yīng)時(shí)間小于 1 s 傳感 器均勻布點(diǎn)方法與土壤濕度模糊控制方法相結(jié)合 可精確控制電磁閥開閉時(shí)間 模糊控制響應(yīng)時(shí)間小于 1 s 裝置整 體結(jié)構(gòu)模型搭建完成 響應(yīng)速度快 運(yùn)動(dòng)路徑及動(dòng)作可按設(shè)定執(zhí)行 關(guān)鍵詞 軌道式噴灌裝置 傳感器均勻性布點(diǎn)方法 倒掛式機(jī)械臂 模糊控制 勢(shì)函數(shù) 電勢(shì)場(chǎng)理論 中圖分類號(hào) S275 TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A Design of Track Sprinkler Irrigation Device in Greenhouse WU Zhi dong 1 PAN Di 2 FENG Yu chen 1 Han Cheng jin 1 1 School of Mechanical and Electronic Engineering Qiqihar University Qiqihar 161006 Heilongjiang China 2 College of Science Qiqihar University Qiqihar 161006 Heilongjiang China Abstract In order to save water for irrigation in greenhouse a three degree of freedom upside down mechanical arm irrigation device that can move along the track was designed At the same time the device can ensure that crops grow in the optimal moisture soil so as to improve crop yield Also in this paper a method for uniform distribution of soil moisture sensors based on potential function and electric potential field theory which could accurately collect soil moisture in the area was presented fuzzy control was used to control soil moisture more accurately and PI method was adopted to control the motor of each joint to respond to the control instruction quickly The calculation analysis and simulation results showed that PI control enabled the device to quickly respond to commands and move and the response time was less than 1 s the combination of the method of uniform distribution of sensors with the fuzzy control method of soil moisture could accurately control the opening and closing time of the solenoid valve and the response time of the fuzzy control was less than 1 s The whole structure model of the device has been built the response speed is fast and the motion path and action can be executed according to the setting Key words track sprinkler irrigation device sensors uniform distribution method upside down mechanical arm fuzzy control potential function potential field theory 收稿日期 2019 12 20 基金項(xiàng)目 黑龍江省教育廳省屬高等學(xué)校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)科研項(xiàng)目 135209309 135209231 135409102 黑龍江省教育廳高等教育教學(xué)改革研 究項(xiàng)目 SJGY20180561 作者簡(jiǎn)介 吳志東 1985 男 博士研究生 講師 主要從事微環(huán)境控制 環(huán)境能量收集研究 E mail wzd139446 163 com 不同地域和季節(jié) 溫室內(nèi)環(huán)境會(huì)隨之發(fā)生變化 作物灌溉 需求量也因此受到影響 不同農(nóng)作物有不同的需水特性 灌溉 時(shí)間和灌溉量 這些因素直接影響土壤濕度 進(jìn)而影響農(nóng)作物 的產(chǎn)量和質(zhì)量 1 3 溫室節(jié)水灌溉系統(tǒng)研究較多 一般采用多 傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)溫室內(nèi)土壤濕度 以 ZigBee 和 WiFi 等無線通 訊方式實(shí)現(xiàn) CPU 多傳感器檢測(cè)系統(tǒng)和噴灌系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳 輸 實(shí)現(xiàn)智能控制 4 6 文獻(xiàn) 7 10 中采用的模糊控制 綜合 決策等方法 可以實(shí)現(xiàn)更加精確地澆灌控制 文獻(xiàn) 11 中設(shè)計(jì) 的噴灌系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定點(diǎn) 但是此種定點(diǎn)噴灌系統(tǒng)需預(yù)先 埋置水管 噴頭以實(shí)現(xiàn)全區(qū)域噴灌 施工較為復(fù)雜 目前 雖然 19節(jié)水灌溉 2020 年第 6 期 www irrigate com cn 針對(duì)溫室的智能灌溉系統(tǒng)研究較多 但多數(shù)以研究控制系統(tǒng)設(shè) 計(jì)和控制方法為主 澆灌的形式多為地面噴灌 基于目前溫室 澆灌系統(tǒng)的研究成果 本文提出一種適用于溫室環(huán)境的軌道式 灌溉系統(tǒng) 采用模糊控制方法 以實(shí)現(xiàn)精細(xì)灌溉 同時(shí)該種澆灌 方式不僅可以實(shí)現(xiàn)澆水 也可以實(shí)現(xiàn)噴淋藥液 其功能區(qū)別于 地面澆灌方式 對(duì)提高作物產(chǎn)量和質(zhì)量具有重要意義 1 裝置結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 裝置結(jié)構(gòu)由移動(dòng)式機(jī)械臂和運(yùn)動(dòng)軌道組成 為減小裝置 對(duì)溫室內(nèi)農(nóng)作物遮光影響 提升灌溉輻射面積 裝置采用工字 型行走軌道 可視為 X Y 直角坐標(biāo)系 倒掛式機(jī)械臂噴灌機(jī) 構(gòu)可在工字型沿 X Y 方向行走 軌道運(yùn)動(dòng)方式為直線型運(yùn)動(dòng) 采用往復(fù)運(yùn)動(dòng)滾子鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 將鏈條展開拉直固定在支撐梁 上 鏈輪裝配在移動(dòng)的橫梁上 鏈輪與鏈條相互嚙合 在電動(dòng)機(jī) 驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行往復(fù)直線運(yùn)動(dòng) 可精確控制運(yùn)動(dòng)位置 裝置結(jié)構(gòu)如 圖 1 所示 整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量較輕 不需要大型軌道結(jié)構(gòu) 以免遮 光 整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)由四根立柱架起 驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)鏈輪在鏈上 運(yùn)動(dòng) 從而使橫向?qū)к壴诨壣闲凶?驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)鏈輪在鏈 上運(yùn)動(dòng) 從而使機(jī)械臂在滑軌上行走 完成倒掛式機(jī)械臂噴灌 機(jī)構(gòu)在直角坐標(biāo)下任意位置定位 定位后即可根據(jù)土壤濕度實(shí) 際情況進(jìn)行灌溉動(dòng)作 圖 1 裝置結(jié)構(gòu)圖 Fig 1 Drawing of device structure 1 縱向?qū)к?2 鏈條 3 縱向 Y 軸 滑軌 4 橫向?qū)к?5 倒掛式機(jī)械臂噴灌機(jī)構(gòu) 6 鏈條 7 縱向拖鏈 8 驅(qū)動(dòng)電機(jī) 9 鏈輪 10 橫向 X 軸 滑軌 11 鏈輪 12 驅(qū)動(dòng)電機(jī) 13 橫向拖鏈 倒掛式機(jī)械臂噴灌機(jī)構(gòu)具有 3 自由度 分別為 繞末端 Z 軸轉(zhuǎn)動(dòng) 沿 Y 軸平動(dòng)以及沿 X 軸平動(dòng) 3 個(gè)自由度采用 3 個(gè)步 進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速器傳動(dòng) 各個(gè)自由度保持運(yùn)動(dòng)的相互獨(dú)立性 互 不干涉 用以完成澆灌時(shí)伸縮和旋轉(zhuǎn)的操作功能 該機(jī)構(gòu)主要 包括大臂 小臂 旋轉(zhuǎn)底座 3 個(gè)部分 底座的旋轉(zhuǎn)中心與噴頭的 旋轉(zhuǎn)中心在同一直線上 所以大臂和小臂長(zhǎng)度必須相等用以實(shí) 現(xiàn)更精準(zhǔn)的澆灌 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和三維結(jié)構(gòu)分別如圖 2 a 和 2 b 所示 參數(shù)如表 1 所示 機(jī)座可進(jìn)行 360 轉(zhuǎn)動(dòng) 實(shí)現(xiàn)機(jī)械手各 個(gè)方向的噴灌動(dòng)作 大臂可完成 0 180 俯仰運(yùn)動(dòng) 小臂可完 成 0 180 俯仰運(yùn)動(dòng) 小臂端部為噴頭固定端 可以實(shí)現(xiàn)固定 不同種類噴頭 表 1 主要參數(shù) Tab 1 The main parameters 主要參數(shù) 小臂 長(zhǎng)度 cm 大臂 長(zhǎng)度 cm 小臂 質(zhì)量 kg 大臂 質(zhì)量 kg 底座轉(zhuǎn)速 r min 1 參數(shù)值 60 60 2 5 1 8 5 1 2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì) 如圖 3 所示 主要由傳感器檢 測(cè)模塊 無線通訊模塊 控制處理模塊以及驅(qū)動(dòng)模塊組成 土 壤濕度采用 YL 69 型傳感器實(shí)時(shí)采集土壤濕度 根據(jù) 勢(shì)函 圖 2 倒掛式機(jī)械臂噴灌結(jié)構(gòu) Fig 2 Structure of upside down robot arm sprinkler irrigation 數(shù) 方法對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行布置 運(yùn)動(dòng)軌跡檢測(cè)模塊由多個(gè)紅 外測(cè)距接近傳感器組成 實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)式機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡判 定 控制處理模塊以 STM32 芯片為核心 實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù) 控制機(jī) 械臂移動(dòng)以及控制澆水量 協(xié)調(diào)各模塊之間工作 驅(qū)動(dòng)模塊主 要包括繼電器驅(qū)動(dòng)電磁閥模塊和 L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 通過計(jì) 29 溫室內(nèi)軌道式噴灌裝置設(shè)計(jì) 吳志東 潘 迪 馮宇琛 等 算 底座電機(jī)轉(zhuǎn)矩約為 故選用 86BYG250CN 型號(hào)步進(jìn)電機(jī) 圖 3 控制系統(tǒng)原理框圖 Fig 3 Schematic diagram of control system 本文所設(shè)計(jì)裝置核心部分為前端土壤濕度采集和后端澆 灌裝置運(yùn)動(dòng)精確控制 從而實(shí)現(xiàn)精細(xì)噴灌目的 2 土壤濕度采集方法 現(xiàn)階段土壤濕度傳感器節(jié)點(diǎn)多依靠人工經(jīng)驗(yàn)布置 數(shù)據(jù)采 集誤差較大 12 因此不能夠滿足本文高精度灌溉決策要求 為克服以上問題 本文提出一種傳感器在空間區(qū)域有效布點(diǎn)的 方法 基于勢(shì)函數(shù)和電勢(shì)場(chǎng)理論 可將傳感器節(jié)點(diǎn)視為 帶電荷 粒子 借鑒電荷勢(shì)函數(shù)的相關(guān)理論 即 假設(shè)在一個(gè)正方形平 面區(qū)域內(nèi) 存在若干個(gè)帶等量電荷粒子 并相互排斥 所以在該 平面區(qū)域內(nèi)粒子會(huì)達(dá)到一定平衡狀態(tài) 當(dāng)勢(shì)函數(shù)值取得極小 值時(shí)則各粒子達(dá)到平衡狀態(tài) 13 在運(yùn)動(dòng)學(xué)中勢(shì)函數(shù)常用于防 碰撞控制中 速度和距離均是重點(diǎn)考慮對(duì)象 14 15 用于土壤濕 度采集的傳感器節(jié)點(diǎn)為非運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 故計(jì)算過程中僅考慮距離 即可 根據(jù)該理論 節(jié)水灌溉實(shí)施過程中可以將溫室視作 n 個(gè) 正方形模塊組合而成 各模塊內(nèi)檢測(cè)土壤濕度的所有傳感器節(jié) 點(diǎn) x i 構(gòu)成一個(gè)集合 S 而傳感器節(jié)點(diǎn)視作 帶電荷粒子 其電 量為 q i 可用傳感器感知范圍表示 粒子帶電量 用傳感器節(jié) 點(diǎn) x i 勢(shì)函數(shù)值大小度量節(jié)點(diǎn)布置是否到達(dá)均勻性 傳感器節(jié) 點(diǎn) x i 到 1 i n j i 1 i m 的距離為 x j x i 則點(diǎn) x i 與 x j 相互作用勢(shì)函數(shù) u 為 u q i x i x j 1 點(diǎn) x i 與集合 S 中其他節(jié)點(diǎn)相互作用勢(shì)函數(shù) u i s 為 16 u i s n j 1 j i 1 x i x j 2 若采用的傳感器為同一類型 則可認(rèn)為 q i q j 則 u i s n j 1 j i 1 x i x j 槡 2 3 勢(shì)函數(shù)取得極小值條件為 17 18 u i s x i 0 i 1 2 n 4 根據(jù)人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行傳感器布點(diǎn)分布比較隨機(jī) 如圖 4 a 所示 布置傳感器節(jié)點(diǎn)較多 數(shù)據(jù)采集范圍有交疊 勢(shì)函數(shù)值 度量了傳感器節(jié)點(diǎn)是否均勻的程度 根據(jù)文獻(xiàn) 19 中所述 可認(rèn) 為任一節(jié)點(diǎn)受集合內(nèi)所有點(diǎn)作用力的矢量和為零時(shí) 勢(shì)函數(shù)為 最小值 布點(diǎn)達(dá)到均勻 圖 4 均勻布點(diǎn)前后對(duì)比 Fig 4 Comparison of before and after the uniformity point 根據(jù)勢(shì)函數(shù)值大小需要調(diào)整每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在平面中的 位置 沿著使勢(shì)函數(shù)值減小的方向移動(dòng)某傳感器節(jié)點(diǎn) 使該節(jié) 點(diǎn)在平面內(nèi)勢(shì)函數(shù)值最小 重復(fù)此過程 最終可使平面內(nèi)每個(gè) 節(jié)點(diǎn)的勢(shì)函數(shù)值處于最小 但當(dāng)勢(shì)函數(shù)最小時(shí) 傳感器對(duì)數(shù)據(jù) 采集不能達(dá)到最大面積的覆蓋 綜合考慮 取各節(jié)點(diǎn)勢(shì)函數(shù)相 等時(shí) 可實(shí)現(xiàn)均衡狀態(tài)即傳感器節(jié)點(diǎn)的布置達(dá)到最優(yōu)狀態(tài) 如 圖 4 b 所示 其中 x i i 1 2 n 分別表示傳感器節(jié)點(diǎn) 白 色區(qū)域表示傳感器可采集數(shù)據(jù)范圍 此均勻性布點(diǎn)并不是土 壤面積的全區(qū)域覆蓋 而是土壤濕度數(shù)據(jù)的全區(qū)域覆蓋 通過以上分析可知 傳感器數(shù)據(jù)采集范圍是影響均勻布點(diǎn) 的主要因素 本文研究以 YL 69 型土壤濕度采集傳感器為 例 通過實(shí)驗(yàn)可知當(dāng)傳感器埋置在 45 cm 深處 對(duì)中心點(diǎn)單點(diǎn) 澆灌 當(dāng)中心點(diǎn)濕度達(dá)到 100 時(shí) 土壤水分飽和 即已達(dá)到傳 感器采集數(shù)據(jù)的上限值 其對(duì)土壤濕度的采集范圍為 60 cm 對(duì)傳感器采集范圍進(jìn)行數(shù)學(xué)建模 以傳感器節(jié)點(diǎn) i 為中 心 在平面 S 上任何一點(diǎn)采集的土壤濕度值可表示為 f i S Q 1 k 1 r 5 式中 r 為距中心節(jié)點(diǎn)距離 Q 為中心處澆水量 當(dāng)傳感器類型 固定 埋設(shè)深度固定 k 值為常數(shù) 而點(diǎn)電荷 i 所在在平面 S 上任何一點(diǎn)的電勢(shì)可表示為 u i S q 1 4 0 1 r 6 傳感器檢測(cè)所在平面上任一點(diǎn)土壤濕度與點(diǎn)電荷所在平 面任一點(diǎn)電勢(shì)基本性質(zhì)相似 根據(jù)對(duì)偶性 可用公式 6 代替公 式 5 若將 n 個(gè)傳感器所在的平面視為一個(gè)集合 S 那么 平 面內(nèi)任一節(jié)點(diǎn) x i 與集中其他節(jié)點(diǎn)的相互作用勢(shì)函數(shù)可用公式 3 表示 從而得出最優(yōu)傳感器布點(diǎn)結(jié)果 均勻性布點(diǎn)可以更 加精確采集土壤濕度 也可以得到區(qū)域內(nèi)任一點(diǎn)土壤濕度值 為精確控制澆灌時(shí)間提供數(shù)據(jù)支持 3 土壤濕度模糊控制 為精確控制澆灌時(shí)間 進(jìn)而控制澆灌量 土壤濕度采用模 糊方法控制 選擇土壤濕度偏差 E 以及偏差變化率 E 為系 39溫室內(nèi)軌道式噴灌裝置設(shè)計(jì) 吳志東 潘 迪 馮宇琛 等 統(tǒng)輸入量 電磁閥開啟時(shí)間 U 為輸出量 設(shè)置土壤濕度傳感器 采樣周期為 2 s 一個(gè)周期內(nèi)土壤濕度在 10 以內(nèi)變化 模擬實(shí) 驗(yàn)過程中 由裝置單點(diǎn)澆灌 土壤最低濕度值達(dá)到 50 所需時(shí) 間為 40 s 土壤濕度偏差 E 基本論域范圍為 8 8 E 基本論域范圍 12 12 輸出控制量 U 基本論域?yàn)?0 40 s 土壤濕度偏差 E 和偏差變化率 E 模糊語(yǔ)言描述為 NB 負(fù)大 NS 負(fù)小 O 0 PB 正小 PS 正大 O 表示當(dāng)前 土壤濕度處于土壤濕度 50 范圍內(nèi) NB NS 分別表示土壤濕度 值小于 50 的程度逐漸減弱 NB 缺水較為嚴(yán)重 PB PS 分別 表示土壤濕度值高于 50 的程度逐漸增強(qiáng) PS 水分含量過 大 控制電磁閥開啟時(shí)間變量 U 用五個(gè)模糊語(yǔ)言描述為 O 關(guān)閉電磁閥 PS 短時(shí)間打開電磁閥 PM 中等時(shí)間開啟電 磁閥 PB 長(zhǎng)時(shí)間開啟電磁閥 PB 很長(zhǎng)時(shí)間開啟電磁閥 從 O 到 PS 表示滴灌電磁閥開啟時(shí)間逐漸加長(zhǎng) 表 2 為模糊論 域與基本論域關(guān)系 表 2 輸入輸出關(guān)系 Tab 2 elationship of I O 輸入 輸出變量 基本論域 量化因數(shù) 量化論域 E E U 8 8 12 12 0 40 s 0 5 0 3 600 4 4 4 4 0 4 土壤濕度控制中輸入輸出變量都具有線性關(guān)系 輸入輸出 變量均采用三角形隸屬函數(shù) 使其均勻分布在模糊集合中 土 壤濕度模糊控制器的偏差 E 偏差變化率 E 與控制電磁開啟 時(shí)間 U 的隸屬函數(shù)分別定義如圖 5 7 所示 將模糊控制理論與人工專家經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合 在土壤含水量偏 差大時(shí) 輸出量要盡可能大 盡快消除偏差 土壤濕度偏差較小 時(shí) 輸出量要以系統(tǒng)的穩(wěn)定為主 防止輸出量大引起超調(diào)現(xiàn)象 圖 5 E 隸屬函數(shù) Fig 5 E membership function 圖 6 E 隸屬函數(shù) Fig 6 E membership function 圖 7 U 隸屬函數(shù) Fig 7 U membership function 在溫室大棚中 土壤濕度高于所設(shè)置土壤濕度最大值時(shí)無法使 電磁閥動(dòng)作 其模糊控制響應(yīng)表如表 3 所示 表 3 土壤濕度模糊控制 Tab 3 elationship of I O U E NB NS ZO PS PB E NB NS ZO PS PB PB PB PB PM PS PB PM PS PS O PS PS O O O O O O O O O O O O O 建立模糊規(guī)則 在 SIMULINK 環(huán)境下建立模糊控制仿真結(jié) 構(gòu)圖 并對(duì)其系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn) 仿真結(jié)構(gòu)如圖 8 所示 仿真 曲線如圖 9 所示 通過仿真曲線可以看出 響應(yīng)速度快 小于 1 s 超調(diào)量小 控制精度高和定性強(qiáng) 4 機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)路徑及 PI 控制 4 1 運(yùn)動(dòng)路徑 倒掛式機(jī)械臂噴灌機(jī)構(gòu)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下在工字型軌道上沿 圖 8 模糊控制仿真結(jié)構(gòu)圖 Fig 8 Simulation structure of fuzzy control 49 溫室內(nèi)軌道式噴灌裝置設(shè)計(jì) 吳志東 潘 迪 馮宇琛 等 圖 9 模糊控制仿真曲線 Fig 9 Simulation structure of fuzzy control 直角坐標(biāo)方向運(yùn)動(dòng) 運(yùn)動(dòng)路徑如圖 10 所示 控制方式為開關(guān) 控制 其主要控制分兩部分 一是行走 機(jī)械臂沿 X 方向行走 在 X 方向軌道的等距離處安裝紅外測(cè)距接近傳感器即定位傳 感器 當(dāng)機(jī)械臂沿 X 方向行走到達(dá)定位傳感器處 輸出量由常 閉變成常開 此時(shí)機(jī)械臂在 X 方向停止運(yùn)動(dòng) 重復(fù)以上動(dòng)作 直 至運(yùn)動(dòng)到 X 方向末端 橫向軌道帶動(dòng)機(jī)械臂沿 Y 方向運(yùn)動(dòng) 直 至 Y 方向定位傳感器處停止 繼續(xù)沿 X 方向運(yùn)動(dòng) 機(jī)構(gòu)按照以 上路徑規(guī)則行走 直至終點(diǎn) 二是定位 機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)過程中 主要在 X 方向進(jìn)行定位 根據(jù)檢測(cè)土壤濕度的傳感器相應(yīng)的位 置 在 X 方向軌道上安裝一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的紅外測(cè)距接近傳感 器 當(dāng)傳感器檢測(cè)到預(yù)定濕度時(shí)將信號(hào)輸出給與之對(duì)應(yīng)的開關(guān) 量使機(jī)械臂在 X 方向停止運(yùn)動(dòng) 完成定位 進(jìn)行噴灌 圖 10 機(jī)械臂行走路徑 Fig 10 Walking path of robot arm 4 2 PI 控制 為配合土壤濕度模糊控制 實(shí)現(xiàn)整體裝置的快速動(dòng)作 采 用比例積分方法控制即 PI 控制 實(shí)現(xiàn)倒掛式機(jī)械臂機(jī)構(gòu)快速 響應(yīng)控制指令功能 驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng) 完成相應(yīng)行走路徑 PI 控制基本原理如圖 11 所示 并利用 MATLAB Simulink 對(duì)本文 所采用的 PI 控制器進(jìn)行仿真 結(jié)果如圖 12 所示 電機(jī)控制響 應(yīng)至穩(wěn)定時(shí)間可控制在 1 s 以內(nèi) 表明 PI 控制可以保證驅(qū)動(dòng)電 機(jī)控制響應(yīng)速度快 運(yùn)行穩(wěn)定 4 3 模型測(cè)試 圖 13 為裝置整體結(jié)構(gòu)模型 利用土壤濕度檢測(cè)儀器測(cè)得 個(gè)采集節(jié)點(diǎn)濕度并校對(duì)土壤濕度傳感器 通過上位機(jī)預(yù)設(shè)各節(jié) 點(diǎn)土壤所需濕度 裝置下方為實(shí)驗(yàn)土壤區(qū)域 區(qū)域內(nèi)埋置 4 個(gè) 傳感器節(jié)點(diǎn) 對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)上方設(shè)有接近開關(guān) 通電調(diào)試后 機(jī)械 圖 11 比例積分調(diào)節(jié)器原理圖 Fig 11 Schematic diagram of PI regulator 圖 12 PI 控制仿真結(jié)果 Fig 12 Simulation result of PI control 臂可按預(yù)設(shè)指令進(jìn)行上下伸展 旋轉(zhuǎn) 無線接收模塊接收數(shù)據(jù) 至機(jī)械臂動(dòng)作時(shí)間不到 1 s 倒掛式機(jī)械臂可沿橫向 縱向軌道 運(yùn)動(dòng) 運(yùn)動(dòng)軌跡與預(yù)設(shè)運(yùn)動(dòng)軌跡一致 圖 13 裝置模型 Fig 13 Device model 裝置工作過程中 水管半徑尺寸 固定不變 假設(shè)水流速 度 v 也不變 則任一節(jié)點(diǎn)噴灌水量 Q 由噴灌時(shí)間決定 機(jī)械臂 末端在各節(jié)點(diǎn)處停留時(shí)間 T 即噴灌時(shí)間 Q 與 T 關(guān)系由公式 7 表示 Q 2 v T 7 以每噴灌 30 s 土壤濕度變化 5 作為量化標(biāo)準(zhǔn) 實(shí)時(shí)測(cè)得 土壤濕度數(shù)據(jù)記作 C 任一節(jié)點(diǎn)所需濕度記作 A 可設(shè)置 則 T 可用公式 8 表示 所得結(jié)果如表 4 所示 各數(shù)據(jù)取整數(shù) 可知 裝置可自動(dòng)完成相應(yīng)動(dòng)作 噴灌時(shí)間滿足作物預(yù)設(shè)所需 T A C 5 8 59溫室內(nèi)軌道式噴灌裝置設(shè)計(jì) 吳志東 潘 迪 馮宇琛 等 表 4 測(cè)試數(shù)據(jù) Tab 4 Test date 位置 節(jié)點(diǎn)所需濕度 A 土壤濕度 C 停留時(shí)間 T s 1 節(jié)點(diǎn)處 65 30 210 2 節(jié)點(diǎn)處 55 37 108 3 節(jié)點(diǎn)處 45 35 60 4 節(jié)點(diǎn)處 35 31 24 5 結(jié) 語(yǔ) 本文設(shè)計(jì)一種可沿軌道移動(dòng)的大棚灌溉裝置 設(shè)計(jì)倒掛式 機(jī)械臂噴灌結(jié)構(gòu) 可實(shí)現(xiàn)澆灌 噴藥兩種功能 提出以 勢(shì)函 數(shù) 理論為基礎(chǔ)的傳感器布點(diǎn)方式代替人工經(jīng)驗(yàn)布置 可保證 傳感器布點(diǎn)均勻 采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確 土壤濕度采用模糊控制方法 進(jìn)行調(diào)節(jié) 超調(diào)量小 響應(yīng)速度小于 1 s 同時(shí) 為了實(shí)現(xiàn)裝置得 快速動(dòng)作響應(yīng) 采用 PI 控制方法可對(duì)裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制 響應(yīng) 時(shí)間小于 1 s 裝置模型搭建完成 以 5 的濕度作為量化數(shù) 值 數(shù)據(jù)測(cè)試及分析 可知裝置按軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)并完成噴灌 動(dòng)作 參考文獻(xiàn) 1 黃昌碩 耿雷華 陳曉燕 農(nóng)業(yè)用水效率影響因素及機(jī)理分析 J 長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào) 2018 35 1 82 85 2 操信春 任 杰 吳夢(mèng)洋 等 基于水足跡的中國(guó)農(nóng)業(yè)用水效果評(píng) 價(jià) J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2018 34 5 1 8 3 呂國(guó)華 武永峰 白文波 等 不同氣象條件下灌溉方法對(duì)溫室大 棚小氣候的影響及作物響應(yīng) J 灌溉排水學(xué)報(bào) 2014 33 Z1 175 178 4 王永濤 劉 瀏 馮 誠(chéng) 等 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)信息監(jiān)控系 統(tǒng)應(yīng)用研究 J 中國(guó)農(nóng)村水利水電 2015 8 50 54 5 劉天宇 徐曉輝 宋 濤 等 基于 Android 的智能溫室控制與實(shí)現(xiàn) J 節(jié)水灌溉 2018 5 90 92 96 6 馮麗媛 姚緒梁 溫室大棚自動(dòng)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì) J 農(nóng)機(jī)化研究 2013 35 6 113 116 7 趙 亮 瞿少成 劉雪純 等 基于 Fuzzy PID 的溫室節(jié)水滴灌控制 系統(tǒng) J 節(jié)水灌溉 2019 7 116 120 8 田思慶 曹 宇 魏 強(qiáng) 等 基于模糊控制的智能滴灌控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) J 節(jié)水灌溉 2017 6 101 104 9 丁筱玲 楊翠翠 吳玉紅 等 基于無線網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測(cè)與智控灌 溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究 J 節(jié)水灌溉 2015 7 86 89 94 10 肖克輝 肖德琴 羅錫文 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的精細(xì)農(nóng)業(yè)智能 節(jié)水灌溉系統(tǒng) 英文 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2010 26 11 170 175 11 李 培 基于 WSN 的智能溫室大棚自動(dòng)定點(diǎn)噴灌系統(tǒng) J 農(nóng)機(jī) 化研究 2014 36 7 76 79 12 萬(wàn)博雨 付聰 鄭世健 等 智能溫室精細(xì)化控制中傳感器布點(diǎn)的 研究 J 節(jié)水灌溉 2017 10 74 78 83 13 胡東紅 李德華 王祖喜 均勻性度量的勢(shì)函數(shù)模型 J 數(shù)學(xué)物 理學(xué)報(bào) 2003 23A 5 607 612 14 李 蕓 肖英杰 領(lǐng)航跟隨法和勢(shì)函數(shù)組合的船舶編隊(duì)控制 J 控制理論與應(yīng)用 2016 33 8 1 259 1 264 15 汪首坤 朱 磊 王軍政 基于導(dǎo)航勢(shì)函數(shù)法的六自由度機(jī)械臂 避障路徑規(guī)劃 J 北京理工大學(xué)學(xué)報(bào) 2015 35 2 186 191 16 張 玲 張勝蘭 艾 軍 等 基于勢(shì)函數(shù)的均勻性度量與均勻性 布點(diǎn)方法 J 湖北大學(xué)學(xué)報(bào) 2007 29 2 144 146 17 闞瑞清 白廣明 王憶南 等 勢(shì)函數(shù)場(chǎng)數(shù)學(xué)模型研究 J 黑龍江 水專學(xué)報(bào) 1997 3 21 24 18 李凌豐 譚建榮 張 謙 Metaball 勢(shì)函數(shù)的若干性質(zhì)研究 J 浙 江大學(xué)學(xué)報(bào) 理學(xué)版 2004 31 4 404 408 415 19 胡東紅 李德華 王 祖 均勻性度量的勢(shì)函數(shù)模型 J 數(shù)學(xué)物 理學(xué)報(bào) 2003 5 607 612 上接第 90 頁(yè) 6 潘玉成 劉寶順 黃先洲 等 茶葉殺青機(jī)模糊 BF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) PID 溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn) J 茶葉科學(xué) 2019 39 2 139 149 7 唐雅楠 景會(huì)成 趙 欣 基于模糊神經(jīng) PID 算法的稀土冶煉爐溫 控制 J 電子設(shè)計(jì)工程 2019 27 8 19 23 8 於沈剛 馬明舟 岳雪峰 萬(wàn)衡 王運(yùn)圣 模糊 PID 智能灌溉控制器 的設(shè)計(jì)及 MATLAB 仿真 J 節(jié)水灌溉 2018 5 86 89 9 李國(guó)勇 智能預(yù)測(cè)控制及其 MATLAB 實(shí)現(xiàn) M 北京 電子工業(yè)出 版社 2009 10 劉金琨 智能控制 M 北京 電子工業(yè)出版社 2005 11 龔 晨 楊盛泉 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) PID 算法在輸油泵系統(tǒng)中的控制 研究 J 西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 2019 39 3 336 343 12 譚 浩 吳何畏 廉佳霖 等 基于 MATLAB 的模糊 PID 控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì)與仿真分析 J 工業(yè)控制計(jì)算機(jī) 2019 32 5 58 59 62 13 吳 迪 劉天宇 宋 濤 等 基于模糊控制的智能節(jié)水灌溉控制 系統(tǒng)設(shè)計(jì) J 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2018 46 23 245 249 14 王小東 徐滬萍 基于 BP 算法的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的仿真 實(shí)現(xiàn) J 數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用 2010 12 93 15 葉鳳英 胡慕伊 基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) PID 在曝氣池溶解氧控制系 統(tǒng)中的應(yīng)用 J 中華紙業(yè) 2019 40 6 25 30 16 蔣正炎 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) PID 算法在塑料擠出機(jī)智能控制中的應(yīng) 用 J 塑料工業(yè) 2019 47 3 69 72 86 檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨 檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 檪 檪 檪 檪 檪 檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 檪 檪 檪 檪 檪 殏 殏 殏 殏 歡迎投稿 歡迎訂閱 歡迎刊登廣告 69 溫室內(nèi)軌道式噴灌裝置設(shè)計(jì) 吳志東 潘 迪 馮宇琛 等