CN104536281A - 一种基于实时传感器变量喷雾过程中系统延时时间的测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于实时传感器变量喷雾系统延时时间的测量装置，它主要由安装于喷雾机上与原有实时传感器同一垂直位置的光电传感器、固定在喷嘴上用于感知水存在的液位光电传感器、信号捕捉计时器、模拟移动植株目标的滑块、速度可调的伺服电机、伺服电机控制器和滑轨平台等组成。从实时传感器探测到植株目标到开始喷雾这段时间间隔即为喷雾过程系统延时时间，这个延时时间是系统固有存在，精确测量这类延时时间尤为重要。在喷雾过程中，将实时传感器安装于喷嘴前方一定距离，提前感知植株目标，然后通过实时速度计算出植株目标到达喷嘴位置所需时间，结合测量到的系统延时时间，即可实现精确对靶喷雾。

Description

一种基于实时传感器变量喷雾过程中系统延时时间的测量装置

技术领域

本发明涉及一种延时时间的测量装置，尤其是涉及一种基于实时传感器变量喷雾过程中系统延时时间的测量装置。

背景技术

传统的喷雾方法在喷施过程中，无法根据喷施目标特征进行变量喷雾，对于植株间距较大、外形各异及枝叶茂密程度不一的植株目标，在喷施过程中，造成大量的浪费，导致严重的环境污染问题。目前基于红外线、超声波和激光探测实时传感器技术的变量喷雾得到了进一步的研究和应用。这类基于实时传感器变量喷雾技术要求传感器能够快速识别目标、准确控制喷嘴喷雾，才能保证在喷雾过程中，当喷嘴到达目标时精确对靶喷雾。由于传感器测量过程、控制器算法处理和电磁阀驱动等因素导致系统固有延时的存在，随着喷雾速度的改变，很难保证精确对靶喷雾。如果能够测量出整个系统固有延时时间，通过软件算法加以补偿，就能有效解决这一问题。本发明通过模拟喷雾过程中植株目标在不同速度下的相对运动，由两个高速光电传感器设计的延时时间测量系统，能够准确测量原有喷雾系统的固有延时时间，精确测量这类延时时间在精确对靶变量喷雾中尤为重要，具有较好的实用价值。

发明内容

为了实现上述目的，本发明设计了一种能够精确测量出系统延时时间的基于实时传感器变量喷雾系统延时时间的测量装置。

本发明的技术方案为：一种基于实时传感器变量喷雾系统延时时间的测量装置，包括设置在喷雾机上的实时传感器组，以及位于喷雾机一侧且与喷雾机水平放置的模拟目标滑动装置；所述实时传感器组包括光电传感器、液位光电传感器、信号捕捉计时器，所述光电传感器均与液位光电传感器、信号捕捉计时器相连接；所述光电传感器与激光传感器处在同一垂直位置，用于探测到植株目标；所述液位光电传感器用于感知喷雾机喷雾时刻；所述信号捕捉计时器用于获取喷雾延时时间；所述模拟目标滑动装置包括滑轨平台、滑块、伺服电机、伺服电机控制器；所述伺服电机固定在滑轨平台上的一端，伺服电机通过旋转同步带移动滑轨，使滑块移动，安装在滑块上的长方形木板用于模拟植株目标；所述伺服电机控制器固定在伺服电机的下端，且和伺服电机相连接，用于控制伺服电机旋转速度，进而模拟喷雾过程中不同喷雾速度。

进一步，所述光电传感器采用欧姆龙E3F2-R4C4F光电传感器，位于喷嘴正前方。

进一步，所述液位光电传感器采用霍尼韦尔LLE101000，固定在喷嘴上。

进一步，所述液位光电传感器与喷嘴之间有一圆柱形橡胶软管，所述圆柱形橡胶软管一端套在液位光电传感器上，另一端套在喷嘴上。

进一步，所述圆柱形橡胶软管在中间位置开有一矩形窗口。

进一步，所述信号捕捉计时器，由高速光耦隔离电路与带有信号捕捉功能的微处理器构成，能够同时记录多组测量数据，并上传给计算机。

进一步，所述伺服电机速度可调。

本发明的有益效果是：本发明设计的装置能够精确测量基于实时传感器变量喷雾过程中系统延时时间。这部分延时主要由实时传感器测量时所需时间、控制器算法处理时间和电磁阀驱动延时等所致，是喷雾机系统固有延时，无法彻底消除。如果把喷雾机的实时传感器安装于喷嘴前面，使传感器在前面扫描目标，则喷嘴到达目标还需一段时间，那么就可以根据测量的系统延时时间结合实际速度计算出喷嘴喷雾时刻，保证喷嘴到达目标时精确对靶，具有较好的实用价值。

附图说明

图1是一种采用激光传感器作为实时传感器控制的变量喷雾机系统延时测量装置结构示意图；

图2是液位光电传感器与喷嘴连接方式示意图；

图3是测量用的两个光电传感器输出信号示意图。

图中，1为触摸屏，2为激光传感器，3为压力传感器，4为电磁阀组，5为五指喷头，6为喷嘴，7为液位光电传感器，8为速度传感器，9为流量传感器，10为控制箱，11为光电传感器，12为模拟移动植株目标滑块，13为速度可调伺服电机，14为伺服电机驱动器，15为信号捕捉计时器，17为圆柱形橡胶软管，19为液位光电传感器与喷嘴通过软管连接图，20为矩形窗，21为液位传感器圆顶面，22为时间间隔，23为波峰，24为液位光电传感器输出的信号，25为波形1，26为波形2。

具体实施方式

下面结合附图和实例进一步说明本发明的实质内容，但本发明内容并不限于此。

如图1所示，本发明的一种采用激光传感器智能风送变量喷雾机，主要由驾驶室内的触摸屏1、激光传感器2、控制箱10内的车载嵌入式主控单元和辅助控制单元、电磁阀组4、五指喷头5、喷嘴6、压力传感器3、流量传感器9、速度传感器8等组成，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；激光传感器2安装在一块半椭圆的铝板上；控制箱10装载于药箱下方的框架上，速度传感器8、喷雾压力传感器3、喷雾流量传感器9完成数据采集，并由CAN总线发给主控单元，主控单元通过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。

然而，上述的喷雾机由于传感器测量过程、控制器算法处理和电磁阀驱动等因素导致系统固有延时的存在，随着喷雾速度的改变，很难保证精确对靶喷雾。

针对上述实时传感器技术的变量喷雾机存在系统延迟问题，本发明设计了一种基于实时传感器变量喷雾系统延时时间的测量装置，其设计要点如下：

该测量装置主要由安装于喷雾机上与激光传感器2同一垂直位置的光电传感器11、固定在喷嘴6上用于感知水存在的液位光电传感器7、信号捕捉计时器15、模拟移动植株目标的滑块12、速度可调的伺服电机13、伺服电机控制器14和滑轨平台等组成。

所述激光传感器2位于喷嘴6正前方1.6米处，在激光传感器2垂直的下方安装光电传感器11，保证激光扫描面和光电传感器11能够同时检测到被测目标。在喷嘴6上安装霍尼韦尔液位光电传感器7，用于测量喷雾时刻。移动滑台位于喷雾机一侧，与喷雾机水平放置，滑台上的模拟目标12为一矩形木板，通过同步带能够左右移动，移动速度可以通过伺服电机控制器调节。所述滑轨平台上的滑块12通过同步带移动，安装在滑块12上的长方形木板用于模拟植株目标。在相对运动下，相当于喷雾机运动，目标静止，模拟喷雾时状况。伺服电机13固定在滑轨平台的一端，如图1所示，伺服电机13通过旋转同步带移动滑轨。移动速度由伺服电机器14控制，用于模拟喷雾过程中不同喷雾速度。

所述光电传感器11触发信号捕捉计时器15开始计时，当原有喷雾机通过算法实现喷雾时，固定在喷嘴6上的液位光电传感7器捕捉到的喷雾时刻，从激光传感器2探测到植株目标到开始喷雾这段时间间隔即为喷雾过程中系统延时时间。上述光电传感器11采用欧姆龙E3F2-R4C4F光电传感器，有效感应距离为4米，响应时间小于1ms。安装光电传感器11时，确保所处位置和原有喷雾机上的激光传感器2能够同时探测到目标。当模拟移动植株目标的滑块12以不同速度出现在喷雾机激光传感器2探测位置时，同时光电传感器11也能感测到目标。原有喷雾机控制系统根据激光传感器2传感器信息进行喷嘴6的喷雾控制；光电传感器11输出目标出现时的方波，方波上升沿被信号捕捉计时器15捕捉并开始计时。

如图2所示，用于感知喷雾状态的液位光电传感器7采用霍尼韦尔LLE101000，圆顶21为光反射面，当没有液体出现时，内部LED发出的光被反射到光晶体管上；当有液体出现时，内部LED发光在圆顶不同介质处发生了散射，光感应晶体管无法触发，信号发生翻转，感应到水的存在。为了能使喷嘴6喷雾时液体能及时覆盖液位光电传感器的圆顶面21，设计圆柱形橡胶软管17，一端套在喷雾机的喷嘴6上，一端套在液位光电传感器7上，如图2中的19所示，使用的橡胶软管17尺寸能够很好匹配喷嘴6和液位光电传感器7的连接尺寸。位于橡胶软管17中间位置开口向下的矩形窗20能够及时把喷雾液体排出。当喷雾时，液体被快速汇集在液位光电传感器7的圆顶面21，然后从矩形窗20流出，使液位光电传感器信号发生翻转，感测到喷雾时刻；停止喷雾时，液体迅速从开口矩形窗20处流出，圆顶面21无液体覆盖，液位光电传感器信号恢复到原始状态。

如图3所示，为两个传感器信号输出，在时间轴上，光电传感器11感测到目标过程如波峰23所示，当喷嘴6喷雾时，液位光电传感器7输出的信号如24所示。从波形25的上升沿到波形26的上升沿之间的时间间隔22，即为喷雾机探测到植株目标到喷雾时的时间间隔。

所述的高速光耦隔离电路用于隔离传感器与捕捉计时器15之间的干扰，同时波形25的上升沿被带有信号捕捉功能的微处理器捕捉开始计时，到波形26上升沿停止计时，累计时间即为喷雾机探测到植株目标到喷雾时的时间间隔。通过改变电机转速调节滑块移动速度，重复上述实验过程，同时记录各组测量数据，通过串口上传给计算机。

模拟目标从左边向右以正常喷雾速度移动，当目标到达激光传感器2和欧姆龙光电传感器11位置时，信号捕捉计时器15开始计时，同时激光传感器2探测的目标数据由车载嵌入式主控单元开始计算、执行控制算法，通过流量控制器9实现对喷嘴6喷雾控制。当霍尼韦尔液位光电传感器7测量到喷嘴6喷雾时，信号捕捉计时器15停止计时，获得从目标出现在传感器位置到喷嘴开始喷雾之间的延时时间。移动目标速度分别在常用喷雾速度3.2km/h、4.8km/h、6.4km/h和8.0km/h下重复3次，所得数据求平均值作为系统延时时间。

最后应当说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种基于实时传感器变量喷雾系统延时时间的测量装置，其特征在于：包括设置在喷雾机上的实时传感器组，以及位于喷雾机一侧且与喷雾机水平放置的模拟目标滑动装置；

所述实时传感器组包括光电传感器(11)、液位光电传感器(7)、信号捕捉计时器(15)；所述光电传感器(11)与激光传感器(2)处在同一垂直位置，所述光电传感器(11)均和液位光电传感器(7)、信号捕捉计时器(15)相连接，分别用于扑捉植株目标出现及喷雾机喷雾时刻，获取喷雾延时时间；

所述模拟目标滑动装置包括滑轨平台、滑块(12)、伺服电机(13)、伺服电机控制器(14)；所述伺服电机(13)固定在滑轨平台上的一端，伺服电机(13)通过旋转同步带移动滑轨，使滑块(12)移动，安装在滑块(12)上的长方形木板用于模拟植株目标；所述伺服电机控制器(14)固定在伺服电机(13)的下端，且和伺服电机(13)相连接，用于控制伺服电机(13)旋转速度，进而模拟喷雾过程中不同喷雾速度。

2.根据权利要求1所述的一种基于实时传感器变量喷雾系统延时时间的测量装置，其特征在于：所述光电传感器(11)采用欧姆龙E 3F 2-R 4C 4F光电传感器，位于喷嘴(6)正前方。

3.根据权利要求1所述的一种基于实时传感器变量喷雾系统延时时间的测量装置，其特征在于：所述液位光电传感器(7)采用霍尼韦尔L L E 101000，固定在喷嘴(6)上。

4.根据权利要求3所述的一种基于实时传感器变量喷雾系统延时时间的测量装置，其特征在于：所述液位光电传感器(7)与喷嘴(6)之间有一圆柱形橡胶软管(17)，所述圆柱形橡胶软管(17)一端套在液位光电传感器(7)上，另一端套在喷嘴(6)上。

5.根据权利要求4所述的一种基于实时传感器变量喷雾系统延时时间的测量装置，其特征在于：所述圆柱形橡胶软管(17)在中间位置开有一矩形窗口(20)。

6.根据权利要求1所述的一种基于实时传感器变量喷雾系统延时时间的测量装置，其特征在于：所述信号捕捉计时器(15)，由高速光耦隔离电路与带有信号捕捉功能的微处理器构成，能够同时记录多组测量数据，并上传给计算机。

7.根据权利要求1所述的一种基于实时传感器变量喷雾系统延时时间的测量装置，其特征在于：所述伺服电机(13)速度可调。