CN101716567B - 基于处方图控制的智能变量喷药机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于处方图控制的智能变量喷药机，属于植保机械技术领域。该机在农田病、虫、草害空间分布不均匀情况下，根据GPS/GIS技术获取的病、虫、草害差异信息，按需喷药。该机包括智能控制***和喷药***。智能控制***是基于处方图控制方式工作，具有自动和手动两种工作模式以及***作业参数实时记录功能。当喷药机进行田间作业时，通过工作模式切换按钮方便选择喷药机的作业模式。智能控制***根据所选的作业模式采集相应的传感器信号，经中央处理器换算处理后，输出所需的电压信号控制电动调节阀的阀门开度，实现变量喷药作业；***作业参数被实时采集并记录于中央处理器外扩的数据寄存器中，便于后期试验数据的分析与处理。

Description

基于处方图控制的智能变量喷药机

技术领域

本发明涉及一种基于处方图控制的智能变量喷药机，属于植保机械技术领域。

技术背景

当前我国植保机械市场上销售的变量喷药机仍以进口为主。由于国外生产的变量喷药机使用了机电一体化、自动对靶喷药、低量喷药和全液压驱动等一系列高新技术，所以在变量控制精度和作业效率方面均具有绝对优势。但是该类喷药机制造成本高，作业幅宽宽，多适用于大面积地块作业，与我国现行的家庭联产承包责任制的农业耕作方式不符。因此，国内研制的变量喷药机更注重与我国基本国情相结合，设计的变量喷药机多以中小型为主。

综合我国变量喷药机的研究现状知，国内设计的变量喷药机根据变量控制实现途径可分为两类：一类是以CCD摄像头和图像处理技术为核心设计的变量喷药机；一类是基于处方图控制设计的变量喷药机。

以CCD摄像头和图像处理技术为核心设计的变量喷药机，其智能控制部分常采用PC机做上位机，下位机多以单片机或PLC为主。使用的喷杆喷头多为带有电磁阀控制的常量喷头。即通过控制电磁阀的吸合频率控制喷头喷药量，实现变量喷药作业。但是当喷药机多路喷头同时作业时，使得整机结构复杂，中央处理器采集处理信号的速度减慢，其智能控制难度增加。

基于处方图控制设计的变量喷药机，其智能控制***中央处理器多以51系列单片机为主，特点是喷药处方图制作过程中应用了GPS(全球定位***)/GIS(地理信息***)技术，以处方决策数据为依据控制喷头喷药量实现变量喷药作业。这类喷药机的优点是整机构造简单，变量控制响应速度快，作业效率高，实用性强。就智能控制***中的中央处理器而言，51系列单片机仍存在***资源相对匮乏、逻辑运算能力较差等不足，影响了基于处方图控制的变量喷药机的变量控制精度和***功能设计。相比之下，ARM处理器的***资源多，存储空间大，运算能力强。因此，本发明以ARM处理器为核心设计出基于处方图控制的智能变量喷药机，通过提高中央处理器的逻辑运算能力，简化相关控制算法(如网格识别算法)，提高控制***的反应速度，增加作业参数实时保存功能，改善了基于处方图控制的变量喷药机存在的不足。

发明内容

本发明提供的一种基于处方图控制的智能变量喷药机，目的是解决在农田病、虫、草害空间分布不均匀的情况下，根据GPS/GIS技术获取的病、虫、草害差异信息，按需喷药，以达到提高农药利用率，减少农药对人体和环境的污染，降低农田病、虫、草害防治成本的目的。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现，结合附图说明如下：

本发明涉及的一种基于处方图控制的智能变量喷药机，包括由中央处理器、变量控制执行机构、配电***和实时信号采集与处理部分组成的智能控制***和喷药***两部分。所述的中央处理器采用ARM处理器27，所述的变量控制执行机构采用电动调节阀15，ARM处理器27电源线、实时信号采集部分电源线和电动调节阀15电源线均与配电***连接；所述的实时信号采集部分的信号线和电动调节阀15的控制线均与ARM处理器27连接，ARM处理器27读取处方图或手动输入的喷药量信息，结合机具的行进速度，控制电动调节阀15阀门开度，改变旁路回流管13对主喷药管路19中药液的分流量，实现变量控制喷药量输出；所述的喷药***悬挂于拖拉机上，由拖拉机动力输出轴1带动药泵3工作，喷药管路为旁路控制，使用的喷杆喷头为喷孔截面积可变的压力式变量喷头12。本发明以压力信号为反馈信号，采用闭环控制方法实现变量控制。

所述的配电***包括5V电源模块24、24V电源模块22、变压器21和逆变器23；所述的实时信号采集与处理部分包括差分全球定位***即DGPS接收机32、流量传感器18、压力传感器17、速度传感器31、光电隔离电路28和模拟信号调整放大电路26。

所述的喷药***包括药箱20、药泵3、溢流阀10、安全阀6、过滤器5、蓄能器29、喷药管路和喷杆11和压力式变量喷头12。当药泵3在拖拉机动力输出轴的带动下将药液从药箱20吸出，在药泵3出口处分为两路，一路流经安全阀回路8流回药箱20；一路流经溢流阀10、过滤器5和蓄能器29注入主喷药管路19。主喷药管路19在喷杆11入口处分支成出水管16和旁路回流管13，压力传感器17和流量传感器18安装于出水管16上，出水管16连接装有压力式变量喷头12的喷杆11，电动调节阀15安装于喷药***的旁路回流管13上，旁路回流管13连接药箱20。此外，为了使喷药机随着机具作业位置、行进速度改变而自动调整喷头喷药量，所述的变量喷药机还安装了DGPS接收机32和速度传感器31。所述的DGPS接收机32用于自动模式下对机具实现定位和测速；所述的速度传感器31用于手动模式下对机具行进速度的测量。

所述的ARM处理器27电源线、实时信号采集部分电源线和电动调节阀15电源线均与配电***连接；所述的实时信号采集部分的信号线和电动调节阀15的控制线均与ARM处理器27连接。ARM处理器27读取处方图或手动输入的喷药量信息，结合机具的行进速度，控制电动调节阀15阀门开度，改变旁路回流管13对主喷药管路19中药液的分流量，从而达到控制喷头喷药量的目的，实现变量喷药作业。

所述的反馈信号是指喷杆11入口处的压力信号。ARM处理器27通过比较理论压力值与反馈值间的偏差，采用欠松弛法修正电动调节阀15控制信号，提高变量喷药作业的控制精度。流量传感器18用于实时检测修正后的喷头喷药量。

本发明的一个重要特点是所述的压力式变量喷头12的主腔体39分为储液室44和涡流室45。储液室44内设有一单向阀，该单向阀由塑料小球40和防滴弹簧41组成，通过内六角螺栓42固定在储液室44底部。涡流室45上体带有U型卡槽48，下体带有圆孔51，圆孔直径为Dmm。室内底部对称安装两块与室底成60°的直角挡板50，挡板50背面与固定于涡流室45侧壁的弹片49连接，挡板50的底面呈矩形状，矩形长度为(D+2)mm，宽度为(D/2+1)mm，与涡流室45下表面压紧，挡板50与圆孔51相配合，形成变截面喷孔。

所述的智能控制***采用旋转坐标法和行列扫描法简化了自动模式下网格识别算法。具体实现过程为：定义DGPS默认的坐标系为xOy直角坐标系。原点O不变，该坐标系旋转α角后得一新直角坐标系x′Oy′。若点M在xOy坐标系中的坐标值为(x，y)，在x′Oy′坐标系中坐标值为(x′，y′)，则两坐标值间存在式(1)的函数关系。

x′＝xcosα+ysinα

y′＝-xsinα+ycosα                                                 (1)

式中x、y——处方图或DGPS提供的经纬度坐标值

x′、y′——旋转坐标后的经纬度坐标值

α——两坐标系间的夹角

设作业地块位于xOy坐标系中，采用GPS/GIS技术对该地块进行网格划分，沿垄长方向划分j个单元，垄间方向划分i个单元，将其分成i×j个操作单元(参阅图3所示)。

当喷药机进行田间作业时，首先利用式(1)将DGPS接收机接收到的经纬度信息转化成x′Oy′坐标系下的经纬度坐标值，然后针对x′Oy′坐标系下的经纬度坐标值进行行列扫描。若该坐标值位于j≤x′＜j+1和i≤y′＜i+1，则利用式(2)即可计算出喷药机作业位置的网格标号。根据网格标号即可在数据寄存器中查询到该网格所需的喷药处方量，实现自动变量喷药作业。

网格标号＝(i-1)×(列号最大值-1)+j    (i＝1、2...，j＝1、2...)       (2)

式中i——行号

j——列号

所述的变量喷药机有自动和手动两种工作模式。自动模式下工作时，ARM处理器读取DGPS信号对喷药机实现定位和测速，获取处方图提供的喷药决策数据，结合压力传感器测得的管路中药液的压力值，计算输出电压信号控制电动调节阀阀门开度，完成自动变量喷药作业。同时，采用流量传感器实时检测喷头喷药量，检测结果自动记录于ARM处理器外扩的数据寄存器中；手动模式下工作时，ARM处理器读取操作人员输入的喷药量信息，采集速度传感器和压力传感器的检测信号，控制电动调节阀阀门开度，实现手动变量喷药作业。

综上所述，本发明提供的基于处方图控制的智能变量喷药机可以根据农田病、虫、草害分布的差异性，实现按需喷药。此外，因本专利采用的喷杆喷头为压力式变量喷头，所以确保了喷药的雾化效果，有效提高农药利用率。

基于处方图控制的智能变量喷药机的设计思想：国外进口的变量喷药机均与大马力拖拉机配套使用，作业幅宽宽。虽然具有很高的变量控制精度和作业效率，但是机具价格昂贵，与我国农业经济发展现状不符。迄今为止，我国大部分农村地区在农田病、虫、草害防治过程中仍采用常量喷洒方式。随着生活水平的提高，农药过量使用对人体和环境造成的危害日渐引起人们的关注。因此，为了有效防治农田的病、虫、草害，提高农产品品质需实现按需喷药。本发明提出基于处方图控制的智能变量喷药机，应用该机实现按需变量喷药。这样做的积极效果是：

(1)改变传统喷药习惯，节约农药使用量，提高农药利用率，保护环境，保证农产品品质。受传统喷药习惯的影响，我国农田病虫害防治过程中，没有考虑病虫草害的空间变异性，仍采用高容量喷雾技术方法进行防治，致使喷洒出的农药约有60％～80％的用量因使用不当而浪费，不但增加了病虫害的抗药性，增加防治成本，而且对人体和环境均造成了无法估算的危害。基于处方图控制的智能变量喷药机就是考虑到这些影响因素而设计的，它借助GPS/GIS技术，根据病、虫、草害空间差异性信息生成变量喷药决策数据，实现按需喷药。

(2)解决以往喷药机不能根据***压力自动调节喷头孔径，致使雾化效果不一致的问题。喷雾效果的好坏是关系防治效果的一项重要因素。据有关资料表明，减少雾滴直径可提高药效，增加药液在叶片上的覆盖度和沉积量。但要使雾滴靠近目标或沉降在目标上，雾滴还需有一定的质量，所以又要求雾滴要尽量大，因此，每种药剂均有一个最佳雾化状态。而当前国内众多喷雾机配套使用的常量喷头喷洒药液的雾化效果均会随管路压力改变发生改变，难以保证其雾化效果的一致性，本发明涉及的压力式变量喷头就是为解决这一问题设计的。

附图说明

图1基于处方图控制的智能变量喷药机结构示意图；

图2压力式变量喷头结构示意图；

图3网格坐标轴旋转前后示意图。

图中：1-拖拉机动力输出轴  2-V型皮带  3-药泵  4-药泵进水口  5-过滤器  6-安全阀  7-药泵出水口  8-安全阀回路  9-进水管  10-溢流阀  11-喷杆  12-压力式变量喷头13-旁路回流管  14-喷杆支架  15-电动调节阀  16-出水管  17-压力传感器  18-流量传感器  19-主喷药管路  20-药箱  21-变压器  22-24V电源模块  23-逆变器  24-5V电源模块  25-旋钮开关  26-模拟信号调整放大电路  27-ARM处理器  28-光电隔离电路  29-蓄能器  30-过滤器  31-速度传感器(即接近开关)  32-DGPS接收机  33-12V蓄电池34-GPS卫星接收天线  35-无线电信号接收天线  36-连接板上片  37-连接片下片  38-喷头药液入口  39-主腔体  40-塑料小球  41-防滴弹簧  42-内六角螺栓  43-带有内螺纹的喷头帽  44-储液室  45-涡流室  46-过滤网  47-胶垫  48-U型卡槽  49-弹片  50-直角挡板  51-喷头喷孔  52-圆形胶垫

具体实施方式

下面结合附图所示进一步说明本发明的具体内容及其实施方式。

基于处方图控制的智能变量喷药机，主要由智能控制***和喷药***两部分组成。其中智能控制***包括中央处理器、变量控制执行机构、配电***和实时信号采集与处理部分。中央处理器采用ARM处理器27，变量控制执行机构采用电动调节阀15，ARM处理器27电源线、实时信号采集部分电源线和电动调节阀15电源线均与配电***连接；实时信号采集部分的信号线和电动调节阀15的控制线均与ARM处理器27连接，ARM处理器27读取处方图或手动输入的喷药量信息，结合机具的行进速度，控制电动调节阀15阀门开度，改变旁路回流管13对主喷药管路19中药液的分流量，变量控制喷头喷药量；喷药***悬挂于拖拉机上，由拖拉机动力输出轴1带动药泵3工作，喷药管路为旁路控制，使用的喷杆喷头为喷孔截面积可变的压力式变量喷头12。

实时信号采集与处理部分包括差分全球定位***DGPS接收机32、压力传感器17、流量传感器18、速度传感器31、光电隔离电路28和模拟信号调整放大电路26。DGPS接收机32电源输入端与拖拉机蓄电池33连接，信号输出端通过串行接口与ARM处理器27连接；流量传感器18和速度传感器31的电源输入端与配电***的24V电源模块22连接，信号输出端与光电隔离电路28连接，光电隔离电路28与ARM处理器27连接；压力传感器17电源输入端与24V电源模块22连接，信号输出端与模拟信号调整放大电路26连接，模拟信号调整电路26与ARM处理器27连接。

电动调节阀15电源输入端与220VAC～24VAC变压器21连接，控制信号输入端与模拟信号放大电路26连接。

配电***包括220VAC～24VAC变压器21、24V电源模块22、12VDC～220VAC的逆变器23和5V电源模块24，其中的5V电源模块24与ARM处理器27电源输入端连接；5V电源模块24、24V电源模块22和变压器21的输入端均与逆变器23输出端连接，逆变器23输入端与蓄电池33连接。

DGPS接收机32用于自动模式下对机具实现定位和测速；速度传感器31用于手动模式下机具行进速度的测量。

DGPS接收机32的GPS卫星接收天线34和无线电信号接收天线35，均安装在拖拉机顶棚上；所述的DGPS接收机32和ARM处理器27安装在拖拉机驾驶室内；所述的速度传感器31安装于拖拉机后侧轮胎上；所述的压力传感器17和流量传感器18安装于出水管16上；所述的电动调节阀15安装于喷药***的旁路回流管13上。

喷药***主要由药箱20、药泵3、喷杆11和压力式变量喷头12组成，药泵3出口处分为两路，一路流经安全阀回路8流回药箱20，另一路流经溢流阀10、过滤器30和蓄能器29注入主喷药管路19，主喷药管路19在喷杆11入口处分支成出水管16和旁路回流管13，出水管16连接装有压力式变量喷头12的喷杆11，旁路回流管13经安全阀回路8连通药箱20。

压力式变量喷头12的主腔体39分为储液室44和涡流室45，储液室44内设有一单向阀，该单向阀由塑料小球40和防滴弹簧41组成，通过储液室44底部的内六角螺栓42固定，涡流室45上体带有U型卡槽48，下体带有圆孔51，圆孔直径为Dmm，涡流室45室内底部对称安装两块与室底成60°的直角挡板50，直角挡板50背面与固定于涡流室侧壁的弹片49连接，直角挡板50的底面呈矩形状，矩形长度为D+2mm，宽度为D/2+1mm，与涡流室45下表面压紧，直角挡板50与圆孔51相配合，形成变截面喷孔。

以下具体说明基于处方图控制的变量喷药实施过程：

第一步：处方图的制作。在实施变量喷药作业之前，采用DGPS接收机测定作业地块轮廓，绘制地块电子地图。将电子地图导入GIS***，确定变量喷药作业地块参数地块大小及形状参数。针对每一地块，通过确定操作单元网格的长度L和宽度D，对作业地块进行网格划分。农学专家对各操作单元网格内病虫草害程度进行调查，根据调查结果和决策准则进行喷药决策，得到该地块内各操作单元的决策喷药量，生成变量喷药作业处方图。

第二步：田间作业实施。变量喷药机进行田间喷药作业时，拖拉机动力输出轴1通过V型皮带2和V型皮带轮带动药泵3工作，药液在药泵3的作用下从药箱20吸出注入到喷药管路中，启动智能控制***，通过工作模式切换按钮选择喷药机的工作模式：

当喷药机在自动模式下工作时，ARM处理器27读取DGPS接收机32提供的经纬度信息和速度信息，识别机具作业网格标号，获取数据寄存器中存放的喷药处方数据，结合机具行进速度，计算输出电压信号控制电动调节阀15阀门开度，压力信号作为反馈信号修正电动调节阀15的控制信号，流量传感器18实时检测压力式变量喷头12喷药量，其检测数据记录于数据寄存器内。

当喷药机在手动模式下工作时，操作人员通过触摸屏手动输入喷药量信息，ARM处理器27实时读取机具速度信号和喷杆11入口处的压力信号，计算输出电压信号控制电动调节阀15的阀门开度，实现变量喷药作业。

本发明涉及的压力式变量喷头12固定于喷杆11上。由于主喷药管路19中的药液量等于出水管16中药液量加旁路回流管13中药液量，所以随着旁路回流管13中电动调节阀阀15门开度的改变，主喷药管路19中的药液注入到出水管16中的药液量会随之改变，从而使得注入压力式变量喷头主腔体39中的药液量发生变化。若喷头主腔体39中药液量少，直角挡板50受力小时，喷头喷孔51截面积变小，使喷头12喷药达到雾化效果；若喷头主腔体39中药液量多，直角挡板50受力大时，药液推动直角挡板50向两边平移，喷头喷孔51截面积变大，从而保证了药液雾化效果的一致性。

Claims (9)

1.基于处方图控制的智能变量喷药机包括由中央处理器、变量控制执行机构、配电***和实时信号采集与处理部分组成的智能控制***和喷药***两部分，其特征在于，所述的中央处理器采用ARM处理器(27)，所述的变量控制执行机构采用电动调节阀(15)，ARM处理器(27)读取处方图提供或手动输入的喷药量信息，结合机具的行进速度，控制电动调节阀(15)阀门开度，改变旁路回流管(13)对主喷药管路(19)中药液的分流量，完成变量喷药作业；所述的喷药***悬挂于拖拉机上，由拖拉机动力输出轴(1)带动药泵(3)工作，喷药管路为旁路控制，使用的喷杆喷头为喷孔截面积可变的压力式变量喷头(12)。

2.根据权利要求1所述的基于处方图控制的智能变量喷药机，其特征在于所述的实时信号采集与处理部分包括差分全球定位***DGPS接收机(32)、压力传感器(17)、流量传感器(18)、速度传感器(31)、光电隔离电路(28)和模拟信号调整放大电路(26)，其中DGPS接收机(32)的电源输入端与拖拉机蓄电池(33)连接，信号输出端通过串行接口与ARM处理器(27)连接；流量传感器(18)和速度传感器(31)的电源输入端与配电***的24V电源模块(22)连接，信号输出端与光电隔离电路(28)连接，光电隔离电路(28)与ARM处理器(27)连接；压力传感器(17)电源输入端与24V电源模块(22)连接，信号输出端与模拟信号调整放大电路(26)连接，模拟信号调整放大电路(26)与ARM处理器(27)连接。

3.根据权利要求1所述的基于处方图控制的智能变量喷药机，其特征在于所述的电动调节阀(15)电源输入端与变压器(21)连接，控制信号输入端与模拟信号调整放大电路(26)连接。

4.根据权利要求1所述的基于处方图控制的智能变量喷药机，其特征在于所述的配电***包括变压器(21)、24V电源模块(22)、逆变器(23)和5V电源模块(24)，其中的5V电源模块(24)的输出端与ARM处理器(27)电源输入端连接；5V电源模块(24)、24V电源模块(22)和变压器(21)的输入端均与逆变器(23)输出端连接，逆变器(23)输入端与蓄电池(33)连接。

5.根据权利要求2所述的基于处方图控制的智能变量喷药机，其特征在于所述的DGPS接收机(32)用于自动模式下对机具实现定位和测速；所述的速度传感器(31)用于手动模式下机具行进速度的测量。

6.根据权利要求2所述的基于处方图控制的智能变量喷药机，其特征在于所述的DGPS接收机(32)的GPS卫星接收天线(34)和无线电信号接收天线(35)均安装于拖拉机顶棚上；所述的DGPS接收机(32)和ARM处理器(27)安装于拖拉机驾驶室内；所述的速度传感器(31)安装于拖拉机后侧轮胎上；所述的压力传感器(17)和流量传感器(18)安装于喷药***的出水管(16)上；所述的电动调节阀(15)安装于喷药***的旁路回流管(13)上。

7.根据权利要求1所述的基于处方图控制的智能变量喷药机，其特征在于所述的喷药***主要由药箱(20)、药泵(3)、喷杆(11)和压力式变量喷头(12)组成，药液在药泵(3)出口处分为两路，一路流经安全阀回路(8)流回药箱(20)，另一路流经溢流阀(10)、过滤器(30)和蓄能器(29)注入主喷药管路(19)，主喷药管路(19)在喷杆(11)入口处分支成出水管(16)和旁路回流管(13)，出水管(16)连接装有压力式变量喷头(12)的喷杆(11)，旁路回流管(13)连通药箱(20)。

8.根据权利要求1所述的基于处方图控制的智能变量喷药机，其特征在于所述的压力式变量喷头(12)的主腔体(39)分为储液室(44)和涡流室(45)，储液室(44)内设有一单向阀，该单向阀由塑料小球(40)和防滴弹簧(41)组成，通过储液室(44)底部的内六角螺栓(42)固定，涡流室(45)上体带有U型卡槽(48)，下体带有圆孔(51)，圆孔直径为Dmm，涡流室(45)室内底部对称安装两块与室底成60°的直角挡板(50)，直角挡板(50)背面与固定于涡流室侧壁的弹片(49)连接，直角挡板(50)的底面呈矩形状，矩形长度为(D+2)mm，宽度为(D/2+1)mm，与涡流室(45)下表面压紧，直角挡板(50)与圆孔(51)相配合，形成变截面喷孔。

9.根据权利要求1所述的基于处方图控制的智能变量喷药机，其特征在于所述的智能控制***采用旋转坐标法和行列扫描法实现自动模式下网格识别，对作业参数实时保存。

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