CN211121880U - 一种果园喷雾机空间风场立体测量装置 - Google Patents

Abstract

一种果园喷雾机空间风场立体测量装置，包括水平的与喷雾机前进方向平行的导轨，导轨上有能够沿其滑动的竖直的立杆，所述立杆上设置有能够沿立杆升降的风速仪连接板，风速仪探头安装在风速仪连接板上，风速仪探头沿导轨平移，进行风速测量。本实用新型还可设立基准台，精确定位采样点位置，定位误差小于1cm。在风速测量的同时，风速风向传感器实时监测自然风的大小和方向。本实用新型具有结构简单、方便操作、精确定位、快速测量、兼顾自然环境的特点，可以在田间复杂的自然环境下快速准确稳定的进行空间风场立体风速测量。

Description

一种果园喷雾机空间风场立体测量装置

技术领域

本发明属于农业设备技术领域，涉及田间风场测量，特别涉及一种果园喷雾机空间风场立体测量装置。

背景技术

果园喷雾靶标具有不连续种植和冠层较大、枝叶稠密的特点，为了提高药液穿透能力，国内外推广使用风送喷雾技术。该技术是联合国粮农组织推荐的一种高效施药技术，高速气流将喷头雾化成细小均匀的雾滴，增强了附着性能，同时强大气流翻滚枝叶裹挟着雾滴穿入冠层，大大增加了雾滴贯穿能力。国内外学者研究表明，果园喷雾机风场分布决定雾场分布，分析喷雾机风场分布规律是提高风送喷雾效率的第一步，起基础作用。喷雾机风场分为尾流、横流、湍流和层流，风场分布复杂多变，不具有规律性。风场测量田间试验需要大量的人力成本和时间成本，由于自然风的复杂变化，风场测量还具有不可重复性。

实际喷雾机距离出风口越近，竖直方向的风场分布变化越剧烈，在竖直方向偏离5cm有可能的结果是风速已经偏离了之前风涡，加上田间地面高低不平，5cm的上下起伏是极其普遍的情况，同时喷雾机在田间的位置也会受到作业地面的影响而前倾、后仰，直接影响风场的分布情况。因此需要在测量过程中考虑到田间地面的复杂性，关联喷雾机与采样点的相对位置，精确定位风速测量采样点。查找了国内外学者相关文献，没有关于如何在复杂地面环境准确定位采样点的相关论述。

另外，在田间试验过程中自然风的风速风向均复杂变化，自然风对风场的作用不容忽略，尤其是在高于喷雾机的位置和距离喷雾机较远的位置，自然风甚至起到决定性的作用，如何在风场中处理自然风对风场的影响是国内外风场测量中不可避免的技术要求。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种果园喷雾机空间风场立体测量装置，一方面，其在室外环境可稳定准确快速测量，同时兼顾自然环境，另一方面，其能够实现精确定位、实时采集。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种果园喷雾机空间风场立体测量装置，包括水平的与喷雾机前进方向平行的导轨7，导轨7上有能够沿其滑动的竖直的立杆5，其特征在于，所述立杆5上设置有能够沿立杆5升降的风速仪连接板14，风速仪探头11安装在风速仪连接板14上。

所述导轨7安装在底座16上，底座16为水平的三角形结构，其底部有地脚螺栓9，底座16的第一个顶点连接竖直的左支撑8，第二个顶点连接竖直的右支撑17，导轨7连接在左支撑8和右支撑17的顶端之间，右支撑17的顶端与底座16的第三个顶点之间连接有斜拉支撑18。

所述导轨7上设置有滑块1，立杆5与滑块1连接，平移伺服步进电机20的输出通过滑块1带动立杆5的水平移动，所述立杆5的顶端和底端分别设置有上齿轮6和下齿轮15，上齿轮6和下齿轮15之间有齿条4，风速仪连接板14位于齿条4上，所述滑块1上有升降伺服步进电机2，升降伺服步进电机2的输出通过齿轮3带动齿条4的上下升降。

所述平移伺服步进电机20和升降伺服步进电机2连接电机控制模块24，电机控制模块24精确控制滑块1的移动速度与位移以及齿轮3的转速，滑块1移动速度精确控制范围为0.01-5m/s。

所述风速仪探头11的风速仪手柄12用U形螺栓13螺接于风速仪连接板14，且风速仪手柄12平行于导轨7，风速仪连接板14与立杆5中的凹槽紧密配合。

所述风速仪探头11是能够弯曲的波纹管，使用直角弯槽10固定，风速仪为热敏式风速仪，所述直角弯槽10为大半圆结构。

本发明还可包括对称设置在喷雾机出风口两侧的左基准台26和右基准台28，在风速仪连接板14上安装有激光尺，根据激光束在基准面上移动的轨迹调整以保证导轨7与喷雾机的平行。

本发明还可包括安装在喷雾机侧后方的风速风向传感器21。

本发明还提供了基于所述果园喷雾机空间风场立体测量装置的测量方法，包括如下步骤：

a、调整导轨7平行于喷雾机行进方向，立杆5初始位置至少需要大于实际风场宽度的一半，保证测量包含整个风场；

b、启动喷雾机，调整风送参数，并稳定运行；

c、控制风速仪连接板14的升降，定位风速仪探头11在竖直方向的位置；控制立杆5的平移，风速仪探头11沿导轨7平稳移动进行风场测量，立杆(5)的平移距离设置为立杆5距喷雾机出风口中心的二倍；

d、风速仪探头11与计算机通过数据接口连接，实时记录风速值和风速曲线。

在所述步骤a之前，还执行如下操作：

a1、在喷雾机前进方向两侧对称设置左基准台26和右基准台28，在左基准台26的左基准面25和右基准台28的右基准面27上安装坐标白板；

a2、将激光尺固定在风速仪连接板14上，打开激光尺，平移立杆5，同时记录激光尺在移动过程中在左基准面25、右基准面27扫过的影像，记录激光尺移动过程中监测到的激光尺与坐标白板之间距离；

a3、根据图像分析结果，调整导轨7的高度直至激光扫过左基准面25坐标白板的上下误差在1cm以内；右基准面27与左基准面25的激光尺记录的距离信息对照，微调导轨7直至两个基准面上激光尺获取的距离相同；从而保证导轨7平行于喷雾机。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供了一种果园喷雾机空间风场立体测量装置，克服目前已有技术不能在室外进行准确、高效实时采集风速数据的不足，能够使用一个或多个风速仪同时探测，能同时获取风速曲线和风场空间分布。并通过设置基准台，精确定位采样点，采样点的误差小于1cm。同时测量结构对风场的影响降到最低，而测量系统的尺寸设置可以覆盖整个空间风场。风速仪探头距离安装支架大于30cm，确保在测量过程中风速仪安装支架不对风场造成影响，提高了结果的可靠性。风速仪能自动升降，避免了反复拆卸，节约了试验时间。直角弯槽固定在风速仪探头，提高测量的稳定性。风速仪与计算机数据连接实现实时数据采集并存储。同时监测自然风的风速大小和方向，试验更具有现实性。

上述测量系统测量风场的空间立体风速值，为风场CFD建模和数学建模提供可靠准确充足的数据支撑，分析风送喷雾机合适的风速风量参数，进一步为风场风力实时调控提供支持。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图。

图2是本发明整体布局俯视图。

图3是本发明直角弯槽卡紧结构图。

图4是本发明电机驱动与控制模块示意图。

图5是本发明基准台示意图。

图中附图标记的含义：

1-滑块；2-升降伺服步进电机；3-齿轮；4-齿轮齿条；5-立杆；6-上齿轮；7-导轨；8-左支撑；9-地脚螺栓；10-直角弯槽；11-风速仪探头；12-风速仪手柄；13-U形螺栓；14-风速仪连接板；15-下齿轮；16-底座；17-右支撑；18-斜拉支撑；19-电机安装座；20-平移伺服步进电机；21-风速风向传感器；22-喷雾机出风口；23-电机驱动模块；24-电机控制模块；25-左基准面；26-左基准台；27-右基准面；28-右基准台。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

如图1和图2所示，本发明一种果园喷雾机空间风场立体测量装置，包括水平的与喷雾机前进方向平行的导轨7，导轨7上有能够沿其滑动的竖直的立杆5，立杆5上设置有能够沿立杆5升降的风速仪连接板14，风速仪探头11安装在风速仪连接板14上，风速仪探头11沿导轨7平移，进行风速测量。该结构的优点是能稳定快速大量地测量果园喷雾机的空间风场(空间立体风速值)。

本实施例中，导轨7可安装在底座16上，底座16为水平的三角形结构，距地高度低于20cm，其底部有用于高度调节的地脚螺栓9，地脚螺栓9可调高度范围为20cm。底座16的第一个顶点连接竖直的左支撑8，第二个顶点连接竖直的右支撑17，导轨7连接在左支撑8和右支撑17的顶端之间，右支撑17的顶端与底座16的第三个顶点之间连接有起稳定作用的斜拉支撑18，左支撑8与右支撑17之间的间距大于5m。采用三角形结构，整体稳定性高，并可将平台结构对风场的阻碍作用降到最低；在宽度和高度方向的可调范围大，适用不同类型的喷雾机和果园种植模式，方便调整，适用性强。

本实施例中，导轨7上设置有滑块1，立杆5与滑块1连接，平移伺服步进电机20的输出通过滑块1带动立杆5的水平移动。立杆5、齿轮齿条升降机构构成了整个风速仪探头安装支架，齿轮升降机构主要包括上齿轮6、下齿轮15、齿轮3、齿条4和升降伺服步进电机2。上齿轮6和下齿轮15分别设置在立杆5的顶端和底端，齿条4围绕上齿轮6、下齿轮15、齿轮3，上下齿轮用于方向引导，齿轮3连接升降伺服步进电机2，风速仪连接板14位于齿条4上，升降伺服步进电机2可安装在滑块1上，升降伺服步进电机2的输出通过齿轮3带动齿条4的上下升降，实现风速仪探头11自动升降和精确定位。齿轮升降机构也可以实现手动调节。采用此结构的优点是可以在高度方向上充分地进行风速测量，并且风速仪安装支架对风场测量的影响可以降为忽略不计，提高了风场测量的可靠性。风速仪探头的自动定位不仅提高了定位精度，同时避免了反复安装拆卸，大幅减少了工作量。

本实施例中，风速仪探头11的风速仪手柄12用U形螺栓13螺接于风速仪连接板14，且风速仪手柄12平行于导轨7，风速仪连接板14与立杆5中的凹槽紧密配合。立杆5的长度大于4m，风速仪探头11与立杆5的距离大于30cm。本实施例中风速仪探头11与立杆5的距离为30cm，保证风速仪安装支架不对风场测量构成影响；立杆5的长度设为4m，可以满足实施例用喷雾机在风场竖直方向的测量需求。

本实施例中，风速仪探头11是能够弯曲的波纹管，使用直角弯槽10固定，风速仪为热敏式风速仪，测量范围为0-30m/s，分辨率0.001，采样频率1Hz。直角弯槽10为大半圆结构，如图3所示，该结构用于风速仪探头11与直角弯槽10的锁紧，同时方便拆装。采用这种结构的优点是，热敏式风速仪价格适中，可以满足喷雾风场测量的需求。使用直角弯槽，可以保证在测量过程中风速仪探头不受气流的影响，提高了测量的稳定性。

如图4所示，本实施例中，平移伺服步进电机20和升降伺服步进电机2连接电机控制模块24，电机控制模块24精确控制滑块1的移动速度与位移以及齿轮3的转速，滑块1移动速度精确控制范围为0.01-5m/s。滑块1在测量过程中低速运行(例如，速度可设为0.02m/s)，回程高速返回(例如，速度可设为3m/s)，同时去程与回程的位移相同，本实施例中移动距离为4m，包含整个宽度的风场。通过对升降伺服步进电机2的控制，则可精确定位风速仪探头11的位置，本实施例中风速仪探头在竖直方向的初始位置距基准坐标原点0.23m，间距0.2m，共设置10个采样位置。整个测量系统可采用12V-24V变压器供电。采用该结构的优点是自动化的定位和平移测量，获取大量的风速数据，提高测量的精确性，同时大大降低采集数据的时间。

如图5所示，本实施例中，还可包括对称设置在喷雾机前进方向两侧的左基准台26和右基准台28，在风速仪连接板14上安装有用于监测与基准台之间距离的激光尺，根据检测结果调整以保证导轨7与喷雾机的平行。

具体地，左基准台26和右基准台28为六面体结构，对称置于果园喷雾机出风口两侧。左基准台26的左基准面25、右基准台28的右基准面27与喷雾机出风口最外侧齐平。平行于左基准面25，垂直于左基准台底面，安装坐标白板，该坐标白板为长方形，最小可以确定1cm的坐标位置，长度方向大于1m，高度方向不大于0.5m。平行于右基准面27，垂直于右基准台底面安，装坐标白板，该坐标白板为长方形，长度方向与右基准面相同，高度方向不大于0.5m。左基准面25作为主基准面，右基准面27作为辅助基准面。采用该结构的优点是，在田间地面不平整地面环境复杂的情况下，将采样点的定位误差限制在1cm，提高了测量的精确性。

如图2所示，本实施例中，还可包括安装在喷雾机侧后方的风速风向传感器21，具体可安装于喷雾机侧后方与喷雾方向夹角62°，距离14.8m，高度为2m。在测量过程中，风速风向传感器21可实时监测自然风，与计算机通过数据接口连接(如RS232串口)，实时采集自然风数据，并可用Serial Port Utility串口软件将机器码转换为ACSLL码实时显示，以Word的格式直接保存。采用该结构的优点是，适应室外风场测量复杂的自然环境，提高了测量结果的可靠性。

本发明还提供了基于该果园喷雾机空间风场立体测量装置的测量方法，包括如下步骤：

a、调整导轨7平行于喷雾机行进方向；

b、启动喷雾机，调整风送参数，并稳定运行；

c、控制风速仪连接板14的升降，定位风速仪探头11在竖直方向的位置；控制立杆5的平移，风速仪探头11沿导轨7平稳移动进行风场测量；

d、风速仪探头11与计算机通过数据接口连接，实时记录风速值和风速曲线。

在所述步骤a之前，还执行如下操作：

a1、在喷雾机前进方向两侧对称设置左基准台26和右基准台28，在左基准台26的左基准面25和右基准台28的右基准面27上安装坐标白板；

a2、将激光尺固定在风速仪连接板14上，打开激光尺，平移立杆5，同时记录激光尺在移动过程中在左基准面25、右基准面27扫过的影像，记录激光尺移动过程中监测到的激光尺与坐标白板之间距离；

a3、根据图像分析结果，调整导轨7的高度直至激光扫过左基准面25坐标白板的上下误差在1cm以内；右基准面27与左基准面25的激光尺记录的位置信息对照，微调导轨7直至两个基准面上激光尺获取的距离相同；从而保证导轨7平行于喷雾机。

本发明中，激光尺是移动，可仅设置一个激光尺，其移到左边就与左基准面对应，移到右侧就与右基准面对应。

本发明可以根据需要实现轴流式喷药机、横流式喷雾机、多出风口喷雾机导等各类型喷雾机风场空间立体风速测量。

本实施例中，选取距离喷雾机0.3m，0.5m，1m，1.5m，2m，3m六个平面，每个平面在竖直方向设立10个采样位置，每个采样位置在风速仪的平移过程中获取150个风速值，总计获取9000个风速数据，大量的风速数据可以形成一个完整的包含整个喷雾风场的空间立体风场分布。

本发明的原理：通过搭建果园喷药机空间风场立体测量平台，最大限度降低田间试验复杂地面情况对测量准确性的影响，并且实时监测自然风对风场的影响，精确测量喷雾机空间立体风场的风速值，上位机实时显示风速值、风速曲线和风场空间分布，为风场建模和分析提供支持。

Claims (8)

1.一种果园喷雾机空间风场立体测量装置，包括水平的与喷雾机前进方向平行的导轨(7)，导轨(7)上有能够沿其滑动的竖直的立杆(5)，其特征在于，所述立杆(5)上设置有能够沿立杆(5)升降的风速仪连接板(14)，风速仪探头(11)安装在风速仪连接板(14)上。

2.根据权利要求1所述果园喷雾机空间风场立体测量装置，其特征在于，所述导轨(7)安装在底座(16)上，底座(16)为水平的三角形结构，其底部有地脚螺栓(9)，底座(16)的第一个顶点连接竖直的左支撑(8)，第二个顶点连接竖直的右支撑(17)，导轨(7)连接在左支撑(8)和右支撑(17)的顶端之间，右支撑(17)的顶端与底座(16)的第三个顶点之间连接有斜拉支撑(18)。

3.根据权利要求1所述果园喷雾机空间风场立体测量装置，其特征在于，所述导轨(7)上设置有滑块(1)，立杆(5)与滑块(1)连接，平移伺服步进电机(20)的输出通过滑块(1)带动立杆(5)的水平移动，所述立杆(5)的顶端和底端分别设置有上齿轮(6)和下齿轮(15)，上齿轮(6)和下齿轮(15)之间有齿条(4)，风速仪连接板(14)位于齿条(4)上，所述滑块(1)上有升降伺服步进电机(2)，升降伺服步进电机(2)的输出通过齿轮(3)带动齿条(4)的上下升降。

4.根据权利要求3所述果园喷雾机空间风场立体测量装置，其特征在于，所述平移伺服步进电机(20)和升降伺服步进电机(2)连接电机控制模块(24)，电机控制模块(24)精确控制滑块(1)的移动速度与位移以及齿轮(3)的转速，滑块(1)移动速度精确控制范围为0.01-5m/s。

5.根据权利要求1-4任一权利要求所述果园喷雾机空间风场立体测量装置，其特征在于，所述风速仪探头(11)的风速仪手柄(12)用U形螺栓(13)螺接于风速仪连接板(14)，且风速仪手柄(12)平行于导轨(7)，风速仪连接板(14)与立杆(5)中的凹槽紧密配合。

6.根据权利要求5所述果园喷雾机空间风场立体测量装置，其特征在于，所述风速仪探头(11)是能够弯曲的波纹管，使用直角弯槽(10)固定，风速仪为热敏式风速仪，所述直角弯槽(10)为大半圆结构。

7.根据权利要求1所述果园喷雾机空间风场立体测量装置，其特征在于，还包括对称设置在喷雾机出风口两侧的左基准台(26)和右基准台(28)，在风速仪连接板(14)上安装有激光尺，根据激光束在基准面上移动的轨迹调整以保证导轨(7)与喷雾机的平行。

8.根据权利要求1所述果园喷雾机空间风场立体测量装置，其特征在于，还包括安装在喷雾机侧后方的风速风向传感器(21)。

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