樹木涂白車結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李帥，吳志東,2，劉美奇，劉晨明，徐凱祥，馮瑞琴

樹木涂白車結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李帥1，吳志東1,2＊，劉美奇1，劉晨明1，徐凱祥1，馮瑞琴3

（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.黑龍江省智能制造裝備產(chǎn)業(yè)化協(xié)同創(chuàng)新中心，黑龍江 齊齊哈爾 161006；3.齊齊哈爾市開農(nóng)科技有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161000）

針對樹木人工涂白效率低、涂白不均勻以及涂白劑對人體傷害大等問題，設(shè)計(jì)自動涂白車機(jī)械結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)。機(jī)械結(jié)構(gòu)由車體、機(jī)械臂以及圓筒噴涂結(jié)構(gòu)組成；控制系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為核心，流量傳感器監(jiān)測噴涂流量，液位傳感器檢測桶內(nèi)噴涂劑液面位置，超聲波傳感器檢測車體與樹木間距，并采用PID控制算法精確控制噴涂量。通過MATLAB軟件建立噴涂量PID控制模型，結(jié)果表明，響應(yīng)時(shí)間為0.4s，超調(diào)量小于3%，能夠高效且穩(wěn)定控制噴涂流量。涂白車結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以為城市綠化設(shè)備提供技術(shù)保障。

樹木涂白；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；MATLAB仿真；PID控制

城市樹木可以凈化空氣與土壤，改善城市環(huán)境。為提高樹木存活率，防止病菌侵入和蟲害，采用樹干涂白方式保障樹木健康生長[1]。目前，樹木涂白通常采用人工操作，人工涂白方式效率低和涂白質(zhì)量參差不齊的問題突出，且涂白劑對人體存在一定危害。市場上已有多種類型涂白機(jī)，但自動化程度和工作效率低，且不能滿足不同粗細(xì)樹木需求[2-5]。PID控制方法廣泛應(yīng)用于流量控制、藥劑噴灑等方面，可以有效提升控制精度[6-7]。根據(jù)城市樹木標(biāo)準(zhǔn)化種植等間距、同高度以及同種類等特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)一種樹木自動涂白車，包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、硬件控制系統(tǒng)以及PID控制算法，從而提高涂白質(zhì)量和效率。

1 方案與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，機(jī)械結(jié)構(gòu)由車體、涂白劑桶、供液攪拌器、機(jī)械臂、液壓缸、圓筒噴涂結(jié)構(gòu)組成。車體作為整體裝置的承載底盤，長2.0m，寬1.4m，伸展高度1.5m?？刂葡到y(tǒng)由單片機(jī)主控、外圍電路以及智能控制算法。通過測距傳感器檢測車體與樹木之間距離，當(dāng)涂白車到達(dá)樹木位置，涂白車停止前進(jìn)。伺服電機(jī)控制機(jī)械臂后端抬起，液壓桿1～3控制機(jī)械臂伸縮和升降，圓筒噴涂結(jié)構(gòu)開合環(huán)繞樹木，涂白劑通過輸液軟管流至圓筒噴涂結(jié)構(gòu)，樹木涂白作業(yè)開啟，噴涂時(shí)間根據(jù)需求設(shè)定。供液攪拌器用于攪拌涂白劑，防止涂白劑凝固。圓筒噴涂結(jié)構(gòu)內(nèi)部包括噴嘴和回收槽，其中，噴嘴為三層環(huán)形固定形式，可以有效增大噴涂面積，實(shí)現(xiàn)單位時(shí)間內(nèi)多次噴涂效果，解決噴涂不均勻和噴涂厚度不夠的問題。圓筒噴涂結(jié)構(gòu)底部設(shè)置環(huán)狀廢液回收槽，回收槽與涂白劑桶連接，在噴涂過程中有效回收溢流的液體。

圖1 涂白裝置整體二維圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2為控制系統(tǒng)組成，該系統(tǒng)以STM32單片機(jī)作為控制系統(tǒng)核心，系統(tǒng)初始化后，超聲波測距傳感器檢測車體與樹木間距，根據(jù)檢測信號判斷是否到達(dá)噴液位置。到達(dá)噴液位置后，車體驅(qū)動電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動，啟動噴涂裝置對樹木進(jìn)行涂白作業(yè)。液位傳感器實(shí)時(shí)檢測噴涂劑桶內(nèi)液面位置，當(dāng)液位低于單次噴涂液面時(shí)，液位傳感器發(fā)送高電平信號，單片機(jī)接收到高電平信號控制噴涂裝置停止工作，蜂鳴器報(bào)警。流量傳感器用于檢測噴涂流量；繼電器模塊用于控制車體驅(qū)動電機(jī)和噴涂液壓泵。

圖2 控制系統(tǒng)組成

2.2 噴涂流量PID控制

圖3 噴涂量控制模型

流量傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測流量信號，信號傳輸至主控系統(tǒng)進(jìn)行處理，執(zhí)行PID控制過程，并將控制量反饋給電動球閥，實(shí)現(xiàn)對噴涂流量的精準(zhǔn)控制[10]。實(shí)現(xiàn)PID控制原理為

圖4 噴涂流量PID控制流程

圖5 噴涂流量PID控制仿真系統(tǒng)

由圖6可知，在設(shè)定條件下，噴涂流量PID控制系統(tǒng)對流量信號響應(yīng)時(shí)間為0.4s，超調(diào)量小于3%，能夠高效穩(wěn)定控制噴涂流量。

圖6 噴涂流量PID控制仿真曲線

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)樹木自動涂白車結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)，采用多點(diǎn)布置噴嘴的方式實(shí)現(xiàn)均勻噴涂功能，并設(shè)置回收槽回收溢流液體，避免浪費(fèi)。控制系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為核心，采用超聲波測距、液位計(jì)流量傳感器檢測信號，從而實(shí)現(xiàn)自動化控制。利用MATLAB軟件中的Simulink仿真系統(tǒng)搭建控制模型，模擬、驗(yàn)證噴涂流量PID控制算法，響應(yīng)時(shí)間為0.4s，超調(diào)量小于3%，通過控制電動球閥開度，可實(shí)現(xiàn)噴涂流量精準(zhǔn)控制功能。涂白車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，配置自動化控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)高效涂白作業(yè)。

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Design of structure and control system of tree whitening car

LI Shuai1，WU Zhi-dong1,2＊，LIU Mei-qi1，LIU Chen-ming1，XU Kai-xiang1，F(xiàn)ENG Rui-qin3

(1.School of Mechanical and Electronic Engineering, Qiqihar University, Heilongjiang Qiqihar 161006, China;2.Heilongjiang Province Collaborative Innovation Center for Intelligent Manufacturing Equipment Industrialization, Heilongjiang Qiqihar 161006, China; 3.Qiqihar Kainong Technology Co., LTD., Heilongjiang Qiqihar 161000, China)

Aiming at the problems of low efficiency of artificial tree whitening, uneven whitening and great harm to human body, the automatic whitening vehicle based on the mechanical structure and control system was designed. The mechanical structure was mainly composed of car body, mechanical arm and cylinder spraying structure. The control system was based on STM32 microcontroller, which integrated flow sensor to monitor spraying flow rate, float level sensor to detect the position of spraying agent liquid level in the barrel, and ultrasonic sensor to detect distance between car body and trees, and the PID control algorithm was used to realize the precise control of spraying volume. The PID control model of spraying volume was established by MATLAB software. The results showed that the response time was 0.4s and the overshoot was less than 3%, which can effectively and stably control the spraying flow. The design of structure and control system of tree whitening car can provide technical support for urban greening equipment.

trees painted white；structure design；MATLAB simulation；PID control

TP393

A

1007-984X(2023)03-0030-03

2023-01-10

2022年省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目（202210232005）；教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目（220602817220926）；黑龍江省高等教育教學(xué)改革研究一般研究項(xiàng)目（SJGY20220410）；黑龍江省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2020年度重點(diǎn)課題（GJB1320388）；齊齊哈爾大學(xué)教育科學(xué)研究項(xiàng)目（GJQTYB202212）；齊齊哈爾大學(xué)黨建研究課題（QQHRUDJ2022-26）

李帥（2001-），男，黑龍江大慶人，本科，主要從事智慧農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究，1749949349@qq.com。

吳志東（1985-），男，黑龍江克山人，副教授，博士，主要從事機(jī)械裝置智能控制、小環(huán)境優(yōu)化控制研究，wzd139446@163.com。