CN104904698A - 一种基于植株特征的风送式柔性喷雾装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于植株特征的风送式柔性喷雾装置及其控制方法，它由五指喷头、支架、固定横杆、风道软管、步进电机丝杆滑台导轨、管道卡件、固定用螺栓、螺母以及测量与控制***构成。其特征是：采用激光传感器实时准确检测目标植株，结合喷施速度获得目标植株的有无、大小、形状和枝叶密度等信息，根据植株特征信息，由控制***控制喷嘴跟踪机构实时调整8组五指喷头的上下位置，使其保持在最佳的喷雾位置执行喷雾，从而提高了喷雾施药的精确度，极大地降低了施药量，达到了增加植株冠层药液沉积量、提高喷雾效率、保护生态环境的目的。

Description

一种基于植株特征的风送式柔性喷雾装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种喷雾装置，尤其是涉及一种基于植株特征的风送式柔性喷雾装置及其控制方法。

背景技术

目前我国的喷雾施药技术还比较落后，致使农药的利用效率较低，大部分的农药流失在周围环境中，造成了农药的浪费以及环境的污染。提高植保机械技术水平，进行高效、低污染施药技术的研究是一项迫切的任务。精密变量喷雾作为一种先进的农业施药技术，能够根据农作物目标有无及特征的变化，选择性地喷雾施药，在农业中已逐步得到推广。如能控制喷雾机喷嘴组根据植株的特征信息自动调整喷雾的上下位置，使其在理想的喷雾高度喷施，则可以提高农药的利用效率、减少农药的浪费、减轻环境的污染，同时有助于提高农业的自动化水平以及农业的可持续发展。

发明内容

本发明的目的在于设计了一种依据植株特征的，能提高农药利用效率、减少农药的浪费、减轻环境污染的风送式柔性喷雾装置及其控制方法。

本发明的装置的技术方案为：

一种基于植株特征的风送式柔性喷雾装置，包括五指喷头自动跟踪机构、测量与控制***；所述五指喷头自动跟踪机构包括五指喷头、支架、固定横杆、风道软管、步进电机丝杆滑台导轨、管道夹件；两根竖直支架与两根固定横杆通过螺栓螺母紧密连接，共有四个连接点，每根固定横杆通过螺栓水平固定在喷雾机上；多个所述的风道软管分别与多组五指喷头一对一相连通，并且将其通过管道卡件固定在步进电机丝杆滑台导轨的滑块上，管道卡件与滑块通过螺栓加以固定；多组五指喷头、风道软管以及步进电机丝杆滑台导轨的组合分成左右两排，分别固定在两边的支架上；所述测量与控制***包括激光传感器、嵌入式控制单元、触摸屏、信息采集模块、速度传感器、压力传感器、流量传感器、喷雾控制模块、直流步进电机驱动模块、直流步进电机A1～A8、多路PWM电磁阀驱动模块、电磁阀；所述激光传感器、触摸屏、信息采集模块以及喷雾控制模块都与嵌入式控制单元相连，所述信息采集模块分别和速度传感器、压力传感器、流量传感器相连，所述的直流步进电机驱动模块以及多路PWM电磁阀驱动模块包含在喷雾控制模块内，所述直流步进电机驱动模块同直流步进电机A1～A8相连，所述多路PWM电磁阀驱动模块和电磁阀相连。

进一步，所述步进电机丝杆滑台导轨在控制***的控制下实时调整五指喷头与风道软管连接体的上下位置。

进一步，所述管道卡件将五指喷头和风道软管的连接体沿五指喷头的末端通过四个螺栓固定在步进电机丝杆滑台导轨的滑块上，使滑块与五指喷头具有一体性，滑块与五指喷头上下位置的调整具有同步性。

进一步，所述步进电机丝杆滑台导轨通过四个螺栓竖直固定在在支架上，且滑块卡在步进电机丝杆滑台导轨的底座凹槽中，五指喷头只能跟随滑块沿竖直方向进行上下位置的调整。

进一步，所述五指喷头、风道软管、步进电机丝杆滑台导轨均各为八个，通过组合均匀分成左右两排，通过螺栓固定在两边的支架上。

本发明的方法技术方案为：一种基于植株特征的风送式柔性喷雾装置的控制方法，包括如下步骤：

步骤1，激光传感器不断对两侧空间进行扫描，获取两侧植株距离数据信息，扫描后的数据传输给嵌入式控制单元；

步骤2，嵌入式控制单元对检测到的数据进行处理，剔除无用数据信息，保留目标植株的距离信息，再据此信息结合喷施速度获得目标植株的大小、形状以及各个部分的枝叶密度信息，并且计算出喷雾延迟时间；

步骤3，在喷雾架到达目标植株位置之前，嵌入式控制单元根据目标植株特征信息对直流步进电机驱动模块进行控制，进而控制直流步进电机，使得各组五指喷头处于最佳的喷雾高度，在喷雾开始时实现精确对靶；

步骤4，延迟时间结束时，嵌入式控制单元根据目标植株的特征信息结合压力传感器、流量传感器的反馈信息对多路PWM电磁阀驱动模块进行控制，实现变量喷雾的目的。

进一步，所述步骤1中通过激光传感器的检测以及嵌入式控制单元的数据处理分析，获取目标植株的特征信息，喷雾控制模块根据植株的特征信息通过控制步进电机丝杆滑台导轨的直流步进电机来控制五指喷头的上下位置。

进一步，所述步骤1-4中嵌入式控制单元有以下判断过程：

激光传感器不断对两边的植株进行扫描，若在植株行间检测不到目标植株的存在，即所检测的数据均为无用数据时，则不进行喷雾；

若激光传感器检测到的数据包含有用数据时，通过算法剔除无用数据，进而通过对有用数据处理获得植株的特征信息，控制单元根据目标植株的特征信息控制各组五指喷头进行上下位置调整并实施变量喷雾；

五指喷头跟踪目标过程中，当目标植株的上下枝叶密度相对均匀时，控制单元根据植株的大小、形状信息对植株对应侧的四组五指喷头进行上下位置调整，使得四组五指喷头在能保证目标植株待喷雾区域全部覆盖的情况下沿目标植株待喷雾区域竖直方向均匀分布；

当目标植株上下枝叶密度较不均匀时，控制单元根据目标植株枝叶密度分布特点控制目标植株相应侧的四组五指喷头组合向植株枝叶密度较大处进行一定范围的上下位置调整，同时遵循喷雾能够覆盖目标植株全部待喷雾区域的原则，合理调整目标植株侧的4组五指喷头的高度，达到既能对目标植株密度较大区域进行集中喷雾，又能使目标植株待喷雾区域全部被喷雾范围覆盖的目的。

本发明的有益效果是，一种基于植株特征的风送式柔性喷雾装置，由激光传感器对目标植株进行检测，嵌入式控制单元对检测到的数据分析处理，得出目标植株的大小、形状以及各部分的枝叶密度信息，然后对多组五指喷头所处的上下位置进行调整，使其保持在最佳的喷雾位置，从而提高了喷雾施药的精确度，极大地降低了施药量，达到了增加植株冠层药液沉积量、提高喷雾效率、保护生态环境的目的。通过对五指喷头喷雾高度的调整，使得五指喷头在最佳的喷雾位置进行喷雾，提高了喷雾过程中农药的利用效率，减少了农药的浪费，减轻了环境的污染。

附图说明

图1是一种基于植株特征的风送式柔性喷雾装置喷嘴自动跟踪机构正面结构示意图；

图2是一种基于植株特征的风送式柔性喷雾装置喷嘴自动跟踪机构侧面部分结构示意图；

图3是一种基于植株特征的风送式柔性喷雾装置测量与控制***原理图。

其中：1-五指喷头；2-支架；3-固定横杆；4-风道软管；5-步进电机丝杆滑台导轨；6-管道卡件；7-五指喷头固定螺栓；8-滑台导轨固定螺栓；9-支架固定螺栓；10-横杆固定螺栓；11-支架固定螺母；12-激光传感器；13-嵌入式控制单元；14-触摸屏；15-信息采集模块；16-速度传感器；17-压力传感器；18-流量传感器；19-喷雾控制模块；20-直流步进电机驱动模块；21-直流步进电机A1～A8；22-多路PWM电磁阀驱动模块；23-电磁阀。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明“多个”的含义是两个或两个以上。

如图1所示，一种基于植株特征的风送式柔性喷雾装置喷嘴自动跟踪机构正面结构示意图，由五指喷头1、支架2、固定横杆3、风道软管4、步进电机丝杆滑台导轨5、管道卡件6、五指喷头固定螺栓7、滑台导轨固定螺栓8、支架固定螺栓9、横杆固定螺栓10等部分构成。所述两根支架与两根固定横杆通过支架固定螺栓9相连接，共有四个连接点，且每根固定横杆通过两个横杆固定螺栓10水平固定在喷雾机上，保证两根支架的竖直稳定；8个所述的风道软管与8组五指喷头相连接，并且将每个五指喷头与风道软管的组合通过管道卡件以及4个五指喷头固定螺栓7固定在步进电机丝杆滑台导轨的滑块上，控制***通过控制步进电机丝杆滑台导轨的直流步进电机，进而使得固定有五指喷头的滑块在直流步进电机丝杆滑台导轨上进行上下位置的移动；8个步进电机丝杆滑台导轨同样是分成两排，每排4个，分别用4个螺栓固定在两侧支架上，所以8个五指喷头、风道软管以及步进电机丝杆滑台导轨的组合被固定在支架上。通过以上的机构对喷嘴喷雾高度进行调整，使得各喷嘴处于最佳的喷雾位置，进而执行变量喷雾动作，通过这个过程可以减少农药的浪费、提高农药喷施的效率以及减轻环境的污染。

如图2所示，一种基于植株特征的风送式柔性喷雾装置自动跟踪机构侧面部分结构示意图，由五指喷头1、支架2、固定横杆3、步进电机丝杆滑台导轨5、管道卡件6、五指喷头固定螺栓7、滑台导轨固定螺栓8、支架固定螺栓9以及支架固定螺母11等部分构成。喷嘴自动跟踪机构部分结构示意图清楚地展示出了五指喷头、步进电机丝杆滑台导轨、支架、固定横杆的位置结构关系以及相互之间的连接方式。管道卡件与螺栓将五指喷头固定在步进电机丝杆滑台导轨上的滑块上，使滑块与五指喷头具有一体性，则滑块与五指喷头上下位置的调整具有同步性。步进电机丝杆滑台导轨同样通过螺栓固定在支架的外侧，即五指喷头、风道软管以及步进电机丝杆滑台导轨5的组合通过螺栓固定在支架外侧。步进电机丝杆滑台导轨通过4个螺栓竖直固定在在支架上，支架通过螺栓与螺母竖直固定在个固定横杆上，且滑块卡在步进电机丝杆滑台导轨5的底座凹槽中，故五指喷头只能跟随滑块沿竖直方向进行上下位置的调整。每个五指喷头、风道软管以及步进电机丝杆滑台导轨的组合具有独立性，方便拆卸和安装。

如图3所示，一种基于植株特征的风送式柔性喷雾装置测量与控制***，由激光传感器12、嵌入式控制单元13、触摸屏14、信息采集模块15、速度传感器16、压力传感器17、流量传感器18、喷雾控制模块19、直流步进电机驱动模块20、直流步进电机21、多路PWM电磁阀驱动模块22、电磁阀23等部分组成。

嵌入式控制单元13用于处理检测到的植株距离数据，获取目标植株特征信息，并对直流步进电机以及电磁阀进行控制；激光传感器12用于对两侧植株进行检测，获取目标植株的距离信息；触摸屏14用于人机交互；速度传感器16用于对喷雾机车速度进行实时检测；压力传感器17与流量传感器18用于喷雾参数压力与流量的检测；包含在喷雾控制模块19的直流步进电机驱动模块20以及多路PWM电磁阀驱动模块22分别用于对直流步进电机21以及电磁阀23进行驱动控制。通过激光传感器12不断对两侧植株进行扫描，将扫描到的目标植株距离信息传送给嵌入式控制单元13，嵌入式控制单元13再结合喷施速度获得目标植株大小、形状以及枝叶密度信息，喷雾控制模块19根据目标植株特征信息控制用于调整喷雾高度的直流步进电机21，使得五指喷头处于最佳的喷雾位置，然后控制单元根据目标植株特征信息并结合压力传感器17、流量传感器18反馈的信息对多路PWM电磁阀驱动模块22进行控制，实现变量喷雾。

下面结合图1与图3具体说明本发明的一种基于植株特征的风送式柔性喷雾装置的工作过程。激光传感器不断对两边的植株进行扫描，若在植株行间检测不到目标植株的存在，即所检测的数据均为无用数据时，则不进行喷雾；若激光传感器检测到的数据包含有用数据时，通过算法剔除无用数据，再把有用的数据，即目标植株的距离信息，传输给嵌入式控制单元，嵌入式控制单元再结合喷施速度形成目标植株三维图像，经过特征提取方法计算出目标植株各个部分的枝叶密度信息，从而获得目标植株的大小、形状以及各部分的密度信息，同时结合速度传感器计算处喷雾延迟时间。喷雾延迟时间内，喷雾控制模块根据目标植株的特征信息调整多组五指喷头的上下位置，实现喷嘴自动跟踪目标植株的目的。当目标植株的上下枝叶密度相对均匀时，植株对应侧的四组五指喷头会在控制***的控制下根据植株的大小、形状进行上下位置调整，使得四组五指喷头在能保证目标植株待喷雾区域全部覆盖的情况下沿植株待喷雾区域竖直方向均匀分布；当目标植株上下枝叶密度较不均匀时，喷雾控制模块根据目标植株枝叶密度分布特点控制目标植株相应侧的四组五指喷头组合向植株枝叶密度较大处进行一定范围的上下位置调整，同时遵循喷雾能够覆盖目标植株全部待喷雾区域的原则，合理调整目标植株侧的4组五指喷头的高度，达到既能对目标植株枝叶密度较大区域进行集中喷雾，又能使目标植株待喷雾区域全部被喷雾范围覆盖的目的。喷雾延迟时间结束后，嵌入式控制单元则根据目标植株的特征信息结合压力传感器、流量传感器反馈的信息对多路PWM电磁阀驱动模块进行控制，进行变量喷雾。通过这样的一种基于植株特征的风送式柔性喷雾装置可以提高喷雾过程中农药的利用效率、减少农药的浪费、减轻环境的污染，同时有助于提高农业的自动化水平以及农业的可持续发展。

以上对本发明所提供的基于植株特征的风送式柔性喷雾装置及其方法并对此进行了详细介绍，本文应用了具体个例对本发明的原理和实施方式进行了阐述，所要说明的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于植株特征的风送式柔性喷雾装置，其特征在于，包括五指喷头自动跟踪机构、测量与控制***；

所述五指喷头自动跟踪机构包括五指喷头(1)、支架(2)、固定横杆(3)、风道软管(4)、步进电机丝杆滑台导轨(5)、管道夹件(6)；两根竖直支架(2)与两根固定横杆(3)通过螺栓螺母紧密连接，共有四个连接点，每根固定横杆(3)通过螺栓水平固定在喷雾机上；多个所述的风道软管(4)分别与多组五指喷头(1)一对一相连通，并且将其通过管道卡件(6)固定在步进电机丝杆滑台导轨(5)的滑块上，管道卡件(6)与滑块通过螺栓加以固定；多组五指喷头(1)、风道软管(4)以及步进电机丝杆滑台导轨(5)的组合分成左右两排，分别固定在两边的支架(2)上；

所述测量与控制***包括激光传感器(12)、嵌入式控制单元(13)、触摸屏(14)、信息采集模块(15)、速度传感器(16)、压力传感器(17)、流量传感器(18)、喷雾控制模块(19)、直流步进电机驱动模块(20)、直流步进电机A1～A8(21)、多路PWM电磁阀驱动模块(22)、电磁阀(23)；

所述激光传感器(12)、触摸屏(14)、信息采集模块(15)以及喷雾控制模块(19)都与嵌入式控制单元(13)相连，所述信息采集模块(15)分别和速度传感器(16)、压力传感器(17)、流量传感器(18)相连，所述的直流步进电机驱动模块(20)以及多路PWM电磁阀驱动模块(22)包含在喷雾控制模块(19)内，所述直流步进电机驱动模块(20)同直流步进电机A1～A8(21)相连，所述多路PWM电磁阀驱动模块(22)和电磁阀(23)相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于植株特征的风送式柔性喷雾装置，其特征在于，所述步进电机丝杆滑台导轨(5)在控制***的控制下实时调整五指喷头(1)与风道软管(4)连接体的上下位置。

3.根据权利要求1所述的一种基于植株特征的风送式柔性喷雾装置，其特征在于，所述管道卡件(6)将五指喷头(1)和风道软管(4)的连接体沿五指喷头的末端通过四个螺栓固定在步进电机丝杆滑台导轨(5)的滑块上，使滑块与五指喷头(1)具有一体性，滑块与五指喷头(1)上下位置的调整具有同步性。

4.根据权利要求1所述的一种基于植株特征的风送式柔性喷雾装置，其特征在于，所述步进电机丝杆滑台导轨(5)通过四个螺栓竖直固定在在支架(2)上，且滑块卡在步进电机丝杆滑台导轨(5)的底座凹槽中，五指喷头(1)只能跟随滑块沿竖直方向进行上下位置的调整。

5.根据权利要求1所述的一种基于植株特征的风送式柔性喷雾装置，其特征在于，所述五指喷头(1)、风道软管(4)、步进电机丝杆滑台导轨(5)均各为八个，通过组合均匀分成左右两排，通过螺栓固定在两边的支架(2)上。

6.一种基于权利要求1所述的基于植株特征的风送式柔性喷雾装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，激光传感器(12)不断对两侧空间进行扫描，获取两侧植株的距离数据信息，扫描后的数据传输给嵌入式控制单元(13)；

步骤2，嵌入式控制单元(13)对检测到的数据进行处理，剔除无用数据信息，保留目标植株的距离信息，再据此信息结合喷施速度获得目标植株的大小、形状以及各个部分的枝叶密度信息，并且计算出喷雾延迟时间；

步骤3，在喷雾架到达目标植株位置之前，嵌入式控制单元(13)根据目标植株特征信息对直流步进电机驱动模块进行控制，进而控制直流步进电机(21)，使得各组五指喷头处于最佳的喷雾高度，在喷雾开始时实现精确对靶；

步骤4，延迟时间结束时，嵌入式控制单元(13)根据目标植株的特征信息结合压力传感器(17)、流量传感器(18)的反馈信息对多路PWM电磁阀驱动模块(22)进行控制，实现变量喷雾的目的。

7.根据权利要求6所述的一种基于权利要求1所述的基于植株特征的风送式柔性喷雾装置的控制方法，其特征在于，所述步骤1中通过激光传感器(12)的检测以及嵌入式控制单元(13)的数据处理分析，获取目标植株的特征信息，喷雾控制模块(19)根据植株的特征信息通过控制步进电机丝杆滑台导轨(5)的直流步进电机(21)来控制五指喷头(1)的上下位置。

8.根据权利要求6所述的一种基于权利要求1所述的基于植株特征的风送式柔性喷雾装置的控制方法，其特征在于，所述步骤1-4中嵌入式控制单元(13)有以下判断过程：

激光传感器(12)不断对两边的植株进行扫描，若在植株行间检测不到目标植株的存在，即所检测的数据均为无用数据时，则不进行喷雾；

若激光传感器(12)检测到的数据包含有用数据时，通过算法剔除无用数据，进而通过对有用数据处理获得植株的特征信息，控制单元根据目标植株的特征信息控制各组五指喷头进行上下位置调整并实施变量喷雾；

五指喷头跟踪目标过程中，当目标植株的上下枝叶密度相对均匀时，控制单元根据植株的大小、形状信息对植株对应侧的四组五指喷头进行上下位置调整，使得四组五指喷头在能保证目标植株待喷雾区域全部覆盖的情况下沿目标植株待喷雾区域竖直方向均匀分布；

当目标植株上下枝叶密度较不均匀时，控制单元根据目标植株枝叶密度分布特点控制目标植株相应侧的四组五指喷头组合向植株枝叶密度较大处进行一定范围的上下位置调整，同时遵循喷雾能够覆盖目标植株全部待喷雾区域的原则，合理调整目标植株侧的4组五指喷头的高度，达到既能对目标植株密度较大区域进行集中喷雾，又能使目标植株待喷雾区域全部被喷雾范围覆盖的目的。