CN104686481A - 一种用于变量喷药的喷药机械车速自动控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于变量喷药的喷药机械车速自动控制装置，该装置包括车速控制器、车速检测传感器、药液流量传感器、直流电机、传动机构和喷药机械油门操纵手柄，所述车速检测传感器和药液流量传感器的输出端与车速控制器的输入端连接，所述车速控制器的输出端与直流电机的输入端连接，所述直流电机通过传动机构与喷药机械油门操纵手柄连接。本发明还提供一种用于变量喷药的喷药机械车速自动控制装置的控制方法。本发明适用于轮式拖拉机牵引的快速变量喷药，控制精准、喷药均匀、操作简便。

Description

一种用于变量喷药的喷药机械车速自动控制装置及方法

技术领域

本发明涉及变量喷药自动控制技术领域，具体是一种用于变量喷药的喷药机械车速自动控制装置及方法。

背景技术

农业生产中，喷洒农药是植保并获得高产的必要手段。在农业生产越来越向规模化方向发展且劳动力逐渐短缺与人工成本增加的背景下，对农机的需求越来越大。一般经济类作物种植适用自动机械喷药作业，特别是有机农药一般多为液态，依靠压力雾化喷洒，要求雾化效果好、喷洒均匀、适量。然而，单位面积喷药量对于不同的作物、同种作物不同的年龄、季节、病虫害发生程度以及药物种类的不同等都会有所改变。受农业生产效益不高的限制，种植业者又不可能购置很多农机装备备用，最好是一台机械就能完成所有不同需求的作业任务。

根据液态农药喷洒的特点，目前实现变量喷药的解决方案都是基于控制液体流量的方法。其一是依据液体流量与压力有关（正常条件下为正比关系）的原理，通过调节压力来控制喷药量，但是，喷药防治病虫害的效果要好，就需要保证药液具有一定的压力以达到最佳的雾化效果，所以，调节压力固然能达到调节喷药量的目的，但却因为压力的改变不一定能保证达到最佳的雾化效果以有效地防治病虫害。其二是在雾化喷头前端加装脉宽调制电磁阀，通过调节电磁阀的开闭时间来控制喷药量，且不说电磁阀频繁开闭容易损坏，单说电磁阀在开闭之间，喷药流中断不连续，在喷药机械连续行驶过程中，必然产生喷药不均的现象，若要尽量保障喷药均匀，就需要电磁阀开闭频率高，但实验表明，在压力较高的情况下，流量调节的范围很有限。再说，用上述两种方法调节控制喷药量，还要求喷药机械行驶速度上的精准配合，依赖人工操作精准控制喷药机械的行驶速度是不容易做到的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于变量喷药的喷药机械车速自动控制装置及方法，通过精准控制喷药机械的行驶速度，实现快速变量喷药，控制精准、喷药均匀、劳动强度低。

本发明的技术方案为：

一种用于变量喷药的喷药机械车速自动控制装置，该装置包括车速控制器、车速检测传感器、药液流量传感器、直流电机、传动机构和喷药机械油门操纵手柄，所述车速检测传感器和药液流量传感器的输出端与车速控制器的输入端连接，所述车速控制器的输出端与直流电机的输入端连接，所述直流电机通过传动机构与喷药机械油门操纵手柄连接。

所述的用于变量喷药的喷药机械车速自动控制装置，该装置还包括第一限位开关和第二限位开关，所述第一限位开关和第二限位开关分别设置在喷药机械油门操纵手柄运动到达的两个极限位置，所述第一限位开关和第二限位开关的输出端与车速控制器的输入端连接。

所述的用于变量喷药的喷药机械车速自动控制装置，该装置还包括药液压力传感器，所述药液压力传感器的输出端与车速控制器的输入端连接。

所述的用于变量喷药的喷药机械车速自动控制装置，所述车速控制器包括主控模块和控制面板，所述控制面板上设有功能键和液晶显示屏，所述功能键的输出端与主控模块的输入端连接，所述主控模块的输出端与液晶显示屏的输入端连接。

所述的用于变量喷药的喷药机械车速自动控制装置，所述传动机构包括传动螺杆和传动螺母，所述传动螺母套设在传动螺杆上；所述直流电机的转轴与传动螺杆相连，所述喷药机械油门操纵手柄与传动螺母相连。

所述的用于变量喷药的喷药机械车速自动控制装置，所述功能键包括电源开关键、参数设置键、数字0～9和小数点键、参数输入确认键、返回键、设置结束键、车速自动控制启动键和车速自动控制结束键。

所述的用于变量喷药的喷药机械车速自动控制装置，所述传动螺杆的一端架设在第一支座上，另一端穿过第二支座与直流电机的转轴相连，所述直流电机设置在第三支座上。

所述的一种用于变量喷药的喷药机械车速自动控制装置的控制方法，该方法包括以下步骤：

（1）车速控制器根据预设的喷药机械喷药作业宽度和单位面积需求的喷药量以及设置在喷药机械上的雾化喷头的喷药速度、雾化喷头的数量，计算出喷药机械的初始行驶速度；

（2）在喷药作业过程中，车速控制器根据预设的喷药机械喷药作业宽度和单位面积需求的喷药量以及药液流量传感器获取的雾化喷头的实时喷药流量、雾化喷头的数量，计算出喷药机械的目标行驶速度；

（3）车速控制器将车速检测传感器获取的喷药机械的实时行驶速度与计算出的目标行驶速度进行比较，向直流电机发出加大或者减小油门的指令，直流电机的转轴通过传动机构带动喷药机械油门操纵手柄一起运动，对喷药机械的实时行驶速度进行调节。

所述的用于变量喷药的喷药机械车速自动控制装置的控制方法，所述步骤（1）中，车速控制器采用以下公式对喷药机械的初始行驶速度进行计算：

v=666.67qn/Qw

其中，v表示喷药机械的初始行驶速度，单位：m/min；q表示雾化喷头的喷药速度，单位：L/min；n表示雾化喷头的数量；Q表示单位面积需求的喷药量，单位：L/亩；w表示喷药机械喷药作业宽度，单位：m。

    所述的用于变量喷药的喷药机械车速自动控制装置的控制方法，该方法还包括：车速控制器将雾化喷头的实时喷药流量和喷药压力与预设的正常范围值进行比较，若超出正常范围值，则给出提示和报警。

本发明的有益效果为：

（1）本发明通过自动控制喷药机械的行驶速度以适应单位面积需求的喷药量的变化，喷药机械的行驶速度由单位面积需求的喷药量、喷药流量和喷药作业宽度确定，在喷药流量（由喷头机械结构和药液压力决定）和喷药作业宽度确定的条件下，喷药机械的行驶速度由单位面积需求的喷药量唯一决定，喷药机械的行驶速度调节范围宽，因此适应的单位面积需求的喷药量变化范围大。

（2）本发明自动控制喷药机械的行驶速度，避免了人为控制的不准确和波动，而且还可以依据喷药流量实时调整喷药机械的行驶速度，具有喷药均匀的优点。

（3）本发明具有喷药流量、喷药压力自动监测以及异常报警功能，给操作人员带来了方便，减轻了劳动强度。

附图说明

    图1是本发明的装置结构示意图；

图2是本发明的车速控制器操作面板结构示意图；

图3是本发明的装置信号传输关系示意框图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。

如图1～图3所示，一种用于变量喷药的喷药机械车速自动控制装置，包括喷药机械油门操纵手柄1、传动螺母2、传动螺杆3、直流电机4、第一限位开关5、第二限位开关6、车速控制器7、车速检测传感器8、药液流量传感器9、药液压力传感器10、第一支座11、第二支座12和第三支座13。传动螺母2和传动螺杆3构成传动机构。第一限位开关5和第二限位开关6分别设置在喷药机械油门操纵手柄1运动到达的前后极限位置。车速控制器7包括主控模块71以及设置在操作面板70上的功能键72和液晶显示屏73，其中，功能键72包括电源开关键721、参数设置键722、数字0～9和小数点键723、参数输入确认键724、返回键725、设置结束键726、车速自动控制启动键727和车速自动控制结束键727。

车速检测传感器8的输出端与主控模块71的输入端连接；药液流量传感器9的输出端与主控模块71的输入端连接；药液压力传感器10的输出端与主控模块71的输入端连接；功能键72的输出端与主控模块71的输入端连接；主控模块71的输出端与液晶显示屏73的输入端连接；第一限位开关5的输出端与主控模块71的输入端连接；第二限位开关6的输出端与主控模块71的输入端连接；主控模块71的输出端与直流电机4的输入端连接。直流电机4设置在喷药机械（如拖拉机）驾驶室内适当位置并固定在第三支座13上；喷药机械油门操纵手柄1与传动螺母2相连；传动螺母2套设在传动螺杆3上，其内螺纹与传动螺杆3的外螺纹相啮合；传动螺杆3的一端架设在第一支座11上，另一端穿过第二支座12与直流电机4的转轴相连；第一限位开关5设置在第一支座11上，第二限位开关6设置在第二支座12上。

一种用于变量喷药的喷药机械车速自动控制装置的控制方法，包括以下步骤：

S1、车速控制器7的主控模块71根据预设的喷药机械喷药作业宽度和单位面积需求的喷药量以及设置在喷药机械上的雾化喷头的喷药速度、雾化喷头的数量，计算出喷药机械的初始行驶速度；

S2、在喷药作业过程中，主控模块71根据预设的喷药机械喷药作业宽度和单位面积需求的喷药量以及药液流量传感器9获取的雾化喷头的实时喷药流量、雾化喷头的数量，计算出喷药机械的目标行驶速度；

S3、主控模块71将车速检测传感器8获取的喷药机械的实时行驶速度与计算出的目标行驶速度进行比较，向直流电机4发出加大或者减小油门的指令，直流电机4的转轴通过传动螺杆3和传动螺母2带动喷药机械油门操纵手柄1一起运动，对喷药机械的实时行驶速度进行调节。

本发明的工作原理为：

当直流电机4在控制信号作用下通电工作时，直流电机4的转轴带动传动螺杆3一起转动，传动螺杆3的转动使得传动螺母2沿着螺纹的方向移动并带动与其连接在一起的喷药机械油门操纵手柄1运动，从而可以调节并控制喷药机械的行驶速度。当喷药机械油门操纵手柄1运动到极限位置时，第一限位开关5或第二限位开关6向车速控制器7的主控模块71发出信号，主控模块71立即停止直流电机4的工作，以对直流电机4进行保护。

电源开关键721用于开启或关闭车速控制器7，车速控制器7开启后，主控模块71自动运行检测与控制程序，按下参数设置键722设置喷药作业参数，需要设置的参数在液晶显示屏73上依次提示，分别为单位面积需求的喷药量、单个雾化喷头的喷药流量、雾化喷头的数量以及喷药作业宽度等，用数字0～9和小数点键723输入参数值，按下参数输入确认键724后，主控模块71自动更新并保存该输入参数，并在液晶显示屏73上显示已输入的设定值；若需要修改参数设定值，可用返回键725返回修改参数，当所有参数设置完成后，按下设置结束键726，此时主控模块71根据设置参数进行计算并在液晶显示屏14上显示出计算结果，分别是喷药机械行驶速度以及根据喷药机械行驶速度得到的喷药机械主变速操纵杆档位和喷药机械从变速操纵杆档位。

车速检测传感器8用于在喷药作业过程中实时检测喷药机械的行驶速度，药液流量传感器9用于在喷药作业过程中实时检测雾化喷头的喷药流量，药液压力传感器10用于在喷药作业过程中实时检测雾化喷头的喷药压力。车速检测传感器8获取的实时车速与控制目标车速在车速控制器7中进行比较并作出决策，由车速控制器7发出加大还是减小油门的指令，控制喷药机械的行驶速度逐渐趋向目标行驶速度。

喷药机械的目标行驶速度是依据单位面积需求的喷药量、喷药作业宽度和喷药流量计算出来的，药液流量传感器9可获取实时的喷药流量，用于修正喷药机械的行驶速度，以保证喷药均匀，达到设置的单位面积需求的喷药量，这是因为雾化喷头的喷药流量受压力的影响，所以雾化喷头参数只能作为初始参考值，还需要药液流量传感器9检测实际的喷药流量。药液流量传感器9和药液压力传感器10还用于监测喷药流量和喷药压力是否超出正常范围值，若超出正常范围值，则由车速控制器7给出提示和报警，为喷药机械的正常作业提供保障。

本发明的变量喷药车速控制原理为：

设雾化喷头的喷药速度（生产商会给出在某个压力下的喷雾流速）为q（L/min），喷药机械的雾化喷头数量为n（个），喷药机械喷药作业宽度为w（m），单位面积需求的喷药量为Q（L/亩），喷药机械的初始行驶速度为v（m/min），则它们之间的关系为：

v=666.67qn/Qw（m/min）………………（1）

或

v=40qn/Qw（km/h）………………（2）

由此可见，给定了雾化喷头的喷药速度q、喷药机械的雾化喷头数量n、喷药机械喷药作业宽度w和单位面积需求的喷药量Q后，就可以由（1）式或（2）式计算出喷药机械的初始行驶速度v。

在实际喷药作业过程中，依据设置的喷药机械喷药作业宽度、单位面积需求的喷药量和药液流量传感器9检测的喷药流量计算并控制喷药机械的行驶速度。计算时，可以采用上述（1）式或（2）式，将雾化喷头的喷药速度q替换成药液流量传感器9检测的雾化喷头的实时喷药流量即可。本发明适用于轮式拖拉机牵引的快速变量喷药，控制精准、喷药均匀、操作简便。

以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于变量喷药的喷药机械车速自动控制装置，其特征在于：该装置包括车速控制器、车速检测传感器、药液流量传感器、直流电机、传动机构和喷药机械油门操纵手柄，所述车速检测传感器和药液流量传感器的输出端与车速控制器的输入端连接，所述车速控制器的输出端与直流电机的输入端连接，所述直流电机通过传动机构与喷药机械油门操纵手柄连接。

2.根据权利要求1所述的用于变量喷药的喷药机械车速自动控制装置，其特征在于：该装置还包括第一限位开关和第二限位开关，所述第一限位开关和第二限位开关分别设置在喷药机械油门操纵手柄运动到达的两个极限位置，所述第一限位开关和第二限位开关的输出端与车速控制器的输入端连接。

3.根据权利要求1所述的用于变量喷药的喷药机械车速自动控制装置，其特征在于：该装置还包括药液压力传感器，所述药液压力传感器的输出端与车速控制器的输入端连接。

4.根据权利要求1所述的用于变量喷药的喷药机械车速自动控制装置，其特征在于：所述车速控制器包括主控模块和控制面板，所述控制面板上设有功能键和液晶显示屏，所述功能键的输出端与主控模块的输入端连接，所述主控模块的输出端与液晶显示屏的输入端连接。

5.根据权利要求1所述的用于变量喷药的喷药机械车速自动控制装置，其特征在于：所述传动机构包括传动螺杆和传动螺母，所述传动螺母套设在传动螺杆上；所述直流电机的转轴与传动螺杆相连，所述喷药机械油门操纵手柄与传动螺母相连。

6.根据权利要求4所述的用于变量喷药的喷药机械车速自动控制装置，其特征在于：所述功能键包括电源开关键、参数设置键、数字0～9和小数点键、参数输入确认键、返回键、设置结束键、车速自动控制启动键和车速自动控制结束键。

7.根据权利要求5所述的用于变量喷药的喷药机械车速自动控制装置，其特征在于：所述传动螺杆的一端架设在第一支座上，另一端穿过第二支座与直流电机的转轴相连，所述直流电机设置在第三支座上。

8.根据权利要求1所述的一种用于变量喷药的喷药机械车速自动控制装置的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

（1）车速控制器根据预设的喷药机械喷药作业宽度和单位面积需求的喷药量以及设置在喷药机械上的雾化喷头的喷药速度、雾化喷头的数量，计算出喷药机械的初始行驶速度；

（2）在喷药作业过程中，车速控制器根据预设的喷药机械喷药作业宽度和单位面积需求的喷药量以及药液流量传感器获取的雾化喷头的实时喷药流量、雾化喷头的数量，计算出喷药机械的目标行驶速度；

（3）车速控制器将车速检测传感器获取的喷药机械的实时行驶速度与计算出的目标行驶速度进行比较，向直流电机发出加大或者减小油门的指令，直流电机的转轴通过传动机构带动喷药机械油门操纵手柄一起运动，对喷药机械的实时行驶速度进行调节。

9.根据权利要求8所述的用于变量喷药的喷药机械车速自动控制装置的控制方法，其特征在于，所述步骤（1）中，车速控制器采用以下公式对喷药机械的初始行驶速度进行计算：

v=666.67qn/Qw

其中，v表示喷药机械的初始行驶速度，单位：m/min；q表示雾化喷头的喷药速度，单位：L/min；n表示雾化喷头的数量；Q表示单位面积需求的喷药量，单位：L/亩；w表示喷药机械喷药作业宽度，单位：m。

10.   根据权利要求8所述的用于变量喷药的喷药机械车速自动控制装置的控制方法，其特征在于，该方法还包括：车速控制器将雾化喷头的实时喷药流量和喷药压力与预设的正常范围值进行比较，若超出正常范围值，则给出提示和报警。