CN106857467A - 一种智能喷洒农药机及农药喷洒控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能喷洒农药机及农药喷洒控制方法，包括：底盘，其前端底部安装有转向轮，行驶机构，其固定在所述底盘后部，所述行驶机构左右两侧底部均安装有驱动行走轮；角度测量机构，其设置在所述底盘的中部，能够读取农药机的倾斜角度；喷洒机构，其设置在所述行走机构的后部，所述喷洒机构上固定有联排喷嘴；升降机构，其一端与所述连接机构的上部铰接，另一端与所述喷洒机构铰接；控制系统，其设置在所述底盘上，并与所述角度测量机构和喷洒机构连接，能够接收所述角度测量机构传递的信号，控制所述喷洒机构的角度和喷量。本农药机能够及时调整喷洒角度和喷洒农药的药量，提高喷洒效率。

Description

一种智能喷洒农药机及农药喷洒控制方法

技术领域

本发明涉及一种农药喷洒机，特别是一种智能喷洒农药机及农药喷洒控制方法。

背景技术

随着我国人口的不断增多，人们对粮食的需求也与日俱增。在粮食生产过程中，病虫防治是技术含量高、用工最多、劳动强度最大、风险控制最难的环节。许多病虫害具有夸区域欠费和流行的特点，还有一些爆发性和新发生的阴暗病虫危害较大，农民一家一户难以应对，常常出现漏治一点，危害一片的现象。加之农村劳动力外出打工，务农劳动力结构性短缺，病虫害防治成为当前农业遇到的最大问题。

我们国家是农业大国，目前，我国农业现代化建设的重要目标是发展高效、安全的现代生态农业。随着农业的发展，为防治农业病虫害，我国在农药用量呈逐渐增长的趋势，由于喷洒农药作业成本高，而且浪费严重，资源有效利用率低下，使作物产量和质量难以得到保障，同时带来严重的水土资源污染、生态系统失衡、农产品品质下降等问题，无法适应现代农业发展的节奏和要求。

随着科技的发展，现在的农业都趋向机械化，无人喷洒农药技术开始广泛应用在农业上面，无人喷洒农药技术对提高中国农作物病虫害防治机械化水平，实行统防统治的专业化服务，提高农业资源的利用率，增强突发性大面积病虫害防控能力具有重要的作用。

现有的农药喷洒机进行农药喷洒时，自动化程度低，不能实现远程控制，也很难实现随着农药机的行走和倾斜状态及时调整农药的喷洒喷洒量和喷嘴的高低以及喷洒角度，导致喷洒效率低，喷洒不准确。

发明内容

本发明设计开发了一种智能喷洒农药机，能够在农药喷洒过程中自动调节农药高度和喷洒角度，保证喷洒的精度，实现精准农药灌溉。

本发明的另一个发明目的是：提供一种农药喷洒控制方法，通过BP神经网络对农药喷洒过程中的增压泵压力和农药机的倾斜角度进行控制，保证农药喷洒的准确性。

本发明提供的技术方案为：

一种智能喷洒农药机，包括：

底盘，其前端底部安装有转向轮，

行驶机构，其固定在所述底盘后部，所述行驶机构左右两侧底部均安装有驱动行走轮；

角度测量机构，其设置在所述底盘的中部，能够读取农药机的倾斜角度；

喷洒机构，其设置在所述行驶机构的后部，所述喷洒机构上固定有联排喷嘴；

升降机构，其一端与所述行驶机构的上部铰接，另一端与所述喷洒机构铰接；

所述升降机构包括：

相互平行的上矩形框架和下矩形框架，其两端分别与所述行驶机构和所述喷洒机构铰接；所述下矩形框架的总量之间具有横梁；

电动推杆，其一端铰接在所述行驶机构上，另一端为伸出端铰接所述下矩形框架的横梁上；

控制系统，其设置在所述底盘上，并与所述角度测量机构和喷洒机构连接，能够接收所述角度测量机构传递的信号，控制所述喷洒机构的角度和喷量。

优选的是，所述行驶机构包括：

顶部框架；

两根竖直平行的纵梁，其固定在所述底盘和所述顶部框架之间；

两个纵框架，其固定在所述顶部框架的两端；所述纵框架底部固定驱动行走轮。

优选的是，所述喷洒机构包括：

上横梁和与其平行的下横梁组成的第一矩形框架；

所述上矩形框架铰接所述上横梁；所述下矩形框架铰接所述下横梁；

梯形侧边框，其铰接在所述第一矩形框架的两端，具有折叠和展开两种状态。

优选的是，所述控制系统包括控制柜和控制操作台，所述控制柜设置在所述底盘前端的座椅下方，所述控制操作台设置在所述底盘的最前端。

优选的是，所述座椅后部设置有动力源，能够为所述农药机的运行提供动力来源。

优选的是，所述行驶机构下部设置有农药罐，其与所述喷洒机构连接。

优选的是，所述控制系统能够通过网络与客户端进行连接，实现远程控制。

本发明还包括一种农药喷洒控制方法，使用一种智能喷洒农药机，包括以下步骤：

步骤一：根据采样周期，采用高度传感器、角度传感器、压力传感器以及流量传感器分别对农药机喷洒的参数进行测量，包括：农药机与农作物的高度L，农药机的倾斜角度α，与农药罐连接的增压泵的压力P以及联排喷嘴的流量Q；

步骤二、将上面所述参数依次进行归一化，并建立三层BP神经网络的输入层向量x＝{x₁,x₂,x₃,x₄}，其中，x₁为农药机与农作物的高度系数，x₂农药机的倾斜角度系数，x₃为增压泵的压力系统，x₄为联排喷嘴的流量系数；

步骤三、所述输入层向量映射到中间层，所述中间层向量y＝{y₁,y₂,…,y_m}；m为中间层节点的个数，满足其中n为输入层节点个数，p为中间层节点个数；

步骤四、得到输出层向量o＝{o₁,o₂}，其中o₁为农药流量调节系数，o₂为农药机角度调节系数；

步骤五、控制农药罐的增压泵压力调节系数和农药机的倾斜角度，使：

其中，分别为第i次采样周期的输出层参数，P_max为农药罐增压泵的最大压力，α_max为农药机的最大倾斜角度，P_(i+1)为第i+1个采样周期时的农药机增压泵的压力，α_(i+1)为第i+1个采样周期时农药机的倾斜角度。

优选的是，所述步骤二中进行归一化的公式为其中，为归一化处理的输入参数，x_j为测量参数L、α、P、Q，j＝1,2,3,4；x_jmax、x_jmin分别为相应测量参数中的最大测量值和最小测量值，采用S型函数。

本发明所述的有益效果：采用智能喷洒农药机对农作物进行喷洒，能够随着农药机的运行状态以及农作物的高度，及时调节农药机的喷洒角度和喷洒流量，实现精准喷灌，减少农药药剂的损失，提高了农药机的喷灌精度；同时能够实现无人驾驶，远程控制的功能，不仅节省农药开支，还能够减少劳动强度，减少劳动力成本，提高农作物的经济性。

附图说明

图1为本发明所述的智能喷洒农药机的结构示意图。

图2为本发明所述的智能喷洒农药机的侧视图示意图。

图3为本发明所述的智能喷洒农药机的俯视图。

图4为本发明所述的农药喷洒控制方法的控制策略图。

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1-4所示，本发明提供一种智能喷洒农药机，包括控制操作台110、底盘120、控制柜130、动力源140、农药罐150、行走机构160、升降机构170以及喷洒机构180。

控制系统设置在底盘120的前部，包括控制操作台110和与其电联的控制柜130，控制操作台110设置在底盘120的最前端，控制柜130位于座椅的下部，控制系统能够根据所喷洒的农作物的情况，设置农药机喷洒过程中的参数，控制农药机的喷洒过程。

在底盘120的中部，座椅底部，控制柜130的后部设置有角度测量机构，能够在农药机喷洒过程中随时测量农药机的倾斜角度。

行驶机构160包括顶部框架，两根竖直平行的的纵梁，其固定在底盘和所述顶部框架之间以及固定在顶部框架的两端的两个纵框架；纵框架底部固定驱动行走轮，由电机驱动，与底盘的转向轮组成三轮转向行走结构，实现农药机的三轮驱动，动力源140设置在座椅后方，农药罐150前方，并通过控制系统进行控制，实现农药机喷洒的智能行走与转向动作。动力源140与农药机的各电机连接，为农药机的运行提供动力来源。

作为一种优选，本发明的动力源采用汽油发电机。

升降机构170的一端与行驶机构160的上部铰接，另一端与喷洒机构铰接。升降机构170包括上矩形框和系矩形框，两个矩形框相互平行，并且他们的一端与行驶机构铰接，另一端与喷洒机构铰接，其中，下矩形框的纵梁之间连接有横梁。升降机构170还包括电动推杆171，其一端铰接在行驶机构上，另一端为伸出端铰接在下矩形框架的横梁上。

升降机构170在能够随着电动推杆171的伸出和缩回带动喷洒机构上升和下降。

作为一种优选，本发明采用200mm伸缩量的电动推杆，能够实现喷洒机构的高度在0.5m～1.7m间的任意调节。

喷洒机构180设置在行驶机构160的后部，与升降机构铰接。喷洒机构包括上横梁和与其平行的下横梁组成的第一矩形框架181；升降机构170的上矩形框架铰接喷洒机构180的上横梁，下矩形框架铰接下横梁；梯形侧边框183铰接在第一矩形框架的两端，具有折叠和展开两种状态。折叠机构182在电机的带动下使梯形侧边框183和第一矩形框架定铰接，能够在不使用时将梯形侧边框183折叠，节省占用空间。喷洒机构180上还固定有联排喷嘴，能够对农药进行喷洒。

农药罐150设置在底盘120上的后部，并位于行走机构160的下方，农药罐150与喷洒机构180连接，并且在农药罐150的外部连接有增压泵，能够增压给喷洒机构180进行喷洒。

控制操作台110能够通过网络与电脑或手机等客户端进行连接，能够及时将农药机的运行状况反馈给客户端，实现操作者对农药机运行状况的及时调整和远程控制，保证了农药喷洒的精确性。

本发明还提供一种农药喷洒控制方法，采用BP神经网络对农药喷洒过程进行调控，保证农药喷洒的精准性，具体包括如下过程：

步骤一S210：建立BP神经网络模型

构建三层BP神经网络，其中第一层为输入层，有n个节点，表示第二段烘干装置在工作时的n个检测信号。第二层为隐层，共m个节点，由神经网络的训练过程以自适应的方式确定。第三层为输出层，共p个节点，根据第二段烘干装置的实际输出的响应确定。

因此，本神经网络的数学模型为：

输入向量：x＝(x₁,x₂,...,x_n)^T

中间层向量：y＝(y₁,y₂,...,y_m)^T

输出向量：O＝(o₁,o₂,...,o_p)^T

本发明中，输入层节点数n＝4，输出层节点数为p＝2，中间层节点m通过估算

输入层的4个参数分别表示为：x₁为农药机与农作物的高度系数，x₂农药机的倾斜角度系数，x₃为增压泵的压力系统，x₄为联排喷嘴的流量系数。

由于输入层的个参数的量纲不同，因此，需要对输入层的各参数进行归一化处理，得到0-1之间的参数。

采用高度传感器测量农药机与农作物之间的高度L，进行归一化后得到高度系数L_min和L_max分别为农药机与农作物之间高度的最小值和最大值，并且W_Li为第i个高度传感器的权值，L_i′表示第i个高度测量的高度值，单位为m，n_L为温度传感器个数。

采用角度传感器测量农药机的倾斜角度，进行归一化得到倾斜角度系数α_min和α_max分别为农药机倾斜角度的最小值和最大值，并且其中，W_αi为第i个角度传感器的权值，α_i′表示第i个农药机倾斜角度的测量值，n_α为风量传感器个数。

采用压力传感器测量增压泵的压力P，进行归一化得到压力系数P_min和P_max分别为增压泵压力的最小值和最大值，并且，其中，W_Pi为第i个压力传感器的权值，P_i′表示第i个压力传感器测量的压力值，单位为Pa，n_P为重量传感器个数。

采用流量传感器测量联排喷嘴所喷农药的流量Q，进行归一化得到联排喷嘴的流量系数Q_min和Q_max分别为联排喷嘴所喷农药的流量的最小值和最大值，并且其中，W_Qi为第i个流量传感器的权值，Q_i′表示第i个流量传感器测量的流量值，单位为L/min，n_Q为流量传感器个数。

输出层向量o＝{o₁,o₂}，其中其中o₁为增压泵压力调节系数，o₂为农药机角度调节系数；

控制农药罐的增压泵压力调节系数和农药机的倾斜角度，使：

其中，分别为第i次采样周期的输出层参数，P_max为农药罐增压泵的最大压力，α_max为农药机的最大倾斜角度，P_(i+1)为第i+1个采样周期时的农药机增压泵的压力，α_(i+1)为第i+1个采样周期时农药机的倾斜角度。

根据第i次采样周期中的采样信号，判定i+1个采样周期时的农药机的运行状态，当输出o₁＝0，o₂＝1时，表示农药机运行正常；当o₁＝1，o₂＝0时，表示需要调整联排喷嘴的流量，当o₁＝1，o₂＝1时，表示需要调整农药机的角度。

步骤二S220，进行BP神经网络训练

根据历史经验数据获取训练的样本，并给定输入节点i和隐含层节点j之间的连接权值W_ij，隐层节点j和输出层节点k之间的连接权值W_jk，隐层节点j的阈值θ_j，输出层节点k的阈值θ_k、W_ij、W_jk、θ_j、θ_k均为-1到1之间的随机数。

在训练过程中，不断修正W_ij、W_jk的值，直至系统误差小于等于期望误差时，完成神经网络的训练过程。

如表1所示，给定了一组训练样本以及训练过程中各节点的值。

表1训练过程各节点值

步骤三S230、采集农药机运行参数输入神经网络得到的控制系数。

同时使用高度传感器、角度传感器、压力传感器、流量传感器测量初始参数值:L₀、α₀、P₀、Q₀，通过将上述参数进行归一化，得到BP神经网络的初始输入向量通过BP神经网络的运算得到初始输出向量

通过传感器获得第i个采样周期的农药机与农作物的高度L、农药机的倾斜角度α、增压泵的压力P以及联排喷嘴的流量Q，通过进行归一化得到第i个采样周期的输入向量通过BP神经网络的运算得到到第i个采样周期的输出向量控制农药罐的增压泵压力调节系数和农药机的倾斜角度，使:

步骤四S240、监测农药机喷洒农药的运行状态。

根据输出向量判断农药机运行状态，当输出o₁＝0，o₂＝1时，表示农药机运行正常；当o₁＝1，o₂＝0时，表示需要调整联排喷嘴的流量，当o₁＝1，o₂＝1时，表示需要调整农药机的倾斜角度。

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 (9)

1.一种智能喷洒农药机，其特征在于，包括：

底盘，其前端底部安装有转向轮；以及

行驶机构，其固定在所述底盘后部，所述行驶机构左右两侧底部均安装有驱动行走轮；

角度测量机构，其设置在所述底盘的中部，能够读取农药机的倾斜角度；

喷洒机构，其设置在所述行走机构的后部，所述喷洒机构上固定有联排喷嘴；

升降机构，其一端与所述行驶机构的上部铰接，另一端与所述喷洒机构铰接；

所述升降机构包括：

相互平行的上矩形框架和下矩形框架，其两端分别与所述行驶机构和所述喷洒机构铰接；所述下矩形框架的总量之间具有横梁；

电动推杆，其一端铰接在所述行驶机构上，另一端为伸出端铰接所述下矩形框架的横梁上；

控制系统，其设置在所述底盘上，并与所述角度测量机构和喷洒机构连接，能够接收所述角度测量机构传递的信号，控制所述喷洒机构的角度和喷量。

2.根据权利要求1所述的智能喷洒农药机，其特征在于，所述行驶机构包括：

顶部框架；

两根竖直平行的纵梁，其固定在所述底盘和所述顶部框架之间；

两个纵框架，其固定在所述顶部框架的两端；所述纵框架底部固定驱动行走轮。

3.根据权利要求1或2所述的智能喷洒农药机，其特征在于，所述喷洒机构包括：

上横梁和与其平行的下横梁组成的第一矩形框架；

所述上矩形框架铰接所述上横梁；所述下矩形框架铰接所述下横梁；

梯形侧边框，其铰接在所述第一矩形框架的两端，具有折叠和展开两种状态。

4.根据权利要求1所述的智能喷洒农药机，其特征在于，所述控制系统包括控制柜和控制操作台，所述控制柜设置在所述底盘前端的座椅下方，所述控制操作台设置在所述底盘的最前端。

5.根据权利要求4所述的智能喷洒农药机，其特征在于，所述座椅后部设置有动力源，能够为所述农药机的运行提供动力来源。

6.根据权利要求1所述的智能喷洒农药机，其特征在于，所述行驶机构下部设置有农药罐，其与所述喷洒机构连接。

7.根据权利要求2所述的智能喷洒农药机，其特征在于，所述控制系统能够通过网络与客户端进行连接，实现远程控制。

8.一种农药喷洒控制方法，使用权利要求1-7中任意一项所述的智能喷洒农药机，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：根据采样周期，采用高度传感器、角度传感器、压力传感器以及流量传感器分别对农药机喷洒的参数进行测量，包括：农药机与农作物的高度L，农药机的倾斜角度α，与农药罐连接的增压泵的压力P以及联排喷嘴的流量Q；

步骤二、将上面所述参数依次进行归一化，并建立三层BP神经网络的输入层向量x＝{x₁,x₂,x₃,x₄}，其中，x₁为农药机与农作物的高度系数，x₂农药机的倾斜角度系数，x₃为增压泵的压力系统，x₄为联排喷嘴的流量系数；

步骤三、所述输入层向量映射到中间层，所述中间层向量y＝{y₁,y₂,…,y_m}；m为中间层节点的个数，满足其中n为输入层节点个数，p为中间层节点个数；

步骤四、得到输出层向量o＝{o₁,o₂}，其中o₁为农药流量调节系数，o₂为农药机角度调节系数；

步骤五、控制农药罐的增压泵压力调节系数和农药机的倾斜角度，使：

$P_{(i+1)}=o_1^i{P}_{max}$

${\mathrm{\α}}_{(i+1)}=o_2^i{\mathrm{\α}}_{\max }$

其中，分别为第i次采样周期的输出层参数，P_max为农药罐增压泵的最大压力，α_max为农药机的最大倾斜角度，P_(i+1)为第i+1个采样周期时的农药机增压泵的压力，α_(i+1)为第i+1个采样周期时农药机的倾斜角度。

9.根据权利要求8所述的农药喷洒控制方法，其特征在于，所述步骤二中进行归一化的公式为其中，为归一化处理的输入参数，x_j为测量参数L、α、P、Q，j＝1,2,3,4；x_jmax、x_jmin分别为相应测量参数中的最大测量值和最小测量值，采用S型函数。