CN111972381A - 基于树冠表型特征的仿形变量喷雾机及自适应控制方法 - Google Patents

基于树冠表型特征的仿形变量喷雾机及自适应控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于树冠表型特征的仿形变量喷雾机及自适应控制方法，仿形变量喷雾机包括仿形机构模块A、仿形机构模块B、升降滑动模块、仿形支架模块、供液系统、电气箱和检测模块；在对仿形喷雾机功能与机构划分的基础上，采用了模块化与轻量化设计，整机具备了结构紧凑、轻巧灵活、易制造和易维修等特点。仿形变量喷雾机的自适应控制方法，自动采集超声回波信号并处理得到树木冠层表型特征信息，再根据冠层体积与冠层密度表型特征参数计算风量，根据冠层体积与冠层叶面积密度表型特征参数计算喷雾量；通过超声测距信息计算出的仿形控制量，驱动仿形机构仿形，实现对树冠轮廓的自动仿形，仿形精度高、喷雾精准高效、省药环保、操作简便。

Description

基于树冠表型特征的仿形变量喷雾机及自适应控制方法
技术领域
本发明属于喷雾机智能设备领域，具体地说，涉及一种基于树冠表型特征的仿形变量喷雾机及自适应控制方法。
背景技术
近年来，我国林木业迅速发展，各种林木的种植面积和生产量逐年增长，比如果树、行道树、景观树等林木。为了应对林木病虫害问题，采样精确喷雾施药技术对树木施药，既能防治病虫害，又能减少农药残留和环境污染。
目前，喷雾机有三种主流的喷雾方式，喷杆式喷雾机主要用于大田作物防治病虫害；倒U形喷雾机主要用于篱架型植物喷洒农药；仿形喷雾机主要用于林木的仿形喷雾。仿形喷雾机根据树木冠层轮廓，调整喷雾机机臂上喷头组以匹配树木冠层轮廓形状，进行对靶喷雾作业，以提高雾滴在树木冠层分布的均匀性和农药施用效率。
中国专利申请号201010132553.4，公开日2010年9月1日的专利文件，公开了一种喷雾机喷杆的变换方法，通过调节设置在固定喷杆两侧侧喷杆的位置变化，以及调节连接在侧喷杆和竖置喷杆之间的调节支撑杆的长度或安装位置，喷管由具有喷头的横喷管和具有喷头的竖喷管经柔性管连接相通，且横喷管和竖喷管分别连接在固定喷杆和竖置喷杆的内侧，通过固定喷杆、侧喷杆和竖置喷杆的位置变化使喷管形成随动的变化隧道式喷管，以适应果树和篱架作物的行距变化及不同形状果树以及篱架作物的喷雾要求。该发明喷管位置调节方便、提高施药效率，适用强的特点。但该专利公开的技术需要人工手动调节，因而操作难度大，效率低，调节精度差；整体机构笨重庞大，灵活性差。
中国专利申请号201010132576.5，公开日2010年9月1日的专利文件，公开了一种喷杆式喷雾机，包括悬挂总成、两个以上的喷杆风幕总成及药液输送总成和送风总成，悬挂总成的悬挂架上具有两个固定架，两个螺纹孔旋向相反伸缩杆安装在两个固定架上，调节杆旋接在各伸缩杆上；喷杆风幕总成的固定喷杆通过喷杆变换机构与两活动喷杆连接，固定支架通过连杆与伸缩杆连接，柔性喷管和柔性风幕管连接在固定喷杆和活动喷杆，且柔性风幕管位于柔性喷管的外侧，柔性风幕管沿喷头布置方向设置一排以上的出风孔；药液输送总成和送风总成分别与各自的柔性喷管和柔性风幕管连接相通，以形成多种形状的喷雾区域及行距变化，实现农药的对靶性喷雾，减少雾滴飘移，能同时满足大田植物、果树、苗木以及篱架型植物病虫害防治作业。该专利申请公开的技术中采用多边形T形销实现活动喷杆与固定喷杆之间夹角的调节，调节精度差，人工操作效率很低。
中国专利申请号201210594752.6，公开日2013年4月3日的专利文件，公开了一种三位一体多功能喷雾机及三工位变换方法，包括喷杆变换装置、喷雾装置、气流辅助装置和药液回收装置；喷杆变换装置由液压系统分别控制各功能机架，实现喷杆的升、降、折叠及不同高度、不同喷洒方式的变换；喷雾装置将药液由药液箱输送到隔膜泵，再经输送管道连接至各喷头，实现药液的喷洒；气流辅助装置形成均匀风幕，提高喷洒雾滴的穿透性和沉积均匀性；药液回收装置将从作物枝叶上滴落的残余药液经回收布过滤孔过滤后汇流至收集管，再通过隔膜泵将残余药液回收至药液箱，提高药液利用率。该发明实现了集喷杆式、隧道式、仿形式三种喷雾方式于一体，具备大田作物喷杆式喷雾、园艺作物隧道式喷雾和果园仿形式喷雾的结构转换功能。该专利公开的技术采用液压系统控制喷杆变换，需要人为控制喷杆变换，对于树木冠层仿形的准确度不足。同一棵树木的冠层的各个截面轮廓都是不一样，对单棵树木连续精准仿形喷雾，人为主观控制仿形难以实现。
上述专利公开的技术中均存在仿形机构笨重庞大、自动化程度低、仿形精度差、操作难度大、效率低下等问题，而且具有以下局限性：第一，仅仅片面的针对冠层轮廓单一表型特征进行收集与分析，受限于性状参数少，因此变量喷雾处理速度慢、精准度低，存在技术局限性，不适合大规模的、不同树种、不同树形的精准喷雾；第二，没有实现针对树冠仿形的定位、风量和流量的同步精准，在“适时施药”的同时“适量施药”仍有待突破。因此，必须对现有喷雾机作进一步改进以提高仿形喷雾机的整体性能。
表型，是指生物体在给定的环境中，确定基因型表现出来的形态、结构、大小、颜色、成分与功能特征等性状，是基因型和环境共同作用的结果。树冠表型特征包括冠层体积、冠层密度、叶面积密度等。基于树冠表型特征的仿形变量喷雾机及控制方法针对冠层体积、冠层密度、叶面积密度等树冠表型特征，不仅由传统的连续均匀喷雾升级到探测有无树木的间歇性对靶喷雾，还要实现流量的精准改变和风送系统风量的精准改变。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有仿形喷雾机，在仿形机构方面，存在机构庞大笨重、灵活性差、制造难度大、生产成本高等问题；在仿形控制方面，普遍采用人为手动控制仿形，存在仿形精准性差、操作难度大、效率低下等问题，提供一种基于树冠表型特征的仿形变量喷雾机及自适应控制方法，其中林木仿形变量喷雾机在对仿形喷雾机功能与机构划分的基础上，采用模块化与轻量化设计，整机具备了结构紧凑、轻巧灵活、易制造、易维修以及生产成本低等特点；其中林木仿形变量喷雾机的自适应控制方法自动采集超声回波信号并处理树木冠层表型特征信息，计算出仿形控制量，驱动仿形机构仿形，实现对树冠轮廓的自动仿形，仿形精度高、喷雾精准高效、省药环保、操作简便。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于树冠表型特征的仿形变量喷雾机，包括仿形机构、供液系统、电气箱和检测模块；所述仿形机构包括仿形机构模块A、仿形支架模块、仿形机构模块B和升降滑动模块；
所述仿形机构模块A和仿形机构模块B均与升降滑动模块连接，所述升降滑动模块与仿形支架模块连接，所述供液系统和电气箱均连接在仿形支架模块上，所述检测模块与仿形支架模块固定连接；
所述供液系统用于为仿形机构模块A和仿形机构模块B中的喷头供液；
所述电气箱用于控制仿形机构模块A、仿形机构模块B、升降滑动模块以及检测模块的工作。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述仿形机构模块A有两个，所述仿形机构模块B位于两个仿形机构模块A之间；
所述仿形机构模块A包括第一步进推杆、第一安装连接板、第一固定连杆、编码器、活动铰链、弹性联轴器、空心管安装座、电磁阀、喷头、空心管、无刷电机和第一转动连杆；
所述仿形机构模块A中的第一步进推杆两端分别通过转动方式与第一安装连接板和第一转动连杆转动连接；第一固定连杆的一端与第一安装连接板固定连接，另一端与活动铰链的一端固定连接；第一转动连杆的一端与活动铰链另一端固定连接；
所述仿形机构模块A中的空心管安装座的一端与第一转动连杆固定连接，另一端与空心管固定连接；电磁阀固定连接在空心管上，电磁阀的一端通过水管与喷头连接，另一端通过供液水管与供液系统连接；喷头固定连接在空心管上，无刷电机固定连接在第一转动连杆上，位于喷头的正下方；无刷电机连接有旋转扇叶；
所述仿形机构模块A中的编码器通过弹性联轴器与活动铰链的转轴连接；
所述仿形机构模块A通过第一安装连接板与升降滑动模块的升降杆固定连接。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述仿形机构模块A还包括步进推杆支承座、线槽、型材角码和编码器安装架；
所述仿形机构模块A中的第一步进推杆两端均通过转动方式与步进推杆支承座连接，其中一个步进推杆支承座与第一安装连接板固定连接，另一个步进推杆支承座与第一转动连杆固定连接；
所述仿形机构模块A中的第一固定连杆与第一转动连杆均安装有线槽，用于放置无刷电机、电磁阀和第一步进推杆的控制线，以及供液水管；
所述仿形机构模块A中的编码器安装架一端通过型材角码与第一固定连杆固定连接；编码器连接在编码器安装架上；
所述仿形机构模块A中的无刷电机、喷头和电磁阀均有3个。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述仿形机构模块B包括第二固定连杆、第二安装连接板、第二步进推杆、第二转动连杆、编码器、活动铰链、弹性联轴器、空心管安装座、电磁阀、喷头、空心管和无刷电机；
所述仿形机构模块B中的第二固定连杆的一端与第二安装连接板固定连接，另一端与活动铰链的一端固定连接；第二转动连杆的中央位置与活动铰链的另一端固定连接；第二步进推杆两端分别通过转动方式与第二安装连接板和第二转动连杆转动连接；
所述仿形机构模块B中的空心管安装座的一端与第二转动连杆固定连接，另一端与空心管固定连接；电磁阀固定连接在空心管上，电磁阀的一端通过水管与喷头连接，另一端通过供液水管与供液系统连接；喷头固定连接在空心管上，无刷电机固定连接在第二转动连杆上，位于喷头的正下方；无刷电机连接有旋转扇叶；
所述仿形机构模块B中的编码器通过弹性联轴器与活动铰链的转轴连接；
所述仿形机构模块B通过第二安装连接板与升降滑动模块的升降杆固定连接。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述仿形机构模块B还包括步进推杆支承座、线槽、型材角码和编码器安装架；
所述仿形机构模块B中的第二步进推杆两端均通过转动方式与步进推杆支承座连接，其中一个步进推杆支承座与第二安装连接板固定连接，另一个步进推杆支承座与第二转动连杆固定连接；
所述仿形机构模块B中的第二固定连杆与第二转动连杆均安装有线槽，用于放置无刷电机、电磁阀和第二步进推杆的控制线，以及供液水管；
所述仿形机构模块B中的编码器安装架一端通过型材角码与第二固定连杆固定连接；编码器连接在编码器安装架上；
所述仿形机构模块B中的无刷电机、喷头和电磁阀均有2个。作为本发明进一步改进的技术方案，所述升降滑动模块包括线性导轨、滑块、滑块安装板、升降杆、步进推杆连接座、第三步进推杆、连接杆、步进推杆支承座、编码器、编码器安装架和弹性联轴器；
所述滑块与线性导轨滑动连接，滑块的背面与滑块安装板固定连接；滑块安装板通过螺栓固定连接在升降杆上；第三步进推杆的一端通过转动方式与步进推杆支承座连接，步进推杆支承座与仿形支架模块固定连接，第三步进推杆的另一端通过转动副与步进推杆连接座连接；步进推杆连接座通过螺栓与升降杆固定连接；连接杆连接在仿形支架模块上；编码器的轴通过弹性联轴器与第三步进推杆的步进电机的轴连接；编码器安装在编码器安装架上；编码器安装架通过螺栓固定在连接杆上。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述电气箱包括树木冠层信息检测系统控制箱、仿形机构仿形控制箱和喷雾量与风量控制箱；所述树木冠层信息检测系统控制箱固定连接在检测模块的传感器安装杆上；仿形机构仿形控制箱与喷雾量与风量控制箱均固定连接在仿形支架模块上；
所述树木冠层信息检测系统控制箱同时与仿形机构仿形控制箱和喷雾量与风量控制箱无线通信连接；
所述检测模块的超声波传感器与树木冠层信息检测系统控制箱通过控制线连接；
所述第一步进推杆、第二步进推杆、第三步进推杆和编码器与仿形机构仿形控制箱均通过控制线连接；
所述无刷电机和电磁阀与喷雾量与风量控制箱均通过控制线连接。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述检测模块包括呈阵列排列的多个超声波传感器、电路板、支撑杆、传感器安装杆、型材角码和线槽；
所述超声波传感器安装在电路板上；电路板与型材角码固定连接；型材角码安装在传感器安装杆上；多个超声波传感器均匀并间隔的设置于传感器安装杆上，相邻超声波传感器之间的间距为30cm；
所述线槽固定连接在传感器安装杆上，用于放置多个超声波传感器的控制线；
所述支撑杆一端通过型材角码与传感器安装杆固定连接，另一端通过型材角码与仿形支架模块固定连接。
为实现上述技术目的，本发明采取的另一个技术方案为：
一种基于树冠表型特征的仿形变量喷雾机的自适应控制方法，包括以下步骤：
(1)、树木冠层信息检测系统控制箱发送指令给地面导轨移动控制系统，地面导轨移动控制系统接收到指令，向树木冠层信息检测系统控制箱回复仿形变量喷雾机的当前位置P2；
其中仿形变量喷雾机位于地面导轨移动控制系统上，地面导轨移动控制系统用于驱动控制移动导轨，带动仿形变量喷雾机移动；
仿形变量喷雾机的当前位置P2即为超声波传感器的当前位置；
(2)、树木冠层信息检测系统控制箱给多路超声波传感器发触发信号，启动测距，并采集多路超声波传感器的超声回波信号；
(3)、树木冠层信息检测系统控制箱计算超声回波均值和树冠表型特征信息参数，所述树冠表型特征信息参数包括树木的冠层体积、冠层密度和冠层叶面积密度；
(4)、根据超声波传感器测量的距离值计算仿形机构模块A中第一转动连杆的转动角度和仿形机构模块B中第二转动连杆的转动角度，根据冠层体积与冠层密度表型特征参数计算风量值，根据冠层体积与冠层叶面积密度表型特征参数计算喷雾量值；
(5)、将风量值转换为控制无刷电机的转速的PWM的占空比值，记为BLM_PWM值；将喷雾量值转换为控制喷头流量的电磁阀PWM的占空比值，记为EMV_PWM值，将转动角度转换为仿形机构的控制值，记为FXJG_Ctrl值；
(6)、将位置值P2、FXJG_Ctrl值、BLM_PWM值和EMV_PWM值，作为矩阵一行值，保存到矩阵AllCtrl中，矩阵AllCtrl中有n个位置值，对应有n行控制量值；其中FXJG_Ctrl值、BLM_PWM值和EMV_PWM值均为控制量值；
(7)、树木冠层信息检测系统控制箱发送指令给地面导轨移动控制系统，地面导轨移动控制系统接收到指令，向树木冠层信息检测系统控制箱回复仿形变量喷雾机的当前位置P2；得到当前喷雾位置P3＝P2-L，其中L表示阵列超声波传感器前置于喷头的距离；
(8)、根据喷雾位置P3，若P3>＝0时，在矩阵AllCtrl中索引AllCtrl[P3]，树木冠层信息检测系统控制箱将索引到的控制量值，分别发送给仿形机构仿形控制箱和喷雾量与风量控制箱；若P3<0时，发送的控制量值设为关闭状态值，树木冠层信息检测系统控制箱将关闭状态值分别发送给仿形机构仿形控制箱和喷雾量与风量控制箱；
(9)仿形机构仿形控制箱根据FXJG_Ctrl值驱动仿形机构模块A中的第一步进推杆、仿形机构模块B中的第二步进推杆以及升降滑动模块中的第三步进推杆，以实现实时对靶标树木冠层进行仿形；
喷雾量与风量控制箱根据BLM_PWM值控制多个无刷电机的转速以调节风量，根据EMV_PWM值控制电磁阀开度以调整多个独立喷头的流量，以实现对靶标树木冠层进行实时变风量变流量喷雾；
(10)、重复步骤(1)～(9)。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述的根据冠层体积与冠层叶面积密度表型特征参数计算喷雾量值具体包括：
n个超声波传感器沿y方向上对树木冠层采样次数为m次；树木冠层单元体积内需要的药量PV为：
Figure BDA0002663724510000071
式中，Punit是树木冠层单位体积的施药量，单位为L/m3；kLA是冠层叶面积密度系数；ρsnm是位置为[n,m]处的冠层单元叶面积密度；Smax为树木冠层的理论最大叶面积密度，取Smax＝5.3m2m-3；Vnm是[n,m]处的冠层单元体积；
所述仿形支架模块上安装的喷头的数量为Nb，对应z方向的喷雾单元数目为Nb，单个喷头喷雾对应z方向的冠层单元数量为Nz，则Nb、Nz和n的关系为：
Figure BDA0002663724510000072
单个喷头喷雾对应y方向的冠层单元数量为Ny，y方向喷雾单元数目Mb，则Mb、Nz和m的关系为：
Figure BDA0002663724510000073
各个喷头对应的喷雾单元所需的施药量BVS为：
Figure BDA0002663724510000074
所述的根据冠层体积与冠层密度表型特征参数计算风量值具体包括：
采用Nb个独立的无刷电机，根据树木冠层的体积和密度调节每个无刷电机的风量，实现不同喷雾单元风量的调节，各个无刷电机对应的喷雾单元所需的风量为：
Figure BDA0002663724510000075
式中，H1是出风口的高度，单位为m；H2是喷雾单元的高度，单位为m；v是仿形变量喷雾机行进的速度，单位为m/s；D0是仿形变量喷雾机上的阵列超声波传感器到树行中心的距离，单位为m；km是冠层质量系数，ks是风量损耗系数；
H2＝Nz·Δh (6)；
式中，Δh是相邻两个超声波传感器之间的间距；
Figure BDA0002663724510000076
式中，ρnm是位置为[n,m]处的冠层单元密度，单位为g/m3；ρmax是树木冠层理论最大的密度值，单位为m2/m3；
所述的根据超声波传感器测量的距离值计算仿形机构模块A中第一转动连杆的转动角度和仿形机构模块B中第二转动连杆的转动角度具体包括：
(a)、根据树行的平均树高，调整所述的升降滑动模块的升降杆使得处于上部的仿形机构模块A的顶部高度高于树行的平均树高；
(b)、仿形变量喷雾机的当前行进位置P2处，8个超声波传感器探测靶标树木冠层，获得靶标树木冠层距离信息D＝[P2,d1,d2,d3,d4,d5,d6,d7,d8]，d1～d8分别为从顶部至底部的8个超声波传感器依次分别测得数据的距离数值；
(c)、根据靶标树木冠层的距离数值信息，计算得到位于上部的仿形机构模块A中第一转动连杆的目标仿形转动角度α1，计算方法如式(8)；计算得到仿形机构模块B中第二转动连杆的目标仿形转动角度α2，计算方法如式(9)；计算得到位于下部的仿形机构模块A中第一转动连杆的目标仿形转动角度α3，计算方法如式(10)；将P2,α1,α2,α3存入目标仿形转动角度向量
Figure BDA0002663724510000086
Figure BDA0002663724510000081
Figure BDA0002663724510000082
Figure BDA0002663724510000083
式中：α1_last、α2_last、α3_last分别是角度α1、α2、α3的前一次测量的角度；
(d)、将目标仿形转动角度向量
Figure BDA0002663724510000084
以行向量依次存到矩阵β中：
Figure BDA0002663724510000085
(e)、阵列超声波传感器的当前位置为P2，当P3＝P2-L≥0时，在矩阵β中，索引找到β[n][0]＝P3，提取矩阵β中第n行目标仿形转动角度，即仿形机构当前位置执行的目标仿形转动角度；当P3<0时，默认仿形机构当前位置执行的目标仿形转动角度均为0°；
(f)、将索引到的仿形机构当前位置执行的目标仿形转动角度信息发送仿形机构仿形控制箱，所述的仿形机构仿形控制箱对仿形机构模块A和仿形机构模块B执行自适应仿形控制，仿形机构模块A和仿形机构模块B的自适应仿形控制方法相同，其中仿形机构模块A的自适应仿形控制方法具体子步骤如下：
S1：所述的仿形机构模块A上的编码器实时输出脉冲信号给仿形机构仿形控制箱，仿形机构仿形控制箱根据该编码器的实时输出脉冲信号得到第一转动连杆的当前转动角度；
S2：所述的第一转动连杆的当前转动角度与仿形机构模块A的目标仿形转动角度α1作为仿形机构仿形控制箱的输入值，求得所述的第一步进推杆的步进电机的控制脉冲值；
S3：仿形机构仿形控制箱根据求得的第一步进推杆的步进电机的控制脉冲值，给第一步进推杆的步进电机驱动器发送控制信号，驱动所述的第一步进推杆伸缩，改变所述的第一转动连杆的转动角度；
(g)、重复步骤(b)～(f)。
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)仿形变量喷雾机的仿形机构由仿形机构模块A、仿形机构模块B、升降伸缩模块和仿形支架模块组成，具备了结构模块化设计的特点。仿形变量喷雾机由仿形机构、供液系统、电气箱和检测模块组成，具备了功能模块化设计特点。仿形变量喷雾机模块化设计，有效缩短仿形机构设计与制造周期，降低了生产制造的成本；有助于仿形变量喷雾机各个模块优化设计与性能提升；降低了仿形变量喷雾机各模块间的关联性，避免单个功能模块出现故障影响其他模块，便于仿形变量喷雾机的故障排查与维修。林木智能仿形变量喷雾机，整机采用了标准铝型材，在保证结构稳固前提下，极大地降低了整机的重量，具备了轻量化设计的特点；同时整机结构设计紧凑，易于运输与仓储。
(2)根据超声波传感器进行探测，实现“有树的时候施药、没有树的时候不施药”，由传统的连续均匀喷雾升级到探测有无树木的间歇性对靶喷雾，即施药环节的“适时施药”。采集表型特征，针对冠层体积、冠层叶面积密度等树冠表型特征，精准改变喷雾流量，即“适量施药”，确保农药雾滴的覆盖率和有效沉积。针对冠层体积、冠层密度等树冠表型特征，根据风送气流在冠层内的分布及衰减规律，精准改变风送系统的风量，即“适风施药”，确保农药雾滴在树木冠层中的穿透性。
(3)仿形变量喷雾机的自适应仿形控制方法，自动采集并处理树木冠层表型特征信息，计算出仿形目标转动角度值。仿形机构仿形控制系统从仿形机构模块A与仿形机构模块B中的增量式编码器实时采集脉冲，获得第一转动连杆与第二转动连杆的当前转动角度。仿形目标转动角度值与当前转动角度值作为CMAC(小脑神经网络)与PID并行控制算法的输入值，计算出仿形机构模块A的第一步进推杆与仿形机构模块B的第二步进推杆的控制量值，驱动仿形机构工作，实现了喷雾机对树冠轮廓的自动化仿形，仿形精度高、喷雾精准高效、省药环保、操作简便。
附图说明
图1为仿形变量喷雾机主视图。
图2为仿形变量喷雾机等轴侧图。
图3为仿形机构模块A等轴侧图。
图4为仿形机构模块B左右二等角轴侧图。
图5为仿形变量喷雾机主视图中I处局部放大图。
图6为仿形变量喷雾机等轴侧图中II处局部放大图。
图7为仿形变量喷雾机对树冠仿形示意图。
图8为超声波传感器探测树木冠层表型特征信息的示意图。
图9为基于树冠表型特征的仿形变流量变风量喷雾机的控制程序流程图。
示意图中的标号说明：100、仿形机构模块A；101、步进推杆支承座；102、第一步进推杆；103、第一安装连接板；104、第一固定连杆；105、线槽；106、型材角码；107、编码器安装架；108、编码器；109、活动铰链；110、弹性联轴器；111、空心管安装座；112、电磁阀；113、喷头；114、空心管；115、无刷电机；116、第一转动连杆；200、仿形机构模块B；201、第二固定连杆；202、第二安装连接板；203、第二步进推杆；204、第二转动连杆；300、升降伸缩模块；301、线性导轨；302、滑块；303、滑块安装板；304、升降杆；305、步进推杆连接座；306、第三步进推杆；307、连接杆；400、仿形支架模块；501、水泵；502、空气罐；503、压力表；504、药箱；500、供液系统；600、电气箱；610、树木冠层信息检测系统控制箱620、仿形机构仿形控制箱630、喷雾量与风量控制箱；700、检测模块；701、超声波传感器；702、电路板；703、支撑杆；704、传感器安装杆。
具体实施方式
下面根据附图对本发明的具体实施方式作出进一步说明：
如图1、图2、图5，本实施方式的基于树冠表型特征的仿形变量喷雾机，包括仿形机构、供液系统500、电气箱600和检测模块700。其中仿形机构包括仿形支架模块400、仿形机构模块A100、仿形机构模块B200和升降滑动模块300。仿形机构模块A100有两个，分别位于仿形机构模块B200的上方和下方。
具体的，仿形机构模块A100通过第一安装连接板103与升降杆304固定连接；仿形机构模块B200通过第二安装连接板202与升降杆304固定连接；升降滑动模块300通过线性导轨301与仿形支架模块400固定连接；供液系统500安装在仿形支架模块400底部；电气箱600安装仿形支架模块400的中部；检测模块700通过角码106与仿形支架模块400固定连接。
如图3，仿形机构模块A100包括步进推杆支承座101、第一步进推杆102、第一安装连接板103、第一固定连杆104、线槽105、型材角码106、编码器安装架107、编码器108、活动铰链109、弹性联轴器110、空心管安装座111、电磁阀112、喷头113、空心管114、无刷电机115和第一转动连杆116。
仿形机构模块A100中的第一步进推杆102两端均通过转动方式与步进推杆支承座101联接，其中一个步进推杆支承座101与第一安装连接板103固定连接，另一个步进推杆支承座101与第一转动连杆116固定连接；第一固定连杆104的一端与第一安装连接板103固定连接，另一端与活动铰链109的一端固定连接；第一转动连杆116的一端与活动铰链109另一端固定连接。
仿形机构模块A100中的空心管安装座111的一端与第一转动连杆116固定连接，另一端与空心管114固定连接；电磁阀112固定安装在空心管114，一端通过水管与喷头113连接，另一端通过供液水管与供液系统500连接。喷头113固定安装在空心管114上。无刷电机115固定安装在第一转动连杆116上，位于喷头113的正下方。仿形机构模块A100中电磁阀112、喷头113和无刷电机115均有3个。
仿形机构模块A100中的第一固定连杆104与第一转动连杆116均安装有线槽105，用于放置无刷电机115、电磁阀112和第一步进推杆102的控制线，以及供液水管。
仿形机构模块A100中的编码器安装架107一端通过型材角码106与第一固定连杆104固定连接；编码器108安装在编码器安装架107，通过弹性联轴器110与活动铰链109的转轴联接。
如图4，仿形机构模块B200包括第二固定连杆201、第二安装连接板202、第二步进推杆203、第二转动连杆204、步进推杆支承座101、线槽105、型材角码106、编码器安装架107、编码器108、活动铰链109、弹性联轴器110、空心管安装座111、电磁阀112、喷头113、空心管114和无刷电机115。
仿形机构模块B200中的第二固定连杆201的一端与第二安装连接板202固定连接，另一端与活动铰链109的一端固定连接；第二转动连杆204的中央位置与活动铰链109的另一端固定连接；第二步进推杆203两端均通过转动方式与步进推杆支承座101联接，其中一个步进推杆支承座101与第二安装连接板202固定连接，另一个步进推杆支承座101与第二转动连杆204固定连接；其余部件安装连接方式与仿形机构模块A100相同。仿形机构模块B200中的电磁阀112、喷头113和无刷电机115均有2个。
如图5，升降滑动模块300包括线性导轨301、滑块302、滑块安装板303、升降杆304、步进推杆连接座305、第三步进推杆306、连接杆307、步进推杆支承座101、编码器108、编码器安装架107和弹性联轴器110。
升降滑动模块300中的滑块302与线性导轨301滑动联接，其背面与滑块安装板303固定连接；滑块安装板303通过螺栓固定安装在升降杆304上；第三步进推杆306的一端通过步进推杆支承座101与仿形支架模块400固定连接，另一端通过转动副与步进推杆连接座305联接；步进推杆连接座305通过螺栓与升降杆304固定连接；连接杆307安装在仿形支架模块400上；编码器107的轴通过弹性联轴器110与第三步进推杆306的步进电机的轴联接；编码器107安装在编码器安装架108上；编码器安装架108通过螺栓固定在连接杆307上。
如图5，供液系统500包括水泵501、空气罐502、压力表503和药箱504(也可称为水箱)，其中药箱504、水泵501、空气罐502、压力表503用水管依次串联，最后通过供液水管与电磁阀112连接。
如图1，电气箱600包括树木冠层信息检测系统控制箱610、仿形机构仿形控制箱620、喷雾量与风量控制箱630。树木冠层信息检测系统控制箱610固定安装在检测模块700的传感器安装杆704上。仿形机构仿形控制箱620与喷雾量与风量控制箱630均固定安装在仿形支架模块400上。
树木冠层信息检测系统控制箱610同时与仿形机构仿形控制箱620和喷雾量与风量控制箱630通过2.4G通讯模块无线通信连接。所述检测模块700的超声波传感器701与树木冠层信息检测系统控制箱610通过控制线连接。所述第一步进推杆102、第二步进推杆203、第三步进推杆306和编码器108与仿形机构仿形控制箱620均通过控制线连接。所述无刷电机115和电磁阀112与喷雾量与风量控制箱630均通过控制线连接。
如图2，图6，检测模块700包括超声波传感器701、电路板702、支撑杆703、传感器安装杆704、型材角码106和线槽105。
超声波传感器701安装在电路板702上；电路板702与型材角码106固定连接；型材角码106安装在传感器安装杆704上；8个超声波传感器701均匀安装在传感器安装杆704，呈阵列排列，超声波传感器701之间的间隔为30cm。线槽105固定安装在传感器安装杆704上，用于放置8个超声波传感器701的接线。支撑杆703一端通过型材角码106与传感器安装杆704固定连接，另一端通过型材角码106与仿形支架模块400固定连接。
本实施例采用8路阵列超声波传感器701探测果树冠层1次，直接探测得到冠层测距信息，计算可得冠层体积、冠幅等表型特征参数，同时，基于超声波回波信号的均值计算提取冠层密度、叶面积密度等表型特征参数(采用现有技术方式计算获取)。所述的基于树冠表型特征的仿形变流量变风量喷雾机的控制程序流程图，如图9所示，本实施例将树木冠层信息检测系统控制箱610(以下简称树冠表型特征信息探测系统)作为2.4G通讯终端，仿形机构仿形控制箱620(以下简称仿形机构仿形控制系统)、喷雾量与风量控制箱630(以下简称风量与喷雾量控制系统)和地面导轨移动控制系统分别作为2.4G通讯客户端1、2和3。以树冠表型特征信息探测系统的主程序为主线，简介仿形变量喷雾机实现变流量、变风量的仿形喷雾实现方法(即基于树冠表型特征的仿形变量喷雾机的自适应仿形控制方法)主要步骤如下：
(1)2.4G通讯终端、2.4G通讯客户端1～3初始化参数与功能模式设置；
(2)树冠表型特征信息探测系统通过2.4G通讯模块发送“YDDG”指令给地面导轨移动控制系统，地面导轨移动控制系统接收到指令“YDDG”，向树冠表型特征信息探测系统回复仿形喷雾机当前位置P2。本实施例通过从安装在地面导轨移动控制系统上(或车轮)主动轴上的旋转编码器读取脉冲值，计算得到当前位置P2；阵列超声波传感器701与主动轴上的旋转编码器位于同一垂直方向上，因此仿形变量喷雾机的当前位置即为超声波传感器(701)的当前位置；
(3)树冠表型特征信息探测系统的STM32F4控制板给8路超声波传感器701发触发信号，启动测距，并打开8路ADC端口采集8路超声回波信号；
(4)24ms后关闭ADC采集超声回波信号，再等待40ms完成一次测距；
(5)计算超声回波均值和树冠表型特征信息参数(即冠层形态包括：冠层体积、冠层密度、冠层叶面积密度)；
(6)根据距离值计算仿形机构的转动角度，根据冠层体积与冠层密度表型特征参数计算风量，根据冠层体积与冠层叶面积密度表型特征参数计算喷雾量；
(7)将风量值转换为控制无刷电机115的转速的PWM的占空比值(BLM_PWM值)，将喷雾量值转换为控制喷头流量的电磁阀112PWM的占空比值(EMV_PWM值)，将仿形机构的转动角度转换为仿形机构的控制值(FXJG_Ctrl值)；
(8)将位置值P2、FXJG_Ctrl值、BLM_PWM值和EMV_PWM值，作为矩阵一行值，保存到矩阵AllCtrl中(即有n个位置值，对应有n行控制量值)；其中FXJG_Ctrl值、BLM_PWM值和EMV_PWM值均属于控制量值；
(9)树冠表型特征信息探测系统通过2.4G通讯模块发送“YDDG”指令给地面导轨移动控制系统，地面导轨移动控制系统接收到指令“YDDG”，向树冠表型特征信息探测系统回复仿形喷雾机当前位置P2，得到当前喷雾位置P3＝P2-前置距离L(传感器在喷雾位置前面L为1m位置处)，其中L表示阵列超声波传感器701前置于喷头113的距离；
(10)根据喷雾位置P3，若P3>＝0时，在矩阵AllCtrl中索引AllCtrl[P3]，将索引到的控制量值，通过2.4G通信分别发送给仿形机构仿形控制系统、风量与喷雾量控制系统；若P3<0时，发送的控制量设为关闭状态值，通过2.4G通信分别发送给仿形机构仿形控制系统、风量与喷雾量控制系统；
(11)仿形机构仿形控制系统根据FXJG_Ctrl值驱动仿形机构模块A100中的第一步进推杆102、仿形机构模块B200中的第二步进推杆203以及升降滑动模块300中的第三步进推杆306(如图7所示)，以实现实时对靶标树木冠层进行仿形。风量与喷雾量控制系统根据BLM_PWM值控制8个无刷电机115的转速以调节风量，根据EMV_PWM值控制电磁阀112开度以调整8个独立喷头113的流量，以实现对靶标树木冠层进行实时变风量变流量喷雾，有效改善农药雾滴在树木冠层中的穿透性，与农药雾滴的覆盖率和有效沉积。
(12)重复步骤(1)～(12)。
其中，单个喷头113变流量计算方法如下：
如图8所示，n个(本实例中n＝8)超声波传感器701沿y方向上对树木冠层采样次数为m次。树木冠层单元体积内需要的药量为PV(L)为：
Figure BDA0002663724510000141
式中，Punit是单位体积的施药量(L/m3)，Punit＝0.1L/m3[13]，kLA是冠层叶面积密度系数，ρsnm是位置为[n,m]处的冠层单元叶面积密度，Smax为树木冠层的理论最大叶面积密度，取Smax＝5.3m2m-3；Vnm是[n,m]处的冠层单元体积。
喷雾机单侧仿形机臂需要安装喷头113的数量为Nb(本实例Nb＝8，也可根据实际情况增加数量)个，对应z方向的喷雾单元数目为Nb，单个喷头喷雾对应z方向的冠层单元数量为Nz，则Nb、Nz和n的关系：
Figure BDA0002663724510000151
单个喷头113喷雾对应y方向的冠层单元数量为Ny，y方向喷雾单元数目Mb，则Mb、Nz和m的关系：
Figure BDA0002663724510000152
各个喷头113对应的喷雾单元所需的施药量BVS(L)为：
Figure BDA0002663724510000153
其中，变风量计算方法如下：
采用Nb个独立的无刷电机115，根据树木冠层的体积和密度调节每个无刷电机115的风量，实现不同喷雾单元风量的调节，各个无刷电机115对应的喷雾单元所需的风量为：
Figure BDA0002663724510000154
式中，H1是出风口的高度(m)，H2是喷雾单元的高度(m)，v是喷雾机行进的速度(m/s)，D0是喷雾机到树行中心的距离(m)，km是冠层质量系数，ks是风量损耗系数。
H2＝Nz·Δh (6)；
式中，Δh是相邻超声波传感器701的间距，如图8所示。
Figure BDA0002663724510000155
式中，km是冠层质量系数，ρnm是位置为[n,m]处的冠层单元密度(g/m3)，ρmax是树木冠层理论最大的密度值(m2/m3)。
所述的一种林木智能仿形喷雾机的自适应仿形控制方法，所述的检测模块700上的8个所述的超声波传感器701获得的树木冠层表型特征信息。冠层表型特征是描述树木冠层结构特征的重要因子，也是树木冠层空隙的动态变化的重要指标。
根据树木冠层测距信息，所述的仿形机构控制系统分别自动控制所述的仿形机构模块A100的所述的第一步进推杆102与所述的仿形机构模块B200的第二步进推杆203的伸缩，驱动第一转动连杆116与第二转动连杆204转动，实现对树冠轮廓的自适应仿形，具体方法如下：
步骤一：初始化仿形喷雾机的仿形控制系统各个参数，根据树行的平均树高，调整所述的升降滑动模块300的升降杆304使得处于上部的仿形机构模块A100的顶部高度高于树行的平均树高；
步骤二：仿形喷雾机当前行进位置P2处，所述的8个超声波传感器701探测靶标树木冠层，获得靶标树木冠层距离信息D＝[P2,d1,d2,d3,d4,d5,d6,d7,d8]，d1～d8分别为从顶部至底部的8个超声波传感器701依次测得数据的距离数值；
步骤三：根据靶标树木冠层距离信息，计算得到所述的仿形机构模块A100(位置上)的目标仿形转动角度α1，计算方法如式(1)；所述的仿形机构模块B200的目标仿形转动角度α2计算方法如式(2)；所述的仿形机构模块A100(位置下)的目标仿形转动角度α3，计算方法如式(3)；将P2,α1,α2,α3存入目标仿形转动角度向量
Figure BDA0002663724510000161
Figure BDA0002663724510000162
Figure BDA0002663724510000163
Figure BDA0002663724510000164
式中：α1_last、α2_last、α3_last分别是角度α1、α2、α3的前一次测量的角度；
步骤四：将目标仿形角度向量
Figure BDA0002663724510000165
以行向量依次存到矩阵β中：
Figure BDA0002663724510000166
步骤五：阵列超声波传感器701的当前位置为P2处，当P3＝P2-L≥0时，在矩阵β中，索引找到β[n][0]＝P3，提取矩阵β中第n行目标仿形角度，即仿形机构当前位置执行的仿形目标角度；当P3<0时，默认当前位置执行的仿形目标角度均为0°；
步骤六：将索引到的仿形机构当前位置执行的仿形目标角度信息发送仿形机构控制系统，仿形机构控制系统对仿形机构模块A100和仿形机构模块B200执行自适应仿形控制。仿形机构模块A100和仿形机构模块B200的自适应仿形控制方法相同，以仿形机构模块A100的自适应仿形控制方法为例介绍，具体子步骤如下：
S1：仿形机构模块A100的编码器实时输出脉冲信号给仿形机构控制系统，仿形机构控制系统根据编码器实时输出脉冲信号得到第一转动连杆116的当前转动角度。
S2：所述的第一转动连杆116的当前转动角度与所述的仿形机构模块A100的目标仿形角度α1作为CMAC神经网络与PID的算法的输入值，求得所述的第一步进推杆102的步进电机的控制脉冲值。
S3：仿形机构控制系统根据求得所述的第一步进推杆102的步进电机的控制脉冲值，给步进电机驱动器发送控制信号，驱动所述的第一步进推杆102伸缩，改变所述的第一转动连杆116的转动角度。
步骤七：重复步骤二～七。
本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于树冠表型特征的仿形变量喷雾机，其特征在于：包括仿形机构、供液系统(500)、电气箱(600)和检测模块(700)；所述仿形机构包括仿形机构模块A(100)、仿形机构模块B(200)、升降滑动模块(300)和仿形支架模块(400)；
所述仿形机构模块A(100)和仿形机构模块B(200)均与升降滑动模块(300)连接，所述升降滑动模块(300)与仿形支架模块(400)连接，所述供液系统(500)和电气箱(600)均连接在仿形支架模块(400)上，所述检测模块(700)与仿形支架模块(400)固定连接；
所述供液系统(500)用于为仿形机构模块A(100)和仿形机构模块B(200)中的喷头(113)供液；
所述电气箱(600)用于控制仿形机构模块A(100)、仿形机构模块B(200)、升降滑动模块(300)以及检测模块(700)的工作。
2.根据权利要求1所述的基于树冠表型特征的仿形变量喷雾机，其特征在于：所述仿形机构模块A(100)有两个，所述仿形机构模块B(200)位于两个仿形机构模块A(100)之间；
所述仿形机构模块A(100)包括第一步进推杆(102)、第一安装连接板(103)、第一固定连杆(104)、编码器(108)、活动铰链(109)、弹性联轴器(110)、空心管安装座(111)、电磁阀(112)、喷头(113)、空心管(114)、无刷电机(115)和第一转动连杆(116)；
所述仿形机构模块A(100)中的第一步进推杆(102)两端分别通过转动方式与第一安装连接板(103)的一端和第一转动连杆(116)的一端转动连接；第一固定连杆(104)的一端与第一安装连接板(103)的另一端固定连接，第一固定连杆(104)的另一端与活动铰链(109)的一端固定连接；第一转动连杆(116)的一端与活动铰链(109)另一端固定连接；
所述仿形机构模块A(100)中的空心管安装座(111)的一端与第一转动连杆(116)固定连接，另一端与空心管(114)固定连接；电磁阀(112)固定连接在空心管(114)上，电磁阀(112)的一端通过水管与喷头(113)连接，另一端通过供液水管与供液系统(500)连接；喷头(113)固定连接在空心管(114)上，无刷电机(115)固定连接在第一转动连杆(116)上且位于喷头(113)的正下方；无刷电机(115)连接有旋转扇叶；
所述仿形机构模块A(100)中的编码器(108)通过弹性联轴器(110)与活动铰链(109)的转轴连接；
所述仿形机构模块A(100)通过第一安装连接板(103)与升降滑动模块(300)的升降杆(304)固定连接。
3.根据权利要求2所述的基于树冠表型特征的仿形变量喷雾机，其特征在于：所述仿形机构模块A(100)还包括步进推杆支承座(101)、线槽(105)、型材角码(106)和编码器安装架(107)；
所述仿形机构模块A(100)中的第一步进推杆(102)两端均通过转动方式与步进推杆支承座(101)连接，其中一个步进推杆支承座(101)与第一安装连接板(103)的一端固定连接，另一个步进推杆支承座(101)与第一转动连杆(116)的一端固定连接；
所述仿形机构模块A(100)中的第一固定连杆(104)与第一转动连杆(116)均安装有线槽(105)，用于放置无刷电机(115)、电磁阀(112)和第一步进推杆(102)的控制线，以及供液水管；
所述仿形机构模块A(100)中的编码器安装架(107)一端通过型材角码(106)与第一固定连杆(104)固定连接；编码器(108)连接在编码器安装架(107)上；
所述仿形机构模块A(100)中的无刷电机(115)、喷头(113)和电磁阀(112)均有3个。
4.根据权利要求2所述的基于树冠表型特征的仿形变量喷雾机，其特征在于：所述仿形机构模块B(200)包括第二固定连杆(201)、第二安装连接板(202)、第二步进推杆(203)、第二转动连杆(204)、编码器(108)、活动铰链(109)、弹性联轴器(110)、空心管安装座(111)、电磁阀(112)、喷头(113)、空心管(114)和无刷电机(115)；
所述仿形机构模块B(200)中的第二固定连杆(201)的一端与第二安装连接板(202)的一端固定连接，第二固定连杆(201)的另一端与活动铰链(109)的一端固定连接；第二转动连杆(204)的中央位置与活动铰链(109)的另一端固定连接；第二步进推杆(203)两端分别通过转动方式与第二安装连接板(202)和第二转动连杆(204)转动连接；
所述仿形机构模块B(200)中的空心管安装座(111)的一端与第二转动连杆(204)固定连接，另一端与空心管(114)固定连接；电磁阀(112)固定连接在空心管(114)上，电磁阀(112)的一端通过水管与喷头(113)连接，另一端通过供液水管与供液系统(500)连接；喷头(113)固定连接在空心管(114)上，无刷电机(115)固定连接在第二转动连杆(204)上且位于喷头(113)的正下方；无刷电机(115)连接有旋转扇叶；
所述仿形机构模块B(200)中的编码器(108)通过弹性联轴器(110)与活动铰链(109)的转轴连接；
所述仿形机构模块B(200)通过第二安装连接板(202)与升降滑动模块(300)的升降杆(304)固定连接。
5.根据权利要求4所述的基于树冠表型特征的仿形变量喷雾机，其特征在于：所述仿形机构模块B(200)还包括步进推杆支承座(101)、线槽(105)、型材角码(106)和编码器安装架(107)；
所述仿形机构模块B(200)中的第二步进推杆(203)两端均通过转动方式与步进推杆支承座(101)连接，其中一个步进推杆支承座(101)与第二安装连接板(202)固定连接，另一个步进推杆支承座(101)与第二转动连杆(204)固定连接；
所述仿形机构模块B(200)中的第二固定连杆(201)与第二转动连杆(204)均安装有线槽(105)，用于放置无刷电机(115)、电磁阀(112)和第二步进推杆(203)的控制线，以及供液水管；
所述仿形机构模块B(200)中的编码器安装架(107)一端通过型材角码(106)与第二固定连杆(201)固定连接；编码器(108)连接在编码器安装架(107)上；
所述仿形机构模块B(200)中的无刷电机(115)、喷头(113)和电磁阀(112)均有2个。
6.根据权利要求4所述的基于树冠表型特征的仿形变量喷雾机，其特征在于：所述升降滑动模块(300)包括线性导轨(301)、滑块(302)、滑块安装板(303)、升降杆(304)、步进推杆连接座(305)、第三步进推杆(306)、连接杆(307)、步进推杆支承座(101)、编码器(108)、编码器安装架(107)和弹性联轴器(110)；
所述升降滑动模块(300)中的滑块(302)与线性导轨(301)滑动连接，滑块(302)的背面与滑块安装板(303)固定连接；滑块安装板(303)通过螺栓固定连接在升降杆(304)上；第三步进推杆(306)的一端通过转动方式与步进推杆支承座(101)连接，步进推杆支承座(101)与仿形支架模块(400)固定连接，第三步进推杆(306)的另一端通过转动副与步进推杆连接座(305)连接；步进推杆连接座(305)通过螺栓与升降杆(304)固定连接；连接杆(307)连接在仿形支架模块(400)上；编码器(108)的轴通过弹性联轴器(110)与第三步进推杆(306)的步进电机的轴连接；编码器(108)安装在编码器安装架(107)上；编码器安装架(107)通过螺栓固定在连接杆(307)上。
7.根据权利要求6所述的基于树冠表型特征的仿形变量喷雾机，其特征在于：所述电气箱(600)包括树木冠层信息检测系统控制箱(610)、仿形机构仿形控制箱(620)和喷雾量与风量控制箱(630)；所述树木冠层信息检测系统控制箱(610)固定连接在检测模块(700)的传感器安装杆(704)上；仿形机构仿形控制箱(620)与喷雾量与风量控制箱(630)均固定连接在仿形支架模块(400)上；
所述树木冠层信息检测系统控制箱(610)同时与仿形机构仿形控制箱(620)和喷雾量与风量控制箱(630)无线通信连接；
所述检测模块(700)的超声波传感器(701)与树木冠层信息检测系统控制箱(610)通过控制线连接；
所述第一步进推杆(102)、第二步进推杆(203)、第三步进推杆(306)和编码器(108)与仿形机构仿形控制箱(620)均通过控制线连接；
所述无刷电机(115)和电磁阀(112)与喷雾量与风量控制箱(630)均通过控制线连接。
8.根据权利要求7所述的基于树冠表型特征的仿形变量喷雾机，其特征在于：所述检测模块(700)包括呈阵列排列的多个超声波传感器(701)、电路板(702)、支撑杆(703)、传感器安装杆(704)、型材角码(106)和线槽(105)；
所述检测模块(700)中的超声波传感器(701)安装在电路板(702)上；电路板(702)与型材角码(106)固定连接；型材角码(106)安装在传感器安装杆(704)上；多个超声波传感器(701)均匀并间隔的设置于传感器安装杆(704)上；
所述线槽(105)固定连接在传感器安装杆(704)上，用于放置多个超声波传感器(701)的控制线；
所述支撑杆(703)一端通过型材角码(106)与传感器安装杆(704)固定连接，另一端通过型材角码(106)与仿形支架模块(400)固定连接。
9.一种根据权利要求8所述的基于树冠表型特征的仿形变量喷雾机的自适应控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)、树木冠层信息检测系统控制箱(610)发送指令给地面导轨移动控制系统，地面导轨移动控制系统接收到指令，向树木冠层信息检测系统控制箱(610)回复仿形变量喷雾机的当前位置P2；
其中仿形变量喷雾机位于地面导轨移动控制系统上，地面导轨移动控制系统用于驱动控制移动导轨，带动仿形变量喷雾机移动；
仿形变量喷雾机的当前位置P2即为超声波传感器(701)的当前位置；
(2)、树木冠层信息检测系统控制箱(610)给多路超声波传感器(701)发触发信号，启动测距，并采集多路超声波传感器(701)的超声回波信号；
(3)、树木冠层信息检测系统控制箱(610)计算超声回波均值和树冠表型特征信息参数，所述树冠表型特征信息参数包括树木的冠层体积、冠层密度和冠层叶面积密度；
(4)、根据超声波传感器(701)测量的距离值计算仿形机构模块A(100)中第一转动连杆(116)的转动角度和仿形机构模块B(200)中第二转动连杆(204)的转动角度，根据冠层体积与冠层密度表型特征参数计算风量值，根据冠层体积与冠层叶面积密度表型特征参数计算喷雾量值；
(5)、将风量值转换为控制无刷电机(115)的转速的PWM的占空比值，记为BLM_PWM值；将喷雾量值转换为控制喷头(113)流量的电磁阀(112)PWM的占空比值，记为EMV_PWM值，将转动角度转换为仿形机构的控制值，记为FXJG_Ctrl值；
(6)、将位置值P2、FXJG_Ctrl值、BLM_PWM值和EMV_PWM值，作为矩阵一行值，保存到矩阵AllCtrl中，所述矩阵AllCtrl中有n个位置值，对应有n行控制量值；其中FXJG_Ctrl值、BLM_PWM值和EMV_PWM值均为控制量值；
(7)、树木冠层信息检测系统控制箱(610)发送指令给地面导轨移动控制系统，地面导轨移动控制系统接收到指令，向树木冠层信息检测系统控制箱(610)回复仿形变量喷雾机的当前位置P2；得到当前喷雾位置P3＝P2-L，其中L表示阵列超声波传感器(701)前置于喷头(113)的距离；
(8)、根据喷雾位置P3，若P3>＝0时，在矩阵AllCtrl中索引AllCtrl[P3]，树木冠层信息检测系统控制箱(610)将索引到的控制量值，分别发送给仿形机构仿形控制箱(620)和喷雾量与风量控制箱(630)；若P3<0时，发送的控制量值设为关闭状态值，树木冠层信息检测系统控制箱(610)将关闭状态值分别发送给仿形机构仿形控制箱(620)和喷雾量与风量控制箱(630)；
(9)仿形机构仿形控制箱(620)根据FXJG_Ctrl值驱动仿形机构模块A(100)中的第一步进推杆(102)、仿形机构模块B(200)中的第二步进推杆(203)以及升降滑动模块(300)中的第三步进推杆(306)，以实现实时对靶标树木冠层进行仿形；
喷雾量与风量控制箱(630)根据BLM_PWM值控制多个无刷电机(115)的转速以调节风量，根据EMV_PWM值控制电磁阀(112)开度以调整多个独立喷头(113)的流量，以实现对靶标树木冠层进行实时变风量变流量喷雾；
(10)、重复步骤(1)～(9)。
10.一种根据权利要求9所述的基于树冠表型特征的仿形变量喷雾机的自适应控制方法，其特征在于：
所述的根据冠层体积与冠层叶面积密度表型特征参数计算喷雾量值具体包括：
n个超声波传感器(701)沿y方向上对树木冠层采样次数为m次；树木冠层单元体积内需要的药量PV为：
Figure FDA0002663724500000061
式中，Punit是树木冠层单位体积的施药量，单位为L/m3；kLA是冠层叶面积密度系数；ρsnm是位置为[n,m]处的冠层单元叶面积密度；Smax为树木冠层的理论最大叶面积密度，取Smax＝5.3m2m-3；Vnm是[n,m]处的冠层单元体积；
所述仿形支架模块(400)上安装的喷头(113)的数量为Nb，对应z方向的喷雾单元数目为Nb，单个喷头(113)喷雾对应z方向的冠层单元数量为Nz，则Nb、Nz和n的关系为：
Figure FDA0002663724500000062
单个喷头(113)喷雾对应y方向的冠层单元数量为Ny，y方向喷雾单元数目Mb，则Mb、Nz和m的关系为：
Figure FDA0002663724500000063
各个喷头(113)对应的喷雾单元所需的施药量BVS为：
Figure FDA0002663724500000064
所述的根据冠层体积与冠层密度表型特征参数计算风量值具体包括：
采用Nb个独立的无刷电机(115)，根据树木冠层的体积和密度调节每个无刷电机(115)的风量，实现不同喷雾单元风量的调节，各个无刷电机(115)对应的喷雾单元所需的风量为：
Figure FDA0002663724500000065
式中，H1是出风口的高度，单位为m；H2是喷雾单元的高度，单位为m；v是仿形变量喷雾机行进的速度，单位为m/s；D0是仿形变量喷雾机上的阵列超声波传感器(701)到树行中心的距离，单位为m；km是冠层质量系数，ks是风量损耗系数；
H2＝Nz·Δh (6)；
式中，Δh是相邻两个超声波传感器(701)之间的间距；
Figure FDA0002663724500000066
式中，ρnm是位置为[n,m]处的冠层单元密度，单位为g/m3；ρmax是树木冠层理论最大的密度值，单位为m2/m3；
所述的根据超声波传感器(701)测量的距离值计算仿形机构模块A(100)中第一转动连杆(116)的转动角度和仿形机构模块B(200)中第二转动连杆(204)的转动角度具体包括：
(a)、根据树行的平均树高，调整所述的升降滑动模块(300)的升降杆(304)使得处于上部的仿形机构模块A(100)的顶部高度高于树行的平均树高；
(b)、仿形变量喷雾机的当前行进位置P2处，8个超声波传感器(701)探测靶标树木冠层，获得靶标树木冠层距离信息D＝[P2,d1,d2,d3,d4,d5,d6,d7,d8]，d1～d8分别为从顶部至底部的超声波传感器(701)依次测得数据的距离数值；
(c)、根据靶标树木冠层的距离数值信息，计算得到位于上部的仿形机构模块A(100)中第一转动连杆(116)的目标仿形转动角度α1，计算方法如式(8)；计算得到仿形机构模块B(200)中第二转动连杆(204)的目标仿形转动角度α2，计算方法如式(9)；计算得到位于下部的仿形机构模块A(100)中第一转动连杆(116)的目标仿形转动角度α3，计算方法如式(10)；将P2,α1,α2,α3存入目标仿形转动角度向量
Figure FDA0002663724500000075
Figure FDA0002663724500000071
Figure FDA0002663724500000072
Figure FDA0002663724500000073
式中：α1_last、α2_last、α3_last分别是角度α1、α2、α3的前一次测量的角度；
(d)、将目标仿形转动角度向量
Figure FDA0002663724500000076
以行向量依次存到矩阵β中：
Figure FDA0002663724500000074
(e)、阵列超声波传感器(701)的当前位置为P2，当P3＝P2-L≥0时，在矩阵β中，索引找到β[n][0]＝P3，提取矩阵β中第n行目标仿形转动角度，即仿形机构当前位置执行的目标仿形转动角度；当P3<0时，默认仿形机构当前位置执行的目标仿形转动角度均为0°；
(f)、将索引到的仿形机构当前位置执行的目标仿形转动角度信息发送仿形机构仿形控制箱(620)，所述的仿形机构仿形控制箱(620)对仿形机构模块A(100)和仿形机构模块B(200)执行自适应仿形控制，仿形机构模块A(100)和仿形机构模块B(200)的自适应仿形控制方法相同，其中仿形机构模块A(100)的自适应仿形控制方法具体子步骤如下：
S1：所述的仿形机构模块A(100)上的编码器(108)实时输出脉冲信号给仿形机构仿形控制箱(620)，仿形机构仿形控制箱(620)根据该编码器(108)的实时输出脉冲信号得到第一转动连杆(116)的当前转动角度；
S2：所述的第一转动连杆(116)的当前转动角度与仿形机构模块A(100)的目标仿形转动角度α1作为仿形机构仿形控制箱(620)的输入值，求得所述的第一步进推杆(102)的步进电机的控制脉冲值；
S3：仿形机构仿形控制箱(620)根据求得的第一步进推杆(102)的步进电机的控制脉冲值，给第一步进推杆(102)的步进电机驱动器发送控制信号，驱动所述的第一步进推杆(102)伸缩，改变所述的第一转动连杆(116)的转动角度；
(g)、重复步骤(b)～(f)。
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