CN104621083B - 一种基于植株特征自适应喷雾风量调节装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于植株特征自适应喷雾风量调节装置及方法，包括：五指喷头，PTO驱动的风机，连接五指喷头与风机出风口的软管，导流管上用于控制五指喷头风量的电磁阀，连接电磁阀输出风量的导流管，连接各个导流管的软管，连接左右两侧汇流软管的空气喷嘴，安装于喷雾机前端的激光传感器，安装于驾驶室内的触摸屏，安装于喷雾机底部的雷达速度传感器，用于风量及变量喷雾控制的ARM Cortex控制器，连接触摸屏、激光传感器、速度传感器和ARM Cortex控制器的嵌入式PC/104计算机。本发明实现每个五指喷头根据对应区域植株特征进行自适应风量调节。对于植株稀疏部分减少了雾滴漂移，植株枝叶茂密部分加大雾滴的穿透性，增加了植株内部雾滴的附着率。

Description

一种基于植株特征自适应喷雾风量调节装置及方法

技术领域

本发明涉及一种喷雾风量调节装置，尤其是涉及一种基于植株特征自适应喷雾风量调节装置及方法。

背景技术

果树、花卉等植株在生长过程中呈现不同的外形特征，其枝叶的疏密程度随时间和季节转变而变化。基于红外线、超声波对靶技术设计的风送式喷雾机应用较为广泛，但由于实际操作过程中易受检测环境的影响，如温度、湿度、喷雾机喷药气流等，降低了检测结果的精确度，从而影响其喷药的效果和效率。采用此类传感器的风送式喷雾***，由于无法准确获取植株目标各个部分的细节特征，对喷雾风量自适应调节考虑较少，容易在植株目标枝叶稀疏部分存在雾滴漂移的问题，影响了植株冠层喷雾药液的沉降量。

专利号为201210549172.5公开了一种带风机转速手动调节装置的果园喷药机，通过安装在控制台上的控制装置以及显示的相关信息，操作人员可以随时调整风机转速的大小，改变风机的风量和风速。专利号为201210549173.X公开了一种风机转速可控式果园喷药机，通过发电机为两组风机提供电力，由超声波传感器与速度传感器信号调节风机转速大小，改变风机的风量和风速。这两种方法都是通过改变风机转速大小实现风量调节，但是在拖拉机通过发电机产生电能然后再通过电动机产生风能的过程中，存在两次能量转换，容易造成能量损耗问题，同时需要额外的大功率风机驱动模块及相应的控制电路。

专利号为201210545679.3公开了一种风送式喷雾机风量调节装置，可以根据果树的树冠大小调整风送式喷雾机出风口的面积大小，改变风送喷雾机风量的大小。专利号为201210549174.4公开了一种对靶喷雾机风量自动调节装置，可以根据自动探测果树的树冠大小自动控制调整风送式喷雾机出风口的面积大小，改变风速喷雾机风量的大小。这两种方法都是通过改变出风口的面积大小来实现风量调节，由步进电机驱动两块挡板开合控制出风口的大小，从而控制出口风量。但是此装置结构较为复杂，当出风口逐渐减小时，风机负荷增大，导致风机效率降低。

专利号为201210545207.8公开了一种进风口自动调控式对靶喷雾机，可以根据探测到的果树树冠大小和拖拉机的作业速度来自动调整风送式喷雾机进风口的面积大小，改变风送喷雾机进风量的大小，从而调整出风量的大小。该方法通过步进电机驱动一块位于进风口的挡板转动，实现风口面积大小的控制，达到进口风量的控制目的。但是此方法在进风口面积变小的情况下，风机负荷增大，出风量反而减小，导致风机效率降低。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明设计了一种基于植株特征自适应喷雾风量调节装置及方法，采用高精度、扫描角度宽达270°的高速激光传感器对喷雾机两侧植株目标进行扫描，结合速度传感器获取植株三维信息，根据各个五指喷头对应区域目标特征进行自适应调节五指喷头出风量，减少对于枝叶稀疏植株目标雾滴漂移，增加枝叶茂密植株目标内部雾滴的附着率，提高喷雾利用率。

本发明的装置的技术方案为：

一种基于植株特征自适应喷雾风量调节装置，包括喷雾风量调节部件组、风量调节控制单元；所述喷雾风量调节部件组包括PTO驱动的风机、主风道软管、汇流软管、导流管、五指喷头、空气喷嘴；所述PTO驱动的风机和两个主风道软管的进入口相连通，所述位于喷雾机两侧的主风道软管分别和各个五指喷头相连通，且主风道软管上靠近各个五指喷头的连接管路上均设置有导流支路，导流支路由导流管和其上的电磁阀构成，所述导流管的输出端均连接到汇流软管；所述汇流软管还和空气喷嘴相连接；所述风量调节控制单元包括触摸屏、激光传感器、速度传感器、ARM Cortex控制器、嵌入式PC/104计算机；所述嵌入式PC/104计算机分别和触摸屏、激光传感器、速度传感器、ARM Cortex控制器相连接，所述ARMCortex控制器连接电磁阀驱动模块，所述电磁阀驱动模块连接电磁阀，用于控制五指喷头的风量；所述触摸屏为人机操作界面，用于参数设置、状态显示、指令输入；所述激光传感器用于扫描两侧植株目标，通过高速数据接口传送给嵌入式计算机；所述速度传感器用于实时获取喷雾速度；所述嵌入式PC/104计算机通过读取激光传感器的扫描数据，结合速度传感器回传的实时速度信息，获取植株目标三维特征，再根据五指喷头的空间位置进行区域分割，分别计算出各个五指喷头对应的植株目标区域特征，形成对应的风量控制指令。

进一步，所述导流管安装在距离五指喷头进风口15cm处与五指喷头水平方向成30°夹角，离所述主风道软管30cm。

进一步，所述雷达速度传感器位于喷雾机底部与水平地面成35°夹角，距离地面的垂直高度为66cm。

进一步，所述电磁阀采用脉宽调制，用以独立控制各个五指喷头风量大小输出。

进一步，所述嵌入式PC/104计算机通过CAN总线连接ARM Cortex控制器。

本发明的方法的技术方案为：

一种基于植株特征自适应喷雾风量调节方法，包括步骤：

步骤1，设定触摸屏喷雾的相关参数，并给出开始喷雾指令；

步骤2，喷雾机在行驶过程中，激光传感器首先扫描左右两侧的植株目标，并由嵌入式PC/104计算机通过高速数据接口读取植株扫描数据，同时读取速度传感器实时速度信息；

步骤3，由嵌入式PC/104计算机根据植株扫描数据和实时速度信息，计算获取植株目标三维特征，再根据五指喷头的空间位置进行区域分割，分别计算出各个五指喷头对应的植株目标区域特征，形成对应的风量控制指令；

步骤4，根据实时速度计算五指喷头到达目标区域的时间；通过延迟后，由CAN总线发送给ARM Cortex控制器，再由ARM Cortex控制器采用PWM控制技术分别控制各个导流管上的电磁阀驱动的占空比，实现对每个五指喷头的风量调节，使对应五指喷头达到目标位置时的风量输出正好是激光传感器之前获取数据后计算获得输出风量，实现每个五指喷头基于植株特征自适应调节风量的目的。

本发明的有益效果是：本发明设计的装置能够根据各个五指喷头对应区域的植株特征自适应调节对应五指喷头的出风量，对风机出风量和进风量影响较小；各个五指喷头风量调节独立，调节过程中互不影响；采用PWM驱动电磁阀实现风量调节，具有响应速度快、结构简单、实现较为容易的特点；分流后的风量汇集到激光传感器的上方，可用于清洁激光传感器，防止灰尘附着于激光传感器表面。此发明对于一颗植株不同的枝叶密度区域各个五指喷头风量调节自适应变化，枝叶稀疏区域减少了雾滴漂移，枝叶茂密区域加大了雾滴的穿透性，增加了植株内部雾滴的附着率，提高雾滴利用率，减少环境污染，具有较好的实用价值。同时，由此获取的枝叶密度信息可用于各个喷嘴的变量喷雾，实现基于植株特征独立喷嘴变量喷雾，将会大大节约农药使用量。

附图说明

图1是基于植株特征自适应喷雾风量调节装置结构示意图；

图2是基于植株特征自适应喷雾风量调节装置的智能变量喷雾机示意图；

图3是基于植株特征自适应喷雾风量调节装置控制原理图。

图中，1为PTO驱动的风机，2为主风道软管，3为五指喷头，4为控制风量的电磁阀，5为汇流软管，6为空气喷嘴，7为激光传感器，8为导流管，9为触摸屏，10为线缆连接器，11为压力传感器，12为控制喷嘴流量的电磁阀，13为速度传感器，14为喷雾机流量传感器，15为ARM Cortex控制器，16为嵌入式PC/104计算机。

具体实施方式

下面结合附图和实例进一步说明本发明的实质内容，但本发明内容并不限于此。

如图1所示，本发明为一种基于植株特征自适应喷雾风量调节装置，主要包括喷雾机左右两侧的五指喷头3，PTO驱动的风机1，连接五指喷头3与风机出风口的主风道软管2，在导流管8上用于控制五指喷头风量的电磁阀4，连接电磁阀输出风量的导流管8，连接左右两侧汇流软管的空气喷嘴6，安装于喷雾机前端的激光传感器7，安装于驾驶室内的触摸屏9，安装于喷雾机底部的雷达速度传感器13，用于风量及变量喷雾控制的ARM Cortex控制器15，连接触摸屏、激光传感器、速度传感器和ARM Cortex控制器的嵌入式PC/104计算机16。

所述导流管8安装在距离五指喷头进风口15cm处与五指喷头3水平方向成30°夹角，与主风道软管2距离为30cm。五指喷头3进风道的相对独立，在电磁阀4进行风量调节输出时，减少了彼此之间的影响。

所述激光传感器7位于喷雾机前端，采用水平安装形式，利用其270°的扫描角度可同时扫描左右两侧植株。

所述速度传感器13采用高精度车载雷达速度传感器，位于喷雾机底部与水平地面形成35°夹角，距离地面垂直高度为66cm。传感器在安装后进行了场地校准和标定，能够达到较高的使用精度，保证所获取喷雾速度的精确度及可靠性。

所述PC/104计算机16通过高速通信方式读取激光传感器7的扫描数据信息和雷达速度传感器13的速度信息，计算获取植株目标三维信息，再根据五指喷头的空间位置进行区域分割，获取各个五指喷头对应的植株目标区域特征，形成对应的风量控制指令，通过CAN总线发送给ARM Cortex控制器15，再由ARM Cortex控制器15控制电磁阀4。

所述电磁阀4采用脉宽调制技术(PWM)独立控制各个五指喷头3输出风量的大小。

所述电磁阀4根据每个五指喷头3所对应的喷施区间内植株目标的分布特征，独立控制对应五指喷头3的输出风量。

所述各个电磁阀4控制导流管8的输出风量并通过软管5连接到激光传感器7上方的空气喷嘴6，形成气流风幕，防止灰尘影响激光传感器7性能。

如图2所示，此风量调节装置位于喷雾机后侧。触摸屏9、嵌入式PC/104计算机16安装于驾驶室内，通过线缆连接器10与ARM Cortex控制器15相连；激光传感器7水平安装在一块垂直的铝板上，位于喷雾机的前方；控制输出的风量通过软管汇集到空气喷嘴6，形成气流风幕，阻止灰尘污染激光传感器，同时也能吹走激光传感器上的灰尘。40路电磁阀组12用于分别控制五指喷头内的各个喷嘴的流量，实现喷嘴变流量独立控制；压力传感器11和流量传感器14用于喷雾过程中流量控制与监控。

如图3所示，为本发明风量调节装置控制原理图。触摸屏9为人机操作界面，用于参数设置、状态显示、指令输入等；激光传感器7用于扫描两侧植株目标，通过高速数据接口传送给嵌入式计算机；速度传感器13用于实时获取喷雾速度，并同步更新到嵌入式计算机；嵌入式PC/104计算机16是喷雾机***的主要控制核心，用于运行数据分析、特征提取及控制算法；计算完成的控制算法通过CAN总线发送给ARM Cortex控制器15，ARM控制器解析控制指令形成各个风量控制电磁阀的PWM驱动信号，经过电磁阀驱动模块实现对电磁阀4的风量控制。

本发明在喷施过程中，先通过驾驶室内的触摸屏设置好喷雾的相关参数，并给出开始喷雾指令。喷雾机在行驶过程中，激光传感器首先扫描左右两侧的植株目标，并由嵌入式PC/104计算机通过高速数据接口读取植株扫描数据，同时读取速度传感器13实时速度信息，由算法程序据此些信息计算获取植株目标三维特征，再根据五指喷头的空间位置进行区域分割，分别计算出各个五指喷头对应的植株目标区域特征，形成对应的风量控制指令；根据实时速度，计算喷头到达目标区域的时间；通过延迟后，由CAN总线发送给ARMCortex控制器，再由ARM Cortex控制器采用PWM控制技术分别控制各个导流管上的电磁阀驱动的占空比，实现每个五指喷头风量调节，使对应五指喷头达到目标位置时的风量输出正好是激光扫描传感器之前获取数据后计算获得输出风量，实现每个五指喷头基于植株特征自适应调节风量的目的。

本发明采用的电磁阀独立控制五指喷头的输出风量装置，结构简单、控制过程响应速度快、实时性好、控制简单，能够较好实现针对植株局部特征进行独立风量调节，在枝叶稀疏部分减少了雾滴漂移，植株枝叶茂密部分加大雾滴的穿透性，增加了植株内部雾滴的附着率。

最后应当说明的是，以上实例仅用于说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种基于植株特征自适应喷雾风量调节装置，其特征在于：包括喷雾风量调节部件组、风量调节控制单元；

所述喷雾风量调节部件组包括PTO驱动的风机(1)、主风道软管(2)、汇流软管(5)、导流管(8)、五指喷头(3)、空气喷嘴(6)；所述PTO驱动的风机(1)和两个主风道软管(2)的进入口相连通，位于喷雾机两侧的主风道软管(2)分别和各个五指喷头(3)相连通，且主风道软管(2)上靠近各个五指喷头(3)的连接管路上均设置有导流支路，导流支路由导流管(8)和其上的电磁阀(4)构成，所述导流管(8)的输出端均连通到汇流软管(5)上，所述汇流软管(5)还和空气喷嘴(6)相连通；

所述风量调节控制单元包括触摸屏(9)、激光传感器(7)、速度传感器(13)、ARM Cortex控制器(15)、嵌入式PC/104计算机(16)；所述嵌入式PC/104计算机(16)分别和触摸屏(9)、激光传感器(7)、速度传感器(13)、ARM Cortex控制器(15)相连接，所述ARM Cortex控制器(15)连接电磁阀驱动模块，所述电磁阀驱动模块连接电磁阀(4)，用于控制五指喷头的风量；所述触摸屏(9)为人机操作界面，用于参数设置、状态显示、指令输入；所述激光传感器(7)用于扫描两侧植株目标，通过高速数据接口传送给嵌入式PC/104计算机；所述速度传感器(13)用于实时获取喷雾速度；所述嵌入式PC/104计算机(16)用以计算出各个五指喷头对应的植株目标区域特征，形成对应的风量控制指令。

2.根据权利要求1所述的一种基于植株特征自适应喷雾风量调节装置，其特征在于：所述导流管(8)安装在距离五指喷头进风口15cm处与五指喷头(3)水平方向成30°夹角，离所述主风道软管(2)30cm。

3.根据权利要求1所述的一种基于植株特征自适应喷雾风量调节装置，其特征在于：速度传感器(13)位于喷雾机底部与水平地面成35°夹角，距离地面的垂直高度为66cm。

4.根据权利要求1所述的一种基于植株特征自适应喷雾风量调节装置，其特征在于：所述电磁阀(4)采用脉宽调制，用以独立控制各个五指喷头(3)风量大小输出。

5.根据权利要求1所述的一种基于植株特征自适应喷雾风量调节装置，其特征在于：所述嵌入式PC/104计算机(16)通过CAN总线连接ARM Cortex控制器(15)。

6.一种基于植株特征自适应喷雾风量调节方法，其特征在于，包括步骤：

步骤1，设定触摸屏(9)喷雾的相关参数，并给出开始喷雾指令；

步骤2，喷雾机在行驶过程中，激光传感器(7)首先扫描左右两侧的植株目标，并由嵌入式PC/104计算机(16)通过高速数据接口读取植株扫描数据，同时读取速度传感器(13)实时速度信息；

步骤3，由嵌入式PC/104计算机(16)根据植株扫描数据和实时速度信息计算获取植株目标三维特征，再根据五指喷头的空间位置进行区域分割，分别计算出各个五指喷头对应的植株目标区域特征，形成对应的风量控制指令；

步骤4，根据实时速度计算五指喷头(3)到达目标区域的时间；通过延迟后，由CAN总线发送给ARM Cortex控制器(15)，再由ARM Cortex控制器(15)采用PWM控制技术分别控制各个导流管上的电磁阀驱动的占空比，实现对每个五指喷头(3)的风量调节，使对应五指喷头(3)达到目标位置时的风量输出正好是激光传感器(7)之前获取数据后计算获得输出风量。