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摘要：针对树木人工涂白效率低、涂白不均匀以及涂白剂对人体伤害大等问题，设计自动涂白车机械结构及控制系统。机械结构由车体、机械臂以及圆筒喷涂结构组成；控制系统以STM32单片机为核心，流量传感器监测喷涂流量，液位传感器检测桶内喷涂剂液面位置，超声波传感器检测车体与树木间距，并采用PID控制算法精确控制喷涂量。通过MATLAB软件建立喷涂量PID控制模型，结果表明，响应时间为0.4s，超调量小于3%，能够高效且稳定控制喷涂流量。涂白车结构及控制系统设计可以为城市绿化设备提供技术保障。
关键词：树木涂白；结构设计；MATLAB仿真；PID控制
城市树木可以净化空气与土壤，改善城市环境。为提高树木存活率，防止病菌侵入和虫害，采用树干涂白方式保障树木健康生长[1]。目前，树木涂白通常采用人工操作，人工涂白方式效率低和涂白质量参差不齐的问题突出，且涂白剂对人体存在一定危害。市场上已有多种类型涂白机，但自动化程度和工作效率低，且不能满足不同粗细树木需求[2-5]。PID控制方法广泛应用于流量控制、药剂喷洒等方面，可以有效提升控制精度[6-7]。根据城市树木标准化种植等间距、同高度以及同种类等特点，本文设计一种树木自动涂白车，包括机械结构、硬件控制系统以及PID控制算法，从而提高涂白质量和效率。
1方案与结构设计
如图1所示，机械结构由车体、涂白剂桶、供液搅拌器、机械臂、液压缸、圆筒喷涂结构组成。车体作为整体装置的承载底盘，长2.0m，宽1.4m，伸展高度1.5m。控制系统由单片机主控、外围电路以及智能控制算法。通过测距传感器检测车体与树木之间距离，当涂白车到达树木位置，涂白车停止前进。伺服电机控制机械臂后端抬起，液压杆1～3控制机械臂伸缩和升降，圆筒喷涂结构开合环绕树木，涂白剂通过输液软管流至圆筒喷涂结构，树木涂白作业开启，喷涂时间根据需求设定。供液搅拌器用于搅拌涂白剂，防止涂白剂凝固。圆筒喷涂结构内部包括喷嘴和回收槽，其中，喷嘴为三层环形固定形式，可以有效增大喷涂面积，实现单位时间内多次喷涂效果，解决喷涂不均匀和喷涂厚度不够的问题。圆筒喷涂结构底部设置环状废液回收槽，回收槽与涂白剂桶连接，在喷涂过程中有效回收溢流的液体。
2控制系统设计
2.1系统设计
图2为控制系统组成，该系统以STM32单片机作为控制系统核心，系统初始化后，超声波测距传感器检测车体与树木间距，根据检测信号判断是否到达喷液位置。到达喷液位置后，车体驱动电动机停止转动，启动喷涂装置对树木进行涂白作业。液位传感器实时检测喷涂剂桶内液面位置，当液位低于单次喷涂液面时，液位传感器发送高电平信号，单片机接收到高电平信号控制喷涂装置停止工作，蜂鸣器报警。流量传感器用于检测喷涂流量；继电器模块用于控制车体驱动电机和喷涂液压泵。
2.2喷涂流量PID控制
喷涂量采用闭环控制，可以有效控制喷涂流量[8]。控制模型如图3所示，I(s)为单次设定喷涂量；H(s)为实际喷涂量；e为设定值与实际值的偏差；U(s)为根据变量转换函数得出的控制电压值。控制系统中选取电子式电动球阀，调节控制电压，从而调节球阀开度而控制喷涂流量。流量传感器将输出端流量信号发送至单片机，单位时间内可计算得出实际喷涂量，与设定值进行作差，计算得出控制电压值，从而精确控制电动球阀开度[9]。控制电压值U(s)和实际喷涂流量H(s)之间呈比例关系，同时考虑流量控制系统存在一定延迟，所以控制模型存在为比例和延迟关系，系统简化后传递函数公式：(1)其中，k为流量与控制电压的比例系数；T为时间延迟。流量传感器实时监测流量信号，信号传输至主控系统进行处理，执行PID控制过程，并将控制量反馈给电动球阀，实现对喷涂流量的精准控制[10]。实现PID控制原理为由图6可知，在设定条件下，喷涂流量PID控制系统对流量信号响应时间为0.4s，超调量小于3%，能够高效稳定控制喷涂流量。
3结束语
本文设计树木自动涂白车结构及控制系统，采用多点布置喷嘴的方式实现均匀喷涂功能，并设置回收槽回收溢流液体，避免浪费。控制系统以STM32单片机为核心，采用超声波测距、液位计流量传感器检测信号，从而实现自动化控制。利用MATLAB软件中的Simulink仿真系统搭建控制模型，模拟、验证喷涂流量PID控制算法，响应时间为0.4s，超调量小于3%，通过控制电动球阀开度，可实现喷涂流量精准控制功能。涂白车结构设计合理，配置自动化控制系统，可以实现高效涂白作业。
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作者：李帅 吴志东 刘美奇 刘晨明 徐凯祥 冯瑞琴 单位：齐齐哈尔大学机电工程学院 黑龙江省智能制造装备产业化协同创新中心 齐齐哈尔市开农科技有限公司