CN104007677A - 一种采用激光探测的智能变量喷雾控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用激光探测的智能变量喷雾控制器，包括激光传感器、触摸屏、嵌入式车载主控单元、风速及风向便携测试仪、数据采集单元、速度传感器、压力传感器、流量传感器、倾斜传感器、多通道变流量控制单元、若干个电磁阀，激光传感器、触摸屏、风速及风向便携测试仪、数据采集单元、多通道变流量控制单元分别与嵌入式车载主控单元相互通信，速度传感器、压力传感器、流量传感器、倾斜传感器分别将采集的信号传输至数据采集单元，多通道变流量控制单元控制若干个电磁阀。本发明采用动态延时补偿机制，解决了控制系统输出延时、场地风速等因素的影响。该控制器提高了农业喷雾施药精准性，减少了环境污染，具有重要科学意义及应用价值。

Description

一种采用激光探测的智能变量喷雾控制器

技术领域

本发明涉及多通道变流量车载式喷雾机的控制器，尤其是一种采用激光探测的智能变量喷雾控制器。

背景技术

我国是一个农业大国，农业喷雾施药是控制苗圃、果园病虫草害的有效方法。然而，我国目前的植保机械和施药技术仍比较落后，效率低、强度大的手动、背负式传统喷雾机仍在广泛使用。受植株各异的形态、混杂培育、季节生长变换、种植间距等因素的影响，传统喷雾机的喷洒效果比较差。在我国现有植保机具和施药技术下，农药有效利用率低、流失量大、喷洒分布不均匀度高，导致农产品农药残留高达发达国家的数十倍。农业施药技术水平的低下造成了农药的浪费和环境的污染，引发了环境安全、农产品和果品安全、操作者安全和经济效益等问题。

发明内容

为了克服向无目标区域、恒量喷洒的缺点，本发明给出一种采用激光探测的智能变量喷雾控制器，它能够根据植株目标的有无、大小、形状和密度等特征信息，有选择性地、变流量按需喷雾施药。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种采用激光探测的智能变量喷雾控制器，包括激光传感器、触摸屏、嵌入式车载主控单元、风速及风向便携测试仪、数据采集单元、速度传感器、压力传感器、流量传感器、倾斜传感器、多通道变流量控制单元、若干个电磁阀，所述激光传感器、触摸屏、风速及风向便携测试仪、数据采集单元、多通道变流量控制单元分别与嵌入式车载主控单元相互通信，所述速度传感器、压力传感器、流量传感器、倾斜传感器分别将采集的信号传输至数据采集单元，所述多通道变流量控制单元控制若干个电磁阀。

进一步，所述嵌入式车载主控单元包括以太网组件、3G通信组件、Modbus组件、CAN组件、GPS组件，所述激光传感器、触摸屏、风速及风向便携测试仪分别通过太网组件、Modbus组件、3G通信组件与嵌入式车载主控单元相连，所述GPS组件用于与卫星相互通信，GPS组件接收卫星回传的喷雾作业场地的数字地图信息并显示在触摸屏上，用于记录喷洒路径，防止出现漏喷或者重复喷药的情况，所述数据采集单元和多通道变流量控制单元分别通过CAN组件和CAN组件与嵌入式车载主控单元的CAN组件相连。

进一步，所述数据采集单元包括CAN组件、频率计数单元、高速光电隔离、A/D转换单元、I/V转换电路、频率计数单元、高速光电隔离、SPI总线模块，所述CAN组件与嵌入式车载主控单元的CAN组件相连，所述速度传感器、压力传感器、流量传感器、倾斜传感器分别通过高速光电隔离、I/V转换电路、高速光电隔离、SPI总线模块与数据采集单元相连。

进一步，所述多通道变流量控制单元包括CAN组件和若干组PWM生成器、高速光电隔离、MOSFET驱动电路，每个PWM生成器、高速光电隔离、MOSFET驱动电路为一组，其组数与所述电磁阀的数量相同，电磁阀通过MOSFET驱动电路与多通道变流量控制单元相连，所述多通道变流量控制单元通过CAN组件与嵌入式车载主控单元的CAN组件相连。

进一步，所述的激光传感器具有270o的广角检测范围、IP67防护等级、25ms的快速扫描周期、高速的Ethernet通讯接口，有效测量距离为0.1~30m。

进一步，所述的嵌入式车载主控单元基于i7-2710QE四核处理器、无风扇运行、5 Grms的抗振动性能以及9-32V宽范围直流电源输入，GPS组件获得喷洒过程中的地理信息，3G通信组件实现与风速及风向便携测试仪的无线通信，以及远程数据交换，采用嵌入式操作系统Windows XP Emedded，利于软件移植和开发。

进一步，所述带有CAN组件的多通道变流量控制单元通过软件编程控制实现多路不同占空比的PWM信号，采用隔离电路实现高速MOSFET驱动电磁阀，控制电磁阀开启和关闭时间，从而实现喷嘴的变流量控制。

进一步，所述的电磁阀具有较高的开关频率，其功耗仅为6W，通过电磁阀反向吸收电路的设计，能够达到较好的流量控制线性度。

进一步，所述的触摸屏为额定电压为24V DC、额定功率为5W的高亮度TFT液晶显示屏，与嵌入式车载主控单元相连接，实现人机交互的功能。

进一步，通过速度传感器、倾斜传感器、风速及风向便携测试仪实时检测车载喷雾机行进速度、场地路况、场地风速和风向信息，嵌入式车载主控单元对它们进行分析、处理，得出系统输出延时、喷雾作业行走速度和场地风速几者的相互制约关系，设置系统输出动态补偿机制，实现对靶精密喷雾。

本发明的有益效果是：

嵌入式车载主控单元根据激光传感器检测到的植株有无、大小、形状和密度等特征信息，来控制多路电磁阀的工作，达到精密喷雾施药的目的。这不仅减少了农药的使用、降低了喷洒误靶率，也减少了环境污染和操作者安全隐患，对推进农业科技创新、加速现代农业的发展具有重要意义。

附图说明

图1是本发明的一种采用激光探测的智能变量喷雾控制器结构原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

在图1中，一种采用激光探测的智能变量喷雾控制器，由激光传感器、触摸屏、嵌入式车载主控单元、以太网组件、3G通信组件、Modbus组件、CAN组件、GPS组件、风速及风向便携测试仪、数据采集单元、频率计数单元、A/D转换单元、I/V转换电路、频率计数单元、SPI总线模块、速度传感器、压力传感器、流量传感器、倾斜传感器、多通道变流量控制单元及多组PWM生成器、高速光电隔离、MOSFET驱动电路、电磁阀（A1～An）构成的模块组组成。嵌入式车载主控单元内集成以太网组件、3G通信组件、Modbus组件、CAN组件、GPS组件；数据采集单元内集成CAN组件、频率计数单元、高速光电隔离、A/D转换单元、I/V转换电路、频率计数单元、高速光电隔离、SPI总线模块；多通道变流量控制单元内集成多组PWM生成器、高速光电隔离、MOSFET驱动电路。

激光传感器与以太网组件相连，通过高速以太网将其检测到的植株表面距离信息快速传递给嵌入式车载主控单元；触摸屏与Modbus组件相连，向嵌入式车载主控单元输入植株种类、喷雾季节、病虫类别、药物类型等喷雾施药信息，实现人机交互的功能；风速及风向便携测试仪通过3G通信组件，实现它们之间的无线连接。由于测试仪在运动过程中，不方便测风速、风向信息，故须将其放置在喷雾作业场地附近，测量出所处环境的风速、风向信息，并实时传递给嵌入式车载主控单元。风速和风向信息经过处理后，结合控制模型来补偿喷雾过程中雾滴精确对靶。GPS组件通过网络与卫星进行通信，实时获取卫星传递回来的喷雾作业场地数字地图信息；嵌入式车载主控单元通过CAN组件、CAN组件、CAN组件分别与数据采集单元、多通道变流量控制单元相连接，其中CAN总线是车载常用标准总线，具有高可靠性和良好抗干扰性，适用于环境温度变化大、振动大的环境中。通过车载标准总线可以方便加入更多的数据采集与控制模块，大大增强系统的扩张性。

速度传感器通过高速光电隔离连接到频率计数单元，通过标定后的计算程序，即可准确获得车载喷雾机的移动速度信息；压力传感器通过I/V转换电路连接到A/D转换单元，数据采集单元便可得到车载喷雾时喷洒药液的压力信息，其中A/D转换单元采用ADS1113，它是一种体积小、功耗低、16位分辨率的ADC转换器；流量传感器通过高速光电隔离与频率计数单元连接，进而将车载喷雾机药箱的喷洒流量信息传递给数据采集单元；倾斜传感器与SPI总线模块相连接，通过校验标定后便可得到场地斜坡路况信息。数据采集单元将采集到的速度、压力、流量、路况倾斜信息，通过CAN组件、CAN组件传递给嵌入式车载主控单元。

多路电磁阀（A1～An）分别由多通道变流量控制单元通过CAN组件、CAN组件从嵌入式车载主控单元获取的电磁阀占空比信息，通过PWM生成器产生对应的PWM信号，再通过高速光电隔离、MOSFET驱动电路，实现电磁阀控制的喷嘴的变流量喷洒功能。其中，高速光电隔离使得输入、输出相互隔离，避免因电磁阀的频繁动作导致输出电压波动并使输入的PWM信号也受到干扰。

在本实施例中，所采用的激光传感器为日本Hokuyo公司生产的型号为UTM-30LX-EW的传感器，它具有270o的广角检测范围、IP67防护等级、25ms的快速扫描周期、高速的Ethernet通讯接口，有效测量距离为0.1~30m，便于户外使用。

在本实施例中，所采用的嵌入式车载主控单元为台湾凌华科技公司生产的型号为MXE-5301的嵌入式微处理器，基于i7-2710QE四核处理器、无风扇运行、5 Grms的抗振动性能以及9-32V宽范围直流电源输入。适用3G、GPS、WIFI和蓝牙等无线协议的USIM插槽可方便进行无线数据传输的应用，GPS模块可以获得喷洒过程中的地理信息，3G通信组件实现与风速及风向便携测试仪的无线通信，以及远程数据交换，采用嵌入式操作系统Windows XP Emedded，利于软件移植和开发。

在本实施例中，所采用的带有车载广泛使用的CAN通信总线的多通道变流量控制单元，为德国Infineon科技公司生产的型号为XC878的8位单片机及其外围电路组成，通过软件编程控制实现多路不同占空比的PWM信号，采用隔离电路实现高速MOSFET驱动电磁阀，控制电磁阀开启和关闭时间，从而实现喷嘴的变流量控制。

在本实施例中，所采用的电磁阀为美国Capstan Ag Systems公司生产，具有较高的开关频率，其功耗仅为6W，通过特殊的电磁阀反向吸收电路的设计，能够达到较好的流量控制线性度。

在本实施例中，所采用的触摸屏为北京昆仑通态自动化软件科技公司生产的型号为TPC7062Hi的7寸触摸屏，额定电压为24V DC、额定功率为5W的高亮度TFT液晶显示屏，与嵌入式车载主控单元相连接，实现人机交互的功能。

在本实施例中，所采用的 GPS组件接收卫星回传的喷雾作业场地的数字地图信息并显示在触摸屏上，用于记录喷洒路径，防止出现漏喷或者重复喷药的情况。

本发明的一种采用激光探测的智能变量喷雾控制器工作过程：嵌入式车载主控单元通过以太网组件与激光传感器相连，获得激光传感器检测到的植株有无、具体特征信息，根据事先设定的C++程序算法及触摸屏的界面参数设置，对激光扫描数据进行滤波处理，删除目标外多余数据，滤除低矮杂草等无效数据，把目标对象解析成外围轮廓到传感器的极坐标距离信息，然后根据速度传感器获取的喷雾机行进速度，利用插值法重构目标对象的三维表面轮廓。倾斜传感器实时向嵌入式车载主控单元传递喷雾作业场地的路况信息，根据此信息，对目标三维表面进行轮廓矫正，进而得出目标植株的叶冠体积、叶冠密度及三维尺寸（宽度、高度和深度）信息。通过触摸屏、Modbus组件向嵌入式车载主控单元输入植株种类、喷雾季节、病虫类别、药物类型等喷雾施药信息。多通道变流量控制单元集成多路PWM生成器，利用C语言并结合Keil C51开发工具编写的控制程序，实现基于CAN总线通信及多通道变量控制功能。依据嵌入式车载主控单元对激光传感器扫描数据处理、分析结果及喷雾施药信息而给出的合理喷雾措施，产生多路频率恒定、不同占空比的PWM信号，实现对电磁阀开启、关闭时间的控制。喷雾作业过程中，压力传感器、流量传感器实时向嵌入式车载主控单元传递喷药时的喷雾压力、喷药流量信息，并计算获得喷雾总量，通过触摸屏显示出来，便于操作者对其监控、调节，保持系统喷雾压力、流量的正常。嵌入式车载主控单元根据速度传感器传回的信息，结合植株对象特征、风速和方向以及路面状况等信息通过特征提取、矫正、补偿等算法利用CAN组件对多通道变流量控制单元进行控制，实时调整PWM生成器产生的PWM信号占空比，来驱动电磁阀，进而控制喷雾机喷嘴的变量施药。GPS组件接收卫星回传的喷雾作业场地的数字地图信息并显示在触摸屏上，用于记录喷洒路径，防止出现漏喷或者重复喷药的情况。

由于采用激光探测的智能变量喷雾控制器需实时完成激光目标探测与数据采集、车载喷雾机速度采集、场地路况和风速采集、信号预处理和特征提取、在线决策形成和对靶喷雾执行输出等多个环节。每个环节的处理或执行需一定的时间，累计形成系统输出延时。为了减小输出延时对目标对靶的影响，设计系统动态补偿机制，从以下几个方面研究：（1）采用感应式光电传感器、水敏感传感器和信号捕捉计时器等设计一套系统输出延时响应检测装置，测量喷雾机系统的输出平均总延迟时间，为动态补偿机制的实现提供可靠参数数据。（2）合理设计喷嘴与激光传感器的水平安装距离差值，采用空间换时间的策略来有效补偿系统输出延时。（3）不同的喷雾机作业行走速度将对动态补偿机制产生影响，当喷雾机以较高速度行驶时，在喷雾机行走方向上只需要较短时间就能将喷嘴送达目标靶标位置；反之，当喷雾机以低速行驶时，则需要较长时间才能将喷嘴送达目标靶标位置。因此喷雾机高速行驶时所需系统输出延时补偿时间长，低速行驶时则所需系统输出延时补偿时间短。（4）风速及风向便携测试仪采集场地风速、风向信息，实时分析场地风速在喷雾机行走方向和喷雾施药方向的速度分量。当场地风速较小时，风速对目标对靶喷雾的影响可以忽略。当场地风速较大时，特别是在喷雾行走方向产生较大的子分量风速时，将其与喷雾机作业行走速度进行矢量计算，修正系统输出延时补偿所需时间。

通过速度传感器、倾斜传感器、风速及风向便携测试仪实时检测喷雾机行进速度、场地路况、场地风速和风向信息，嵌入式车载式主控单元对它们进行分析、处理，得出系统输出延时、喷雾作业行走速度和场地风速几者的相互制约关系，设计系统输出动态补偿机制，实现车载喷雾机的对靶喷雾。

以上所述发明的一种采用激光探测的智能变量喷雾控制器，根据激光传感器检测到的植株有无、大小、形状和密度等特征信息，结合传感器回传的喷雾作业场地信息及药箱喷洒压力、流量信息，对多路电磁阀进行实时控制，设计系统输出动态补偿机制，达到精密对靶喷雾施药的目的。多通道变流量控制单元的PWM生成器、高速光电隔离驱动、MOSFET驱动电路与外连的电磁阀采用模块化设计，可根据不同的应用场景和要求改变模块数量，并利用CAN组件与主控单元通讯，减少了系统的安装体积，增加了系统的可靠性、实用性，对加速我国农业的机械化、现代化发展具有重要意义。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种采用激光探测的智能变量喷雾控制器，其特征在于：包括激光传感器、触摸屏、嵌入式车载主控单元、风速及风向便携测试仪、数据采集单元、速度传感器、压力传感器、流量传感器、倾斜传感器、多通道变流量控制单元、若干个电磁阀，所述激光传感器、触摸屏、风速及风向便携测试仪、数据采集单元、多通道变流量控制单元分别与嵌入式车载主控单元相互通信，所述速度传感器、压力传感器、流量传感器、倾斜传感器分别将采集的信号传输至数据采集单元，所述多通道变流量控制单元控制若干个电磁阀。

2.如权利要求1所述的一种采用激光探测的智能变量喷雾控制器，其特征在于：所述嵌入式车载主控单元包括以太网组件、3G通信组件、Modbus组件、CAN组件、GPS组件，所述激光传感器、触摸屏、风速及风向便携测试仪分别通过太网组件、Modbus组件、3G通信组件与嵌入式车载主控单元相连，所述GPS组件用于与卫星相互通信，GPS组件接收卫星回传的喷雾作业场地的数字地图信息并显示在触摸屏上，用于记录喷洒路径，防止出现漏喷或者重复喷药的情况，所述数据采集单元和多通道变流量控制单元分别通过CAN组件和CAN组件与嵌入式车载主控单元的CAN组件相连。

3.如权利要求1所述的一种采用激光探测的智能变量喷雾控制器，其特征在于：所述数据采集单元包括CAN组件、频率计数单元、高速光电隔离、A/D转换单元、I/V转换电路、频率计数单元、高速光电隔离、SPI总线模块，所述CAN组件与嵌入式车载主控单元的CAN组件相连，所述速度传感器、压力传感器、流量传感器、倾斜传感器分别通过高速光电隔离、I/V转换电路、高速光电隔离、SPI总线模块与数据采集单元相连。

4.如权利要求1所述的一种采用激光探测的智能变量喷雾控制器，其特征在于：所述多通道变流量控制单元包括CAN组件和若干组PWM生成器、高速光电隔离、MOSFET驱动电路，每个PWM生成器、高速光电隔离、MOSFET驱动电路为一组，其组数与所述电磁阀的数量相同，电磁阀通过MOSFET驱动电路与多通道变流量控制单元相连，所述多通道变流量控制单元通过CAN组件与嵌入式车载主控单元的CAN组件相连。

5.如权利要求1所述的一种采用激光探测的智能变量喷雾控制器，其特征在于：所述的激光传感器具有270o的广角检测范围、IP67防护等级、25ms的快速扫描周期、高速的Ethernet通讯接口，有效测量距离为0.1~30m。

6.如权利要求1所述的一种采用激光探测的智能变量喷雾控制器，其特征在于：所述的嵌入式车载主控单元基于i7-2710QE四核处理器、无风扇运行、5 Grms的抗振动性能以及9-32V宽范围直流电源输入，GPS组件获得喷洒过程中的地理信息，3G通信组件实现与风速及风向便携测试仪的无线通信，以及远程数据交换，采用嵌入式操作系统Windows XP Emedded，利于软件移植和开发。

7.如权利要求1所述的一种采用激光探测的智能变量喷雾控制器，其特征在于：所述带有CAN组件的多通道变流量控制单元通过软件编程控制实现多路不同占空比的PWM信号，采用隔离电路实现高速MOSFET驱动电磁阀，控制电磁阀开启和关闭时间，从而实现喷嘴的变流量控制。

8.如权利要求1所述的一种采用激光探测的智能变量喷雾控制器，其特征在于：所述的电磁阀具有较高的开关频率，其功耗仅为6W，通过电磁阀反向吸收电路的设计，能够达到较好的流量控制线性度。

9.如权利要求1所述的一种采用激光探测的智能变量喷雾控制器，其特征在于：所述的触摸屏为额定电压为24V DC、额定功率为5W的高亮度TFT液晶显示屏，与嵌入式车载主控单元相连接，实现人机交互的功能。

10.如权利要求1所述的一种采用激光探测的智能变量喷雾控制器，其特征在于：通过速度传感器、倾斜传感器、风速及风向便携测试仪实时检测车载喷雾机行进速度、场地路况、场地风速和风向信息，嵌入式车载主控单元对它们进行分析、处理，得出系统输出延时、喷雾作业行走速度和场地风速几者的相互制约关系，设置系统输出动态补偿机制，实现对靶精密喷雾。