CN212065449U - 一种喷雾姿态自适应调节机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于丘陵山区林果精准植保与装备领域，包括一种喷雾姿态自适应调节机构。机构包括：靶标探测传感器、计算机、控制中心、对靶机构等；所述的方法简述如下：使该机构可沿果园树行中线移动；启动该机构，并使该机构处于初始状态；利用靶标探测传感器探测果树中下部轮廓信息，利用测距传感器和倾角传感器检测对靶机构姿态信息；计算机获取果树中下部轮廓特征信息和对靶机构姿态信息；计算机比较靶标轮廓特征和对靶机构姿态信息，通过控制器调节对靶机构高度和对靶角度与果树中下部轮廓特征向匹配。本实用新型实现了：根据果树中下部轮廓对靶姿态调节，机具适应性好，可降低农药地面沉积与雾滴漂移，自动化程度高，通用性好。

Description

一种喷雾姿态自适应调节机构

技术领域

本实用新型属于丘陵山区林果精准植保与装备领域，包括一种喷雾姿态自适应调节机构。

背景技术

喷施农药是我国丘陵果园植保的重要手段之一。然而，我国的丘陵山区大多数果园环境相对郁闭，树龄较大，树高较高，株间距不够均匀，大中型施药机械(如龙门式、多风管风送式)进园困难。现阶段，丘陵果园植保大多采用传统的人力背负施药方式，不仅效率低、对人威胁大，且农药利用率低，易造成环境污染，不再符合水果产业发展的需要。随着技术的发展，植保无人机逐渐在丘陵果园植保领域得到应用，但是对传统种植模式的果园进行施药作业，存在雾滴沉积分布不均匀现象，表现为树冠上层沉积分布较多，树中下层分布较少，很难保证病虫害防治效果。因此，研发能够自动对靶的果树中下部施药装置，将其与植保无人机协同作业很有必要。

现有的果树中下部自动施药装置，以轴流风机为风源的风送式对靶装置为主。该类装置的喷头沿出风口环形布置，机具较小，但喷头位置固定，存在漂移严重、均匀性差、地面沉积量大、污染环境等问题。有产品和成果包含了雾化性能改善、风机结构优化设计、流道优化等方面，但是不涉及针对果树中下部的自动对靶装置，更未研究该类装置的喷雾姿态调整机构与方法。

极少数研究涉及喷杆姿态可调整的施药装置，但是侧重于单种设备施药作业，如专利CN 108669047A提出的一种多模式双向喷药装置，该装置机具尺寸较大，能实现多种角度的双向喷雾，但在相对较郁闭的果园环境中(如苹果园、桃树等)不能实现向斜上方喷雾，适应性不是太高，且斜向下喷雾的模式容易造成底面沉积量较大。在喷雾角度调节方法的研究中，极少涉及到喷雾角度自适应调节的方法，如专利CN 104351156 A提出的一种电动遥控静电可调仿形喷雾方法，该方法采用的遥控的方法调节喷杆的姿态，且不能实现两侧喷杆角度独立调节，因此自动化程度偏低，对果树的适应性不高。

实用新型内容

本实用新型提出一种喷雾姿态自适应调节机构，可根据树冠中下部轮廓调节对靶机构的角度和高度，对实现传统果园果树中下部均匀喷施技术，减少漂移以及地面沉积量，保证病虫害防治效果具有重要的意义。

具体技术方案如下：

一种喷雾姿态自适应调节机构，包括：机架1、靶标探测传感器 2、靶标探测传感器支撑板3、对靶机构4、三个倾角传感器5、测距传感器6、计算机、控制器及电机驱动器；

所述靶标探测传感器支撑板3与机架1固定连接；

所述靶标探测传感器2与靶标探测传感器支撑板3固定连接；

所述靶标探测传感器2位于喷雾姿态自适应调节机构的最前端，用于：探测靶标有无以及果树树冠的形状、大小、方位等；

所述对靶机构4包括：升降机构7、横梁8、喷雾支架9、喷雾单元、活动铰链14、推杆机构15、推杆支架16、推杆支架安装板17、倾角传感器安装支架18、测距传感器支架19；

所述升降机构7的底部固定于机架1的后侧中部，所述横梁8的中部与升降机构7的顶部固定连接；所述升降机构7上设有的升降机构电机，所述电机驱动器与升降机构电机连接，用于控制升降机构7 的升降；通过升降机构7的升降带动横梁8的升降；

所述横梁8的左右两端分别固定一个活动铰链14，所述喷雾支架9通过活动铰链14与横梁8连接；所述活动铰链14，用于：提供喷雾支架9的转动自由度，使之可以调节对靶的角度；所述喷雾支架 9，用于：调节对靶角度；

所述横梁8的左部固定安装有一个推杆支架安装板17；所述推杆支架16与推杆支架安装板17连接，位于左侧的喷雾支架9的下部安装有一个推杆支架安装板17，所述推杆支架16与推杆支架安装板 17连接；所述推杆机构15的右端通过推杆支架16与安装在横梁8的左部推杆支架安装板17连接，所述推杆机构15的左端通过推杆支架16与安装在左侧的喷雾支架9的下部的推杆支架安装板17连接；

所述横梁8的右部固定安装有一个推杆支架安装板17；所述推杆支架16与推杆支架安装板17连接，位于右侧的喷雾支架9的下部安装有一个推杆支架安装板17，所述推杆支架16与推杆支架安装板 17连接；所述推杆机构15的左端通过推杆支架16与安装在横梁8的右部推杆支架安装板17连接，所述推杆机构15的右端通过推杆支架16与安装在右侧的喷雾支架9的下部的推杆支架安装板17连接；

所述推杆机构15上设有推杆机构电机，所述电机驱动器与推杆机构电机连接，用于控制推杆机构15的收缩；

所述喷雾单元包括：出风口10、出风口支板11、喷头安装座12、喷头13；

所述出风口支板11安装于左右两侧的喷雾支架9上，所述出风口支板11，用于：①支撑出风口10；②导流药液，防止药液从喷头滴落到装置上；所述出风口10分别安装于出风口支板11的上下两端；所述出风口10，用于：①安装喷头13；②连接风送机构；

所述喷头13与喷头安装座12固定连接；喷头安装座12与出风口10的外侧固定连接；所述的喷头13用于喷洒农药；

所述倾角传感器安装支架18分别安装于左右两个喷雾支架9的上部及横梁8的中部，倾角传感器5分别安装在倾角传感器安装支架 18上；安装在左右两个喷雾支架9上部倾角传感器安装支架18的倾角传感器5，用于分别检测左右两个喷雾支架9的相对水平线的绝对角度；安装在横梁8中部倾角传感器安装支架18的倾角传感器5，用于检测横梁8相对于水平线的绝对角度；

所述左右两侧的喷雾支架9上部倾角传感器安装支架18的倾角传感器5分别与横梁8中部倾角传感器安装支架18的倾角传感器5 所测的角度做作差得到喷雾支架9与横梁8的夹角；

所述横梁8的中部前端下方安装有测距传感器支架19，所述测距传感器6安装于测距传感器支架19上，用于测量横梁8距升降机构7底面的高度；

所述控制器通过电机驱动器分别与升降机构电机、推杆机构电机连接；

所述控制器还与测距传感器6、倾角传感器5连接；

所述控制器与计算机连接；

所述的靶标探测传感器2与计算机连接；所述的计算机用于：与靶标探测传感器2通讯，接受并处理靶标探测传感器2的数据；通过与控制器通讯，实现：①升降机构7的升降；②喷雾支架9的转动；

在上述方案的基础上，所述机架1利用工业铝型材通过角码固接而成；

在上述方案的基础上，所述升降机构7的外壳采用铝合金材质，升降机构7分别与机架1和横梁8通过螺栓固定连接；

在上述方案的基础上，所述横梁8由2040工业方钢管焊接而成，所述喷雾支架9由2020工业方钢管焊接制成，所述推杆支架安装板 17是由3mm的钢板制成；

在上述方案的基础上，所述横梁8与活动铰链14通过螺栓固定连接。

在上述方案的基础上，所述控制器采用STM32单片机，采用串口通讯的方式与计算机连接。

在上述方案的基础上，所述倾角传感器5采用双轴倾角仪，采用 RS232通讯与STM32单片机连接。

在上述方案的基础上，所述测距传感器6采用工业级防水超声波传感器，并采用TTL通信技术与STM32单片机连接。

在上述方案的基础上，所述靶标探测传感器2采用二维激光雷达，靶标探测传感器2通过以太网通信与计算机连接；

一种喷雾姿态自适应调节方法，包括以下步骤：

S1、将所述喷雾姿态自适应调节机构置于果树树行中线位置，距地面一定的高度，使所述喷雾姿态自适应调节机构可沿树行中线移动；

S2、开启喷雾姿态自适应调节机构，设定靶标探测阈值；升降机构7降至最低，推杆机构15处于最短尺寸，即喷雾支架9与横梁8 垂直时，作为对靶机构4的初始状态；

S3、喷雾姿态自适应调节机构向前移动，靶标探测传感器2探测树行两侧靶标有无及树冠轮廓的形状、大小、和方位；倾角传感器5 用于检测对应的喷雾支架9与横梁8的夹角；测距传感器6用于检测横梁8底部距升降机构7底部的高度；

S4、计算机接收靶标探测传感器2的原始数据，获得左右两侧轮廓点云的最高点、最低点的位置及二者连线与机架1平行线的夹角；通过与控制器通讯，接受对倾角传感器5和测距传感器6所反应的对靶机构4的姿态信息。

S5、计算机比较两侧果树轮廓点云的最低点距升降机构7底面的最小高度，并以这一高度作为参考，通过与控制器通讯，控制升降机构7升降，使对靶机构4整体达到合适的高度；计算机分别获取左右两侧树冠轮廓点云的最高点、最低点的连线与横梁8平行线的夹角，并以这一角度作为参考，通过与控制器通讯，控制推杆机构15伸缩，调整左右两侧的喷雾支架9的与横梁8之间的夹角，使对靶机构4达到合适的对靶角度。

S6、喷雾姿态自适应调节机构向前移动一段距离，若再次探测到两侧存在靶标，则重复步骤S4～S5；若探测到单侧存在靶标，没探测到靶标的一侧的推杆装置15处于最短尺寸，探测到靶标的一侧，对靶机构4重复步骤S4～S5；若均没探测到两侧的靶标，对靶机构4回到初始状态，实现在不同条件下，对靶机构4左右两侧的喷雾支架9 姿态独立调节控制；

S8、关闭计算机、控制器，喷雾姿态自适应调节机构断电；

在上述方案的基础上，S1所述的一定高度为400mm。

在上述方案的基础上，S2所述的靶标探测阈值为2m。

在上述方案的基础上，S5所述合适的高度为：喷雾单元能喷到所扫描的整个果树中下部轮廓的高度；

所述合适的对靶角度为喷雾支架9与横梁8的夹角，与果树中下部轮廓点云的最高点和最低点夹角相等。

本实用新型的有益技术效果如下：

1.机具对果树和地形的适应性好。由于本实用新型的对靶机构4，其升降机构7的高度以及喷雾支架9摆动角度均可调节，能实现对不同地形、不同树形的中下部进行对靶喷雾姿态调节。

2.漂移与地面沉积小。由于具有喷雾姿态调节，可使喷头对准靶标区域，因此可减少农药漂移和地面沉积量。

3.自动化程度高；本实用新型所涉及的对靶机构控制方法，可实现可根据树行两侧靶标有无，采取不同的自动对靶方式，对减少劳动力的投入，减少农药使用，保护环境具有重要的意义。

4.机具通用性好。本实用新型可移植到轮式行走装置、履带式行走装置或轨道式行走装置上，并通过配置药路系统和风送机构，可构成轮式对靶施药装置、履带自走式对靶施药装置以及轨道式对靶施药装置，具有较好的通用性；

附图说明

本实用新型有如下说明：

图1为喷雾姿态自适应调节方法流程示意图；

图2为喷雾姿态自适应调节机构初始状态的结构示意图；

图3为喷雾姿态自适应调节机构工作状态的结构示意图；

图4为机架1结构示意图；

图5为对靶机构4的结构示意图；

图6为横梁8的结构示意图；

图7为喷雾支架9的结构示意图；

图8为推杆机构15安装方式局部示意图；

图9为测距传感器安装示意图；

图10为喷雾单元部装图；

图11为机构部件连接关系示意框图；

图12为喷雾姿态自适应调节机构测试示意图；

图13为实际扫描得到的果树中下部轮廓点云图；

图14为对靶姿态与果树中下部轮廓特征匹配示意图；

附图标记：

1.机架，2.靶标探测传感器.3靶标探测传感器支撑板.4.对靶机构，5.倾角传感器6.测距传感器，7.升降机构，8.横梁，9.喷雾支架， 10.出风口,11出风口支板，12.喷头支架,13.喷头，14.活动铰链，15. 推杆机构，16.推杆支架，17.推杆支架安装板，18.倾角传感器安装支架，19.测距传感器支架；

具体实施方式

下面结合附图1～14和具体实施例，进一步阐述本实用新型。

图1为喷雾姿态自适应调节方法流程示意图；图2—图3为喷雾姿态自适应调节机构不同状态下的结构示意图，其中图2为喷雾姿态自适应调节机构初始状态下的结构示意图，图3为基于树冠中下部轮廓的对靶姿态调节工作状态的结构示意图；

机架1如图4中所示，利用工业铝型材通过角码固接而成，用于安装靶标探测传感器2和对靶机构4；靶标探测传感器支撑板3与机架1采用可拆卸的螺栓连接方式，能实现安装部件的安装位置调整；

所述对靶机构4的结构示意图如图5所示；

升降机构7的结构示意图如图3所示：升降机构分三段结构、两级升降，采用电力驱动，外壳为质量较轻的铝合金材质，内置直流电机配涡轮蜗杆结构，可实现对横梁8的平稳升降，所述升降机构7通过螺栓分别与机架1和横梁8固定连接；

横梁8的结构示意图如图6所示：由2040工业方钢管焊接而成；其上，横梁8上安装对称布置的2个推杆支架安装板17，所述推杆支架安装板17是由3mm的钢板制成，所述横梁8用于：固定活动铰链14，其固定方式是螺栓连接；

喷雾支架9的结构示意图如图7所示，由2020工业方钢管焊接制成，强度高、质量轻，与出风口支板11、推杆支架安装板17采用螺栓连接方式；

如图8所示，所述的推杆机构15，行程为100mm，采用电力驱动，可推动喷雾支架9沿活动铰链14中心摆动；所述的推杆支架16 与推杆支架安装板17采用螺栓连接，拆卸方便；

如图10所示为喷雾单元部装图，所述的喷雾单元，包括:出风口 10、出风口支板11、喷头安装座12及喷头13；所述的出风口10和出风口支板11，材质均为不锈钢，并焊接在一起；所述的出风口支板11与喷雾支架9采用螺栓连接；所述的出风口支板11上开有两个φ15的孔，用于通过输药管；两个出风口10中心距为400mm；所述的喷头13为扇形喷头，与喷头安装座12之间过盈配合，且同侧喷雾单元的两喷头间距为400mm；所述的喷头安装座12与出风口通过螺栓连接固定；

该机构的控制机构部件连接关系框图如图11所示，采用二维激光雷达作为靶标探测传感器3，并通过以太网通信和计算机通讯；采用STM32单片机作为控制器的核心，并采用串口通讯的方式与计算机实现交互，应用于：①控制升降机构7的升降；②推杆机构15伸缩；所述的倾角传感器5采用双轴倾角仪，并采用RS232通讯与 STM32单片机相连；所述测距传感器6采用工业级防水超声波传感器，并采用TTL通信技术与STM32单片机连接，其测距传感器6安装方式如图9所示；

以下所示的，本实用新型在果园环境中的对靶作业实例中，对以上所述的进行功能试验。

试验目的：验证本实用新型的有效性及实用性，检测喷雾姿态自适应调节机构的各部分运行是否良好。

试验设计：参考图1的操作步骤，具体试验过程为：

将喷雾姿态自适应调节机构搭载到可移动设备上，使得靶标探测传感器2距地面1m左右，并置于树行中间位置，使该机构可沿树行中线移动，定义移动方向为X方向，Z方向为垂直地面的竖直方向， X方向、Y方向与Z方向两两垂直，如图12所示；

2)给喷雾姿态自适应调节机构供电，启动计算机和控制器，运行喷雾姿态自适应调节机构，测试各元器件是否正常，并设定靶标探测阈值；

3)升降机构7降至最低，推杆机构15处于最短尺寸，作为对靶机构4初始位置；

4)将喷雾姿态自适应调节机构向X方向移动，移动至树行两侧均有果树的情况下，观察对靶机构4在该过程的动作变化，在对靶动作完成后，记录各个倾角传感器5和测距传感器6所测的数据；记录靶标探测传传感器2扫描的树冠轮廓点云数据，并用Python绘制如图13所示的果树轮廓点云图,其中点O为靶标探测传传感器2的探测中心；并根据倾角传感器5和测距传感器6所反应的对靶机构4的姿态信息，绘制如图14所示的基于果树中下部轮廓的对靶姿态与树冠轮廓特征匹配示意图；

5)将该机构向X方向移动，观察的对靶机构4是否在根据果树中下部轮廓进行姿态调整；

6)完成测试，关闭喷雾姿态自适应调节机构，回到初始状态；

图14为该机构基于果树中下部轮廓的对靶姿态与树冠轮廓特征匹配示意图，由图14可知，当检测到果树轮廓中下部轮廓的最低点高为H时，果树轮廓点云的最低点与最高点之间的夹角为α时，对靶机构的调节升降机构的高度为h,喷雾支架与横梁的夹角为α,对靶机构达到最佳喷雾姿态，即可验证本实用新型涉及的功能。

本实用新型的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无任何遗漏或将本实用新型限于所公开的形式。对于本领域技术人员而言，基于本实用新型做出的改变也属于本实用新型的保护范围。

本说明书中未做详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种喷雾姿态自适应调节机构，其特征在于，包括：机架(1)、靶标探测传感器(2)、靶标探测传感器支撑板(3)、对靶机构(4)、三个倾角传感器(5)、测距传感器(6)、计算机、控制器及电机驱动器；

所述靶标探测传感器支撑板(3)与机架(1)固定连接；

所述靶标探测传感器(2)与靶标探测传感器支撑板(3)固定连接；

所述靶标探测传感器(2)位于喷雾姿态自适应调节机构的最前端，用于：探测靶标有无以及果树树冠的形状、大小、方位；

所述对靶机构(4)包括：升降机构(7)、横梁(8)、喷雾支架(9)、喷雾单元、活动铰链(14)、推杆机构(15)、推杆支架(16)、推杆支架安装板(17)、倾角传感器安装支架(18)、测距传感器支架(19)；

所述升降机构(7)的底部固定于机架(1)的后侧中部，所述横梁(8)的中部与升降机构(7)的顶部固定连接；所述升降机构(7)上设有的升降机构电机，所述电机驱动器与升降机构电机连接，用于控制升降机构(7)的升降；从而带动横梁(8)的升降；

所述横梁(8)的左右两端分别固定一个活动铰链(14)，所述喷雾支架(9)通过活动铰链(14)与横梁(8)连接；

所述横梁(8)的左部固定安装有一个推杆支架安装板(17)；位于左侧的喷雾支架(9)的下部安装有一个推杆支架安装板(17)，所述推杆支架(16)与推杆支架安装板(17)连接；所述推杆机构(15)的右端通过推杆支架(16)与安装在横梁(8)的左部推杆支架安装板(17)连接，所述推杆机构(15)的左端通过推杆支架(16)与安装在左侧的喷雾支架(9)的下部的推杆支架安装板(17)连接；

所述横梁(8)的右部固定安装有一个推杆支架安装板(17)；位于右侧的喷雾支架(9)的下部安装有一个推杆支架安装板(17)，所述推杆机构(15)的左端通过推杆支架(16)与安装在横梁(8)的右部推杆支架安装板(17)连接，所述推杆机构(15)的右端通过推杆支架(16)与安装在右侧的喷雾支架(9)的下部的推杆支架安装板(17)连接；

所述推杆机构(15)上设有推杆机构电机，所述电机驱动器与推杆机构电机连接，用于控制推杆机构(15)的收缩；

所述喷雾单元包括：出风口(10)、出风口支板(11)、喷头安装座(12)、喷头(13)；

所述出风口支板(11)安装于左右两侧的喷雾支架(9)上，所述出风口(10)分别安装于出风口支板(11)的上下两端；

所述喷头(13)与喷头安装座(12)固定连接；喷头安装座(12)与出风口(10)的外侧固定连接；所述的喷头(13)用于喷洒农药；

所述倾角传感器安装支架(18)分别安装于左右两个喷雾支架(9)的上部及横梁(8)的中部，倾角传感器(5)分别安装在倾角传感器安装支架(18)上；安装在左右两个喷雾支架(9)上部倾角传感器安装支架(18)的倾角传感器(5)，用于分别检测左右两个喷雾支架(9)的相对水平线的绝对角度；安装在横梁(8)中部倾角传感器安装支架(18)的倾角传感器(5)，用于检测横梁(8)相对于水平线的绝对角度；

所述横梁(8)的中部前端下方安装有测距传感器支架(19)，所述测距传感器(6)安装于测距传感器支架(19)上，用于测量横梁(8)距升降机构(7)底面的高度；

所述控制器通过电机驱动器分别与升降机构电机、推杆机构电机连接；所述控制器还与测距传感器(6)、倾角传感器(5)连接；所述控制器还与计算机连接；

所述的靶标探测传感器(2)与计算机连接；所述的计算机用于：与靶标探测传感器(2)通讯，接收并处理靶标探测传感器(2)的数据。

2.如权利要求1所述的喷雾姿态自适应调节机构，其特征在于，所述机架(1)利用工业铝型材通过角码固接而成；所述升降机构(7)的外壳采用铝合金材质，升降机构(7)分别与机架(1)和横梁(8)通过螺栓固定连接。

3.如权利要求1所述的喷雾姿态自适应调节机构，其特征在于，所述横梁(8)由2040工业方钢管焊接而成，所述喷雾支架(9)由2020工业方钢管焊接制成，所述推杆支架安装板(17)是由3mm的钢板制成；所述横梁(8)与活动铰链(14)通过螺栓固定连接。

4.如权利要求1所述的喷雾姿态自适应调节机构，其特征在于，所述控制器采用STM32单片机，采用串口通讯的方式与计算机连接；所述倾角传感器(5)采用双轴倾角仪，采用RS232通讯与STM32单片机连接。

5.如权利要求1所述的喷雾姿态自适应调节机构，其特征在于，所述测距传感器(6)采用工业级防水超声波传感器，并采用TTL通信技术与STM32单片机连接。

6.如权利要求1所述的喷雾姿态自适应调节机构，其特征在于，所述靶标探测传感器(2)采用二维激光雷达，靶标探测传感器(2)通过以太网通信与计算机连接。

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