CN103120150A - 自走式果园对靶风送喷雾机 - Google Patents

Abstract

一种自走式果园对靶风送喷雾机，它包括：车体、药箱、喷头和风送喷雾系统，它还包括智能控制系统，所述的智能控制系统包括激光靶标探测装置、微控制系统、执行机构；激光靶标探测装置用于测定靶标特征信息、采集田间作业环境信息，并读取和存储这些数据，对各种信息进行数据处理，提取有用信息；微控制系统根据分析决策模型，输出施药、风速执行动作的控制信号；执行机构用于控制施药和调节风量变化。本发明通过激光检测技术判断有无果树，然后将接受到的光信号转换为控制信号，同时实时测定果树的行距，计算出喷头到果树的距离并根据距离的变化调整风机转速达到更好的气流辅助施药效果。

Description

自走式果园对靶风送喷雾机

技术领域

 本发明涉及一种喷雾机，尤其涉及一种带有激光探测装置的自走式果园对靶风送喷雾机，属于植物保护机械技术领域。

背景技术

传统的施药方式为连续性施药，由于果园作物的非连续性种植，许多药液喷洒在果树之间空档处，没有沉积在作物上面，影响了作物的防治效果。将连续性施药转变为间歇性自动对靶施药是解决当前农药利用率低、环境影响大的有效解决途径，通过将自动化技术与喷雾技术相结合，通过对果树靶标的识别和喷雾装置的自动控制实现对耙施药，最终达到只对特定靶标实施喷雾的目的。

风力辅助式施药已经被证明是一种十分有效的施药方式，但合理风速影响着药液的沉积量和漂移量，最终影响施药的效果。而各地果园栽培模式不尽相同，所以能实时监测果园行距，根据预设模型来调整风速的大小是十分有必要的。

目前果园靶标探测技术按照探测原理可以分为基于超声波传感器的靶标探测技术、基于图像传感器的靶标探测技术、基于红外传感器的靶标探测技术等。

由于超声波传感器以空气作为传输介质，空气温度与湿度会影响声波的行程时间，而风吹时检出距离也会发生变化，因此，不应在风机设备旁使用传感器。出风口喷出的多频率气流、雾流场和田间作业时噪音等因素都会影响传感器测量精度。目前基于超声波技术的靶标探测技术取得了一定成果，但与喷雾技术结合的研究较少，特别较难与气流辅助下喷雾技术的有效融合。 

基于图像传感器的靶标探测技术所获取的图像信息量大，导致图像处理速度相对较慢，从而使得执行机构延时增长，响应时间变慢，影响喷雾作业效率。由于以上原因，目前这种技术也多停留在靶标检测阶段，与喷雾技术融合存在一定难度。

红外检测反射光较弱、方向性差、测量距离受限，需要理想合作靶标，特别受外界环境光干扰影响，光强、背光等因素都制约着靶标红外检测效果。个体靶标特征（树冠茂密程度、叶片倾斜角度等）也影响检测结果。红外检测技术多停留在实验室阶段，只实现了理想环境下的靶标有无的探测。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提出一种精度高、分辨率高、抗干扰能力强的带有激光检测装置，并能实现智能调控的自走式果园对靶风送喷雾机。

本发明的技术方案是：一种自走式果园对靶风送喷雾机，它包括：车体、药箱、喷头和风送喷雾系统，它还包括智能控制系统，所述的智能控制系统包括激光靶标探测装置、微控制系统、执行机构；

激光靶标探测装置用于发出激光探测信号测定靶标特征信息、采集田间作业环境信息，并读取和存储这些数据，对各种信息进行数据处理，提取有用信息；

微控制系统通过接收到的激光信号输出施药开关控制信号，并根据距离-风量关系模型计算风机转速的控制信号；

执行机构用于根据微控制系统输出的信号执行电动调节阀驱动电路阀门的开关动作以及风机转速大小的控制。

所述的自走式果园对靶风送喷雾机的工作方法采用如下步骤：

A、开启复位开关给出复原信号，准备测量；

B、激光靶标探测装置利用模拟或数字电路驱动激光器发射激光脉冲，该激光脉冲有一部分信号通过参考信号取样器直接送到接收系统，形成参考信号作为计时的起点；另一部分激光脉冲遇到果树后会产生反射现象形成回波信号；

C、参考信号与回波信号先后经光电检测器转化为电脉冲；

D、电脉冲经微控制系统加以放大、整形，整形后的参考信号使触发器翻转，控制计数器开始对晶体振荡器发出的时钟脉冲进行计数，整形后的回波信号使触发器翻转无效，从而使计数器停止工作，同时回波信号传递到执行机构，使喷头的电动调节阀打开；

E、根据计数器的输出计算探测距离，计数器输出值为“喷头到靶标的距离”，则探测距离= 2*喷头到靶标的距离 +喷雾机的宽度；

F、微控制系统根据距离-风量关系模型，计算出最佳风机转速，公式如下： Y=1398.ln(X)-905.0

其中：X是两行树间的行距， Y 是风机转速；

G、微控制系统根据计算得到的最佳风机转速发出指令，驱动步进电机，步进电机通过调节静液压装置的进油阀门，从而调整风机转速到预期的目标值，同时通过霍尔接近开关实时测量风机轴转速，将信号传递到微控制器，形成闭环控制系统，保证风机转速能稳定在目标值；

H、若接收系统接没有接受反射回的光脉冲能量，或者探测距离过大，可以判定此时没有待施药对象，微控制器发出指令通过电动调节阀驱动电路关闭阀门开始喷雾。

所述的激光靶标探测装置包括光学系统和光电检测器，其中光学系统包括激光器、接收器、参考信号取样器和干涉滤光片，激光器用于发出激光脉冲信号，一部分信号经参考信号取样器和干涉滤光片后由接收器直接接收，另一部分激光信号用于探测目标物，目标物将探测激光信号返回给接收器，接收器接收到激光信号后将信号传送给光电检测器。

所述的微控制系统包括微放大器、整形电路、微控制器、触发器、计数器、时钟脉冲振荡器和电动调节阀驱动电路，其中放大器、整形电路、触发器、计数器依次连接对采集到的激光信号进行放大、整形并计数，计数器的信号输出端与微控制器的一信号输入端相连，微控制器的一输出端与电动调节阀驱动电路的信号输入端连接，电动调节阀驱动电路的信号输出端与喷头的控制信号输入端相连，微控制器的另一信号输出端与微控制系统的信号输入端相连，所述的时钟脉冲振荡器发出的时钟脉冲，再通过计数器和触发器进行计数，时钟脉冲振荡器的输出端与微控制器的控制信号输入端相连。

所述的执行机构包括驱动器、步进电机、静液压装置、风机、霍尔接近开关、流量计、液泵和电动调节阀，所述的驱动器的输入端作为执行机构的信号输入端与微控制器的信号输出端相连，驱动器、步进电机、静液压装置、风机和霍尔接近开关依次连接，霍尔接近开关的信号输出端与微控制器的一信号输入端相连，其中静液压装置上设有用于调整油门开度的进油阀门，风机中设有用于测量风机转速的磁感应线圈，所述的液泵的输入端与药箱的输出端相连，液泵的输出端与流量计的输入端相连，流量计的一输出端通过电动调节阀控制喷头，流量计的另一输出端与微控制系统的微控制器相连。

喷雾机底盘通过动力分配装置将发动机的动力输送到各功能部件。发动机动力输出到变速箱再到取力器，然后传递到皮带轮组，再通过电磁离合器传递到药液泵。变速箱主输出轴连接分动箱，其中一条支路传动到万向节联轴器，从而驱动后桥，将动力提供给行走系统。另一条支路驱动液压无级调速器，压力油通过油管输送至液压马达，液压马达驱动风机，通过智能控制系统发出指令，驱动步进电机拉动软轴，从而调整液压无级调速器阀门开度，从而实现对风机无级变速控制。通过转速比的设置实现了各功能部件的动力需求，也保证行走速度、风机转速、药液泵转速各部分动作协调。

风送喷雾装置包括管阀药路、风机和药液泵；风机采用轴向进风、径向出风的风送模式，喷洒范围呈辐射发散状，与果树交叉枝叶形成的环状靶标带相匹配，解决了果园施药过程中，靶标上方交叉枝叶施药难的问题，同时也达到仿形喷雾目的。

本发明的有益效果：

1. 激光检测技术本身具有精度高、分辨率高、抗干扰能力强等特点，较适宜于田间复杂作业环境，可以用于非合作目标检测。

2.自走式果园对靶风送喷雾机是一种基于靶标探测技术的风送式变量施药机具。实现了施药机械化、风送式高效施药和基于靶标探测的风、雾量的控制。

3. 随着激光设备成本降低，激光技术在农业领域有着较好的市场前景。

附图说明

图1为本发明自走式果园对靶风送喷雾机的结构示意图。

图2为本发明自走式果园对靶风送喷雾机的智能控制系统的原理框图。

图中：1-发动机、2-变速器、3-动力分配箱、4- 液压无级调速器、5-十字万向轴、6-药箱、7-风机、8-电磁阀喷头、9-液压马达、10-液泵、11-电磁离合器、12-取力器、13-控制总成、14-激光靶标探测装置。

具体实施方式

如图1、2所示，一种自走式果园对靶风送喷雾机，它包括：车体、药箱、喷头和风送喷雾系统，它还包括智能控制系统，所述的智能控制系统包括激光靶标探测装置、微控制系统、执行机构；

激光靶标探测装置用于发出激光探测信号测定靶标特征信息、采集田间作业环境信息，并读取和存储这些数据，对各种信息进行数据处理，提取有用信息；

微控制系统通过接收到的激光信号输出施药开关控制信号，并根据距离-风量关系模型计算风机转速的控制信号；

执行机构用于根据微控制系统输出的信号执行电动调节阀驱动电路阀门的开关动作以及风机转速大小的控制。

所述的自走式果园对靶风送喷雾机的工作方法采用如下步骤：

A、开启复位开关给出复原信号，准备测量；

B、激光靶标探测装置利用模拟或数字电路驱动激光器发射激光脉冲，该激光脉冲有一部分信号通过参考信号取样器直接送到接收系统，形成参考信号作为计时的起点；另一部分激光脉冲遇到果树后会产生反射现象形成回波信号；

C、参考信号与回波信号先后经光电检测器转化为电脉冲；

D、电脉冲经微控制系统加以放大、整形，整形后的参考信号使触发器翻转，控制计数器开始对晶体振荡器发出的时钟脉冲进行计数，整形后的回波信号使触发器翻转无效，从而使计数器停止工作，同时回波信号传递到执行机构，使喷头的电动调节阀打开；

E、根据计数器的输出计算探测距离，计数器输出值为“喷头到靶标的距离”，则探测距离= 2*喷头到靶标的距离 +喷雾机的宽度；

F、微控制系统根据距离-风量关系模型，计算出最佳风机转速，公式如下： Y=1398.ln(X)-905.0

其中：X是两行树间的行距， Y 是风机转速；

G、微控制系统根据计算得到的最佳风机转速发出指令，驱动步进电机，步进电机通过调节静液压装置的进油阀门，从而调整风机转速到预期的目标值，同时通过霍尔接近开关实时测量风机轴转速，将信号传递到微控制器，形成闭环控制系统，保证风机转速能稳定在目标值；

H、若接收系统接没有接受反射回的光脉冲能量，或者探测距离过大，可以判定此时没有待施药对象，微控制器发出指令通过电动调节阀驱动电路关闭阀门开始喷雾。

所述的激光靶标探测装置包括光学系统和光电检测器，其中光学系统包括激光器、接收器、参考信号取样器和干涉滤光片，激光器用于发出激光脉冲信号，一部分信号经参考信号取样器和干涉滤光片后由接收器直接接收，另一部分激光信号用于探测目标物，目标物将探测激光信号返回给接收器，接收器接收到激光信号后将信号传送给光电检测器。

所述的微控制系统包括微放大器、整形电路、微控制器、触发器、计数器、时钟脉冲振荡器和电动调节阀驱动电路，其中放大器、整形电路、触发器、计数器依次连接对采集到的激光信号进行放大、整形并计数，计数器的信号输出端与微控制器的一信号输入端相连，微控制器的一输出端与电动调节阀驱动电路的信号输入端连接，电动调节阀驱动电路的信号输出端与喷头的控制信号输入端相连，微控制器的另一信号输出端与微控制系统的信号输入端相连，所述的时钟脉冲振荡器用于发出的时钟脉冲，再通过计数器和触发器进行计数，时钟脉冲振荡器的输出端与微控制器的控制信号输入端相连。

所述的执行机构包括驱动器、步进电机、静液压装置、风机、霍尔接近开关、流量计、液泵和电动调节阀，所述的驱动器的输入端作为执行机构的信号输入端与微控制器的信号输出端相连，驱动器、步进电机、静液压装置、风机和霍尔接近开关依次连接，霍尔接近开关的信号输出端与微控制器的一信号输入端相连，其中静液压装置上设有用于调整油门开度的进油阀门，风机中设有用于测量风机转速的磁感应线圈，所述的液泵的输入端与药箱的输出端相连，液泵的输出端与流量计的输入端相连，流量计的一输出端通过电动调节阀控制喷头，流量计的另一输出端与微控制系统的微控制器相连。

喷雾机作业时，发动机1动力输出到变速器2再到取力器12，然后传递到皮带轮组，再通过电磁离合器11传递到液泵10，触发液泵10运转，药液依次从药箱6、过滤器、液泵10、管阀系统再到喷头8。当激光靶标探测装置14检测有靶标存在并形成回波信号，传递到控制总成13的微控制系统，控制电动调节阀打开喷头8。变速器2主输出轴连接动力分动箱3，其中一条支路传动到十字万向轴5，从而驱动后桥，将动力提供给行走系统。另一条支路驱动液压无级调速器4，压力油通过油管输送至液压马达9，液压马达9驱动风机7转动。同时激光靶标探测装置14检测果园行距，并将信息传递到控制总成13的微控制系统，根据预设模型，实时调节风机8转速，通过调整风量以达到较好的施药效果。

Claims (5)

1.一种自走式果园对靶风送喷雾机，它包括：车体、药箱、电磁阀喷头和风送喷雾系统，其特征在于它还包括智能控制系统，所述的智能控制系统包括激光靶标探测装置、微控制系统、执行机构；

激光靶标探测装置用于发出激光探测信号测定靶标特征信息、采集田间作业环境信息，并读取和存储这些数据，对各种信息进行数据处理，提取有用信息；

微控制系统通过接收到的激光信号输出施药开关控制信号，并根据距离-风量关系模型计算风机转速的控制信号；

执行机构用于根据微控制系统输出的信号执行电动调节阀驱动电路阀门的开关动作以及风机转速大小的控制。

2.根据权利要求1所述的自走式果园对靶风送喷雾机，其特征在于：所述的自走式果园对靶风送喷雾机的工作方法采用如下步骤：

A、开启复位开关给出复原信号，准备测量；

B、激光靶标探测装置利用模拟或数字电路驱动激光器发射激光脉冲，该激光脉冲有一部分信号通过参考信号取样器直接送到接收系统，形成参考信号作为计时的起点；另一部分激光脉冲遇到果树后会产生反射现象形成回波信号；

C、参考信号与回波信号先后经光电检测器转化为电脉冲；

D、电脉冲经微控制系统加以放大、整形，整形后的参考信号使触发器翻转，控制计数器开始对晶体振荡器发出的时钟脉冲进行计数，整形后的回波信号使触发器翻转无效，从而使计数器停止工作，同时回波信号传递到执行机构，使喷头的电动调节阀打开；

E、根据计数器的输出计算探测距离，计数器输出值为“喷头到靶标的距离”，则探测距离= 2*喷头到靶标的距离 +喷雾机的宽度；

F、微控制系统根据距离-风量关系模型，计算出最佳风机转速，公式如下： Y=1398.ln(X)-905.0

其中：X是两行树间的行距， Y 是风机转速；

G、微控制系统根据计算得到的最佳风机转速发出指令，驱动步进电机，步进电机通过调节静液压装置的进油阀门，从而调整风机转速到预期的目标值，同时通过霍尔接近开关实时测量风机轴转速，将信号传递到微控制器，形成闭环控制系统，保证风机转速能稳定在目标值；

H、若接收系统接没有接受反射回的光脉冲能量，或者探测距离过大，可以判定此时没有待施药对象，微控制器发出指令通过电动调节阀驱动电路关闭阀门开始喷雾。

3.根据权利要求1所述的自走式果园对靶风送喷雾机，其特征在于：所述的激光靶标探测装置包括光学系统和光电检测器，其中光学系统包括激光器、接收器、参考信号取样器和干涉滤光片，激光器用于发出激光脉冲信号，一部分信号经参考信号取样器和干涉滤光片后由接收器直接接收，另一部分激光信号用于探测目标物，目标物将探测激光信号返回给接收器，接收器接收到激光信号后将信号传送给光电检测器。

4.根据权利要求1所述的自走式果园对靶风送喷雾机，其特征在于：所述的微控制系统包括微放大器、整形电路、微控制器、触发器、计数器、时钟脉冲振荡器和电动调节阀驱动电路，其中放大器、整形电路、触发器、计数器依次连接对采集到的激光信号进行放大、整形并计数，计数器的信号输出端与微控制器的一信号输入端相连，微控制器的一输出端与电动调节阀驱动电路的信号输入端连接，电动调节阀驱动电路的信号输出端与喷头的控制信号输入端相连，微控制器的另一信号输出端与微控制系统的信号输入端相连，所述的时钟脉冲振荡器发出的时钟脉冲，再通过计数器和触发器进行计数，时钟脉冲振荡器的输出端与微控制器的控制信号输入端相连。

5.根据权利要求1所述的自走式果园对靶风送喷雾机，其特征在于：所述的执行机构包括驱动器、步进电机、静液压装置、风机、霍尔接近开关、流量计、液泵和电动调节阀，所述的驱动器的输入端作为执行机构的信号输入端与微控制器的信号输出端相连，驱动器、步进电机、静液压装置、风机和霍尔接近开关依次连接，霍尔接近开关的信号输出端与微控制器的一信号输入端相连，其中静液压装置上设有用于调整油门开度的进油阀门，风机中设有用于测量风机转速的磁感应线圈，所述的液泵的输入端与药箱的输出端相连，液泵的输出端与流量计的输入端相连，流量计的一输出端通过电动调节阀控制喷头，流量计的另一输出端与微控制系统的微控制器相连。

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