CN104488843B - 一种采用激光传感器的风送式变量喷雾喷杆自动跟踪系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用激光传感器的风送式变量喷雾喷杆自动跟踪系统及控制方法，喷杆自动跟踪系统主要由五指喷头、可动喷杆、固定横杆、水平电动推杆、固定支架、限位开关、凹槽滑轮、圆柱体齿轮以及跟踪控制系统等部分构成。采用激光传感器的变量喷雾机能够实时准确识别目标植株的有无、大小、形状和枝叶密度等信息，实现智能变量喷雾。喷雾过程中，喷杆自动跟踪系统的激光传感器获取植株的距离信息，根据植株距离信息，由控制系统控制固定喷嘴的可动喷杆自动进行位置调整，使其喷嘴保持在最佳的喷雾距离，从而达到减少雾滴漂移、增加雾滴穿透性和植株冠层沉积量的目的，提高农药有效使用率，降低环境污染。

Description

一种采用激光传感器的风送式变量喷雾喷杆自动跟踪系统及 控制方法

技术领域

本发明涉及一种喷雾系统，尤其是涉及一种采用激光传感器的风送式变量喷雾喷杆自动跟踪系统及控制方法。

背景技术

常规的喷雾系统自动化水平比较低，检测手段局限性较大，往往不能实现精密变量喷雾的要求，容易造成农药浪费，引起环境污染以及生态问题。精密变量喷雾作为一种先进的农业施药技术，能够根据农作物目标有无及特征的变化，选择性变量喷雾施药，在农业中已逐步得到推广。风送式喷雾机喷雾雾滴在风送的帮助下，雾滴能够有效穿透植株冠层，增加雾滴的穿透性，大大增加了雾滴在植株正反叶面的附着率。研究发现，在喷施过程中，风力随着喷雾距离的增加，逐渐减弱，且存在严重的漂移现象。如能自动控制调节喷嘴与植株之间的距离，使喷嘴能在理想的喷雾距离下进行喷施，从而达到减少雾滴漂移、增加雾滴穿透性和植株冠层枝叶附着力的目的，从而提高农药施用效率，减少农药用量，降低种植成本，提高农业自动化水平，改善农业生态环境。

发明内容

本发明的目的在于设计了一种提高农药施用效率和农业自动化水平，减少农药用量、采用激光传感器的风送式变量喷雾喷杆自动跟踪系统及控制方法。

本发明自动跟踪系统的技术方案为：

一种采用激光传感器的风送式变量喷雾喷杆自动跟踪系统，包括喷杆自动跟踪机构、距离测量与控制系统；所述喷杆自动跟踪机构包括五指喷嘴、可动喷杆、固定横杆、水平电动推杆、固定支架；多组所述五指喷嘴分成两排，分别安装在两根可动喷杆的一侧，两根可动喷杆与两根固定横杆相连接，共有四个连接点，且可动喷杆能够在固定横杆上左右平行移动；两个水平电动推杆头部分别与两根可动喷杆连接，水平电动推杆的尾部分别固定在两根固定横杆的竖直支架上，用来推动可动喷杆左右移动；所述距离测量与控制系统包括激光传感器、触摸屏、嵌入式计算机、喷雾控制器、速度传感器、压力传感器、流量传感器、电磁阀、直流步进电机驱动模块1和直流步进电机驱动模块2；所述激光传感器、触摸屏、喷雾控制器分别与嵌入式计算机相连接，所述速度传感器、压力传感器、流量传感器、电磁阀、直流步进电机驱动模块1、直流步进电机驱动模块2分别与喷雾控制器相连接；所述激光传感器在喷雾机前端用于对两侧植株目标扫描，将扫描到的植株行距信息传送给嵌入式计算机；所述喷雾控制器用于对直流步进电机驱动模块进行控制，进而调整可动喷杆与植株目标的位置，使其在理想的喷施距离内喷雾。

上述发明中五指喷嘴在可动喷杆上的上下位置可以人为调整。本发明采用激光传感器对目标植株进行检测，激光传感器可以测量植株目标到喷杆的有效距离，并且将检测到的植株距离信息反馈到控制单元，控制单元将激光传感器扫描的数据进行分析处理并结合喷雾施药信息对水平推杆的步进直流电动机进行控制。喷雾控制器控制直流步进电机的正反转，以此来控制推杆的伸缩。当检测到的植株行距过大或者过小时，经过处理分析环节之后，控制器迅速控制水平电动推杆向外伸长或者向内回缩，调整喷杆与植株目标的位置，位置调整好后，控制器即打开各个电磁阀，依据控制单元给出的喷雾措施开始执行喷雾过程。通过这样一个过程可以实现喷杆实时跟踪植株目标，从而达到减少雾滴漂移、增加雾滴穿透性和植株冠层沉积量的目的。

进一步，所述固定横杆采用上端面为三角面、下端面为齿面的结构。具有较好的稳定性和移动的同步性，三角面结构能有效减少干扰物的附着。

进一步，所述可动喷杆采用悬挂结构沿固定横杆左右移动，方便安装和拆卸。

进一步，所述固定横杆与可动喷杆通过凹槽滑轮结构、圆柱体齿轮以及盖板相配合的方式相连接，三者通过双头螺栓以及螺母加以固定。

进一步，所述凹槽滑轮和固定横杆的上端三角面紧密接触。用以支撑可动喷杆及五指喷嘴，保证可动喷杆不会前后晃动。

进一步，所述圆柱体齿轮和固定横杆的下端齿面紧密结合。防止喷杆上下移动，同时保证喷杆在推杆的作用下能够左右竖直移动。

进一步，所述盖板采用螺栓固定结构。其特殊结构设计能有效清除移动过程中横杆上三角面的尘土等附着物。

进一步，所述两根固定横杆在移动范围的左右两端均设有限位开关，所述限位开关为八个。当可动喷杆移动到左端或右端极限位置时，控制系统自动停止推杆动作，达到保护执行结构的目的。

本发明的固定横杆与可动喷杆的连接结构由凹槽滑轮、圆柱体齿轮以及盖板构成，三者通过双头螺栓以及螺母加以固定。固定横杆采用上为三角下为齿面结构，三角面结构能有效减少干扰物的附着，且具有较好的稳定性和移动的同步性。凹槽滑轮和固定横杆的三角面紧密接触，支撑喷杆及喷嘴，保证喷杆不会前后晃动，同时圆柱体齿轮和固定横杆齿面紧密结合，防止喷杆上下移动，并且能保证喷杆在推杆的作用下能够左右竖直移动。盖板采用螺栓固定结构，其特殊结构设计能有效清除移动过程中横杆上三角面的尘土等附着物。这种凹槽滑轮、圆柱体齿轮以及盖板的组合结构，使得可动喷杆在固定横杆上左右移动保持竖直并且具有稳定性。可动喷杆采用这种悬挂结构在横杆上左右移动，方便安装和拆卸。

本发明方法的技术方案为：一种采用激光传感器的风送式变量喷雾喷杆自动跟踪系统控制方法，包括步骤：

步骤1，激光传感器(12)对两侧植株目标距离信息进行扫描，扫描后的数据传输给嵌入式计算机(14)；

步骤2，嵌入式计算机(14)对传输的数据进行分析处理并将结果传输给喷雾控制器(15)；

步骤3，喷雾控制器(15)据此信息迅速给出喷雾位置调整措施，通过直流步进电机驱动模块对直流步进电机进行控制。当激光传感器(12)检测到的植株间距较大或者较小时，经过检测处理环节之后，喷雾控制器(15)迅速控制直流步进电动机的正反转，使得水平电动推杆(4)伸长或者缩短，可动喷杆(2)调整到达最佳喷雾位置后停止；

步骤4，位置调整好后，喷雾控制器(15)依据嵌入式计算机(14)对扫描数据的处理分析，结合各传感器回传的信息对电磁阀(19)进行控制，执行喷雾动作，如此反复，完成植株施药作业。

本发明的有益效果是，一种采用激光传感器的风送式变量喷雾喷杆自动跟踪系统，由激光传感器获取植株的距离信息，由控制系统控制固定喷嘴的可动喷杆根据植株距离信息自动进行位置调整，使其喷嘴保持在最佳的喷雾距离，从而达到减少雾滴漂移、增加雾滴穿透性和植株冠层沉积量的目的，提高农药有效使用率以及农业自动化水平，改善农业生态环境。

附图说明

图1是一种采用激光传感器的风送式变量喷雾喷杆自动跟踪系统跟踪机构示意图；

图2是一种采用激光传感器的风送式变量喷雾喷杆自动跟踪系统跟踪机构固定横杆与可动喷杆连接点正面、侧面结构示意图以及侧面剖面图；

图3是五指喷头风速随距离的分布图；

图4是一种采用激光传感器的风送式变量喷雾目标喷嘴自动跟踪系统距离测量与控制系统原理图。

其中：1-五指喷嘴；2-可动喷杆；3-固定横杆；4-水平电动推杆；5-固定支架；6-限位开关；7-凹槽滑轮；8-双头螺栓；9-圆柱体齿轮；10-盖板；11-螺母；12-激光传感器；13-触摸屏；14-嵌入式计算机；15-喷雾控制器；16-速度传感器；17-压力传感器；18-流量传感器；19-电磁阀；20-直流步进电机驱动模块1；21-直流步进电机驱动模块2。

具体实施方式

下面结合示意图具体说明所发明的采用激光传感器的风送式变量喷雾喷杆自动跟踪系统的工作过程。

如图1所示，一种采用激光传感器的风送式变量喷雾喷杆自动跟踪系统跟踪机构示意图，由五指喷嘴1、可动喷杆2、固定横杆3、水平电动推杆4、固定支架5以及限位开关6等部分构成。8组五指喷头分成左右两组，分别装载在两根可左右移动的喷杆上，但是可以人为的进行上下调整；2个水平电动推杆的头部与2根可水平移动的喷杆分别连接在一起，尾部的直流步进电机与2根固定支架分别连接在一起，而且两根固定支架两端分别固定在两根固定横杆上，两根可动喷杆可以在水平电动推杆的推动下在两根固定横杆上进行一定范围内的水平移动。两根固定横杆可移动范围左右两端都有限位开关，当可动喷杆移动到左端或右端极限位置时，控制系统自动停止推杆动作，达到保护执行结构的目的。通过这个结构可以使得喷杆在一定范围内进行左右方向移动，到达系统给出的最优位置进行喷雾，从而提高喷雾的效果。

如图2所示，一种采用激光传感器的风送式变量喷雾喷杆自动跟踪系统跟踪机构固定横杆与可动喷杆连接点正面、侧面结构示意图以及侧面剖面图，由可动喷杆2、固定横杆3、凹槽滑轮7、双头螺栓8、圆柱体齿轮9、盖板10以及螺母11构成。固定横杆采用上为三角下为齿面结构，三角面结构能有效减少干扰物的附着，且具有较好的稳定性和移动的同步性。凹槽滑轮和固定横杆的三角面紧密接触，支撑喷杆及喷嘴，保证喷杆不会前后晃动，同时圆柱体齿轮和固定横杆齿面紧密结合，防止喷杆上下移动，同时保证喷杆在推杆的作用下能够左右竖直移动。盖板采用螺栓固定结构，将凹槽滑轮还有圆柱体齿轮封盖住，保护内部机构，侧面的中部开口边缘与固定横杆上三角面贴近，其特殊结构设计能有效清除移动过程中横杆上三角面的尘土等附着物。这种凹槽滑轮、圆柱体齿轮以及盖板的组合结构，使得可动喷杆左右移动保持竖直并且具有稳定性。

如图3所示，研究表明风送式变量喷雾机的喷雾风速随五指喷头喷雾距离的增大而逐步减弱，如果五指喷头与植株目标的距离较大，会使得雾滴漂移严重、穿透性不足，从而使植株冠层沉积量较少，若五指喷头与植株目标的距离较小，会使得喷雾范围较小，同时喷雾动能过大，液滴容易反弹不易附着，造成农药的浪费以及环境的污染。本发明设计的一种采用激光传感器的风送式变量喷雾喷杆自动跟踪系统采用激光传感器实时准确测量植株目标到喷杆的有效距离，由控制单元控制固定喷嘴的可动喷杆跟随植株的距离信息实时进行位置的调整，达到减少雾滴漂移、增加雾滴穿透性和植株冠层沉积量的目的，从而减少农药用量，降低种植成本，提高农业自动化水平和农药施用效率，改善农业生态环境。

如图4所示，一种采用激光传感器的风送式变量喷雾喷杆自动跟踪系统的距离测量与控制系统，通过激光传感器对植株信息进行检测，将检测到的信息传输到嵌入式计算机进行分析处理，并将结果传输到喷雾控制器中，喷雾控制器据此信息对喷杆喷雾位置做出迅速调整，实现喷杆的自动跟踪功能。同时，喷雾控制器依据各传感器回传的信息，对喷雾电磁阀进行控制，实现精确变量喷雾。

下面结合图1和图4具体说明本发明的一种采用激光传感器的风送式变量喷雾喷杆自动跟踪系统的工作过程。激光传感器对两侧植株目标距离信息进行扫描，扫描后的数据传输给嵌入式计算机，嵌入式计算机对传输的数据进行分析处理并将结果传输给喷雾控制器，喷雾控制器据此信息迅速给出喷雾位置调整措施，通过直流步进电机驱动模块对直流步进电机进行控制。当激光传感器检测到的植株间距较大或者较小时，经过检测处理环节之后，喷雾控制器迅速控制直流步进电动机的正反转，使得水平电动推杆伸长或者缩短，可动喷杆调整到达最佳喷雾位置后停止。同时喷雾控制器依据各传感器回传的信息对电磁阀进行控制，执行喷雾动作。如此反复，完成植株施药作业，实现变量喷雾喷杆自动跟踪功能，从而达到减少雾滴漂移、增加雾滴穿透性和植株冠层沉积量的目的，提高农药有效使用率，降低环境污染，提高农业自动化水平，改善农业生态环境。

Claims (5)

1.一种采用激光传感器的风送式变量喷雾喷杆自动跟踪系统，其特征在于，包括喷杆自动跟踪机构、距离测量与控制系统；

所述喷杆自动跟踪机构包括五指喷嘴(1)、可动喷杆(2)、固定横杆(3)、水平电动推杆(4)、固定支架(5)；多组所述五指喷嘴(1)分成两排，分别安装在两根可动喷杆(2)的一侧，两根可动喷杆(2)与两根固定横杆(3)相连接，共有四个连接点，且可动喷杆(2)能够在固定横杆(3)上左右平行移动；两个水平电动推杆(4)头部分别与两根可动喷杆(2)连接，水平电动推杆(4)的尾部分别固定在两根固定横杆(3)的竖直支架上，用来推动可动喷杆(2)左右移动；

所述距离测量与控制系统包括激光传感器(12)、触摸屏(13)、嵌入式计算机(14)、喷雾控制器(15)、速度传感器(16)、压力传感器(17)、流量传感器(18)、电磁阀(19)、直流步进电机驱动模块1(20)和直流步进电机驱动模块2(21)；所述激光传感器(12)、触摸屏(13)、喷雾控制器(15)分别与嵌入式计算机(14)相连接，所述速度传感器(16)、压力传感器(17)、流量传感器(18)、电磁阀(19)、直流步进电机驱动模块1(20)、直流步进电机驱动模块2(21)分别与喷雾控制器(15)相连接；

所述激光传感器(12)在喷雾机前端用于对两侧植株目标扫描，将扫描到的植株行距信息传送给嵌入式计算机(14)；

所述喷雾控制器(15)用于对直流步进电机驱动模块进行控制，进而调整可动喷杆(2)与植株目标的位置，使其在理想的喷施距离内喷雾；

所述固定横杆(3)采用上端面为三角面、下端面为齿面的结构；

所述固定横杆(3)与可动喷杆(2)通过凹槽滑轮(7)、圆柱体齿轮(9)以及盖板(10)相配合的方式相连接，三者通过双头螺栓(8)以及螺母(11)加以固定；所述凹槽滑轮(7)和固定横杆(3)的上端三角面紧密接触；所述圆柱体齿轮(9)和固定横杆(3)的下端齿面紧密结合。

2.根据权利要求1所述的一种采用激光传感器的风送式变量喷雾喷杆自动跟踪系统，其特征在于，所述可动喷杆(2)采用悬挂结构沿固定横杆(3)左右移动。

3.根据权利要求1所述的一种采用激光传感器的风送式变量喷雾喷杆自动跟踪系统，其特征在于，所述盖板(10)采用螺栓固定结构。

4.根据权利要求1所述的一种采用激光传感器的风送式变量喷雾喷杆自动跟踪系统，其特征在于，所述两根固定横杆(3)在移动范围的左右两端均设有限位开关(6)，所述限位开关(6)为八个。

5.一种采用激光传感器的风送式变量喷雾喷杆自动跟踪系统的控制方法，其特征在于，由权利要求1所述的一种采用激光传感器的风送式变量喷雾喷杆自动跟踪系统，包括如下步骤：

步骤1，激光传感器(12)对两侧植株目标距离信息进行扫描，扫描后的数据传输给嵌入式计算机(14)；

步骤2，嵌入式计算机(14)对传输的数据进行分析处理并将结果传输给喷雾控制器(15)；

步骤3，喷雾控制器(15)据此信息迅速给出喷雾位置调整措施，通过直流步进电机驱动模块对直流步进电机进行控制；当激光传感器(12)检测到的植株间距较大或者较小时，经过检测处理环节之后，喷雾控制器(15)迅速控制直流步进电动机的正反转，使得水平电动推杆(4)伸长或者缩短，可动喷杆(2)调整到达最佳喷雾位置后停止；

步骤4，位置调整好后，喷雾控制器(15)依据嵌入式计算机(14)对扫描数据的处理分析，结合各传感器回传的信息对电磁阀(19)进行控制，执行喷雾动作，如此反复，完成植株施药作业。