CN105941379B

CN105941379B - 一种风送智能喷雾机器人喷雾协调控制系统及施药方法

Info

Publication number: CN105941379B
Application number: CN201610463181.0A
Authority: CN
Inventors: 贾卫东; 颜杰; 龚晨; 申彬; 李信; 闻志勇; 刘欢; 张明
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2016-06-23
Filing date: 2016-06-23
Publication date: 2019-08-02
Anticipated expiration: 2036-06-23
Also published as: CN105941379A

Abstract

本发明属于农业装备自动化控制技术领域，具体涉及一种风送智能喷雾机器人喷雾协调控制系统及施药方法。所述喷雾协调控制系统包括控制器处理模块、风送喷雾控制模块、检测模块、通讯模块、输入及显示模块、报警指示模块。风送喷雾控制模块、检测模块、通讯模块、输入及显示模块、报警指示模块分别与控制器模块相连接。根据图像采集器所测得的作物疏密程度调节喷头与作物之间的距离及电动比例调节阀的开口度；根据风速风向传感器所测得的外界自然风的风向调节喷头与作物之间的水平与竖直喷雾角度；根据所测得的风速调节轴流风机的风量。该施药方法可以有效减少雾滴的飘移，提高药液的利用率，使雾滴在作物上均匀分布，从而提高施药效果。本发明可应用于自主喷雾作业上。

Description

一种风送智能喷雾机器人喷雾协调控制系统及施药方法

技术领域

本发明属于农业装备自动化控制技术领域，具体涉及一种风送智能喷雾机器人喷雾协调控制系统及施药方法，尤其涉及一种多因素智能控制的施药方法。

背景技术

传统的施药方式是粗犷型的，对不同疏密程度的作物采用同样的施药方式，也没有考虑田间作业环境因素对药液穿透力和雾滴覆盖均匀性的影响，这严重影响了作物的防治效果。在现有的技术基础上，需要融合多因素提高施药效果。通过自动化控制技术与风送喷雾技术相结合，并考虑实际田间作业情况，“因地制宜”的提出了一种智能的风送喷雾协调控制系统及施药方法：根据作物目标的冠层疏密来调节喷雾距离及药液的流量；根据外界自然风的风向与风速自适应的调节喷头的水平与垂直喷雾角度及风机的风量。这种多因素的控制方法，可以有效减少雾滴的漂移，提高雾滴在冠层的覆盖率及施药的均匀性，从而减少了药液的浪费以及对环境的污染。

中国专利CN1628513A提供了一种农药精确对靶施用方法，包括利用图像采集树木信息，图像处理，特征识别和喷雾控制系统。根据不同树木信息控制可调喷雾系统的喷嘴流量实现精确对靶变量喷雾，但是该方法没有考虑外界自然风的风速和风向等因素对喷雾效果的影响。

中国专利CN103548802A提供了一种自走式果园自动对靶喷雾机及其喷雾方法，其只考虑了对靶特性和对靶的方式，没有“因地制宜”，即根据树木冠层的疏密程度和外界风速及风向的影响，对喷雾控制系统进行相应的调节。

发明内容

本发明针对以上现有技术及方法存在的问题，提出一种基于多因素的风送智能喷雾机器人喷雾协调控制系统及施药方法，能够有效减少药液的漂移，提高雾滴在冠层的覆盖率及施药的均匀性，从而减少了药液的浪费以及对环境的污染。

本发明所采用的具体方案如下：

风送智能喷雾机器人喷雾协调控制系统安装在自主喷雾机器人底盘上，包括控制器处理模块、通讯模块、输入及显示模块、报警指示模块；通讯模块、输入及显示模块、报警指示模块分别与控制器模块相连接，其特征在于：还设有风送喷雾控制模块和检测模块；风送喷雾控制模块和检测模块也分别与控制器模块相连接；其中风送喷雾控制模块包括单通道导风筒、轴流风机、喷头、导轨电机、T型丝杆导轨滑台、支架、步进电机、云台、推拉电机、电动推拉杆、电磁阀、电动比例调节阀、变频器，检测模块包括激光测距传感器、风速风向传感器、角度传感器、温湿度传感器、图像采集器。

其中控制器处理模块包括控制器，且控制器采用单片STC12C5A60S2处理芯片；通讯模块包括无线遥控器、田间导航定位系统；输入及显示模块包括触摸屏；报警指示模块包括蜂鸣器。

其中T型丝杆导轨滑台水平安装在自主喷雾机器人底盘中间位置，其长度与自主喷雾机器人底盘宽度相等；导轨电机安装在自主喷雾机器人底盘上且与T型丝杆导轨滑台左端相连接；支架固定安装在T型丝杆导轨滑台上并可以在滑台上滑动；步进电机与云台连接在一起且位于云台下方，单通道导风筒通过云台与支架连接且在支架上端；所述轴流风机与喷头分别安装在单通道导风筒的后端和前端组成风送系统；所述推拉电机与电动推拉杆相连接，且推拉电机底端与支架连接，电动推拉干顶端与单通道导风筒连接；所述激光测距传感器通过直角支撑杆固定安装在支架上且与喷头在同一垂直平面内；所述温湿度传感器安装在支架中间位置处；所述风速风向传感器为4个，两个安装在轴流风机风筒后端的水平中心轴线的两端；另外两个安装在轴流风机风筒后端的竖直中心轴线上的两端；所述角度传感器分别安装在云台与支架接口处、支架与风筒接口处；图像采集器安装在自主喷雾机器人底盘上方且位于底盘前端。

所述触摸屏、蜂鸣器安装在自主喷雾机器人底盘上方且位于底盘后端。

所述电磁阀用来控制药液管道的开闭，电动比例调节阀用来控制药液的流量，变频器用来调节轴流风机的风量。

根据图像采集器所获得的作物信息判断作物的疏密程度，并立即反馈给控制器，控制导轨电机带动支架在T型丝杆导轨滑台上移动，以此来调节喷头与作物之间的距离。同时通过控制器控制电动比例调节阀的开口度来调节药液的流量。所述风速风向传感器用来测得外界自然风的风向与风速，根据风向来调节喷头与作物之间的水平与竖直喷雾角度，根据风速来调节轴流风机的风量。

所述无线遥控器可以在正常情况下对自主喷雾机器人控制系统进行控制，尤其是在紧急情况下启动手动遥控模式进行干预；触摸屏用来输入喷雾参数以及显示检测模块所传递的信息。

上述的风送智能喷雾机器人喷雾协调控制系统及施药方法，喷雾协调控制方法包括以下步骤：

(1)温湿度传感器实时检测作业环境的温度与湿度信息，并立即反馈给控制器，控制器根据实时检测的信号，做出是否进行喷雾作业的指示。

(2)接收到喷雾作业指示后，图像采集器开始采集作物图像并处理，而后根据预先设定的阀值立即开始判别作物的疏密(冠层间隙大小)，并将结果立即反馈给控制器，当判定为疏时，控制器将减小电动比例调节阀开口度降低药液流量，同时控制导轨电机带动支架往远离作物方向移动以增大喷头与作物之间的距离。当判定为密时，控制器将增大电动比例调节阀开口度提高药液流量，同时控制导轨电机带动支架往靠近作物方向移动以减小喷头与作物之间的距离。(3)四个风速风向传感器所接收的外界自然风的风向信号并反馈给控制器，控制器综合四个信号信息并以此为依据控制推拉电机带动电动推拉杆调节喷头与作物的竖直喷雾角度，同时步进电机转动云台调节喷头与作物的水平喷雾角度。

(4)四个风速风向传感器所接收的外界自然风的风速信号并反馈给控制器，控制器综合四个信号信息并以此为依据调节变频器的频率从而调节风机的风量，当外界风速较大时，增大风机的风量；当外界风速较小时，风机工作在设置的正常状态下。

上述步骤(1)中，对作业环境的温湿度都设定了限值，当温湿度低于限值时，控制器做出开始喷雾的指示；当温湿度高于限值时，蜂鸣器报警并立即停止喷雾作业。

上述步骤(2)中，当判定值在区间内则不需要做出改变，当判定值大于(小于)区间的上限(下限)认定作物冠层为密(疏)，控制器增大(减小)电动比例调节阀开口度提高药液流量(降低药液流量)，并控制导轨电机带动支架往靠近作物方向(远离作物方向)移动以减小(增大)喷头与作物之间的距离；此外，控制器所控制导轨电机移动后的喷嘴与作物之间的距离要与激光传感器所测得的距离相等以保证调整的精确性，喷头初始正常工作状态下与作物之间的距离为1m。

上述步骤(3)中，控制器接收四个风速风向传感器所获得的外界自然风风向信号，四个风速风向传感器所接收的外界自然风的风向信号并反馈给控制器，控制器综合四个信号信息并以此为依据控制推拉电机带动电动推拉杆调节喷头与作物的竖直喷雾角度，同时步进电机转动云台调节喷头与作物的水平喷雾角度，此所需调节的水平与竖直喷雾角度都分别要与两个角度传感器所测得的角度相等以保证调整的精确性。

上述的图像采集器安装在自主喷雾机器人底盘前端距离T型丝杆导轨滑台500mm处，用于提前采集作物图像信息并控制导轨电机动作。T型丝杆导轨滑台有效行程为900mm，且支架与风送系统初始位置在T型丝杆导轨滑台中间位置。风送系统的可调转动角度为360°，竖直可调角度为：仰角在60°范围内、俯角在30°范围内，风机风量2000m³/h—3500m³/h可调，初始正常工作情况下设定为2700m³/h。药液流量控制是由电磁阀和电动比例调节阀组成，电磁阀负责药液流量的开启和关闭；电动比例调节阀负责改变药液流量的大小，这样的组合设计有助于降低药液流量的波动。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的有益效果：(1)本发明可用在自主喷雾机器人上完成智能的全自动喷雾过程。(2)本发明的喷雾协调控制系统及施药方法能够根据多因素实现智能喷雾，有效降低雾滴漂移，提高了雾滴覆盖均匀性，提高农药的利用率。

附图说明

图1为喷雾控制系统整体结构框图。

图2为喷雾控制系统主要硬件结构图

图3为喷雾控制执行装置总体结构示意图

图4为三维立体空间内风向区域划分示意图。

图5为二维水平面内风向区域划分示意图。

图3中：1、导轨电机；2、图像采集器；3、温湿度传感器；4、步进电机；5、云台；6、轴流风机；7、风速风向传感器；8、单通道导风筒；9、喷头；10、角度传感器；11、电动推拉杆；12、推拉电机；13、角度传感器；14、激光测距传感器；15、直角支撑杆；16、支架；17、T型丝杆导轨滑台；18、自主喷雾机器人底盘；19、触摸屏；20、蜂鸣器。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明方案做进一步详细说明。

如图1、图2和图3所示，本发明的喷雾协调控制系统包括控制器处理模块、风送喷雾控制模块、检测模块、通讯模块、输入及显示模块、报警指示模块。风送喷雾控制模块、检测模块、通讯模块、输入及显示模块、报警指示模块分别与控制器模块相连接。其中风送喷雾控制模块包括单通道导风筒8、轴流风机6、喷头9、导轨电机1、T型丝杆导轨滑台17、支架16、步进电机4、云台5、推拉电机12、电动推拉杆11；检测模块包括激光测距传感器14、风速风向传感器7、角度传感器10(13)、温湿度传感器3、图像采集器2；输入模块包括触摸屏19；报警指示模块包括蜂鸣器20；通讯模块包括无线遥控器、田间导航定位系统。

其中T型丝杆导轨滑台17水平安装在自主喷雾机器人底盘18中间位置，其长度与自主喷雾机器人底盘18宽度相等；支架16固定安装在T型丝杆导轨滑台17上并可以在滑台上滑动，单通道导风筒8通过云台5与支架16连接且在支架16上端，所述轴流风机6与喷头9分别安装在单通道导风筒8的后端和前端组成风送系统；所述激光测距传感器14通过直角支撑杆15固定安装在支架16上且与喷头9在同一垂直平面内；所述温湿度传感器3安装在支架16中间位置处；所述风速风向传感器为4个，两个安装在轴流风机6风筒后端的水平中心轴线的两端；另外两个安装在轴流风机6风筒后端的竖直中心轴线上的两端；所述角度传感器分别安装在云台5与支架16接口处、支架16与单通道导风筒8接口处；所述图像采集器2、触摸屏19、蜂鸣器20安装在自主喷雾机器人底盘18上方；根据图像采集器2所获得的作物信息判断作物的疏密程度，并立即反馈给控制器，控制步进电机4带动支架16在T型丝杆导轨滑台17上移动，以此来调节喷头9与作物之间的距离。同时通过控制器控制电动比例调节阀的开口度来调节药液的流量。所述风速风向传感器7用来测得外界自然风的风向与风速，根据风向来调节喷头9与作物之间的水平与竖直喷雾角度，根据风速来调节轴流风机6的风量。无线遥控器可以在正常情况下对自主喷雾机器人控制系统进行控制，尤其是在紧急情况下启动手动遥控模式进行干预；触摸屏19用来输入喷雾参数以及显示检测模块所传递的信息。

喷雾控制系统协调运动的工作过程及施药控制方法如下：

(1)温湿度传感器3实时检测作业环境的温度与湿度信息，并立即反馈给控制器，控制器根据实时检测的信号，做出是否进行喷雾作业的指示。

其中对作业环境的温湿度都设定了限值，当温湿度低于限值时，控制器做出开始喷雾的指示；当温湿度高于限值时，蜂鸣器20报警并立即停止喷雾作业。

(2)接收到喷雾作业指示后，图像采集器2开始采集作物图像并处理，而后根据预先设定的阀值立即开始判别作物的疏密(冠层间隙大小)，并将结果立即反馈给控制器，当判定为疏时，控制器将减小电动比例调节阀开口度降低药液流量，同时控制导轨电机1带动支架16往远离作物方向移动以增大喷头9与作物之间的距离。当判定为密时，控制器增大电动比例调节阀开口度提高药液流量，同时控制导轨电机1带动支架16往靠近作物方向移动以减小喷头9与作物之间的距离。

其中图像处理系统预先设定了判定区间，当判定值在区间内则不需要做出改变，当判定值大于(小于)区间的上限(下限)认定作物冠层为密(疏)，控制器增大(减小)电动比例调节阀开口度提高药液流量(降低药液流量)，并控制导轨电机1带动支架16往靠近作物方向(远离作物方向)移动以减小(增大)喷头9与作物之间的距离；此外，控制器所控制导轨电机1移动后的喷头9与作物之间的距离要与激光传感器14所检测的距离相等以保证调整的精确性，喷头9初始正常工作状态下与作物之间的距离为1m。

(3)四个风速风向传感器7所接收的外界自然风的风向信号并反馈给控制器，控制器综合四个信号信息并以此为依据控制推拉电机12带动电动推拉杆11调节喷头9与作物的竖直喷雾角度，同时步进电机4转动云台5调节喷头9与作物的水平喷雾角度。四个风速风向传感器7所接收的外界自然风的风速信号并反馈给控制器，控制器综合四个信号信息并以此为依据调节变频器的频率从而调节轴流风机6的风量，当外界风速较大时，增大轴流风机6的风量；当外界风速较小时，轴流风机6工作在设置的正常状态下。

其中四个风速风向传感器7所接收的外界自然风的风向信号并反馈给控制器，控制器综合四个信号信息并以此为依据控制推拉电机12带动电动推拉杆11调节喷头9与作物的竖直喷雾角度，同时步进电机4转动云台5调节喷头9与作物的水平喷雾角度，此所需调节的水平与竖直喷雾角度都分别要与两个角度传感器10(13)所测得的角度相等以保证调整的精确性。如图4、5所示，根据四个风速风向传感器7所综合获得的外界自然风风向信号，在立体空间的三维坐标下，将风向划分为八个区域即三维坐标下的I、II、III、IV、Ⅴ、VI、VII、VIII这八个卦限区域，其中坐标中心点是风送系统所在位置；尤其要特别指出的是在三维交界面xoy平面内即二维水平面内将风向划分为四个区域：前方，后方，左侧，右侧。在直角坐标系中表示为：45°～135°；135°～225°；225°～315°；315°～45°。

其中因为八个区域是关于坐标中心点对称的，所以只对I、II、III、IV这四个区域做具体的阐述，当风向来自I、II、III、IV区域时，竖直方向的喷雾角度应自适应的向上调节；其中当风向来自I、IV区域时，水平喷雾角度应自适应的往前进方向的反方向调节；当风向来自II、III区域时，水平喷雾角度应自适应的往前进方向调节；其中在I、II区域时应自适应的增大风量；在III、IV区域时应自适应的减小风量。

Claims

1.一种风送智能喷雾机器人喷雾协调控制系统，安装在自主喷雾机器人底盘上，包括控制器处理模块、通讯模块、输入及显示模块、报警指示模块；通讯模块、输入及显示模块、报警指示模块分别与控制器处理模块相连接，其特征在于：还设有风送喷雾控制模块和检测模块；风送喷雾控制模块和检测模块也分别与控制器处理模块相连接；其中风送喷雾控制模块包括单通道导风筒、轴流风机、喷头、导轨电机、T型丝杆导轨滑台、支架、步进电机、云台、推拉电机、电动推拉杆、电磁阀、电动比例调节阀、变频器；检测模块包括激光测距传感器、风速风向传感器、角度传感器、温湿度传感器、图像采集器；

T型丝杆导轨滑台水平安装在自主喷雾机器人底盘中间位置，其长度与自主喷雾机器人底盘宽度相等；导轨电机安装在自主喷雾机器人底盘上且与T型丝杆导轨滑台左端相连接；支架固定安装在T型丝杆导轨滑台上在导轨电机的带动下能够在滑台上滑动；步进电机与云台连接在一起且位于云台下方，单通道导风筒通过云台与支架连接且在支架上端；所述轴流风机与喷头分别安装在单通道导风筒的后端和前端组成风送系统；所述推拉电机与电动推拉杆相连接，且推拉电机底端与支架连接，电动推拉杆顶端与单通道导风筒连接；所述激光测距传感器通过直角支撑杆固定安装在支架上且与喷头在同一垂直平面内；所述温湿度传感器安装在支架中间位置处；所述风速风向传感器为4个，两个安装在单通道导风筒后端的水平中心轴线的两端；另外两个安装在单通道导风筒后端的竖直中心轴线上的两端；所述角度传感器分别安装在云台与支架接口处、支架与单通道导风筒接口处；图像采集器安装在自主喷雾机器人底盘上方且位于底盘前端。

2.如权利要求1所述的一种风送智能喷雾机器人喷雾协调控制系统，其特征在于：控制器处理模块包括控制器，且控制器采用单片STC12C5A60S2处理芯片；通讯模块包括无线遥控器、田间导航定位系统，无线遥控器和田间导航定位系统分别与控制器连接；输入及显示模块包括触摸屏，触摸屏与控制器连接；报警指示模块包括蜂鸣器；触摸屏、蜂鸣器安装在自主喷雾机器人底盘上方且位于底盘后端。

3.如权利要求1所述的一种风送智能喷雾机器人喷雾协调控制系统，其特征在于：所述的电磁阀用来控制药液流量的开启和关闭，电动比例调节阀用来改变药液流量的大小；变频器用来调节轴流风机的风量；电磁阀、电动比例调节阀和变频器都与控制器连接。

4.如权利要求1所述的一种风送智能喷雾机器人喷雾协调控制系统，其特征在于：图像采集器安装在自主喷雾机器人底盘前端距离T型丝杆导轨滑台500mm处，用于提前采集作物图像信息并控制导轨电机动作；T型丝杆导轨滑台有效行程为900mm，且支架与风送系统初始位置在T型丝杆导轨滑台中间位置；风送系统的可调转动角度为360°，竖直可调角度为：仰角在60°范围内、俯角在30°范围内，风机风量2000m³/h—3500m³/h可调，初始正常工作情况下设定为2700m³/h。

5.使用如权利要求1所述的风送智能喷雾机器人喷雾协调控制系统进行施药的方法，其特征在于具体步骤如下：

(1)温湿度传感器实时检测作业环境的温度与湿度信息，并立即反馈给控制器，控制器根据实时检测的信号，做出是否进行喷雾作业的指示；

(2)接收到喷雾作业指示后，图像采集器开始采集作物图像并处理，而后根据预先设定的阈值立即开始判别作物的疏密，即冠层间隙大小，并将结果立即反馈给控制器，当判定为疏时，控制器将减小电动比例调节阀开口度降低药液流量，同时控制导轨电机带动支架往远离作物方向移动以增大喷头与作物之间的距离；当判定为密时，控制器将增大电动比例调节阀开口度提高药液流量，同时控制导轨电机带动支架往靠近作物方向移动以减小喷头与作物之间的距离；

(3)四个风速风向传感器所接收的外界自然风的风向信号并反馈给控制器，控制器综合四个信号信息并以此为依据控制推拉电机带动电动推拉杆调节喷头与作物的竖直喷雾角度，同时步进电机转动云台调节喷头与作物的水平喷雾角度；

(4)四个风速风向传感器所接收的外界自然风的风速信号并反馈给控制器，控制器综合四个信号信息并以此为依据调节变频器的频率从而调节轴流风机的风量，当外界风速较大时，增大轴流风机的风量；当外界风速较小时，轴流风机工作在设置的正常状态下。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤(1)中，对作业环境的温湿度都设定了限值，当温湿度低于限值时，控制器做出开始喷雾的指示；当温湿度高于限值时，蜂鸣器报警并立即停止喷雾作业。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于：当判定值在区间内则不需要做出改变；当判定值大于区间的上限认定作物冠层为密，控制器增大电动比例调节阀开口度提高药液流量，并控制导轨电机带动支架往靠近作物方向移动以减小喷头与作物之间的距离；当判定值小于区间的下限认定作物冠层为疏，控制器减小电动比例调节阀开口度降低药液流量，并控制导轨电机带动支架往远离作物方向移动以增大喷头与作物之间的距离；此外，控制器所控制导轨电机移动后的喷头与作物之间的距离要与激光测距传感器所测得的距离相等以保证调整的精确性，喷头初始正常工作状态下与作物之间的距离为1m。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤(3)中，控制器接收四个风速风向传感器所获得的外界自然风风向信号，四个风速风向传感器所接收的外界自然风的风向信号并反馈给控制器，控制器综合四个信号信息并以此为依据控制推拉电机带动电动推拉杆调节喷头与作物的竖直喷雾角度，同时步进电机转动云台调节喷头与作物的水平喷雾角度，此所需调节的水平与竖直喷雾角度都分别要与两个角度传感器所测得的角度相等以保证调整的精确性。

9.如权利要求5所述的方法，其特征在于：根据四个风速风向传感器所综合获得的外界自然风风向信号，在立体空间的三维坐标下，将风向划分为八个区域即三维坐标下的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ这八个卦限区域，其中坐标中心点是风送系统所在位置；在三维交界面xoy平面内即二维水平面内将风向划分为四个区域：前方，后方，左侧，右侧，在直角坐标系中表示为：45°～135°；135°～225°；225°～315°；315°～45°；其中因为八个区域是关于坐标中心点对称的，所以只对Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ这四个区域做具体的阐述，当风向来自Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ区域时，竖直喷雾角度应自适应的向上调节；其中当风向来自Ⅰ、Ⅳ区域时，水平喷雾角度应自适应的往前进方向的反方向调节；当风向来自Ⅱ、Ⅲ区域时，水平喷雾角度应自适应的往前进方向调节；其中在Ⅰ、Ⅱ区域时应自适应的增大风量；在Ⅲ、Ⅳ区域时应自适应的减小风量。