CN109156316A - 适用非标准形状种植区的喷灌方案的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用非标准形状种植区的喷灌方案的设计方法，属于喷灌技术领域，包括步骤：A、获取种植区边界形状的数据，并确定喷灌原点，喷灌原点为喷灌装置在种植区的位置点；B、取任意一条由喷灌原点发出的射线作为基线，计算边界形状上不同的点到原点的距离d以及该点与喷灌原点所在的直线与基线之间的角度ψ；C、根据距离d计算喷灌装置的喷水的仰角α，得到角度ψ与仰角α的关系；D、以角度ψ为喷灌装置的水平旋转角度，根据角度ψ与仰角α的关系使喷灌装置喷水时边旋转边调节仰角。本发明通过逆向参数化计算获得的数学关系，使得喷灌形状与种植区边界形状基本相同，能够兼顾种植区的边角等不易喷灌到的位置，且有利于节约水资源。

Description

适用非标准形状种植区的喷灌方案的设计方法

技术领域

本发明属于喷灌技术领域，更具体地说，是涉及一种适用非标准形状种植区的喷灌方案的设计方法。

背景技术

喷灌是利用机械和动力设备，使具有一定压力的水通过喷头(或喷嘴)喷射至空中，散成小水滴或形成弥雾降落到植物上和地面上的灌溉方式。喷灌设备由进水管、抽水机、输水管、喷水管和喷头(或喷嘴)等部分组成，具有节省水量、不破坏土壤结构、调节地面气候且不受地形限制等优点。但是传统的喷灌喷水都是以喷灌设备所在的点为中心向四周种植区域喷水，喷水的范围基本是以最大喷水距离为半径的圆形，这就造成有些非圆形种植区域的边角部位无法喷洒到水，或者大量的水喷至种植区外围造成浪费的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用非标准形状种植区的喷灌方案的设计方法，以解决现有技术中存在的非圆心种植区难以均匀喷灌以及容易造成水资源浪费的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种适用非标准形状种植区的喷灌方案的设计方法，包括以下步骤：A、获取种植区边界形状的数据，并确定喷灌原点，喷灌原点为喷灌装置在种植区的位置点；B、取任意一条由喷灌原点发出的射线作为基线，计算种植区边界形状上不同的点到喷灌原点的距离d以及该点与喷灌原点所在的直线与基线之间的角度ψ；C、根据距离d计算喷灌装置的喷水的仰角α，得到角度ψ与仰角α的关系；D、以角度ψ为喷灌装置的水平旋转角度，根据角度ψ与仰角α的关系使喷灌装置喷水时边旋转边调节仰角。

进一步地，前述的适用非标准形状种植区的喷灌方案的设计方法，步骤A 中，将种植区边界形状简化为几何图形，并取几何图形上任意两点的最长连线的中点作为喷灌原点。

进一步地，前述的适用非标准形状种植区的喷灌方案的设计方法，步骤B 中，将几何图形放入以喷灌原点为原点的极坐标系或直角坐标系，获取几何图形的中距离d和角度ψ之间的函数关系。

进一步地，前述的适用非标准形状种植区的喷灌方案的设计方法，步骤C 中，假设喷出的水的初速度是某一定值，通过软件模拟或常规计算的方式，获得距离d与仰角α的函数关系，并用距离d表示仰角α，进而结合距离d和角度ψ之间的函数关系，确定角度ψ与仰角α的关系。

进一步地，前述的适用非标准形状种植区的喷灌方案的设计方法，步骤D 中，喷灌装置设有用于调节喷水仰角的角度调节机构和用于控制喷水管旋转的旋转机构，通过角度ψ与仰角α的关系建立旋转机构和角度调节机构之间的联系。

进一步地，前述的适用非标准形状种植区的喷灌方案的设计方法中，步骤 D之后还包括：E、根据角度ψ与仰角α的关系进行试验，根据试验结果对角度ψ与仰角α的关系进行调整，并重复本步骤，直至喷灌获得的边界形状与种植区边界形状相同。

进一步地，前述的适用非标准形状种植区的喷灌方案的设计方法中，喷灌装置包括第一供水管、与第一供水管围绕竖向轴线转动连接且连通的第二供水管、与第二供水管围绕横向轴线转动连接且连通的喷水管、用于调节第二供水管和喷水管之间夹角的角度调节机构以及用于驱动第二供水管和第一供水管围绕竖向轴线相对转动的驱动机构。

进一步地，前述的适用非标准形状种植区的喷灌方案的设计方法中，角度调节机构包括围绕第一供水管的主轴线设置且用于与喷水管的外侧壁滑动接触的喷水管滑道。

进一步地，前述的适用非标准形状种植区的喷灌方案的设计方法中，喷水管滑道呈圆环状设置在竖向轴线的外周，喷水管滑道与第一供水管接触的部位设有凹凸结构。

进一步地，前述的适用非标准形状种植区的喷灌方案的设计方法中，喷灌装置还包括分别与喷水管和喷水管滑道连接的滑动连接件；滑动连接件包括与喷水管滑动连接的滑动套管、与滑动套管连接且与喷水管滑道滑动连接的滑动夹。

本发明提供的适用非标准形状种植区的喷灌方案的设计方法的有益效果在于：与现有技术相比，本发明通过逆向参数化的设计方法，得到喷灌装置喷水的仰角α和旋转角度的关系，并通过该关系控制喷灌装置边旋转边调节仰角，从而使得喷灌获得的边界形状与种植区边界形状基本相同，进而能够实现对圆形或非圆形及其他非标准形状的种植区喷灌的全面覆盖，既能够兼顾种植区域的边角等不易喷灌到的位置，又能够避免水喷射至种植区域以外，能够使得种植区域得到更为均匀的灌溉，且有利于节约水资源。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种实施例提供的适用非标准形状种植区的喷灌方案的设计方法的步骤流程示意图；

图2为本发明一种实施例提供的适用非标准形状种植区的喷灌方案的设计方法的喷灌装置的侧视结构示意图，内含局部剖面；

图3为图2实施例提供的喷灌装置的使用状态示意图；

图4为本发明另一种实施例提供的适用非标准形状种植区的喷灌方案的设计方法的喷灌装置的侧视结构示意图，内含局部剖面；

图5为图4实施例提供的喷灌装置的使用状态示意图。

其中，图中各附图标记：

10-第一供水管；

20-第二供水管；21-驱动机构；

30-喷水管；

41-喷水管滑道；

50-滑动连接件；51滑动套管；52滑动夹；53连接杆；

60-转动套管；

70-托架；71-紧固结构；

80-转动连接机构；81-第一连接管；82-第二连接管；83-第三连接管；

90-底座。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请一并参阅图1，现对本发明提供的一种适用非标准形状种植区的喷灌方案的设计方法进行说明。所述适用非标准形状种植区的喷灌方案的设计方法，包括以下步骤：

A、获取种植区边界形状的数据，并确定喷灌原点，喷灌原点为喷灌装置在种植区的位置点；

B、取任意一条由喷灌原点发出的射线作为基线，计算种植区边界形状上不同的点到喷灌原点的距离d以及该点与喷灌原点所在的直线与基线之间的角度ψ；

C、根据距离d计算喷灌装置的喷水的仰角α，得到角度ψ与仰角α的关系；

D、以角度ψ为喷灌装置的水平旋转角度，根据角度ψ与仰角α的关系使喷灌装置喷水时边旋转边调节仰角。

本发明提供的适用非标准形状种植区的喷灌方案的设计方法，与现有技术相比，通过逆向参数化的设计方法，得到喷灌装置喷水的仰角α和旋转角度的关系，并通过该关系控制喷灌装置边旋转边调节仰角，从而使得喷灌获得的边界形状与种植区边界形状基本相同，进而能够实现对圆形或非圆形及其他非标准形状的种植区喷灌的全面覆盖，既能够兼顾种植区域的边角等不易喷灌到的位置，又能够避免水喷射至种植区域以外，能够使得种植区域得到更为均匀的灌溉，且有利于节约水资源。

进一步地，请参阅图1，作为本发明提供的适用非标准形状种植区的喷灌方案的设计方法的一种具体实施方式，步骤A中，将种植区边界形状简化为几何图形，并取几何图形上任意两点的最长连线的中点作为喷灌原点。

几何图形可以是平面几何图形，也可以是空间几何图形。平面几何图形是指种植区边界形状在水平面的投影形状简化为的平面几何图形；空间几何图形是指种植区边界形状在水平面的投影形状增加高程参数后简化为的三维几何图形。

进一步地，请参阅图1，作为本发明提供的适用非标准形状种植区的喷灌方案的设计方法的一种具体实施方式，步骤B中，将几何图形放入以喷灌原点为原点的极坐标系或直角坐标系，获取几何图形的中距离d和角度ψ之间的函数关系。距离d和角度ψ均为数据集合，且该数据集合具有一一对应的关系，即每一个角度ψ的值都对应一个距离d的值，这种对应关系即是距离d和角度ψ之间的函数关系，即ψ＝f₁(d)。

几何图形中的某段线上距离d和角度ψ之间的函数关系如果不能用函数公式表示，则可以用散点形式表示，并以散点为控制点拟合出的折线或样条曲线的公式作为距离d和角度ψ之间的函数关系。

进一步地，请参阅图1，作为本发明提供的适用非标准形状种植区的喷灌方案的设计方法的一种具体实施方式，步骤C中，假设喷出的水的初速度是某一定值，通过软件模拟或常规计算的方式，获得距离d与仰角α的函数关系，并用距离d表示仰角α，进而结合距离d和角度ψ之间的函数关系，确定角度ψ与仰角α的关系。

由于喷出的水是按抛物线运动的，因此如果喷出的水的初速度v一定，根据抛物线公式h＝0.5gt²、d＝vcosα*t可以计算获取距离d与仰角α之间的函数关系为d＝f₂(v，α)；由于喷灌受到空气阻力的影响比较大，但可以简化为空气阻力只与水的速度有关，因此可以将空气阻力作为定量计算入距离d与仰角α之间的函数关系。由于上述的计算过程较为负责，因此可以采用MATLAB、 SolidWorks、ANSYS等软件对喷灌过程进行仿真模拟，获得距离d与仰角α之间的函数关系。

进一步地，请参阅图1，作为本发明提供的适用非标准形状种植区的喷灌方案的设计方法的一种具体实施方式，步骤D中，喷灌装置设有用于调节喷水仰角的角度调节机构和用于控制喷水管30旋转的旋转机构，通过角度ψ与仰角α的关系建立旋转机构和角度调节机构之间的联系，由于距离d和角度ψ之间的关系为ψ＝f₁(d)，而距离d与仰角α之间的关系为d＝f₂(v，α)，因此可以获知角度ψ与仰角α的关系为ψ＝f(v，α)由于初速度v一定，因此角度ψ与仰角α也具有确定的数学关系；上述关系式ψ＝f(v，α)中，通过改变仰角α改变喷灌边界的形状，通过改变初速度v的值改变喷灌所形成的环状区域的半径。从而实现喷水管30根据角度ψ与仰角α的关系进行边旋转边调节仰角的运动，从而使喷灌装置的喷灌范围能够沿着种植区边界运动。

由于喷水管30的旋转角度与角度ψ相同，因此可以用角度ψ即是喷水管 30的旋转角度。

进一步地，请参阅图1，作为本发明提供的适用非标准形状种植区的喷灌方案的设计方法的一种具体实施方式，步骤D之后还包括：E、根据角度ψ与仰角α的关系进行试验，根据试验结果对角度ψ与仰角α的关系进行调整，并重复本步骤，直至喷灌获得的边界形状与种植区边界形状相同。

进一步地，请一并参阅图2至图5，作为本发明提供的适用非标准形状种植区的喷灌方案的设计方法的一种具体实施方式，喷灌装置包括第一供水管 10、与第一供水管10围绕竖向轴线转动连接且连通的第二供水管20、与第二供水管20围绕横向轴线转动连接且连通的喷水管30、用于调节第二供水管20 和喷水管30之间夹角的角度调节机构以及用于驱动第二供水管20和第一供水管10围绕竖向轴线相对转动的驱动机构21。角度调节机构可以是舵机、步进电机或其他类型的角度调节机构；驱动机构21可以是驱动电机或水力驱动机构等。

进行喷灌时，驱动机构21带动第二供水管20与第一供水管10产生相对转动，角度调节机构调节喷水管30的仰角(即喷水管30与水平面的夹角)，由于水流在空中形成的抛物线，因此不同的仰角对应不同的喷射距离，在一定范围内，仰角角度越大，水流喷射距离越远。通过喷水管30绕竖向轴线旋转的同时不断调节喷水管30的仰角，来形成与种植区的边界形状相同的喷灌区域。

本发明提供的喷灌装置，通过设置能够调节喷水管30仰角的角度调节机构，并配合喷水管30绕竖向轴线的旋转，能够实现对圆形或非圆形种植区的喷灌的全面覆盖，既能够兼顾种植区域的边角等不易喷灌到的位置，又能够避免水喷射至种植区域以外，能够使得种植区域得到更为均匀的灌溉，且有利于节约水资源。

进一步地，请一并参阅图2至图5，作为本发明提供的适用非标准形状种植区的喷灌方案的设计方法的一种具体实施方式，角度调节机构包括围绕第一供水管10的主轴线设置且用于与喷水管30的外侧壁滑动接触的喷水管滑道 41。

进行喷灌时，喷水管30在喷水管滑道41上滑行，通过喷水管滑道41的形状对喷水管30的仰角进行限位，进而控制种植区的喷灌边界。

进一步地，请一并参阅图4和图5，作为本发明提供的适用非标准形状种植区的喷灌方案的设计方法的一种具体实施方式，喷水管滑道41呈圆环状设置在竖向轴线的外周，喷水管滑道41与第一供水管10接触的部位设有凹凸结构，凹凸结构的形状能使喷水管喷出的水的边界与种植区的边界形状相同。可选地，所述凹凸结构为连续曲面。

不管是竖向排布的凹凸结构，还是沿喷水管滑道41径向排布的凹凸结构，其具体的形状都是为了为喷水管30提供支点，通过配合喷水管30的旋转使喷水管30的具有不同的仰角，进而使喷水管30喷射的水贴合种植区的边界形状。

进一步地，请一并参阅图2和图3，作为本发明提供的适用非标准形状种植区的喷灌方案的设计方法的一种具体实施方式，喷水管滑道41呈环状设置在竖向轴线的外周。喷水管滑道41与喷水管30接触的部位均在第一平面上，第一平面与在种植区所在平面平行。喷水管滑道的形状能使喷水管喷出的水的边界与种植区的边界形状相同。优选地，如果喷水管30直接与喷水管滑道41接触，则第一平面要高于喷水管30与第二供水管20转动的横向轴线，以保证喷水管30的仰角为正值，以获取更大的喷灌范围。

进一步地，请一并参阅图2和图3，作为本发明提供的适用非标准形状种植区的喷灌方案的设计方法的一种具体实施方式，喷灌装置还包括设置在喷水管30外部且用于与喷水管滑道41接触的转动套管60。转动套管60也可以是套设在喷水管30外部的轴承。转动套管60主要是为了将喷水管30与喷水管滑道41之间的滑动摩擦转化为滚动摩擦，既能够减小喷水管30与喷水管滑道41 之间的摩擦力，又能降低喷水管滑道41的磨损。

进一步地，请一并参阅图4和图5，作为本发明提供的适用非标准形状种植区的喷灌方案的设计方法的一种具体实施方式，喷灌装置还包括分别与喷水管30和喷水管滑道41连接的滑动连接件50。滑动连接件50包括与喷水管30 滑动连接的滑动套管51、与滑动套管51连接且与喷水管滑道41滑动连接的滑动夹52。滑动连接件50的设置是为了弥补喷水管滑道41可能存在的高度不足的问题，同时滑动夹52也能够更好地与喷水管滑道41接触，增强运动的稳定性，降低喷水管滑道41的磨损。可选地，滑动夹52与滑动套管51铰接，铰接轴与喷水管30垂直，滑动套管51沿喷水管30长度方向滑动，且滑动套管51 与喷水管30之间设有用于防止相对转动的限位结构。

进一步地，请一并参阅图2至图4，作为本发明提供的适用非标准形状种植区的喷灌方案的设计方法的一种具体实施方式，滑动连接件50还包括两端分别与滑动套管51和滑动夹52连接的连接杆53。连接杆53为长度可调的伸缩式杆件，以便于定量地调节喷水管30的仰角。可选地，连接杆53与滑动夹52 固定连接，且与滑动套管51铰接，铰接轴与喷水管30垂直。

进一步地，请一并参阅图2和图4，作为本发明提供的适用非标准形状种植区的喷灌方案的设计方法的一种具体实施方式，喷水管滑道41与第一供水管 10可拆卸连接，以便于喷水管滑道41的更换。

进一步地，请一并参阅图2和图4，作为本发明提供的适用非标准形状种植区的喷灌方案的设计方法的一种具体实施方式，第一供水管10上设有用于与喷水管滑道41连接的托架70。托架70与第一供水管10滑动连接，托架70上设有用于将托架70固定在第一供水管10上的紧固结构71，以便于调节喷水管滑道41的高度。

进一步地，请一并参阅图2和图4，作为本发明提供的适用非标准形状种植区的喷灌方案的设计方法的一种具体实施方式，喷灌装置还包括用于连接第二供水管20和喷水管30的转动连接机构80，转动连接机构80包括用于与第二供水管20连接并连通的第一连接管81、用于与喷水管30连接并连通且与第一连接管81铰接的第二连接管82以及用于分别连接并连通第一连接管81和第二连接管82的第三连接管83，第三连接管83为软管，以便于降低喷水管30 改变仰角时的阻力。

进一步地，请一并参阅图2和图4，作为本发明提供的适用非标准形状种植区的喷灌方案的设计方法的一种具体实施方式，第一供水管10下部设有用于与地面固定的地面固定结构。可选地，地面固定结构为与第一供水管10固定连接的底座90或插头。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用非标准形状种植区的喷灌方案的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、获取种植区边界形状的数据，并确定喷灌原点，所述喷灌原点为喷灌装置在种植区的位置点；

B、取任意一条由所述喷灌原点发出的射线作为基线，计算所述种植区边界形状上不同的点到喷灌原点的距离d以及该点与所述喷灌原点所在的直线与基线之间的角度ψ；

C、根据所述距离d计算喷灌装置的喷水的仰角α，得到所述角度ψ与所述仰角α的关系；

D、以所述角度ψ为喷灌装置的水平旋转角度，根据所述角度ψ与所述仰角α的关系使喷灌装置喷水时边旋转边调节仰角。

2.如权利要求1所述的适用非标准形状种植区的喷灌方案的设计方法，其特征在于：

所述步骤A中，将种植区边界形状简化为几何图形，并取所述几何图形上任意两点的最长连线的中点作为喷灌原点。

3.如权利要求2所述的适用非标准形状种植区的喷灌方案的设计方法，其特征在于：

所述步骤B中，将所述几何图形放入以所述喷灌原点为原点的极坐标系或直角坐标系，获取所述几何图形的中所述距离d和所述角度ψ之间的函数关系。

4.如权利要求3所述的适用非标准形状种植区的喷灌方案的设计方法，其特征在于：

所述步骤C中，假设喷出的水的初速度是某一定值，通过软件模拟或常规计算的方式，获得所述距离d与所述仰角α的函数关系，并用所述距离d表示所述仰角α，结合所述距离d和所述角度ψ之间的函数关系，确定所述角度ψ与所述仰角α的关系。

5.如权利要求1所述的适用非标准形状种植区的喷灌方案的设计方法，其特征在于：

所述步骤D中，所述喷灌装置设有用于调节喷水仰角的角度调节机构和用于控制喷水管旋转的旋转机构，通过所述角度ψ与所述仰角α的关系建立所述旋转机构和所述角度调节机构之间的联系。

6.如权利要求1所述的适用非标准形状种植区的喷灌方案的设计方法，其特征在于，所述步骤D之后还包括：

E、根据所述角度ψ与所述仰角α的关系进行试验，根据试验结果对所述角度ψ与所述仰角α的关系进行调整，并重复本步骤，直至喷灌获得的边界形状与种植区边界形状相同。

7.如权利要求1-6任一项所述的适用非标准形状种植区的喷灌方案的设计方法，其特征在于：所述喷灌装置包括第一供水管、与所述第一供水管围绕竖向轴线转动连接且连通的第二供水管、与所述第二供水管围绕横向轴线转动连接且连通的喷水管、用于调节所述第二供水管和所述喷水管之间夹角的角度调节机构以及用于驱动所述第二供水管和所述第一供水管围绕所述竖向轴线相对转动的驱动机构。

8.如权利要求7所述的适用非标准形状种植区的喷灌方案的设计方法，其特征在于：所述角度调节机构包括围绕所述第一供水管的主轴线设置且用于与所述喷水管的外侧壁滑动接触的喷水管滑道。

9.如权利要求8所述的适用非标准形状种植区的喷灌方案的设计方法，其特征在于：所述喷水管滑道呈圆环状设置在所述竖向轴线的外周，所述喷水管滑道与所述第一供水管接触的部位设有凹凸结构。

10.如权利要求7所述的适用非标准形状种植区的喷灌方案的设计方法，其特征在于：所述喷灌装置还包括分别与所述喷水管和喷水管滑道连接的滑动连接件；所述滑动连接件包括与所述喷水管滑动连接的滑动套管、与所述滑动套管连接且与所述喷水管滑道滑动连接的滑动夹。