摘要 为保证大棚清洗机沿着棚顶纵向杆直线行走不偏，提出了清洗机棚顶行走及检测装置的设计方案，完成了机械结构和系统控制程序的设计，在棚顶行走装置上增加一套安装有轴转角传感器的辅助轮，传感器检测各辅助轮的转角变化率，将信号传输给控制器，控制器分析各辅助轮转角变化率是否一致来判断整个棚顶行走装置是否走偏，通过控制清洗机两侧行走履带的电机速度进行自动矫正，保证清洗机棚顶行走装置在棚顶纵向杆上正常行走，完成清洗任务。
关键词 塑料大棚；大棚清洗机；棚顶行走装置；检测装置
中图分类号 S626.9 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）27-332-03
Design of the Shed Cleaner Roof Walking and Testing Device
ZHAO Jian1， LIANG Yong-jiang1， HE Pei-xiang2 et al
（1. Zunyi Tobacco Company in Guizhou Province， Zunyi， Guizhou 563000； 2. College of Engineering and Technology， Southwest University， Chongqing 400715）
Abstract In order to guarantee that the greenhouse cleaning machine can walk straight along the longitudinal rod on the roof， this paper tries to put forward a design plan of shed cleaner roof walking and testing device， completed the design of the mechanical structure and system control program， increase a set of auxiliary wheel which installed with shaft Angle sensor on the roof walking device， Sensors detect the angle changing rate of each auxiliary wheel， and send the signal to the controller， the controller analyze whether the Angle changing rate of each auxiliary wheel is consistent to each other to decide if the walking device go astray. If so， it can adjust automatically by controlling the motor speed of track on both sides of cleaning machine to ensure the walking device of cleaning machine walk straight along the longitudinal rod to accomplish cleaning task.
Key words Plastic greenhouse； Cleaning machine of greenhouse； Roof walking device； Detecting device
近年来，随着现代农业技术的发展，我国各地都在大力推广设施农业，其中大棚栽培是重中之重[1-2]。由于气候、海拔和温湿度不同，蔬菜花卉等农作物的种植具有季节性和地理区域性，影响了农作物的种植和农业经济的发展，而大棚栽培有效地解决了上述问题。大棚可以收集光照或者人为地控制温度湿度等来满足作物对光合作用的需求，有效提高作物的生长速度和产量，是农民脱贫致富的重要手段[3-4]。我国大棚种类主要有塑料大棚和玻璃大棚两种，塑料大棚由于成本低、结构简单等优点被广泛的应用到我国温室农业生产中。塑料大棚通过透明的塑料薄膜覆盖在其顶面来达到采光和保温目的，采用镀锡钢管作为大棚支架。随着塑料材料的质量不断提高，塑料大棚的寿命也得到了有效的提高，一般钢管结构的塑料大棚寿命能达七八年甚至更久。由于塑料大棚长时间处于风吹日晒、雨淋、尘土的自然环境中，薄膜往往会被灰尘污染，日积月累后会有微生物繁殖形成苔藓等附着在大棚表面，不易被自然降雨冲掉，造成大棚透光率降低，严重影响了植物的光合作用及其生长发育，导致作物减产，经济效益下降。这种现象在我国南方地区尤其常见。因此对塑料大棚棚顶进行清洁，保证其透光率非常必要[5-7]。
国外对塑料大棚清洗设备的研究已经很成熟，有相应的公司制作塑料大棚清洗机作为产品售卖，其主要工作方式是整个工作平台单排轮行走于塑料大棚天沟内，两侧有两个仿形物如同两侧棚顶伸出的臂，上面安装多个毛刷，多个毛刷一起转动，同时伸出臂上端喷出高压水，进行刷洗，清洗效果好、效率高，但在我国大棚上大都安装遮阴网，天沟无法行走，所以此类设备不适用于我国大棚清洗。国内近几年才有几位学者对塑料大棚清洗机械进行研究，其主要清洗方式是采用高压水枪喷水，冲击带有叶轮的圆盘刷，使圆盘刷转动，水和刷子同时对污垢进行冲刷，这种装置结构简单，能够实现塑料大棚的清洗，但自动化程度低，且耗水量较大。
针对上述问题，设计了一种料大棚棚顶清洗机，其利用皮带和中心行走轮带着较长的柔性清洗毛刷辊和喷水装置在大棚棚顶行走进行清洗。其行走皮带行走于塑料大棚两边的棚面上，皮带较长，所以其主要承力点是大棚横向拉杆上，从而有效地避免了清洗机对大棚棚顶薄膜的损坏，同时也避开了天沟，使之适用于我国塑料大棚的清洗。在清洗过程中，喷水装置向棚顶喷水，同时柔性毛刷辊以一定速度转动，对大棚棚顶进行刷洗。由于该清洗机的棚顶行走装置分为左右两个部分，中间由中间行走轮提供支撑，所以必须保证清洗装置始终保持沿塑料大棚纵向拉杆行走，如果走偏不但会影响到清洗效果，更严重的将损坏大棚薄膜，造成不必要的经济损失。为保证清洗装置始终垂直沿大棚纵向杆行走，中间行走轮和左右行走轮必须行走同步，这就需要对行走轮进行合理控制，因此大棚清洗机控制系统的设计研究非常重要。
1 机械结构与工作原理
该大棚清洗机主要用在钢管结构的塑料大棚上，由于塑料薄膜承压能力较弱容易被损坏，因此该清洗机利用大棚棚顶的纵向钢管承受机器的大部分重量，两侧采用较长、接触面积较大的履带在薄膜上支撑清洗装置。所以清洗装置由棚顶的行走装置和两侧的行走履带共同驱动清洗机前进，两边有两条附在大棚薄膜上的长毛刷辊以一定速度旋转，对膜上的灰尘和苔藓等附着物进行清洗，同时行走装置两侧的喷水管从大棚天沟抽水进行喷水，前面喷水湿润棚顶便于清洗，后面喷水对已经刷掉的污垢进行冲洗，清洗效果较好。该清洗机的整体机械结构和工作示意图见图1、2示。
图1 清洗机在大棚棚顶的俯视图
图2 清洗机在大棚上工作的示意图
由图1、2可知，该清洗机上端有一支撑架且仿形大棚棚顶呈拱形，清洗装置为两较长的柔性毛刷辊，贴合在塑料大棚棚顶。中间行走轮行走于大棚顶部纵向支撑杆上，两侧行走履带行走于大棚边缘，在中间行走轮左右两侧有喷水机构，清洗机的水源由单侧边的抽水泵向天沟抽水，从而避免了过长过重的供水水管对大棚薄膜的负面影响，大大提高了清洗机的灵活性和行走的稳定性。另外，整个清洗机的电源由电源线提供。
上述清洗机的棚顶行走机构必须一直在棚顶纵向杆上行走才能保证清洗机的正常工作，所以需要设计一种能够控制行走电机的装置，对行走位置进行自动矫正。根据上述要求设计了棚顶行走及检测装置，其机械结构如图3所示。
由图3可知，该大棚清洗机棚顶行走及检测装置包括主车架2，车架用支撑杆12固定。车架上设置有前后两排主车轮3，每排2个轮，两轮间有小于棚顶纵向杆13直径的间隙，使其架在纵向杆上行走。后排主车轮一侧由电机8经同步带轮5、6、7驱动，另一侧与前排主车轮经同步带轮11连接，电机驱动主车轮带着整个装置前进。两排主车轮3前后各有一排用于检测的辅助轮4，每排2个，两轮间有一定间隙架在纵向杆上行走，4个辅助轮上都安有轴转角传感器9。辅助轮通过悬架1安装在主车架上，有支撑杆12固定，悬架与主车架间是铰接10，保证辅助轮能靠自重落在棚顶纵向杆上。
大棚清洗机在塑料大棚上工作时，行走装置上的4个主车轮和4个辅助轮都紧贴着棚顶纵向杆转动，如果走偏则会出现4个辅助轮中有一个或几个不转或者转速不一致的现象，此时4个轴转角传感器接收到信号传给控制器，经过控制器分析后输出3个信号控制3个电机（棚顶行走电机8，清洗机两侧行走履带上的2个电机）的转速进行矫正，使大棚清洗机棚顶的行走主车轮一直沿着纵向杆直线行走，保证整个清洗机的正常工作，提高清洗机的自行走能力和可靠性。
2 控制系统总体设计
2.1 控制系统原理
大棚清洗机棚顶行走及检测装置的控制系统主要功能是：控制器根据轴转角传感器测到的各个辅助轮的轴转角变化率作出判断，输出信号控制各个行走电机的转速，其控制原理如图4所示。
图4 控制原理
由图4可知，4个轴转角传感器检测到辅助轮的轴转角变化率，将数字信号转变为控制器（CPU）可读懂的模拟信号输入控制器，控制器进行分析处理后输出控制转速的PWM信号，电机驱动单元收到信号对各电机的转速进行控制[8-9]，通过转速的控制来矫正清洗机行走方向，保证清洗机顺利工作。
2.2 控制系统软件设计
控制器要控制大棚清洗机棚顶行走主车轮和两侧行走履带按着正确的路径行走，当出现走偏时及时作出调整，其控制系统主程序流程如图5所示。
图5 控制系统主程序流程
由图5可知，该驱动系统通过简单的控制信号对整机工作进行控制，当清洗机开启时，系统进行初始化工作，包括检测各个模块是否正常，关闭不用的模块，清看门狗等，初始化完成后等待程序启动信号。前进子程序流程见图6。
图6 前进子程序流程
由图6可知，控制器首先判断清洗机是否启动，启动后是前进方向还是后退方向行走，如果是前进则调用前进子程序。前进子程序中先检测左前轴和右前轴转角传感器的转角变化率是否一致，如果不一致说明辅助轮有一个已经偏离棚顶纵向杆，清洗机行走装置走偏了，于是控制器根据程序控制落后一侧的履带行走电机加速，直到与另一侧履带完全平行，棚顶的行走主车轮回到大棚纵向杆上直线行走。如果是后退，则其子程序与前进子程序一样，不过是检测左后轴和右后轴转角传感器的转角变化率是否一致[10-13]。
3 结论
设计的大棚清洗机棚顶行走及检测装置能够根据检测各辅助轮的轴转角变化率是否一致判断整个清洗机是否走偏，如果走偏则控制器控制相应的行走电机改变转速，进行纠正，以保证清洗机棚顶行走主车轮一直沿着棚顶纵向杆直线行走，有效地避免了清洗机走偏后损坏大棚薄膜，提高了清洗机的工作质量和可靠性。
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