自动化仪表在林业中的的应用前景

【摘 要】自动化仪表应用于林业的精确施药,该技术的核心内容是实现对靶喷药,达到只对目标物喷药,特别是准确测量施药机械与靶标的距离,采用合适测距系统运用的农药精确施用机械是保证农药精确施药机械有效运行的关键技术.农药精确施用的机械智能测距装置的研制过程,基于化工仪表专业课程理论,培养自动化装置的设计能力、调试能力等职业技能.

【关 键 词】精确施药；测距装置

1.研究背景

本课题来源于农药精确施用的机械智能测距控制系统的研究项目,以及基于自动化专业职业技能培养的化工仪表课程改革的研究项目.

在化工生产过程中,物料的物位等距离信号的检测工作很重要,要求实时性、精确性.考虑其实效性及研制成本,为准确的检测出距离,可采用多种化工自动化仪表,其中超声波测距装置在各类企业中使用广泛.而对于化工仪表课程,改革的意义在于降低理论学习的难度,增强该课程的直观性,激发学习兴趣,并且使之契合现代实用技术的发展,拉近课堂教学和生产实践的距离,使学生在校期间就能掌握先进的技术手段和方法,为培养和训练学生的分析和解决问题能力打下基础.将具有测距功能的自动化仪表用于林业精确施药,不但能保证所测距离准确,而且还能提高农药防治的实效性,减少环境污染.研制农药精确施用机械智能测距装置,作为化工仪表课程的项目任务之一,摈除以往的纯理论吸收式教学模式,而是引导设计者运用自动化专业理论知识去设计、调试系统,分析解决实际问题,以积累专职技能,体现课程改革的目的,从而研究出职业技能培养的最有力方案.

农林病虫草害是农林生产的主要灾害之一,被称为“无烟的火灾”.农药防治的高效性、速效性、经济性、快捷性,使得农药防治在相当长的一段时间内仍是防治农林病虫草害的最主要方法.但是常规的施药方法,只有微乎其微的农药起到防治作用,而大部分农药没有能够发挥作用,流失到环境中.农药的大量流失不仅造成了对环境的污染和对生态系统的破坏,也在多方面制约了我国农林生产的可持续发展.

针对我国农药用量逐年增加、药效逐年下降、农产品农药加重等问题,研究发展作物病虫草害精确施药技术,大幅度降低农药施用量和其对环境的影响是当前施药控制系统研究的重点.

2.测距装置在林业中的研究现状

2.1农药精确施用技术研究现状

世界各国对农药精确施用技术的发展潜力及应用前景有着广泛共识,并将其作为发展农业高新技术应用的重要内容.从20世纪90年始,美国开始研究农药精确施用技术,如戴维斯加洲大学研制的基于视觉传感器对成行作物实施精确施药系统；Durand-Wayland公司研制的Smartspary果树智能喷雾系统.在国内,南京林业大学郑加强等人从20世纪90年代末开始研究基于计算机视觉的农药精确对靶施用系统和农药实时精确对靶施用方法.

2.2测距方法

目前一般测距的技术有激光测距、红外测距、微波雷达测距和超声波测距等.

（1）激光测距

典型激光测距的方法有脉冲法、相位法、干涉法等,这些方法各有特点,分别应用于不同的测量环境和测量领域.激光测量系统具有高单色性,高方向性和相干性好等特点,因此激光波束近似直线,很少扩散,波束能量集中,传输距离远,具有反应快、有效测量距离大、分辨率高、误差小等优点.激光镜头易受灰尘、雨雪、风沙的污蚀而影响其工作性能.

（2）红外测距

红外线测距和激光、超声波测距在原理上基本相同,均是根据发射波和反射波时间差来判断目标的距离.红外线介于可见光和微波之间的一种电磁波,它不仅具有可见光的直线传播、反射、折射等特性,还具有微波的某些特性,如较强的穿透力和能贯穿某些不透明的物质等.红外线测距在技术上难度不大,系统成本低廉,但是在恶劣天气下和稍长距离探测时不够及时、精确.

（3）微波雷达测距

微波是指频率300MHz～300GHz范围内极高频电磁波.微波探测技术是利用电磁波对目标的反射特性进行目标探测和定位,能够精确地测定目标的方向、距离和速度.微波探测技术特点十分明确,其不受热、噪音、温度、气流、尘埃等因素影响,能够适应恶劣环境,抗干扰能力强.然而控制技术较复杂,成本相对较高,多用于军事用途,并且在近距离测距中反而精度不高.

（4）超声波测距

超声波是指频率大于20kHz的在弹性介质中产生的机械震荡波,具有声波传输的基本物理特性如反射、折射、干涉等.超声波测速测距的基本原理是利用其反射特性.超声波发生器发射40kHz超声波遇到障碍物后产生反射波,当超声波接收器收到反射信号后,并将其转换成电信号,测出发射波和回波之间的时间间隔,根据声速即可求出距离.由于超声波频率较高,穿透力强,指向性强,传输过程中衰减少,能量消耗缓慢,在介质中传播的距离较远,遇到杂质或分界面时会产生反射波,因此常被用于非接触式测距.另外,超声波具备激发容易、检测工艺简单、操作方便、便宜等优点,并且对光线、色彩和电磁场不敏感,因此超声波测距对环境有较好的适应能力.

在近距离农药喷洒中,只要对其温度和湿度进行适当的补偿,其测距精度将高于微波雷达测距,达到农药精确施用的目的.

2.3近距离测距技术研究现状

随着计算机技术、自动控制技术的应用,在许多民用领域中开始需要近目标、无接触、无损伤的目标检测系统,2003年德国学者ThomasMusch采用N分频锁相环发生器设计了24GHzFMCW雷达,由于高线性度、大带宽且采用了相位斜率算法使得测距绝对误差小于±0.8mm.

国内学者对近距目标探测技术的研究主要集中在W波段的系统设计,2001年,南京理工大学娄国伟、李兴国、吴文等研制了3mm波段FMCW近程雷达.

3.测距装置在林业中的应用

从目前世界上精确施药技术的发展情况来看,在当前相当长的一段时间内,精确施药需要解决的核心问题是减少施药液量和药剂量,提高农药在作物上的附着率、减少农药在地面的沉降,提高喷施质量和减少农药对环境的污染等.

解决上述问题的有效途径之一就是把自动化技术与喷雾技术相结合,实现对靶喷药,达到只对目标物喷药的目的.在农药精确施用研究中,准确测量施药机械与靶标的距离是保证农药精确施药系统有效运行的关键技术.

将测距系统应用于林业,精确测量施药机械与靶标的距离,从而可以通过农药精确施用机械智能决策支持系统确定施药参数,并自动控制可变量喷头,从而实现农药精确施用.

4.结论

我国目前销售使用制剂农药数量巨大,如果采用合适测距系统,应用于农药精确施用机械,将节省极为可观的农药使用量,产生显著的经济效益和社会效益.同时,可大大提高农药附着率,减少农药漂移和地面无效沉淀,改善农业生态环境,具有重要的环保意义.

在农药精确施用的过程中,比如行道树的农药喷洒,环境因素对施药精度的影响最大,且为近距离施药.在近距离农药喷洒中,超声波测距方法对温湿度的要求最低,只要对其温度和湿度进行适当的补偿,超声波测距精度将高于微波雷达测距,满足农药精确施用的目的.即使再从经济成本的角度来考虑,超声波测距方法无疑为首选.其优势所在,为高效智能的农药精确施用机械提供有效、实用的测距手段和方法,在林业中的应用前景广泛.

超声波测距装置的研制过程,也是化工仪表课程改革的试验田.研制该装置需要详细设计出系统硬软件,再对装置进行调试,分析解决实际工程问题,该过程基于自动化专业课程理论,有利于职业技能的培养.