温室内轨道式喷灌装置设计.pdf

文章编号 1007 4929 2020 06 0091 06 温室内轨道式喷灌装置设计 吴志东 1 潘 迪 2 冯宇琛 1 韩承津 1 1 齐齐哈尔大学机电工程学院 黑龙江 齐齐哈尔 161006 2 齐齐哈尔大学理学院 黑龙江 齐齐哈尔 161006 摘 要 为达到温室内灌溉节约用水的目的 设计可沿轨道运动的三自由度倒挂机械臂喷灌装置 同时 可保障 作物生长在最佳湿度土壤中 以提高作物产量 本文提出一种基于势函数 电势场理论的土壤湿度传感器均匀性布 点方法 可精确采集区域内土壤湿度 采用模糊控制更加精确地控制土壤湿度 为快速响应控制指令 采用 PI 方法对 各关节电机进行控制 计算 分析及仿真结果表明 PI 控制可使装置快速响应指令进行运动 响应时间小于 1 s 传感 器均匀布点方法与土壤湿度模糊控制方法相结合 可精确控制电磁阀开闭时间 模糊控制响应时间小于 1 s 装置整 体结构模型搭建完成 响应速度快 运动路径及动作可按设定执行 关键词 轨道式喷灌装置 传感器均匀性布点方法 倒挂式机械臂 模糊控制 势函数 电势场理论 中图分类号 S275 TP29 文献标识码 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 for uni 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 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 of uni distribution of sensors with the fuzzy control 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 cuted according to the setting Key words track sprinkler irrigation device sensors uni distribution upside down mechanical arm fuzzy control potential function potential field theory 收稿日期 2019 12 20 基金项目 黑龙江省教育厅省属高等学校基本科研业务费科研项目 135209309 135209231 135409102 黑龙江省教育厅高等教育教学改革研 究项目 SJGY20180561 作者简介 吴志东 1985 男 博士研究生 讲师 主要从事微环境控制 环境能量收集研究 E mail wzd139446 163 com 不同地域和季节 温室内环境会随之发生变化 作物灌溉 需求量也因此受到影响 不同农作物有不同的需水特性 灌溉 时间和灌溉量 这些因素直接影响土壤湿度 进而影响农作物 的产量和质量 1 3 温室节水灌溉系统研究较多 一般采用多 传感器实时检测温室内土壤湿度 以 ZigBee 和 WiFi 等无线通 讯方式实现 CPU 多传感器检测系统和喷灌系统之间的数据传 输 实现智能控制 4 6 文献 7 10 中采用的模糊控制 综合 决策等方法 可以实现更加精确地浇灌控制 文献 11 中设计 的喷灌系统可以实现自动定点 但是此种定点喷灌系统需预先 埋置水管 喷头以实现全区域喷灌 施工较为复杂 目前 虽然 19节水灌溉 2020 年第 6 期 www irrigate com cn 针对温室的智能灌溉系统研究较多 但多数以研究控制系统设 计和控制方法为主 浇灌的形式多为地面喷灌 基于目前温室 浇灌系统的研究成果 本文提出一种适用于温室环境的轨道式 灌溉系统 采用模糊控制方法 以实现精细灌溉 同时该种浇灌 方式不仅可以实现浇水 也可以实现喷淋药液 其功能区别于 地面浇灌方式 对提高作物产量和质量具有重要意义 1 装置结构与控制系统设计 1 1 结构设计 装置结构由移动式机械臂和运动轨道组成 为减小装置 对温室内农作物遮光影响 提升灌溉辐射面积 装置采用工字 型行走轨道 可视为 X Y 直角坐标系 倒挂式机械臂喷灌机 构可在工字型沿 X Y 方向行走 轨道运动方式为直线型运动 采用往复运动滚子链传动机构 将链条展开拉直固定在支撑梁 上 链轮装配在移动的横梁上 链轮与链条相互啮合 在电动机 驱动下进行往复直线运动 可精确控制运动位置 装置结构如 图 1 所示 整体结构质量较轻 不需要大型轨道结构 以免遮 光 整个机械结构由四根立柱架起 驱动电机带动链轮在链上 运动 从而使横向导轨在滑轨上行走 驱动电机带动链轮在链 上运动 从而使机械臂在滑轨上行走 完成倒挂式机械臂喷灌 机构在直角坐标下任意位置定位 定位后即可根据土壤湿度实 际情况进行灌溉动作 图 1 装置结构图 Fig 1 Drawing of device structure 1 纵向导轨 2 链条 3 纵向 Y 轴 滑轨 4 横向导轨 5 倒挂式机械臂喷灌机构 6 链条 7 纵向拖链 8 驱动电机 9 链轮 10 横向 X 轴 滑轨 11 链轮 12 驱动电机 13 横向拖链 倒挂式机械臂喷灌机构具有 3 自由度 分别为 绕末端 Z 轴转动 沿 Y 轴平动以及沿 X 轴平动 3 个自由度采用 3 个步 进电机经减速器传动 各个自由度保持运动的相互独立性 互 不干涉 用以完成浇灌时伸缩和旋转的操作功能 该机构主要 包括大臂 小臂 旋转底座 3 个部分 底座的旋转中心与喷头的 旋转中心在同一直线上 所以大臂和小臂长度必须相等用以实 现更精准的浇灌 结构简图和三维结构分别如图 2 a 和 2 b 所示 参数如表 1 所示 机座可进行 360 转动 实现机械手各 个方向的喷灌动作 大臂可完成 0 180 俯仰运动 小臂可完 成 0 180 俯仰运动 小臂端部为喷头固定端 可以实现固定 不同种类喷头 表 1 主要参数 Tab 1 The main parameters 主要参数 小臂 长度 cm 大臂 长度 cm 小臂 质量 kg 大臂 质量 kg 底座转速 r min 1 参数值 60 60 2 5 1 8 5 1 2 控制系统设计 控制系统采用模块化设计 如图 3 所示 主要由传感器检 测模块 无线通讯模块 控制处理模块以及驱动模块组成 土 壤湿度采用 YL 69 型传感器实时采集土壤湿度 根据 势函 图 2 倒挂式机械臂喷灌结构 Fig 2 Structure of upside down robot arm sprinkler irrigation 数 方法对传感器节点进行布置 运动轨迹检测模块由多个红 外测距接近传感器组成 实现对移动式机械臂的运动轨迹判 定 控制处理模块以 STM32 芯片为核心 实时处理数据 控制机 械臂移动以及控制浇水量 协调各模块之间工作 驱动模块主 要包括继电器驱动电磁阀模块和 L298N 电机驱动模块 通过计 29 温室内轨道式喷灌装置设计 吴志东 潘 迪 冯宇琛 等 算 底座电机转矩约为 故选用 86BYG250CN 型号步进电机 图 3 控制系统原理框图 Fig 3 Schematic diagram of control system 本文所设计装置核心部分为前端土壤湿度采集和后端浇 灌装置运动精确控制 从而实现精细喷灌目的 2 土壤湿度采集方法 现阶段土壤湿度传感器节点多依靠人工经验布置 数据采 集误差较大 12 因此不能够满足本文高精度灌溉决策要求 为克服以上问题 本文提出一种传感器在空间区域有效布点的 方法 基于势函数和电势场理论 可将传感器节点视为 带电荷 粒子 借鉴电荷势函数的相关理论 即 假设在一个正方形平 面区域内 存在若干个带等量电荷粒子 并相互排斥 所以在该 平面区域内粒子会达到一定平衡状态 当势函数值取得极小 值时则各粒子达到平衡状态 13 在运动学中势函数常用于防 碰撞控制中 速度和距离均是重点考虑对象 14 15 用于土壤湿 度采集的传感器节点为非运动状态 故计算过程中仅考虑距离 即可 根据该理论 节水灌溉实施过程中可以将温室视作 n 个 正方形模块组合而成 各模块内检测土壤湿度的所有传感器节 点 x i 构成一个集合 S 而传感器节点视作 带电荷粒子 其电 量为 q i 可用传感器感知范围表示 粒子带电量 用传感器节 点 x i 势函数值大小度量节点布置是否到达均匀性 传感器节 点 x i 到 1 i n j i 1 i m 的距离为 x j x i 则点 x i 与 x j 相互作用势函数 u 为 u q i x i x j 1 点 x i 与集合 S 中其他节点相互作用势函数 u i s 为 16 u i s n j 1 j i 1 x i x j 2 若采用的传感器为同一类型 则可认为 q i q j 则 u i s n j 1 j i 1 x i x j 槡 2 3 势函数取得极小值条件为 17 18 u i s x i 0 i 1 2 n 4 根据人工经验进行传感器布点分布比较随机 如图 4 a 所示 布置传感器节点较多 数据采集范围有交叠 势函数值 度量了传感器节点是否均匀的程度 根据文献 19 中所述 可认 为任一节点受集合内所有点作用力的矢量和为零时 势函数为 最小值 布点达到均匀 图 4 均匀布点前后对比 Fig 4 Comparison of before and after the uniity point 根据势函数值大小需要调整每个传感器节点在平面中的 位置 沿着使势函数值减小的方向移动某传感器节点 使该节 点在平面内势函数值最小 重复此过程 最终可使平面内每个 节点的势函数值处于最小 但当势函数最小时 传感器对数据 采集不能达到最大面积的覆盖 综合考虑 取各节点势函数相 等时 可实现均衡状态即传感器节点的布置达到最优状态 如 图 4 b 所示 其中 x i i 1 2 n 分别表示传感器节点 白 色区域表示传感器可采集数据范围 此均匀性布点并不是土 壤面积的全区域覆盖 而是土壤湿度数据的全区域覆盖 通过以上分析可知 传感器数据采集范围是影响均匀布点 的主要因素 本文研究以 YL 69 型土壤湿度采集传感器为 例 通过实验可知当传感器埋置在 45 cm 深处 对中心点单点 浇灌 当中心点湿度达到 100 时 土壤水分饱和 即已达到传 感器采集数据的上限值 其对土壤湿度的采集范围为 60 cm 对传感器采集范围进行数学建模 以传感器节点 i 为中 心 在平面 S 上任何一点采集的土壤湿度值可表示为 f i S Q 1 k 1 r 5 式中 r 为距中心节点距离 Q 为中心处浇水量 当传感器类型 固定 埋设深度固定 k 值为常数 而点电荷 i 所在在平面 S 上任何一点的电势可表示为 u i S q 1 4 0 1 r 6 传感器检测所在平面上任一点土壤湿度与点电荷所在平 面任一点电势基本性质相似 根据对偶性 可用公式 6 代替公 式 5 若将 n 个传感器所在的平面视为一个集合 S 那么 平 面内任一节点 x i 与集中其他节点的相互作用势函数可用公式 3 表示 从而得出最优传感器布点结果 均匀性布点可以更 加精确采集土壤湿度 也可以得到区域内任一点土壤湿度值 为精确控制浇灌时间提供数据支持 3 土壤湿度模糊控制 为精确控制浇灌时间 进而控制浇灌量 土壤湿度采用模 糊方法控制 选择土壤湿度偏差 E 以及偏差变化率 E 为系 39温室内轨道式喷灌装置设计 吴志东 潘 迪 冯宇琛 等 统输入量 电磁阀开启时间 U 为输出量 设置土壤湿度传感器 采样周期为 2 s 一个周期内土壤湿度在 10 以内变化 模拟实 验过程中 由装置单点浇灌 土壤最低湿度值达到 50 所需时 间为 40 s 土壤湿度偏差 E 基本论域范围为 8 8 E 基本论域范围 12 12 输出控制量 U 基本论域为 0 40 s 土壤湿度偏差 E 和偏差变化率 E 模糊语言描述为 NB 负大 NS 负小 O 0 PB 正小 PS 正大 O 表示当前 土壤湿度处于土壤湿度 50 范围内 NB NS 分别表示土壤湿度 值小于 50 的程度逐渐减弱 NB 缺水较为严重 PB PS 分别 表示土壤湿度值高于 50 的程度逐渐增强 PS 水分含量过 大 控制电磁阀开启时间变量 U 用五个模糊语言描述为 O 关闭电磁阀 PS 短时间打开电磁阀 PM 中等时间开启电 磁阀 PB 长时间开启电磁阀 PB 很长时间开启电磁阀 从 O 到 PS 表示滴灌电磁阀开启时间逐渐加长 表 2 为模糊论 域与基本论域关系 表 2 输入输出关系 Tab 2 elationship of I O 输入 输出变量 基本论域 量化因数 量化论域 E E U 8 8 12 12 0 40 s 0 5 0 3 600 4 4 4 4 0 4 土壤湿度控制中输入输出变量都具有线性关系 输入输出 变量均采用三角形隶属函数 使其均匀分布在模糊集合中 土 壤湿度模糊控制器的偏差 E 偏差变化率 E 与控制电磁开启 时间 U 的隶属函数分别定义如图 5 7 所示 将模糊控制理论与人工专家经验相结合 在土壤含水量偏 差大时 输出量要尽可能大 尽快消除偏差 土壤湿度偏差较小 时 输出量要以系统的稳定为主 防止输出量大引起超调现象 图 5 E 隶属函数 Fig 5 E membership function 图 6 E 隶属函数 Fig 6 E membership function 图 7 U 隶属函数 Fig 7 U membership function 在温室大棚中 土壤湿度高于所设置土壤湿度最大值时无法使 电磁阀动作 其模糊控制响应表如表 3 所示 表 3 土壤湿度模糊控制 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 建立模糊规则 在 SIMULINK 环境下建立模糊控制仿真结 构图 并对其系统进行仿真实验 仿真结构如图 8 所示 仿真 曲线如图 9 所示 通过仿真曲线可以看出 响应速度快 小于 1 s 超调量小 控制精度高和定性强 4 机械臂运动路径及 PI 控制 4 1 运动路径 倒挂式机械臂喷灌机构在电机驱动下在工字型轨道上沿 图 8 模糊控制仿真结构图 Fig 8 Simulation structure of fuzzy control 49 温室内轨道式喷灌装置设计 吴志东 潘 迪 冯宇琛 等 图 9 模糊控制仿真曲线 Fig 9 Simulation structure of fuzzy control 直角坐标方向运动 运动路径如图 10 所示 控制方式为开关 控制 其主要控制分两部分 一是行走 机械臂沿 X 方向行走 在 X 方向轨道的等距离处安装红外测距接近传感器即定位传 感器 当机械臂沿 X 方向行走到达定位传感器处 输出量由常 闭变成常开 此时机械臂在 X 方向停止运动 重复以上动作 直 至运动到 X 方向末端 横向轨道带动机械臂沿 Y 方向运动 直 至 Y 方向定位传感器处停止 继续沿 X 方向运动 机构按照以 上路径规则行走 直至终点 二是定位 机械臂在运动过程中 主要在 X 方向进行定位 根据检测土壤湿度的传感器相应的位 置 在 X 方向轨道上安装一个与之对应的红外测距接近传感 器 当传感器检测到预定湿度时将信号输出给与之对应的开关 量使机械臂在 X 方向停止运动 完成定位 进行喷灌 图 10 机械臂行走路径 Fig 10 Walking path of robot arm 4 2 PI 控制 为配合土壤湿度模糊控制 实现整体装置的快速动作 采 用比例积分方法控制即 PI 控制 实现倒挂式机械臂机构快速 响应控制指令功能 驱动机械臂运动 完成相应行走路径 PI 控制基本原理如图 11 所示 并利用 MATLAB Simulink 对本文 所采用的 PI 控制器进行仿真 结果如图 12 所示 电机控制响 应至稳定时间可控制在 1 s 以内 表明 PI 控制可以保证驱动电 机控制响应速度快 运行稳定 4 3 模型测试 图 13 为装置整体结构模型 利用土壤湿度检测仪器测得 个采集节点湿度并校对土壤湿度传感器 通过上位机预设各节 点土壤所需湿度 装置下方为实验土壤区域 区域内埋置 4 个 传感器节点 对应节点上方设有接近开关 通电调试后 机械 图 11 比例积分调节器原理图 Fig 11 Schematic diagram of PI regulator 图 12 PI 控制仿真结果 Fig 12 Simulation result of PI control 臂可按预设指令进行上下伸展 旋转 无线接收模块接收数据 至机械臂动作时间不到 1 s 倒挂式机械臂可沿横向 纵向轨道 运动 运动轨迹与预设运动轨迹一致 图 13 装置模型 Fig 13 Device model 装置工作过程中 水管半径尺寸 固定不变 假设水流速 度 v 也不变 则任一节点喷灌水量 Q 由喷灌时间决定 机械臂 末端在各节点处停留时间 T 即喷灌时间 Q 与 T 关系由公式 7 表示 Q 2 v T 7 以每喷灌 30 s 土壤湿度变化 5 作为量化标准 实时测得 土壤湿度数据记作 C 任一节点所需湿度记作 A 可设置 则 T 可用公式 8 表示 所得结果如表 4 所示 各数据取整数 可知 装置可自动完成相应动作 喷灌时间满足作物预设所需 T A C 5 8 59温室内轨道式喷灌装置设计 吴志东 潘 迪 冯宇琛 等 表 4 测试数据 Tab 4 Test date 位置 节点所需湿度 A 土壤湿度 C 停留时间 T s 1 节点处 65 30 210 2 节点处 55 37 108 3 节点处 45 35 60 4 节点处 35 31 24 5 结 语 本文设计一种可沿轨道移动的大棚灌溉装置 设计倒挂式 机械臂喷灌结构 可实现浇灌 喷药两种功能 提出以 势函 数 理论为基础的传感器布点方式代替人工经验布置 可保证 传感器布点均匀 采集数据准确 土壤湿度采用模糊控制方法 进行调节 超调量小 响应速度小于 1 s 同时 为了实现装置得 快速动作响应 采用 PI 控制方法可对装置进行运动控制 响应 时间小于 1 s 装置模型搭建完成 以 5 的湿度作为量化数 值 数据测试及分析 可知装置按轨迹进行运动并完成喷灌 动作 参考文献 1 黄昌硕 耿雷华 陈晓燕 农业用水效率影响因素及机理分析 J 长江科学院院报 2018 35 1 82 85 2 操信春 任 杰 吴梦洋 等 基于水足迹的中国农业用水效果评 价 J 农业工程学报 2018 34 5 1 8 3 吕国华 武永峰 白文波 等 不同气象条件下灌溉方法对温室大 棚小气候的影响及作物响应 J 灌溉排水学报 2014 33 Z1 175 178 4 王永涛 刘 浏 冯 诚 等 基于物联网技术的农业信息监控系 统应用研究 J 中国农村水利水电 2015 8 50 54 5 刘天宇 徐晓辉 宋 涛 等 基于 Android 的智能温室控制与实现 J 节水灌溉 2018 5 90 92 96 6 冯丽媛 姚绪梁 温室大棚自动灌溉系统设计 J 农机化研究 2013 35 6 113 116 7 赵 亮 瞿少成 刘雪纯 等 基于 Fuzzy PID 的温室节水滴灌控制 系统 J 节水灌溉 2019 7 116 120 8 田思庆 曹 宇 魏 强 等 基于模糊控制的智能滴灌控制系统 设计 J 节水灌溉 2017 6 101 104 9 丁筱玲 杨翠翠 吴玉红 等 基于无线网络的环境监测与智控灌 溉系统设计研究 J 节水灌溉 2015 7 86 89 94 10 肖克辉 肖德琴 罗锡文 基于无线传感器网络的精细农业智能 节水灌溉系统 英文 J 农业工程学报 2010 26 11 170 175 11 李 培 基于 WSN 的智能温室大棚自动定点喷灌系统 J 农机 化研究 2014 36 7 76 79 12 万博雨 付聪 郑世健 等 智能温室精细化控制中传感器布点的 研究 J 节水灌溉 2017 10 74 78 83 13 胡东红 李德华 王祖喜 均匀性度量的势函数模型 J 数学物 理学报 2003 23A 5 607 612 14 李 芸 肖英杰 领航跟随法和势函数组合的船舶编队控制 J 控制理论与应用 2016 33 8 1 259 1 264 15 汪首坤 朱 磊 王军政 基于导航势函数法的六自由度机械臂 避障路径规划 J 北京理工大学学报 2015 35 2 186 191 16 张 玲 张胜兰 艾 军 等 基于势函数的均匀性度量与均匀性 布点方法 J 湖北大学学报 2007 29 2 144 146 17 阚瑞清 白广明 王忆南 等 势函数场数学模型研究 J 黑龙江 水专学报 1997 3 21 24 18 李凌丰 谭建荣 张 谦 Metaball 势函数的若干性质研究 J 浙 江大学学报 理学版 2004 31 4 404 408 415 19 胡东红 李德华 王 祖 均匀性度量的势函数模型 J 数学物 理学报 2003 5 607 612 上接第 90 页 6 潘玉成 刘宝顺 黄先洲 等 茶叶杀青机模糊 BF 神经网络 PID 温控系统设计与试验 J 茶叶科学 2019 39 2 139 149 7 唐雅楠 景会成 赵 欣 基于模糊神经 PID 算法的稀土冶炼炉温 控制 J 电子设计工程 2019 27 8 19 23 8 於沈刚 马明舟 岳雪峰 万衡 王运圣 模糊 PID 智能灌溉控制器 的设计及 MATLAB 仿真 J 节水灌溉 2018 5 86 89 9 李国勇 智能预测控制及其 MATLAB 实现 M 北京 电子工业出 版社 2009 10 刘金琨 智能控制 M 北京 电子工业出版社 2005 11 龚 晨 杨盛泉 模糊神经网络 PID 算法在输油泵系统中的控制 研究 J 西安工业大学学报 2019 39 3 336 343 12 谭 浩 吴何畏 廉佳霖 等 基于 MATLAB 的模糊 PID 控制系统 设计与仿真分析 J 工业控制计算机 2019 32 5 58 59 62 13 吴 迪 刘天宇 宋 涛 等 基于模糊控制的智能节水灌溉控制 系统设计 J 江苏农业科学 2018 46 23 245 249 14 王小东 徐沪萍 基于 BP 算法的模糊神经网络控制系统的仿真 实现 J 数字技术与应用 2010 12 93 15 叶凤英 胡慕伊 基于模糊神经网络 PID 在曝气池溶解氧控制系 统中的应用 J 中华纸业 2019 40 6 25 30 16 蒋正炎 模糊神经网络 PID 算法在塑料挤出机智能控制中的应 用 J 塑料工业 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 欢迎投稿 欢迎订阅 欢迎刊登广告 69 温室内轨道式喷灌装置设计 吴志东 潘 迪 冯宇琛 等