CN110637799A - 一种基于超声传感器的宽株距作物精准对靶施药装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声传感器的宽株距作物精准对靶施药装置及方法，施药装置包括作物探测模块、喷架高度调节模块、喷雾模块、车速传感器及控制模块，作物探测模块采用超声传感器，用以探测作物的有无；喷架高度调节模块用以调节整个喷架的竖直高度；喷雾模块包括药液管路、药液箱、隔膜泵、喷头和电磁阀，每个喷头均可由喷头调节装置进行位置调节；车速传感器用以监测装置的行走速度，并与探测模块分别与控制模块相连；控制模块使用STM32等单片机。本发明的超声传感器成本低，装置作业幅宽大、使用范围广，尤其适用于间隔较远种植的苗期作物，能大量减少农药的使用量；并能根据作物的高矮、行距调节喷头的位置，适用范围广。

Description

一种基于超声传感器的宽株距作物精准对靶施药装置及方法

技术领域

本发明涉及农业施药机械技术领域，具体地，涉及一种农田精准对靶施药装置及方法。

背景技术

农药喷洒是农作物病虫害防治的重要手段，传统的均匀喷施方法浪费农药使大量药液被误喷到作物周围土壤的表层，药液有效利用率低，并因此引发作物农药残留量大、生产成本高、环境污染、食品安全等一系列问题。

为解决上述问题，对靶施药技术得到发展和部分应用。对靶施药技术在识别施药靶标的基础上，采用经济可靠的施药方案对目标区域进行按需喷施。该方法可有效减少农药浪费、降低环境污染并减少农药残留。目前，对靶施药系统的靶标探测方法主要有光谱法、机器视觉、激光传感和超声传感等。

基于光谱识别的对靶施药系统在理论上能够区分不同的植物，但是受环境光影响较大，稳定性较差且成本高，难以在实际应用中得到推广。激光传感器能实现无接触远距离测量，速度快、精度高、抗光与电干扰能力强，但其数据处理繁琐、价格昂贵，同样难以适用于实际农业生产应用。视觉传感器具有信息量大、低故障、低成本、非接触等特点。

现有技术涉及一种农田对靶施药机机械装置，其喷头高度和行距都可以根据获取的作物实时信息进行自动调节，但机械结构复杂、控制繁琐、成本高，且不带靶标探测功能，无法实现选择性的对靶施药；此外，一般情况下，同种作物的行距基本都是固定的，无需在作业时进行自动实时调节，作业前手动调节好即可。现有技术还涉及了一种差分式喷杆喷雾精确对靶装置及靶标检测方法，包采用垄沟测距传感器和对行测距传感器，使喷杆喷雾机在大田施药过程中准确识别靶标，并只针对靶标喷施农药或液态肥；但是只能检测靶标的有无，不能够根据靶标高度自动调节喷头高度，无法针对靶标精确喷施。

发明内容

针对以上问题，本发明提供了一种基于超声传感器的宽株距精准对靶施药装置及方法，通过低成本超声传感技术实时检测靶标及靶标高度，控制器根据探测到的靶标信息对喷头高度进行实时调节，实现针对靶标作物的精确喷施。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于超声传感器的宽株距作物精准对靶施药装置，包括控制模块以及与控制模块信号连接的作物探测模块、喷架高度调节模块、喷雾模块及车速传感器；所述喷雾模块包括隔膜泵，隔膜泵通过药液管路分别与药液箱、电磁阀连接，电磁阀与喷头连接，喷头的水平位置由喷头调节装置根据作物行距进行调节。

上述技术方案中，所述喷头调节装置包括中空的可移动矩形框，可移动矩形框外侧固定电磁阀，可移动矩形框内部与锯齿横梁可滑动卡接，可移动矩形框设有穿过其本身的球形把手，球形把手与压紧件连接，压紧件与球形把手之间设有弹簧。

上述技术方案中，所述喷架高度调节模块包括喷架高度调节机构和斜梁，斜梁一端与锯齿横梁固定，另一端支撑喷架高度调节机构。

上述技术方案中，所述作物探测模块采用超声传感器。

上述技术方案中，所述超声传感器安装在喷头沿机具前进方向的前方。

上述技术方案中，所述控制模块包括控制器，控制器的输入接口与超声传感器、车速传感器连接，输出接口与电磁阀连接。

上述技术方案中，所述车速传感器选用霍尔传感器。

基于超声传感器的宽株距作物精准对靶施药方法，调整喷头对准作物开始作业，控制器对喷头对应的作物进行实时靶标检测：当存在靶标时，调节喷架的高度，执行喷雾，直到判断出没有靶标时，关闭电磁阀，并继续采集机具速度信息和超声测距信息。

进一步，所述机具速度信息用于调整电磁阀的开启时机。

进一步，所述超声测距信息用于对作物进行实时靶标检测。

本发明的有益效果为：

1、本发明每个喷头均可通过喷头调节装置调节水平位置，适用不同行距多种作物的精准对靶施药，大量减少农药使用量，提高药液的利用率，降低对环境的污染；另外，装置作业幅宽大、使用范围广，尤其适用于间隔较远种植的苗期作物，比如苗期的玉米、棉花等。

2、本发明采用超声传感器，大大降低装置成本。

3、本发明喷杆高度调节机构可由同步带模组和滚珠丝杠、电动推杆等多种机械结构实现，选择与应用范围广。

附图说明

图1为本发明的宽株距精准对靶施药装置结构框图。

图2为本发明的喷架高度调节模块结构示意图。

图3为本发明的喷雾模块安装示意图。

图4为本发明的电磁阀与药液管路、喷头及传感器连接示意图。

图5为本发明的喷头调节装置结构示意图。

图6为本发明的实时测距信号处理流程图。

图中：1-高度调节机构；2-斜梁；3-喷雾模块；4-锯齿横梁；5-喷头调节装置；6-变径转接头；7-药液管路；8-卡箍；9-电磁阀；10-喷头；11-安装架A；12-超声传感器；13-安装架B；14-可移动矩形框；15-压紧件；16-球形把手；17-弹簧。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明的对靶施药装置可通过三点悬挂方式悬挂在拖拉机的尾部，如图1所示，所述对靶施药装置包括作物探测模块、喷架高度调节模块、喷雾模块、车速传感器及控制模块，控制模块与作物探测模块、喷架高度调节模块、喷雾模块、车速传感器之间均为信号连接。

所述作物探测模块由超声传感器12组成，用以探测作物的有无和高度，作物高度以同一行作物最高的植株作为基准，通过安装架A11将超声传感器12安装在喷头10沿机具前进方向的前方(图3)，这样的布置可实现精确喷雾(即保证控制器接收超声传感器12的测距信息并驱动电磁阀9开启的时间充裕)。

如图2所示，所述喷架高度调节模块包括斜梁2及喷架高度调节机构1，斜梁2一端与锯齿横梁4固定，用以调节锯齿横梁4竖直方向的位置，斜梁2另一端支撑喷架高度调节机构1，高度调节机构1可以由同步带模组和滚珠丝杠组合或者电动推杆等机械结构实现。

所述喷雾模块3包括药液管路7、药液箱、隔膜泵、喷头10和各喷头对应的电磁阀9，隔膜泵通过药液管路7分别与药液箱、电磁阀9相连，电磁阀9通过药液管路7与喷头10相连电磁阀9控制喷头10是否喷雾。如图3-5所示，以一个电磁阀9与喷头10、药液管路7及超声传感器12的连接为例，电磁阀9与药液管路7之间通过变径转接头6连接，并用卡箍8卡紧；电磁阀9通过安装架B13固定在可移动矩形框14外侧，隔膜泵将药液从药液箱中泵出，经药液管路7输送至各电磁阀9和喷头10，喷头10可由喷头调节装置5根据作物行距进行水平位置调节。所述喷头调节装置5包括锯齿横梁4、中空的可移动矩形框14、压紧件15、球形把手16及弹簧17，可移动矩形框14内部侧面设有条形定位块，用于锯齿横梁4的定位安装，可移动矩形框14可便捷地在锯齿横梁4的滑槽内移动，压紧件15位于锯齿横梁4上方，压紧件15底部设有锯齿，便于压紧锯齿横梁4且不易松动；压紧件15与球形把手16通过螺纹连接，球形把手16穿过可移动矩形框14，并露在外部。压紧件15与球形把手16之间设有弹簧17，弹簧17一端与压紧件15接触，另一端与球形把手16接触。

具体的调节操作为：提起球形把手16使弹簧17强压缩，压紧件15与锯齿横梁4分离，此时可移动矩形框14沿着锯齿横梁4移动，带动喷头10移动，从而改变喷头10的位置；松开球形把手16后，通过弹簧17的弹力使压紧件15与锯齿横梁4压紧，可移动矩形框14被固定，从而固定喷头10的位置。

所述车速传感器用于检测对靶施药装置运动的速度并及时反馈调节，可选用霍尔传感器。

所述控制模块包括车载电源、控制器、输入接口和输出接口，用以对作物探测模块、喷架高度调节模块、喷雾模块、车速传感器进行控制，控制器可使用STM32型单片机，车载电源选用12V或24V直流电源；所述超声传感器12、车速传感器均通过输入接口连接至控制器；所述电磁阀9均通过输出接口与控制器连接，控制11器通过输出接口驱动电磁阀9的开关状态切换。

如图6所示，本发明对靶施药装置进行宽株距作物精准对靶施药方法的步骤如下：

步骤(1)，控制模块和作物探测模块初始化；

步骤(2)，根据作物行距，提起球形把手16，可移动矩形框14沿着锯齿横梁4移动，带动喷头10移动，调节好喷头10的水平位置，将喷头10对准作物开始作业；

步骤(3)，机具行走时，车速传感器检测机具的行走速度，通过输入接口输送给控制器，超声传感器12采集测距信息，通过输入接口输送给控制器；

步骤(4)，控制器由测距信息针对各喷头10对应的作物进行实时靶标检测：当控制器判断出有靶标时，控制器根据测距信息实时驱动调节喷架的高度(从而调节锯齿横梁4竖直方向的位置)，通过输入输出接口驱动对应作物行的电磁阀9开启(控制器根据行走速度、喷头10与超声传感器12之间的距离(安装时已确定)调整电磁阀9的开启时机，若机具行走速度不变，则电磁阀9的开启时机不变)，使对应作物行的喷头10喷雾，控制器继续由测距信息对作物进行实时靶标检测，直到判断出没有靶标时，通过输入输出接口驱动相应的电磁阀9关闭，使对应喷头10停止喷雾，返回步骤(3)。

所述实例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式。在不背离本发明的实质内容的前提下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于超声传感器的宽株距作物精准对靶施药装置，其特征在于，包括控制模块以及与控制模块信号连接的作物探测模块、喷架高度调节模块、喷雾模块(3)及车速传感器；所述喷雾模块(3)包括隔膜泵，隔膜泵通过药液管路(7)分别与药液箱、电磁阀(9)连接，电磁阀(9)与喷头(10)连接，喷头(10)的水平位置由喷头调节装置(5)根据作物行距进行调节。

2.根据权利要求1所述的基于超声传感器的宽株距作物精准对靶施药装置，其特征在于，所述喷头调节装置(5)包括中空的可移动矩形框(14)，可移动矩形框(14)外侧固定电磁阀(9)，可移动矩形框(14)内部与锯齿横梁(4)可滑动卡接，可移动矩形框(14)设有穿过其本身的球形把手(16)，球形把手(16)与压紧件(15)连接，压紧件(15)与球形把手(16)之间设有弹簧(17)。

3.根据权利要求2所述的基于超声传感器的宽株距作物精准对靶施药装置，其特征在于，所述喷架高度调节模块包括喷架高度调节机构(1)和斜梁(2)，斜梁(2)一端与锯齿横梁(4)固定，另一端支撑喷架高度调节机构(1)。

4.根据权利要求1所述的基于超声传感器的宽株距作物精准对靶施药装置，其特征在于，所述作物探测模块采用超声传感器(12)。

5.根据权利要求4所述的基于超声传感器的宽株距作物精准对靶施药装置，其特征在于，所述超声传感器(12)安装在喷头(10)沿机具前进方向的前方。

6.根据权利要求5所述的基于超声传感器的宽株距作物精准对靶施药装置，其特征在于，所述控制模块包括控制器，控制器的输入接口与超声传感器(12)、车速传感器连接，输出接口与电磁阀(9)连接。

7.根据权利要求1所述的基于超声传感器的宽株距作物精准对靶施药装置，其特征在于，所述车速传感器选用霍尔传感器。

8.基于超声传感器的宽株距作物精准对靶施药方法，其特征在于，调整喷头(10)对准作物开始作业，控制器对喷头(10)对应的作物进行实时靶标检测：当存在靶标时，调节喷架的高度，执行喷雾，直到判断出没有靶标时，关闭电磁阀(9)，并继续采集机具速度信息和超声测距信息。

9.根据权利要求8所述的基于超声传感器的宽株距作物精准对靶施药方法，其特征在于，所述机具速度信息用于调整电磁阀(9)的开启时机。

10.根据权利要求8所述的基于超声传感器的宽株距作物精准对靶施药方法，其特征在于，所述超声测距信息用于对作物进行实时靶标检测。

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