CN106561613A - 一种基于植株特征的风量自适应独立变量喷雾系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于植株特征的风量自适应独立变量喷雾系统及控制方法，它主要包括喷嘴、分流管、主水管、电磁阀、风机、风筒等风量自适应喷雾装置以及送风量与喷雾流量控制系统。激光传感器实时检测目标植株特征信息，控制系统根据目标植株的有无以及密度信息，结合速度传感器、压力传感器、流量传感器的反馈信息实时控制每个风机的送风量以及喷嘴的喷雾流量，由此实现基于植株特征变风量及变流量喷雾的目的。本发明可以提高农药的利用率，减轻农药对环境的污染，解决传统风量恒定、风机能耗过大的问题。

Description

一种基于植株特征的风量自适应独立变量喷雾系统及控制 方法
技术领域
本发明涉及一种喷雾系统，尤其是涉及一种基于植株特征的风量自适应独立变量喷雾系统及控制方法。
背景技术
随着我国农业机械化程度的不断提高，喷雾机作为农业生产的重要工具之一，近年来得到了快速发展。喷雾机的施药技术直接关系到防治效果和防治成本，影响环境和人体的健康。目前农业生产中使用的喷雾机存在很大的局限性，其不能很好的根据植株的高矮、疏密、距喷雾机的远近等特征合理的喷洒农药，由此造成的农药流失量大、农药喷洒不均匀等情况导致农药浪费、环境污染以及农作物上农药残留量大等弊端。
基于植株特征的风量自适应独立变量喷雾系统及控制方法可以对每个喷嘴中喷出的风量和流量进行独立控制，实现快速、高精度、宽角度对目标进行检测，在进行喷药作业时，风机风量随着目标距离喷雾机的远近进行变化，流量随着植株的疏密程度进行变化，由此实现精确的变风量变流量喷雾，克服了传统喷雾的不足，提高了农药的有效使用率，减少环境污染，保护人类健康。
发明内容
为了实现基于植株特征的变量喷雾目的，本发明给出一种基于植株特征的风量自适应独立变量喷雾系统及控制方法，可以根据目标植株的大小、疏密、距离远近等特征实现变风量变流量的独立精确喷雾，提高了喷雾利用率，解决了环境污染、安全隐患等问题。
本发明实现上述目的所采用的技术方案如下：
一种基于植株特征的风量自适应独立变量喷雾系统，其特征在于：包括风量自适应喷雾装置、送风量与喷雾流量控制系统；
所述风量自适应喷雾装置包括喷雾装置和风量调节装置；
所述喷雾装置包括喷嘴、分流管、水箱、药箱、混合室、水泵，计量泵、混合罐、电磁阀、主水管、药液水泵；水箱通过水泵与混合室相连，药箱通过计量泵与混合室相连，混合室连接到混合罐，混合罐与药液水泵相接后分成两个主水管分别与两组喷嘴连接，所述喷嘴均为独立喷嘴，将多个所述喷嘴分成两组，每个喷嘴分别固定于各个风筒中，两条主水管分别与两组喷嘴相连接，在主水管靠近各个喷嘴处均设有分流管，各分流管上均安装有电磁阀，药液经过分流管的电磁阀后流入喷嘴处；
所述风量调节装置包括风筒及风筒内部设有的风机，风机与风机驱动相连接，多个风筒分成两组，每组均匀安装在两根喷杆上，风筒口朝向外侧；
所述送风量与喷雾流量控制系统中包含速度传感器、压力传感器、流量传感器、电磁阀、嵌入式计算机、风机驱动；所述速度传感器安装于喷雾机底部，所述压力传感器安装于药液水泵和混合罐之间的水管上，所述流量传感器安装于药液水泵出水管上，所述速度传感器、压力传感器、流量传感器、风机驱动、电磁阀均与嵌入式控制器连接。
进一步所述送风量与喷雾流量控制系统不仅控制每个喷嘴的流量而且可以自适应调节各个风机的风量；所述电磁阀控制各个喷嘴喷雾流量输出大小，实现变量喷雾；风机驱动控制各个风机转速，实现独立控制风机风量。
进一步所述喷杆有两种安装方式：喷杆可以竖直安装于喷雾设备上，用于喷洒较为高大的植株；喷杆也可以横放水平安装于喷雾设备上，用于喷洒较为矮小的植株。
进一步所述风筒为喇叭状，风筒尾部安装有风机，风筒中部安装于固定喷杆上，喷嘴伸入到风筒前端，喷口和风筒口朝向一致。
进一步喷雾设备在进行喷雾作业时，激光传感器对植株的有无、高矮、远近和密度特征进行检测后，将信息传送给嵌入式计算机，计算机根据此数据以及速度传感器、压力传感器、流量传感器反馈的数据进行分析后将得到的结果传输给送风量与喷雾流量控制系统，最后送风量与喷雾流量控制系统据此信息结构迅速地做出调整措施；
当激光传感器检测到的植株与喷雾机距离较大时，送风量与喷雾流量控制系统迅速控制各个风机上电动机的转速，使得各个风机风速变大，增加药液的穿透力；
反之，当激光传感器检测到的植株与喷雾机距离较近时，送风量与喷雾流量控制系统迅速控制各个风机上电动机的转速，使得各个风机风速变小，减小药液漂移，减少能量的损失；
当激光传感器检测到的植株较为浓密时，喷雾控制系统依据各传感器回传的信息对各个喷嘴处的电磁阀进行PWM控制，增加喷雾流量；当激光传感器检测到的植株较为稀疏时，减小喷雾流量。
进一步根据药液水泵提供压力的大小和植株距离喷雾设备的远近决定风机的风量，当药液水泵提供的压力较小、植株距离较远时，需要适当的增加风机的转速从而提供更大的风量；当药液水泵提供的压力较大、植株距离较近时，需要适当的减小风机的转速从而减小风量。
本发明的采用上述技术方案后具有以下优点：
1、采用激光传感器能够精确的检测植株的有无、大小、形状、枝叶疏密、距喷嘴的远近等信息，实现精准喷雾；
2、每个风机独立控制，便于独立的调节风机风量的大小，枝叶稀疏时减少了雾滴漂移率，枝叶茂密时增加雾滴穿透性；
3、采用电磁阀采用PWM控制，响应速度快，实时控制喷雾流量大小，提高农药利用率；
4、各个喷嘴相互独立，在调节风量流量过程中互不影响。
附图说明
图1是基于高大植株的喷雾机水路和风送结构示意图；
图2是单个喷嘴结构示意图；
图3是基于地表植株的喷杆结构示意图；
图4是基于植株特征的风量自适应独立变量喷雾系统及控制方法原理图。
图中，1-水箱，2-水管，3-药箱，4-水泵，5-计量泵，6-混合室，7-混合罐，8-电磁阀，9-主水管，10-风机，11-喷嘴，12-分流管，13-固定喷杆，14-风筒，15-激光传感器，16-嵌入式计算机，17-速度传感器，18-压力传感器，19-流量传感器，20-药液水泵。
具体实施方式
下面结合附图和示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，一种基于植株特征的风量自适应独立变量喷雾系统及控制方法，包括风量自适应喷雾装置、送风量与喷雾流量控制系统；
一种基于植株特征的风量自适应独立变量喷雾系统，包括风量自适应喷雾装置、送风量与喷雾流量控制系统；
风量自适应喷雾装置包括喷雾装置和风量调节装置；
喷雾装置包括喷嘴11、分流管12、水箱1、药箱3、混合室6、水管2、水泵4，计量泵5、混合罐7、电磁阀8、主水管9、药液水泵20等装置，水箱1经过水泵4与混合室6相连接，药箱3通过计量泵5与混合室6相连接，混合室6连接到混合罐7，混合罐7与药液水泵20相接后分成两个主水管9分别与两组喷嘴连接，所述喷嘴11均为独立喷嘴，将20个所述喷嘴11分成两组，每组分别10个喷嘴11，每个喷嘴分别固定于各个风筒14中，两条主水管9分别与两组喷嘴相连接，在主水管9靠近各个喷嘴11处均设有分流管12，各分流管12上均安装有电磁阀8，药液经过分流管12的电磁阀8后流入喷嘴处。风量调节装置包括风机10、风筒14，风量调节装置与风机驱动相连接，20个风筒14分成两组，每组10个均匀安装在两根喷杆上，风筒口朝向外侧，20个风机10分别安装在风筒底侧，喷雾装置的20个喷嘴则分别安装在风筒前侧。所述送风量与喷雾流量控制系统中包含速度传感器17、压力传感器18、流量传感器19、电磁阀8、嵌入式计算机16、风机驱动；所述速度传感器17安装于喷雾机底部，所述压力传感器18安装于药液水泵20和混合罐7之间的水管上，所述流量传感器19安装于药液水泵20出水管上，所述速度传感器17、压力传感器18、流量传感器19、风机驱动、电磁阀8均与嵌入式控制器连接。
所述风筒14为喇叭状，风筒14尾部安装有风机10，风筒14中部安装于固定喷杆13上，喷嘴11伸入到风筒14前端。
所述送风量与喷雾流量控制系统不仅控制每个喷嘴的流量而且可以自适应调节各个风机的风量；所述电磁阀8控制各个喷嘴11喷雾流量输出大小，实现变量喷雾；风机驱动控制各个风机转速，实现独立控制风机风量。
所述激光传感器安装于喷雾设备上，且置于两排喷杆正前方，喷雾设备在进行喷雾作业时，激光传感器15对植株的有无、高矮、远近和密度特征进行检测后，将信息传送给嵌入式计算机16，计算机根据此数据以及速度传感器、压力传感器、流量传感器反馈的数据进行分析后将得到的结果传输给送风量与喷雾流量控制系统，最后送风量与喷雾流量控制系统据此信息结构迅速地做出调整措施。采用风机驱动降低了硬件成本且响应速度快。当激光传感器15检测到的植株与喷雾机距离较大时，送风量与喷雾流量控制系统迅速控制各个风机上电动机的转速，使得各个风机风速变大，增加药液的穿透力；反之，当激光传感器15检测到的植株与喷雾机距离较近时，送风量与喷雾流量控制系统迅速控制各个风机上电动机的转速，使得各个风机风速变小，减小药液漂移，减少能量的损失。当激光传感器15检测到的植株较为浓密时，喷雾控制系统依据各传感器回传的信息对各个喷嘴处的电磁阀进行PWM控制，增加喷雾流量；当激光传感器15检测到的植株较为稀疏时，减小喷雾流量；
根据药液水泵20提供压力的大小和植株距离喷雾设备的远近决定风机的风量，当药液水泵20提供的压力较小、植株距离较远时，需要适当的增加风机的转速从而提供更大的风量；当药液水泵20提供的压力较大、植株距离较近时，需要适当的减小风机的转速从而减小风量。
如图2所示，单个喷嘴结构图。喷嘴内部喷嘴与装有电磁阀的水流软管相连接，此水流软管是主水管的一个很小的分支，其不会对主水管为其他喷嘴供水造成影响，便于实时控制喷雾流量大小，风机安装在喷嘴后方实现风送，且每个风机都由单独的风机驱动，实现单独控制，不会互相影响。喷嘴喷出扇形水幕，在植株上形成线形区域。
如图3所示，地表植株喷雾机结构图。此实施方案将图1中两排竖直喷杆水平安装于喷雾装置上，且喷嘴的个数可以随着实际需要适当的增加或减少，喷嘴11方向向下，水路系统和图1中一样，由此实现对地表植株或者低矮植株进行喷雾作业，激光传感器15安装在与两排喷杆同一水平线的固定支架上，且置于喷嘴之前，此固定支架于喷雾车相连接，用于提前准确检测目标植株的三维特征信息。
如图4所示，基于植株特征的风量自适应独立变量喷雾系统及控制方法。将检测到的信息传输给嵌入式计算机16进行分析处理，并将结果传输到喷雾控制中，喷雾控制系统再根据此信息对风机风量和喷雾流量做出迅速的调整，实现精确喷雾。此喷雾机具体工作过程如下：首先激光传感器实时地对两侧目标植株的有无，高矮，稀疏以及距喷嘴的远近等信息进行扫描，然后将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得到的结果传输给整个喷雾控制系统，最后喷雾控制系统据此信息结构迅速地做出调整措施。当激光传感器检测到的植株与喷雾机距离较大时，送风量与喷雾流量控制系统迅速控制各个风机上电动机的转速，使得各个风机风速变大，增加药液的穿透力；反之，当激光传感器检测到的植株与喷雾机距离较近时，送风量与喷雾流量控制系统迅速控制各个风机上电动机的转速，使得各个风机风速变小，减小药液漂移，减少能量的损失。当激光传感器检测到的植株较为浓密时，喷雾控制系统依据各传感器回传的信息对各个喷嘴处的电磁阀进行PWM控制，增加喷雾流量；反之，当激光传感器检测到的植株较为稀疏时，则电磁阀控制减小喷雾流量。如此反复，完成植株施药作业，实现基于植株目标特征自适应调节风量的风送式变量控制系统。此系统结构简单、控制过程响应速度快，实时性好、控制简单，能够很好地实现针对植株局部特征进行独立风量和流量的调节，植株枝叶稀疏部分减少了雾滴的漂移，植株枝叶茂盛部分加大了雾滴的穿透性，提高了了农药的使用率。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种基于植株特征的风量自适应独立变量喷雾系统，其特征在于：包括风量自适应喷雾装置、送风量与喷雾流量控制系统；
风量自适应喷雾装置包括喷雾装置和风量调节装置；
喷雾装置包括喷嘴(11)、分流管(12)、水箱(1)、药箱(3)、混合室(6)、水泵(4)，计量泵(5)、混合罐(7)、电磁阀(8)、主水管(9)、药液水泵(20)；水箱(1)通过水泵(4)与混合室(6)相连，药箱(3)通过计量泵(5)与混合室(6)相连，混合室(6)连接到混合罐(7)，混合罐(7)与药液水泵(20)相接后分成两个主水管(9)分别与两组喷嘴连接，所述喷嘴(11)均为独立喷嘴，将多个所述喷嘴(11)分成两组，每个喷嘴分别固定于各个风筒(14)中，两条主水管(9)分别与两组喷嘴相连接，在主水管(9)靠近各个喷嘴(11)处均设有分流管(12)，各分流管(12)上均安装有电磁阀(8)，药液经过分流管(12)的电磁阀(8)后流入喷嘴处；
风量调节装置包括风筒(14)及风筒内部设有的风机(10)，风机(10)与风机驱动相连接，多个风筒(14)分成两组，每组均匀安装在两根喷杆上，风筒口朝向外侧；
所述送风量与喷雾流量控制系统中包含速度传感器(17)、压力传感器(18)、流量传感器(19)、电磁阀(8)、嵌入式计算机(16)、风机驱动；所述速度传感器(17)安装于喷雾机底部，所述压力传感器(18)安装于药液水泵(20)和混合罐(7)之间的水管上，所述流量传感器(19)安装于药液水泵(20)出水管上，所述速度传感器(17)、压力传感器(18)、流量传感器(19)、风机驱动、电磁阀(8)均与嵌入式控制器连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于植株特征的风量自适应独立变量喷雾系统，其特征在于，所述送风量与喷雾流量控制系统不仅控制每个喷嘴的流量而且可以自适应调节各个风机的风量；所述电磁阀(8)控制各个喷嘴(11)喷雾流量输出大小，实现变量喷雾；风机驱动控制各个风机转速，实现独立控制风机风量。
3.根据权利要求1所述的一种基于植株特征的风量自适应独立变量喷雾系统，其特征在于，所述喷杆(13)有两种安装方式：喷杆可以竖直安装于喷雾设备上，用于喷洒较为高大的植株；喷杆也可以横放水平安装于喷雾设备上，用于喷洒较为矮小的植株。
4.根据权利要求1所述的一种基于植株特征的风量自适应独立变量喷雾系统，其特征在于，所述风筒(14)为喇叭状，风筒(14)尾部安装有风机(10)，风筒(14)中部安装于固定喷杆(13)上，喷嘴(11)伸入到风筒(14)前端，喷口和风筒口朝向一致。
5.根据权利要求1所述的一种基于植株特征的风量自适应独立变量喷雾控制方法，其特征在于，喷雾设备在进行喷雾作业时，激光传感器(15)对植株的有无、高矮、远近和密度特征进行检测后，将信息传送给嵌入式计算机(16)，计算机根据此数据以及速度传感器(17)、压力传感器(18)、流量传感器(19)反馈的数据进行分析后将得到的结果传输给送风量与喷雾流量控制系统，最后送风量与喷雾流量控制系统据此信息结构迅速地做出调整措施；
当激光传感器(15)检测到的植株与喷雾机距离较大时，送风量与喷雾流量控制系统迅速控制各个风机上电动机的转速，使得各个风机风速变大，增加药液的穿透力；
反之，当激光传感器(15)检测到的植株与喷雾机距离较近时，送风量与喷雾流量控制系统迅速控制各个风机上电动机的转速，使得各个风机风速变小，减小药液漂移，减少能量的损失；
当激光传感器(15)检测到的植株较为浓密时，喷雾控制系统依据各传感器回传的信息对各个喷嘴处的电磁阀进行PWM控制，增加喷雾流量；当激光传感器(15)检测到的植株较为稀疏时，减小喷雾流量。
6.根据权利要求5所述的一种基于植株特征的风量自适应独立变量喷雾控制方法，其特征在于，根据药液水泵(20)提供压力的大小和植株距离喷雾设备的远近决定风机的风量，当药液水泵(20)提供的压力较小、植株距离较远时，需要适当的增加风机的转速从而提供更大的风量；当药液水泵(20)提供的压力较大、植株距离较近时，需要适当的减小风机的转速从而减小风量。
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