CN103548802B - 自走式果园自动对靶喷雾机及其喷雾方法 - Google Patents

Abstract

本技术是能够自动对靶、受环境影响小、响应时间快、不会漏喷或多喷、防止农药浪费的自走式果园自动对靶喷雾机和喷雾方法。喷雾机包括机架、行走装置、具有多个喷头的喷雾装置、与喷头一一对应的激光探测装置、中央处理器；激光探测装置包括激光发生器、激光接收器、信号处理及控制器；相对应的喷头和激光探测装置布置在机架同一对应角度上；中央处理器与各喷头控制装置相连。喷雾方法：激光发生器产生激光发射信号，激光接收器接收反射信号，如果靶标距离在设定的距离范围内，则为当前靶标；如果前一个信号没有探测到当前靶标，后一个反射信号探测到当前靶标则喷雾；如果连续三个反射信号均没有探测到靶标则停止喷雾；其它状态均是维持原状态。

Description

自走式果园自动对靶喷雾机及其喷雾方法

技术领域

本技术涉及果园喷雾机，具体地说，是一种自走式果园自动对靶喷雾机及其喷雾方法。

背景技术

现有的果园喷雾机一般包括机架、行走装置、喷雾装置，在喷雾时需要人工控制，不能实现自动化操作。即使有果园喷雾机能够自动化操作，但其喷雾时不能区分是否有靶标，总是连续喷雾。树与树之间的间隔喷雾属于无效喷雾，无法有效沉积在果树叶片上，药液浪费大。风送式喷雾技术是一种被广泛采用并十分有效的果园喷雾技术，该技术可以显著提高雾滴的穿透性和沉积率，通过针对果树间间隔及果树树型控制是否喷雾，以达到减少无效喷雾、提高农药有效利用率目的。

目前果园自动对靶探测技术按照工作原理大致可分为超声波探测技术、红外探测技术、基于图像处理的探测技术，但均没有形成实用技术。

超声波受环境温度和空气湿度的影响较大，波束的辐射范围较大，对于间隔较小的果树无法做到有效识别，且果园环境复杂，探测精度受干扰较大。

红外探测技术采用红外线为探测介质，该技术受自然光影响大，方向性差，测量精度较低。目前的研究主要集中在实验阶段，实际运用较少。

基于图像处理的探测技术通过摄像机可获得大量的信息，能够根据数据库准确判断树木的种类、大小等，但是资金投入大，信息处理慢，响应时间长，同时对于多排果树以及绿色非靶标物识别困难，影响作业效率。

发明内容

本技术的目的是提供一种能够自动对靶、受环境影响小、响应时间快、靶标探测精确度高、不会漏喷或多喷、防止农药浪费的自走式果园自动对靶喷雾机。

本技术的自走式果园自动对靶喷雾机，包括机架、行走装置、具有多个喷头的喷雾装置、与喷头数量相同、用于探测靶标并计算出靶标距离的激光探测装置，激光探测装置包括激光发生器、激光接收器、与激光发生器和激光接收器相连的信号处理及控制器，喷头与激光探测装置一一对应；相对应的一对喷头和激光探测装置布置在机架同一对应角度上；它还包括中央处理器，各激光探测装置的信号处理及控制器与中央处理器相连，中央处理器的输出与控制各喷头喷雾与否的各喷头控制装置相连。

本技术的有益效果：本喷雾机工作时，任一个激光探测装置的激光发生器发出激光发射信号，该激光探测装置的激光接收器接收到靶标对该激光发射信号的反射信号，信号处理及控制器根据激光发射信号和反射信号，计算出靶标距激光探测装置的距离；中央处理器判断所述靶标距离是否在预先设定的距离范围内；如果靶标距离在设定的距离范围内，则该靶标为当前靶标，中央处理器向该激光探测装置相对应喷头的喷头控制装置发出打开信号，使得该喷头开始喷雾；如果没有探测到靶标或者靶标距离超过设定的距离范围，则该靶标不是当前靶标，不会开启该喷头对应的电磁阀，即该喷头不喷雾。采用激光探测装置，激光方向性强，信号基本不受环境干扰，响应时间快。同时，本技术采用各激光探测装置的激光发射方向与喷头环组件中各对应喷头雾滴喷射中心方向一致的原则进行分布，激光探测装置在行走方向两侧不同角度上对靶标（树冠）进行探测，中央处理器控制与激光探测器处于同一角度上对应的喷头是否工作。本技术中，各喷头是否喷雾独立控制。因激光探测装置发出的激光光束只能探测到果树某一高度是否存在靶标，如果只用一个激光探测装置探测靶标来控制整个药环喷头组喷雾，可能造成以下问题：较高的树冠因高于激光探测高度和较低的树冠因低于激光探测高度，无法被激光探测装置探测到而造成漏喷，较小的树冠且激光探测高度位于树冠高度范围内被激光探测装置探测到而触发所有喷头均喷雾造成的多喷（无效喷雾）。本技术采用多个激光探测装置与多个喷头分别一一对应控制，能够探测到不同角度范围内的靶标，防止了漏喷或多喷。本技术采用连续三次判别当前靶标是否存在的方法，可有效防止因激光光束单一精准定位造成较稀疏树冠因树内出现空洞而产生过多启停动作，以免同一喷头对同一棵树不能实现连续喷雾。

本技术将连续性喷雾变为间歇性喷雾，只对果树进行施药，将自动化技术与传统施药技术相结合，采用激光探测技术实现当前靶标的自动识别和喷雾的自动控制，达到只对当前靶标进行施药的自动对靶喷雾，同时对同一棵树因树冠形状大小不一可精准控制各对应喷头是否喷雾，从而实现农药高效应用、避免无效喷雾浪费的目的。所以，本技术是一种能够自动对靶、受环境影响小、响应时间快、靶标探测精确度高、不会漏喷或多喷、节省药液的自走式果园喷雾机。

上述的自走式果园自动对靶喷雾机，以自走式果园自动对靶喷雾机的前进方向为前方，相对应的一对喷头和激光探测装置中，激光探测装置设置在喷头前方。自走式果园自动对靶喷雾机的前进速度为0.5-1m/s，激光探测装置设置在喷头前方20-40cm。这样可提前探测，弥补中央处理器处理数据所需时间及开启电磁阀至喷雾所需响应时间，在这个时间间隔内，喷雾机向前行进了一段距离，所以喷头设置在激光探测装置后方的距离要基本等于喷雾机在此时间间隔内行进的距离，这样不会造成少喷或者漏喷。

上述的自走式果园自动对靶喷雾机，各喷头位于同一个垂直平面内，各激光探测装置位于另一个垂直平面。

上述的自走式果园自动对靶喷雾机，喷头控制装置为设置在与各喷头相通的药液管上的对应的电磁阀。

上述的自走式果园自动对靶喷雾机，行走装置为履带式行走装置。

本技术同时还提供了一种能够防止少喷或者漏喷，同时也能够防止多喷浪费农药，自动化程度高的自走式果园自动对靶喷雾机的喷雾方法。

本自走式果园自动对靶喷雾机的喷雾方法，任一激光探测装置的激光发生器产生激光发射信号，激光接收器接收到靶标对激光发射信号的反射信号，信号处理及控制器根据激光发射信号和反射信号，计算出靶标距该激光探测装置的距离；中央处理器判断所述靶标距离是否在设定的距离范围内；如果靶标距离在设定的距离范围内，则该靶标为当前靶标；中央处理器根据三个连续的反射信号是否探测到当前靶标按如下方法控制相对应的喷头控制装置的动作：

a、如果前一个反射信号没有探测到当前靶标，后一个反射信号探测到当前靶标，则中央处理器向喷头控制装置发出打开信号，使得与激光探测装置相对应的喷头开始喷雾；

b、如果前一个反射信号探测到当前靶标，紧接着连续三个反射信号均没有探测到当前靶标，则中央处理器向喷头控制装置发出关闭信号，使得与激光探测装置相对应的喷头停止喷雾；

c、其它情况下，维持原状态。

上述的喷雾方法，设定的距离范围为0.2-6m。

本喷雾方法的有益效果：本技术中，各喷头是否喷雾独立控制。一喷头是否喷雾根据与该喷头相对应的激光探测装置是否探测到当前靶标而定，具体地说，是以激光探测装置连续三个反射信号的状态来判断是否喷雾。如果任意两个连续反射信号中的前一个信号没有探测到当前靶标，后一个反射信号探测到当前靶标则开始喷雾；如果前一个反射信号探测到当前靶标，后面连续三个反射信号均没有探测到靶标，则停止喷雾；其它状态均是维持原状态。本方法有效防止了少喷或漏喷，同时也防止了同一棵树内因较稀疏树冠形成树内空洞而产生过多的不必要的启停动作。

附图说明

图1是自走式果园自动对靶喷雾机示意图

图2是图1中喷头组件的右视图。

图3是图1中激光探测装置分布的右视图。图4是自走式果园自动对靶喷雾机在果园使用状态的示意图。

图5是各激光探测装置探测当前靶标示意图。

图6是激光探测装置探测到树冠内空洞的示意图。

图7是激光探测装置探测到空洞的放大示意图。

图8是本自走式果园自动对靶喷雾机中硬件部分原理图。

图9是本自走式果园自动对靶喷雾机喷雾过程流程图。

具体实施方式

参见图1、8所示，自走式果园自动对靶喷雾机包括机架1、履带式行走装置2、喷雾装置3，用于探测靶标并计算出靶标距离的激光探测装置4。激光探测装置包括激光发生器41、位于激光发生器前方的凸透镜46、激光接收器42、位于激光接收器前方的滤光片47、凸透镜48、与激光发生器和激光接收器相连的信号处理及控制器。信号处理及控制器包括微控制器43、计时器44、信号处理器45等。10个激光探测装置4位于同一个环板49上。喷雾装置3包括10个位于同一个垂直平面上的喷头31，具有出风口32的吹风通道，每个喷头与一根药液管相通，各药液管上设置电磁阀33。中央处理器通过电磁阀驱动电路34控制电磁阀。10个喷头31位于出风口32处，左侧和右侧各有5个。喷头与激光探测装置一一对应。相对应的每对喷头和激光探测装置布置在机架具有一定前后距离的不同垂直平面的同一角度上，即喷头的轴线与相对应的激光探测装置发出的光束相平行。喷头轴线和相对应的激光探测装置发出的光束所在的平面与自走式果园自动对靶喷雾机的前进方向相平行。各激光探测装置的信号处理及控制器与通过信号转换电路9与中央处理器（控制***）6相连，中央处理器的输出通过电磁阀控制各喷头喷雾。键盘8、显示器7、温度传感器10等也与中央处理器相连。

自走式果园自动对靶喷雾机的前进速度为0.5-1m/s，以自走式果园自动对靶喷雾机的前进方向为前方，各激光探测装置所在的平面在各喷头所在平面的前方，并且距离Z=30cm。这样，结合喷雾机行驶速度即可实现喷雾机到达果树前已开始喷雾，防止少喷或者漏喷。在喷雾机驶离该果树时，中央处理器会延时0.1s关闭电磁阀，确保果树得到全部施药，防止施药不完全。

参见图9，喷雾方法如下：任一激光探测装置的激光发生器产生激光发射信号，激光接收器接收到靶标对激光发射信号的反射信号，信号处理及控制器根据激光发射信号和反射信号，计算出靶标距该激光探测装置的距离；中央处理器判断所述靶标距离是否在设定的距离范围（设定距离一般为0.2-6m，可以调节）内；如果靶标距离在设定的距离范围内，则该靶标为当前靶标；中央处理器根据三个连续的反射信号是否探测到当前靶标按如下方法控制相对应的喷头控制装置的动作：

a、如果前一个反射信号没有探测到当前靶标，后一个反射信号探测到当前靶标，则中央处理器向喷头控制装置发出打开信号，使得与激光探测装置相对应的喷头开始喷雾；

b、如果前一个反射信号探测到当前靶标，紧接着连续三个反射信号均没有探测到当前靶标，则中央处理器向喷头控制装置发出关闭信号，使得与激光探测装置相对应的喷头停止喷雾；

c、其它情况下，维持原状态。

激光探测装置用于收集果园作业信息，测定靶标距喷头的距离，读取数据并将信息反馈给控制***。控制***根据接收到的信息进行分析判断，从而控制电磁阀的启闭达到对靶喷雾。

果树种植一般为多排种植，如图4所示，果园为行距X×株间距Y种植模式，图4显示与当前靶标行相邻的两行，共四行。喷雾机位于第2行和第3行果树之间行驶。通过人机界面可根据实际种植模式设置行距X，即为靶标到喷头（或激光探测装置）的最大距离，也是激光探测靶标是否为当前靶标的依据。激光探测装置测定靶标到喷头（或激光探测装置）的实际距离（靶标距离）后，与最大距离X进行比较。如果靶标距离＞X，此靶标为非当前靶标，喷头不会喷雾，这样就避免了对隔行果树（即图中的第1排和第4排果树）的无效喷雾。对于不同行间距的果园具有良好的适应性。

如图4所示，如果第二排果树A处存在缺株，激光探测装置探测到距B处果树距离后会判断是否在设定范围内，判断出此处无果树，则关闭靠近A侧的喷头，而C处无缺棵，则靠近C侧的喷头继续喷雾。

对于同一棵树，各激光探测器并非都测定为当前靶标。如图5所示，右下部相邻三个激光探测器测定并判断为当前靶标，并控制对应位置的喷头喷雾，而右上角的两个激光探测器则未测到当前靶标，对应角度的喷头不喷雾。因此，实现了任意树型的果树均能获得精确喷雾。

果园中的果树一般形状、疏密各异，激光探测装置探测靶标时光束较细，采用本技术的喷雾方法，能够避免果树内较小的空洞或者树枝间间隙影响探测判断。如图6、7所示，行驶中的喷雾机的激光探测装置连续测量时，某一激光探测装置发出的激光12穿过空洞11，对于树冠中的较小的空洞11，如果每测到一个非当前靶标信号则停止喷雾，下一个测到当前靶标信号则启动喷雾，则会在同一稀疏树冠内不断发生启停动作，实际上并不是单个喷头喷洒范围内均无树枝树叶，只是在激光探测点无当前靶标信号。为避免同一树冠内产生过多不必要的启停喷雾动作，设定如果连续3次探测到反射信号为非当前靶标，则认为果园喷雾机行驶至果树株间空挡处或者较大的内部空洞，不需要喷雾，关闭电磁阀。这样即可以避免小空洞或者小间隙对连续喷雾的影响，又不会在果树空挡和较大的空洞处无效喷雾。

本技术通过激光探测技术判断果树的有无，同时通过测定距离来判断果树是否为当前靶标，以及采用3次连续反射信号判断是否存在当前靶标，确定喷雾与否，实现了精确对靶喷雾，且避免了不必要启停喷雾动作。

Claims (2)

1.自走式果园自动对靶喷雾机的喷雾方法，所述自走式果园自动对靶喷雾机，包括机架、行走装置、具有多个喷头的喷雾装置、与喷头数量相同的用于探测靶标并计算出靶标距离的激光探测装置、中央处理器，激光探测装置包括激光发生器、激光接收器、与激光发生器和激光接收器相连的信号处理及控制器，喷头与激光探测装置一一对应；相对应的一对喷头和激光探测装置布置在机架同一对应角度上，各激光探测装置的信号处理及控制器与中央处理器相连，中央处理器的输出与控制各喷头喷雾与否的各喷头控制装置相连；

其特征是：所述喷雾方法包括下述步骤，任一激光探测装置的激光发生器发出激光发射信号，激光接收器接收到靶标对激光发射信号的反射信号，信号处理及控制器根据激光发射信号和反射信号，计算出靶标离该激光探测装置的距离；中央处理器判断所述靶标距离是否在设定的距离范围内；如果靶标距离在设定的距离范围内，则是当前靶标；中央处理器根据三个连续信号是否存在当前靶标按如下方法控制相对应的喷头控制装置的动作：

a、如果前一个反射信号没有探测到当前靶标，后一个反射信号探测到当前靶标，则中央处理器向喷头控制装置发出打开信号，使得与激光探测装置相对应的喷头开始喷雾；

b、如果前一个反射信号探测到当前靶标，紧接着连续三个反射信号均没有探测到当前靶标，则中央处理器向喷头控制装置发出关闭信号，使得与激光探测装置相对应的喷头停止喷雾；

c、其它情况下，维持原状态。

2.如权利要求1所述的自走式果园自动对靶喷雾机的喷雾方法，其特征是：设定的距离范围为0.2-6m。