CN111937835A - 基于超声传感的果园风袋式对靶喷雾机及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及农业机械技术领域，公开了一种基于超声传感的果园风袋式对靶喷雾机及方法，该喷雾机包括超声波传感器阵列，用于扫描果树冠层不同高度处的靶标距离；速度检测装置，用于检测喷雾机的行驶速度信息；风送装置；喷雾装置，具有设置于风送装置的出风侧的喷雾头；控制装置，控制装置的输入端通讯连接超声波传感器阵列与速度检测装置，控制装置的输出端通讯连接风送装置与喷雾装置；本发明能够适应于不同果树冠层的差异性而进行对靶变量喷药，在对靶喷药时，可在风送装置的风送作用下，实现喷施的雾滴的细小化和均匀化，并将对靶喷施的雾滴有效地送达至果树冠层的膛内，从而确保了对果树冠层较好的喷施效果。

Description

基于超声传感的果园风袋式对靶喷雾机及方法

技术领域

本发明涉及农业机械技术领域，特别是涉及一种基于超声传感的果园风袋式对靶喷雾机及方法。

背景技术

病虫害防治是果树种植中的一项重要工作，对果树喷施化学农药是主要的防治手段，但是，农药的大量使用甚至是滥用，会造成水果存在农药残留，威胁着果品安全；另外，在对果树进行农药喷施时，大量农药飘散到空气、水及土壤中，对生态环境亦造成了严重污染。

现有的果园喷药工作大多仍然采用人工施药的方式，这种施药方式生产效率低，劳动强度大，容易造成作业人员药物中毒及其它安全事故。近年来，随着一些规划化标准果园的新建，为果园的机械化喷施作业提供了有利条件。然而，现有的果园机械化喷药技术大多采用均施法，即对所有果树均匀喷洒药物，并没有根据果树的差异情况而进行变量施药，自动化程度低，造成农药施用不合理，病虫害防治效果差以及农药浪费。

当前，随着传感检测技术的发展，对靶喷施技术在对果园的机械化喷施作业方面得到广泛的应用。对靶喷药的核心在于通过不同的传感器进行果树靶标检测，其中，主要采用红外传感器、激光雷达以及超声传感器等进行靶标检测。

对于基于红外传感器的对靶喷雾机而言，它是通过安装于喷雾机两侧的红外光电传感器来探测果园幼树树干的栽种位置，根据控制器的积分定位算法，计算出靶标实际需要喷雾的位置，当喷头到达喷洒区域时进行喷洒作业，以实现对靶喷药。尽管红外传感器在探测喷雾机两侧有无果树时，具有探测速度快的特点，但是，红外传感器的检测距离范围比较小，在使用时容易受到靶标颜色以及温度等环境因素的影响。在实际探测时，由于树叶树枝以及一些辅助设置的遮挡，且对于大多数果树而言，其树干树枝的颜色呈现灰黑色，普通的红外传感器很难检测到。因而，红外传感器往往只是探测靶标的有无，对果树的其他信息无法感知，存在信息获取单一的问题。

对于基于激光雷达的对靶喷雾机而言，现有的专利文献中提供了一种可移植的对靶喷雾控制系统，它是通过单激光传感器所探测的果树信息来运算和控制相应的电磁阀动作，实现对靶喷雾、间隙不喷雾的功能。该系统实现了靶标探测的基本功能，但是，无法探测靶标大小，激光传感器的成本也比较高。与此同时，尽管基于现有的数据处理算法，可基于激光雷达所探测的果树冠层的信息，准确地获取靶标信息，但是，激光雷达不适用于快速检测，在使用过程中需要保持镜头清洁，并防止喷药时雾滴的影响，同时激光雷达采集数据的准确性还易受到使用时震动的影响。

由于超声波传感器在探测靶标时，不易受到环境温度以及靶标颜色等因素的影响，并且不受喷雾雾滴的影响，可适应于农业作业的恶劣环境，从而相比于红外传感器与激光雷达的喷雾机而言，基于超声波传感器的对靶喷雾机具有明显的优势，但是，该喷雾机并不能基于靶标的大小而进行对靶变量喷药，即不能根据果树冠层的差异性进行对靶变量喷药，并在喷药时，喷施的雾滴的差异性大，难以有效地送达至果树冠层的膛内，从而大大影响到喷施效果。

发明内容

本发明实施例提供一种基于超声传感的果园风袋式对靶喷雾机及方法，用于解决现有的喷雾机不能根据果树冠层的差异性进行对靶变量喷药，难以将喷施的雾滴有效地送达至果树冠层的膛内，从而影响到喷施效果的问题。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于超声传感的果园风袋式对靶喷雾机，包括：超声波传感器阵列，用于扫描果树冠层不同高度处的靶标距离；速度检测装置，用于检测喷雾机的行驶速度信息；风送装置；喷雾装置，具有设置于所述风送装置的出风侧的喷雾头；控制装置，所述控制装置的输入端通讯连接所述超声波传感器阵列与所述速度检测装置，所述控制装置的输出端通讯连接所述风送装置与所述喷雾装置。

其中，所述超声波传感器阵列包括两列，用于以背向相对的方式分别竖直安装于所述喷雾机的两侧；相应地，所述风送装置具有用于分别形成于朝向所述喷雾机两侧的出风口。

其中，所述风送装置包括垂直风袋和鼓风机，所述垂直风袋的顶部形成进风口，所述进风口安装所述鼓风机，所述垂直风袋具有用于分别形成于朝向所述喷雾机两侧的出风口，所述喷雾头的喷雾方向与所述出风口的出风方向相同。

其中，所述垂直风袋的同一侧形成有多个出风口，所述出风口沿着所述垂直风袋的相应侧边依次排布；所述喷雾头包括多个，并与所述出风口一一对应。

其中，所述喷雾装置包括药箱、液泵及所述喷雾头；所述药箱通过第一管路连通所述液泵的入口，所述液泵的出口连通第二管路的一端，所述第二管路上装有调压装置，所述第二管路的另一端连通多根分支管路的一端，所述分支管路的另一端连通所述喷雾头。

其中，所述调压装置包括稳压球；所述稳压球包括球壳和柔性隔膜，所述柔性隔膜设置于所述球壳内，以将所述球壳分隔为气室和液室，所述液室安装于所述第二管路上。

其中，所述调压装置还包括第一调节阀与压力传感器；所述压力传感器用于监测所述第二管路上的压力，以调控所述第一调节阀的开度，所述第一调节阀安装于所述第二管路上，所述第一调节阀还通过回流管连通所述药箱。

其中，所述控制装置包括流量传感器和PWM驱动模块；所述分支管路上装有与所述喷雾头对应的第二调节阀，所述PWM驱动模块的输出端连接所述第二调节阀；所述流量传感器用于监测所述第二管路上的流量，以控制所述PWM驱动模块输出的电压波形的占空比。

其中，所述控制装置包括主控制器和触摸屏控制器；所述触摸屏控制器通讯连接所述主控制器；所述主控制器的输入端通讯连接所述超声波传感器阵列与所述速度检测装置，输出端通讯连接所述风送装置与所述喷雾装置；所述主控制器还通讯连接定位模块与无线传输模块。

本发明实施例还提供了一种如上所述的基于超声传感的果园风袋式对靶喷雾机的喷施方法，包括：S1，扫描果树冠层不同高度处的靶标距离，检测喷雾机的行驶速度信息；S2，基于靶标距离计算果树冠层的体积，基于果树冠层的体积计算喷雾装置进行对靶喷施的药量，并基于所述行驶速度信息获取对果树进行对靶喷施的位置；S3，启动风送装置和喷雾装置，进行果树的对靶喷施作业。

其中，S3中对喷雾装置进行的喷施控制包括：控制液泵的出口压力维持在预设值，基于喷雾装置进行对靶喷施的药量，对各个第二调节阀进行PWM控制，调节向第二调节阀输送的电压波形的占空比，以控制与第二调节阀相应的喷雾头进行按需施药。

本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：

本发明实施例提供的一种基于超声传感的果园风袋式对靶喷雾机及方法，可根据超声波传感器阵列扫描果树冠层不同高度处的靶标距离，根据速度检测装置获取喷雾机的行驶速度信息，可基于靶标距离计算果树冠层的体积，基于果树冠层的体积计算喷雾装置进行对靶喷施的药量，并基于行驶速度信息获取对果树进行对靶喷施的位置，从而在启动风送装置和喷雾装置后，可根据对靶喷施的药量与喷施的位置，对果树进行相应的风送对靶喷施作业。

由此可见，本发明所示的喷雾机能够适应于不同果树冠层的差异性而进行对靶变量喷药，在对靶喷药时，可在风送装置的风送作用下，实现喷施的雾滴的细小化和均匀化，并将对靶喷施的雾滴有效地送达至果树冠层的膛内，从而确保了对果树冠层较好的喷施效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为本发明实施例所示的基于超声传感的果园风袋式对靶喷雾机的结构示意图；

图2为本发明实施例所示的喷雾机的药物喷施控制系统的控制结构框图；

图3为本发明实施例所示的超声波传感器阵列扫描果树冠层不同高度处的靶标距离的示意图；

图4为本发明实施例所示的阀门驱动模块相应的电路示意图；

图5为本发明实施例所示的采用单片机与PWM驱动模块对喷雾头相应的电磁阀实施控制的结构框图；

图6为本发明实施例所示的基于超声传感的果园风袋式对靶喷雾机的喷施方法的流程图；

图7为本发明实施例所示的主控制器的控制流程图。

图中，1、超声波传感器阵列；2、速度检测装置；3、风送装置；31、垂直风袋；32、鼓风机；4、喷雾装置；41、药箱；42、液泵；43、喷雾头；44、稳压球；5、牵引装置；6、拖车架；7、定位模块；8、无线传输模块；9、汽油机；10、果树。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参见图1，本实施例提供了一种基于超声传感的果园风袋式对靶喷雾机，包括：超声波传感器阵列1，用于扫描果树冠层不同高度处的靶标距离；速度检测装置2，用于检测喷雾机的行驶速度信息；风送装置3；喷雾装置4，具有设置于风送装置3的出风侧的喷雾头43；控制装置，控制装置的输入端通讯连接超声波传感器阵列1与速度检测装置2，控制装置的输出端通讯连接风送装置3与喷雾装置4。

具体的，本实施例所示的喷雾机可根据超声波传感器阵列1扫描果树冠层不同高度处的靶标距离，根据速度检测装置2获取喷雾机的行驶速度信息，可基于靶标距离计算果树冠层的体积，基于果树冠层的体积计算喷雾装置4进行对靶喷施的药量，并基于行驶速度信息获取对果树进行对靶喷施的位置，从而在启动风送装置3和喷雾装置4后，可根据对靶喷施的药量与喷施的位置，对果树进行相应的风送对靶喷施作业。

由此可见，本实施例所示的喷雾机能够适应于不同果树冠层的差异性而进行对靶变量喷药，在对靶喷药时，可在风送装置3的风送作用下，实现喷施的雾滴的细小化和均匀化，并将对靶喷施的雾滴有效地送达至果树冠层的膛内，从而确保了对果树冠层较好的喷施效果。

如图1所示，本实施例所示的喷雾机具体包括牵引装置5和拖车架6，牵引装置5可以为本领域所公知的拖拉机，牵引装置5的悬挂系统连接拖车架6，在拖车架6上安装超声波传感器阵列1、速度检测装置2、风送装置3、喷雾装置4及控制装置。

如图2所示，在本实施例所示的药物喷施控制系统的控制结构框图中，控制装置包括主控制器和触摸屏控制器；主控制器可以为本领域所公知的电子控制单元(ECU)，具有24个IO口，以接收并处理各类传感器的信号，同时该主控制器还具有两个串口。触摸屏控制器具体可以为七寸SA07型电阻屏，该触摸屏控制器有两个独立串口，分辨率800*480，触摸屏控制器通过RS485接口实现与主控制器的通讯连接。

与此同时，如图2所示，主控制器的输入端通讯连接超声波传感器阵列1相应的各个超声波传感器，主控制器的输入端还通讯连接速度检测装置2，主控制器的输出端通讯连接风送装置3与喷雾装置4；主控制器还通讯连接定位模块7与无线传输模块8。

具体的，本实施例所示的超声波传感器阵列1相应的各个超声波传感器的型号可以为MB7060，该超声波传感器输出模拟电压信号，其最大量程为供电电压对应的距离，超声波传感器内部电路将供电电压分成1024份，在供电电压为5V时，探测的最大距离700cm，在供电电压为3.3V时，探测的最大距离600cm，低于50mm为超声波传感器的测量盲区，在该区间内超声波传感器无法保证标称的测量精度。本实施例所示控制装置对超声波传感器采用5V供电，需要设计相应的稳压电压，以保证超声波传感器的测量精度。

对于本实施例所示的速度检测装置2而言，可采用金属接近开关，该金属接近开关在接近检测金属时，产生电压跳变，金属接近开关的探测距离为10mm。本实施例可将金属螺丝固定在喷雾机相应的拖车架6的轮毂上，将金属接近开关安装于拖车架6上，金属接近开关的检测端用于与金属螺丝相对应。基于金属接近开关在单位时间内因感应金属螺丝而输出的脉冲信号，可计算喷雾机的移动速度，从而可通过积分计算喷雾机的行驶距离。

在此，可将超声波传感器阵列1设置为两列，用于以背向相对的方式分别竖直安装于喷雾机的两侧；相应地，风送装置3具有用于分别形成于朝向喷雾机两侧的出风口。由此，基于两列超声波传感器阵列1，可同时扫描喷雾机左、右两侧的果树冠层不同高度处的靶标距离，以此可计算出喷雾机左、右两侧的果树冠层的体积，从而计算喷雾装置4进行对靶喷施的药量，然后，基于喷雾机的行驶距离，获取对果树进行对靶喷施的位置，实现对有果树靶标的位置，根据靶标的大小进行风送变量喷药作业，而对于没有靶标的位置，停止喷药。

对于本实施例所示的定位模块7，可以采用本领域所公知的北斗定位模块或GPS定位模块。相应的，对于本实施例所示的无线传输模块8，可以采用本领域所公知的3G模块或4G模块。由此，主控制器可将喷雾机进行对靶喷施的相关参数信息及作业位置信息通过无线传输模块8发送至云服务器，操作人员可以通过电脑端或手机端登录云服务器，对上传的相关信息进行查看和分析。

如图3所示，本实施例具体示意了超声波传感器阵列1扫描果树冠层不同高度处的靶标距离的示意图，其中，在图3中，两个树状图形表示左、右两行果树10，超声波传感器阵列1设置有左、右两列，并分别与左、右两行果树10相对应，x为喷雾机的喷施方向，z为喷雾机的行进方向，y为竖直方向(垂直于地面)。

设定在自动喷药模式下，需要操作者预先输入果园果树的行距L_a、喷药量与果树体积的系数比k，单位面积喷洒量等，还需要设定超声波传感器的扫描步长Δs，然后，主控制器会根据设定值自动控制喷雾机的喷药作业。

目前，果园一般采用标准化种植，果树成行排列，果园的行间距就是两行果树树干之间的距离。在喷雾机左、右两侧位置安装超声波传感器时，每一侧的超声波传感器对应探测该侧的果树靶标。操作拖拉机沿着果树行的中线行驶，两侧的超声波传感器分别探测左、右两边的果树冠层，互不影响，当探测到了果树，结合拖拉机的速度和行驶位置，开始计算果树冠层的体积。

在基于超声波传感器对果树冠层的体积进行计算时，超声波传感器输出模拟电压信号u，超声波传感器实际扫描获取的果树冠层相应高度的靶标距离d_ij与模拟电压信号u之间呈线性关系，经过实验校准，可得到如下曲线方程：

d_ij＝129.4×u+9.3；

接着，可对果树冠层的体积采用积分算法，在每一个扫描步长Δs内，多次采集超声波传感器探测果树靶标的数据，进行中位值平均滤波，获取靶标距离d_ij，设定每一个超声波传感器扫描点都对应果树冠层上的一个网格体积，设定该网格体积为v_j，则单位步长的扫描面积S_are可通过如下公式获取：

单个超声波传感器所对应的网格体积为v_j可通过如下公式获取：

将每个点对应的网格体积累加，得到要检测果树冠层的总体积V，从而得到总体积V的公式如下所示：

上式中，L_a为果园果树的行距；h为相邻两个超声波传感器之间的垂直高度差；w为超声波传感器的长度；l为超声波传感器相应安装架的宽度；Δs为扫描步长，该扫描步长对应喷雾机行驶的距离；1≤i≤m，1≤j≤n，m，n分别为大于1的自然数。

与此同时，在对果树靶标进行定位时，主控制器通过上述实施例所示的金属接近开关采集脉冲信号，再根据脉冲信号计算喷雾机的行驶速度和行驶距离，其具体实施方式如下所示：

本实施例可在拖车架6的轮毂上安装5个凸起的金属螺丝，在喷雾机行驶时，金属接近开关在接近金属螺丝时，即可输出一个脉冲信号，车轮转动一周对应输出5个脉冲信号，而车轮转动一周喷雾机移动的距离近似为车轮的周长C，则在相邻两个脉冲的间隔时间Δt内，喷雾机的移动距离是车轮周长的1/5，主控制器根据单位距离所需要的时间来计算喷雾机的瞬时速度v_t，计算公式如下：

v_t＝C/(5·Δt)；

与此同时，对于喷雾机的行驶距离S_t，可以根据累计脉冲数和速度对时间的积分来计算，当金属接近开关刚好接近金属螺丝时，此时的脉冲数n乘以单位距离正好获取喷雾机的行驶距离S_t，从而喷雾机的行驶距离S_t的计算公式如下：

S_t＝n·C/5；

然而，当金属接近开关位于两个金属螺丝之间时，脉冲数不变，但是，实际移动的距离在增大；由于下一个脉冲尚未输出，此时需要估算增大的这一部分距离，这一部分的距离采用速度对时间的积分来计算，采用如下公式计算：

S_t＝n·C/5+∫v_td_t；

由于超声波传感器与喷雾头43不在一个工作面，计算出累计距离用于对靶标定位，控制系统为每个超声波传感器建立一个数据缓冲区，当超声波传感器检测到果树冠层时，记录果树冠层对应的当前行驶距离S₁，而此时喷雾头43处于S₁-D的位置，从而喷雾机必须再移动D距离后才能进行喷雾作业，其中，D为超声波传感器阵列1与喷雾头43在沿喷雾机行进方向上的距离，在实际工作中加入一部分校准距离，用于误差补偿，确保雾滴覆盖范围。

同样，如果主控制器检测不到果树冠层，则记录当前行驶距离S₂，则喷雾机必须再移动D距离后才能停止喷雾作业。

由此，本实施例所示的主控制器建立了对应的缓存区，这些数据计算完之后存储到数组中，喷雾机在行驶中，控制系统将不停地查询各个数据区，将喷雾机的实时距离与存储的数据进行对比，当到达喷药位置时，开启变量喷药；到达终止位置时，关闭喷药。

优选地，如图1所示，本实施例所示的风送装置3包括垂直风袋31和鼓风机32，垂直风袋31的顶部形成进风口，进风口安装鼓风机32，垂直风袋31具有用于分别形成于朝向喷雾机两侧的出风口，喷雾头43的喷雾方向与出风口的出风方向相同。

具体的，本实施例所示的垂直风袋31可通过固定支架安装于喷雾机的尾端，在将鼓风机32安装于进风口后，还可在进风口安装防护网，以避免周围的树叶及其它杂物被吸入至垂直风袋31内。可将本实施例所示的主控制器通过电机驱动器与鼓风机32相连接，鼓风机32在高速运转后，可从垂直风袋31的上侧吸入空气，将吸入的风送入至垂直风袋31内，并从垂直风袋31的出风口排出，以对喷雾头43喷施的药物进行风送，其中，鼓风机32可包括防水型的直流无刷电机和风扇，直流无刷电机的输出端同轴连接风扇，将鼓风机32安装于垂直风袋31顶部的进风口，也是为了确保鼓风机32的吸风不会对喷雾头43的药物喷施造成影响，避免向垂直风袋31内鼓入树叶及其它杂物，同时，也确保风送的风力具有一定的势能，有效提高垂直风袋31的风送效率。

与此同时，本实施例所示的喷雾头43可设置多个，垂直风袋31上的出风口可以具体为朝向喷雾机两侧的狭缝，可将各个喷雾头43安装于狭缝的中间位置，并沿着狭缝的长度方向依次排布，从而通过狭缝的风可直接作用于各个喷雾头43，以对喷雾头43喷施的药物进行风送。当然，垂直风袋31的同一侧也可形成多个圆形或椭圆形的出风口，出风口沿着垂直风袋31的相应侧边依次排布，从而使得出风口与喷雾头43一一对应，由每个出风口对与其相应的喷雾头43喷施的药物进行风送。

在此应指出的是，设定喷雾机前进的方向为前侧，则与喷雾机的前进相反的方向为后侧，喷雾机的两侧分别指示为喷雾机的左侧和右侧，显然，果园的果树也对应排列于喷雾机的左、右两侧，通常果园的果树也是以等间距的方式依次排列。

与此同时，在对鼓风机32进行风力调节时，主要是通过调节与风扇连轴的直流无刷电机的转速来实现的，改变鼓风机32的转速，可以使鼓风机32的特性曲线(H-Q曲线)平行移动，鼓风机32的工况点将沿着喷雾装置4相应管网的特性曲线移动，达到调节风量的目的。

如图2所示，本实施例所示的主控制器是通过控制直流无刷电机相应的电机驱动器，以输出不同的PWM波来调节鼓风机32的运行转速，从而控制风速风量。本实施例所示的主控制器(ECU)输出0-5V的电压信号，电压信号与鼓风机32的转速呈线性关系，电机驱动器根据主控制器输出的电压信号调节其驱动芯片的占空比，输出对应的占空比的驱动电压。其中，电机驱动器内部驱动芯片根据主控制器的电压控制信号放大输出PWM电压波形，该PWM电压波形通过电容滤波整流电路转换为较为平滑的直流电压波形，以驱动鼓风机32的运转。

具体而言，当鼓风机32的转速大于设定转速时，增大电机驱动器输出电压的占空比；当鼓风机32的转速小于设定转速时，减小电机驱动器输出电压的占空比，从而将鼓风机32的转速维持在设定范围内，使得风速连续可调。

相应地，鼓风机32的风扇将空气吹入垂直风袋31中，垂直风袋31受到风的挤压而膨胀，风从垂直风袋31两侧的缝隙处高速溢出，为喷雾头43喷出的雾滴提供助力。由于垂直风袋31的封闭式设计，辅助风风速大，方向性接近一致，从而受涡流和外界环境的影响较小。

优选地，如图1与图2所示，本实施例中喷雾装置4包括药箱41、液泵42及喷雾头43；药箱41通过第一管路连通液泵42的入口，液泵42的出口连通第二管路的一端，第二管路上装有调压装置，第二管路的另一端连通多根分支管路的一端，分支管路的另一端连通喷雾头43。

具体的，本实施例所示的药箱41采用牵引式大容量设计，容量为1200L，避免频繁加水，以提高单次作业效率。本实施例所示的液泵42采用隔膜泵，隔膜泵通过膜片往复变形造成容积变化，药液从药箱41通过过滤器和三通阀门进入隔膜泵的泵体，在经过隔膜泵的加压后，从隔膜泵的出口高速喷出，通过在隔膜泵的出口侧的第二管路上安装调压装置，可确保输送至各个喷雾头43的药液的压力的恒定。其中，第二管路可通过三路电动阀依次连通三路分支管路，其中一路分支管路对应连通排布于垂直风袋31左侧的出风口的喷雾头43，另一路分支管路对应连通排布于垂直风袋31右侧的出风口的喷雾头43，第三路分支管路可以为软管，将软管与喷雾头43相连通，便于人工操作喷雾头43的喷施方向，以对喷雾机在一些难以执行喷施的区域，进行人工喷施作业。

在此应指出的是，可在喷雾机上设置汽油机9，汽油机9通过传动轴与隔膜泵相连接，为隔膜泵提供动力。当汽油机9起动后，汽油机9的传动轴带动隔膜泵的叶轮高速旋转形成负压，从药箱41吸入药液，并将药液增压后高速喷射入第二管路中，第二管路经由各个分支管路，将药液输送至与各个分支管路相应的喷雾头43。

在此，还可将汽油机9的传动轴通过变速箱连接发电机，发电机产生的电能一部分可输送至蓄电池，对蓄电池提供浮充电流，发电机产生的电能的另一部分可输送给鼓风机32。

在其中一个优选实施例中，可将调压装置设置为稳压球44；稳压球44包括球壳和柔性隔膜，柔性隔膜设置于球壳内，以将球壳分隔为气室和液室，液室安装于第二管路上。

具体的，本实施例所示的柔性隔膜可以为耐腐蚀性的橡胶皮碗，可以在与气室相应的球壳上设置气嘴，以便在工作时向气室内充气。由于液室安装于第二管路上，基于气室与液室的综合作用，可有效减小液泵42工作时所产生的冲击脉冲，减少液泵42排液的不均匀性,使液泵42获得较为稳定喷射压力,保持喷雾均匀性。

在进一步的优选实施例中，调压装置还包括第一调节阀与压力传感器；压力传感器用于监测第二管路上的压力，以调控第一调节阀的开度，第一调节阀安装于第二管路上，第一调节阀还通过回流管连通药箱41。其中，第一调节阀可以为本领域所公知的调压阀，本实施例所示的主控制器可通过阀门驱动模块连接调压阀。

具体的，在实际作业过程中，还需要通过调压阀对喷雾压力进行动态调节。主控制器通过压力传感器监测液泵42的出口压力，并将数据发送给触摸屏控制器。传统的PID压力控制是当扰动产生后，根据传感器的实际值进行反馈控制，反应滞后性，不适应对靶喷雾。在其他条件不变时，喷雾量变大时，喷雾压力减小，即喷雾头43开度的增大会引起喷雾压力的下降；当喷雾量变小时，又会引起喷雾压力升高。本实施例所示的控制装置采用前馈控制算法，根据对靶喷药预期引起的压力扰动，提前对压力进行补偿，从而将压力保持在一定的范围内；根据扰动作用的大小进行适当补偿，减小扰动作用对压力的影响，从而能更加及时地进行控制，降低系统滞后的影响。本实施例所示的调压阀用于稳定液泵42相应输出管路的压力，当压力传感器检测的实时压力值小于预设压力值时，可通过减小调压阀相应的回流管上的流量，以增加第二管路上的压力；相应地，当压力传感器检测的实时压力值大于预设压力值时，可通过增大调压阀相应的回流管上的流量，以减小第二管路上的压力，从而对第二管路上的压力起到稳定调节的作用。

由此，本实施例通过压力传感器采集第二管路上的实时压力，并将压力传感器采集的实时压力值传输至主控制器，主控制器采用PID控制算法，将实时压力值与预设压力值进行比较，以调控调压阀的开度，从而将第二管路上的压力稳定在设定的范围内。

在此应指出的是，对第二管路上的压力调节是通过控制调压阀的开度实现的，对于调压阀而言，不仅要控制调压阀相应阀门的正反转，还要调节调压阀相应阀门的转速，本实施例所示的主控制器通过阀门驱动模块实现对调压阀的动作控制。

如图2所示，在第二管路上还装有泄压阀，泄压阀设置于液泵42与调压阀之间，泄压阀也通过一路回流管连通药箱41。在此，泄压阀起到迅速卸载第二管路上的压力的作用，在泄压阀打开后，第二管路内的药液旁通，可以直接回流至药箱41，当系统停止作业时，控制系统相应的主控制器会控制打开泄压阀，避免第二管路上还残存压力。

如图4所示，本实施例具体给出阀门驱动模块相应的电路示意图。该阀门驱动模块包括型号为A4950的驱动芯片，该驱动芯片使用SOICN-8封装，驱动芯片内部集成了两对N-MOS晶体管，构成H桥驱动器，驱动电流可达3.5A。本实施例所示的主控制器通过PB1口和PB2口连接驱动芯片的IN1引脚和IN2引脚，驱动芯片的OUT1引脚和OUT2引脚之间串联调压阀Valve，从而驱动芯片通过脉冲波形调节调压阀的转速，通过TTL高低电平控制调压阀的转动方向。当PB1为高电平，PB2输入高频脉冲时，调压阀顺时针调速，反之，调压阀实现逆时针调速。其中，与驱动芯片的LSS引脚相连接的Rse为功率电阻，用来消耗多余的功率。

在进一步的优选实施例中，控制装置包括流量传感器和PWM驱动模块；分支管路上装有与喷雾头43对应的第二调节阀，PWM驱动模块的输出端连接第二调节阀；流量传感器用于监测液泵42的出口流量，以控制PWM驱动模块输出的电压波形的占空比。其中，第二调节阀可采用本领域所公知的电磁阀。

具体的，如图1所示，根据超声波传感器阵列1的具体排布，在喷雾机的左侧和右侧设置有呈相对设置的三个超声波传感器，每一侧的三个超声波传感器相应地划分为上、中、下三个不同检测范围，对应为喷雾机的三个不同的喷施区域。每个喷施区域的喷药流量调节是通过向对应区域喷药的电磁阀的PWM驱动来实现的。

根据试验结果，电磁阀的驱动频率为10HZ，当PWM驱动模块输出的电压波形的占空比为10％时，流量几乎为0，由于单位时间内接通电流时间比较短，电磁阀还不足以开启；当PWM驱动模块输出的电压波形的占空比超过80％时，电磁阀已全部打开，流量几乎不再增加；当PWM驱动模块输出的电压波形的占空比在20％至80％区间内，喷雾头的喷药流量与占空比之间具有良好的线性关系。本实施例可通过这一区段拟合曲线，根据需要流量获得实际控制需要的占空比。

上述拟合曲线的公式如下：

Q＝0.654*f+0.74；

式中，Q为流量，单位为L/min；f为电磁阀的驱动频率，单位为HZ。

如图5所示，本实施例所示的主控制器通过RS485串口电路通讯连接单片机，单片机通讯连接三路PWM驱动模块，每路PWM驱动模块分别驱动连接两路电磁阀。由于单片机的IO口驱动电流微弱，无法直接驱动电磁阀，本实施例所示的方案为了克服了采用普通继电器驱动反应时间长，继电器的电磁线圈容易损坏的缺点，采用了专业的PWM驱动模块来驱动相应的电磁阀，PWM驱动模块具体可选用型号为VS3640DS的双通道驱动芯片，该PWM驱动模块集成了两路独立的NMOS功率管，每路驱动电流达到6A，并置有短路保护电路，单片机通过控制PWM驱动模块来调节电磁阀的开闭动作。

由此，本实施例所示的主控制器通过485总线向单片机发送指令，单片机在接收到相应喷施区域所需要的喷药流量后，计算电磁阀所需的占空比，并控制PWM驱动模块产生相应的PWM波形，以驱动电磁阀开闭，从而实现根据靶标变量施药。

基于上述方案可知，本实施例所示的喷雾机集成了北斗定位技术、GIS技术、物联网技术，可通过定位模块7及相应的传感器实时采集喷药作业过程中的位置信息、瞬时喷药量信息、总喷药量信息、作业状态信息和作业现场图像信息，通过内置重叠剔除算法进行作业量计量，将重要喷药参数与定位数据组成一条完整的数据帧，通过CAN总线将数据传输给云服务器，操作人员可以通过电脑端或手机端登录云服务器，监测任何一台喷雾机的实时位置和作业过程中的喷药量、图像等信息，可进行作业面积计量、费用计量；可生成喷药作业报表进行打印，可回放作业轨迹，查询相关区域内的施药状况等，从而实现数据的回传，并便于进行信息溯源。

如图6所示，本实施例还提供了一种如上所述的基于超声传感的果园风袋式对靶喷雾机的喷施方法，包括：S1，扫描果树冠层不同高度处的靶标距离，检测喷雾机的行驶速度信息；S2，基于靶标距离计算果树冠层的体积，基于果树冠层的体积计算喷雾装置进行对靶喷施的药量，并基于行驶速度信息获取对果树进行对靶喷施的位置；S3，启动风送装置和喷雾装置，进行果树的对靶喷施作业。

具体的，本实施例所示的喷施方法在实施时，首先，可通过超声波传感器阵列扫描果树冠层不同高度处的靶标距离，并通过上述实施例所示的速度检测装置检测喷雾机的行驶速度信息；然后，基于上述实施例所示的果树冠层体积计算公式获取果树冠层的体积，以计算喷雾装置进行对靶喷施的药量，并基于上述实施例所示的对果树靶标进行定位的方式，获取对果树进行对靶喷施的位置，最后，启动风送装置和喷雾装置，进行果树的对靶喷施作业。

在进一步的优选实施例中，步骤S3中对喷雾装置进行的喷施控制包括：控制液泵的出口压力维持在预设值，基于喷雾装置进行对靶喷施的药量，对各个第二调节阀进行PWM控制，调节向第二调节阀输送的电压波形的占空比，以控制与第二调节阀相应的喷雾头进行按需施药。

如图7所示，本实施例还结合上述喷施方法，示意了主控制器的控制流程图，具体如下所示：

在开始工作后，主控制器先进行IO口查询、寄存器设置、开启中断设置等初始操作。

在初始化完成后，主控制器对喷雾装置的喷雾压力进行压力稳定控制，通过获取压力传感器所采集的实时压力值，将预设压力值(通过触摸屏控制器设置)与实时压力值作比较，通过PID自动调节相应的阀控装置，使得喷雾压力稳定在预设的范围内。

然后，开启中断，实时感应金属接近开关输出的脉冲信号，计算喷雾机的行进速度，根据速度对时间的积分计算其移动距离，并将移动距离记录下来。

然后，超声波传感器实时探测果树靶标，当果树处于探测范围内时，控制系统将通过轮询AD转换值，获取6路超声波传感器相应的数据后，根据不同的距离估算靶标大小，计算不同喷洒区需要的驱动占空比。

接着，主控制器为每一个超声波传感器和电磁阀建立了一个数据存储区，将每一周期内的探测数据以及位置信息记录在存储区内。系统会实时将喷雾头所在的位置与存储区的数据进行比对，当喷雾头到达喷药范围后根据算法控制喷药动作。

接着，主控制器基于计算结果，通过485总线将指令发送给驱动单元，驱动单元通过调节不同通道的PWM输出，进而控制电磁阀开闭。适应移动速度，进行信息整合决策后控制不同喷雾头的动作。

最后，主控制器还将重要的施药作业参数，比如施药流量、速度、位置等信息通过CAN总线发送给无线传输模块，并由无线传输模块上传至云服务器，操作人员可以通过电脑端或手机端登录云服务器，对上传的相关信息进行查看和分析。

综上所示，本实施例所示的方案具有如下有益效果：

(1)本实施例通过利用超声波传感器探测果树冠层的靶标，可以有效探测靶标轮廓和体积大小，并通过速度检测装置检测喷雾机的行进速度，可根据靶标体积大小、分布情况以及喷雾机的行进速度决策喷药，实现了基于靶标体积大小进行对靶风送按需施药，可适应不同果树的高度和覆盖范围，喷雾头的流量控制最大误差不超过9.5％。

(2)本实施例所示的喷雾机在喷施作业过程中，通过PID算法进行阀门开度的闭环控制，实现压力的稳定控制。

(3)本实施例所示的风送装置采用了垂直风袋的设计，垂直风袋主要由布料材料制成，成本低，易于维护，送风噪声小。鼓风机的叶轮对气流做功，在一方面起到推动气流的作用，在另一方面，在进口附近形成了不同的气流流速，有助于将风吹入垂直风袋中，垂直风袋在充气后膨胀，风从垂直风袋两侧的出风口高速喷出，方向性一致，为喷雾提供助力，可以降低风量损失41％，提高出风口风速。

(4)本实施例所示的方案还可溯源喷雾机喷洒的药量，对区域范围内的果树的施药情况进行数据记录和分析，构建果园喷药管理信息系统，形成果园喷药情况分布图，为果园信息化管理提供了技术基础。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于超声传感的果园风袋式对靶喷雾机，其特征在于，包括：超声波传感器阵列，用于扫描果树冠层不同高度处的靶标距离；

速度检测装置，用于检测喷雾机的行驶速度信息；

风送装置；

喷雾装置，具有设置于所述风送装置的出风侧的喷雾头；

控制装置，所述控制装置的输入端通讯连接所述超声波传感器阵列与所述速度检测装置，所述控制装置的输出端通讯连接所述风送装置与所述喷雾装置。

2.根据权利要求1所述的基于超声传感的果园风袋式对靶喷雾机，其特征在于，所述超声波传感器阵列包括两列，用于以背向相对的方式分别竖直安装于所述喷雾机的两侧；相应地，所述风送装置具有用于分别形成于朝向所述喷雾机两侧的出风口。

3.根据权利要求1所述的基于超声传感的果园风袋式对靶喷雾机，其特征在于，所述风送装置包括垂直风袋和鼓风机，所述垂直风袋的顶部形成进风口，所述进风口安装所述鼓风机，所述垂直风袋具有用于分别形成于朝向所述喷雾机两侧的出风口，所述喷雾头的喷雾方向与所述出风口的出风方向相同。

4.根据权利要求3所述的基于超声传感的果园风袋式对靶喷雾机，其特征在于，所述垂直风袋的同一侧形成有多个出风口，所述出风口沿着所述垂直风袋的相应侧边依次排布；所述喷雾头包括多个，并与所述出风口一一对应。

5.根据权利要求1所述的基于超声传感的果园风袋式对靶喷雾机，其特征在于，所述喷雾装置包括药箱、液泵及所述喷雾头；所述药箱通过第一管路连通所述液泵的入口，所述液泵的出口连通第二管路的一端，所述第二管路上装有调压装置，所述第二管路的另一端连通多根分支管路的一端，所述分支管路的另一端连通所述喷雾头。

6.根据权利要求5所述的基于超声传感的果园风袋式对靶喷雾机，其特征在于，所述调压装置包括稳压球；所述稳压球包括球壳和柔性隔膜，所述柔性隔膜设置于所述球壳内，以将所述球壳分隔为气室和液室，所述液室安装于所述第二管路上。

7.根据权利要求5所述的基于超声传感的果园风袋式对靶喷雾机，其特征在于，所述调压装置还包括第一调节阀与压力传感器；所述压力传感器用于监测所述第二管路上的压力，以调控所述第一调节阀的开度，所述第一调节阀安装于所述第二管路上，所述第一调节阀还通过回流管连通所述药箱。

8.根据权利要求5所述的基于超声传感的果园风袋式对靶喷雾机，其特征在于，所述控制装置包括流量传感器和PWM驱动模块；所述分支管路上装有与所述喷雾头对应的第二调节阀，所述PWM驱动模块的输出端连接所述第二调节阀；所述流量传感器用于监测所述第二管路上的流量，以控制所述PWM驱动模块输出的电压波形的占空比。

9.一种如权利要求1至8任一所述的基于超声传感的果园风袋式对靶喷雾机的喷施方法，其特征在于，包括：

S1，扫描果树冠层不同高度处的靶标距离，检测喷雾机的行驶速度信息；

S2，基于靶标距离计算果树冠层的体积，基于果树冠层的体积计算喷雾装置进行对靶喷施的药量，并基于行驶速度信息获取对果树进行对靶喷施的位置；

S3，启动风送装置和喷雾装置，进行果树的对靶喷施作业。

10.根据权利要求9所述的喷施方法，其特征在于，S3中对喷雾装置进行的喷施控制包括：

控制液泵的出口压力维持在预设值，基于喷雾装置进行对靶喷施的药量，对各个第二调节阀进行PWM控制，调节向第二调节阀输送的电压波形的占空比，以控制与第二调节阀相应的喷雾头进行按需施药。

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