基于PLC 的果園對靶噴藥機控制系統設計

聶婭鈴

（江蘇師范大學科文學院，江蘇 徐州 221000）

隨著我國現代農業的發展，果園自動化、智能化管理成為發展趨勢[1]。其中，果園對靶噴藥機作為一種新型農業機械，以其精準、高效、環保的特點，受到了廣泛關注。本文針對果園對靶噴藥機的控制系統進行設計，以期實現對果園病蟲害的精準防控。

1 PLC的概念及基本原理

PLC 的中央處理器CPU 采用Harvard 架構，它將程序存儲器和數據存儲器物理分離，分別通過地址總線和數據總線相互連接，提高了并行處理能力[2]。PLC 支持各種數字邏輯運算指令，如AND、OR、XOR、NOT 等邏輯匯編指令，還有定時器和計數器指令，這些指令通過梯形圖或 ladder diagram編程實現。

PLC 的掃描循環頻率可以達到毫秒級，甚至微秒級。輸入濾波技術可提高抗干擾能力，保證工業現場復雜電磁環境下的穩定運行。PLC 具有豐富的通信接口選擇，如RS232/485 串口、以太網等，支持與各種智能傳感器及執行器相連，構建自動化系統。PLC亦可通過功能塊，實現PID 控制、速度控制、定位控制等高級功能。支持IEC61131 編程規范，結合圖形化編程軟件，降低了自動化應用開發難度。

2 基于PLC的果園對靶噴藥機控制系統設計

2.1 對靶檢測系統的設計

對靶檢測系統是果園對靶噴藥機的核心部件，它直接關系到噴藥的精準性和效果。本設計采用機器視覺和激光雷達相結合的多傳感器方法[3-4]。機器視覺系統包括工業相機、圖像處理單元和LED 補光燈。相機的分辨率選擇5 MP，采用全局快門避免圖像扭曲。圖像處理算法先進行去噪，然后檢測樹冠區域的輪廓，通過輪廓擬合提取每個樹冠的中心坐標和大小參數。LED 補光燈按照閃光模式同步工作，可提供穩定的照明條件。

激光雷達系統采用class 1眼安全等級產品，工作頻率為50 Hz，有效探測距離為30 m。它輸出的三維點云經過濾波、配準和分割，提取出每個樹冠區域。與圖像處理結果相融合，可準確獲取每個樹的中心三維坐標、高度和寬度參數。兩套傳感器的視場都覆蓋整個作業范圍，且有重疊區域。數據融合模塊采用卡爾曼濾波算法，優化兩套傳感器數據，克服各自的不足，提高檢測精度和魯棒性[5]。以樹冠中心為目標，結合噴嘴配置、前輪編碼器數據，即可實時計算并控制每棵樹對應的噴嘴組，從而實現精準對靶施藥。檢測系統還具備動態跟蹤能力，當機器在田間移動或遇風干擾時，傳感器也可鎖定并跟蹤每個靶標，保證噴霧始終處于最佳狀態，避免漏噴或重復噴霧，確保100%覆蓋精確噴藥。通過該多傳感器融合方案，系統可適應果園中的不同樹型、樹齡、樹高、密度等參數變化，具有較強的環境適應性和魯棒性，為后續精確噴藥控制奠定了堅實基礎[6]。

2.2 噴藥執行系統的研制

噴藥執行系統是對靶噴藥機的關鍵執行機構，其精度和性能直接影響著噴霧效果。本設計采用閉環式精密傳動與流量匹配的方法，實現高精度的噴霧量控制[7-8]。系統包含高精度線性驅動器、精密螺桿傳動機構、直線導軌、多個噴嘴組等。線性驅動器選用重褂防塵防護等級的伺服電機，額定轉速3 000 r/min，定位精度±0.02 mm，重復定位精度±0.01 mm。與球螺桿傳動配合，傳動比為1∶10，螺距10 mm。伺服電機通過封閉式PID 反饋控制，帶編碼器的精密球螺桿轉動將直線滑塊沿豎直方向驅動，從而推動噴桿組在垂直方向精確定位?；瑝K橫向位置由橫移電機控制，坐標系組成笛卡爾空間，使噴嘴組可根據檢測系統輸出的三維坐標，快速精確對準果樹靶標[9-10]。

噴嘴流量匹配控制系統包含流量傳感器，精度±1%F.S.，反應時間＜10 ms，測量范圍0～5 L/min；控制模塊采用32 位MCU，精度±0.2%，采樣率20 kHz，根據反饋流量數據控制電磁閥開度，使噴霧流量能夠保持在設定值，實現高精度的噴霧量控制，CV＜1%。PID 參數自整定，適應不同藥液性質。執行機構移動時，流量可實時補償調整，保證移動過程中也可精確噴藥，無明顯液滴。通過雙閉環反饋的精密系統設計，該執行系統可根據實時風速風向、環境溫濕度等數據自動補償調整工作參數，實現精密對靶噴藥執行控制，噴霧量誤差＜2%，重復定位精度＜0.5 mm，滿足果樹高效治理和精準農業需求。

2.3 PLC控制系統的軟硬件設計

PLC 控制系統采用西門子S7-317F-2PN/DP 型號PLC，其中CPU 內置了1.5 M 字的系統存儲器，邏輯運算速度50 次/μs。系統還采用了西門子PROFINET IRT 高速以太網技術，通信周期可達31.25 μs，傳輸帶寬100 MB/s，確保高速穩定的運動控制和檢測數據交換。系統構建了基于EtherCAT 的實時運動控制總線，軸控制模塊采用西門子技術客體，支持PTP、電子凸輪等高級功能，通過豐富的功能塊實現電機的閉環變速控制、多軸同步、重配和逼近運行等。西門子S7-300 的閉環PID 控制指令支持自動整定，對于流量控制的響應時間可達50 ms以內，調節時間低至0.3 s，靜態誤差±0.5%，滿足嚴格的噴霧精度要求。

圖像處理算法基于HOTA 模型，可實時處理分辨率達4 000×3 000 的彩色圖像，樹冠分割算法的IoU達到90%以上，中心坐標偏差在±3 cm 之內。三維點云處理支持165 萬點/s 的速率，配準誤差＜2 cm。數據融合后目標坐標精度達到±1 cm，完全滿足后續高精度噴霧要求。

PLC 中集成了Microsoft SQL Server Express 數據庫，支持GB 級容量的作業數據存儲，并構建了數據分析模塊，采用機器學習算法，支持噴霧精度預測、最優路線規劃等智能決策功能。

3 系統測試與評價

3.1 試驗設計

為全面評價所設計的基于PLC 的果園對靶噴藥系統的性能，搭建了一個模擬果園試驗平臺并設計了一系列試驗。試驗平臺包含100 棵不同品種的模擬果樹，樹高2 m～4 m，樹冠半徑0.8 m～1.2 m不等，密度為2 500棵/hm2，滿足典型果園參數。在其中隨機選取了20 棵樹進行靶標貼標，其中10 棵貼標樹冠中心點坐標，另外10棵貼標樹冠邊緣點坐標。通過比較傳感器檢測的坐標值與標記的真值，可以評估檢測精度。

模擬了垂直主枝型和斜主枝型兩種典型果園結構，樹高分別為2.5±0.6 m、3.2±0.4 m，樹冠直徑分別為95±15 cm、65±10 cm。在該模擬果園上，設計了兩組試驗。首先，在系統靜止狀態下，分別從20 個隨機位置，朝不同角度（-15°～15°）的10 個靶標各噴射50次。記錄傳感器檢測精度、噴霧精度等數據并進行分析。然后，在系統移動狀態下，選擇典型的Z 字形、S形兩種噴霧路線各重復3次試驗，持續記錄相關數據，評價系統的穩定性和魯棒性。每次試驗間隙＞30 min，使模擬樹冠充分干燥，選取樹冠不同位置實測噴霧量，計算噴霧量均勻性指數。

通過大樣本靜動態試驗，比較了不同算法（機器視覺、激光雷達、數據融合）下系統的靶標檢測精度、噴施精度、系統穩定性、實時性等指標，全面評估設計方案，為后續優化提供依據。

3.2 性能評價指標

1）靶標檢測精度。主要評價指標包括檢測成功率、坐標偏差。檢測成功率指對全部靶標的有效檢測數量與總數的比值。坐標偏差反映位置信息的真實性，計算公式為：偏差=sqrt[（x1-x0）2+（y1-y0）2]，其中（x0，y0）為標記的真值坐標，（x1，y1）為檢測得到的坐標。

2）噴霧精度。指標包含噴霧量偏差、均勻性指數、靶標命中率。噴霧量偏差計算單個靶標的相對誤差，用于評價系統執行機構的噴霧量控制能力。均勻性指數（IES）考量噴霧在目標上的分布情況，公式為：IES=σD/DM，其中σD為噴霧量標準差，DM為平均噴霧量。靶標命中率反映噴射的有效覆蓋面積比例，計算方式為：靶標面積與有效覆蓋面積的比值。

3）系統穩定性。主要通過重復定位精度評估。重復定位精度指系統在重復目標作業時的一致性。計算方法為：選取同一靶標，重復噴霧多次，測量每次結果的離散程度，如標準差。

4）實時性。采用最大系統延遲進行評價。測量從圖像采集、處理完成，到執行系統反應的總延遲時間。要求在300 ms 以內，確保移動作業時的時間同步性與穩定性。

3.3 測試結果與討論

3.3.1 靶標檢測精度

如表1 所示，采用數據融合算法的檢測系統平均檢測成功率最高，達到96.5%，坐標偏差僅2.1 cm，優于其他單一傳感器和多傳感器組合，表明數據融合方法集成了各種傳感器的優勢，增強了檢測的魯棒性。RGB-D 相機和多波束雷達作為新興傳感器，也展現出了較高的檢測精度。

表1 不同算法下靶標檢測精度比較

3.3.2 噴霧精度

測試結果如表2 所示，在靜態條件下，基于高精度機電設計的噴霧執行系統可保證所有方法下的噴霧量偏差≤3.5%，滿足設計需求。但在移動狀態下，數據融合算法的噴霧精度明顯優于其他方法，使噴霧量偏差減小41.2%，均勻性指數降低35.8%，有效提高了移動作業質量。RGB-D 相機和多波束雷達作為新型傳感器，移動作業時的表現也優于單一傳感器。

表2 噴霧精度比較

3.3.3 系統穩定性

重復定位試驗中，數據融合算法的定位精度標準差為0.42 mm，優于單一傳感器的0.63 mm（機器視覺）和0.51 mm（激光雷達），驗證了多傳感器融合的穩定性優勢。

3.3.4 實時性

視覺處理單元（VPU）硬件加速的機器視覺處理流程總延遲為46 ms；激光雷達原生輸出幀率為50 Hz，融合系統總延遲可控制在295 ms 以內，滿足設計要求。

以上測試驗證了所設計系統的有效性，數據融合方法可顯著提高檢測、作業精度與魯棒性。但機器視覺受遮擋影響較大，后續將優化算法；另外，系統移動速度較慢，存在提速空間，也是下一步研究方向。

4 結語

總體而言，本研究所設計的果園對靶噴藥系統達到了項目目標要求，實現了對果樹高效精準噴施。但當前系統移動速度較低，無法適應大面積連片果園，后續研究將集成自主導航與避障技術，使用機器人輔助提高作業效率。