CN104521931B - 一种采用激光传感器智能风送变量喷雾机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用激光传感器智能风送变量喷雾机，它由人机界面触摸屏、手动开关控制盒、嵌入式主控制器、快速接头、双边扫描激光传感器、高压空气喷嘴、保护背板、辅助控制器、药箱、40路电磁阀组、PTO输入隔膜泵、五指喷头、风机、农用车载雷达速度传感器、压力传感器、流量传感器等组成。喷雾作业过程中，激光传感器对喷雾机两侧植株进行实时扫描检测，结合速度传感器、流量传感器和压力传感器的反馈数据，通过嵌入式主控制器生成对各个电磁阀的PWM流量控制指令，并由辅助控制单元实现对40路电磁阀组的控制，达到基于植株目标特征的独立喷嘴变量喷雾目的。

Description

一种采用激光传感器智能风送变量喷雾机

技术领域

本发明涉及一种喷雾机，尤其是涉及一种采用激光传感器智能风送变量喷雾机。

背景技术

果树、花卉等植株在不同的生长时期呈现不同的外形结构，其枝叶的疏密程度随时间和季节转变而变化，药物喷治的难度也随之增加，实时检测植株的有无、大小、形状和密度等特征在很大程度上决定了喷雾施药效率的高低。基于红外线、超声波对靶技术设计的喷雾机应用较为广泛，但由于实际操作过程中易受检测环境的影响，如温度、湿度、喷雾机喷药气流等，降低了检测结果的精确度，从而影响其喷药的效果和效率。激光传感器作为一种先进的检测设备，能实现快速、高精度、宽角度的双边植株目标检测，与风送变量喷雾机相结合，准确识别植株目标特征，进而实现精确对靶变量喷雾，达到提高农药的有效利用率、降低喷雾施药的误靶率和减少环境污染的目的。

发明内容

针对实时精确检测植株特征的目标要求，本发明设计了一种采用激光传感器智能风送变量喷雾机，能够高精度地实现对植株目标有无、大小、形状和密度等特征的检测，从而进行适量、均匀、精确对靶的变量喷雾，旨在实现变量精确的智能喷雾，提高农药使用效率，降低喷施误靶率，节约成本，减少环境污染和操作者安全隐患问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种采用激光传感器智能风送变量喷雾机，包括拖拉机、喷雾机部分，所述拖拉机和喷雾机部分通过快速接头相连接，还包括喷雾机水路系统、风送系统和智能控制系统；所述喷雾机水路系统中，药箱输出接进过滤器，进过滤器通过隔膜泵连接水压阻尼器，水压阻尼器连接安全阀，安全阀输出分为两个支路，一端接至药箱实现回流调压，另一端接至搅拌/混药阀，搅拌/混药阀输出分为两个支路，一端接至药箱，实现药粉稀释，另一端接到主开关阀，主开关阀输出分为两个支路，一端接至药箱，实现回流搅拌，另一端接至调压阀，调压阀输出分为两个支路，一端接至药箱，实现回流搅拌，另一端依次通过压力表、压力传感器连接到出过滤器，出过滤器经流量传感器连接至电磁阀组，电磁阀组分别连接到八组五指喷头上，五指喷头均匀设置在宽度可调的五指喷头支架的两侧；

所述风送系统包括五指喷头、风机，所述五指喷头同风机相连接；

所述智能控制系统包括牵引机侧、喷雾机侧；牵引机侧的开关控制盒和触摸屏通过快速接头的b连接器与喷雾机侧的主控制单元相连接；牵引机侧的车载电池通过快速接头的a连接器分别与喷雾机侧的DC/DC 12V隔离电源、流量传感器、速度传感器、电磁阀组相连接，DC/DC 12V隔离电源分别同喷雾机侧车载嵌入式主控单元、激光传感器、辅助控制单元、压力传感器相连接并提供相应电源；在喷雾机侧内，激光传感器连接至主控制单元，主控制单元、电磁阀组、速度传感器、压力传感器和流量传感器分别连接至辅助控制单元。

进一步，所述激光传感器安装于喷雾机前端半圆铝板上，用于完成两侧目标同时探测。半圆铝板不仅能快速吸收激光传感器工作时产生的热量，而且起到保护激光传感器的作用。

进一步，所述激光传感器位于左右喷嘴中心正前方1.65m处，距离地面垂直高度为1.6m。可实现两侧目标植株同时探测，获取目标特征信息。

进一步，还包括高压空气喷嘴，所述高压空气喷嘴安装在半圆铝板上与激光扫描面成30°夹角。利用高压空气在激光传感器上方形成空气隔离带，有效避免灰尘及雾滴对激光传感器的影响，保证了喷雾过程中激光传感器表面清洁，确保传感器在目标测量过程中数据的可靠性。

进一步，所述五指喷头安装在支架上，由五个内径为36mm的圆柱形气流口组成，气流口之间夹角为15°，每个气流口的中心位置安装一个扇形喷嘴。较小的圆形气流口之间彼此形成的涡流具有很强的穿透性，容易将携带雾滴的气流吹入植株内部，置换树膛内原有空气，实现风送式喷雾。

进一步，还包括拖拉机的PTO输出驱动隔离泵，用于产生喷雾机水路中的喷雾压力。通过调压阀调节回流量，实现喷药压力调节，同时回流药液返回药箱起到回流搅拌、均匀混药的作用。

进一步，所述药箱中的药液经过出过滤器和流量传感器到达40路电磁阀组，再通过特氟龙塑料硬管连接到五指喷头中的各个喷嘴。

进一步，所述风机由拖拉机PTO通过齿轮箱驱动，风量可以通过档位实现手动调节，产生的风量通过独立软管分别连接到各个五指喷头。

进一步，所述主控制单元由嵌入式车载计算机构成，采用SSD固态硬盘、无风扇运行和嵌入式操作系统，用于同辅助控制单元相连接实现对每个喷嘴独立变流量控制。该改进首先利用传感器进行数据采集，然后经滤波预处理，形成变量喷雾模型算法，最后形成各个通道的PWM控制指令，并发送给辅助控制单元，实现对每个独立喷嘴变流量控制。

进一步，所述辅助控制单元由ARM 32位处理器及其外围电路组成，用于采集速度传感器、流量传感器和压力传感器数据，并通过CAN总线回传给主控单元；

所述辅助控制单元还接收主控单元控制指令，产生40路PMW控制信号，实现高速MOSFET的驱动控制以及电磁阀关断过程中反电势能力的吸收。

本发明的有益效果是，一种采用激光传感器智能风送变量喷雾机，将激光传感器与嵌入式车载主控、辅助系统相结合，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，满足精确对靶喷雾，同时还能根据植株目标特征，实现每个喷嘴对应目标区域的智能变量精密喷雾，提高了农药的有效利用率、降低喷雾施药的误靶率和减少环境污染问题。

附图说明

图1是一种采用激光传感器智能风送变量喷雾机结构图。

图2是喷雾机水路和风送系统结构示意图。

图3是喷雾机控制系统原理图。

图中，1为触摸屏，2为快速接头，3为激光传感器，4为高压空气喷嘴，5为保护背板，6为辅助控制单元，7为药箱，8为40路电磁阀组(A1-A40)，9为五指喷头，10为风机，11为压力传感器，12为流量传感器，13为农用车载雷达速度传感器，14为橡胶轮，15为回流搅拌，16为回流调压，17为药粉稀释，18为压力表，19为调压阀，20为安全阀，21为搅拌/混药阀，22为主开关阀，23为隔膜泵，24为水压阻尼器，25为进过滤器，26为出过滤器，27为支架，28为手动开关控制盒，29为车载电池，30为主控单元，31为DC/DC12V隔离电源。

具体实施方式

下面进一步阐述书本发明的具体实施方式。

如图1所示，一种采用激光传感器智能风送变量喷雾机，由触摸屏1、快速接头2、激光传感器3、高压空气喷嘴4、保护背板5、辅助控制单元6、药箱7、40路电磁阀组8、五指喷头9、风机10、压力传感器11、流量传感器12、农用车载雷达速度传感器13、橡胶轮14组成。其中，人机界面触摸屏1安装在拖拉机驾驶室中，便于驾驶员通过手动操作实现人机交互功能，同时，通过触摸屏的人机交互功能监视喷药压力、实时流量、累计流量、喷雾机行进速度及左右两侧各个喷嘴打开状态，实现用户参数设定，查阅历史数据，自动控制等功能；快速接头2用于连接拖拉机与喷雾机部分，可以快速实现对喷雾机装卸；喷雾机底部带有橡胶轮14，方便其独立移动；激光传感器3安装在一块半椭圆的铝板上，它不仅能快速吸收激光传感器工作时产生的热量，而且起到保护激光传感器3的作用；高压空气经过过滤后通过高压空气喷嘴4在激光传感器上方形成高压空气隔离带，有效避免灰尘及雾滴对激光传感器的影响，保证了喷雾过程中激光传感器表面清洁，确保传感器在目标测量过程中数据的可靠性；辅助控制单元6装载于药箱7下方的框架上，辅助速度传感器13、喷雾压力传感器11、喷雾流量传感器12完成数据采集，并由CAN总线发给主控单元30，主控单元30通过C++控制程序，结合激光传感器获取的植株目标数据，经过数据滤波预处理、特征提取算法、变量喷雾控制模型，最后形成各个通道PWM控制指令，再由CAN总线发回给辅助控制单元，实现对每个独立电磁阀的开关控制作用，达到每个喷嘴针对对应区域目标特征的变量喷雾控制。手动模式下，可以由手动开关输入单独实现对电磁阀的控制作用。

如图2所示，喷雾机水路和风送系统结构，由药箱7、回流搅拌15、回流调压16、药粉稀释17、压力传感器11、压力表18、调压阀19、安全阀20、搅拌/混药阀21、主开关阀22、隔膜泵23、水压阻尼器24、进过滤器25、出过滤器26、流量传感器12、电磁阀组8、风机10、支架27、五指喷头组9组成。

喷雾机采用三点悬挂结构，动力传输通过牵引拖拉机PTO(动力输出装置)连接实现。喷雾机水路中的喷雾压力由拖拉机的PTO输出驱动隔离泵产生，通过调压阀调节回流量实现喷药压力调节，同时回流药液返回药箱起到回流搅拌、均匀混药的作用。药液由药箱7经进过滤器25由隔膜泵23进行增压；增压后的药液经过水压阻尼器24保持稳定压力；主开关阀22控制整个喷雾机水路，当关闭时，药液经过15回流到药箱，当打开时，通过调节阀19调节喷药压力，部分药液回流经15进入药箱中实现回流搅拌、均匀混药；搅拌/混药阀21可以在药箱7中对药粉进行稀释；调节后的药液压力由压力表18指示，由压力传感器11进行数据采集；药液经过滤器26和流量传感器25到达40路电磁阀组，通过软管连接到五指喷头9中的每个单独喷嘴；压力传感器11和流量传感器12测量喷药压力和药液流量，并将此信息传送至辅助控制单元中进行处理。出于安全考虑，水路压力超过一定数值后由安全阀20自动控制实现回流减压。风机10通过拖拉机PTO产生驱动，通过软管对五指喷头9提供风力输送，实现风送式喷雾。宽度可调的五指喷头支架27可以方便应用于行距不同的植株。所述支架固定于风扇的外壳上，可以调节左右两侧五指喷头的支架之间的宽度，方便应用于不同行距的植株。

其中，喷雾机水路还包括：控制水路主开关、调压阀和压力表，其中压力表安装于喷雾机的前端靠近拖拉机连接处，有利于操作人员实时监控喷雾压力，并对其进行调节；水路压力超过安全阀设定值后自动实现回流减压；通过搅拌/混药阀可以在药箱的混药篮中对粉状农药进行溶解和稀释。

如图3所示，喷雾机控制系统原理图，拖拉机牵引侧主要由人机界面触摸屏1、手动开关控制盒28、车载电池29组成。喷雾机侧主要由激光传感器3、辅助控制单元6、压力传感器11、流量传感器12、速度传感器13、嵌入式车载主控单元30、DC/DC 12V隔离电源31、40路电磁阀组A1-A40组成，拖拉机与喷雾机通过快速接头实现连接。

其中，拖拉机牵引侧的开关控制盒28和触摸屏1通过快速接头2的b连接器与喷雾机侧的嵌入式主控单元30相连接；车载电池29通过快速接头2的a连接器连接至DC/DC 12V隔离电源31，提供稳定纯净的12V工作电压，进而再连接至辅助控制单元6，提供其所需的控制电源；激光传感器3连接至嵌入式主控单元30，实现植株目标数据的快速传输；速度传感器13、压力传感器11和流量传感器12连接至辅助控制单元6，传输所获取车载喷雾机的移动速度和药箱喷洒药液的流量、压力信息，通过此些反馈的控制信号实现对40路电磁阀A1-A40的相应操作控制。

电源和信号线分开连接，减少系统受电磁干扰的影响，a为喷雾机电源连接器，b为触摸屏和开关控制盒信号连接器。

上面已经结合具体实施步骤说明了本发明，然而对于本领域的技术人员来说，可以在不背离本发明的精神和范围的前提下，对本发明做出不同的改进和变型。因而落入本发明的权利要求范围内的各种改进和变型，都应属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种采用激光传感器智能风送变量喷雾机，包括拖拉机、喷雾机部分，所述拖拉机和喷雾机部分通过快速接头(2)相连接，其特征在于，还包括喷雾机水路系统、风送系统和智能控制系统；

所述喷雾机水路系统中，药箱(7)输出接进过滤器(25)，进过滤器(25)通过隔膜泵(23)连接水压阻尼器(24)，水压阻尼器(24)连接安全阀(20)，安全阀(20)输出分为两个支路，一端接至药箱(7)实现回流调压(16)，另一端接至搅拌/混药阀(21)，搅拌/混药阀(21)输出分为两个支路，一端接至药箱(7)，实现药粉稀释(17)，另一端接到主开关阀(22)，主开关阀(22)输出分为两个支路，一端接至药箱(7)，实现回流搅拌(15)，另一端接至调压阀(19)，调压阀(19)输出分为两个支路，一端接至药箱(7)，实现回流搅拌(15)，另一端依次通过压力表(18)、压力传感器(11)连接到出过滤器(26)，出过滤器(26)经流量传感器(12)连接至电磁阀组(8)，电磁阀组(8)分别连接到八组五指喷头(9)上，五指喷头(9)均匀设置在宽度可调的五指喷头支架(27)的两侧；

所述风送系统包括五指喷头(9)、风机(10)，所述五指喷头(9)同风机(10)相连接；

所述智能控制系统包括牵引机侧、喷雾机侧；牵引机侧的开关控制盒(28)和触摸屏(1)通过快速接头(2)的b连接器与喷雾机侧的主控单元(30)相连接；牵引机侧的车载电池(29)通过快速接头(2)的a连接器分别与喷雾机侧的DC/DC 12V隔离电源(31)、流量传感器(12)、速度传感器(13)、电磁阀组(A1-A40)相连接，DC/DC 12V隔离电源(31)分别同喷雾机侧车载嵌入式主控单元(30)、激光传感器(3)、辅助控制单元(6)、压力传感器(11)相连接并提供相应电源；在喷雾机侧内，激光传感器(3)连接至主控单元(30)，主控单元(30)、电磁阀组(A1-A40)、速度传感器(13)、压力传感器(11)和流量传感器(12)分别连接至辅助控制单元(6)。

2.根据权利要求1所述的一种采用激光传感器智能风送变量喷雾机，其特征在于：所述激光传感器(3)安装于喷雾机前端半圆铝板上，用于完成两侧目标同时探测。

3.根据权利要求1所述的一种采用激光传感器智能风送变量喷雾机，其特征在于，还包括高压空气喷嘴(4)，所述高压空气喷嘴(4)安装在半圆铝板上与激光扫描面成30°夹角。

4.根据权利要求1所述的一种采用激光传感器智能风送变量喷雾机，其特征在于，所述五指喷头(9)安装在支架(27)上，由五个内径为36mm的圆柱形气流口组成，气流口之间夹角为15°，每个气流口的中心位置安装一个扇形喷嘴。

5.根据权利要求1所述的一种采用激光传感器智能风送变量喷雾机，其特征在于，还包括拖拉机PTO输出驱动隔离泵，用于产生喷雾机水路中的喷雾压力。

6.根据权利要求1所述的一种采用激光传感器智能风送变量喷雾机，其特征在于，所述药箱(7)中的药液经过出过滤器(26)和流量传感器(12)到达40路电磁阀组(A1-A40)，再通过特氟龙塑料硬管连接到五指喷头(9)中的各个喷嘴。

7.根据权利要求1所述的一种采用激光传感器智能风送变量喷雾机，其特征在于，所述风机(10)由拖拉机PTO通过齿轮箱驱动，风量通过档位实现手动调节，产生的风量通过独立软管分别连接到各个五指喷头(9)。

8.根据权利要求1所述的一种采用激光传感器智能风送变量喷雾机，其特征在于，所述主控单元(30)由嵌入式车载计算机构成，采用SSD固态硬盘、无风扇运行和嵌入式操作系统，用于同辅助控制单元(6)相连接实现对每个喷嘴独立变流量控制。

9.根据权利要求1所述的一种采用激光传感器智能风送变量喷雾机，其特征在于，

所述辅助控制单元(6)由ARM 32位处理器及其外围电路组成，用于采集速度传感器(13)、流量传感器(12)和压力传感器(11)数据，并通过CAN总线回传给主控单元(30)；

所述辅助控制单元(6)还接收主控单元(30)控制指令，产生40路PMW控制信号，实现高速MOSFET的驱动控制以及电磁阀关断过程中反电势能力的吸收。