CN104115809A - 一种田间农作物对靶喷施机及喷施方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于现代农业装备技术领域，尤其涉及一种田间农作物对靶喷施机及喷施方法。目前田间农作物喷施主要以人工或机械连续喷施，存在人工劳动强度大、工作效率低、药剂浪费、环境污染等问题。本发明设计了一种农作物对靶喷施，主要用于田间农作物喷药、叶面施肥、作物营养缺乏症防治等。通过机器视觉系统获得田间农作物信息并输入控制系统，控制系统根据输入的速度信息及农作物行轨迹信息输出信号控制喷施机的机构运动使喷头对准农作物时瞬间打开喷头喷施药剂。实现了连续喷施转变为间歇性自动对靶喷施，提高了工作效率、节约药剂，减少环境污染。
Description
技术领域
本发明属于现代农业装备技术领域，尤其涉及一种田间农作物对靶喷施机及喷施方法。
背景技术
田间农作物喷施主要用于喷施农药、除草剂及叶面肥等。农药主要喷施在农作物叶面上用以防治虫害；除草剂主要喷施在杂草叶面上用以杀死杂草；叶面肥主要喷施在农作物叶面上用以壮苗。
目前田间喷施农药的方法主要是人工或机械连续喷施，造成农药浪费，同时喷施到土壤的农药污染环境。除草剂的喷施也多以人工手持喷杆的方式为主，劳动强度大，工作效率低，飘散的农药容易损害工作人员身体健康。叶面施肥较土壤施肥有着见效快、针对性强等优点，但叶面施肥需要将液态肥喷施在叶面上，且受气候和环境影响大，因此叶面施肥多见于人工手持喷杆朝向农作物叶背面喷施，劳动强度大，工作效率低。
发明内容
针对传统人工喷施作业方式效率低下，浪费和污染严重的问题，本发明提出一种田间农作物对靶喷施机，其整体结构主要包括横移机构、机器视觉系统、水路组件、液压组件、控制箱、测速机构、喷施执行机构；
其中，横移机构主要有固定架、滚动滑道和移动横梁三部分组成；固定架后端有三点悬挂连接点，用于与拖拉机前置三点悬挂对接；移动横梁位于滚动滑道上，并于液压油缸相连，液压油缸能推动移动横梁左右运动；移动横梁两端固定并支出两根前挂臂，前挂臂末端上方固定有管道固定横梁，前挂臂末端下方固定有前横梁；前横梁中间立有一根相机立杆，相机立杆顶部安装有相机安装架；
喷施执行机构主要由喷杆固定板、喷杆、喷头组成；喷杆固定板通过U型卡固定在前横梁上，且能沿前横梁左右调节安装位置；喷杆固定板上开有竖向均布、位置不同的孔，通过U型卡与不同位置的孔连接能调节喷杆固定板距离土壤的高度；喷杆通过夹板固定在喷杆固定板上，且固定位置能上下调节；采用进口管与出口管成一定角度且角度可调节的喷头，喷头进口管连接在喷杆下端；
测速机构安装在前横梁一侧下方，包括仿形轮、测速轮、转速传感器、连接机构；喷施机前进时，仿形轮和地面接触转动，通过连接机构带动测速轮，测速轮上的转速传感器实时采集转速信号；
水箱由水箱固定架和水箱支承板固定连接到横移机构的固定架上；水箱支承板由两块L型厚钢板组成，固定连接在横移机构固定架下方并从移动横梁下方绕过到对靶喷施机前端，水箱固定架放在水箱支承板上，水箱固定架下方通过螺栓与支承板连接；水箱固定架上方一侧有水箱固定架上拉杆，从移动横梁上方绕过并与横移机构固定架上方连接；水路组件固定安装在水箱固定架上拉杆上，包括直流水泵、电动球阀、电磁阀、流量传感器、三通管道，以及由这些器件所组成的稳压水路、流量控制水路、喷施水路；
控制箱固定在一侧的前挂臂上，控制箱内控制器通过线路和转速传感器、相机、液压油缸电磁阀、水路组件相连，用于检测喷施机前进速度、图像处理识别作物行轨迹及位置、控制液压油缸伸缩和水路喷施；
采用拖拉机自带的直流电源输出口，经过一系列的升压或降压为水路组件及控制箱提供电源；
液压组件主要由液压油缸、液压电磁阀、蓄能器、过滤器及压力表组成，其中液压电磁阀与水路组件一起固定安装在水箱固定架上拉杆上，其余器件固定在机架上，该液压系统采用拖拉机后端闲置的液压输入输出口提供压力源；其中拖拉机前置三点悬挂压力源由拖拉机原装后置三点悬挂液压输入输出口引入；
四只支脚分别安装在固定架两侧和前横梁两侧，每个支脚上端开有竖向均布、位置不同的孔，用于调节高度；喷施机安装在拖拉机上工作时，四个支脚离地，喷施机脱离拖拉机停止工作时，四个支脚支地。
一种田间农作物对靶喷施方法，其具体步骤包括：
步骤1.将药剂装入水箱；
步骤2.根据田间农作物生长高度和大小，调节喷头最佳工作位置及角度；
步骤3.根据喷施药剂类型、喷施农作物种类、土壤环境、气候等确定喷施流量；
步骤4.启动对靶喷施机控制系统，在人机操作界面选择最合适的流量等级；
步骤5.根据喷施农作物种类及喷施类型选择对应的图像处理类型，并在人机操作界面上进行设置；
步骤6.启动拖拉机前进，对靶喷施机开始工作；
步骤7.对靶喷施机工作过程时，发现喷头流量偏离设定值而影响喷施效果则返回上述步骤3～4重新设置流量等级；
步骤8.对靶喷施机工作过程时，发现喷头相对农作物位置和角度偏离设定值而影响喷施效果则停止拖拉机前进，并返回上述步骤2重新调节。
所示步骤6中对靶喷施机工作方法如下：机器视觉系统动态获取农作物图像并输入控制器，通过图像处理获得农作物行轨迹信息及作物位置信息，采用测速轮机构实时获取喷施机前进速度，将农作物行轨迹信息、农作物位置信息及测速信息输入控制系统，控制系统根据输入的速度信息及农作物行轨迹信息输出控制信号，实时控制横移机构运动，移动横梁相对固定架左右移动，通过一系列机构固定在移动横梁上喷头随之移动，保证喷头始终对齐农作物，完成喷头横向对准农作物；与此同时，控制系统根据输入的速度信息及农作物行轨迹信息输出信号，使喷头纵向对准农作物时开启喷施并保持一段时间后关闭，完成当前农作物喷施，并进入下一株农作物喷施。
所述步骤8能根据不同农作物生长高度大小及喷施药剂类型等调节喷头上下左右位置及角度，使其达到最佳工作状态。
本发明的有益效果在于：
1.自动对靶喷施，工作效率高；
2.将连续喷施变为间歇性喷施，节约药剂，减少环境污染；
3.可用于田间农作物喷药、叶面施肥、农作物营养缺乏症防治等，适用性广。
附图说明
图1为整机结构图；
图2为横移对靶控制示意图；
图3为水路组件结构图；
图4为喷施执行机构图；
图5对靶喷施方法流程图；
其中，图中1-支脚，2-三点悬挂下连接点，3-移动横梁，4-固定架，5-水路组件，6-三点悬挂上连接点，7-控制箱，8-相机立杆，9-相机安装架，10-前横梁，11-喷杆固定板，12-管道固定横杆，13-喷杆，14-喷头，15-仿形轮，16-测速轮，17-前挂臂，18-水箱固定架，19-水箱，20-水箱支承板，21-滚动滑道，22-农作物，23-水箱固定架上拉杆，24-U型卡。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明所提出的方法做进一步的说明。
一种田间农作物对靶喷施机，如图1所示，其整体结构主要包括横移机构、机器视觉系统、水路组件5、液压组件、控制箱7、测速机构、喷施执行机构；
横移机构主要有固定架4、滚动滑道21和移动横梁3三部分组成；其中，固定架4后端有三点悬挂连接点，用于与拖拉机前置三点悬挂对接；移动横梁3位于滚动滑道21上，并于液压油缸相连，液压油缸能推动移动横梁3左右运动；移动横梁3两端固定并支出两根前挂臂17，前挂臂17末端上方固定有管道固定横梁，前挂臂17末端下方固定有前横梁10；前横梁10中间立有一根相机立杆8，相机立杆8顶部安装有相机安装架9；
喷施执行机构主要由喷杆固定板11、喷杆13、喷头14组成，如图4所示；喷杆固定板11通过U型卡24固定在前横梁10上，且能沿前横梁10左右调节安装位置；喷杆固定板11上开有竖向均布、位置不同的孔，通过U型卡24与不同位置的孔连接能调节喷杆固定板11距离土壤的高度；喷杆13通过夹板固定在喷杆固定板11上，且固定位置能上下调节；采用进口管与出口管成一定角度且角度可调节的喷头14，喷头进口管连接在喷杆13下端；
测速机构安装在前横梁10一侧下方，包括仿形轮15、测速轮16、转速传感器、连接机构；喷施机前进时，仿形轮15和地面接触转动，通过连接机构带动测速轮16，测速轮16上的转速传感器实时采集转速信号；
水箱19由水箱固定架18和水箱支承板20固定连接到横移机构的固定架4上，如图3所示；水箱支承板20由两块L型厚钢板组成，固定连接在横移机构固定架4下方并从移动横梁3下方绕过到对靶喷施机前端，水箱固定架18放在水箱支承板20上，水箱固定架18下方通过螺栓与支承板连接；水箱固定架18上方一侧有水箱固定架上拉杆23，从移动横梁3上方绕过并与横移机构固定架4上方连接；水路组件5固定安装在水箱固定架上拉杆23上，包括直流水泵、电动球阀、电磁阀、流量传感器、三通管道，以及由这些器件所组成的稳压水路、流量控制水路、喷施水路；
控制箱7固定在一侧的前挂臂17上，控制箱7内控制器通过线路和转速传感器、相机、液压油缸电磁阀、水路组件5相连，用于检测喷施机前进速度、图像处理识别作物行轨迹及位置、控制液压油缸伸缩和水路喷施；
采用拖拉机自带的直流电源输出口，经过一系列的升压或降压为水路组件5及控制箱7提供电源；
液压组件主要由液压油缸、液压电磁阀、蓄能器、过滤器及压力表组成，其中液压电磁阀与水路组件5一起固定安装在水箱固定架上拉杆23上，其余器件固定在机架上，该液压系统采用拖拉机后端闲置的液压输入输出口提供压力源；其中拖拉机前置三点悬挂压力源由拖拉机原装后置三点悬挂液压输入输出口引入；
四只支脚分别安装在固定架4两侧和前横梁10两侧，每个支脚上端开有竖向均布、位置不同的孔，用于调节高度；喷施机安装在拖拉机上工作时，四个支脚离地，喷施机脱离拖拉机停止工作时，四个支脚支地。
本发明喷施机主要用于喷药及叶面施肥，同时也可用于田间农作物营养缺乏症防治。不同农作物对象或不同的喷施药剂或不同喷施用途，喷施流量及视觉图像处理不尽相同，为了达到更好的喷施效果，本发明采用多流量等级及多图像处理类型供选择的方式。在对靶喷施工作之前，可根据实际工况选择合适的流量等级及图像处理类型，同时还需要根据农作物生长情况调节喷头位置及喷头角度。
本发明对靶喷施对象应为移栽机田间移栽种植的农作物，如图2所示，移栽种植的同一畦农作物中行间距是固定不变的，而每行农作物的株间距不尽相同。机器视觉系统动态获取农作物图像并输入控制器，通过图像处理获得农作物行轨迹信息及作物位置信息，采用测速轮机构实时获取喷施机前进速度，将农作物行轨迹信息、农作物位置信息及测速信息输入控制系统，控制系统根据输入的速度信息及农作物行轨迹信息输出控制信号，实时控制横移机构运动，移动横梁3相对固定架4左右移动，通过一系列机构固定在移动横梁3上喷头随之移动，保证喷头始终对齐农作物，完成喷头横向对准农作物。与此同时，控制系统根据输入的速度信息及农作物行轨迹信息输出信号，使喷头纵向对准农作物时开启喷施并保持一段时间后关闭，完成当前农作物喷施，并进入下一株农作物喷施。
本发明设计了一种田间农作物对靶喷施方法，如图5所示，其具体步骤包括：
步骤1.将药剂装入水箱；
步骤2.根据田间农作物生长高度和大小，调节喷头最佳工作位置及角度；
步骤3.根据喷施药剂类型(农药、叶面肥、营养液等)、喷施农作物种类、土壤环境、气候等确定喷施流量；
步骤4.启动对靶喷施机控制系统，在人机操作界面选择最合适的流量等级；
步骤5.根据喷施农作物种类及喷施类型(施药、施肥、喷施营养液等)选择对应的图像处理类型，并在人机操作界面上进行设置；
步骤6.启动拖拉机前进，对靶喷施机开始工作；
步骤7.对靶喷施机工作过程时，发现喷头流量偏离设定值而影响喷施效果则返回上述步骤3～4重新设置流量等级；
步骤8.对靶喷施机工作过程时，发现喷头相对农作物位置和角度偏离设定值而影响喷施效果则停止拖拉机前进，并返回上述步骤2重新调节。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种田间农作物对靶喷施机，其特征在于，其整体结构主要包括横移机构、机器视觉系统、水路组件、液压组件、控制箱、测速机构、喷施执行机构；
其中，横移机构主要有固定架、滚动滑道和移动横梁三部分组成；固定架后端有三点悬挂连接点，用于与拖拉机前置三点悬挂对接；移动横梁位于滚动滑道上，并于液压油缸相连，液压油缸能推动移动横梁左右运动；移动横梁两端固定并支出两根前挂臂，前挂臂末端上方固定有管道固定横梁，前挂臂末端下方固定有前横梁；前横梁中间立有一根相机立杆，相机立杆顶部安装有相机安装架；
喷施执行机构主要由喷杆固定板、喷杆、喷头组成；喷杆固定板通过U型卡固定在前横梁上，且能沿前横梁左右调节安装位置；喷杆固定板上开有竖向均布、位置不同的孔，通过U型卡与不同位置的孔连接能调节喷杆固定板距离土壤的高度；喷杆通过夹板固定在喷杆固定板上，且固定位置能上下调节；采用进口管与出口管成一定角度且角度可调节的喷头，喷头进口管连接在喷杆下端；
测速机构安装在前横梁一侧下方，包括仿形轮、测速轮、转速传感器、连接机构；喷施机前进时，仿形轮和地面接触转动，通过连接机构带动测速轮，测速轮上的转速传感器实时采集转速信号；
水箱由水箱固定架和水箱支承板固定连接到横移机构的固定架上；水箱支承板由两块L型厚钢板组成，固定连接在横移机构固定架下方并从移动横梁下方绕过到对靶喷施机前端，水箱固定架放在水箱支承板上，水箱固定架下方通过螺栓与支承板连接；水箱固定架上方一侧有水箱固定架上拉杆，从移动横梁上方绕过并与横移机构固定架上方连接；水路组件固定安装在水箱固定架上拉杆上，包括直流水泵、电动球阀、电磁阀、流量传感器、三通管道，以及由这些器件所组成的稳压水路、流量控制水路、喷施水路；
控制箱固定在一侧的前挂臂上，控制箱内控制器通过线路和转速传感器、相机、液压油缸电磁阀、水路组件相连，用于检测喷施机前进速度、图像处理识别作物行轨迹及位置、控制液压油缸伸缩和水路喷施；
采用拖拉机自带的直流电源输出口，经过一系列的升压或降压为水路组件及控制箱提供电源；
液压组件主要由液压油缸、液压电磁阀、蓄能器、过滤器及压力表组成，其中液压电磁阀与水路组件一起固定安装在水箱固定架上拉杆上，其余器件固定在机架上，该液压系统采用拖拉机后端闲置的液压输入输出口提供压力源；其中拖拉机前置三点悬挂压力源由拖拉机原装后置三点悬挂液压输入输出口引入；
四只支脚分别安装在固定架两侧和前横梁两侧，每个支脚上端开有竖向均布、位置不同的孔，用于调节高度；喷施机安装在拖拉机上工作时，四个支脚离地，喷施机脱离拖拉机停止工作时，四个支脚支地。
2.一种权利要求1所述对靶喷施机的喷施方法，其特征在于，具体步骤包括：
步骤1.将药剂装入水箱；
步骤2.根据田间农作物生长高度和大小，调节喷头最佳工作位置及角度；
步骤3.根据喷施药剂类型、喷施农作物种类、土壤环境、气候等确定喷施流量；
步骤4.启动对靶喷施机控制系统，在人机操作界面选择最合适的流量等级；
步骤5.根据喷施农作物种类及喷施类型选择对应的图像处理类型，并在人机操作界面上进行设置；
步骤6.启动拖拉机前进，对靶喷施机开始工作；
步骤7.对靶喷施机工作过程时，发现喷头流量偏离设定值而影响喷施效果则返回上述步骤3～4重新设置流量等级；
步骤8.对靶喷施机工作过程时，发现喷头相对农作物位置和角度偏离设定值而影响喷施效果则停止拖拉机前进，并返回上述步骤2重新调节。
3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，所示步骤6中对靶喷施机工作方法如下：机器视觉系统动态获取农作物图像并输入控制器，通过图像处理获得农作物行轨迹信息及作物位置信息，采用测速轮机构实时获取喷施机前进速度，将农作物行轨迹信息、农作物位置信息及测速信息输入控制系统，控制系统根据输入的速度信息及农作物行轨迹信息输出控制信号，实时控制横移机构运动，移动横梁相对固定架左右移动，通过一系列机构固定在移动横梁上喷头随之移动，保证喷头始终对齐农作物，完成喷头横向对准农作物；与此同时，控制系统根据输入的速度信息及农作物行轨迹信息输出信号，使喷头纵向对准农作物时开启喷施并保持一段时间后关闭，完成当前农作物喷施，并进入下一株农作物喷施。
4.根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述步骤8能根据不同农作物生长高度大小及喷施药剂类型等调节喷头上下左右位置及角度，使其达到最佳工作状态。
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