CN101927220A - 精准智能对靶喷雾机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精准智能对靶喷雾机，包括：给药装置，施药装置，数据采集装置，控制装置，其中，控制装置包括测试单元和控制单元，控制单元根据测试单元输出的识别算法的参数以及数据采集装置采集的现场数据，确定喷施方案，从而使控制装置控制施药装置进行精确喷施。通过使用本发明的喷雾机，可以针对各种不同的喷施对象选取最佳的识别算法，具有更强的适应性，同时本发明能够提高化学农药的利用效率，有效减少药液使用量，从而保护环境。

Description

精准智能对靶喷雾机

技术领域

本发明涉及农用机领域，尤其涉及一种精准智能对靶喷雾机。

背景技术

目前应用于化学农药等药液的喷施作业的普通型机动喷雾机，主要适用于全面积均匀作业，其病虫草害防治效果较好。但是其在作业过程中没有考虑施药目标的分布信息或危重程度，而是采用全面积、均匀连续施药。药液过量使用，造成农药使用率低下，污染环境。为减少农药施用量、提高农药利用率，变量施药技术成为近年来的研究重点。变量施药技术的核心是根据靶标的有、无及大小，决定是否进行喷施，或根据靶标的分布不同而调整施药量和施药位置。实现变量施药的核心问题在于施药目标有效识别和执行机构的变量实现，因此对于变量施药技术的研究主要从这两方面开展。

施药目标的识别是实现自动变量施药的重要基础。Slaughter D.C等(Precision offset spray system for roadway shoulder weed control.Joumal of Transportation Engineering.Vol.125，No.4，1999)提出一个适用于公路两侧地带的间歇喷施除草剂的喷雾系统。该系统主要由机器视觉部分和间歇喷雾执行机构组成。该系统能够实时采集图像并根据杂草的有、无进行有选择地喷洒除草剂。Giles D.K等(Precision bandspraying with machine-vision guidance and adjust able yaw nozzles.Trans of the ASAE，1997，Vol.40(1)：29-36)提出一种针对成行作物进行对靶带状喷雾的施药系统。该系统首先利用图像处理技术确定作物行中心位置，然后通过机械机构保证喷头位于带状作物的上方，并控制喷头相对于机组的行进方向的偏转角，保证喷幅与作物宽度相一致，使雾滴恰好覆盖目标，从而实现精确喷洒。该系统不但能够减少农药的施用量，而且还提高了雾滴在目标作物上的沉积率。Lei Tian等(Development of a sensor-based precision herbicide application system.Computers and Electronics in Agriculture，2002，Vol.36：133-149)开发了基于机器视觉的变量施药系统。该系统通过准确测量杂草密度、杂草枝冠大小，实现实时对靶施药。该系统能够快速识别杂草、作物和土壤区域，从而有效保证精准对靶施药。

变量施药机构主要是通过对压力或流量进行控制以实现变量施药，如下研究人员主要针对变量施药机构进行研究。Han S等(Modification and Testing of a Commercial Sprayer with PWMSolenoids for Precision Spraying.Transactions of the ASAE，2001，Vol.17(5)：591-594)提出的基于GPS和GIS的变量施药系统安装压力控制器和脉宽调制电磁阀，并利用计算机控制系统对脉宽调制电磁阀的控制，来改变管路流量以实现变量施药。J.Kunavat等(Trans of theASAE，2000，43(4)：829-837)揭示了一种利用空气收缩阀来控制喷施剂量的喷施系统，该系统适用于单喷施剂量的控制，同时该系统需要另外配备一套压缩空气供给系统，该系统结构较为复杂，成本较高。史岩(专利号：03266753，2004)提出压力式变量施药机。通过分别调节各个喷雾单元的喷雾压力以实现独立变量喷雾。但是当管路压力发生变化时药液的喷雾质量会受到影响，因此通过改变压力实现变量喷雾，不能有效保证其喷雾质量。

上述研究方案均是针对单一施药目标识别方法研究或者是仅针对变量喷施机构的研究，并没有将两者进行有机的结合，从而存在一定的不足。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是如何将不同目标识别方法与变量喷施机构结合，从而实现对农作物更精确的变量喷施。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提出了一种精准智能对靶喷雾机，其特征在于，包括：

给药装置，包括通过主管路顺序连接的药箱、主开关和液泵，所述液泵和所述药箱之间设置有回管路；

施药装置，包括喷杆、安装于所述喷杆上的喷头体、每一个所述喷头体上的喷嘴、以及用于驱动所述每个喷头体上的步进电机，所述喷杆通过所述主管路与所述给药装置连接；

数据采集装置，包括图像传感器、压力传感器、流量传感器和速度传感器，所述图像传感器位于承载喷雾机的机组的前方，所述压力传感器和流量传感器分别与所述主管路串联，所述速度传感器与控制装置连接；

控制装置，包括控制器，输入输出模块、图像采集卡、测试单元和控制单元，所述图像采集卡的输入端和输出端分别与所述图像传感器和所述控制器连接，所述输入输出模块的输入端与所述压力传感器、所述流量传感器和所述速度传感器连接，其输出端和所述步进电机连接并且所述输入输出模块与所述控制器连接；

所述测试单元和所述控制单元与所述控制器连接，并且所述测试单元根据预先采集的农作物图像，选择适合其的识别算法，并计算适合的识别算法的参数并输入所述控制单元，所述控制单元根据所述识别算法的参数以及通过所述输入输出模块和所述图像采集卡采集的现场数据，计算出适合的喷施方式，从而使所述控制器通过所述输入输出模块控制所述步进电机，使所述喷头体进行变量喷雾。

其中，所述给药装置还包括位于所述回路管上的节流阀。

其中，所述给药装置还包括位于所述主开关和液泵之间的过滤器。

其中，所述喷头体上具有3个互成120°角的所述喷嘴。

其中，所述喷头体可以绕其自身的轴线进行120°的正反向旋转。

其中，每一个所述喷头体具有小、中、大以及不喷雾四种工作状态。

其中，所述输入输出模块包括数字信号输入单元、模拟信号输入单元和步进电机驱动控制单元，所述压力传感器与所述模拟信号输入单元连接，所述速度传感器和所述流量传感器与所述数字信号输入单元连接，所述步进电机与所述步进电机驱动控制单元连接。

其中，所述输入输出模块、所述图像采集卡与所述控制器之间采用板卡式总线连接。

其中，所述控制单元采集现场数据的方式包括手动采集和自动采集。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：通过使用测试单元、控制单元以及控制装置，将目标识别方法与变量喷施相结合，实现了对农作物的精准喷施。

附图说明

图1为本发明的精准智能对靶喷雾机的实施例的结构示意图；

图2为本发明的实施例的喷头体的结构示意图；

图3为本发明的实施例的控制单元的手动采集方式和自动采集方式的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本发明的精准智能对靶喷雾机的实施例的结构示意图，包括给药装置、施药装置、数据采集装置和控制装置。

其中，给药装置包括：顺序连接的药箱1，主开关2，过滤器3、液泵4、主管路6、还包括连接液泵4和药箱1的回管路7以及回管路7上的节流阀5，其中：药箱1用于盛放药液。当打开主开关2，药液将通过管路从药箱1经过过滤器3和主管路6到达施药装置。本系统利用液泵4使药箱1底部的药液返回到药箱1的中上部，形成一个药液循环回路以使药箱1中的液体能够充分流动、混合，从而保证药液均匀一致，在喷雾机工作前必须打开主开关2，喷雾机停止工作后，必须关闭主开关2。过滤器3是用于过滤药液中的杂质，以保护喷头和管路。液泵4的动力由承载喷雾机的机组(如拖拉机)提供，在喷雾机工作过程中，液泵4调节喷雾机的工作压力并保持一定的值。通过调节节流阀5的回流流量可以保证喷嘴出口处压力稳定。

其中，施药装置包括，与主管路6连接的喷杆20，喷杆20上的喷头体17，与喷头体相连的步进电机19，每一个喷头体17上的喷嘴18。在本实施例中，在喷杆20上安装4个多用喷头体17，喷头体17采用TeeJet的QJ363C多用喷头体(如图2所示)。喷头体17均匀分布，间距为0.5米，最大喷幅为2米。其中每个喷头体17上都安装有3个不同喷量的喷嘴18(以保证每个喷头体17具有不工作、大、中、小四种工作状态)，分别采用FL-015-110、FL-03-110和FL-06-110，喷嘴18间隔120°。每个喷头体17由一个步进电机19控制，在本实施例中，采用两相混合式步进电机。其中当某个喷嘴18处于正下方位置时，该喷嘴18为工作喷嘴。喷头体17可以绕其自身轴线进行120°的正反向旋转，利用步进电机19精确控制喷头体17的旋转方向及角度，以选择不同喷量的工作喷嘴18。通过组合不同喷量的喷嘴18，形成不同药液喷施量，达到变量喷施药液的目的。

其中，数据采集装置，包括CCD图像传感器8、压力传感器10、流量传感器11和速度传感器9，CCD传感器8位于承载喷雾机的机组的前方，倾斜向下，用于采集农田作物图像。根据喷雾机喷幅宽度选择CCD图像传感器的个数，在本实施例中采用一个CCD图像传感器8，CCD传感器8与喷杆20间的距离为2.5m。压力传感器10和流量传感器11串联在给药装置的主管路6中，分别用于测量主管路6中药液的压力和流量，并采集相应的数据信息。由于图像采集和处理均有一定的时间延迟，为此在已知CCD图像传感器8和施药装置之间距离的基础上，需测量出承载喷雾机机组的行进速度，并结合CCD图像传感器与施药装置的距离计算出喷雾时间，从而保证药液能够精确地喷施在目标上，本发明采用速度传感器9(其安装于喷雾机的一侧)测量承载喷雾机机组的速度，并采集相应的数据信息。

其中，控制装置包括控制器12，输入输出模块21、图像采集卡13、测试单元(未示出)和控制单元(未示出)，其中，输入输出模块21包括模拟输入单元14、数字输入单元15和步进电机驱动控制单元16。

控制器12分别与图像采集卡13、模拟输入单元14、数字输入单元15和步进电机驱动控制单元16连接(控制器12与图像采集卡13和输入输出模块21连接)，而图像采集卡13与CCD图像传感器8连接，图像采集卡13通过信号线接收来自CCD图像传感器8的图像信号，从而将采集的农田图像进行处理，并转换为数字图像信号；模拟输入单元14通过缆线与压力传感器10连接，数字输入单元15通过缆线与流量传感器11和速度传感器9连接，从而将所采集的主管路6中的压力、流量的相应数据以及喷雾机机组行进的速度输入控制器12，步进电机驱动控制单元16通过缆线与步进电机19连接，使控制器12可以通过步进电机驱动控制单元16对步进电机19进行控制。

测试单元针对玉米、棉花、大豆及其田间常见杂草在苗期的生长情况进行测试，包括预先将农田图像导入、图像预处理(增强、滤波、复原和灰度化)、图像分割(阈值分割、区域分割、分割后处理)、图像特征选择(颜色特征、形状特征和纹理特征)、图像识别算法(基于BP神经网络和基于SVM)。

在选择和确定每种算法时，均会给出一个通用的参数选择窗口，进行算法参数设定，然后从处理速度、处理精度等方面验证图像处理算法的有效性，最终将所确定的识别算法的参数以文本文件的形式输出。

控制单元将测试单元所输出的识别算法的参数的文本文件作为输入，然后可以通过控制单元的界面，选择以自动或手动的方式使控制单元根据来自压力传感器10、流量传感器11、速度传感器9以及CCD图像感应器8采集的农田中的各种现场数据，即，主管路6中的药液压力和流量数据、承载喷雾机的机组的行进速度以及农田的喷施目标的图像，判定施药目标的大小、分布情况，从而根据输入的识别算法的参数选择适合其的最佳算法，确定对喷施目标的施药方案，使控制器12通过步进电机驱动控制单元16控制步进马达19，进而选择不同喷量的喷嘴18并控制其位置，对农作物进行精确变量喷施。

如图3所示，本发明可以以手动和自动两种方式进行数据采集，实现精确对靶施药。当选择“手动”时，首先手动导入识别算法的参数文本文件，启动上述各个传感器采集现场信号，确定精准对靶施药方案，发出控制步进电机的控制信号，实现精准对靶施药；而当选择“自动”，识别算法的参数的导入、各个传感器的启动、施药方案的形成以及控制信号的发出都将自动完成。

喷雾机中控制装置是以控制器12为核心，在实施例中，控制器12采用研华UNO-3282嵌入式控制器，其工业设计抗50G冲击，抗5G振动，以适应拖拉机在农田工作环境中所产生的各种震动，其中，UNO-3282采用板载酷睿21.5GHz的双核CPU和1G内存，用以适应图像处理算法的执行速度。具有2个PCI接口、两个串口、1个音频接口，采用

XP Embedded操作系统。

优选地，为了提高精准智能对靶喷雾机的稳定性和抗震能力，输入输出模块21和图像采集卡13与控制器12之间利用板卡式总线连接。内部无任何电气线路，有效保证系统的稳定性，以适应于田间的恶劣工作环境。

上述数据采集装置、控制装置、给药装置以及施药装置可以利用外接电源供电。

本领域的技术人员应理解的是：本发明不但适应各种不同的喷施目标选取相应的最佳识别算法，还能够根据不同的施药目标特征、不同的施药区域面积进行对靶施药。本发明能够针对各种不同的喷施对象选取最佳的识别算法，具有更强的适应性。同时本发明能够提高化学农药的利用效率，有效减少药液使用量，从而保护环境，并且本发明结构简单，具有较强的可靠性和抗震性能。

以上所述仅是本发明的实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种精准智能对靶喷雾机，其特征在于，包括：

给药装置，包括通过主管路顺序连接的药箱、主开关和液泵，所述液泵和所述药箱之间设置有回管路；

施药装置，包括喷杆、安装于所述喷杆上的喷头体、每一个所述喷头体上的喷嘴、以及用于驱动所述每个喷头体上的步进电机，所述喷杆通过所述主管路与所述给药装置连接；

数据采集装置，包括图像传感器、压力传感器、流量传感器和速度传感器，所述图像传感器位于承载喷雾机的机组的前方，所述压力传感器和流量传感器分别与所述主管路串联，所述速度传感器与控制装置连接；

控制装置，包括控制器，输入输出模块、图像采集卡、测试单元和控制单元，所述图像采集卡的输入端和输出端分别与所述图像传感器和所述控制器连接，所述输入输出模块的输入端与所述压力传感器、所述流量传感器和所述速度传感器连接，其输出端和所述步进电机连接并且所述输入输出模块与所述控制器连接；

所述测试单元和所述控制单元与所述控制器连接，所述测试单元根据预先采集的农作物图像，选择适合其的识别算法，并计算适合的识别算法的参数并输入所述控制单元，所述控制单元根据所述识别算法的参数以及通过所述输入输出模块和所述图像采集卡采集的现场数据，计算出适合的喷施方式，从而使所述控制器通过所述输入输出模块控制所述步进电机，使所述喷头体进行变量喷雾。

2.如权利要求1所述的精准智能对靶喷雾机，其特征在于，所述给药装置还包括位于所述回路管上的节流阀。

3.如权利要求2所述的精准智能对靶喷雾机，其特征在于，所述给药装置还包括位于所述主开关和液泵之间的过滤器。

4.如权利要求1所述的精准智能对靶喷雾机，其特征在于，所述喷头体上具有3个互成120°角的所述喷嘴。

5.如权利要求4所述的精准智能对靶喷雾机，其特征在于，所述喷头体可以绕其自身的轴线进行120°的正反向旋转。

6.如权利要求5所述的精准智能对靶喷雾机，其特征在于，每一个所述喷头体具有小、中、大以及不喷雾四种工作状态。

7.如权利要求1所述的精准智能对靶喷雾机，其特征在于，所述输入输出模块包括数字信号输入单元、模拟信号输入单元和步进电机驱动控制单元，所述压力传感器与所述模拟信号输入单元连接，所述速度传感器和所述流量传感器与所述数字信号输入单元连接，所述步进电机与所述步进电机驱动控制单元连接。

8.如权利要求1所述的精准智能对靶喷雾机，其特征在于，所述输入输出模块、所述图像采集卡与所述控制器之间采用板卡式总线连接。

9.如权利要求1所述的精准智能对靶喷雾机，其特征在于，所述控制单元采集现场数据的方式包括手动采集和自动采集。

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