CN110178824A - 一种变量喷雾系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变量喷雾系统及控制方法，包括控制模块、测量模块和喷雾模块，控制模块包括主控制装置和控制器，测量模块包括用于测量行走装置行走速度的速度传感器和测量喷头喷雾流量的流量传感器，喷雾模块包括通过管道依次连接的药箱、多个水泵和与水泵一一对应的喷头；本发明扩大了喷雾流量变化范围，使雾滴尺寸大小在不影响喷雾效果的范围内变化，保证了喷雾的均匀性、全面性，实现无间断的连贯喷雾，不会存在喷雾流量的突变和断层，很好的确保喷雾机行驶单位长度后单位面积内药物的喷洒量相等，最大化农药利用率。

Description

一种变量喷雾系统及控制方法

技术领域

本发明涉及变量喷雾技术领域，具体是一种变量喷雾系统及控制方法。

背景技术

我国每年的农药使用量巨大，是世界平均水平的2.5倍。中国的耕地面积与美国只相差几十平方公里，然而中国目前每年会使用470万吨左右的各种农药，单位面积的平均使用农药量是美国的四倍。农药的滥用导致的不仅仅是环境和生态问题，还对人体的健康有着很大的伤害。农药直接喷洒到病害虫上的药量仅仅占所用农药的0.03％，每年因为下地施药中毒的人数高达8万之多，并且施药中毒的人数还呈现出一种上升的趋势。目前，如何在发展经济的同时做好环境保护的工作成为重中之重，与此同时，农业的可持续发展问题受到广泛关注。

农药大量使用的一个主要原因是农药利用率低，只有30％左右。而农药利用率低的主要原因是喷雾不精准、不均匀，使用传统的喷洒技术会让绝大部分的农药流失到环境当中，进而导致农业生态系统被影响甚至打破。

现有技术广泛采用的压力式变量喷雾是通过改变压力式喷头处的压力值来改变喷头流量的大小，而药液的雾化效果会随着喷头处的压力的变化而变化，并且这个变化范围较小，当压力不足时，喷头不能使药液雾化，药液会呈水滴状喷出，雾滴的分布质量差，药液的覆盖范围小，不能满足实际的作业需求。因此，压力式变量喷雾仅在流量需要的变化范围较小，即在喷头的良好雾化范围内时才适用。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种变量喷雾系统及方法以解决上述不足。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：一种变量喷雾系统，包括控制模块、测量模块和喷雾模块，

控制模块包括主控制装置和控制器，主控制装置用于接收测量模块的测量数据，并将流量控制信号发送给控制器，控制器控制喷雾模块的喷雾流量，

测量模块包括用于测量行走装置行走速度的速度传感器和测量喷头喷雾流量的流量传感器，速度传感器和测量喷雾传感器均与主控制装置信号连接，

喷雾模块包括通过管道依次连接的药箱、多个水泵和与水泵一一对应的喷头，多个水泵与多个控制器一一电性能连接，喷头由若干个第一喷头和第二喷头组成，第一喷头的最小雾化流量小于等于第二喷头的最小雾化流量。

进一步的，所述的速度传感器设置有两个，分别设置在行走装置两侧行走轮附近，用于测量对应行走轮转数。

进一步的，所述的水泵为隔膜泵。

进一步的，所述的主控制装置的型号为STM32。

一种变量喷雾系统的控制方法，包括以下步骤：

（1）速度传感器测量行走装置的移动速度、流量传感器测量该时刻实际喷雾流量均上传到主控制装置；

（2）主控制装置根据流量控制规则计算出上述速度传感器测得的速度下的理论喷雾流量值，将上述实际喷雾流量值与理论喷雾流量值做差，得到该时刻流量的误差，使这一时刻流量的误差和上一时刻流量的误差做差可以得到偏差变化率，把和作为模糊控制器的输入量，通过设计的PID三个参数与和的模糊规则控制表推导出PID的参数值，再将得到的PID参数值应用到对流量的PID控制当中，流量的误差和流量误差的变化量作为PID控制的输入，可以得到用来控制单片机输出PWM信号占空比的值，而PWM信号会改变水泵电机控制器所输出的电压值，进而改变水泵的工作状态，使管路内的压力值发生改变，喷头处的压力值相应改变，喷头喷雾流量发生改变。

进一步的，上述步骤（2）中，

（1）当计算出的理论喷雾流量值小于第一喷头的最大雾化流量值时，主控制装置通过控制器控制第二喷头对应的泵体停止工作，控制第一喷头对应的泵体工作，第一喷头进行喷雾；

（2）当计算出的理论喷雾流量值大于第一喷头的最大喷雾流量值，且小于第一喷头的最大喷雾流量值与第二喷头的最小喷雾流量之和时，主控制装置通过控制器控制第二喷头以最小喷雾流量喷雾，控制第一喷头在其喷雾范围内进行喷雾，此时第一喷头喷雾流量值为理论喷雾流量值减去第二喷头的最小喷雾流量值；

（3）当计算出的理论喷雾流量值大于第一喷头的最大喷雾流量值与第二喷头的最小喷雾流量值之和，且小于第一喷头的最大喷雾流量值与第二喷头的最大喷雾流量值之和时，主控制装置通过控制器控制第一喷头以最大喷雾流量喷雾，控制第二喷头在其喷雾范围内进行喷雾，此时第二喷头喷雾流量值为理论喷雾流量值减去第一喷头的最大喷雾流量值。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：本发明扩大了喷雾流量变化范围，使雾滴尺寸大小在不影响喷雾效果的范围内变化，保证了喷雾的均匀性、全面性，实现无间断的连贯喷雾，不会存在喷雾流量的突变和断层，很好的确保喷雾机行驶单位长度后单位面积内药物的喷洒量相等，最大化农药利用率。

附图说明

图1为本发明的电路原理图一（设置一个速度传感器）；

图2为本发明的电路原理图二（设置两个速度传感器）。

图中标号为：1-主控制装置、2-控制器、3-速度传感器、4-流量传感器、5-药箱、6-水泵、7-第一喷头、8-第二喷头。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例一

参照附图1，本发明的变量喷雾系统，是一种可移植的系统，可安放在不同的喷雾机和车辆上，其包括控制模块、测量模块和喷雾模块，

控制模块包括主控制装置1和控制器2，主控制装置1用于接收测量模块的测量数据，并将流量控制信号发送给控制器2，主控制装置1优选为STM32主控模块，显然，也可以是本领域技术人员所知晓的其它常规控制装置，控制器2控制喷雾模块的喷雾流量，控制器2为电机驱动模块，电机驱动模块用来接收主控制装置1的指令，并控制水泵6的转速，

测量模块包括用于测量行走装置行走速度的速度传感器3和测量喷头喷雾流量的流量传感器4，速度传感器3和测量喷雾传感器4均与主控制装置信号连接，速度传感器3和流量传感器4测得的数据均传递给主控制装置1，主控制装置1通过上述得到的测量数据计算对应喷头的喷雾流量，

喷雾模块包括通过管道依次连接的药箱5、多个水泵6和与水泵6一一对应的喷头，多个水泵6与多个控制器2一一电性能连接，水泵6优选为隔膜泵，喷头由若干个第一喷头7和第二喷头8组成，第一喷头7的最小雾化流量小于第二喷头8的最小雾化流量。

本实施例的变量喷雾系统工作过程中，速度传感器3测量行走装置的移动速度、流量传感器4测量该时刻实际喷雾流量均上传到主控制装置1；主控制装置1根据流量控制规则计算出上述速度传感器3测得的速度下的理论喷雾流量值，将上述实际喷雾流量值与理论喷雾流量值做差，得到该时刻流量的误差，使这一时刻流量的误差和上一时刻流量的误差做差可以得到偏差变化率，把和作为模糊控制器的输入量，通过设计的PID三个参数与和的模糊规则控制表推导出PID的参数值，再将得到的PID参数值应用到对流量的PID控制当中，流量的误差和流量误差的变化量作为PID控制的输入，可以得到用来控制单片机输出PWM信号占空比的值，而PWM信号会改变水泵电机控制器所输出的电压值，进而改变水泵6的工作状态，使管路内的压力值发生改变，喷头处的压力值相应改变，喷头喷雾流量发生改变。

上述过程中，由于喷头包括第一喷头7和第二喷头8，且第一喷头7的最小喷雾流量小于第二喷头8的最小喷雾流量，为了解决压力式喷头处压力变化影响雾滴的大小的问题，并且扩大流量变化范围，使雾滴尺寸大小在不影响喷雾效果的范围内变化，主控制装置1控制喷头喷雾时，根据行走装置移动速度从低到高，将喷头喷雾分为如下四个阶段，

（1）当计算出的理论喷雾流量值小于第一喷头7的最大雾化流量值时，主控制装置1通过控制器2控制第二喷头8对应的泵体6停止工作，控制第一喷头7对应的泵体6工作，第一喷头7进行喷雾；

（2）当计算出的理论喷雾流量值大于第一喷头7的最大雾化流量值，且小于第二喷头8的最大雾化流量值时，主控制装置1通过控制器2控制第一喷头7对应的泵体6停止工作，控制第二喷头8对应的泵体6工作，第二喷头8进行喷雾；

（3）当计算出的理论喷雾流量值大于第二喷头8的最大喷雾流量值，且小于第一喷头6的最大喷雾流量值与第二喷头8的最小喷雾流量之和时，主控制装置1通过控制器2控制第二喷头8以最小喷雾流量喷雾，控制第一喷头7在其喷雾范围内进行喷雾，此时第一喷头7喷雾流量值为理论喷雾流量值减去第二喷头8的最小喷雾流量值；

（4）当计算出的理论喷雾流量值大于第一喷头7的最大喷雾流量值与第二喷头8的最小喷雾流量值之和，且小于第一喷头7的最大喷雾流量值与第二喷头8的最大喷雾流量值之和时，主控制装置1通过控制器2控制第一喷头7以最大喷雾流量喷雾，控制第二喷头8在其喷雾范围内进行喷雾，此时第二喷头8喷雾流量值为理论喷雾流量值减去第一喷头7的最大喷雾流量值。

综上所述，当速度较低范围内时，所需流量较小，仅仅开启第一喷头7进行变量喷雾；当速度增加到一定值后，将第一喷头7关闭，第二喷头8变量喷雾；当速度继续增加到下一个临界值后，将第二喷头8以可保证雾化效果的最低值进行喷雾，第一喷头7进行变量喷雾，当速度增加到最后的临界值时，第一喷头7以最大喷雾流量喷雾，第二喷头8在保证雾化效果的基础上进行变量喷雾。本发明扩大了流量变化范围，使雾滴尺寸大小在不影响喷雾效果的范围内变化，保证了喷雾的均匀性、全面性，实现无间断的连贯喷雾，不会存在喷雾流量的突变和断层，很好的确保喷雾机行驶单位长度后单位面积内药物的喷洒量相等，最大化农药利用率。

实施例二

继续参照附图1，本实施例基本结构和原理与上述实施例一基本相同，不同之处在于，所述的第一喷头7和第二喷头8的最小雾化流量值相等，也可理解为第一喷头7和第二喷头8为相同型号喷头，主控制装置1控制上述喷头喷雾时，根据行走装置移动速度从低到高，将喷头喷雾分为如下三个阶段，

（1）当计算出的理论喷雾流量值小于第一喷头7的最大雾化流量值时，主控制装置1通过控制器2控制第一喷头7或第二喷头8对应的泵体6停止工作，控制另一喷头对应的泵体6工作，工作泵体6对应的喷头进行喷雾；

（2）当计算出的理论喷雾流量值大于第一喷头7的最大喷雾流量值，且小于第一喷头7的最大喷雾流量值与最小喷雾流量之和时，主控制装置1通过控制器2控制第一喷头7或第二喷头8以最小喷雾流量喷雾，控制另一个喷头在其喷雾范围内进行喷雾，此时另一个喷头喷雾流量值为理论喷雾流量值减去第一喷头7的最小喷雾流量值；

（3）当计算出的理论喷雾流量值大于第一喷头7的最大喷雾流量值与最小喷雾流量值之和，且小于第一喷头7的最大喷雾流量值的两倍时，主控制装置1通过控制器2控制第一喷头7或第二喷头8以最大喷雾流量喷雾，控制另一喷头在其喷雾范围内进行喷雾，此时另一喷头喷雾流量值为理论喷雾流量值减去第一喷头7的最大喷雾流量值。

实施例三

参照附图2，本实施例与上述实施例一或2基本结构和原理相同，不同之处在于，所述的速度传感器3设置有两个，分别设置在行走装置两侧行走轮附近，用于测量对应侧行走轮转数。

本实施例的控制方法，在两个速度传感器3测得的两侧行走轮的转数一致时，即行走装置直行行走喷雾，喷头喷雾过程中与实施例一或二相同。当两个速度传感器3测得的两侧行走轮的转数不同时，即行走装置转向喷雾，在转向内侧的喷头喷洒量较外侧的喷头喷洒量小，将喷头分为若干段分别控制，根据测得的两侧行走轮的转数，控制若干段喷头从转向内侧至外侧喷雾流量逐渐增加。

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 (6)

1.一种变量喷雾系统，其特征在于：包括控制模块、测量模块和喷雾模块，控制模块包括主控制装置和控制器，主控制装置用于接收测量模块的测量数据，并将流量控制信号发送给控制器，控制器控制喷雾模块的喷雾流量，测量模块包括用于测量行走装置行走速度的速度传感器和测量喷头喷雾流量的流量传感器，速度传感器和测量喷雾传感器均与主控制装置信号连接，喷雾模块包括通过管道依次连接的药箱、多个水泵和与水泵一一对应的喷头，多个水泵与多个控制器一一电性能连接，喷头由若干个第一喷头和第二喷头组成，第一喷头的最小雾化流量小于等于第二喷头的最小雾化流量。

2.根据权利要求1所述的一种变量喷雾系统，其特征在于：所述的速度传感器设置有两个，分别设置在行走装置两侧行走轮附近，用于测量对应行走轮转数。

3.根据权利要求1所述的一种变量喷雾系统，其特征在于：所述的水泵为隔膜泵。

4.根据权利要求1所述的一种变量喷雾系统，其特征在于：所述的主控制装置的型号为STM32。

5.一种变量喷雾系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）速度传感器测量行走装置的移动速度、流量传感器测量该时刻实际喷雾流量均上传到主控制装置；

（2）主控制装置根据流量控制规则计算出上述速度传感器测得的速度下的理论喷雾流量值，将上述实际喷雾流量值与理论喷雾流量值做差，得到该时刻流量的误差，使这一时刻流量的误差和上一时刻流量的误差做差可以得到偏差变化率，把和作为模糊控制器的输入量，通过设计的PID三个参数与和的模糊规则控制表推导出PID的参数值，再将得到的PID参数值应用到对流量的PID控制当中，流量的误差和流量误差的变化量作为PID控制的输入，可以得到用来控制单片机输出PWM信号占空比的值，而PWM信号会改变水泵电机控制器所输出的电压值，进而改变水泵的工作状态，使管路内的压力值发生改变，喷头处的压力值相应改变，喷头喷雾流量发生改变。

6.根据权利要求5所述的一种变量喷雾系统的控制方法，其特征在于：上述步骤（2）中，

（1）当计算出的理论喷雾流量值小于第一喷头的最大雾化流量值时，主控制装置通过控制器控制第二喷头对应的泵体停止工作，控制第一喷头对应的泵体工作，第一喷头进行喷雾；

（2）当计算出的理论喷雾流量值大于第一喷头的最大喷雾流量值，且小于第一喷头的最大喷雾流量值与第二喷头的最小喷雾流量之和时，主控制装置通过控制器控制第二喷头以最小喷雾流量喷雾，控制第一喷头在其喷雾范围内进行喷雾，此时第一喷头喷雾流量值为理论喷雾流量值减去第二喷头的最小喷雾流量值；

（3）当计算出的理论喷雾流量值大于第一喷头的最大喷雾流量值与第二喷头的最小喷雾流量值之和，且小于第一喷头的最大喷雾流量值与第二喷头的最大喷雾流量值之和时，主控制装置通过控制器控制第一喷头以最大喷雾流量喷雾，控制第二喷头在其喷雾范围内进行喷雾，此时第二喷头喷雾流量值为理论喷雾流量值减去第一喷头的最大喷雾流量值。