CN212279614U - 基于激光雷达的果园对靶风送喷雾机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及农业机械技术领域，公开了一种基于激光雷达的果园对靶风送喷雾机，包括：二维激光雷达，二维激光雷达用于采集果树的靶标信息；速度检测装置，速度检测装置用于采集喷雾机的行驶速度信息；风送装置用于输送风速与风量可解耦控制的风；喷雾装置，喷雾装置的喷雾端位于风送装置的出风侧；控制装置，控制装置分别连接二维激光雷达、速度检测装置、风送装置及喷雾装置；本实用新型实现了在果园对靶施药时，对果树冠层喷施的药量与风力进行协同按需调控，克服了传统的对果树进行对靶喷雾时风速与风量间存在“强耦合”的问题，达到了较好的药物喷施效果。

Description

基于激光雷达的果园对靶风送喷雾机

技术领域

本实用新型涉及农业机械技术领域，特别是涉及一种基于激光雷达的果园对靶风送喷雾机。

背景技术

近年来，随着人口老龄化程度增加，繁重的喷药作业已经成为影响果园管理的主要因素。当前，为了克服这一问题，研发了一些用于果园作业的机器人，但是，这些机器人大多针对水果的采摘和收获，用于果园喷药的机器人相对较少。果园喷药机器人大多只适用于对喷施药量的按需调控，支持药量和风力按需调控的果园喷药机器人很少。在对果树喷药过程中，如果风力过小，则导致果树冠层膛内沉积不足，而风力过大，又导致药液吹出果树冠层，造成农药飘移，带来农田生态环境污染。

与此同时，随着传感器和自动控制技术的发展，现有的自动对靶喷雾机能够根据靶标的有无和靶标特征的变化有选择性地对靶施药，有效地提高农药在农作物上的附着率，明显地减少农药在非靶标区域的沉降，获得了较好的施药效果，但是，现有的自动对靶喷雾机功能单一，主要针对喷雾时药量的对靶调控，并没有涉及到针对风力的对靶调控。

尽管当前还研发了一些具有自动对靶风力调控功能的喷雾机，通过改变进、出风口面积和风机转速来实现风力调节，但是，这类喷雾机只能单一地调节风速或风量，在实际应用中，风速与风量之间具有“强耦合”关系，即在单独调节出风口面积时，出风口面积减少导致风量减小，但风速增加，反之风量增加风速减小；在单独调节风机转速时，风机转速增加导致出口风速风量同步增加，反之同步减小。由此，现有的喷雾机相应风速与风量之间的“强耦合”关系使其无法实现风速与风量的按需调控。

基于上述技术现状，现有的对靶喷雾机在对果园的果树对靶喷雾时，难以协同实现对药量与风力的按需调控，并克服喷雾时风速与风量间的“强耦合”关系，从而难以达到较好的药物喷施效果。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种基于激光雷达的果园对靶风送喷雾机，用于解决现有的对靶喷雾机在对果园的果树对靶喷雾时，难以协同实现对药量与风力的按需调控，并克服喷雾时风速与风量间的“强耦合”关系的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型实施例提供了一种基于激光雷达的果园对靶风送喷雾机，包括：二维激光雷达，所述二维激光雷达用于采集果树的靶标信息，所述靶标信息包括位置信息、冠层轮廓信息、冠层体积信息及冠层稠密信息；速度检测装置，所述速度检测装置用于采集喷雾机的行驶速度信息；风送装置，所述风送装置包括风箱、风机、进风面积调节机构和出风面积调节机构；所述风箱的一端形成进风口，另一端形成出风口；所述进风面积调节机构安装于所述进风口，所述出风面积调节机构安装于所述出风口；喷雾装置，所述喷雾装置的喷雾端位于所述风送装置的出风侧；控制装置，所述控制装置的输入端通讯连接所述二维激光雷达与所述速度检测装置，所述控制装置的输出端分别通讯连接所述风机、所述进风面积调节机构、所述出风面积调节机构及所述喷雾装置。

其中，还包括：移动平台；所述移动平台上安装所述二维激光雷达、所述速度检测装置、所述风送装置、所述喷雾装置及所述控制装置。

其中，所述风送装置的第一端转动安装于底座上，所述风送装置的第二端与所述底座之间通过伸缩驱动机构相连接，和/或，所述风送装置包括多个，并分为两列排布，两列所述风送装置的出风方向呈背向设置。

其中，所述进风面积调节机构包括第一挡风板与第一翻转驱动机构；所述第一挡风板包括多个，且并排分布于所述进风口；所述第一翻转驱动机构连接所述第一挡风板，并通讯连接所述控制装置。

其中，所述出风面积调节机构包括出风调控单元与第二翻转驱动机构；所述出风调控单元包括多个，且并排分布于所述出风口；所述第二翻转驱动机构与所述出风调控单元一一对应，并连接所述出风调控单元，所述第二翻转驱动机构通讯连接所述控制装置。

其中，所述出风调控单元包括两个第二挡风板，两个所述第二挡风板相对应的一边相铰接，两个所述第二挡风板的另一边连接所述第二翻转驱动机构。

其中，所述喷雾装置包括多个喷雾头，所述喷雾头用于通过控制阀连通药箱；所述出风调控单元与所述喷雾头一一相对，并沿所述风送装置的出风方向布置。

本实用新型实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：

本实用新型实施例提供的基于激光雷达的果园对靶风送喷雾机，可通过二维激光雷达采集果树的靶标信息，并通过速度检测装置采集喷雾机的行驶速度信息，从而基于二维激光雷达与速度检测装置所采集到的信息，在风送装置及相应的喷雾装置正对果树冠层并进行风送喷雾时，可基于果树的靶标信息计算对果树喷施的药量，以控制喷雾装置进行喷药，并基于果树的靶标信息计算风送装置对果树输送的风速与风量，以协同控制风机输出的转速，控制进风面积调节机构调控进风口的进风量及控制出风面积调节机构调控出风口的出风量，从而可实现对果树冠层不同位置风力分布与风力大小的控制，进而可基于喷雾机的行驶速度信息及果树的位置信息，对果园的各个果树依次进行对靶喷施作业。

由此可见，本实用新型所示的风送装置在对喷雾装置喷施的药液进行风送的同时，还输送风速与风量可解耦控制的风，并在对果树进行对靶喷施时，不但可基于果树的靶标信息控制对果树对靶喷施的药量，而且可基于果树的靶标信息控制对果树对靶喷施的风速与风量，实现了对果树冠层喷施的药量与风力进行协同按需调控，克服了传统的对果树进行对靶喷雾时风速与风量间存在“强耦合”的问题，达到了较好的药物喷施效果。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例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实用新型的一些实施例，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为本实用新型实施例所示的基于激光雷达的果园对靶风送喷雾机的主视结构示意图；

图2为本实用新型实施例所示的基于激光雷达的果园对靶风送喷雾机的右视结构示意图；

图3为本实用新型实施例所示的基于激光雷达的果园对靶风送喷雾机的控制结构框图；

图4为本实用新型实施例所示的基于激光雷达的果园对靶风送喷雾机在果园内进行喷施作业的结构示意图；

图5为本实用新型实施例所示的风送喷雾装置的结构示意图；

图6为本实用新型实施例所示的基于激光雷达的果园对靶风送喷雾机的人机界面的示意图；

图7为本实用新型实施例所示的基于激光雷达的果园对靶风送喷雾机的喷施方法的流程图；

图8为本实用新型实施例所示的基于二维激光雷达获取的果树冠层的点云数据，以提取果树冠层的横向截面的示意图；

图9为本实用新型实施例所示的基于二维激光雷达获取的果树冠层的点云数据，以提取果树冠层的纵向截面的示意图；

图10为本实用新型实施例所示的通过连接纵横向截面轮廓上的点而绘制得到的折线示意图；

图11为本实用新型实施例所示的喷雾机向果树冠层的入口处送风的风量需求计算示意图。

图中，1、二维激光雷达；2、风送装置；21、风箱；22、风机；23、出风面积调节机构；231、第二挡风板；232、第二翻转驱动机构；24、进风面积调节机构；241、第一挡风板；242、第一翻转驱动机构；3、喷雾装置；31、喷雾头；32、药箱；4、控制装置；5、移动平台；6、底座；7、伸缩驱动机构；8、剪叉式支架。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

参见图1、图2及图5，本实施例提供了一种基于激光雷达的果园对靶风送喷雾机，包括：二维激光雷达1，二维激光雷达1用于采集果树的靶标信息，靶标信息包括果树的位置信息、冠层轮廓信息、冠层体积信息及冠层稠密信息；速度检测装置，速度检测装置用于采集喷雾机的行驶速度信息；风送装置2，风送装置2包括风箱21、风机22、进风面积调节机构24和出风面积调节机构23；风箱21的一端形成进风口，另一端形成出风口；进风面积调节机构24安装于进风口，出风面积调节机构23安装于出风口；喷雾装置3，喷雾装置3的喷雾端位于风送装置2的出风侧；控制装置4，控制装置4的输入端通讯连接二维激光雷达1与速度检测装置，控制装置4的输出端分别通讯连接风机22、进风面积调节机构24、出风面积调节机构23及喷雾装置3。

具体的，本实施例所示的喷雾机，可通过二维激光雷达1采集果树的靶标信息，并通过速度检测装置采集喷雾机的行驶速度信息，从而基于二维激光雷达1与速度检测装置所采集到的信息，在风送装置2及相应的喷雾装置3正对果树冠层并进行风送喷雾时，可基于果树的靶标信息计算对果树喷施的药量，以控制喷雾装置3进行喷药，并基于果树的靶标信息计算风送装置2对果树输送的风速与风量，以协同控制风机22输出的转速，控制进风面积调节机构24调控进风口的进风量及控制出风面积调节机构23调控出风口的出风量，从而可实现对果树冠层不同位置风力分布与风力大小的控制，进而可基于喷雾机的行驶速度信息及果树的位置信息，对果园的各个果树依次进行对靶喷施作业。

由此可见，本实施例所示的风送装置2在对喷雾装置3喷施的药液进行风送的同时，还输送风速与风量可解耦控制的风，并在对果树进行对靶喷施时，不但可基于果树的靶标信息控制对果树对靶喷施的药量，而且可基于果树的靶标信息控制对果树对靶喷施的风速与风量，实现了在果园对靶施药时，对果树冠层喷施的药量与风力进行协同按需调控，克服了传统的对果树进行对靶喷雾时风速与风量间存在“强耦合”的问题，达到了较好的药物喷施效果。

由此，本实施例所示的喷雾机自动化程度高，可适用于果园内不同种类、不同高度的果树的喷施作业，大幅度降低作业人员的劳动强度。

如图1所示，本实施例所示的二维激光雷达1、速度检测装置、风送装置2、喷雾装置3及控制装置4均安装于移动平台5上，移动平台5可采用本领域所公知的履带行走机构，以适应果园复杂的行走路况，从而便于对果树进行药物的对靶喷施，其中，二维激光雷达1可通过可调节支架安装于移动平台5上，从而基于对二维激光雷达1安装高度的调节，可实现对不同高度的果树的靶标信息的采集。

本实施例所示的二维激光雷达1依据激光脉冲时间飞行原理(Time-of-Flight)，实现对果树(目标物)的非接触式测距，以获得果树的特征点云数据，并依据该特征点云数据进一步获取果树的靶标信息。同时，二维激光雷达1不仅可用于采集果树的靶标信息，还可用于对移动平台5的自主行走提供导航路径，从而实现整个喷药作业过程的无人化，如此可节省人工成本、提高农药利用率，减少农药对人员健康的危害。

本实施例所示的速度检测装置在图1中未示意出，速度检测装置既可采用本领域所公知的GPS定位模块，从而可通过监测喷雾机实时的位置变化来获取喷雾机的行驶速度信息，速度检测装置也可以为本领域所公知的用于直接检测喷雾机速度的测速传感器，还可采用编码器或接近开关来检测喷雾机相应行走装置(行走轮)的转速，在此不一一列举。

与此同时，如图3所示，本实施例所示的控制装置4可包括工控机、药量调控系统、风力调控系统及行走控制系统，工控机通过网口通讯连接二维激光雷达1，并通过CAN总线分别通讯连接药量调控系统、风力调控系统及行走控制系统，其中，药量调控系统用于基于果树的靶标信息实现对喷雾装置3所喷施的药量的控制。风力调控系统用于基于果树的靶标信息实现对风送装置2输送风的风速与风量的控制。

另外，基于二维激光雷达1对移动平台5的自主行走所提供的导航路径，可由行走控制系统实现对履带行走机构的行走位姿的控制，从而实现整个喷药作业过程的无人化，大幅度节省人工成本、提高农药利用率和减少农药对人员健康的危害。其中，履带行走机构安装于履带车上，履带行走机构相应的行走控制系统包括履带行走控制器，可基于角度传感器监测履带车行走时的偏转角度，并通过速度传感器监测履带车上行进电机的转动速度，来监测履带车的行进速度，从而履带行走控制器可基于该偏转角度与行进速度，通过电机驱动器实时控制履带车的行走位姿。

另外，对于喷雾装置3而言，喷雾装置3的喷雾端既可以分离的方式设置于风送装置2的出风侧，也可将其喷雾端直接安装于风送装置2的出风侧。该喷雾装置3可通过控制其喷雾端喷药的流量，来实现对喷施的药量的控制。对于风送装置2在通过风机22来控制送风的风速与风量的同时，还可结合进风面积调节机构24和出风面积调节机构23对相应进风量与出风量的调节，可使得风送装置2对果树输送所需求的风速与风量。由此，在实际送风时，对于树冠大、枝叶稀疏的果树冠层而言，可控制风送装置2输出大风量、小风速的风，而对于树冠小、枝叶稠密的果树冠层而言，可控制风送装置2输出小风量、大风速的风，以确保能够把药物均匀地输送至果树冠层的各个区域。

优选地，如图2与图5所示，本实施例中风送装置2的第一端转动安装于底座6上，风送装置2的第二端与底座6之间通过伸缩驱动机构7相连接，其中，伸缩驱动机构7可选用液压缸、气缸及电动推杆当中的任一种，并且，可在底座6上安装距离传感器，以实时监测风送装置2相对其第一端的翻转角度，以对伸缩驱动机构7的伸缩量进行实时控制。

具体的，由于在果树的不同生长期均要进行相应的药物喷施，而果树在不同的生长期的高度不相同，果树冠层的形态也不相同，同时在不同地形条件下，果树相对于风送装置2对药物风送的高度也不相同，为了满足对不同高度果树的药物喷施要求，本实施例将风送装置2的第一端与底座6相铰接，并将风送装置2的第二端铰接电动推杆的底座，电动推杆的伸缩端与底座6的相应端铰接。由此，控制装置4可基于距离传感器所采集到的风送装置2偏离于底座6的距离信息，以控制伸缩驱动机构7(电动推杆)的伸缩量，从而在伸缩驱动机构7的伸缩端进行伸缩动作时，可驱动风送装置2相对于其第一端翻转相应的角度，以此可确保风送装置2能够对适应于不同高度的果树进行对靶喷施作业。

进一步的，为了确保风送装置2进行翻转的稳定性与可靠性，本实施例还可进一步设计剪叉式支架8，将剪叉式支架8的底部连接底座6，剪叉式支架8的顶部与风送装置2活动连接，从而在风送装置2进行朝向远离于底座6的翻转时，剪叉式支架8可适应性地展开，在风送装置2进行朝向靠近于底座6的翻转时，剪叉式支架8可适应性地回缩，并在此过程中对风送装置2提供辅助支撑。

优选地，本实施例中风送装置2包括多个，并分为两列排布，相应地，在每个风送装置2的出风侧均设置喷雾装置3的喷雾端，并设置喷雾端的喷施方向与相应的风送装置2的出风方向同向，可将两列风送装置2的出风侧背向设置。

如图4所示，由于果园中栽种的果树通常呈阵列排布，从而在图4中，以两侧树状图形对应表示两列果树，本实施例所示的喷雾机置于两列果树之间，并对果树实施对靶喷施作业。为了提高对果树进行对靶喷施的效率，并缩减设备成本，本实施例所示的喷雾机可将风送装置2具体设置两个，两个风送装置2及其相应的喷雾装置3在对果树进行对靶喷施药物时，对靶喷施的方向分别朝向移动平台5的左侧和右侧，从而可实现同时对左、右两侧的果树进行对靶喷施作业。

在此应指出的是，控制装置4可基于二维激光雷达1所探测到的喷雾机两侧的果树的不同长势，而单独控制相应侧的风送装置2及喷雾装置3独立进行对靶喷施作业。

优选地，如图3及图5所示，对于本实施例所示的风送装置2而言，风箱21的外轮廓呈“八”字形，风箱21的大头端形成出风口，靠近风箱21小头端的侧壁上形成进风口。由于相比于轴流风机而言，离心风机在作业时可产生较大的风速与风量，从而本实施例所示的风机22优选为离心风机，该离心风机包括离心风轮与直流驱动电机，离心风轮转动安装于风箱21内，直流驱动电机安装于风箱21的外侧，直流驱动电机的输出端通过皮带传动机构连接离心风轮，且离心风轮在风箱21内的安装位置与风箱21的进风口相对应。由此，可通过调节直流驱动电机的转速，来实现对离心风轮的转速的调节。

与此同时，如图5所示，对于本实施例所示的进风面积调节机构24而言，进风面积调节机构24包括第一挡风板241和第一翻转驱动机构242，第一挡风板241包括多个，且并排分布于风箱21的进风口，第一翻转驱动机构242连接第一挡风板241，并通讯连接控制装置4。

具体而言，第一翻转驱动机构242包括步进电机和齿轮传动机构，每个第一挡风板241对应安装于一根转动轴上，齿轮传动机构包括多个依次相啮合的齿轮，每个齿轮与第一挡风板241相应的转动轴的一端同轴连接，步进电机的输出端同轴连接其中一个齿轮，从而控制装置4可通过控制步进电机的旋转角度，以控制各个第一挡风板241同步翻转相应的角度，从而基于对风箱21的进风口处进风面积的调节实现对相应的进风量的调节。

如图3所示，控制装置4相应的风力调控系统包括风力调控控制器，在步进电机上安装有用于监测其转动角度的编码器，该风力调控控制器基于实时监测的步进电机的转动角度，以控制步进电机的转动角度，从而控制各个第一挡风板241同步翻转相应的角度。

在本实施例所示的方案中，第一挡风板241具体设置有五个，五个第一挡风板241通过与其相应的转动轴安装于固定框中，由于固定框的进风口面积与风箱21的进风口面积相同，从而第一挡风板241的不同翻转角度可实现对风箱21的进风口面积在0-100％范围内调节。

优选地，如图3所示，本实施例中出风面积调节机构23包括出风调控单元与第二翻转驱动机构232；出风调控单元包括多个，且并排分布于风箱21的出风口；第二翻转驱动机构232与出风调控单元一一对应，并连接出风调控单元，第二翻转驱动机构232通讯连接控制装置4，其中，出风调控单元包括两个第二挡风板231，两个第二挡风板231相对应的一边相铰接，两个第二挡风板231远离其铰接端的另一边连接第二翻转驱动机构232。由此，多个出风调控单元将风箱21的出风口分隔成多个出风区域，控制装置4可通过控制每个出风调控单元相应的第二翻转驱动机构232，以控制相应出风区域的两个第二挡风板231的开度，从而实现对该出风区域的出风量的调节。

相应地，在对风箱21的出风口相应位置的风速进行调节时，也可对每个风机22配置相应的编码器，风力调控控制器基于果树相应位置的靶标信息，对风机22的转速进行实时调控，以达到对风箱21的出风口相应位置的风速的调节。

优选地，如图3及图5所示，本实施例所示的喷雾装置3包括多个喷雾头31，出风调控单元与喷雾头31一一相对，并沿风送装置2的出风方向布置。

具体的，在对果树进行药物的对靶喷施时，可根据果树的冠层轮廓信息、冠层体积信息对果树冠层沿水平方向逐列进行网格划分，每一列形成多个单元网格，将喷雾头31与每一列相应的单元网格一一对应，可根据单一列的每个单元网格的冠层体积信息和冠层稠密信息，计算对每一个单元网格喷施的药量，由相应的喷雾头31执行相应的喷施作业。

在此，通过将喷雾头31与出风调控单元一一对应，则在对相应的单元网格进行风速与风量的调节时，可根据单一列的每个单元网格的冠层体积信息和冠层稠密信息，通过风机22控制向每个单元网格输送的风的风速，并通过控制出风调控单元的开闭状态，来控制向每个单元网格输送的风的风量，对出风调控单元进行开闭控制的操作如下：

将出风调控单元相应的两个第二挡风板231相向翻转预设的角度，以打开该喷雾头31相应区域的出风口，从而不会风箱21的出风方向造成较大的影响，其中，两个第二挡风板231相向翻转90°时，两个第二挡风板231相贴合，以完全打开该喷雾头31相应区域的出风口；而在控制出风调控单元相应的两个第二挡风板231进行相背离的翻转90°并相互展开时，可闭合该喷雾头31相应出风区域的出风口，从而实现对每个单元网格进行输送的风量的控制。

如图5所示，为了确保对喷雾头31当前出风区域出风面积的可靠调节，在风箱21的出风口设置六个喷雾头31，风箱21的出风口呈立式布置，六个喷雾头31在出风口处从上往下均匀排布，相应地，在风箱21内设置有与其出风口相应的12个挡风板，即两个相邻的第二挡风板231与一个喷雾头31相对应。在风箱21内设置有与第二挡风板231相对应的固定轴，将两个相邻的第二挡风板231相对应的一边转动安装于同一根固定轴上。

对于第二翻转驱动机构232而言，第二翻转驱动机构232包括主动翻转机构和从动翻转机构，主动翻转机构和从动翻转机构分布在第二挡风板231沿其相应的固定轴方向的相对侧，且主动翻转机构和从动翻转机构均具有连杆机构，其中，主动翻转机构相应的连杆机构的一端与第二挡风板231远离其固定轴的一边相铰接，该连杆机构的另一端连接舵机的输出端，舵机安装于第二挡风板231相应侧的风箱21上，从动翻转机构相应的连杆机构的一端与第二挡风板231远离其固定轴的一边相铰接，该连杆机构的另一端与第二挡风板231相应侧的风箱21转动连接。

如图3及图5所示，由于每个风送装置2相应风箱21内设置有与其出风口相应的12个第二挡风板231，从而每个风送装置2共计配置有12路舵机，可对每路舵机均配置一个编码器。在对风箱21的出风口的相应位置的出风量进行调节时，对于各个第二挡风板231而言，风力调控控制器可基于编码器，实时监测与该第二挡风板231相应的舵机的转动角度，并根据果树相应位置的靶标信息，控制舵机转动相应的角度，从而驱动第二挡风板231翻转相应的角度。

与此同时，对于本实施例所示的喷雾头31而言，喷雾头31用于通过控制阀连通药箱32，控制阀可采用电磁阀。药量调控系统包括喷药控制器，喷药控制器基于果树的靶标信息，计算喷雾头31所需喷施的药量，并基于流量传感器实时监测的经过电磁阀的药液的流量信息，从而通过固态继电器控制电磁阀的通断状态，其中，在实际控制操作中，喷药控制器具体可通过PWM驱动电路控制电磁阀通断的频率，以此来实现对喷雾头31喷施药量的控制，从而可基于多个喷雾头31实现对果树不同位置的药量的精准控制。

在对药量喷施控制的过程中，喷药控制器进一步通过隔膜泵和压力传感器对药箱32输出的药液进行PID恒压控制，具体的，药箱32依次通过隔膜泵和调压阀向喷雾头31提供药液，在隔膜泵的进口安装过滤器，在隔膜泵的出口安装压力传感器，调压阀为三通阀，从而调压阀还通过回流管连通药箱32。在压力传感器监测到隔膜泵的出口压力过高时，调压阀还通过回流管将一部分药液返回至药箱32，以控制喷雾头31输送药液的压力的恒定，从而在喷雾头31输送药液压力恒定的情况下，也可便于实现对喷雾头31喷施药量的精确控制。

另外，如图6所示，本实施例还基于靶标信息喷雾机的工作过程，设计了相应的人机界面。通过该人机界面，可进行通讯参数、果树行距、传感器安装高度、传感器与喷雾装置间距和喷雾宽度的设置，可实现果树体积、枝叶稠密度、作业速度、药液浓度、单位体积施药量、风机转速、进风口面积、出风口面积、风速大小、风量大小、风箱倾斜角度、履带行走机构的左、右偏移距离的实时显示。同时，该人机界面可通过图像示意对左右两侧的果树进行对靶喷施的状态，并以动态滚动条实时显示果树不同位置处喷药量变化，还可以通过该人机界面完成机具的通讯设置、速度校准、连接激光雷达、开始作业和停止作业等功能。

如图7所示，本实施例还提供一种基于如上所述的基于激光雷达的果园对靶风送喷雾机的喷施方法，包括：S1，采集果园中果树的靶标信息和喷雾机的行驶速度信息，靶标信息包括果树的位置信息、冠层轮廓信息、冠层体积信息及冠层稠密信息；S2，基于靶标信息计算对果树冠层不同位置喷施的药量，控制喷雾装置进行喷药，同时，基于靶标信息计算对果树冠层不同位置输送的风速与风量，对风机、进风面积调节机构及出风面积调节机构进行协同调控，以调控果树冠层不同位置的风力分布与风力大小；S3，基于喷雾机的行驶速度信息及果树的位置信息，对果树依次进行对靶喷施作业。

具体的，本实施例可在步骤S1中基于二维激光雷达获取获得果树的点云数据，根据该点云数据获取果树的位置信息和冠层轮廓信息；通过对点云数据采用冠层轮廓网格化最值算法，以计算获取果树的冠层体积信息；通过二维激光雷达探测到在指定区域体积内返回的所述点云数据的个数与布满所述指定区域体积的所述点云数据的理论个数，以获取果树的冠层稠密信息。

其中，本实施例所示的冠层轮廓网格化最值算法如下所示：

基于果树的冠层相应的点云数据，获取果树冠层轮廓，果树冠层轮廓是果树冠层的外包络线的集合，包含冠层几何特征参数的全部信息，由冠层不同位置的最外缘点连接组成。在此，对果树冠层轮廓分别沿横向和纵向以预设的取点间距进行网格化层，例如：在取点间距为0.1m时，相应的各个网格单元的大小为0.1m×0.1m，其中，网格单元坐标，y方向为喷雾机的行走方向，z方向为果树冠层的高度方向，x方向为果树冠层的厚度指向，x方向也为喷雾机水平朝向果树的方向，并垂直于y方向。

如图8所示，基于二维激光雷达1获取的果树冠层的点云数据，通过提取不同冠层高度的截面可获得冠层的横向截面，图8中与二维激光雷达1相对应的半边树状轮廓区域表示本实施例所提取的冠层的横向截面。

如图9所示，基于二维激光雷达1获取的果树冠层的点云数据，通过提取不同水平探测位置截面获得冠层的纵向截面。在图9中，横向网格线表示横向轮廓提取线，纵向网格线表示纵向轮廓提取线，横向网格线与纵向网格线的交点表示轮廓点，且图9中的树状轮廓区域表示本实施例所提取的冠层的纵向截面。

如图10所示，通过连接纵横向截面轮廓上的点，绘制折线图，得到冠层纵横向截面轮廓。图10中，坐标y表示喷雾机的行走方向，单位为m；坐标x表示果树冠层的厚度指向，单位为m；坐标z为果树冠层的高度方向，取值为1.33m。

由此，在去除冠层轮廓厚度为0m的点后，根据梯形面积法计算相邻坐标点之间面积并累加，计算截面面积，并根据获得的冠层截面面积乘以截面的提取间距累加获得冠层体积，其具体公式如下所示：

与此同时，可将二维激光雷达探测到的指定区域体积内返回的点云数据的个数除以布满所述指定区域体积的点云数据的理论个数，并结合相应的换算系数，以获取果树的冠层稠密信息，其原理如下：

传统农药喷施的目标是将药剂均匀地喷洒到每一片叶片上，即施药量q是关于叶片面积s的函数，即q＝f(s)，但是，由于叶片数量繁多且存在部分遮挡，通过无损测量方法难以快速计算叶片面积。叶面积s可通过叶面积密度ρ乘以指定区域体积V进行间接计算，即s＝ρV，其中，叶面积密度ρ用以描述果树冠层的枝叶稀疏情况，它指单位体积内的叶面积(m²/m³⁾，即ρ＝s/V。

设定，指定区域体积V内叶片个数为n_l，每片树叶的面积为S_i，i＝1，2，…，n_l，将树叶编号排序，设定每片叶子与第一片叶子的叶面积之差记为ΔS_i，i＝1，2，…，n_l-1，则指定区域体积V内叶面积可表示为：

假设

即指定区域体积V内各叶片面积的变化相对较小，从而指定区域体积V内的叶面积简化为s＝S₁n_l，从而可进一步得到ρ＝s/V＝S₁n_l/V。

由此可知，在第一片树叶面积S₁与指定区域体积V的值确定的情况下，叶面积密度ρ随n_l的变化而变化。

相应地，基于指定区域体积V内叶片数越多，叶面积越大，二维激光雷达输出的点云数据越多，从而本实施例可利用点云密度来表征叶面积密度，其计算公式如下所示：

式中，n_p为指定区域体积内探测返回的靶标的点云数据个数，n_max为布满该指定区域体积内点云数据的理论个数，显然该理论个数为指定区域体积内点云数据在理论上所能达到的最大值，即在n_max值确定的情况下，点云密度ρ_p随着n_p的变化而变化，从而只要通过数据分析确定n_l与n_p之间的函数关系，再通过系数计算就能够确定参数叶面积密度ρ与点云密度ρ_p之间的函数关系，由此，可通过指定区域体积的云密度ρ_p较为便捷地获取果树的冠层稠密信息。

进一步的，本实施例基于上述获取的果树的靶标信息，可参照如下风速与风量联合调控模型，实现风送装置对果树冠层输送的风速与风量的调控：

(WindSpeed,Volume)＝F(S_IN,S_OUT,FanSpeed)；

式中，WindSpeed为风箱出风口的风速，其单位为，m/s；Volume为风箱的出风口的出风量，其单位为，m³/s；S_IN为风箱的进风口面积，其单位为，m²；S_OUT为风箱的出风口面积，其单位为，m²；FanSpeed为风机的转速，其单位为，r/s；F为风送装置输送风的风速、风量相对于风箱的进、出风口面积及风机的转速之间的协同关系函数。

其中，本实施例所示的风速与风量联合调控模型可通过深度神经网络模型通过训练获取，该风速与风量联合调控模型的输入量为风送装置输送风的风速、风量，该风速与风量联合调控模型的输出量为与风送装置输送风的风速、风量相对应的风箱的进、出风口面积及风机的转速。由此，基于该风速与风量联合调控模型可实现对果树冠层不同位置的风力分布和风力大小的最优控制。

另外，如图11所示，在对风送装置输送风的风速、风量进行调控时，设定喷雾机进行风送的气流的速度与喷雾机的行进速度均保持不变，则果树冠层入口处的风量需求Volume_CanopyIN应不小于果树冠层朝向喷雾机一侧的体积，其中，可将果树冠层朝向喷雾机一侧的形状简化为梯形立方体，从而可得到如下约束条件：

式中，Volume_CanopyIN为果树冠层入口处的风量需求，单位为m³/s；H₁为果树冠层的高度，单位为m；H₂为果树冠层入口的高度，单位为m；H₃为喷雾机出风口的高度，单位为m，v为喷雾机的行进速度，单位为m/s；L为喷雾机与果树的竖直中心之间的距离，单位为m；L₁为喷雾机与果树冠层入口之间的距离，单位为m；L₂为果树冠层的入口至其竖直中心之间的距离，单位为m；K为果树膛内的风量损失系数。

当然，果树冠层的形状类型也可为其它形式，在此可根据果树冠层的体积、冠层稠密信息，并结合果树冠层的形状类型，建立相应的数学模型，以控制向果树冠层的输送的风速与风量。

进一步的，本实施例还可根据冠层轮廓信息、冠层体积信息对果树的冠层沿水平方向逐列进行网格划分，每一列形成多个单元网格；根据单一列的每个单元网格的冠层体积信息和冠层稠密信息，计算对每一个单元网格喷施的药量，以控制单个喷雾头向与其对应的单元网格喷药，同时，根据单一列的每个单元网格的冠层体积信息和冠层稠密信息，计算对每一个单元网格喷施的风速与风量，以控制单个出风调控单元向与其对应的单元网格输送相应的风速与风量；相应地，可根据喷雾机的行驶速度信息及果树的位置信息，对果树的冠层进行逐列对靶喷施作业。如此，在对果园的果树进行对靶风送喷雾时，实现对果树的各个位置的药量与风力的协同按需调控，在确保了较好的喷施效果的同时，还大幅度节约喷施的药量，并防止了因农药飘移而带来的农田生态环境污染。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于激光雷达的果园对靶风送喷雾机，其特征在于，包括：二维激光雷达，所述二维激光雷达用于采集果树的靶标信息，所述靶标信息包括果树的位置信息、冠层轮廓信息、冠层体积信息及冠层稠密信息；

速度检测装置，所述速度检测装置用于采集喷雾机的行驶速度信息；

风送装置，所述风送装置包括风箱、风机、进风面积调节机构和出风面积调节机构；所述风箱的一端形成进风口，另一端形成出风口；所述进风面积调节机构安装于所述进风口，所述出风面积调节机构安装于所述出风口；

喷雾装置，所述喷雾装置的喷雾端位于所述风送装置的出风侧；

控制装置，所述控制装置的输入端通讯连接所述二维激光雷达与所述速度检测装置，所述控制装置的输出端分别通讯连接所述风机、所述进风面积调节机构、所述出风面积调节机构及所述喷雾装置。

2.根据权利要求1所述的基于激光雷达的果园对靶风送喷雾机，其特征在于，还包括：移动平台；所述移动平台上安装所述二维激光雷达、所述速度检测装置、所述风送装置、所述喷雾装置及所述控制装置。

3.根据权利要求1所述的基于激光雷达的果园对靶风送喷雾机，其特征在于，所述风送装置的第一端转动安装于底座上，所述风送装置的第二端与所述底座之间通过伸缩驱动机构相连接；

和/或，所述风送装置包括多个，并分为两列排布，两列所述风送装置的出风方向呈背向设置。

4.根据权利要求1所述的基于激光雷达的果园对靶风送喷雾机，其特征在于，所述进风面积调节机构包括第一挡风板与第一翻转驱动机构；所述第一挡风板包括多个，且并排分布于所述进风口；所述第一翻转驱动机构连接所述第一挡风板，并通讯连接所述控制装置。

5.根据权利要求1所述的基于激光雷达的果园对靶风送喷雾机，其特征在于，所述出风面积调节机构包括出风调控单元与第二翻转驱动机构；所述出风调控单元包括多个，且并排分布于所述出风口；所述第二翻转驱动机构与所述出风调控单元一一对应，并连接所述出风调控单元，所述第二翻转驱动机构通讯连接所述控制装置。

6.根据权利要求5所述的基于激光雷达的果园对靶风送喷雾机，其特征在于，所述出风调控单元包括两个第二挡风板，两个所述第二挡风板相对应的一边相铰接，两个所述第二挡风板的另一边连接所述第二翻转驱动机构。

7.根据权利要求5所述的基于激光雷达的果园对靶风送喷雾机，其特征在于，所述喷雾装置包括多个喷雾头，所述喷雾头用于通过控制阀连通药箱；

所述出风调控单元与所述喷雾头一一相对，并沿所述风送装置的出风方向布置。

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