CN114916524A - 一种升降式靶标随动风送喷雾车及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种升降式靶标随动风送喷雾车及控制方法，包括车架以及设于车架上的控制单元、数据采集单元、风送喷雾机构、供液机构、升降机构、上随动机构和下随动机构；所述控制单元分别与数据采集单元、风送喷雾机构、供液机构、升降机构、上随动机构和下随动机构通讯连接；所述供液机构与风送喷雾机构的喷头组连接；所述上随动机构通过升降机构装于车架上，所述下随动机构位于上随动机构的斜下方，所述风送喷雾机构的轴流风机分别安装于上随动机构和下随动机构上。本发明可以根据植株高度调整喷雾高度，并在喷雾车行进过程中根据目标果树位置实时调整风送喷雾俯仰角和摇摆角。

Description

一种升降式靶标随动风送喷雾车及控制方法

技术领域

本发明涉及植保机械的技术领域，尤其是指一种升降式靶标随动风送喷雾车及控制方法。

背景技术

随着果园种植面积的扩大，病虫害防治问题变得日益严峻。病虫害防治工作强度大，耗时费力，据调查可知，果树植保约占果园管理总工作量的四分之一左右。目前最有效的防治手段依然是化学防治，而农药的过量使用会导致大量浪费、环境污染以及农药残留超标等问题，因此精准施药就成为解决这些问题的良好手段。

中国发明专利申请(CN110476941A)公开了一种自动对靶变量喷雾机及控制方法，该方法可以根据靶标有无判定是否喷雾，根据靶标大小改变喷雾量和风送量，但是无法调控喷雾角度和喷雾高度。

中国发明专利申请(CN112219830A)公开了一种梯田果园风送式变量对靶喷雾机及对靶喷雾方法，该方法可以根据树冠体积和植株高度调整喷雾高度和喷雾垂直方向角度，但是无法调整喷雾水平方向角度，无法做到实时随动喷雾控制。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种升降式靶标随动风送喷雾车，该喷雾车可以根据植株高度调整喷雾高度，并在喷雾车行进过程中根据目标果树位置实时调整风送喷雾俯仰角和摇摆角。

本发明的第二个目的在于提供一种基于上述喷雾车的控制方法。

本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种升降式靶标随动风送喷雾车，包括车架以及设于车架上的控制单元、数据采集单元、供电单元、风送喷雾机构、供液机构、升降机构、上随动机构和下随动机构；所述控制单元分别与数据采集单元、风送喷雾机构、供液机构、升降机构、上随动机构和下随动机构通讯连接；所述供电单元用于提供电源；所述风送喷雾机构包括多个轴流风机和与多个轴流风机一一对应的喷头组，每个喷头组均安装在对应轴流风机的出风口前部，其中，多个轴流风机分成两组，其中一组为上轴流风机，其上的喷头组用于对靶标上冠层进行喷雾，另一组为下轴流风机，其上的喷头组用于对靶标下冠层进行喷雾；所述数据采集单元包括姿态传感器、超声波传感器组、激光雷达和旋转编码器，所述姿态传感器有多个，其数量与轴流风机的数量相一致，一个姿态传感器对应安装在一个轴流风机上，用于采集轴流风机的姿态信息，所述超声波传感器组有多个，其数量与轴流风机的数量相一致且一一对应，其中，与上轴流风机对应的超声波传感器组用于探测上冠层的靶标距离，与下轴流风机对应的超声波传感器组用于探测下冠层的靶标距离，多个超声波传感器组分别通过电缸装于车架的两侧，通过电缸调节超声波传感器组的探测高度，所述激光雷达装于车架上，用于探测靶标大小、形状、高度和位置，所述旋转编码器装于车架底部，用于采集喷雾车的车速信息和相对位置；所述供液机构分别与多个喷头组连接，通过控制单元根据数据采集单元采集的靶标大小实时调整其向喷头组输送的喷雾量；所述上随动机构通过升降机构装于车架上，所述下随动机构位于上随动机构的斜下方，多个上轴流风机和多个下轴流风机分别安装于上随动机构和下随动机构上，通过控制单元根据数据采集单元采集的靶标及喷雾车信息实时调整升降机构的高度、上随动机构和下随动机构的角度，从而调整喷头组的喷雾高度、风送喷雾俯仰角和摇摆角，以使喷雾角度随靶标与喷雾车相对位置改变而改变，实现随动控制、对靶喷雾。

进一步，所述上随动机构包括多个上随动单元，所述上随动单元的数量与上轴流风机的数量相一致且一一对应；每个上随动单元包括第一步进电机、旋转支架、风机连接件和上电动推杆，所述第一步进电机固定于升降机构的升降平台的底部，所述旋转支架设于升降平台的上方，并与第一步进电机的输出轴连接，所述风机连接件呈类U形结构，其底边转动连接于旋转支架的顶部，其两侧边的端部分别铰接有一个上电动推杆，两个上电动推杆分别铰接于旋转支架的底边上，由第一步进电机驱动旋转支架绕竖直轴线转动，同时由两个上电动推杆的伸缩带动风机连接件绕水平轴线转动，从而实现调整上轴流风机的喷头组的摇摆角和俯仰角的目的。

进一步，所述下随动机构包括多个下随动单元，所述下随动单元的数量与下轴流风机的数量相一致且一一对应；每个下随动单元包括第二步进电机、第一U形连接件、第一旋转轴、轴杆连接件、第二U形连接件、第二旋转轴和下电动推杆，所述第一旋转轴转动设于第一U形连接件的两侧边上，其一端与设于其下方的第二步进电机的输出轴连接，其另一端与设于其上方的下轴流风机连接，所述轴杆连接件的一端与第一U形连接件的底边连接，其另一端与第二旋转轴连接，所述第二旋转轴转动设于第二U形连接件的两侧边上，所述第二U形连接件的底边固定于车架上，所述下电动推杆的一端铰接于车架上，并位于第二U形连接件的下方，其另一端铰接至第二步进电机上，由第二步进电机驱动下轴流风机转动至所需的摇摆角，同时由下电动推杆的伸缩驱动下轴流风机转动至所需的俯仰角，从而实现调整下轴流风机的喷头组的摇摆角和俯仰角的目的。

进一步，所述升降机构包括支撑架、丝杆升降机组、升降平台、联轴器以及第三电机，所述支撑架固定在车架上起固定支撑作用，所述丝杆升降机组有多个，其数量与上轴流风机的数量相一致且一一对应，多个丝杆升降机组对称设于支撑架顶部的两侧，每个丝杆升降机组的顶部安装有一个升降平台，每个丝杆升降机组包括采用联轴器连接的两个丝杆升降机，每个丝杆升降机组均连接有第三电机，由第三电机驱动对应的丝杆升降机组实现两个丝杆升降机带动升降平台做上下运动。

进一步，所述控制单元包括单片机、信号转换模块、继电器、变频器、步进电机驱动器和触控屏，所述单片机通过信号转换模块与姿态传感器通讯连接，通过信号转换模块将轴流风机的姿态信息发送给单片机，所述单片机通过继电器的开闭控制电缸的正反转，进而控制超声波传感器组的探测高度，所述单片机通过向变频器发送模拟信号进而控制各轴流风机转速，从而控制各轴流风机风量，所述单片机通过向步进电机驱动器发送脉冲信号进而控制上随动机构的第一步进电机和下随动机构的第二步进电机动作，所述触控屏与单片机连接，通过操作触控屏进行喷雾控制。

进一步，所述供液机构包括药箱和水泵，所述水泵的一端通过管路与药箱连接，其另一端通过管路与各喷头组连接，通过水泵的电机带动水泵从药箱中抽取药液，进而供给各喷头组。

本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于上述升降式靶标随动风送喷雾车的控制方法，包括：

喷雾车启动时进行初始化，根据姿态传感器探测的轴流风机的姿态信息对轴流风机姿态进行调整，使其位于设定的初始位置；

采用激光雷达扫描靶标点云数据并建立空间坐标系，进而计算得到靶标的轮廓和体积信息，并发送给控制单元；

截取靶标中心位置所在的垂直截面，读取截面轮廓线上的各点坐标值，并取出最高点、中间点和最低点，根据高度值的中位值将靶标轮廓分为上冠层和下冠层，根据上冠层和下冠层的体积控制各喷头组的喷雾流量；

根据最高点、中间点和最低点的坐标计算出上轴流风机所需的俯角和下轴流风机所需的仰角，进而通过控制单元控制上随动机构和下随动机构以调整上轴流风机和下轴流风机分别转动至所需的俯、仰角；

根据靶标高度结合姿态传感器采集到的上轴流风机的当前高度来调整上轴流风机的高度；

分别截取上冠层和下冠层的中间水平截面，根据两个中间水平截面计算出上轴流风机和下轴流风机的第一风送喷雾摇摆角度值，并将第一风送喷雾摇摆角度值存储；

根据上冠层和下冠层的中间水平截面的高度调整超声波传感器组的高度，采用超声波传感器组探测靶标距离，根据靶标距离计算出上轴流风机和下轴流风机的第二风送喷雾摇摆角度值；

将第一风送喷雾摇摆角度值与第二风送喷雾摇摆角度值进行融合处理，得到最终的风送喷雾摇摆角度；

根据旋转编码器探测的车速结合靶标位置和系统响应时间计算喷雾延迟时间，在到达喷雾时间时依照最终的风送喷雾摇摆角度控制轴流风机的摇摆角度，实现随动喷雾；

由控制单元根据超声波传感器组探测到的靶标距离调整轴流风机的风量大小；

由姿态传感器实时采集轴流风机姿态信息，当处于未喷雾状态时进行一次角度修正，使轴流风机回到初始值，等待下一次随动喷雾。

进一步，所述根据最高点、中间点和最低点的坐标计算出上轴流风机所需的俯角和下轴流风机所需的仰角，进而通过控制单元控制上随动机构和下随动机构以调整上轴流风机和下轴流风机分别转动至所需的俯、仰角，具体为：

根据最高点(xmid,y1,zmax)、中间点(xmid,y2,zmid)、最低点(xmid,y3,zmin)三个坐标点的坐标信息计算出上冠层对应的上轴流风机的风送喷雾角度俯角θ1，以及计算出下冠层对应的下轴流风机的风送喷雾角度仰角θ2，

其中,xmid、y1、zmax分别为最高点的x轴、y轴、z轴坐标，xmid、y2、zmid分别为中间点的x轴、y轴、z轴坐标，xmid、y3、zmin分别为最低点的x轴、y轴、z轴坐标；

由控制单元根据计算出的俯角θ1及仰角θ2控制上电动推杆和下电动推杆的伸缩，以调整上轴流风机的俯角和下轴流风机的仰角。

进一步，所述分别截取上冠层和下冠层的中间水平截面，根据两个中间水平截面计算出上轴流风机和下轴流风机的第一风送喷雾摇摆角度值，并将第一风送喷雾摇摆角度值存储，具体为：

截取上冠层和下冠层的中间水平截面，两截面高度分别为h1和h2，

其中，zmax为最高点的z轴坐标，zmid为中间点的z轴坐标，zmin为最低点的z轴坐标；

根据靶标大小对两截面的外轮廓线进行分段得到多段轮廓线，对每段轮廓线计算其中点切线的角度值，即为第一风送喷雾摇摆角度值α，存储在数组α[i]中，其中i为存储数据的个数；

其中，D1、D2为每段轮廓线两端点到X轴的距离值，S为每段轮廓线两端点的x轴坐标的差值。

进一步，所述根据上冠层和下冠层的中间水平截面的高度调整超声波传感器组的高度，采用超声波传感器组探测靶标距离，根据靶标距离计算出上轴流风机和下轴流风机的第二风送喷雾摇摆角度值，具体为：

根据上冠层中间水平截面的高度设置负责上冠层的超声波传感器组的探测高度为h1，根据下冠层中间水平截面的高度设置负责下冠层的超声波传感器组的探测高度为h2，每个超声波传感器组包括两个超声波传感器，设置每个超声波传感器组的两个超声波传感器之间间距为l，两个超声波传感器探测到的靶标距离值分别为d1、d2，其中，d1为靠近喷雾车前端的超声波传感器所测量值，d2为靠近喷雾车后端的超声波传感器所测量值，将d1和d2分别存储在数组d1[n]和数组d2[n]中，其中，n为存储数据的个数，计算d1和d2的均值，并对其进行卡尔曼滤波处理；

根据处理后的数据实时计算当前探测位置的轮廓切线斜率，计算第二风送喷雾摇摆角度值β，存储在数组β[i]中；

对第二风送喷雾摇摆角度值β[i]进行滤波处理，使角度变化平滑。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、本发明的喷雾车喷雾范围广，下轴流风机可喷施药液至果树叶片背面，增强防治虫害效果，上轴流风机可根据靶标高度进行高度调节。

2、本发明的喷雾车的喷雾角度能够灵活调整，结合数据采集单元能够实现喷雾多角度调节，不仅能够调整喷雾垂直方向角度，还能实时随靶标与喷雾车相对位置改变调整喷雾水平方向角度，延长有效喷雾时间，提高雾滴覆盖率，减少药液浪费。

3、本发明的喷雾车采用多传感器融合，采用激光雷达探测靶标大小、靶标形状、靶标高度和靶标位置，根据探测到的靶标高度指导超声波传感器进行探测，实时计算随动喷雾角度，使随动控制更加精准，采用姿态传感器进行角度修正，消除误差，结合靶标位置、旋转编码器探测的车速信息和系统响应时间计算喷雾延迟时间，实现精准施药。

附图说明

图1为本发明的喷雾车的整体结构示意图。

图2为图1中A处的局部放大图。

图3为本发明的喷雾车的主视图。

图4为本发明的喷雾车的侧视图。

图5为图4中B处的局部放大图。

图6为本发明的升降机构、上随动机构和下随动机构的结构示意图。

图7为本发明的控制方法的流程图。

图8为本发明中靶标的Y-Z平面示意图。

图9为本发明的轴流风机俯仰角示意图。

图10为本发明中靶标的X-Y平面示意图。

图11为本发明中第一风送喷雾摇摆角度的示意图。

图12为本发明中靶标轮廓分段后任一段轮廓线示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明,但本发明的使用方式不限于此。

实施例：

如图1至图6所示，本实施例提供了一种升降式靶标随动风送喷雾车，其包括车架1以及设于车架1上的控制单元2、数据采集单元3、供电单元4、风送喷雾机构5、供液机构6、升降机构7、上随动机构8和下随动机构9。

车架1上安装有发动机和变速箱101，用于提供动力。

控制单元2分别与数据采集单元3、风送喷雾机构5、供液机构6、升降机构7、上随动机构8和下随动机构9通讯连接。

数据采集单元3包括姿态传感器301、超声波传感器组302、电缸303、激光雷达304和旋转编码器305，所述姿态传感器301有多个，其数量与轴流风机的数量相一致，一个姿态传感器301对应安装在一个轴流风机上，用于采集轴流风机的姿态信息，所述超声波传感器组302有多个，其数量与轴流风机的数量相一致且一一对应，其中，与上轴流风机501对应的超声波传感器组用于探测上冠层的靶标距离，与下轴流风机502对应的超声波传感器组用于探测下冠层的靶标距离，每个超声波传感器组302分别通过支架装于电缸303的顶部，多个电缸303分别装于车架1的两侧，且其中一部分为小电缸，另一部分为大电缸，通过电缸303调节超声波传感器组302的探测高度，所述激光雷达304装于车架1上，用于探测靶标大小、形状、高度和位置，所述旋转编码器305装于车架1底部的车轴上，用于采集喷雾车的车速信息和相对位置。进一步的，每个超声波传感器组302均包括两个超声波传感器，该两个超声波传感器保持间距设置在电缸303顶部。

供电单元4用于提供电源。

风送喷雾机构5包括多个轴流风机和与多个轴流风机一一对应的喷头组503，每个喷头组503均安装在对应轴流风机的出风口前部，其中，多个轴流风机分成两组，其中一组为上轴流风机501，其上的喷头组用于对靶标上冠层进行喷雾，另一组为下轴流风机502，其上的喷头组用于对靶标下冠层进行喷雾。进一步的，每个喷头组503包括沿圆周均布在轴流风机上的多个喷头。

供液机构6分别与多个喷头组503连接，通过控制单元2根据数据采集单元3采集的靶标大小实时调整其向喷头组503输送的喷雾量。具体的，供液机构6包括药箱601和水泵602，所述水泵602的一端通过管路与药箱601连接，其另一端通过管路与各喷头组503连接，通过水泵602的电机603带动水泵602从药箱601中抽取药液，进而供给各喷头组503。

上随动机构8通过升降机构7装于车架1上，所述下随动机构9位于上随动机构8的斜下方，多个上轴流风机501和多个下轴流风机502分别安装于上随动机构8和下随动机构9上，通过控制单元2根据数据采集单元3采集的靶标及喷雾车信息实时调整升降机构7的高度、上随动机构8和下随动机构9的角度，从而调整喷头组503的喷雾高度、风送喷雾俯仰角和摇摆角，以使喷雾角度随靶标与喷雾车相对位置改变而改变，实现随动控制、对靶喷雾。

上随动机构8包括多个上随动单元，所述上随动单元的数量与上轴流风机501的数量相一致且一一对应；每个上随动单元包括第一步进电机801、旋转支架802、风机连接件803和上电动推杆804，所述第一步进电机801固定于升降平台703的底部，所述旋转支架802设于升降平台703的上方，并与第一步进电机801的输出轴连接，所述风机连接件803呈类U形结构，其底边转动连接于旋转支架802的顶部，其两侧边的端部分别铰接有一个上电动推杆804，两个上电动推杆804分别铰接于旋转支架802的底边上，由第一步进电机801驱动旋转支架802绕竖直轴线转动，同时由两个上电动推杆804的伸缩带动风机连接件803绕水平轴线转动，从而实现调整上轴流风机501的喷头组的摇摆角和俯仰角的目的。

下随动机构9包括多个下随动单元，所述下随动单元的数量与下轴流风机502的数量相一致且一一对应；每个下随动单元包括第二步进电机901、第一U形连接件902、第一旋转轴903、轴杆连接件904、第二U形连接件905、第二旋转轴906和下电动推杆907，所述第一旋转轴903转动设于第一U形连接件902的两侧边上，其一端与设于其下方的第二步进电机901的输出轴连接，其另一端与设于其上方的下轴流风机502连接，所述轴杆连接件904的一端与第一U形连接件902的底边连接，其另一端与第二旋转轴906连接，所述第二旋转轴906转动设于第二U形连接件905的两侧边上，所述第二U形连接件905的底边固定于车架1上，所述下电动推杆907的一端铰接于车架1上，并位于第二U形连接件905的下方，其另一端铰接至第二步进电机901的支架上，由第二步进电机901驱动下轴流风机502转动至所需的摇摆角，同时由下电动推杆907的伸缩驱动下轴流风机502转动至所需的俯仰角，从而实现调整下轴流风机502的喷头组的摇摆角和俯仰角的目的。

升降机构7包括支撑架701、丝杆升降机组702、升降平台703、联轴器704以及第三电机705，所述支撑架701固定在车架1上起固定支撑作用，所述丝杆升降机组702有多个，其数量与上轴流风机501的数量相一致且一一对应，多个丝杆升降机组702对称设于支撑架701的两侧，每个丝杆升降机组702的顶部安装有一个升降平台703，每个丝杆升降机组702包括采用联轴器704连接的两个丝杆升降机，每个丝杆升降机组702均连接有第三电机705，由第三电机705驱动对应的丝杆升降机组702实现两个丝杆升降机带动升降平台703做上下运动。

控制单元2包括单片机、信号转换模块、继电器、变频器、步进电机驱动器和触控屏，所述单片机通过信号转换模块与姿态传感器301通讯连接，通过信号转换模块将轴流风机的姿态信息发送给单片机，所述单片机通过继电器的开闭控制电缸303的正反转，进而控制超声波传感器组302的探测高度，所述单片机通过向变频器发送模拟信号进而控制各轴流风机转速，从而控制各轴流风机风量，所述单片机通过向步进电机驱动器发送脉冲信号进而控制第一步进电机801和第二步进电机901动作，所述触控屏与单片机连接，通过操作触控屏进行喷雾控制。

本实施例中，升降机构7的升降范围为0～1m，轴流风机的摆动角度为-60°～60°。

如图7所示，本实施例还提供了一种基于上述升降式靶标随动风送喷雾车的控制方法，该方法包括以下步骤：

S1、喷雾车启动时进行初始化，根据姿态传感器探测的轴流风机的姿态信息对轴流风机姿态进行调整，使其位于设定的初始位置；具体为：使与轴流风机连接的步进电机的输出轴垂直于水平地面，使轴流风机的风送角度垂直于喷雾车行进方向；

S2、采用激光雷达探测靶标点云数据，建立空间坐标系，以喷雾车行进方向为x轴，以靶标中心距喷雾车行进方向的水平距离为y轴，以靶标高度值为z轴，经工控机对数据进行处理后得到靶标的轮廓、体积和位置信息，并发送给单片机；

S3、如附图8所示，截取靶标中心位置与y轴及z轴的二维坐标系相平行的截面，即靶标中心位置所在的垂直截面，读取截面轮廓线上的各点坐标值，并取出三个坐标点，分别为最高点(xmid,y1,zmax)，中间点(xmid,y2,zmid)，最低点(xmid,y3,zmin)，其中,xmid、y1、zmax分别为最高点的x轴、y轴、z轴坐标，xmid、y2、zmid分别为中间点的x轴、y轴、z轴坐标，xmid、y3、zmin分别为最低点的x轴、y轴、z轴坐标，根据高度值的中位值将靶标轮廓分为上冠层和下冠层；

根据上冠层和下冠层的体积信息输出PWM信号给继电器，通过继电器控制各喷头组的电磁阀，进而控制各喷头组的喷雾流量；

S4、根据步骤S3中最高点、中间点和最低点的坐标计算出上轴流风机所需的俯角和下轴流风机所需的仰角，进而通过单片机控制上随动机构和下随动机构以调整上轴流风机和下轴流风机分别转动至所需的俯、仰角；具体操作如下：

如图9所示，根据最高点(xmid,y1,zmax)、中间点(xmid,y2,zmid)、最低点(xmid,y3,zmin)三个坐标点的坐标信息计算出上冠层对应的上轴流风机的风送喷雾角度俯角θ1，以及计算出下冠层对应的下轴流风机的风送喷雾角度仰角θ2，

由单片机根据计算出的俯角θ1及仰角θ2控制上电动推杆和下电动推杆的伸缩，以调整上轴流风机的俯角和下轴流风机的仰角；

S5、采用姿态传感器采集上轴流风机的当前高度，同时根据靶标高度计算得到上轴流风机的所需高度，通过升降机构调整上轴流风机达到所需高度；具体操作如下：

采用姿态传感器探测上轴流风机的当前高度，进而由单片机根据靶标高度结合上轴流风机的当前高度控制升降机构以使上轴流风机的喷头组达到所需的喷雾高度h，

S6、分别截取上冠层和下冠层的中间水平截面，根据两个中间水平截面计算出上轴流风机和下轴流风机的第一风送喷雾摇摆角度值，并将第一风送喷雾摇摆角度值存储；具体操作如下：

截取上冠层和下冠层的中间水平截面，两截面高度分别为h1和h2，

根据靶标大小对两截面的外轮廓线进行分段得到多段轮廓线，如图10所示，对每段轮廓线计算其中点切线的角度值，即为第一风送喷雾摇摆角度值α，如图11所示，存储在数组α[i]中，其中i为存储数据的个数；

其中，D1、D2为每段轮廓线两端点到X轴的距离值，S为每段轮廓线两端点的x轴坐标的差值，如图12所示；

S7、根据上冠层和下冠层的中间水平截面的高度调整超声波传感器组的高度，采用超声波传感器组探测靶标距离，对靶标距离进行滤波处理，根据处理后的数据实时计算当前探测位置的轮廓切线斜率，计算第二风送喷雾摇摆角度值，同样对第二风送喷雾摇摆角度值进行滤波处理，使角度变化平滑；具体操作如下：

根据上冠层中间水平截面的高度设置负责上冠层的超声波传感器组的探测高度为h1，根据下冠层中间水平截面的高度设置负责下冠层的超声波传感器组的探测高度为h2，每个超声波传感器组包括两个超声波传感器，设置每个超声波传感器组的两个超声波传感器之间间距为l，两个超声波传感器探测到的靶标距离值分别为d1、d2，其中，d1为靠近喷雾车前端的超声波传感器所测量值，d2为靠近喷雾车后端的超声波传感器所测量值，将d1和d2分别存储在数组d1[n]和数组d2[n]中，其中，n为存储数据的个数，计算d1和d2的均值，并对其进行卡尔曼滤波处理；

根据处理后的数据实时计算当前探测位置的轮廓切线斜率，计算第二风送喷雾摇摆角度值β，存储在数组β[i]中；

同样对第二风送喷雾摇摆角度值β[i]进行滤波处理，使角度变化更加平滑；

S8、对步骤S6得到的第一风送喷雾摇摆角度值α与步骤S7得到的第二风送喷雾摇摆角度值β进行融合处理，根据处理结果得到最终的风送喷雾摇摆角度；

S9、根据旋转编码器探测的车速结合靶标位置和系统响应时间等信息计算喷雾延迟时间，在到达喷雾时间时由单片机依照步骤S8得到的最终的风送喷雾摇摆角度控制第一步进电机和第二步进电机动作，进而控制轴流风机的摇摆角度，实现随动喷雾；其中，单片机通过给步进电机驱动器发送脉冲信号控制步进电机动作，发送数字信号控制步进电机转动方向，步进电机驱动器每接收到一个脉冲则控制步进电机转动一下，转动的角度即为步进电机的步距角，单片机通过控制输出脉冲次数控制步进电机转动角度，从而控制风送喷雾摇摆角度；

S10、由单片机根据超声波传感器组探测到的靶标距离调整轴流风机的风量大小；其中，单片机通过给变频器发送模拟信号控制轴流风机转速，从而控制风量；由于变频器需输入0～10v或4～20mA的模拟信号，而单片机输出模拟信号为0～5v模拟电压，所以接入电压转电流的信号转换模块，将0～5v电压信号升压为0～10v或转换为4～20mA电流信号，从而控制风量；

S11、由姿态传感器实时采集轴流风机姿态信息，当处于未喷雾状态时进行一次角度修正，使轴流风机回到初始值，等待下一次随动喷雾；其中，姿态传感器与轴流风机采用485通讯协议，单片机串口发出的指令通过TTL转485通讯模块转换成485指令，从而采集风机姿态信息。

本发明采用多传感器融合，进而由控制单元将采集的信息融合处理，使喷头组根据靶标大小、形状实时调整喷雾量、喷雾高度、风送喷雾俯仰角和摇摆角，使喷雾角度随靶标与喷雾车相对位置改变而改变，实现随动控制、对靶喷雾，延长有效喷雾时间，提高雾滴覆盖率，减少药液浪费。

以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种升降式靶标随动风送喷雾车，其特征在于：包括车架以及设于车架上的控制单元、数据采集单元、供电单元、风送喷雾机构、供液机构、升降机构、上随动机构和下随动机构；所述控制单元分别与数据采集单元、风送喷雾机构、供液机构、升降机构、上随动机构和下随动机构通讯连接；所述供电单元用于提供电源；所述风送喷雾机构包括多个轴流风机和与多个轴流风机一一对应的喷头组，每个喷头组均安装在对应轴流风机的出风口前部，其中，多个轴流风机分成两组，其中一组为上轴流风机，其上的喷头组用于对靶标上冠层进行喷雾，另一组为下轴流风机，其上的喷头组用于对靶标下冠层进行喷雾；所述数据采集单元包括姿态传感器、超声波传感器组、激光雷达和旋转编码器，所述姿态传感器有多个，其数量与轴流风机的数量相一致，一个姿态传感器对应安装在一个轴流风机上，用于采集轴流风机的姿态信息，所述超声波传感器组有多个，其数量与轴流风机的数量相一致且一一对应，其中，与上轴流风机对应的超声波传感器组用于探测上冠层的靶标距离，与下轴流风机对应的超声波传感器组用于探测下冠层的靶标距离，多个超声波传感器组分别通过电缸装于车架的两侧，通过电缸调节超声波传感器组的探测高度，所述激光雷达装于车架上，用于探测靶标大小、形状、高度和位置，所述旋转编码器装于车架底部，用于采集喷雾车的车速信息和相对位置；所述供液机构分别与多个喷头组连接，通过控制单元根据数据采集单元采集的靶标大小实时调整其向喷头组输送的喷雾量；所述上随动机构通过升降机构装于车架上，所述下随动机构位于上随动机构的斜下方，多个上轴流风机和多个下轴流风机分别安装于上随动机构和下随动机构上，通过控制单元根据数据采集单元采集的靶标及喷雾车信息实时调整升降机构的高度、上随动机构和下随动机构的角度，从而调整喷头组的喷雾高度、风送喷雾俯仰角和摇摆角，以使喷雾角度随靶标与喷雾车相对位置改变而改变，实现随动控制、对靶喷雾。

2.根据权利要求1所述的升降式靶标随动风送喷雾车，其特征在于：所述上随动机构包括多个上随动单元，所述上随动单元的数量与上轴流风机的数量相一致且一一对应；每个上随动单元包括第一步进电机、旋转支架、风机连接件和上电动推杆，所述第一步进电机固定于升降机构的升降平台的底部，所述旋转支架设于升降平台的上方，并与第一步进电机的输出轴连接，所述风机连接件呈类U形结构，其底边转动连接于旋转支架的顶部，其两侧边的端部分别铰接有一个上电动推杆，两个上电动推杆分别铰接于旋转支架的底边上，由第一步进电机驱动旋转支架绕竖直轴线转动，同时由两个上电动推杆的伸缩带动风机连接件绕水平轴线转动，从而实现调整上轴流风机的喷头组的摇摆角和俯仰角的目的。

3.根据权利要求1所述的升降式靶标随动风送喷雾车，其特征在于：所述下随动机构包括多个下随动单元，所述下随动单元的数量与下轴流风机的数量相一致且一一对应；每个下随动单元包括第二步进电机、第一U形连接件、第一旋转轴、轴杆连接件、第二U形连接件、第二旋转轴和下电动推杆，所述第一旋转轴转动设于第一U形连接件的两侧边上，其一端与设于其下方的第二步进电机的输出轴连接，其另一端与设于其上方的下轴流风机连接，所述轴杆连接件的一端与第一U形连接件的底边连接，其另一端与第二旋转轴连接，所述第二旋转轴转动设于第二U形连接件的两侧边上，所述第二U形连接件的底边固定于车架上，所述下电动推杆的一端铰接于车架上，并位于第二U形连接件的下方，其另一端铰接至第二步进电机上，由第二步进电机驱动下轴流风机转动至所需的摇摆角，同时由下电动推杆的伸缩驱动下轴流风机转动至所需的俯仰角，从而实现调整下轴流风机的喷头组的摇摆角和俯仰角的目的。

4.根据权利要求1所述的升降式靶标随动风送喷雾车，其特征在于：所述升降机构包括支撑架、丝杆升降机组、升降平台、联轴器以及第三电机，所述支撑架固定在车架上起固定支撑作用，所述丝杆升降机组有多个，其数量与上轴流风机的数量相一致且一一对应，多个丝杆升降机组对称设于支撑架顶部的两侧，每个丝杆升降机组的顶部安装有一个升降平台，每个丝杆升降机组包括采用联轴器连接的两个丝杆升降机，每个丝杆升降机组均连接有第三电机，由第三电机驱动对应的丝杆升降机组实现两个丝杆升降机带动升降平台做上下运动。

5.根据权利要求1所述的升降式靶标随动风送喷雾车，其特征在于：所述控制单元包括单片机、信号转换模块、继电器、变频器、步进电机驱动器和触控屏，所述单片机通过信号转换模块与姿态传感器通讯连接，通过信号转换模块将轴流风机的姿态信息发送给单片机，所述单片机通过继电器的开闭控制电缸的正反转，进而控制超声波传感器组的探测高度，所述单片机通过向变频器发送模拟信号进而控制各轴流风机转速，从而控制各轴流风机风量，所述单片机通过向步进电机驱动器发送脉冲信号进而控制上随动机构的第一步进电机和下随动机构的第二步进电机动作，所述触控屏与单片机连接，通过操作触控屏进行喷雾控制。

6.根据权利要求1所述的升降式靶标随动风送喷雾车，其特征在于：所述供液机构包括药箱和水泵，所述水泵的一端通过管路与药箱连接，其另一端通过管路与各喷头组连接，通过水泵的电机带动水泵从药箱中抽取药液，进而供给各喷头组。

7.一种基于权利要求1～6任一项所述的升降式靶标随动风送喷雾车的控制方法，其特征在于，包括：

喷雾车启动时进行初始化，根据姿态传感器探测的轴流风机的姿态信息对轴流风机姿态进行调整，使其位于设定的初始位置；

采用激光雷达扫描靶标点云数据并建立空间坐标系，进而计算得到靶标的轮廓和体积信息，并发送给控制单元；

截取靶标中心位置所在的垂直截面，读取截面轮廓线上的各点坐标值，并取出最高点、中间点和最低点，根据高度值的中位值将靶标轮廓分为上冠层和下冠层，根据上冠层和下冠层的体积控制各喷头组的喷雾流量；

根据最高点、中间点和最低点的坐标计算出上轴流风机所需的俯角和下轴流风机所需的仰角，进而通过控制单元控制上随动机构和下随动机构以调整上轴流风机和下轴流风机分别转动至所需的俯、仰角；

根据靶标高度结合姿态传感器采集到的上轴流风机的当前高度来调整上轴流风机的高度；

分别截取上冠层和下冠层的中间水平截面，根据两个中间水平截面计算出上轴流风机和下轴流风机的第一风送喷雾摇摆角度值，并将第一风送喷雾摇摆角度值存储；

根据上冠层和下冠层的中间水平截面的高度调整超声波传感器组的高度，采用超声波传感器组探测靶标距离，根据靶标距离计算出上轴流风机和下轴流风机的第二风送喷雾摇摆角度值；

将第一风送喷雾摇摆角度值与第二风送喷雾摇摆角度值进行融合处理，得到最终的风送喷雾摇摆角度；

根据旋转编码器探测的车速结合靶标位置和系统响应时间计算喷雾延迟时间，在到达喷雾时间时依照最终的风送喷雾摇摆角度控制轴流风机的摇摆角度，实现随动喷雾；

由控制单元根据超声波传感器组探测到的靶标距离调整轴流风机的风量大小；

由姿态传感器实时采集轴流风机姿态信息，当处于未喷雾状态时进行一次角度修正，使轴流风机回到初始值，等待下一次随动喷雾。

8.根据权利要求7所述的升降式靶标随动风送喷雾车的控制方法，其特征在于，所述根据最高点、中间点和最低点的坐标计算出上轴流风机所需的俯角和下轴流风机所需的仰角，进而通过控制单元控制上随动机构和下随动机构以调整上轴流风机和下轴流风机分别转动至所需的俯、仰角，具体为：

根据最高点(xmid,y1,zmax)、中间点(xmid,y2,zmid)、最低点(xmid,y3,zmin)三个坐标点的坐标信息计算出上冠层对应的上轴流风机的风送喷雾角度俯角θ1，以及计算出下冠层对应的下轴流风机的风送喷雾角度仰角θ2，

其中,xmid、y1、zmax分别为最高点的x轴、y轴、z轴坐标，xmid、y2、zmid分别为中间点的x轴、y轴、z轴坐标，xmid、y3、zmin分别为最低点的x轴、y轴、z轴坐标；

由控制单元根据计算出的俯角θ1及仰角θ2控制上电动推杆和下电动推杆的伸缩，以调整上轴流风机的俯角和下轴流风机的仰角。

9.根据权利要求7所述的升降式靶标随动风送喷雾车的控制方法，其特征在于，所述分别截取上冠层和下冠层的中间水平截面，根据两个中间水平截面计算出上轴流风机和下轴流风机的第一风送喷雾摇摆角度值，并将第一风送喷雾摇摆角度值存储，具体为：

截取上冠层和下冠层的中间水平截面，两截面高度分别为h1和h2，

其中，zmax为最高点的z轴坐标，zmid为中间点的z轴坐标，zmin为最低点的z轴坐标；

根据靶标大小对两截面的外轮廓线进行分段得到多段轮廓线，对每段轮廓线计算其中点切线的角度值，即为第一风送喷雾摇摆角度值α，存储在数组α[i]中，其中i为存储数据的个数；

其中，D1、D2为每段轮廓线两端点到X轴的距离值，S为每段轮廓线两端点的x轴坐标的差值。

10.根据权利要求7所述的升降式靶标随动风送喷雾车的控制方法，其特征在于，所述根据上冠层和下冠层的中间水平截面的高度调整超声波传感器组的高度，采用超声波传感器组探测靶标距离，根据靶标距离计算出上轴流风机和下轴流风机的第二风送喷雾摇摆角度值，具体为：

根据上冠层中间水平截面的高度设置负责上冠层的超声波传感器组的探测高度为h1，根据下冠层中间水平截面的高度设置负责下冠层的超声波传感器组的探测高度为h2，每个超声波传感器组包括两个超声波传感器，设置每个超声波传感器组的两个超声波传感器之间间距为l，两个超声波传感器探测到的靶标距离值分别为d1、d2，其中，d1为靠近喷雾车前端的超声波传感器所测量值，d2为靠近喷雾车后端的超声波传感器所测量值，将d1和d2分别存储在数组d1[n]和数组d2[n]中，其中，n为存储数据的个数，计算d1和d2的均值，并对其进行卡尔曼滤波处理；

根据处理后的数据实时计算当前探测位置的轮廓切线斜率，计算第二风送喷雾摇摆角度值β，存储在数组β[i]中；

对第二风送喷雾摇摆角度值β[i]进行滤波处理，使角度变化平滑。

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