CN113399442A - 一种自走式等离子体土壤处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自走式等离子体土壤处理装置，涉及等离子体技术领域，包括等离子发生机构，用于在不同的高度产生等离子体；行走机构，设置在所述等离子发生机构的旁侧，用于承载等离子发生机构并驱使等离子发生机构行走，使得等离子发生机构产生等离子体的位置发生变化；土壤预处理结构，设置在所述行走机构上，位于等离子发生机构的旁侧，用于对土壤进行预处理，疏松土壤；供电机构，设置在行走机构上，位于等离子发生机构的旁侧，与所述土壤预处理结构、行走机构和等离子发生机构均电性连接，用于为等离子发生机构、行走机构和土壤预处理结构供电，本发明实现将等离子体技术应用于大田环境的实际生产。

Description

一种自走式等离子体土壤处理装置

技术领域

本发明涉及等离子体技术领域，尤其涉及一种自走式等离子体土 壤处理装置。

背景技术

土壤是人类生产生活的基础，也是其他生物赖以生存的场所。土 壤具有不可再生性，连续耕种会导致土壤的性质发生改变，肥力下降， 从而影响农业生产。土壤污染是影响土壤质量的一个重要因素，传统 的土壤修复方法往往有着各自的局限性，比如耗时长、成本高、二次 污染等问题。低温等离子体技术用于土壤修复是一种新兴的土壤处理 手段，由于其具有启停快、成本低、绿色无污染等特点，在目前土壤 有机污染修复方面有着独一无二的优势。除了能够降解土壤中的大分 子有机物污染，还可以有效灭活土壤中的有害微生物，例如细菌、真 菌、病毒等病原体，除此以外，等离子体产生过程中会将空气中的氮 气转化为含氮基团，经过一系列的反应过程，最终会以氮肥的形式保 留在土壤中，从而提升土壤氮含量，提高土壤肥力。

目前大多数实验已经证实了等离子体在土壤污染修复方面具有 良好的处理效果，但实验室环境往往具有处理量小、实用性差的特点， 但是目前缺乏将等离子体技术直接应用于大田环境实际生产的具体 装置，如何将等离子体技术应用于大田环境的实际生产，对于促进等 离子体技术在土壤污染修复及土壤有害微生物治理方面的发展具有 重要意义。

发明内容

本发明提供一种自走式等离子体土壤处理装置，用以解决现有技 术中缺乏将等离子体技术直接应用于大田环境实际生产的具体装置 的缺陷，实现将等离子体技术应用于大田环境的实际生产。

本发明提供一种自走式等离子体土壤处理装置，包括：

等离子发生机构，用于在不同的高度产生等离子体；

行走机构，设置在所述等离子发生机构的旁侧，用于承载等离子 发生机构并驱使等离子发生机构行走，使得等离子发生机构产生等离 子体的位置发生变化；

土壤预处理结构，设置在所述行走机构上，位于等离子发生机构 的旁侧，用于对土壤进行预处理，疏松土壤；

供电机构，设置在行走机构上，位于等离子发生机构的旁侧，与 所述土壤预处理结构、行走机构和等离子发生机构均电性连接，用于 为等离子发生机构、行走机构和土壤预处理结构供电。

根据本发明提供的一种自走式等离子体土壤处理装置，所述等离 子发生机构包括：

外壳体，固定在所述行走机构上，所述外壳体的底端设为开口；

高度调节组件，设置在所述外壳体内；

若干等离子发生电极，均设置在所述高度调节组件上，所述高度 调节组件用于安装等离子发生电极并驱动等离子发生电极在高度方 向上进行升降运动，所述开口供等离子发生电极产生的等离子体溢出 外壳体，并与土壤发生反应。

根据本发明提供的一种自走式等离子体土壤处理装置，等离子发 生电极包括：

放电电极，设置在高度调节组件上；

保护壳体，包覆在所述放电电极外部；

接地电极，与放电电极电性连接，并引出至保护壳体外部。

根据本发明提供的一种自走式等离子体土壤处理装置，高度调节 组件包括：

第二基板，设置在外壳体内；

第一基板，设置在所述第二基板的两端，放电电极的两端分别贯 穿第一基板两端设置的两块第二基板；

若干高度调节驱动器，均固定设置在外壳体内，所述高度调节驱 动器的输出轴与第二基板传动连接。

根据本发明提供的一种自走式等离子体土壤处理装置，所述行走 机构包括：

支撑架，用于承载等离子发生机构；

驱动电机，设置在所述支撑架上；

履带，设置在支撑架上，所述驱动电机的输出轴与所述履带传动 连接。

根据本发明提供的一种自走式等离子体土壤处理装置，所述土壤 预处理结构包括：

耙齿结构，设置在支撑架上，用于对土壤进行预处理，疏松土壤；

可调节机械臂，设置在支撑架上，所述可调节机械臂的输出轴与 所述耙齿结构传动连接。

根据本发明提供的一种自走式等离子体土壤处理装置，所述供电 机构包括：

电源外壳，设置在支撑架上；

锂电池组，设置在所述电源外壳内；

电流逆变器，与所述锂电池组、放电电极均电性连接。

根据本发明提供的一种自走式等离子体土壤处理装置，所述自走 式等离子体土壤处理装置还包括设置在行走机构上的控制系统，所述 控制系统与等离子发生机构、行走机构、土壤预处理结构和供电机构 均电性连接，控制系统用于获取当前工作状态，根据所述当前工作状 态，生成调节指令，并将所述调节指令发送给等离子发生机构、行走 机构和土壤预处理结构，以调整等离子发生机构、行走机构和土壤预 处理结构的运行参数。

根据本发明提供的一种自走式等离子体土壤处理装置，所述控制 系统包括：

微控制单元，与高度调节驱动器、驱动电机、可调节机械臂、锂 电池组、电流逆变器均电性连接；

工作状态获取单元，与微控制单元电性连接，用于获取当前工作 状态；

通信单元，与微控制单元电性连接；

人机交互单元，与所述通信单元电性连接，用于进行人机交互。

根据本发明提供的一种自走式等离子体土壤处理装置，所述工作 状态获取单元包括超声波测距传感器、臭氧检测传感器、温湿度检测 传感器和GPS定位芯片。

本发明提供的自走式等离子体土壤处理装置，通过等离子发生机 构采用等离子体放电方式对土壤进行处理，同时可以调节反应时的高 度，可以有效灭杀土壤中的有害微生物，并降解土壤中的有机污染物， 不会产生二次污染，通过行走机构可以驱使整个状在大田和温室环境 自走，对不同位置的各处土壤进行修复，通过土壤预处理结构在等离 子发生机构进行土壤修复前预先对土壤处理，便于等离子发生机构去 对土壤进行修复，通过供电机构为整个装置供电，绿色环保，实现等 离子体技术土壤处理在大田和温室环境下的智能化应用，一定程度上 克服了等离子体技术在处理土壤方面长期存在的处理通量小问题，在 农业生产和科学研究方面都提供了有效的助力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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是本发明提供的自走式等离子体土壤处理装置的结构示意 图；

图2是本发明提供的自走式等离子体土壤处理装置的平面示意 图；

图3是图2中A-A处的剖面示意图；

图4是图2中A-A处的立体剖面图；

图5是图4中A处的放大示意图；

图6是图2中B-B处的剖面示意图；

图7是图2中B-B处的立体剖面图；

图8是本发明提供的自走式等离子体土壤处理装置中控制系统 的结构示意图。

附图标记：

1：等离子发生机构；11：外壳体；12：等离子发生电极；

121：放电电极；122：保护壳体；123：接地电极；13：高度调 节组件；

131：第一基板；132：第二基板；133：高度调节驱动器；

2：行走机构；21：支撑架；22：驱动电机；23：履带；

3：土壤预处理结构；31：耙齿结构；32：可调节机械臂；

4：供电机构；41：电源外壳；42：锂电池组；43：电流逆变器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发 明中的附图，对本发明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。

下面结合图1描述本发明的自走式等离子体土壤处理装置，该自 走式等离子体土壤处理装置包括：

等离子发生机构1，用于在不同的高度产生等离子体，等离子发 生机构1所产生的等离子体会与土壤发生反应，从而对土壤进行修 复。

行走机构2，设置在等离子发生机构1的旁侧，用于承载等离子 发生机构1并驱使等离子发生机构1行走，完成整个装置在大田环境 中的自走，使得等离子发生机构1产生等离子体的位置发生变化，对 大田环境的各处土壤进行修复。

土壤预处理结构3，设置在行走机构2上，位于等离子发生机构 1的旁侧，用于对土壤进行预处理，疏松土壤。在本实施例中，土壤 预处理结构3会在等离子发生机构1进行土壤修复前，预先对土壤处 理，这样的设置可以便于等离子发生机构1去对土壤进行修复。

供电机构4，设置在行走机构2上，位于等离子发生机构1的旁 侧，与土壤预处理结构3、行走机构2和等离子发生机构1均电性连 接，用于为等离子发生机构1、行走机构2和土壤预处理结构3供电。

本发明的自走式等离子体土壤处理装置提供了一种绿色环保的 土壤处理方式，通过等离子发生机构1采用等离子体放电方式对土壤 进行处理，同时可以调节反应时的高度，可以有效灭杀土壤中的有害 微生物，并降解土壤中的有机污染物，不会产生二次污染，通过行走 机构2可以驱使整个状在大田和温室环境自走，对不同位置的各处土 壤进行修复，通过土壤预处理结构3在等离子发生机构1进行土壤修 复前预先对土壤处理，便于等离子发生机构1去对土壤进行修复，通 过供电机构4为整个装置供电，绿色环保，实现等离子体技术土壤处 理在大田和温室环境下的智能化应用，一定程度上克服了等离子体技 术在处理土壤方面长期存在的处理通量小问题，在农业生产和科学研 究方面都提供了有效的助力。

下面结合图2至图7描述本发明的自走式等离子体土壤处理装 置，具体的，等离子发生机构1包括：

固定在行走机构2上的外壳体11、设置在外壳体11内的高度调 节组件13以及设置在高度调节组件13上的若干等离子发生电极12， 其中：

外壳体11的底端设为开口，高度调节组件13用于安装等离子发 生电极12并驱动等离子发生电极12在高度方向上进行升降运动，开 口供等离子发生电极12产生的等离子体溢出外壳体11，并与土壤发 生反应。

在本实施例中，考虑到在土壤修复的过程中直观地了解到处理的 情况，外壳体11选用透明的亚克力板，使用者可以直接观察到外壳 体11内部等离子发生电极12以及高度调节组件13的运行状态、等 离子发生电极12放电过程以及土壤修复的过程。

等离子发生电极12包括：

设置在高度调节组件13上的放电电极121、包覆在放电电极121 外部保护壳体122以及与放电电极121电性连接并引出至保护壳体 122外部的接地电极123。优选的，保护壳体122选用陶瓷外壳，接 地电极123配置为铝线。

等离子发生电极12在通电后会产生等离子体，高度调节组件13 可以调节等离子发生电极12在外壳体11内的位置，具体的是调节等 离子发生电极12在外壳体11内的高度位置，因此等离子发生电极 12在工作时放电高度是可以调整的，根据具体的需求，调整至合适 的高度，更好地去修复土壤。

考虑到高度调节组件13上的等离子发生电极12安装的稳定性， 高度调节组件13包括：

设置在外壳体11内的第二基板132、设置在第二基板132的两 端的第一基板131以及固定设置在外壳体11内的若干高度调节驱动 器133，第一基板131和第二基板132组合在一起形成等离子发生电 极12的支撑架，高度调节驱动器133则用于驱使支撑架在外壳体11内进行升降运动，其中：

放电电极121的两端分别贯穿第一基板131两端设置的两块第二 基板132，例如在第二基板132上开设有与放电电极121数量相等且 一一对应的安装孔，通过安装孔去卡固放电电极121，高度调节驱动 器133的输出轴与第二基板132传动连接优选的，第二基板132选用 铁氟龙板，第一基板131选用铝板，高度调节驱动器133为电动推杆 等驱动源，在第一基板131上设有呈四周分布的四个高度调节驱动器 133，同时用于控制高度调节驱动器133的控制按钮可以穿过外壳体 11设置，便于使用者去控制各个高度调节驱动器133。

具体的，行走机构2包括：

用于承载等离子发生机构1得支撑架21、设置在支撑架21上的 驱动电机22以及设置在支撑架21上并与驱动电机22的输出轴传动 连接的履带23。当支撑架21上安装的驱动电机22工作时，会驱使 履带23转动，因此实现了整个装置在大田或者温室环境下的自走。在本实施例中，为了避免履带23行走过程中毁坏到土壤，履带23可 以选用橡胶材质的铝带。

具体的，土壤预处理结构3包括：

设置在支撑架21上的用于对土壤进行预处理即疏松土壤的耙齿 结构31以及设置在支撑架21上并用于传动耙齿结构31的可调节机 械臂32，可以理解的是，可调节机械臂32用于调整耙齿结构31的 工作深度以及角度即耕地深度以及角度。

当整个装置的运行模式设定完毕以后，本发明的自走式等离子体 土壤处理装置在驱动电机22的驱动下通过履带23开始在大田或者温 室环境下自走运动。当本发明的自走式等离子体土壤处理装置行走至 待处理土壤区，可通过可调节机械臂32调节耙齿结构31，来控制耙 齿结构31在进行松土时的耕地深度以及角度，一般调节松土深度在 5-10厘米区间为宜。

具体的，供电机构4包括：

设置在支撑架21上的电源外壳41、设置在电源外壳41内的锂 电池组42以及与锂电池组42、放电电极121均电性连接的电流逆变 器43，电流逆变器43可以为等离子发生电极12提供工作用的交流 电源。在本实施例中，考虑到后期的更换维护，在电源外壳41上可以安装有可拆卸式的盖体。

下面结合图8描述本发明的自走式等离子体土壤处理装置，该自 走式等离子体土壤处理装置还包括设置在行走机构2上的控制系统， 控制系统与等离子发生机构1、行走机构2、土壤预处理结构3和供 电机构4均电性连接，控制系统用于获取当前工作状态，根据当前工 作状态，生成调节指令，并将调节指令发送给等离子发生机构1、行 走机构2和土壤预处理结构3，以调整等离子发生机构1、行走机构 2和土壤预处理结构3的运行参数。

具体的，控制系统包括：

微控制单元100，与高度调节驱动器133、驱动电机22、可调节 机械臂32、锂电池组42、电流逆变器43均电性连接；

工作状态获取单元200，与微控制单元100电性连接，用于获取 当前工作状态；

通信单元300，与微控制单元100电性连接；

人机交互单元400，与通信单元300电性连接，用于进行人机交 互。

工作状态获取单元200包括超声波测距传感器、臭氧检测传感 器、温湿度检测传感器和GPS定位芯片。优选的，在履带23行进方 向前侧的支撑架21上安装有超声波测距传感器，在等离子发生机构 1与供电机构4之间安装有臭氧检测传感器和温湿度检测传感器，在 履带23行进方向后侧的支撑架21上安装有GPS定位芯片。微控制 单元100使用STM32F103ZET6单片机开发的中控系统，通过KEIL5 软件进行开发，可以利用串口通信读取臭氧检测传感器、温湿度检测 传感器和GPS定位芯片的参数，并控制等离子发生机构1、行走机构 2、土壤预处理结构3、供电机构4的电源通断。通信单元300采用 WiFi通信模块，与Qt框架开发的人机交互单元400连接，可以接收 并显示微控制单元100传输的数据。

使用时，将本发明的自走式等离子体土壤处理装置放置于大田或 者温室环境中，开启电源外壳41，此时微控制单元100通电，控制 系统开始工作。接下来启动等离子发生电极12，再开启履带23。打 开人机交互单元400，设置局域网络，利用通信单元300实现和人机交互单元400和微控制单元100的连接，对本发明的自走式等离子体 土壤处理装置的运行方式进行设置，有自动模式和手动模式可供选 择。

设置完本发明的自走式等离子体土壤处理装置的运行模式以后， 本发明的自走式等离子体土壤处理装置在履带23的驱动下开始运 动，当本发明的自走式等离子体土壤处理装置行走至待处理土壤区， 可通过可调节机械臂32调节耙齿结构31，来控制耙齿结构31在进 行松土时的耕地深度以及角度，一般调节松土深度在5-10厘米区间 为宜。

本发明的自走式等离子体土壤处理装置运行过程中，控制系统持 续监测超声波测距传感器、臭氧检测传感器、温湿度传感器的数据， 当超声波测距传感器检测到障碍物时，控制系统会立即控制继电器断 开履带23电源，同时发出蜂鸣警报。当温湿度传感器检测到的数值 高于设定数值时，控制系统会控制继电器断开等离子发生电极12， 同时发出蜂鸣警报。臭氧检测传感器监测到的臭氧浓度会以图像例如 折线图形式，显示于人机交互单元400，可实时查看。GPS定位芯片 也会工作，并将位置信息通过串口传输至微控制单元100，人机交互 界面400通过远程通信可以获取本发明的自走式等离子体土壤处理 装置的实时位置信息，并以地图标点的方式显示于人机交互界面400 上，基于位置信息的读取，可借助算法计算并实时显示履带23运行 速度的具体数值。控制系统可最大化装置运行效率，节约能源。采用 陶瓷电极形式，可以有效降低电极材料在实际使用过程中的腐蚀损耗 速度，减少产品维护成本。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而 非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领 域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技 术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修 改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方 案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种自走式等离子体土壤处理装置，其特征在于，包括：

等离子发生机构(1)，用于在不同的高度产生等离子体；

行走机构(2)，设置在所述等离子发生机构(1)的旁侧，用于承载等离子发生机构(1)并驱使等离子发生机构(1)行走，使得等离子发生机构(1)产生等离子体的位置发生变化；

土壤预处理结构(3)，设置在所述行走机构(2)上，位于等离子发生机构(1)的旁侧，用于对土壤进行预处理，疏松土壤；

供电机构(4)，设置在行走机构(2)上，位于等离子发生机构(1)的旁侧，与所述土壤预处理结构(3)、行走机构(2)和等离子发生机构(1)均电性连接，用于为等离子发生机构(1)、行走机构(2)和土壤预处理结构(3)供电。

2.根据权利要求1所述的自走式等离子体土壤处理装置，其特征在于，所述等离子发生机构(1)包括：

外壳体(11)，固定在所述行走机构(2)上，所述外壳体(11)的底端设为开口；

高度调节组件(13)，设置在所述外壳体(11)内；

若干等离子发生电极(12)，均设置在所述高度调节组件(13)上，所述高度调节组件(13)用于安装等离子发生电极(12)并驱动等离子发生电极(12)在高度方向上进行升降运动，所述开口供等离子发生电极(12)产生的等离子体溢出外壳体(11)，并与土壤发生反应。

3.根据权利要求2所述的自走式等离子体土壤处理装置，其特征在于，等离子发生电极(12)包括：

放电电极(121)，设置在高度调节组件(13)上；

保护壳体(122)，包覆在所述放电电极(121)外部；

接地电极(123)，与放电电极(121)电性连接，并引出至保护壳体(122)外部。

4.根据权利要求3所述的自走式等离子体土壤处理装置，其特征在于，高度调节组件(13)包括：

第二基板(132)，设置在外壳体(11)内；

第一基板(131)，设置在所述第二基板(132)的两端，放电电极(121)的两端分别贯穿第一基板(131)两端设置的两块第二基板(132)；

若干高度调节驱动器(133)，均固定设置在外壳体(11)内，所述高度调节驱动器(133)的输出轴与第二基板(132)传动连接。

5.根据权利要求1所述的自走式等离子体土壤处理装置，其特征在于，所述行走机构(2)包括：

支撑架(21)，用于承载等离子发生机构(1)；

驱动电机(22)，设置在所述支撑架(21)上；

履带(23)，设置在支撑架(21)上，所述驱动电机(22)的输出轴与所述履带(23)传动连接。

6.根据权利要求1所述的自走式等离子体土壤处理装置，其特征在于，所述土壤预处理结构(3)包括：

耙齿结构(31)，设置在支撑架(21)上，用于对土壤进行预处理，疏松土壤；

可调节机械臂(32)，设置在支撑架(21)上，所述可调节机械臂(32)的输出轴与所述耙齿结构(31)传动连接。

7.根据权利要求3所述的自走式等离子体土壤处理装置，其特征在于，所述供电机构(4)包括：

电源外壳(41)，设置在支撑架(21)上；

锂电池组(42)，设置在所述电源外壳(41)内；

电流逆变器(43)，与所述锂电池组(42)、放电电极(121)均电性连接。

8.根据权利要求1-7任一项所述的自走式等离子体土壤处理装置，其特征在于，所述自走式等离子体土壤处理装置还包括设置在行走机构(2)上的控制系统，所述控制系统与等离子发生机构(1)、行走机构(2)、土壤预处理结构(3)和供电机构(4)均电性连接，控制系统用于获取当前工作状态，根据所述当前工作状态，生成调节指令，并将所述调节指令发送给等离子发生机构(1)、行走机构(2)和土壤预处理结构(3)，以调整等离子发生机构(1)、行走机构(2)和土壤预处理结构(3)的运行参数。

9.根据权利要求8所述的自走式等离子体土壤处理装置，其特征在于，所述控制系统包括：

微控制单元(100)，与高度调节驱动器(133)、驱动电机(22)、可调节机械臂(32)、锂电池组(42)、电流逆变器(43)均电性连接；

工作状态获取单元(200)，与微控制单元(100)电性连接，用于获取当前工作状态；

通信单元(300)，与微控制单元(100)电性连接；

人机交互单元(400)，与所述通信单元(300)电性连接，用于进行人机交互。

10.根据权利要求9所述的自走式等离子体土壤处理装置，其特征在于，所述工作状态获取单元(200)包括超声波测距传感器、臭氧检测传感器、温湿度检测传感器和GPS定位芯片。

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