CN108782517B - 一种智能仿形喷药架及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种智能仿形喷药架及其使用方法，其中，探测系统用于提前采集并分析喷药机行进道路两侧目标植株的特征形状和位置信息；控制系统与所述探测系统连接，配药控制模块用于根据病虫害种类及生长阶段，发出药液调配控制信号，调向控制模块用于根据植株位置和形状信息，发出喷药方向控制信号；超声雾化喷洒系统与控制系统的配药控制模块连接，用于根据配药控制信号，使多路阀药箱自动调配药液，进行超声雾化和喷洒操作；对靶仿形系统，与控制系统的调向控制模块连接，用于根据云台控制信号，调整喷药方向，作对靶仿形工作。本发明所提供的技术方案，可以实现提升喷药机具工作效率、提高农药的有效利用率和增强机具的自动化水平的效果。

Description

一种智能仿形喷药架及其使用方法

技术领域

本发明涉及农用机械领域，尤其涉及一种智能仿形喷药架及其使用方法。

背景技术

随着现代化进程的不断加快，农业的现代化技术不断发展，中小型车载式喷雾技术开始逐步应用在农业生产上，在大型的农田和果园中进行农药的喷洒。但是这种车载式喷雾技术也存在着诸多问题:首先，对于不同的植物来说可能存在着施肥、喷洒农药以及浇水等多方面需求，而传统车载式喷雾技术只能重复作业，效率较低。其次，传统车载式喷雾往往采用大容量淋洗式连续喷雾，其中80%～85%的农药流失至周围环境，农药利用率极低，造成了资源的浪费。同时，在植物不同的生长期，病虫害重点部位可能发生变化，如由上叶面转为下叶面，对于固定方向的喷药作业来说，防治效果大大降低。由此可见，目前喷药技术存在着很多不足和缺陷，亟待进一步改进。

发明内容

本发明针对现有产品的不足，提供一种智能仿形喷药架及其使用方法，可以实现提升喷药机具工作效率、提高农药的有效利用率和增强机具的自动化水平的效果。

本发明的技术方案是：一种智能仿形喷药架，其特征是，包括底部的行走机构以及置于行走机构之上的底盘，所述底盘上设有探测系统、控制系统、超声雾化喷洒系统、对靶仿形系统、能源系统，所述能源系统与所述探测系统、控制系统、超声雾化喷洒系统、对靶仿形系统连接，用于提供能源；所述探测系统包括两个激光测距传感器、一根可调节延长杆和数据处理模块，所述控制系统包括配药控制模块、调向控制模块，所述超声雾化喷洒系统包括多路阀药箱、超声雾化单元、压力单元、两个柔性喷药导管、若干喷嘴，所述对靶仿形系统包括两个喷药杆、若干二自由度舵机云台，两个喷药杆分别连接于底盘两侧；

所述可调节延长杆的一端与底盘前端铰接，两个激光测距传感器分别安装于可调节延长杆另一端的水平两侧，并分别指向行进道路两侧的植株，且两个激光测距传感器通过数据处理模块分别连接调向控制模块；所述多路阀药箱由多路阀、原料腔和成药腔构成，所述配药控制模块与多路阀连接，所述多路阀分别连接原料腔和成药腔；所述配药控制模块根据病虫害种类及植株生长阶段，发出药液调配控制信号，所述多路阀根据所述配药控制模块的控制信号，控制原料腔的各腔室至成药腔供药管路的通断，实现药液成分的自动调配；

所述成药腔连接压力单元，所述压力单元与所述超声雾化单元相连，所述超声雾化单元与所述柔性喷药导管相连，所述柔性喷药导管上安装有若干喷嘴，且所述柔性喷药导管依附固定于所述喷药杆上，所述喷嘴通过二自由度舵机云台安装在所述喷药杆上，所述调向控制模块分别连接各个二自由度舵机云台的舵机； 所述激光测距传感器检测植株外形信息，通过数据处理模块处理计算出植株特征形状和中轴位置，然后将信号传送给调向控制模块，调向控制模块根据控制信号通过舵机控制云台在水平和垂直面内转动，随计算的植株中轴位置和特征形状作仿形转动。

进一步地，所述成药腔内设置有搅拌装置，将经由多路阀调配的药液充分搅拌后，供给至喷药导管。

进一步地，所述喷药杆由三段连杆通过两个铰接装置连接而成，所述调向控制模块分别连接两个铰接装置，调向控制模块根据激光测距传感器采集的信息，通过控制铰接装置改变喷药杆中三个连杆之间的角度（铰接装置为手动调节角度，角度以棘轮机构固定），调节长短，通过对上铰接处角度的控制，优化喷药覆盖面，通过对下铰接处角度的控制可以对辣椒、西红柿、西葫芦等低矮植株近距离喷药。

进一步地，所述原料腔的腔室数量与多路阀的阀门数量一致，并一一对应连接。

进一步地，所述行走机构为可升降式结构。

进一步地，所述二自由度舵机云台共有16个，平均分布于两个喷药杆上；每个云台配备一个垂直自由度舵机和一个水平自由度舵机，由一块32路舵机控制板集中控制，该舵机控制板置于调向控制模块内。

进一步地，所述压力单元与控制系统的调向控制模块连接，在二自由度舵机云台准备快速换向指向下一植株时，停止压力单元压力供应，使得喷药作业暂停，当二自由度舵机云台指向下一植株并进入有效喷药范围内时，恢复压力供应，继续喷药作业。

进一步地，所述超声雾化喷洒系统的喷嘴与所述对靶仿形系统的二自由度舵机云台通过定位孔连接，所述二自由度舵机云台安装在所述喷药架机构上，通过舵机控制云台在水平和垂直面内转动，调整喷头方向，完成对靶仿形喷药作业。

进一步地，所述探测系统的激光测距传感器安装在延长杆伸长端，垂直于行进道路，指向两侧植株，所述激光测距传感器检测树形信息，处理计算出植株特征形状和中轴位置后传送给控制系统，二自由度舵机云台的仰角在喷药前根据植物生长周期和病虫害种类设定，水平方向上，在喷药机组行进过程中，根据控制系统信号，随植株计算中轴位置和树形作仿形转动。

上述智能仿形喷药架的使用方法，其特征是，包括以下步骤：

1）首先根据植物不同的生长期、病虫害重点部位，设定所需药液成分、云台仰角，将该数据分别发送给控制系统的配药控制模块与调向控制模块；配药控制模块发出相应的通断信号给多路阀，多路阀控制原料腔中的各腔室至成药腔供药管路的通断，进行药液调配，配好的药液储存在成药腔内自动搅拌；同时，调向控制模块发出转动信号给二自由度舵机云台的垂直自由度舵机，使云台及安装于云台上的喷嘴在垂直面内转动至指定位置；

2）然后启动行走机构（该行走机构为可升降式结构，即底盘可升降，启动行走机构时，可对底盘进行自动升降），位于可调节延长杆端部的激光测距传感器实时探测行进道路两侧待喷药植株冠层与其距离，数据传至数据处理模块，计算出植株冠层断面特征形状和中轴位置，并简化为近似的椭圆；然后将结果发送至调向控制模块，调向控制模块根据探测系统数据向二自由度舵机云台的水平自由度舵机发出旋转控制信号，使云台和喷嘴在水平面内，仿照树形始终以指向植株中轴的方式旋转，并在喷药杆移动至两植株间隙处快速换向指向下一植株的中轴；

3）与此同时，超声雾化单元和压力单元将成药腔中的药液雾化后，沿柔性喷药导管输送至喷嘴处进行喷药操作；另外，能源系统不间断给探测系统、控制系统、超声雾化喷洒系统、对靶仿形系统提供能源；

4）可对压力单元增加控制，与控制系统的调向控制模块连接，在在二自由度舵机云台准备快速换向指向下一植株时，停止压力单元压力供应，使得喷药作业暂停，当二自由度舵机云台指向下一植株并进入有效喷药范围内时，恢复压力供应，继续喷药作业，可以进一步节约药液资源。

本发明中的探测系统用于提前采集并分析喷药机行进道路两侧目标植株的特征形状和位置信息；控制系统与所述探测系统连接，配药控制模块用于根据病虫害种类及生长阶段，发出药液调配控制信号，调向控制模块用于根据植株位置和形状信息，发出喷药方向控制信号；超声雾化喷洒系统与控制系统的配药控制模块连接，用于根据配药控制信号，使多路阀药箱自动调配药液，进行超声雾化和喷洒操作；对靶仿形系统，与控制系统的调向控制模块连接，用于根据云台控制信号，调整喷药方向，作对靶仿形工作。

本发明所提供的技术方案，可以实现提升喷药机具工作效率、提高农药的有效利用率和增强机具的自动化水平的效果。

附图说明

图1为本发明实施例提供的智能仿形喷药架结构框图；

图2为本发明实施例结构示意图；

图3为图2的俯视图；

图4为本发明实施例提供的流程图；

图5为云台与喷头连接处结构图（复位状态）；

图6为云台与喷头连接处结构图（转动状态）；

图7为数据处理模块计算植株冠层断面特征形状和中轴位置的流程图；

图中：10探测系统、20控制系统、30超声雾化喷洒系统、40对靶仿形系统、50能源系统、1成药腔、2多路阀、3喷药杆、4柔性喷药导管、5二自由度舵机云台、6喷嘴、7激光测距传感器、8可调节延长杆、9超声雾化单元、11压力单元、12行走机构、13底盘、14铰接装置、15舵机架、16舵机1、17舵机2、18喷嘴架。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在更加详细地讨论实施方式之前应当提到的是，虽然实施例流程图讲各步骤描述成顺序的处理，但其中的许多步骤可以并行地、并发地或者同时实施。此外，各步骤的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被停止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应与方法、函数、规程、子例程、子程序等等。

图1是本发明提供的智能仿形喷药架结构框图，如图1所示，所述智能仿形喷药架，包括：

探测系统10，包括两个激光测距传感器7、一根可调节延长杆8和数据处理模块，用于提前采集并分析喷药机行进道路两侧目标植株的特征形状和位置信息；

控制系统20，与所述探测系统10连接，包括配药控制模块21与调向控制模块22，配药控制模块用于根据病虫害种类及生长阶段，发出药液调配控制信号，调向控制模块用于根据植株位置和形状信息，发出喷药方向控制信号；

超声雾化喷洒系统30，与所述控制系统20的配药模块21连接，包括多路阀药箱、超声雾化单元、压力单元、喷药导管、喷嘴，用于根据配药控制模块21的控制信号，使多路阀药箱自动调配药液，进行超声雾化和喷洒操作；

对靶仿形系统40，与所述控制系统20的调向模块22连接，包括喷药架机构、二自由度舵机云台，用于根据调向模块22的控制信号，调整喷药方向，作对靶仿形工作；

能源系统50，与所述探测系统10、控制系统20、超声雾化喷洒系统30、对靶仿形系统40连接，用于提供能源。

参照图2、3，一种智能仿形喷药架，包括：成药腔1、多路阀2、铰接的喷药杆3、柔性喷药导管4、二自由度舵机云台5、喷嘴6、激光测距传感器7、可调节延长杆8、控制系统20、超声雾化单元9、压力单元11（该压力单元为风机）、能源系统50。

其中，超声雾化喷洒系统30的喷嘴6与所述对靶仿形系统40的二自由度舵机云台5通过两个同轴定位孔连接，所述二自由度舵机云台用螺栓固定安装在所述喷药架机构上，通过两个舵机分别控制云台在水平和垂直面内的转动，从而调整喷头方向，完成对靶仿形动作。如图5、6所示，控制水平面转动的舵机1（16）安装于喷药杆，舵机架15用于固定控制垂直面转动的舵机2（17），舵机架姿态由舵机1控制；喷嘴通过喷嘴架18与柔性喷药导管相连，其姿态由舵机2控制。其中，探测系统10的激光测距传感器7固定安装在可调节延长杆8伸长端，可调节延长杆8另一端铰接安装在底盘上，激光测距传感器7垂直于行进道路，水平指向两侧植株，可调节延长杆可以调节长度，也可在垂直面内，绕安装端转动（可调节延长杆为手动延长，该杆本身即伸缩杆，转动也为手动调节，角度以棘轮机构固定）。

其中，对靶仿形系统的二自由度舵机云台共有16个，包含32块舵机，每个云台配备一个垂直自由度舵机和一个水平自由度舵机，由一块32路舵机控制板集中控制。

其中，喷药杆3采用三段铰接式，可调节长短，通过对上铰接处角度的控制，优化喷药覆盖面，通过对下铰接处角度的控制可以对辣椒、西红柿、西葫芦等低矮植株近距离喷药。

其中，多路阀药箱由多路阀、原料腔和成药腔构成，原料腔若干原料单元至成药腔管路由多路阀控制，多路阀根据控制系统配药模块的信号，控制原料腔若干单元至成药腔供药管路的通断，实现药液成分的自动调配，成药腔内设置有搅拌装置（该搅拌装置为机械搅拌器，依靠搅拌器在成药腔中转动，对液体进行搅拌，搅拌器由电机带动，电机采用时间控制），将经由多路阀调配的药液充分搅拌后，供给至喷药导管。

本实施例中，智能仿形喷药架可固定安装在某种在自动行走机构上。其工作流程为：

首先根据植物不同的生长期，病虫害重点部位，设定所需药液成分、云台仰角（即根据人工经验输入药液成分和仰角），将控制信号分别发送给控制系统20的配药控制模块与调向控制模块，配药控制模块发出相应通断信号给多路阀2，多路阀控制药箱中原料腔若干单元至成药腔1供药管路的通断，进行药液调配，配好的药液储存在药箱的成药腔内自动搅拌。调向控制模块发出转动信号给二自由度舵机云台5的垂直自由度舵机，使云台5及安装于云台5上的喷头6在垂直面内转动至指定位置。

然后启动行走机构，位于可调节延长杆8端部的激光测距传感器7实时探测行进道路两侧待喷药植株冠层与其距离，数据传至处理模块，计算出植株冠层断面特征形状和中轴位置，并简化为近似的椭圆（如图7所示，以激光测距传感器所在高度水平面为植株断层面，激光测距传感器扫描植株最近距离，获得一系列点的距离（植株距离测距传感器最近的点），绘制成图7中的第二幅图，去除因树叶间隙等产生的不合理内嵌点（滤波）获得图7中的第三幅图，最后用椭圆方程拟合，转化为近似的椭圆，以椭圆中心为计算中轴位置。），结果发送至控制系统的调向控制模块，调向控制模块根据探测系统数据向二自由度舵机云台5的水平自由度舵机发出旋转控制信号，使云台5和喷头6在水平面内，仿照树形始终以指向植株中轴的方式旋转，并在喷药架机构3移动至两植株间隙处快速换向指向下一植株的中轴。

与此同时，超声雾化单元9和压力单元11将药箱1中的药液雾化后，沿喷药导管4输送至喷嘴6处进行喷药操作。

与此同时，能源系统50不间断给探测系统10、控制系统20、超声雾化喷洒系统30、对靶仿形系统40提供能源。

在本实施例中，可对压力单元增加控制，与控制系统连接，在两自由度舵机云台快速换向时停止压力单元压力供应，使得喷药作业暂停，当云台指向下一植株并进入有效喷药范围内时恢复压力供应，继续喷药作业。可以进一步节约药液资源。

Claims (8)

1.一种智能仿形喷药架，其特征是，包括底部的行走机构（12）以及置于行走机构之上的底盘（13），所述底盘上设有探测系统（10）、控制系统（20）、超声雾化喷洒系统（30）、对靶仿形系统（40）、能源系统（50），所述能源系统与所述探测系统、控制系统、超声雾化喷洒系统、对靶仿形系统连接，用于提供能源；所述探测系统包括两个激光测距传感器（7）、一根可调节延长杆（8）和数据处理模块，所述控制系统包括配药控制模块、调向控制模块，所述超声雾化喷洒系统包括多路阀药箱、超声雾化单元（9）、压力单元（11）、两个柔性喷药导管（4）、若干喷嘴（6），所述对靶仿形系统包括两个喷药杆（3）、若干二自由度舵机云台（5），两个喷药杆分别连接于底盘两侧；

所述可调节延长杆的一端与底盘前端铰接，两个激光测距传感器分别安装于可调节延长杆另一端的水平两侧，并分别指向行进道路两侧的植株，且两个激光测距传感器通过数据处理模块分别连接调向控制模块；所述多路阀药箱由多路阀（2）、原料腔和成药腔（1）构成，所述配药控制模块与多路阀连接，所述多路阀分别连接原料腔和成药腔；所述配药控制模块根据病虫害种类及植株生长阶段，发出药液调配控制信号，所述多路阀根据所述配药控制模块的控制信号，控制原料腔的各腔室至成药腔供药管路的通断，实现药液成分的自动调配；

所述成药腔连接压力单元，所述压力单元与所述超声雾化单元相连，所述超声雾化单元与所述柔性喷药导管相连，所述柔性喷药导管上安装有若干喷嘴，且所述柔性喷药导管依附固定于所述喷药杆上，所述喷嘴通过二自由度舵机云台安装在所述喷药杆上，所述调向控制模块分别连接各个二自由度舵机云台的舵机； 所述激光测距传感器检测植株外形信息，通过数据处理模块处理计算出植株特征形状和中轴位置，然后将信号传送给调向控制模块，调向控制模块根据控制信号通过舵机控制云台在水平和垂直面内转动，随计算的植株中轴位置和特征形状作仿形转动。

2.根据权利要求1所述的一种智能仿形喷药架，其特征是，所述成药腔内设置有搅拌装置，将经由多路阀调配的药液充分搅拌后，供给至喷药导管。

3.根据权利要求1所述的一种智能仿形喷药架，其特征是，所述喷药杆由三段连杆通过两个铰接装置（14）连接而成，所述调向控制模块分别连接两个铰接装置，调向控制模块根据激光测距传感器采集的信息，通过控制铰接装置改变喷药杆中三个连杆之间的角度，优化喷药覆盖面。

4.根据权利要求1所述的一种智能仿形喷药架，其特征是，所述原料腔的腔室数量与多路阀的阀门数量一致，并一一对应连接。

5.根据权利要求1所述的一种智能仿形喷药架，其特征是，所述行走机构为可升降式结构。

6.根据权利要求1所述的一种智能仿形喷药架，其特征是，所述二自由度舵机云台共有16个，平均分布于两个喷药杆上；每个云台配备一个垂直自由度舵机和一个水平自由度舵机，由一块32路舵机控制板集中控制，该舵机控制板置于调向控制模块内。

7.根据权利要求1所述的一种智能仿形喷药架，其特征是，所述压力单元与控制系统的调向控制模块连接，在二自由度舵机云台准备快速换向指向下一植株时，停止压力单元压力供应，使得喷药作业暂停，当二自由度舵机云台指向下一植株并进入有效喷药范围内时，恢复压力供应，继续喷药作业。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的智能仿形喷药架的使用方法，其特征是，包括以下步骤：

1）首先根据植物不同的生长期、病虫害重点部位，设定所需药液成分、云台仰角，将该数据分别发送给控制系统的配药控制模块与调向控制模块；配药控制模块发出相应的通断信号给多路阀，多路阀控制原料腔中的各腔室至成药腔供药管路的通断，进行药液调配，配好的药液储存在成药腔内自动搅拌；同时，调向控制模块发出转动信号给二自由度舵机云台的垂直自由度舵机，使云台及安装于云台上的喷嘴在垂直面内转动至指定位置；

2）然后启动行走机构，位于可调节延长杆端部的激光测距传感器实时探测行进道路两侧待喷药植株冠层与其距离，数据传至数据处理模块，计算出植株冠层断面特征形状和中轴位置，并简化为近似的椭圆；然后将结果发送至调向控制模块，调向控制模块根据探测系统数据向二自由度舵机云台的水平自由度舵机发出旋转控制信号，使云台和喷嘴在水平面内，仿照树形始终以指向植株中轴的方式旋转，并在喷药杆移动至两植株间隙处快速换向指向下一植株的中轴；

3）与此同时，超声雾化单元和压力单元将成药腔中的药液雾化后，沿柔性喷药导管输送至喷嘴处进行喷药操作；另外，能源系统不间断给探测系统、控制系统、超声雾化喷洒系统、对靶仿形系统提供能源；

4）可对压力单元增加控制，与控制系统的调向控制模块连接，在在二自由度舵机云台准备快速换向指向下一植株时，停止压力单元压力供应，使得喷药作业暂停，当二自由度舵机云台指向下一植株并进入有效喷药范围内时，恢复压力供应，继续喷药作业，可以进一步节约药液资源。

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