CN114911234A - 一种基于垂直施药结构的变量喷雾控制系统及其喷头流量独立控制方法 - Google Patents

一种基于垂直施药结构的变量喷雾控制系统及其喷头流量独立控制方法 Download PDF

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CN114911234A CN202210507102.7A CN202210507102A CN114911234A CN 114911234 A CN114911234 A CN 114911234A CN 202210507102 A CN202210507102 A CN 202210507102A CN 114911234 A CN114911234 A CN 114911234A
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Abstract

本发明公开了一种基于垂直施药结构的变量喷雾控制系统及其喷头流量独立控制方法，该变量喷雾控制系统的8个喷头对称安装于垂直结构喷雾支架两侧。系统工作时，通过二维激光雷达探测果树的冠层特征信息，基于垂直结构变量施药模型分割喷施区域并独立计算各喷施区域的植株冠层体积、各喷头所需的输出流量以及对应变量喷雾电磁阀的占空比；通过北斗导航系统获取果园喷雾机的前进速度，结合二维激光雷达的扫描周期、激光雷达与喷雾结构的距离和硬件响应耗时计算喷雾延时，经延时控制后微型计算机向变量喷雾主控制器发送变量喷雾指令，实现喷头流量独立控制的对靶变量喷雾作业，该变量喷雾系统对靶精度高、省药环保、能够实现农药的减施增效。

Description

一种基于垂直施药结构的变量喷雾控制系统及其喷头流量独 立控制方法
技术领域
本发明涉及一种喷头流量独立控制方法，特别提供一种基于垂直施药结构变量喷雾的喷头流量独立控制的方法。
背景技术
果园植保是果园管理的重要环节，其工作量约占果园管理总工作量的四分之一，同时果园植保也是提升果品品质和水果产量的关键环节。传统的果园喷雾机连续地按固定剂量喷施作业为主，药液利用率低、劳动强度大。过量施药易导致农药残留超标影响果品品质、污染环境甚至导致操作人员中毒。变量喷雾技术可通过传感器对靶标进行非接触式探测实时获取植株冠层特征，基于智能施药模型对喷雾参数进行动态调节以实现按需施药。与传统连续喷雾方式相比，变量喷雾可节约农药使用量25％以上，是实现农药“减施增效”的一种高效果园施药技术。常规的基于冠层体积的计算模型(TRV)的变量喷雾主要通过获取果树冠层单侧的体积大小进行该侧的总施药量计算和对该侧的变量喷雾电磁阀统一调控，未对各喷头的喷施区域进行划分和单独控制喷头的输出流量。针对这一问题，设计了一种基于垂直施药结构的变量喷雾的喷头流量独立控制方法。
发明内容
为了提高果园变量喷雾机的农药利用率和实现喷头流量的独立控制，针对于垂直施药结构的特点以及结合激光雷达的扫描特性，提出了一种喷头流量独立控制的方法。该方法能实时划分果树冠层的体积，独立计算各喷头对应区域的体积、各喷头的输出流量以及对应的变量喷雾电磁阀的占空比，结合延时控制可实现实时匹配植株冠层特征变化的喷头流量独立控制的变量喷雾作业。
本发明的技术方案如下：
基于二维激光雷达的垂直施药结构变量喷雾机的喷头流量独立控制方法包括以下步骤：
步骤1：建立各模块通信并设置变量喷雾相关参数，基于机器人操作系统(ROS)采用垂直扫描安装方式的二维激光雷达实时获取果园行间两侧的植株特征信息，采用北斗导航系统实时获取垂直施药结构喷雾机的行进速度。步骤2：将二维激光雷达极坐标转换为直角坐标，基于垂直喷雾支架的结构、喷头的空间分布、喷头的喷幅角度和激光雷达与喷头之间的相对位置，对喷施区域进行划分；步骤3：设定横向扫描阈值，根据阈值范围内的激光点云数据计算各喷施区域的植株冠层体积、各喷头所需输出流量和对应变量喷雾电磁阀的占空比；步骤4：结合激光雷达扫描周期、硬件响应耗时、算法处理耗时和二维激光雷达与喷雾机构的距离进行延时控制，主控制器接收到微型计算机发送的变量喷雾指令，控制各喷头对应的变量喷雾电磁阀开闭，实现喷头流量独立控制的对靶变量喷雾作业。
进一步，所述步骤1具体包括：
建立果园变量喷雾机各模块之间的通信，保证微型计算机、二维激光雷达、北斗导航系统、变量喷雾控制器、变量喷雾执行机构等模块之间能够正常通信。设置变量喷雾的相关参数：二维激光雷达与两侧果树中心位置的距离l、植株冠层单位体积所需喷雾量
Figure BDA0003636112150000023
和占空比拟合公式的标定常量a、b。通过机器人操作系统ROS实时获取基于二维激光雷达探测的植株冠层特征信息和北斗导航系统采集的果园变量喷雾机的行进速度v。
进一步，所述步骤2具体包括：
二维激光雷达以垂直扫描方式安装于果园变量喷雾机的前端。垂直施药结构由8个电调、8个风机、8个变量喷雾电磁阀、8个喷头组件、直流电机驱动器、水泵和压力传感器组成。其中，8个喷头对称安装在喷雾支架两侧，左右两侧喷嘴安装高度一致，喷头标号1～8从右侧安装位置最低的喷头开始按逆时针排序，同侧相邻喷头的高度间距为ΔH；D为二维激光雷达中心与地面的距离；H为果园喷雾机中安装位置最低的喷头与地面的距离；θspray为喷头的理论喷幅角度；ΔW为Hokuyo激光雷达中心与喷头的水平间距。对二维激光雷达进行坐标转换：
Figure BDA0003636112150000021
其中，(ρi，θi)为二维激光雷达点云数据的极坐标；(yi，zi)为二维激光雷达点云数据的直角坐标。
同侧相邻喷头间的喷幅会在距喷头距离为d处交汇，根据二维激光雷达和喷头的安装位置、二维激光雷达与果树冠层表面的水平距离yi，可求的喷施区域的高度划分阈值Z1、Z2和Z3。喷头理论喷幅输出的交汇距离d：
d＝AH×tanβ
其中，β为喷头理论的喷幅角度θspray的一半，即：
Figure BDA0003636112150000022
结合式上两式可求得喷头理论喷幅的交汇距离d为：
Figure BDA0003636112150000031
根据二维激光雷达与喷头的水平间距ΔW与d，可求出二维激光雷达与植株冠层表面的横向阈值Δy：
Δy＝ΔW+d
当果树冠层外层的距离yi大于Δy时，可求出喷施区域的高度划分阈值：
z1＝-D+H
Figure BDA0003636112150000032
z3＝-D+H+3ΔH
二维激光雷达经坐标转换后，通过果树行间距对二维激光雷达检测设定阈值范围[y2D_min，y2D_max]，滤除阈值范围外的激光数据点。根据阈值范围内二维激光雷达与果树冠层表面的水平距离yi的正负进行左右喷施区域的划分，当yi＞0时为右侧喷施区域数据，反之为左侧喷施区域数据；当|yi|＞Δy时，根据公式求出喷施区域的高度划分阈值Z1、Z2和Z3。
进一步，所述步骤3具体包括：
经步骤2求得垂直施药结构的喷头理论喷幅输出的横向交汇距离d、二维激光雷达的表面阈值Δy和喷施区域的高度划分阈值Z1、Z2、Z3。通过高度划分阈值将二维激光雷达的检测区域左右各划分为4个，共8个喷施区域；单独计算每个喷施区域的面积Sj、以4帧激光雷达数据为一个喷雾单元的体积Vj、各喷施区域所对应的喷头输出流量Qj和喷头对应变量喷雾电磁阀的占空比DUCj。
Figure BDA0003636112150000033
其中，Sj为第j个喷施区域的面积，单位为m2；l为二维激光雷达坐标原点到果树中心位置的距离，单位为m；(yi，zi)为二维激光雷达第i个激光点的坐标值；(yi+1，zi+1)为二维激光雷达第i+1个激光点的坐标值；根据上述喷施区域面积计算公式可单独求得每个喷施区域单帧数据的面积。
Vj＝4×Δt×v×Sj_max
其中，Vj为喷雾单元内第j个喷施区域所对应的体积，单位为m3；Sj_max为4帧数据中第j个喷施区域的面积最大值，单位为m2；Δt为二维激光雷达的扫描周期，单位为s；v为果园变量喷雾机的前进速度，单位为m/s；根据上述喷雾单元内的体积计算公式可求得各喷施区域在该喷雾单元内的体积。
喷雾单元内各喷施区域所对应的喷头输出流量Qj：
Figure BDA0003636112150000041
其中，Qj为喷雾单元内第j个喷施区域所对应的喷头所需输出流量，单位为L/s；
Figure BDA0003636112150000042
为植株冠层单位体积所需的喷雾量，单位为L/m3。植株冠层单位体积所需的喷雾量
Figure BDA0003636112150000043
范围为每立方米0.05L～0.13L。其中，修剪过枝叶、稀疏的植株冠层
Figure BDA0003636112150000044
通常选用0.05L/m3，对于未修剪过枝叶、冠层茂密的植株冠层
Figure BDA0003636112150000045
通常选用0.13L/m3。
喷雾单元内各喷施区域的喷头对应的变量喷雾电磁阀的占空比DUCj：
Figure BDA0003636112150000046
式中，DUCj为喷雾单元内第j个喷施区域的喷头对应的变量喷雾电磁阀的占空比，单位为％；a，b为输出流量与电磁阀占空比拟合公式的标定常量。由上述公式可求得各喷头所对应的变量喷雾电磁阀的占空比。
进一步，所述步骤4具体包括：
根据步骤3可在线计算植株冠层各喷施区域的面积Sj、喷雾单元内各喷施区域的体积Vj、各喷施区域对应喷头的输出流量Qj和喷头对应变量喷雾电磁阀的占空比DUCj。为实现喷头流量独立控制的对靶变量喷雾作业，分析喷雾延时的主要因素，并进行对靶变量喷雾的延时控制。造成喷雾延时的主要因素分别有：二维激光雷达扫描周期Δt、硬件响应耗时Thardware_delay、算法处理耗时Tsoft_delay和二维激光雷达与喷雾机构的距离Lc，结合以上延时因素和果园变量喷雾机的前进速度v，可计算得到变量喷雾软件延时Tdelay：
Figure BDA0003636112150000047
其中，Tdelay为生成变量喷雾电磁阀的占空比数据后至向主控制器发送数据的时间，单位为s；Thardware_delay为药液从药箱到喷头输出的耗时，包括药液运输时间、变量喷雾电磁阀处理控制信号和响应所需时间，单位为s。Tsoft_delay为微型计算机接收到激光雷达数据至生成变量喷雾电磁阀占空比数据的算法处理耗时，单位为s。通过步骤3在线计算出喷雾单元内各喷头对应的变量喷雾电磁阀的占空比数据，经过Tdelay的延时控制后向主控制器发送数据，各变量喷雾电磁阀接收到占空比数组，独立控制电磁阀的开闭，实现喷头流量独立控制的对靶变量喷雾作业。
本发明的一种基于垂直施药结构的变量喷雾控制系统，包括电源系统1、行走控制系统2、变量喷雾作业机构3、微型计算机4、二维激光雷达5和北斗导航系统6；
电源系统1由24V 30AH的锂电池15和24V 16AH的锂电池16组成，为给机载微型计算机4、二维激光雷达5、北斗导航系统6、变量喷雾控制器7、底盘控制器20以及变量喷雾作业机构3供电，通过稳定的DC/DC电源模块17和18分别将24V 30AH和24V 16AH的锂电池转换为12V和19V的电压；12V电源主要为二维激光雷达5、北斗导航系统6、变量喷雾控制器7、底盘控制器20、和变量喷雾作业机构3，19V电源为机载微型计算机4供电；
行走控制系统2主要由遥控器19、底盘控制器20、电机驱动21、行进电机22和转向电机23相串联组成，操作人员可直接通过遥控器19控制果园变量喷雾机的运动，遥控器19采用SBUS(Serial Bus)协议通过2.4G模块与底盘控制器20进行通讯，通过遥控指令分别控制行进电机22和转向电机23从而实现果园喷雾机的行走控制，实现果园变量喷雾机的前进倒退、转弯和急刹停车功能，微型计算机4通过CAN口与底盘控制器20通讯；
垂直施药结构的变量喷雾作业机构3主要由直流电机驱动器8、水泵9、压力传感器10、变量喷雾电磁阀11、喷头12、电调13、风机14和分流器26组成；变量喷雾主控制器7输出一端依次连接电调13、风机14；变量喷雾主控制器7第二输出端依次连接直流电机驱动器8、水泵9、压力传感器10；变量喷雾主控制器7第三输出端依次连接变量喷雾电磁阀11、喷头12；
垂直施药结构的变量喷雾作业机构3中，变量喷雾作业前，提前打开药箱开关25，药液从药箱24经过药箱开关25流出，系统工作时，微型计算机4通过机器人操作系统ROS实时获取二维激光雷达5和北斗导航系统6的数据，基于垂直结构变量施药模型计算每个喷头12的所需输出流量，通过拟合公式得到各喷头对应变量喷雾电磁阀11的占空比，将生成的占空比数组通过串口发送到变量喷雾主控制器7，变量喷雾主控制器7接收到微型计算机4的变量喷雾指令后驱动水泵9，将药液加压后送至分流器26，分流器26上装载的压力传感器10实时检测分流器26内部水压并反馈至变量喷雾控制器7实现恒压作业；变量喷雾主控制器7根据占空比数据控制变量喷雾电磁阀11的开闭，同时通过电调13调节风机14的转速，药液从各个变量喷雾电磁阀11流出，经过喷头12雾化形成细小的雾滴后由风机14将雾滴吹向靶标，实现喷头流量独立控制的变量喷雾作业。
进一步，二维激光雷达5采用的是Hokuyo公司的UTM-300TX型号二维激光雷达，该激光雷达基于飞行时间法测距原理，根据激光束的飞行速度和时间，实现对植株的非接触式探测，激光点云数据以极坐标形式返回；Hokuyo二维激光雷达5拥有IP64的防护等级，可适应果园环境的检测要求，25ms的扫描周期、0.1～30m的探测距离、0.25°的角度分辨率和270°的有效扫描角度范围使得该款激光雷达每帧数据能产生1080个有效激光数据点，实现植株冠层特征的检测。果园变量喷雾机在垂直施药结构喷雾支架上外延支撑杆，二维激光雷达以刚性连接方式与外延支撑杆固定。二维激光雷达采用竖直扫描方式安装在外延支撑杆上，其中心位置距离地面1.3m，与喷雾机构的距离Lc为0.6m；北斗导航系统6可实时获取果园变量喷雾机的速度v。
本发明的有益效果为：
1.针对垂直施药结构的果园变量喷雾机发明的喷头流量独立控制方法，使用激光雷达以非接触式方式探测植株特征，能够实时计算植株冠层的体积，适用于果园、苗圃等多种作业环境，提高果园变量喷雾机检测的通用性和准确性。
2.采用喷施区域划分的方法独立计算各喷头对应区域的植株冠层体积与输出流量，结合喷头的喷幅角度、垂直施药结构的特点、激光雷达的扫描特性和喷头的空间分布对喷施区域进行了划分，为喷头流量独立控制提供了理论依据。
3.变量喷雾控制系统配备了独立风送系统，每个喷头对应一个风机；二维激光雷达获取植株冠层特征生成喷头所需喷雾量与变量喷雾电磁阀占空比，根据生成的占空比大小动态调节风机的转速，实现精准变风速变流量喷雾。
4.采用喷头独立流量控制的方法进行变量喷雾，可根据植株冠层特征独立控制对应喷头的流量输出，降低药液的使用量和提高作业的精准性。
附图说明
图1是基于垂直施药结构的变量喷雾控制系统硬件结构框图；
图2是基于垂直施药结构的变量喷雾系统示意图；
图3是基于垂直施药结构的变量喷雾喷施区域划分示意图；
图4是基于激光雷达的植株冠层扫描纵向分割示意图；
图5是基于激光雷达的植株冠层扫描横向分割示意图；
图6是基于垂直施药结构的果园变量喷雾机工作方式示意图；
图7是基于垂直施药结构变量喷雾系统的喷头流量独立控制方法流程图；
图中，1-电源系统，2-行走控制系统，3-变量喷雾作业机构，4-微型计算机，5-二维激光雷达，6-北斗导航系统，7-变量喷雾主控制器，8-直流电机驱动器，9-水泵，10-压力传感器，11-变量喷雾电磁阀，12-喷头，13-电调，14-风机，15-24V 30AH锂电池，16-24V 16AH锂电池，17-12V 稳压模块，18-19V 稳压模块，19-遥控器，20-底盘控制器，21-电机驱动，22-行进电机，23-转向电机，24-药箱，25-药箱开关，26-分流器。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明做进一步的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，本示例采用的基于垂直施药结构的变量喷雾控制系统的硬件结构，包括电源系统1、行走控制系统2和变量喷雾作业机构3；电源系统1包括24V 30AH的锂电池15、24V 16AH的锂电池16、两个12V稳压电源模块17和19V稳压电源模块18；24V 30AH的锂电池15分别通过12V稳压电源模块17和19V稳压电源模块18给微型计算机4、二维激光雷达5、北斗导航系统6、底盘控制器20和电机驱动21供电；24V 16AH的锂电池16则通过12V稳压电源模块17给变量喷雾作业机构3供电；行走控制系统2包括遥控器19、底盘控制器20、电机驱动21、行进电机22和转向电机23，遥控器19通过SBUS协议向底盘控制器20发送行走控制指令，底盘控制器20接收到指令后通过CAN口将指令发送至电机驱动21，电机驱动21通过PWM分别控制行进电机22和转向电机23实现底盘的行走控制；变量喷雾作业机构3包括直流电机驱动器8、水泵9、压力传感器10、8个变量喷雾电磁阀11、8个喷头12、8个电调13、8个风机14。
本示例中，二维激光雷达5采用的是Hokuyo公司的UTM-300TX型号二维激光雷达，该激光雷达的有效工作角度范围270°，角度分辨率为0.25°，每个工作周期产生1080个有效距离数据点，扫描周期为25ms。二维激光雷达5以垂直扫描方式安装于果园变量喷雾机的前端，距离地面1.3m，与喷头的距离为0.6m。北斗导航系统6可实时获取果园变量喷雾机的前进速度v。系统工作时，微型计算机4通过机器人操作系统(ROS)分别对Hokuyo二维激光雷达5和北斗导航系统6进行数据采集并对这些数据进行处理。微型计算机4根据图3对喷施区域进行划分，并根据图4和图5计算出各喷施区域的冠层体积、对应喷头12的输出流量和变量喷雾电磁阀11的占空比，生成的喷雾指令通过串口发送至变量喷雾控制器7，经延时控制后实现喷头流量独立控制的变量喷雾功能。
如图2所示，基于垂直施药结构的变量喷雾系统示意图。该系统包括信息采集单元、信息处理单元和变量喷雾作业机构3。变量喷雾作业前打开药箱开关25，药液从药箱24流过药箱开关25。信息采集单元包括二维激光雷达5和北斗导航系统6；信息处理单元包括微型计算机4和变量喷雾控制器7；微型计算机4采集二维激光雷达的数据后，基于垂直结构变量施药模型计算每个喷头12的所需输出流量，通过拟合公式得到各喷头12对应变量喷雾电磁阀11的占空比，将生成的占空比数组通过串口发送到变量喷雾控制器7。变量喷雾控制器7接收到微型计算机4的变量喷雾指令后驱动水泵9，将药液加压后送至分流器26，分流器26上装载的压力传感器10实时检测分流器26内部水压并反馈至变量喷雾控制器7实现恒压作业。根据北斗导航系统6采集的果园变量喷雾机行进速度v计算延时，经延时控制后变量喷雾电磁阀11根据接收的占空比数组控制电磁阀的开闭，药液从各个变量喷雾电磁阀11流出，经过喷头12雾化形成细小的雾滴并通过风机14将雾滴吹向靶标，实现变量喷雾作业。
如图3所示，基于垂直施药结构的变量喷雾喷施区域划分示意图。垂直施药结构的8个喷头12对称安装在喷雾支架两侧，左右两侧喷头12安装高度一致，喷头标号1～8从右侧安装位置最低的喷头开始按逆时针排序，同侧相邻喷头12的高度间距为ΔH；D为Hokuyo二维激光雷达5中心与地面的距离，为1.3m；H为果园喷雾机中安装位置最低的喷头12与地面的距离，为0.65m；θspray为喷头12的理论喷幅角度，为110°；ΔW为Hokuyo激光雷达5中心与喷头12的水平间距，为0.4m。对二维激光雷达5进行坐标转换：
Figure BDA0003636112150000081
式中，(ρi，θi)为二维激光雷达5点云数据的极坐标；(yi，zi)为二维激光雷达5点云数据的直角坐标。
同侧相邻喷头12的喷幅会在距喷头距离为d处交汇，根据二维激光雷达5和喷头12的安装位置、二维激光雷达5与果树冠层表面的水平距离yi，可求的喷施区域的高度划分阈值Z1、Z2和Z3。喷头12理论喷幅输出的交汇距离d：
d＝ΔH×tanβ
式中，β为喷头12理论的喷幅角度θspray的一半，即：
Figure BDA0003636112150000091
结合式上两式可求得喷头12理论喷幅的交汇距离d为：
Figure BDA0003636112150000092
根据二维激光雷达5与喷头12的水平间距ΔW与d，可求出二维激光雷达5与植株冠层表面的横向阈值Δy：
Δy＝ΔW+d
由上述公式与参数可得，Δy为0.65m。当果树冠层外层的距离yi大于0.65m时，可求出喷施区域的高度划分阈值：
z1＝-D+H
Figure BDA0003636112150000093
z3＝-D+H+3ΔH
二维激光雷达5经坐标转换后，通过果树行间距对二维激光雷达5检测设定阈值范围[y2D_min，y2D_max]，滤除阈值范围外的激光数据点。当yi大于0.65m时，Z1、Z2和Z3分别为-0.65m、-0.11m、0.43m。
如图4所示，基于激光雷达的植株冠层扫描纵向分割示意图。设果树中心位置到Hokuyo二维激光雷达5中心距离为l，激光相邻数据点pi和pi+1的高度差为Dh，激光相邻数据点的冠层表面到树干的平均厚度为Dw，则单帧激光扫描数据的半侧植株冠层的面积可纵向分割为离散的长方形。各喷施区域的单帧的面积计算公式如下：
Dh＝|zi+1-zi|
Figure BDA0003636112150000094
Sj＝∑Dh×Dw
其中，Sj为各喷施区域单帧扫描数据的总面积，其中j＝1，2，...，8；l为Hokuyo二维激光雷达5与果树中心位置的水平距离；(yi，zi)为第i个激光数据点所对应的直角坐标值。通过对喷施区域划分，根据激光点的高度值zi判断当前激光点所属的喷施区域，并计算该点与其相邻点的面积，对同一个喷施区域内的面积进行累加即可得到各喷施区域当前数据帧的总面积Sj。
如图5所示，基于激光雷达的植株冠层扫描横向分割示意图。设置Hokuyo二维激光雷达5为连续工作模式，以固定的扫描频率连续探测靶标，当累计到一定帧数后，结合果园喷雾机的前进速度v、激光雷达单帧数据的扫描时间Δt和累计的帧数nscan可计算在该时间段的横向分割距离W。所选用的Hokuyo二维激光雷达5扫描周期Δt为25ms，变量喷雾电磁阀11的响应时间为100ms，为匹配电磁阀的响应时间选取每4帧激光数据作为一个喷雾单元。取4帧数据中各喷施区域的面积最大值为该喷雾单元内对应区域的面积，进而计算各喷施区域在该喷雾单元所对应的体积。
W＝4×Δt×v
Vj＝W×Sj_max
式中，Vj为第j个喷施区域的植株冠层体积，单位为m3；W为喷雾单元的宽度，单位为m；v为果园喷雾机的前进速度，单位为m/s；Δt为激光雷达单帧数据的扫描时间，单位为s；Sj_max为喷雾单元中第j个喷施区域连续4帧数据中的面积最大值，单位为m2。
如图6所示，基于垂直施药结构的果园变量喷雾机工作方式示意图。果园喷雾机在作业过程时，安装在其前端的Hokuyo二维激光雷达5不断扫描前排的两侧植株，微型计算机4根据接收到的Hokuyo激光点云数据和建立的垂直结构变量喷雾施药模型计算每个喷雾单元各喷头12所需的输出流量Qj，并依据占空比和输出流量的拟合方程计算对应变量喷雾电磁阀11所需的占空比DUCj，存储于延时喷雾动态数组。结合二维激光雷达扫描周期Δt、硬件响应耗时Thardware_delay、算法处理耗时Tsoft_delay、二维激光雷达与喷雾机构的距离Lc和果园变量喷雾机的前进速度v，可计算得到变量喷雾软件延时Tdelay：
Figure BDA0003636112150000101
经延时控制后，果园喷雾机尾部的喷雾机构到达对应喷雾区域时将存储的数据发送至变量喷雾控制器7，控制变量喷雾电磁阀11的开闭实现喷头流量独立控制的变量喷雾作业。
如图7所示，基于垂直施药结构变量喷雾系统的喷头流量独立控制方法流程图。建立果园变量喷雾机各模块之间的通信，保证变量喷雾作业机构3、微型计算机4、二维激光雷达5、北斗导航系统6、变量喷雾控制器7等模块之间能够正常通信。其次，设定好果树中心位置与Hokuyo二维激光雷达5中心的距离l、单位体积所需喷雾量
Figure BDA0003636112150000111
和占空比拟合公式的标定常量a、b等变量喷雾相关参数。设置好相关的喷雾参数后，通过北斗导航系统6获取果园变量喷雾机的行驶速度v，果园喷雾机在行进过程中Hokuyo二维激光雷达5按扫描周期实时探测两侧的植株冠层特征信息，划分喷施区域并对植株冠层进行重构和分割，计算每个喷雾单元各喷头12所需输出流量根据占空比拟合公式得到各喷头12所对应的变量喷雾电磁阀11所需占空比并将该数据存入延时喷雾数组。结合果园喷雾机的前进速度v、Hokuyo二维激光雷达5与喷雾机构安装的相对位置Lc、Hokuyo激光雷达5的扫描周期、算法处理耗时以及喷雾时的硬件响应时间计算喷雾延时。经延时控制后，微型计算机4向变量喷雾控制器7发送占空比数据，控制器根据占空比数据分别独立驱动对应的变量喷雾电磁阀11实现各喷头流量独立控制的变量喷雾作业。
本发明未尽事宜为公知技术。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或实例中。本署名书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以放在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实例进行多种变化、修改、替换和变型、本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种基于垂直施药结构的喷头流量独立控制的变量喷雾方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤1：建立各模块之间的通信，设置变量喷雾相关参数并基于机器人操作系统ROS实时获取二维激光雷达与北斗导航系统的数据：二维激光雷达以垂直扫描方式安装于果园变量喷雾机的前端，按扫描周期实时探测两侧植株的冠层特征信息，北斗导航系统实时获取果园喷雾机的行进速度v；步骤2：将二维激光雷达极坐标转换为直角坐标，基于垂直喷雾支架的结构、喷头的空间分布、喷头的喷幅角度和激光雷达与喷头之间的相对位置，对喷施区域进行划分；步骤3：设定横向扫描阈值，根据阈值范围内的激光点云数据计算各喷施区域的植株冠层体积、各喷头所需输出流量和对应变量喷雾电磁阀的占空比；步骤4：结合激光雷达扫描周期、硬件响应耗时、算法处理耗时和二维激光雷达与喷雾机构的距离进行延时控制，主控制器接收到微型计算机发送的变量喷雾指令，控制各喷头对应的变量喷雾电磁阀开闭，实现喷头流量独立控制的对靶变量喷雾作业。
2.根据权利要求1所述的一种基于垂直施药结构的喷头流量独立控制的变量喷雾方法，其特征在于：所述步骤1具体包括：
建立果园变量喷雾机各模块之间的通信，保证微型计算机、二维激光雷达、北斗导航系统、控制器、变量喷雾执行机构等模块之间能够正常通信；设置变量喷雾的相关参数：二维激光雷达与两侧果树中心位置的距离l、植株冠层单位体积所需喷雾量
Figure FDA0003636112140000011
和占空比拟合公式的标定常量a、b；通过机器人操作系统ROS实时获取基于二维激光雷达探测的植株冠层特征信息和北斗导航系统采集的果园变量喷雾机的行进速度v。
3.根据权利要求1所述的一种基于垂直施药结构的喷头流量独立控制的变量喷雾方法，其特征在于：所述步骤2具体包括：
二维激光雷达以垂直扫描方式安装于果园变量喷雾机的前端，垂直施药结构由8个电调、8个风机、8个变量喷雾电磁阀、8个喷头组件、直流电机驱动器、水泵和压力传感器组成；其中，8个喷头组件对称安装在喷雾支架两侧，左右两侧喷嘴安装高度一致，喷头标号1～8从右侧安装位置最低的喷头开始按逆时针排序，同侧相邻喷头的高度间距为ΔH；D为二维激光雷达中心与地面的距离；H为果园喷雾机中安装位置最低的喷头与地面的距离；θspray为喷头的理论喷幅角度；ΔW为Hokuyo激光雷达中心与喷头的水平间距，对二维激光雷达进行坐标转换：
Figure FDA0003636112140000021
其中，(ρi，θi)为二维激光雷达点云数据的极坐标；(yi，zi)为二维激光雷达点云数据的直角坐标；
同侧相邻喷头间的喷幅会在距喷头距离为d处交汇，根据二维激光雷达和喷头的安装位置、二维激光雷达与果树冠层表面的水平距离yi，可求的喷施区域的高度划分阈值Z1、Z2和Z3；喷头理论喷幅输出的交汇距离d：
d＝ΔH×tanβ
其中，β为喷头理论的喷幅角度θspray的一半，即：
Figure FDA0003636112140000022
结合式上两式可求得喷头理论喷幅的交汇距离d为：
Figure FDA0003636112140000023
根据二维激光雷达与喷头的水平间距ΔW与d，可求出二维激光雷达与植株冠层表面的横向阈值Δy：
Δy＝ΔW+d
当果树冠层外层的距离yi大于Δy时，可求出喷施区域的高度划分阈值：
z1＝-D+H
Figure FDA0003636112140000024
z3＝-D+H+3ΔH
二维激光雷达经坐标转换后，通过果树行间距对二维激光雷达检测设定阈值范围[y2D_min，y2D_max]，滤除阈值范围外的激光数据点，根据阈值范围内二维激光雷达与果树冠层表面的水平距离yi的正负进行左右喷施区域的划分，当yi＞0时为右侧喷施区域数据，反之为左侧喷施区域数据；当|yi|＞Δy时，根据公式求出喷施区域的高度划分阈值Z1、Z2和Z3。
4.根据权利要求1所述的一种基于垂直施药结构的喷头流量独立控制的变量喷雾方法，其特征在于：所述步骤3具体包括：
经步骤2求得垂直施药结构的喷头理论喷幅输出的横向交汇距离d、二维激光雷达的表面阈值Δy和喷施区域的高度划分阈值Z1、Z2、Z3；通过高度划分阈值将二维激光雷达的检测区域左右各划分为4个，共8个喷施区域；单独计算每个喷施区域的面积Sj、以4帧激光雷达数据为一个喷雾单元的体积Vj、各喷施区域所对应的喷头输出流量Qj和喷头对应变量喷雾电磁阀的占空比DUCj。
5.根据权利要求4所述的一种基于垂直施药结构的喷头流量独立控制的变量喷雾方法，其特征在于：各喷施区域的面积Sj：
Figure FDA0003636112140000031
其中，Sj为第j个喷施区域的面积，单位为m2；l为二维激光雷达坐标原点到果树中心位置的距离，单位为m；(yi，zi)为二维激光雷达第i个激光点的坐标值；(yi+1，zi+1)为二维激光雷达第i+1个激光点的坐标值；根据上述喷施区域面积计算公式可单独求得每个喷施区域单帧数据的面积；
喷雾单元内喷施区域的体积Vj：
Vj＝4×Δt×v×Sj_max
其中，Vj为喷雾单元内第j个喷施区域所对应的体积，单位为m3；Sj_max为4帧数据中第j个喷施区域的面积最大值，单位为m2；Δt为二维激光雷达的扫描周期，单位为s；v为果园变量喷雾机的前进速度，单位为m/s；根据上述喷雾单元内的体积计算公式可求得各喷施区域在该喷雾单元内的体积；
喷雾单元内各喷施区域所对应的喷头输出流量Qj：
Figure FDA0003636112140000032
其中，Qj为喷雾单元内第j个喷施区域所对应的喷头所需输出流量，单位为L/s；
Figure FDA0003636112140000033
为植株冠层单位体积所需的喷雾量，单位为L/m3；植株冠层单位体积所需的喷雾量
Figure FDA0003636112140000034
范围为每立方米0.05L～0.13L；其中，修剪过枝叶、稀疏的植株冠层
Figure FDA0003636112140000035
通常选用0.05L/m3，对于未修剪过枝叶、冠层茂密的植株冠层
Figure FDA0003636112140000036
通常选用0.13L/m3；
喷雾单元内各喷施区域的喷头对应的变量喷雾电磁阀的占空比DUCj：
Figure FDA0003636112140000041
其中，DUCj为喷雾单元内第j个喷施区域的喷头对应的变量喷雾电磁阀的占空比，单位为％；a，b为输出流量与电磁阀占空比拟合公式的标定常量，由上述公式可求得各喷头所对应的变量喷雾电磁阀的占空比。
6.根据权利要求1所述的一种基于垂直施药结构的喷头流量独立控制的变量喷雾方法，其特征在于：所述步骤4具体包括：
根据步骤3可在线计算植株冠层各喷施区域的面积Sj、喷雾单元内各喷施区域的体积Vj、各喷施区域对应喷头的输出流量Qj和喷头对应变量喷雾电磁阀的占空比DUCj，为实现喷头流量独立控制的对靶变量喷雾作业，分析喷雾延时的主要因素，并进行对靶变量喷雾的延时控制；造成喷雾延时的主要因素分别有：二维激光雷达扫描周期Δt、硬件响应耗时Thardware_delay、算法处理耗时Tsoft_delay和二维激光雷达与喷雾机构的距离Lc，结合以上延时因素和果园变量喷雾机的前进速度v，可计算得到变量喷雾软件延时Tdelay：
Figure FDA0003636112140000042
其中，Tdelay为生成变量喷雾电磁阀的占空比数据后至向主控制器发送数据的时间，单位为s；Thardware_delay为药液从药箱到喷头输出的耗时，包括药液运输时间、变量喷雾电磁阀处理控制信号和响应所需时间，单位为s；Tsoft_delay为微型计算机接收到激光雷达数据至生成变量喷雾电磁阀占空比数据的算法处理耗时，单位为s；通过步骤3在线计算出喷雾单元内各喷头对应的变量喷雾电磁阀的占空比数据，经过Tdelay的延时控制后向主控制器发送数据，各变量喷雾电磁阀接收到占空比数组，独立控制电磁阀的开闭，实现喷头流量独立控制的对靶变量喷雾作业。
7.一种基于垂直施药结构的变量喷雾控制系统，其特征在于：包括电源系统1、行走控制系统2、变量喷雾作业机构3、微型计算机4、二维激光雷达5和北斗导航系统6；
电源系统1由24V 30AH的锂电池15和24V 16AH的锂电池16组成，为给机载微型计算机4、二维激光雷达5、北斗导航系统6、变量喷雾控制器7、底盘控制器20以及变量喷雾作业机构3供电，通过稳定的DC/DC电源模块17和18分别将24V 30AH和24V 16AH的锂电池转换为12V和19V的电压；12V电源主要为二维激光雷达5、北斗导航系统6、变量喷雾控制器7、底盘控制器20、和变量喷雾作业机构3，19V电源为机载微型计算机4供电；
行走控制系统2主要由遥控器19、底盘控制器20、电机驱动21、行进电机22和转向电机23相串联组成，操作人员可直接通过遥控器19控制果园变量喷雾机的运动，遥控器19采用SBUS(Serial Bus)协议通过2.4G模块与底盘控制器20进行通讯，通过遥控指令分别控制行进电机22和转向电机23从而实现果园喷雾机的行走控制，实现果园变量喷雾机的前进倒退、转弯和急刹停车功能，微型计算机4通过CAN口与底盘控制器20通讯；
垂直施药结构的变量喷雾作业机构3主要由直流电机驱动器8、水泵9、压力传感器10、变量喷雾电磁阀11、喷头12、电调13、风机14和分流器26组成；变量喷雾主控制器7输出一端依次连接电调13、风机14；变量喷雾主控制器7第二输出端依次连接直流电机驱动器8、水泵9、压力传感器10；变量喷雾主控制器7第三输出端依次连接变量喷雾电磁阀11、喷头12；
垂直施药结构的变量喷雾作业机构3中，变量喷雾作业前，提前打开药箱开关25，药液从药箱24经过药箱开关25流出，系统工作时，微型计算机4通过机器人操作系统ROS实时获取二维激光雷达5和北斗导航系统6的数据，基于垂直结构变量施药模型计算每个喷头12的所需输出流量，通过拟合公式得到各喷头对应变量喷雾电磁阀11的占空比，将生成的占空比数组通过串口发送到变量喷雾主控制器7，变量喷雾主控制器7接收到微型计算机4的变量喷雾指令后驱动水泵9，将药液加压后送至分流器26，分流器26上装载的压力传感器10实时检测分流器26内部水压并反馈至变量喷雾控制器7实现恒压作业；变量喷雾主控制器7根据占空比数据控制变量喷雾电磁阀11的开闭，同时通过电调13调节风机14的转速，药液从各个变量喷雾电磁阀11流出，经过喷头12雾化形成细小的雾滴后由风机14将雾滴吹向靶标，实现喷头流量独立控制的变量喷雾作业。
8.根据权利要求7所述的一种基于垂直施药结构的变量喷雾控制系统，其特征在于：二维激光雷达5采用的是Hokuyo公司的UTM-300TX型号二维激光雷达，该激光雷达基于飞行时间法测距原理，根据激光束的飞行速度和时间，实现对植株的非接触式探测，激光点云数据以极坐标形式返回；Hokuyo二维激光雷达5拥有IP64的防护等级，可适应果园环境的检测要求，25ms的扫描周期、0.1～30m的探测距离、0.25°的角度分辨率和270°的有效扫描角度范围使得该款激光雷达每帧数据能产生1080个有效激光数据点，实现植株冠层特征的检测，果园变量喷雾机在垂直施药结构喷雾支架上外延支撑杆，二维激光雷达以刚性连接方式与外延支撑杆固定。二维激光雷达采用竖直扫描方式安装在外延支撑杆上，其中心位置距离地面1.3m，与喷雾机构的距离Lc为0.6m；北斗导航系统6可实时获取果园变量喷雾机的速度v。
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