CN105217038A - 一种植保飞机定向喷洒装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种植保飞机定向喷洒装置，包括：喷洒架，其设置在植保飞机底部，并包含有联排喷嘴，还包括上下流量调节片调节植保飞机前后倾斜时喷嘴流量；伸缩连杆，其设置在喷洒架和植保飞机之间，通过控制其伸缩长度来调整喷洒架左右倾斜角度；转角电机，其设置在喷洒架其中一端，通过控制其旋转角度使喷洒架绕轴线旋转；角度倾斜测量仪，其设置在喷洒架中间位置，用于检测植保飞机倾斜方向及倾斜角度；系统控制模块，其连接角度倾斜测量仪，用于记录惯性陀螺仪检测的电信号，控制伸缩连杆伸缩长度和喷嘴流量，并通过一种植保飞机定向喷洒控制方法，调节喷嘴流量，实现喷洒角度的精准调节。

Description

一种植保飞机定向喷洒装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及植保飞机喷洒领域，具体涉及一种植保飞机定向喷洒装置，特别涉及一种植保飞机定向喷洒装置的控制方法。

背景技术

从世界植保技术发展来看，采用植保飞机喷洒对地形适应能力强，并可调节田间小气候，是实现节水农业的有效方法之一，今后相当长时间化学防治是防治农作物病、虫、草及鼠害的主要方法，传统人工植保作业越来越不适合我国中国城镇化建设，农村劳动力急剧减少的步伐，由于不受地理因素及作物长势的制约，航空植保是农业植保的发展趋势，目前在公知的技术中植保飞机都采用悬挂式植保喷洒装置，其喷洒装置固定在植保飞机上，其喷施角度随植保飞机的飞行姿态变化而变化，在施药过程中，由于植保飞机飞行姿态经常变化，喷洒装置无法实施定向靶向施药，这样造成农药液滴的大量漂移，水量分布不均，农药利用率低。

喷灌正向精准灌溉方向发展，利用单片机控制的灌溉系统，能实现喷灌量和简单喷灌形状的控制，为适应山区或风向对植保飞机喷灌作业的影响，急需一种喷洒装置可以根据飞机飞行状态调整喷灌方向，并可精准调节喷灌流量。

发明内容

本发明的一个目的是设计开发一种植保飞机定向喷洒装置，可随植保飞机姿态变化改变喷施角度。

本发明的一个目的是通过角度倾斜测量仪，对植保飞机飞行姿态进行准确测量。

本发明还有一个目的是通过一种植保飞机定向喷洒控制方法，调节喷嘴流量，实现喷洒角度的精准调节。

本发明提供的技术方案为：

一种植保飞机定向喷洒装置，包括：

喷洒架，其设置在植保飞机底部，并设置联排喷嘴，所述联排喷嘴还包括上流量调节片和下流量调节片，用于调节植保飞机前后倾斜时联排喷嘴流量；

伸缩连杆，其设置在所述喷洒架和植保飞机之间，通过控制其伸缩长度来调整喷洒架左右倾斜角度；

转角电机，其设置在喷洒架一端，通过控制所述转角电机旋转角度使所述喷洒架绕自身轴线旋转；以及

角度倾斜测量仪，其设置在所述喷洒架中间位置，用于检测植保飞机倾斜方向及倾斜角度；

系统控制模块，其连接所述角度倾斜测量仪，所述系统模块用于接收所述角度倾斜测量仪检测到的角度信号，控制所述伸缩连杆伸缩长度和所述联排喷嘴流量。

优选的是，所述的伸缩连杆为螺旋金属连杆。

优选的是，所述的伸缩连杆采用伺服电机驱动。

优选的是，所述的上流量调节片和下流量调节片为相同大小并设置有半圆形通孔的圆形金属片。

优选的是，所述的联排喷嘴还包括套扣在一起的套筒和外螺纹连接管，其中下流量调节片通过外螺纹固定在所述外螺纹连接管管口位置，所述套筒中心设置有空心轴，上流量调节片穿过空心轴并可绕空心轴轴线旋转。

优选的是，所述的上流量调节片的旋转角度为0°～180°。

优选的是，所述的角度倾斜测量仪为惯性陀螺仪。

优选的是，还包括过倾保护装置，当植保飞机倾角超过25°时，关闭联排喷嘴，停止喷洒作业。

本发明的目的还可进一步由一种植保飞机定向喷洒控制方法实现，包括，

步骤一：角度倾斜测量仪测量飞机倾斜角度α，判定飞机倾斜方向；

步骤二：当飞机前倾时，喷洒架绕其轴线旋转，旋转角度为α，调节上流量调节片绕空心轴旋转，上流量调节片和下流量调节片中间的扇形开孔逐渐变小，其旋转速度为v，

当飞机后倾时，喷洒架绕其轴线旋转，旋转角度为-α，调节上流量调节片绕空心轴旋转，上下调节片中间的扇形开孔逐渐变大，其旋转速度为，

$v=\frac{{\mathrm{nc\π}}^2{R}^3}{16}\[\sqrt{(h-R)sin\mathrm{\α}\·v_{pl}}/Q\·{\left(2gh\right)}^{\frac{1}{4}}\]$

其中c为糙率系数，R为流量调节片开孔半径，h为植保飞机施药高度，v_pl为植保飞机飞行速度，Q为施药或喷洒液体体积；g为重力加速度，n为联排喷嘴数量。

优选的是，还包括左右倾斜角度调节，包括，

步骤一：角度倾斜测量仪测量飞机倾斜角度β，判定飞机倾斜方向；

步骤二：当飞机偏向伸缩杆所在位置一侧时，启动电机带动伸缩连杆收缩，t秒后停止；

当飞机偏向伸缩杆所在位置另一侧时，启动电机带动伸缩连杆拉伸，t秒后停止；

$t=(m\arctan \mathrm{\β}/2wk)ln\frac{prI}{GJ}+t_0$

其中，m为喷洒架长度，w为电机转数，k为伸缩杆螺距，t₀为定向喷洒装置的响应时间，P为伸缩连杆对伺服电机的方向作用力，r为伸缩连杆直径，I为伺服电机轴承与伸缩连杆之间连接轴的长度，G连接轴材料的剪切模量，J为连接轴的截面惯性矩。

本发明所述的有益效果

1、本发明所述的植保飞机定向喷洒装置在植保飞机飞行姿态改变时，通过控制联排喷嘴的射程和流量，有效避免了喷洒不均，提高了药液利用率。

2、本发明所考虑的环境因素更为全面，包含飞机飞行角度四个方向的调节，并且采用速度调节方式，准确及时，响应时间短。

3、本发明所述的植保飞机定向喷洒控制方法的控制策略简易有效，可有效避免破地或风向因素对植保喷灌作业的影响。

4、本发明所述的植保飞机定向喷洒控制方法，结构简单，安装方便、成本较低。可用于各种植保飞机，本系统中模型参数可针对不同的情况进行灵活调整，拓宽了模型的适用面，具有较强的市场推广性。

附图说明

图1为本发明所述的植保飞机定向喷洒装置的结构示意图。

图2为本发明所述的联排喷嘴结构示意图。

图3为本发明所述的上下流量调节片结构示意图。

图4为本发明所述的伸缩连杆结构示意图。

图5为本发明所述的植保飞机定向喷洒控制方法流程图。

图6为本发明所述的采用植保飞机普通喷洒装置平地喷洒水量分布图。

图7为本发明所述的采用植保飞机定向喷洒装置平地喷洒水量分布图。

图8为本发明所述的采用植保飞机定向喷洒装置坡地喷洒水量分布图。

图9为本发明所述的采用植保飞机定向喷洒装置15°坡地喷洒水量分布。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明提供的植保飞机定向喷洒装置包括喷洒架100、角度倾斜测量仪200、伸缩连杆300、系统控制模块400和伺服电机500，转角电机600。

其中，如图2所示，喷洒架100设置在植保飞机底部，并包含有多个联排喷嘴110，联排喷嘴110还包括套筒111、空心轴112、垫圈113、上流量调节片114、下流量调节片115、外螺纹连接管116和并帽117其中套筒111与外螺纹连接管116套扣在一起，外螺纹连接管116与喷头立管连接，固定不动，套筒111和外螺纹连接管116中芯设置有空心轴112，上流量调节片114置于套筒111和外螺纹连接管116套扣连接处，其中下流量调节片115采用螺纹连接方式嵌入外螺纹连接管116顶端，因此固定不动。

如图3所示，上流量调节片114和下流量调节片115为相同大小的金属圆片，其中新设置有半圆形定位孔114a和半圆形开孔114b,使用时，下流量调节片115静止不动，上流量调节片114绕空心轴112旋转，其中上流量调节片114的旋转角度为0°～180°，旋转过程中上流量调节片114和下流量调节片115之间会产生扇形圆孔，上流量调节片114和下流量调节片115之间的相对位置决定扇形圆孔的大小，当上流量调节片114和下流量调节片相对放置，扇形孔径封闭，液体只能从空心轴流出，当上流量调节片114和下流量调节片115重合放置，扇形孔径最大，为半圆形开孔114b的面积。

角度倾斜测量仪200，其设置在喷洒架100中间位置，用于检测植保飞机倾斜方向及倾斜角度，作为一种优选，角度倾斜测量仪200采用惯性陀螺仪，能提供准确的方位、水平、位置、速度和加速度等信号，响应时间快；

如图4所示，伸缩连杆300，设置在所述喷洒架100和植保飞机之间，处于喷洒架的左侧或者右侧，其设置有螺旋杆310连接喷洒架100，螺旋杆310采用伺服电机500驱动。通过控制螺旋杆310的伸缩长度来调整喷洒架左右倾斜角度，当植保飞机向伸缩连杆300位置倾斜时，伺服电机500带动伸缩连杆300收缩，当植保飞机向伸缩连杆300位置的另一侧倾斜时，伺服电机500驱动伸缩连杆300拉伸；

系统控制模块400，其连接角度倾斜测量仪200，用于记录惯性陀螺仪检测的电信号，控制所述伸缩连杆300伸缩长度和联排喷嘴110流量。

转角电机600，其设置在喷洒架100端口处，其为伺服电机，当植保飞机前后倾斜时，角度倾斜测量仪200测得植保飞机前后倾斜的角度，系统控制模块400控制转角电机向相反方向旋转，喷洒架100上的联排喷嘴110喷洒角度始终是垂直向下。

在另一实施例中，还设置有过倾保护装置，所述过倾保护装置为设置在联排喷嘴110公共连接位置的截止阀，当飞机倾角超过25°时，截止阀关闭，药液不再流出，防止植保飞机因受风向干扰或故障，药液流出，误伤人畜。

一种植保飞机定向喷洒控制方法，包括，

S210：角度倾斜测量仪200测量飞机倾斜角度α，并将测得的电信号传递给系统控制模块400；

S220：判定飞机倾斜方向；

S221：当飞机前倾时，联排喷嘴100喷洒药液方向向植保飞机尾部倾斜，转角电机600开启，伺服电机带动喷洒架100绕其轴线旋转，旋转角度为α，使联排喷嘴100喷洒药液方向与地面垂直，调节上流量调节:114绕空心轴112旋转，上流量调节片114与下流量调节片115中间的扇形开孔逐渐变小，直至闭合状态，上流量调节片114的旋转速度为v，

S222:当飞机后倾时，联排喷嘴100喷洒药液方向向植保飞机尾部倾斜，转角电机600开启，伺服电机带动喷洒架100绕其轴线旋转，旋转角度为-α，使联排喷嘴100喷洒药液方向与地面垂直，调节上流量调节片114以速度绕v空心轴112旋转，上流量调节片114与下流量调节片115中间的扇形开孔逐渐变大，直至全开状态；

其中， $v=\frac{{\mathrm{nc\π}}^2{R}^3}{16}\[\sqrt{(h-R)sin\mathrm{\α}\·v_{pl}}/Q\·{\left(2gh\right)}^{\frac{1}{4}}\]$

其中c为糙率系数，单位为m^1/2/s，R为流量调节片开孔半径，单位为m，h为植保飞机施药高度，单位为m，v_pl为植保飞机飞行速度，单位为m/s,Q为施药或喷洒液体体积,单位为m³，g为重力加速度，单位为m/s²,n为联排喷嘴数量；

当飞机左右倾斜时，所述角度倾斜测量仪200测量飞机倾斜角度β，判定飞机倾斜方向；

S223：当飞机偏向伸缩连杆300所在位置一侧时，伺服电机500开启，带动伸缩杆收缩，t秒后停止；

S224：当飞机偏向伸缩连杆300所在位置另一侧时，伺服电机500开启，带动伸缩杆拉伸，t秒后停止；

$t=(m\arctan \mathrm{\β}/2wk)ln\frac{prI}{GJ}+t_0$

其中，其中，m为喷洒架长度，单位为m；w为电机转数，单位为n·转/s；k为伸缩杆螺距，单位为mm；t₀为定向喷洒装置的响应时间，单位为ms；P为伸缩连杆对伺服电机的方向作用力，单位为N；r为伸缩连杆直径，单位为mm；I为伺服电机轴承与伸缩连杆之间连接轴的长度，单位为m；连接轴材料的剪切模量，单位为N/m²；J为连接轴的截面惯性矩,单位为m⁴。

实施以采用植保飞机定向喷洒装置平地喷洒为例做进一步说明

首先，角度倾斜测量仪200测量飞机倾斜角度α，并将测得的电信号传递给系统控制模块400，判定飞机倾斜方向；

当飞机前倾时，联排喷嘴100喷洒药液方向向植保飞机尾部倾斜，转角电机600开启，伺服电机带动喷洒架100绕其轴线旋转，旋转角度为α，使联排喷嘴100喷洒药液方向与地面垂直，调节上流量调节:114绕空心轴112旋转，上流量调节片114与下流量调节片115中间的扇形开孔逐渐变小，直至闭合状态，上流量调节片114的旋转速度为v，当飞机后倾时，联排喷嘴100喷洒药液方向向植保飞机尾部倾斜，转角电机600开启，伺服电机带动喷洒架100绕其轴线旋转，旋转角度为-α，使联排喷嘴100喷洒药液方向与地面垂直，调节上流量调节片114以速度绕v空心轴112旋转，上流量调节片114与下流量调节片115中间的扇形开孔逐渐变大，直至全开状态；

最后,当飞机左右倾斜时，所述角度倾斜测量仪200测量飞机倾斜角度β，判定飞机倾斜方向,当飞机偏向伸缩连杆300所在位置一侧时，伺服电机500开启，带动伸缩杆收缩，t秒后停止,当飞机偏向伸缩连杆300所在位置另一侧时，伺服电机500开启，带动伸缩杆拉伸，t秒后停止。

图6为用植保飞机普通喷洒装置平地喷洒水量分布图，如图7为采用植保飞机定向喷洒控制方法进行的平地上洒水量分布检测实验，采用正方形网格布置量雨筒，采集一半喷洒区域的实验数据，图中的数据单位为mm/h，对比可以看出可以看出，采用植保飞机定向喷洒控制方法，喷洒区域为椭圆形，过角度倾斜测量仪，对植保飞机飞行姿态进行准确测量，并及时实现喷洒角度的精准调节，平底喷洒水量分布均匀，可广泛应用于植保飞机施药和喷洒作业。

植保飞机定向喷洒装置还可以用于坡地喷洒，坡地喷洒可在启动前对喷洒架100进行调整，度倾斜测量仪200测量飞机倾斜角度α，并将测得的电信号传递给系统控制模块400，判定飞机倾斜方向，上坡坡地调节上流量调节片114以速度绕v空心轴112旋转，上流量调节片114与下流量调节片115中间的扇形开孔逐渐变大，直至全开状态，下坡坡地调节，调节上流量调节片114绕空心轴112旋转，上流量调节片114与下流量调节片115中间的扇形开孔逐渐变小，直至闭合状态，上流量调节片114的旋转速度为v，通过角度倾斜测量仪200，对植保飞机飞行姿态进行准确测量，并及时实现喷洒角度的精准调节，可广泛应用于植保飞机施药和喷洒作业，如图8为采用植保飞机定向喷洒控制方法进行的平地上洒水量分布检测实验，采用正方形网格布置量雨筒，采集一半喷洒区域的实验数据，图中的数据单位为mm/h，可以看出，坡地喷洒水量分布均匀。

植保飞机定向喷洒装置可用于平地和坡地喷洒，尤其适用于山地植保作业，实用性强，效果好，实验获得的喷头工作压力范围为0.26～0.67MPa,流量范围：3.6～4.2m³/h，平地射程范围：14.3～17.2m。

为模拟坡地上的水量分布，将量筒按15°高度摆放，植保飞机上坡和下坡喷洒作业，检测水量分布，实验获得的数据如图9所示，上下坡水量分布较为一致，上下射程接近，从而改善了坡地喷灌中水量分布的均匀性，图中水量数据单位为mm/h。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种植保飞机定向喷洒装置，其特征在于，包括：

喷洒架，其设置在植保飞机底部，并设置联排喷嘴，所述联排喷嘴还包括上流量调节片和下流量调节片，用于调节植保飞机前后倾斜时联排喷嘴流量；

伸缩连杆，其设置在所述喷洒架和植保飞机之间，通过控制其伸缩长度来调整喷洒架左右倾斜角度；

转角电机，其设置在喷洒架一端，通过控制所述转角电机旋转角度使所述喷洒架绕自身轴线旋转；以及

角度倾斜测量仪，其设置在所述喷洒架中间位置，用于检测植保飞机倾斜方向及倾斜角度；

系统控制模块，其连接所述角度倾斜测量仪，所述系统控制模块用于接收所述角度倾斜测量仪检测到的角度信号，控制所述伸缩连杆伸缩长度和所述联排喷嘴流量。

2.根据权利要求1所述的植保飞机定向喷洒装置，其特征在于，所述的伸缩连杆为螺旋金属连杆。

3.根据权利要求1或2所述的植保飞机定向喷洒装置，其特征在于，所述的伸缩连杆采用伺服电机驱动。

4.根据权利要求1所述的植保飞机定向喷洒装置，其特征在于，所述的上流量调节片和下流量调节片为相同大小并设置有半圆形通孔的圆形金属片。

5.根据权利要求1或4所述的植保飞机定向喷洒装置，其特征在于，所述的联排喷嘴还包括套扣在一起的套筒和外螺纹连接管，其中下流量调节片通过外螺纹固定在所述外螺纹连接管管口位置，所述套筒中心设置有空心轴，上流量调节片穿过空心轴并可绕空心轴的轴线旋转。

6.根据权利要求5所述的植保飞机定向喷洒装置，其特征在于，所述的上流量调节片的旋转角度为0°～180°。

7.根据权利要求1所述的植保飞机定向喷洒装置，其特征在于，所述的角度倾斜测量仪为惯性陀螺仪。

8.根据权利要求1所述的植保飞机定向喷洒装置，其特征在于，还包括过倾保护装置，当植保飞机倾角超过25°时，关闭联排喷嘴，停止喷洒作业。

9.一种植保飞机定向喷洒控制方法，其特征在于，包括：

步骤一：角度倾斜测量仪测量飞机倾斜角度α，判定飞机倾斜方向；

步骤二：当飞机前倾时，喷洒架绕其轴线旋转，旋转角度为α，调节上流量调节片绕空心轴旋转，上流量调节片和下流量调节片中间的扇形开孔逐渐变小，其旋转速度为v，

当飞机后倾时，喷洒架绕其轴线旋转，旋转角度为-α，调节上流量调节片绕空心轴旋转，上下调节片中间的扇形开孔逐渐变大，其旋转速度为，

$v=\frac{{\mathrm{nc\π}}^2{R}^3}{16}\[\sqrt{(h-R)sin\mathrm{\α}\·v_{pl}}/Q\·{\left(2gh\right)}^{\frac{1}{4}}\]$

其中c为糙率系数，R为流量调节片开孔半径，h为植保飞机施药高度，v_pl为植保飞机飞行速度，Q为施药或喷洒液体体积；g为重力加速度，n为联排喷嘴数量。

10.根据权利要求9所述的一种植保飞机定向喷洒控制方法，其特征在于，还包括左右倾斜角度调节，包括，

步骤一：角度倾斜测量仪测量飞机倾斜角度β，判定飞机倾斜方向；

步骤二：当飞机偏向伸缩杆所在位置一侧时，启动电机带动伸缩连杆收缩，t秒后停止；

当飞机偏向伸缩杆所在位置另一侧时，启动电机带动伸缩连杆拉伸，t秒后停止；

$t=(marctan\mathrm{\β}/2wk)ln\frac{prI}{GJ}+t_0$

其中，m为喷洒架长度，w为电机转数，k为伸缩杆螺距，t₀为定向喷洒装置的响应时间，P为伸缩连杆对伺服电机的方向作用力，r为伸缩连杆直径，I为伺服电机轴承与伸缩连杆之间连接轴的长度，G连接轴材料的剪切模量，J为连接轴的截面惯性矩。