CN101961003A - 一种精确对靶喷药除草装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于农用植保机械领域，提供了一种精确对靶喷药除草装置，包括农田信息采集处理***，喷药***和控制***。该喷药除草装置在实时状况下完成图像的采集与处理，识别出作物和杂草，DSP处理器将图像处理后得到的杂草位置及密度信息发送给ARM处理器，ARM处理器结合接收到的速度、流量、压力信息，通过控制实现不同喷头组合及电磁阀的开度，对杂草进行精确对靶喷药。本发明采用对靶喷施除草剂方式，减少了除草的劳动力和农药的用量，节约了成本，减轻了农药对环境的污染。

Description

一种精确对靶喷药除草装置 
技术领域
本发明属于农业植保机械领域，涉及一种精确对靶喷药除草装置。 
背景技术
田间杂草是农业生产的大敌，化学除草是一种经济、高效、及时、省工的田间杂草防除措施，目前化学除草已成为农业生产中必不可少的技术要素。除草剂要通过喷药机械来实现除草，喷药机械的性能至关重要。背负式手动喷雾器材质差、易损坏、压力低、溢漏严重，喷药效率低。种植规模较大的地区装备的各式喷杆式机动喷雾机，也是在假定农田草害发生情况相同的前提下，使用相同的喷药处理，这种忽视田间草害发生差异性的做法会导致农药投入加大、生产成本提高、农作物产生药害和污染环境等诸多问题。 
随着农业机械化的发展，作业面积越来越大，针对不同杂草位置及密度采用普遍相同的施药方式弊端日趋严重。目前已有的一些变量喷雾机，是首先利用GPS等将农田信息制成处方图形式，喷雾机挂载在拖拉机等移动平台后面，根据获得的处方图对杂草进行喷药，但对于不同的地块，需制作不同的处方图，且处方图的制作过程复杂，难以推广使用。 
中国专利CN 2562886Y提供了一种变量农药喷洒机，由药箱、机架及一系列液压元件、隔膜泵，流量传感器，压力传感器、单向阀，压力调节阀和喷洒控制器，计算机，卫星流动站，接收天线组成，根据喷洒所处的田间位置，通过接收GPS卫星信号，传输给喷洒控制器，通过电动压力调节阀和电动单向阀达到***要求的喷洒量。该变量喷洒装置需提前采集田间杂草位置和密度信息，制成处方图，然后将处方图信息传递给控制器，控制器控制电磁阀等实现变量喷药，在离线状态下，针对不同的地块，需将农田信息制成不同的处方图，农田信息的采集和喷药分两次进行，操作不便，不能实现实时田间信息采集，实时对靶喷药。 
发明内容
为降低杂草危害程度，减轻环境污染，减少除草劳动力，实现田间杂草控制的精确化、智能化，本发明以田间杂草为研究对象，在移动平台行进过程中，利用机器视觉技术实时获取杂草位置分布和密度分布信息，依据这些农田信息，控制器控制不同喷头组合，结合脉冲宽度调制技术，实现精确喷药和变量喷药。 
为实现上述目的，本发明提供了一种精确对靶喷药除草装置，包括农田信息采集处理***，喷药***和控制***。 
农田信息采集处理***包括：光源罩及照明灯，光源罩固定在移动平台前端，照明灯位于光源罩内，用于增加光照强度，弥补外界光线不均匀或亮度不够给图像采集带来的影响；CCD摄像头尾部固定在移动平台前端，头部位于光源罩内，摄像头距离地面高度可调，用于采集田间杂草和作物图像；DSP处理器和摄像头相连，完成图像的算法处理，并识别出作物和杂草。 
喷药***包括：移动平台由车轮、机架等组成，用于搭载喷药装置、农田信息采集处理***、控制***等；药箱用于盛装药液，固定在移动平台上；数显液位传感器可直接显示药箱中药液剩余量；电动泵和药箱底部相连，用于从药箱中抽出药液；溢流阀两端分别和电动泵及药箱相连，当***压力偏大时，药液经溢流阀流回药箱，保证电动泵出口压力恒定；电动阀和电动泵相连，通过改变电动阀的打开角度可调节***的压力；流量传感器和电动阀相连，用来采集喷施除草***的药液流量信息；压力传感器和流量传感器相连，负责采集喷药除草***压力信息；八路分水器和压力传感器相连，引出八个接口分别接八个电磁阀；电磁阀和八路分水器相连，固定在移动平台尾部，通过脉冲宽度调制技术控制电磁阀开度来调节喷药量；喷头和电磁阀相连，用于喷施药液；编码器通过柔性联轴器和车轮轴相连，用于检测移动平台前进速度及位移。 
控制***包括：ARM处理器和电动阀、流量传感器、压力传感器、DSP处理器、电磁阀、编码器相连，用于接收DSP处理后发送的杂草位置、密度信息和编码器发送的速度信息，并根据这些信息控制电磁阀的开闭，以及接受流量传感器及压力传感器传递的***流量及压力信息，对电动阀打开角度进行调整，ARM处理器和DSP处理器间采用RS232方式通信；触摸屏和ARM处理器相连，用于杂草位置信息，移动平台前进速度显示，喷药***参数设置等。 
将CCD摄像头，光源罩，照明灯等安装完毕后，对摄像头进行标定，采用算法对背景进行分割，根据不同特征对作物和杂草进行识别，根据DSP处理器进行图像处理后的结果，得出杂草在田间的位置和密度信息，并将田间信息通过RS232方式传递给ARM处理器。 
电动泵从药箱中抽取药液，使用数显液位传感器读取药箱中药液剩余量，使 用流量传感器和压力传感器读取***流量和压力信息，使用编码器采集移动平台实时前进速度及位移，将这些信息发送到ARM处理器，并通过触摸屏显示。ARM处理器根据接收的流量及压力信息控制电动阀的打开角度，从而调节到***需要的压力。根据接收到DSP处理器发送的杂草位置信息，控制实现不同的电磁阀打开及关闭，实现对靶喷药；根据移动平台前进速度及杂草密度信息，利用模糊控制理论得到不同的喷药量，通过调节脉冲的占空比来调节喷头的喷药量，从而实现变量喷药。 
本发明采用以上技术方案，具有以下特点和优势： 
1、在实时状况下对杂草进行精确对靶喷药，可减少除草剂用量，降低除草成本，既可以有效的控制草害，又可以减少对生态环境的污染和破坏。 
2、使用除草机器在田间进行精确喷药，提高了除草自动化水平，提高除草效率，减轻了除草的劳动强度。 
3、可在棉花、玉米等作物行间距较大田间进行精确除草，并可根据不同田间环境，调节摄像头及喷头距地面高度，应用范围较广。 
附图说明
通过以下对本发明的实施例并结合其附图的描述，可以进一步理解本发明的具体结构特征。其中，附图为： 
图1是精确对靶喷药除草装置结构图 
图2是农田信息采集***结构图 
图3是电磁阀与喷头连接图 
图4是精确对靶喷药除草装置各组成部件连接示意图 
图中：1.移动平台；2.DSP处理器；3.数显液位传感器；4.药箱；5.触摸屏；6.ARM处理器；7.电磁阀；8.编码器；9.八路分水器；10.压力传感器；11.流量传感器；12.电动阀；13.电动泵；14.溢流阀；15.CCD摄像头；16.光源罩；17.照明灯；18.喷头。 
具体实施方式
下面结合附图和实例进一步说明本发明的技术方案。 
农田信息采集处理***：如图1、2、4所示，采用CCD摄像头15、含有视频解码芯片SAA7111、CPLD、高速可读写存储器SDRAM以及缓冲器的DSP 处理器2完成图像的采集和处理。 
通过CCD摄像头15在田间采集一帧PAL制的视频图像，利用DSP处理器2所带的视频解码芯片SAA7114将模拟视频数据转化为数字视频数据，通过CPLD将图像数据存储到SDRAM中，DSP处理器2对采集的图像进行算法上的处理。在算法设计方面采用超绿特征和最大类间方差法对背景进行分割；融合作物的形状特征、骨架特征和种植信息，对作物和杂草进行识别。然后确定杂草在图像坐标和实际坐标中的关系，计算出杂草的位置；根据喷嘴喷洒面积对图像进行网格化处理，用一个三维数组来表示杂草的位置(X，Y)和密度信息P。DSP处理器2对图像处理后得到杂草位置及密度信息，DSP处理器2再把这些信息发送到ARM处理器6。数据发送完毕后，等待接收ARM处理器6反馈信号，接收到反馈信号后进行下一幅图像的采集和处理。 
光源罩16固定在移动平台1前端，六个照明灯17均匀分布固定在光源罩16内，CCD摄像头15尾部固定在一钢板上，钢板一侧开有长槽，螺栓穿过长槽将钢板连同CCD摄像头15固定在移动平台1前端机架上，CCD摄像头15头部位于光源罩16内且其高度可调。 
喷药***：药箱4固定在移动平台1上，药箱4下部开有出药口和药液回流口。电动泵13和药箱4出药口相连，用于从药箱4中抽取药液，溢流阀14和药箱4回流口相连，用于***压力过大时，药液回流到药箱4。药箱4、电动泵13、溢流阀14组成闭合回路，保证输出药液压力恒定。药箱4中顶部开有小孔，用于固定数显液位传感器3，可通过数显液位传感器3上的显示界面直接读取药箱4中药液剩余量。 
电动阀12和电动泵13相连，在进行模数转换及电平转换后接入ARM处理器6，通过不同的输入信号实现不同的打开角度，从而实现对管路压力的调整与控制。流量传感器11和电动阀12相连，用于采集喷药除草***瞬时流量和累计流量信息。流量传感器11通过电流电压隔离转换器接入到ARM处理器6，利用ARM处理器6上的定时器及计数器来确定脉冲频率，从而获得***流量。 
压力传感器10和流量传感器11相连，用于采集喷药除草***压力信息。使用A/D转换器进行压力传感器10电压信号的读取，ARM处理器6中根据电压信号进行模拟电压的采集，经处理后得到***压力信息。压力传感器10后接一八路分水 器9，其八个出药口对应接八个电磁阀7。电磁阀7通过固态继电器电流放大后接入ARM处理器6，ARM处理器6可控制电磁阀7的开闭。 
如图3所示，八个喷头18直接连接在对应八个电磁阀7上。电磁阀7均匀分布固定在一薄钢板上，薄钢板两端固定在两方钢下端，方钢上端穿过机架突出处方形套筒内，旋入螺栓将方钢固定在方形套筒内，通过调节方钢在方形套筒中的高度可调节电磁阀7及喷头18高度。 
编码器8，使用柔性联轴器和移动平台1车轮轮轴相连，用D触发器和门电路组成方向判别电路，编码器8A相和B相通过光电隔离芯片连接到ARM处理器6外部计时器上，根据接收到的脉冲数计算得出移动平台1的行驶速度信息和位移信息。 
控制***：使用触摸屏5进行杂草位置、密度信息，移动平台1前进速度、位移信息，喷药***压力、流量等信息的显示。利用Qt4软件进行触摸屏5图形界面的开发，通过触摸屏5可对***压力及流量，登陆密码等参数进行设置。 
为提高***实时性及可靠性，在ARM处理器6中移植嵌入式Linux操作***。ARM处理器6和DSP处理器2间采用RS232方式进行通信。串口通信中，使用MAX232进行电平转换。ARM处理器6根据接收的流量及压力信息，控制电动阀12调整不同的打开角度，达到***所需流量及压力；根据接收DSP处理器2发送的杂草位置信息，控制不同的喷头组合，实现对靶喷药；根据移动平台1前进速度及杂草密度信息，利用模糊控制理论得到不同的喷药量，选用基于脉冲电控的变量喷施控制方法，由驱动电路结合脉冲宽度调制技术控制电磁阀7的开度，实现变量喷药。 
本实施方式中：CCD摄像头采用瑞士Photonfocus公司的高速CMOS智能工业摄像头；流量传感器采用南京迪泰尔仪表机电设备有限公司的LWGY-06型涡轮流量传感器；压力传感器采用佛山市传感器有限公司的PTP动静态液体压力传感器；电动阀采用北京海林电气设备有限公司的HL22020LCE-110型电动阀；电磁阀采用上海艾维电磁阀实业有限公司的IVY79A直动活塞式电磁阀；ARM处理器芯片选用三星公司的S3C2440；DSP处理器芯片选用TI公司的TMS320DM642；数显液位传感器选用南京库克自动化设备有限公司的KUKA数显液位传感器；电源设备选择JL400S24开关电源；编码器选用欧姆龙E6B2型旋转编码器。 

Claims (3)

1.一种精确对靶喷药除草装置，其特征在于：所述装置包括农田信息采集处理***，喷药***和控制***；所述农田信息采集处理***包括CCD摄像头(15)、DSP处理器(2)、光源罩(16)和照明灯(17)；所述喷药***包括移动平台(1)，药箱(4)、电动泵(13)、溢流阀(14)、数显液位传感器(3)、电动阀(12)、流量传感器(11)、压力传感器(10)、电磁阀(7)、喷头(18)、八路分水器(9)和编码器(8)；所述控制***控制***包括ARM处理器(6)和触摸屏(5)；其中光源罩(16)固定在移动平台(1)前端，六个照明灯(17)均匀分布固定在光源罩(16)内，CCD摄像头(15)尾部固定在在移动平台(1)前端机架上，CCD摄像头(15)头部位于光源罩(16)内且其高度可调，DSP处理器(2)和CCD摄像头(15)相连；药箱(4)固定在移动平台(1)上，数显液位传感器(3)固定在药箱(4)内；电动泵(13)入药端和药箱(4)相连，电动泵(13)出药端分别和溢流阀(14)、电动阀(12)相连，电动泵(13)、药箱(4)和溢流阀(14)组成闭合回路；流量传感器(11)入药端和电动阀(12)相连，流量传感器(11)出药端和压力传感器(10)相连，压力传感器(10)出药端接八路分水器(9)，八路分水器(9)八个出药端口分别接八个电磁阀(7)，八个电磁阀(9)出药端对应接八个喷头(18)，编码器(8)通过柔性联轴器连接在移动平台车轮轴上；ARM处理器(6)分别和流量传感器(11)、压力传感器(10)、触摸屏(5)、DSP处理器(2)、电磁阀(7)、电动阀(12)和编码器(8)相连；ARM处理器(6)与DSP处理器(2)之间采用RS232方式通信。
2.根据权利要求1所述的一种精确对靶喷药除草装置，其特征在于：所述CCD摄像头(15)尾部固定在一钢板上，钢板一侧开有长槽，螺栓穿过长槽将钢板连同CCD摄像头(15)固定在移动平台(1)前端机架上。
3.根据权利要求1所述的一种精确对靶喷药除草装置，其特征在于：喷头(18)直接连接在电磁阀(9)上，八个电磁阀(9)均匀分布固定在一薄钢板上，薄钢板两端固定在两方钢下端，方钢上端穿过移动平台(1)机架突出处方形套筒内，旋入螺栓将方钢固定在方形套筒内，通过调节方钢在方形套筒中的高度调节电磁阀(9)及喷头(18)高度。 
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PB01 Publication
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20110202