CN104082268A - 一种自适应式果园喷雾机 - Google Patents

Abstract

一种自适应式果园喷雾机，包括牵引底盘，牵引底盘上方前端设置有施药装置和可移动的多个超声波探测装置，超声波探测装置主要包括超声波传感器和竖直移动装置；超声波传感器的探测信号输出连接至嵌入式操控平台；施药装置主要包括喷药装置和步进电机旋转控制装置，喷药装置上有电动球阀、流量传感器、压力传感器、电磁阀的检测及控制信号连接至嵌入式操控平台，嵌入式操控平台整合各传感器的信号来控制电动球阀的开度和电磁阀的动作，本发明可自动采集果园防治靶标的树形信息，根据信息自动分布超声波传感器的位置及自动调整风箱旋转角度，也可根据实际需要手动调节风箱旋转角度，以提高施药效率，降低在施药中造成的环境污染和对操作者的人身伤害。

Description

一种自适应式果园喷雾机

技术领域

本发明属于农业植保机械领域，涉及喷雾机，特别涉及一种自适应式果园喷雾机。

背景技术

果园果树病虫害多，根据不同的需求多次施药，每年喷药的次数多达8—16次。但是目前我国施药技术和自动施药机具严重落后，喷洒的农药只有少部分能附着在要防治的靶标上，农药利用率极低，据统计附着在果树上的农药仅有15％—20％，超过80％的农药流失至周围的环境中，在造成严重的农药浪费和环境污染的同时对人畜安全造成极大威胁。我国现有的对靶风送喷雾机，主要根据相应的传感器采集信息，喷雾机的喷雾范围由送风风速及对应喷头的启闭控制，无法适应靶标树形，如自走式果园对靶风送喷雾机(CN201310007484.8)、自走式果园自动对靶喷雾机及其喷雾方法(CN201310538956.2)、一种自走式自动对靶精准施药机(CN201210120687.3)，无法根据果园果树的高度和行距进行自动调整施药方式，在施药之前风箱的旋转角度及喷雾范围必须依靠人力手动调节，在施药过程中要实行调节必须停止作业才能完成，自动化程度低，同时结构必须由其特殊的行走装置连接,广泛通用性差。针对我国植保机械和施药技术的严重落后的现状，急需研究课减少农药使用量，降低农药污染的施药技术和施药机械。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种自适应式果园喷雾机，采用可移动超声波探测装置及自动旋转左右风箱，可根据果树的高度和行距进行自动旋转调整以提高施药效率，因此降低在喷药过程中造成的农药浪费，减少环境污染、减少农药残留和化学农药对人身安全的危害。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种自适应式果园喷雾机，包括牵引底盘22以及设置于牵引底盘22上的超声波探测装置、施药装置、竖直齿轮箱26和嵌入式操控平台38，其中：

所述超声波探测装置设置于牵引底盘22上方前端两侧，包括竖直移动装置和超声波传感器阵列，竖直移动装置包括竖直支架4，在竖直支架4上有纵向的轨道3，所述超声波传感器阵列由安装于多个移动机构上的多个超声波传感器35组成，所述每个移动机构均位于轨道3上且各自连接一个相应的驱动电机40，带动超声波传感器35上下运动；

所述施药装置包括药箱20、可旋转风箱5和旋转控制装置，所述药箱20连接若干位于可旋转风箱5内的喷头9，可旋转风箱5有两个，分别设置于竖直齿轮箱26上端输出轴的两侧，所述旋转控制装置包括步进电机6及其电机驱动器，步进电机6连接可旋转风箱5控制其旋转角度；

所述嵌入式操控平台38连接驱动电机40，通过控制驱动电机40实现对超声波传感器35运动方向和距离的控制，从而获取样本靶标的树形信息，并根据该信息输出控制信号至步进电机6的电机驱动器，通过控制步进电机6的旋转来控制可旋转风箱5的旋转角度。

所述轨道3带有齿槽，所述移动机构包括位于所述齿槽中的齿轮31，齿轮31连接驱动电机40由其带动在齿槽中运动。

所述驱动电机40安装于支架33上，支架33上还安装有外侧挡板2、内侧挡板32和U型件41，其中齿轮31位于外侧挡板2和内侧挡板32之间，U型件41上安装有筒口指向两侧的保护筒34，超声波传感器35位于保护筒34中。

所述外侧挡板2和内侧挡板32都带有导轮1，导轮1卡入竖直支架4的侧面凹槽中，沿竖直支架4上下滑动。

所述可旋转风箱5上设置风箱旋转法兰28，风箱旋转法兰28上有扇形涡轮27，步进电机6上有与所述扇形涡轮27啮合的蜗杆7，实现对可旋转风箱5旋转角度的控制。

所述可旋转风箱5上设置有限位螺杆13，限位螺杆13连接限位板8，将可旋转风箱5的旋转角度限定在限位板8的允许角度范围内。

所述可旋转风箱5中设置有与喷头9对应的离心式风扇12，相邻的喷头9之间以可调整角度的导流板10隔开，离心式风扇12分别连接在所述竖直齿轮箱26上端输出轴的两端，实现等速反向旋转。

所述药箱20通过液泵21连接至主管道16，液泵21通过皮带变速装置25连接竖直齿轮箱26输入轴的一端，主管道16上设置有电动球阀19构成分路，一路分别再次分路连接至各个喷头9，另一路通过回流管18回接药箱20，在每个喷头9与主管道16的分路连接处均设置有电磁阀11，主管道上同时还设置有溢流阀17连接至回流管18，主管道16中设置流量传感器14和压力传感器15，所述电动球阀19、电磁阀11、流量传感器14和压力传感器15均连接至嵌入式操控平台38。

所述牵引底盘22通过牵引架36和万向联轴器37连接至拖拉机39，牵引底盘22下方有行走轮24和导向轮30，在行走轮24上设置有连接至嵌入式操控平台38的速度传感器23，嵌入式操控平台38基于样本靶标的树形信息和行走速度控制电磁阀11的开关频率和占空比以实现变量喷雾控制。

所述嵌入式操控平台38根据超声波传感器35探测的果园防治样本靶标的树形来自动控制竖直移动机构的各个驱动电机40运动方向和距离，从而控制超声波传感器35在轨道上的分布位置，所述嵌入式操控平台38根据超声波传感器35探测的果园防治靶标的树形来自动控制风箱旋转步进电机6旋转一定的角度，使可旋转风箱5的喷雾范围适应靶标的树形。

可根据实际的需求通过嵌入式操控平台38手动实时调节可旋转风箱5的旋转角度，或者通过嵌入式操控平台38手动实时调节超声波传感器35的分布位置。

本发明与现有自动对靶风送施药机相比，由于设有可移动超声波探测装置及风箱角度旋转控制装置，嵌入式操控平台可控制具有移动功能的超声波传感器获取样本靶标的树形信息，同时根据样本靶标的树形信息控制超声波传感器的分布位置及控制可旋转风箱的旋转角度和喷雾范围，同时可通过嵌入式操控平台根据实际需求手动调节可旋转风箱的旋转角度和喷雾范围，嵌入式操控平台实时获取、显示各类施药监控传感器的工作信息，并调节电动球阀控制回流量的大小以保证药液的均匀稳定的喷施，提高了药液的利用率，减少了农药对周围环境的污染，在施药过程中无需人为操作，机械自动化程度高，减少了农药对操作者的危害，本发明可由拖拉机直接挂载连接，通用性强，同时其系统性能可以适用于不同时期的不同果园的果树，有极广的适应性，系统的结构紧凑，施药效果好，控制系统响应快，控制精确可靠。

附图说明

图1为本发明主体结构示意图。

图2为本发明移动机构结构示意图。

图3为本发明可旋转风箱角度调整结构示意图。

图4为本发明嵌入式操控平台界面图。

图5为本发明控制原理图。

图中附图标记的含义：

1-导轮；2-外侧挡板；3-轨道；4-竖直支架；5-可旋转风箱；6-步进电机；7-蜗杆；8-限位板；9-喷头；10-导流板；11-电磁阀；12-离心式风扇；13-限位螺杆；14-流量传感器；15-压力传感器；16-主管道；17-溢流阀；18-回流管；19-电动球阀；20-药箱；21-液泵；22-牵引底盘；23-速度传感器；24-行走轮；25-皮带传动装置；26-竖直齿轮箱；27-扇形涡轮；28-风箱旋转法兰；29-加强杆；30-导向轮；31-齿轮；32-内侧挡板；33-支架；34-保护筒；35-超声波传感器；36-牵引架；37-万向联轴器；38-嵌入式操控平台；39-拖拉机；40-驱动电机；41-U型件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

如图1所示，为本发明一种自适应式果园喷雾机的具体结构，包括牵引底盘22，牵引底盘22采用轮式结构，包括后方的行走轮24、前方的导向轮30和牵引架36，行走轮24上设置速度传感器23。牵引底盘22通过牵引架36和万向联轴器37连接至拖拉机39，由拖拉机39带动前进。在牵引底盘22上设置超声波探测装置、施药装置、竖直齿轮箱26和嵌入式操控平台38等主要机构。

其中，超声波探测装置设置于牵引底盘22上方前端两侧，包括竖直移动装置和超声波传感器阵列，竖直移动装置包括竖直支架4，竖直支架4的下端通过加强杆29连接至牵引底盘22。在竖直支架4上有纵向的带有齿槽的轨道3，竖直支架4和轨道3的高度可根据风箱的喷雾范围设计。竖直移动装置上设置有上下移动的多个移动机构，每个移动机构上安装一个超声波传感器35构成超声波传感器阵列。每个移动机构均位于轨道3上且各自连接一个相应的驱动电机40，带动超声波传感器35上下运动。

如图2所示，移动机构包括位于轨道3齿槽中的齿轮31，齿轮31连接驱动电机40由其带动在齿槽中运动。驱动电机40安装于支架33上，支架33上还安装有外侧挡板2、内侧挡板32和U型件41，其中齿轮31位于外侧挡板2和内侧挡板32之间，外侧挡板2和内侧挡板32都带有导轮1，导轮1卡入竖直支架4的侧面凹槽中，沿竖直支架4上下滑动。U型件41上安装有筒口指向两侧的保护筒34，超声波传感器35位于保护筒34中。

施药装置包括药箱20、可旋转风箱5和旋转控制装置，药箱20通过液泵21连接至主管道16，液泵21通过皮带变速装置25连接竖直齿轮箱26输入轴的一端，主管道16上设置有电动球阀19构成分路，一路分别再次分路连接至各个喷头9，另一路通过回流管18回接药箱20。两路之间通过带溢流阀17的管路连接。在每个喷头9与主管道16的分路连接处均设置有电磁阀11，每个电磁阀11控制一个喷头9。主管道16中设置流量传感器14和压力传感器15，电动球阀19、电磁阀11、流量传感器14和压力传感器15均连接至嵌入式操控平台38。可旋转风箱5有两个，分别设置于竖直齿轮箱26上端输出轴的两侧，喷头9均位于可旋转风箱5中。旋转控制装置包括步进电机6及其电机驱动器，步进电机6连接可旋转风箱5控制其旋转角度。

如图3所示，可旋转风箱5上设置风箱旋转法兰28，风箱旋转法兰28上有扇形涡轮27，步进电机6上有与所述扇形涡轮27啮合的蜗杆7，实现对可旋转风箱5旋转角度的控制。旋转风箱5上设置有限位螺杆13，限位螺杆13连接限位板8，将可旋转风箱5的旋转角度限定在限位板8的允许角度范围内。可旋转风箱5中设置有与喷头9对应的离心式风扇12，相邻的喷头9之间以可调整角度的导流板10隔开，导流板10可根据树形进行手动调整。离心式风扇12分别连接在所述竖直齿轮箱26上端输出轴的两端，实现等速反向旋转。

上述电动球阀19、流量传感器14、压力传感器15、电磁阀11和速度传感器23构成施药信息监测控制装置。流量传感器14和压力传感器15监测主管道16的药液流量和压力的大小将信号送至嵌入式操控平台38，速度传感器23将速度信号送至嵌入式操控平台38，同时超声波传感器35的探测信号也传送至嵌入式操控平台38，嵌入式操控平台38整合流量信号、压力信号、速度信号和超声波传感器35的当前高度的靶标有无及外形大小来控制电动球阀19的开度和电磁阀11的启闭。

嵌入式操控平台38控制最高移动机构的驱动电机40从中间向上运动移动的距离和最低的移动机构的驱动电机40运动从中间向下运动的距离，超声波传感器35在运动中探测选取的样本靶标的树形信息，嵌入式操控平台38通过多个超声波传感器35的获取的多个靶标树形信息整合出靶标树形计算喷雾范围，根据计算出的喷雾范围控制移动机构的驱动电机40运动的方向和距离，使各个超声波传感器35的位置合理均布在计算的喷雾范围内，同时根据靶标树形的信息计算喷雾范围以控制风箱旋转步进电机6旋转带动可旋转风箱5旋转一定的角度。本发明可根据实际的需求通过嵌入式操控平台38手动实时调节可旋转风箱5的旋转角度，也可通过嵌入式操控平台38手动实时调节超声波传感器35的分布位置。

如图4所示，为本发明以3个超声波超感器作为一侧传感器阵列为例的嵌入式操控平台界面图，本发明采用的嵌入式操控平台38以ARM处理单元为核心，实时获取、显示并存储流量传感器14、压力传感器15、速度传感器23、电磁阀11的工作信息、风箱旋转角度、超声波传感器35的位置高度及风箱喷雾范围，能够处理传感器的信息并控制风箱旋转步进电机6、电动球阀19和电磁阀11的进行对靶精确施药，也可手动实时调节风箱的旋转角度及超声波超感器35的位置高度。

如图5所示，为本发明控制原理，超声波传感器35在探测样本靶标的树形信息，流量传感器14采集的流量信号、压力传感器15采集的压力信号，速度传感器23采集的速度信号、电磁阀11的工作状态、靶标探测后的超声波传感器35位置、可旋转风箱5的旋转角度及作业信息通过人机界面与ARM处理单元交互，ARM处理单元接有存储模块、电源等设备，ARM处理单元根据采集的各种信号，整合后通过输出控制风箱旋转的步进电机6、电动球阀19和电磁阀11的动作，实现精确施药。

本发明的工作过程如下：

在启动工作时，拖拉机39牵引喷雾机在果园中选靶标样本进行样本采集，嵌入式操控平台38控制竖直移动装置的驱动电机40运动带动两端的2个移动机构沿竖直移动轨道3上下移动，超声波传感器35在移动过程中探测当前样本靶标的树形高度，选取一定数量的靶标，采集选取的各个靶标树形高度，嵌入式操控平台38存储样本靶标的树形高度并显示采集的样本个数。然后根据采集的所有的样本靶标计算出靶标的高度平均值，再根据树形高度平均值控制两侧超声波传感器35合理的高度分布位置，同时控制两侧的风箱旋转步进电机6转动带动两侧的可旋转风箱5旋转相应的角度，计算出喷雾范围内各个喷头的电磁阀11的工作状态，然后按靶标树形分布的超声波传感器35探测当前位置的靶标的有无，将信号传输至嵌入式操控平台38，嵌入式操控平台38同时收集流量传感器14、压力传感器15和速度传感器23的信号，根据其检测信号控制电动球阀19和电磁阀11的动作，以实现对靶变量喷雾。

Claims (10)

1.一种自适应式果园喷雾机，包括牵引底盘(22)以及设置于牵引底盘(22)上的超声波探测装置、施药装置、竖直齿轮箱(26)和嵌入式操控平台(38)，其特征在于：

所述超声波探测装置设置于牵引底盘(22)上方前端两侧，包括竖直移动装置和超声波传感器阵列，竖直移动装置包括竖直支架(4)，在竖直支架(4)上有纵向的轨道(3)，所述超声波传感器阵列由安装于多个移动机构上的多个超声波传感器(35)组成，所述每个移动机构均位于轨道(3)上且各自连接一个相应的驱动电机(40)，带动超声波传感器(35)上下运动；

所述施药装置包括药箱(20)、可旋转风箱(5)和旋转控制装置，所述药箱(20)连接若干位于可旋转风箱(5)内的喷头(9)，可旋转风箱(5)有两个，分别设置于竖直齿轮箱(26)上端输出轴的两侧，所述旋转控制装置包括步进电机(6)及其电机驱动器，步进电机(6)连接可旋转风箱(5)控制其旋转角度；

所述嵌入式操控平台(38)连接驱动电机(40)，通过控制驱动电机(40)实现对超声波传感器(35)运动方向和距离的控制，从而获取样本靶标的树形信息，并根据该信息输出控制信号至步进电机(6)的电机驱动器，通过控制步进电机(6)的旋转来控制可旋转风箱(5)的旋转角度。

2.根据权利要求1所述的自适应式果园喷雾机，其特征在于，所述轨道(3)带有齿槽，所述移动机构包括位于所述齿槽中的齿轮(31)，齿轮(31)连接驱动电机(40)由其带动在齿槽中运动。

3.根据权利要求2所述的自适应式果园喷雾机，其特征在于，所述驱动电机(40)安装于支架(33)上，支架(33)上还安装有外侧挡板(2)、内侧挡板(32)和U型件(41)，其中齿轮(31)位于外侧挡板(2)和内侧挡板(32)之间，U型件(41)上安装有筒口指向两侧的保护筒(34)，超声波传感器(35)位于保护筒(34)中。

4.根据权利要求3所述的自适应式果园喷雾机，其特征在于，所述外侧挡板(2)和内侧挡板(32)都带有导轮(1)，导轮(1)卡入竖直支架(4)的侧面凹槽中，沿竖直支架(4)上下滑动。

5.根据权利要求1所述的自适应式果园喷雾机，其特征在于，所述可旋转风箱(5)上设置风箱旋转法兰(28)，风箱旋转法兰(28)上有扇形涡轮(27)，步进电机(6)上有与所述扇形涡轮(27)啮合的蜗杆(7)，实现对可旋转风箱(5)旋转角度的控制。

6.根据权利要求1或5所述的自适应式果园喷雾机，其特征在于，所述可旋转风箱(5)上设置有限位螺杆(13)，限位螺杆(13)连接限位板(8)，将可旋转风箱(5)的旋转角度限定在限位板(8)的允许角度范围内。

7.根据权利要求1所述的自适应式果园喷雾机，其特征在于，所述可旋转风箱(5)中设置有与喷头(9)对应的离心式风扇(12)，相邻的喷头(9)之间以可调整角度的导流板(10)隔开，离心式风扇(12)分别连接在所述竖直齿轮箱(26)上端输出轴的两端，实现等速反向旋转；所述药箱(20)通过液泵(21)连接至主管道(16)，液泵(21)通过皮带变速装置(25)连接竖直齿轮箱(26)输入轴的一端，主管道(16)上设置有电动球阀(19)构成分路，一路分别再次分路连接至各个喷头(9)，另一路通过回流管(18)回接药箱(20)，在每个喷头(9)与主管道(16)的分路连接处均设置有电磁阀(11)，主管道(16)中设置流量传感器(14)和压力传感器(15)，所述电动球阀(19)、电磁阀(11)、流量传感器(14)和压力传感器(15)均连接至嵌入式操控平台(38)。

8.根据权利要求7所述的自适应式果园喷雾机，其特征在于，所述牵引底盘(22)通过牵引架(36)和万向联轴器(37)连接至拖拉机(39)，牵引底盘(22)下方有行走轮(24)和导向轮(30)，在行走轮(24)上设置有连接至嵌入式操控平台(38)的速度传感器(23)，嵌入式操控平台(38)基于样本靶标的树形信息和行走速度控制电磁阀(11)的开关频率和占空比以实现变量喷雾控制。

9.根据权利要求1所述的自适应式果园喷雾机，其特征在于，所述嵌入式操控平台(38)根据超声波传感器(35)探测的果园防治样本靶标的树形来自动控制竖直移动机构的各个驱动电机(40)运动方向和距离，从而控制超声波传感器(35)在轨道上的分布位置，所述嵌入式操控平台(38)根据超声波传感器(35)探测的果园防治靶标的树形来自动控制风箱旋转步进电机(6)旋转一定的角度，使可旋转风箱(5)的喷雾范围适应靶标的树形。

10.根据权利要求1所述的自适应式果园喷雾机，其特征在于，根据实际的需求通过嵌入式操控平台(38)手动实时调节可旋转风箱(5)的旋转角度，或者通过嵌入式操控平台(38)手动实时调节超声波传感器(35)的分布位置。