بخشی از مقاله
طراحي، ساخت و ارزيابي دستگاه کنترل خودکار موقعيت ادوات کشاورزي نسبت به سطح زمين
چکيده
در اين پژوهش اقدام به طراحي، ساخت و ارزيابي دستگاه کنترل موقعيت ادوات کشاورزي نسبت به سطح زمين شده است . اين دستگاه موقعيت مناسب ادوات کشاورزي را نسبت به سطح زمين در هر نقطه از زمين کشاورزي محاسبه ميکند، و سپس وسيله کشاورزي را در موقعيت بهينه قرارميدهد. موقعيت بهينه ادوات توسط نرم افزار نوشته شده براي دستگاه و با استفاده از داده هاي ورودي محاسبه مي شود. دستگاه ساخته شده در عمليات خاکورزي دقيق بوسيله زيرشکن مورد آزمايش قرار گرفت . ميزان دقت دستگاه در اعمال عمق مورد نظر، زمان و سرعت عملکرد دستگاه در رسيدن به موقعيت مطلوب در زمين کشاورزي مورد بررسي قرار گرفت . همچنين مسافت طي شده توسط تراکتور در زمين کشاورزي، از لحظه صدور فرمان تغيير عمق تا لحظه رسيدن به عمق تعيين شده نيز مورد ارزيابي قرار گرفت . فاکتورهاي در نظرگرفته شده نوع تغيير عمق (افزايش و يا کاهش ) و هفت مرحله تغيير عمق به اندازه ٥٠ ميليمتر در بازه ٠تا ٣٥٠ميليمتر بوده است . علاوه بر دو فاکتور ذکر شده ، فاکتور دنده پيشروي نيز در نظر گرفته شد (دنده هاي يک، دو و سه تراکتور مسيفرگوسن ٣٩٩). ميزان دقت بدست آمده در زمين کشاورزي براي افزايش ٤.١٩ درصد در دنده يک، ٥.١٩ درصد در دنده دو و ٥.٧٨ درصد در دنده سه محاسبه شد. دقت دستگاه در اعمال عمق مورد نظر در حالت کاهش عمق مقادير ٦.٨٤درصد براي دنده يک، ٤.٦٧درصد براي دنده دو و ٦.٤١درصد براي دنده سه بدست آمد.
واژگان کليدي : حسگر اندازه گيري، خاکورزي دقيق ،عملگر هيدروليکي،نرم افزار کنترل
مقدمه
جمع آوري اطلاعات، پردازش آن ها و تصميم گيري بر مبناي نتـايج بدسـت آمـده در کشـاورزي موجـب پيـدايش علـم جديدي به نام کشاورزي دقيق شده است . روشهاي جديد کشاورزي دقيق بر اين عقيده استوار است ؛ که خصوصيات مختلف زمـين کشاورزي و محصول در نقاط مختلف زمين متفاوت مـي باشـد؛ و انجـام عمليـات مختلـف کشـاورزي ماننـد سمپاشـي، کودپاشـي، خاکورزي و ساير عمليات کشاورزي، با نرخ يکسان و ثابت در تمام مزرعه ، اشتباه است . چراکه ممکن است ميـزان عمليـات انجـام شده در يک نقطه بيشتر از مقدار مورد نياز باشد، که در نتيجه موجب تخريب محيط زيست ، از بـين رفـتن زمـين هـاي کشـاورزي، افزايش مصرف نهاده هاي کشاورزي (کود، بذر، سـم ، عمـق شـخم ، سـوخت ، انـرژي)، افـزايش اسـتهلاک ماشـين آلات، افـزايش هزينه هاي توليد، کاهش ميزان توليد، کاهش سود و غيره خواهد شد؛ و يا اينکه ممکن است نرخ عمليات انجام شده در يک نقطـه کمتر از ميزان لازم باشد، که باز هم اثرات نامطلوب در کيفيت کار خواهد داشت .کشاورزي دقيق ، يـک نگـرش مـديريتي جديـد در مزارع کشاورزي ميباشد که مبناي تصميم گيري در آن ، داده هـا و اطلاعـات جمـع آوري شـده از زمـين کشـاورزي اسـت .
در حال حاضر در ايران ، بدون بررسي هاي قبلي و به طور وسيع در عمليات تهيه زمـين از گـاوآهن برگـردان دار اسـتفاده ميشود. بررسيها نشان ميدهد که اين ادوات در بسياري از موارد منجر به ايجاد لايه متراکم و فشرده اي از خاک و يا بـه عبـارت دقيق تر لايه سخت شخم ميشوند؛ که اغلب براي شکستن اين لايه ، مشابه لايه سخت خاک نياز به انجـام شـخم عميـق توسـط زيرشکن ميباشد. (اميرجوادي و شهيدزاده ، ١٣٨٤)
براي از بين بردن لايه سخت خاک، که مانعي براي افزايش عملکرد محصول ميباشد؛ نياز به انجام عمليات زيرشـکني است . به عبارت ديگر هدف اصلي استفاده از زيرشکن ، ايجاد شکاف در لايه سخت خـاک مـيباشـد. امـا در بسـياري از تحقيقـات مشخص گرديد که ، عمق تشکيل اين لايه و نيز ضخامت آن در نقاط مختلف يک زمين کشـاورزي داراي اخـتلاف بسـيار زيـادي ميباشد (Raper et al 2005) اگرچه مي توان اثرات نامطلوب لايه هاي فشرده خاک را توسط زيرشکن کاهش داد، اما انجام زيرشکني در عمق بيشتر از مقدار مورد نياز، موجب افزايش مصرف سوخت ، مخلوط شدن خاک رسي لايه هـاي زيـرين بـا خـاک سـطحي و فرسـايش خـاک ميشود. ضمن اينکه افزايش بيمورد عمق شخم تاثير معنيداري بر افزايش عملکرد محصول نخواهد داشت . در طي تحقيقـي کـه طي ٤سال در مزارع پنبه در دانشگاه آلاباما انجام شد، نيروي کششي مورد نياز و سـوخت مصـرفي در عمليـات زيرشـکني بـه دو صورت عمق ثابت و عمق متغير مورد مقايسه قرار گرفت . آزمايش ها در زمين هايي انجام شد که لايه سخت آن ها در عمق هاي ٢٥، ٣٥ و ٤٥ سانتيمتر قرار داشت . عمليات زيرشکني عمق ثابت در عمق ٤٥ سانتيمتر انجام شد (عمق زيرشکني متداول مزارع پنبـه در امريکا). ميزان مصرف سوخت در حالت زيرشکني عمق متغير در شرايطي که لايه سخت در عمق ٢٥ سانتيمتري قـرار داشـت ؛ در مقايسه با زيرشکني عمق ثابت مقدار ٤٣ درصد و در حالتي که لايه سخت خاک در عمق ٣٥سانتيمتري قرار داشت ؛ ٢٧ درصد کاهش داشت . البته در شرايطي که لايه فشرده خاک در ٤٥ سانتيمتري زمين قرار داشـت ، اخـتلاف قابـل ملاحضـه اي در ميـزان مصرف سوخت بين دو روش خاکورزي ديده نشد.برطبق نتايج حاصل مي توان گفت که ، انجام زيرشکني عمق متغيـر بـا توجـه بـه کاهش قابل ملاحضه ميزان مصرف سوخت و توان مورد نياز موجب صرفه جويي زيادي در هزينه عمليات ميگردد (Raper et al 2005) مي توان گفت با کاهش عمق زيرشکني در نقاطي از زمين کشاوزي که لايه سخت خاک در عمـق هـاي بـالاتر قـرار دارد؛ مي توان به مقدار قابل ملاحظه اي در مصرف سوخت صرفه جويي کرد. که در نتيجه موجـب کـاهش هزينـه هـاي توليـد و افـزايش سودآوري ميگردد. اين نکته دليل قانع کننده اي بـراي سـود آور بـودن عمليـات زيرشـکني برمبنـاي خصوصـيات نقطـه اي زمـين
کشاورزي ميباشد(kichler et al 2005)انرژي مورد نياز و سوخت مصـرفي و مقـدار نفـوذ ريشـه گيـاه در خـاک، در دو زمـين کشاورزي، در منطقه کوستال امريکا براي سه حالت بدون زيرشکني، زيرشکني با عمق ثابت ٤٥سانتيمتر و زيرشکني عمق متغيـر براساس عمق و ضخامت لايه سخت خاک مورد مطالعه قرار گرفت . انرژي مورد نياز براي زيرشکني براساس خصوصيات مکاني در مقايسه با زيرشکني عمق ثابت مقدار ٥٦.٤ درصد کاهش يافت . همچنين سوخت مصرف شده در حالت زيرشکني عمـق متغيـر در مقايسه با زيرشکني مرسوم ٣٣.٨درصد کاهش يافت . همان طور که ازقبل انتظار مـيرفـت ؛ مقـدار نفـوذ ريشـه بـه اعمـاق زمـين کشاورزي در حالت بدون زيرشکني بسيار کمتر از حالتي بود که از عمليات زيرشکني استفاده شده بود؛ و اين به دليل فشار وارد شده از سوي لايه سخت خاک به ريشه براي توسعه در راستاي افق ميباشد(gorucu et al 2005)
در بررسي اثر زيرشکني بر عملکرد کمي و کيفي سيب زميني در ايستگاه تجرک همدان ، نتيجه گيري شد که زيرشـکني در عمق بيش از ٢٠تا ٢٥ سانتيمتر موجب کاهش مقاومت خاک به مقدار ناچيز در لايه هاي پـايين تـر از ٢٥ سـانتيمتـري زمـين شده است . براساس نتايج حاصله ، در محصولات آبي همچون سيب زميني کـه آب مـورد نيـاز در فواصـل کـم در اختيـار گيـاه قـرار ميگيرد، نيازي به عمليات زيرشکني در عمق بيش از ٢٥ سانتيمترنمي باشد. (حيدري و همکاران ، ١٣٨٢) بنابر تحقيقات انجام شده ميتوان نتيجه گرفت که ، به منظور انجام عمليات زيرشکني با حداکثر کيفيت ، نيـاز اسـت کـه عمق زيرشکني برمبناي موقعيت و ضخامت لايه سخت خاک تعيين گردد.
طراحي، ساخت و ارزيابي دستگاه کنترل و تنظيم موقعيت ادوات کشاورزي نسبت به سطح زمين جزء فرضـيه هـاي ايـن تحقيق ميباشد. بطوريکه موقعيت مناسب ادوات کشاورزي نسبت به سطح زمين در هر لحظه و هر نقطه از زمين کشاورزي با توجه به داده هاي ورودي محاسبه شود، و سپس وسيله کشاورزي در عمق و يا ارتفاع بهينه قرارگيرد. البته آزمايش هاي انجام شده در اين پژوهش محدود به انجام عمليات زيرشکني به صورت عمق متغير بوده است .
مواد و روش ها
به منظور قرارگيري ادوات در عمق و يا ارتفاع بهينه ، دستگاهي تحت عنوان «دسـتگاه کنتـرل خودکـار موقعيـت ادوات کشاورزي نسبت به سطح زمين » طراحي و ساخته شده که از سه بخش اصلي واحد اندازه گيري و تشخيص ، واحد کنترل و فرمان و در نهايت واحد عملگرهيدروليکي تشکيل شده است .
واحد اندازه گيري دستگاه شامل حسگر تعيين عمق ميباشد؛ که اين حسگر با شاسي افقي ادوات متصـل بـه تراکتـور از طريق يک قوطي ٢*٢ در ارتباط است ؛ وموقعيت ادوات را، از طريق مدار الکترونيکي واسط بـراي واحـد کنتـرل و فرمـان ارسـال ميکند.
واحد کنترل از سه بخش مدار الکترونيکي واسط ، نرم افزار کامپيوتري رابط کاربر و پردازشگر(که در اينجا يک نوتبـوک انتخاب ميباشد) تشکيل شده است . کاربر از طريق نرم افزار نوع عملکرد دستگاه را تعيين کرده (دستي، اتوماتيک موقعيت ثابت و يـا اتوماتيک موقعيت متغير)؛ و سپس با توجه به انتخاب خود، اطلاعات مورد نياز را براي سيستم تعريف ميکند. سپس نرم افزار، عمق و يا ارتفاعي را که با توجه به نيازهاي اپراتور، ادوات بايد در آن قرار گيرد را محاسبه ميکند. همچنين نرم افزار سيگنال هاي موقعيت لحظه اي ادوات را از حسگر اندازه گيري فراخواني کرده و سپس عمق و يا ارتفـاع لحظـه اي ادوات را محاسـبه مـيکنـد. در نهايـت نرم افزار با مقايسه دو موقعيت محاسبه شده ، فرمان هاي لازم را از طريق مدار الکترونيکي واسط بـراي سيسـتم هيـدروليک ارسـال ميکند.سيستم عملگر هيدروليکي دستگاه وظيفه قرار دادن ادوات در موقعيت مطلوب را برعهده دارد. (شکل ١)
شکل ١: شماتيک عملکرد دستگاه
اما براي تعيين موقعيت قرارگيري ادوات متصل به تراکتور نسبت به زمين از مکانيزمي استفاده شده است که ؛ تغيير ارتفاع و يا عمق وسيله کشاورزي باعث چرخش يک پتانسيومتر ولومي فلزي و در نتيجه تغيير ولتاژ در يک مدار الکترونيکي ميشود. ايـن اطلاعات توسط برنامه کامپيوتري نوشته شده به صورت عمق و يا ارتفاع نسبت به زمين محاسبه و نشان داده مي شود(شکل ٢).
شکل ٢: سنسور اندازه گيري موقعيت
تغيير موقعيت قرارگيري ادوات کشاورزي نسبت به زمين ، موجب حرکت دوراني قوطي تعبيه شده ميگردد؛ و اين حرکت موجب چرخش يک پتانسيومتر ميشود. چرخش پتانسيومتر موجب تغيير ولتاژ ميگردد. اين تغيير ولتاژ در پردازشگر مرکزي برحسب ميليمتر کاليبره شده است .
ارسال اطلاعات توسط حسگر اندازه گيري براي واحد کنترل و فرمان بصورت پيوسته انجام ميشود؛ بطوريکـه براسـاس برنامه نوشته شده براي ميکروکنترل ، حسگر اندازه گيري در هر ٢٥٠ ميليثانيه يک سيگنال از موقعيـت ادوات بـراي واحـد کنتـرل ارسال ميکند. دريافت سيگنال هاي حسگر اندازه گيري موقعيت ، دريافت اطلاعات از کاربر، پردازش داده هـاي وارد شـده ، محاسـبه عمق و يا ارتفاع بهينه و در نهايت ارسال فرمان به عملگر هيدروليک توسط واحد کنترل انجام مي شـود؛ کـه شـامل سـه قسـمت اصلي مدار الکترونيکي، پردازشگر مرکزي و نرم افزار کنترل و فرمان ميباشد. برد الکترونيکي رابط وظيفـه برقـرار ارتبـاط و تبـادل اطلاعات بين حسگر اندازه گيري، پردازشگر مرکزي و شير هيدروليکي را برعهده دارد.پردازشگر مرکزي در ايـن تحقيـق ، کـامپيوتر قابل حمل انتخاب شده است . کامپيوتر مذکور داراي پورت سريال RS232 براي برقراري ارتباط با برد الکترونيکي ميباشد.
نرم افزار کنترل و فرمان ابتدا با دريافت داده هاي ورودي مقدار عمق و يا ارتفاع بهينه را محاسبه ميکند. ايـن اطلاعـات شامل عمق قرارگيري لايه سخت خاک ميباشد؛ که يا از طريق نقشه های GISو يا از طريق فايل هاي پـيش فـرض تهيـه شـده موقعيت قرارگيري لايه سخت خاک را دريافت ميکند.
اما از سوي ديگر نرم افزار کنترل و فرمان با دريافت سيگنال هاي حسگر انـدازه گيـري، موقعيـت ادوات را در هـر لحظـه محاسبه مي نمايد؛ و براي اپراتور نيز نمايش ميدهد.
در نهايت نرم افزار با مقايسه دو موقعيت محاسبه شده فرمان تغيير و يا ثابت ماندن وضعيت شيرهيدروليک سه وضـعيتي را از طريق برد الکترونيکي واسط ، براي آن ارسال ميکند. با تنظيم وضعيت شيرهيدروليک با هر بار ارسال فرمان از طرف نرم افزار، جکهاي هيدروليک باز و يا بسته خواهند شد؛ و يا در صورت لزوم بدون تغيير خواهند ماند. بدين ترتيب موقعيت ادوات متصـل بـه تراکتور کنترل و تنظيم ميشود. فرايند شرح داده شده بصورت يک حلقه بسته بطور مداوم در تمام طول عمليات اجرا ميشود. براي دريافت اطلاعات از راننده تراکتور، دريافت داده هاي ارسالي حسگر اندازه گيري، محاسبات تعيين عمق و يـا ارتفـاع بهينه ، در نهايت کنترل و فرمان سيستم هيدروليک دستگاه ، توسط ويژوال بيسيک دات نت ٢٠٠٨ نرم افزاري نوشته شده است کـه وظيفه کنترل و فرمان دستگاه کنترل خودکار موقعيت ادوات را بر عهده دارد. اين نرم افزار به نـوعي رابـط بـين اپراتـور و دسـتگاه ساخته شده نيز مي باشد، زيرا اطلاعات مورد نياز را از اپراتور دريافت مي کند و در هر لحظه نتايج تمـام محاسـبات خـود و موقعيـت لحظه اي ادوات را به اطلاع کاربر مي رساند.نرم افزار نوشته شده سه بخش عملکردي اصلي دارد. به عبارت ديگر نـرم افـزار طـوري طراحي شده است که ، توسط آن مي توان موقعيت ادوات را به صورت غير اتوماتيک، اتوماتيک موقعيت ثابت ، و اتوماتيـک موقعيـت متغير کنترل نمود.
بخش عملگر دستگاه در واقع سيستم هيدروليک طراحي شده ، براي اعمال ارتفاع و يا عمق مورد نظر مي باشد. به گونه اي که با تغيير طول جکهاي هيدروليک، عمق و يا ارتفـاع ادوات کشـاورزي نسـبت بـه سـطح زمـين تغييـر داده مـيشـود. عملگـر هيدروليکي دستگاه با دريافت فرمان از واحد کنترل ، ادوات را در موقعيت مورد نظر قرار ميدهد. ضمن اينکه عملکرد اين بخـش از دستگاه بطور پيوسته توسط سيستم اندازه گيري براي واحد کنترل ارسال ميشود. عملکرد مدار هيدروليک دستگاه کاملا مسـتقل از عملکرد سيستم هيدروليک تراکتور ميباشد؛ بطوريکه در کار اين دو تداخلي ايجاد نميشود؛ و اپراتور ميتواند در هر زمان از سيستم هيدروليک تراکتور و يا از دستگاه ساخته شده استفاده نمايد.
براي انجام آزمايشات از تراکتور مسيفرگوسن ٣٩٩ و زيرشکن تک ساقه استفاده گرديد. دور موتور تراکتور ١٣٠٠ دور و فشار کاري سيستم هيدروليک دستگاه ساخته شده ١١٠ بار تنظيم شد. (شکل ٣).
شکل ٣:دستگاه کنترل خودکار موقعيت ادوات کشاورزي نسبت به زمين
براي تست دستگاه در زمين کشاورزي، در يک آزمايش فاکتوريل ٧*٣*٢ ميزان عدم دقت دسـتگاه و سـرعت عملکـرد دستگاه در رسيدن به موقعيت مطلوب با يک طرح کاملاً تصادفي تحت شرايط افزايش يا کاهش عمق شخم متشکل از سـه دنـده پيشروي
