CN104982407A - 一种果园自动仿形弥雾施药机及施药控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种果园自动仿形弥雾施药机及施药控制方法。果园自动仿形弥雾施药机由弥雾喷施装置、车体、摆动装置和探测装置组成。小型深度传感器安装于车体前方,在车体行进过程中获取果树的树冠轮廓并完成对其坐标位置、距离与轮廓范围的测量,进而根据树冠轮廓和车身行进速度自动计算电磁阀打开的延迟时间、持续弥雾施药时间、喷筒斜向后的弥雾机摆动规律,从而完成对果树的自动仿形弥雾喷施。通过深度传感器检测和斜向后摆动弥雾喷施解决了仿形施药中树冠检测和喷施实时性差、仿形喷施***复杂和控制难度大的难题,实现了果园仿形施药设备的小型化和轻简化,大大降低了药液消耗和整机成本。

Description

一种果园自动仿形弥雾施药机及施药控制方法
所属技术领域
本发明涉及农业装备领域,具体涉及一种果园自动仿形弥雾施药机及控制方法。
背景技术
鉴于连续喷施所造成的农药浪费巨大、面源污染严重等问题,更精确高效的对靶与仿形喷施技术已经成为果园植保的发展趋势。与对靶喷施仅检测植株的有无从而实现间隔喷施相比,仿形喷施可以通过检测树冠形状自动控制农药对树冠范围喷施,从而大大提高农药利用率。现有仿形喷施技术在树冠检测和喷施响应上仍存在一定不足:
(1)树冠检测
目前树形检测的方式有视觉、超声、激光扫描等,其中视觉检测应用于差异大和信息量大的果蔬检测时速度过慢,且易受光照条件影响;超声检测的精度与抗干扰能力差且检测范围有限,往往需要多个传感器同时检测进而累加计算,距离实际应用有很大距离;激光扫描的测距精度高,但需要附加机械运动才能实现三维扫描,因而三维扫描效果容易受到车体的速度与方向变化、地面倾斜颠簸等因素的影响。
(2)喷施响应
现有仿形喷施***一般采用多喷头结构,必须配置多自由度的机械***用以控制喷头的位置,并结合多个喷头的阀控来实现仿形喷施,造成***复杂、控制难度大且实时性受到影响。同时,由于采用探测与喷施装置在车身的横向布置,造成行进中探测与喷施的间隔过短,对其响应速度提出极大挑战并对作业效率造成影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种果园自动仿形弥雾施药机及施药控制方法,以满足果园减量高效的车载农药喷施作业需要。
为了解决以上技术问题,本发明采用的具体技术方案如下:
一种果园自动仿形弥雾施药机,其特征在于:由弥雾喷施装置、车体(8)、摆动装置和探测装置组成;弥雾喷施装置通过摆动装置安装于车体(8)上,探测装置固定于车体(8)上;
所述弥雾喷施装置包括脉冲轴流弥雾机(2)、药箱(3)和电磁阀;所述脉冲轴流弥雾机(2)的喷筒向斜后方倾斜,脉冲轴流弥雾机(2)的喷筒与车体纵向后方具有夹角α,30°≤α≤90;
所述探测装置包括小型深度传感器(4)和支杆(9);所述小型深度传感器(4)通过支杆(9)固定于车体(8)上脉冲轴流弥雾机(2)的喷筒朝向一侧,小型深度传感器(4)在车体(8)上位于脉冲轴流弥雾机(2)的喷筒的前方,小型深度传感器(4)的探测头面向车体(8)上脉冲轴流弥雾机(2)的喷筒朝向一侧的外侧。
所述小型深度传感器(4)为Intel Realsense深度传感器、微软Kinect深度传感器中的任一种。
利用所述的果园自动仿形弥雾施药机进行果园自动仿形弥雾施药的控制方法,其特征在于包括以下步骤:
步骤一,启动脉冲轴流弥雾机(2),使得车体(8)以速度v沿着果树行前进;
步骤二,当车体(8)到达果树Si,小型深度传感器(4)获取沿车体(8)行进方向竖直平面内果树Si的树冠轮廓,并完成对树冠轮廓最后端H点的坐标位置与距离、树冠轮廓最前端K点的坐标位置与距离、树冠轮廓范围Di的测量;
步骤三,车体(8)以速度v继续前进,同时控制***以小型深度传感器(4)在车体(8)上的安装点作为坐标原点O计算从当果树Si的树冠轮廓最后端H点在行进方向到达坐标原点O的时刻到电磁阀打开所需的延迟时间Ti1、电磁阀打开后的持续弥雾施药时间Ti2和电机(7)的运转规律;
步骤四,车体(8)以速度v继续前进,经过延迟时间Ti1后电磁阀自动打开,同时电机(7)以控制***计算得到的电机(7)运转规律开始转动;
步骤五,车体(8)以速度v继续前进,经过持续弥雾施药时间Ti2后电磁阀关闭,同时电机(7)停止转动并复位,直至车体(8)到达下一果树Si+1开始对果树Si+1的自动仿形弥雾施药作业;
i为次序;i=1,2,…;
Si为一行内第i棵果树;Ti1为经小型深度传感器(4)探测,从第i棵果树Si的树冠轮廓最后端H点在行进方向到达坐标原点O的时刻开始,直到电磁阀自动打开所需的延迟时间;Ti2为从电磁阀自动打开到自动关闭,对第i棵果树Si进行弥雾施药的持续时间。
延迟时间
Ti1=[(p+e)tanα+f]/v(i=1,2,…)        (1)
p为小型深度传感器(4)所获取的果树Si的树冠轮廓最后端H点的y向水平距离,e为脉冲轴流弥雾机(2)的机身上铰链(1)的安装位置B点到坐标原点O的y向水平距离,α为脉冲轴流弥雾机(2)的机身与车体(8)行进方向后方即x坐标轴负方向的夹角,f为脉冲轴流弥雾机(2)的机身上铰链(1)的安装位置B点到坐标原点O的x向水平距离,v为车体(8)的行进速度;
电磁阀打开后的持续弥雾施药时间Ti2
Ti2=Di/v         (2)
i=1,2,…
Di为小型深度传感器(4)所获取的行进方向的果树Si的树冠轮廓范围;
弥雾柱中心M点在H点与K点所在的竖直平面内走过的路径曲线ζ(x,z)为
H0为脉冲轴流弥雾机(2)的机身上铰链(1)的安装位置B点到地面的高度,t为时间,β(t)为时间t时脉冲轴流弥雾机(2)的机身与水平面的夹角。
本发明具有有益效果。本发明通过深度传感器检测和斜向摆动弥雾喷施解决了仿形施药中树冠检测和喷施实时性差、仿形喷施***复杂和控制难度大的难题,实现了果园仿形施药设备的小型化和轻简化,大大降低了药液消耗和整机成本。
附图说明
图1为本发明的果园自动仿形弥雾施药机结构示意图;
图2为本发明的果园自动仿形弥雾施药作业的俯视参数关系示意图;
图3为本发明的仿形弥雾施药过程的弥雾柱中心路径曲线示意图。
图中,1.铰链,2.脉冲轴流弥雾机,3.药箱,4.小型深度传感器,5.连杆,6.曲柄,7.电机,8.车体,9.支杆,10.支架。
具体实施方式
下面结合附图,对本发明的技术方案做进一步详细说明。
如图1所示,一种果园自动仿形弥雾施药机,由弥雾喷施装置、车体8、摆动装置和探测装置组成。
其中弥雾喷施装置包括脉冲轴流弥雾机2、药箱3和电磁阀,由电磁阀控制药箱3内药液向脉冲轴流弥雾机2的进药,脉冲轴流弥雾机2的喷筒向斜后方倾斜,脉冲轴流弥雾机2的喷筒与车体纵向后方具有夹角30°≤α≤90°。
其中探测装置由小型深度传感器4和支杆9组成,所述的小型深度传感器4可为IntelRealsense深度传感器、微软Kinect深度传感器中的任一种。小型深度传感器4通过支杆9固定于车体8上脉冲轴流弥雾机2的喷筒朝向一侧,小型深度传感器4在车体8上位于脉冲轴流弥雾机2的喷筒的前方,小型深度传感器4的探测头面向车体8上脉冲轴流弥雾机2的喷筒朝向一侧的外侧。
其中摆动装置包括铰链1、连杆5、曲柄6、电机7和支架10。支架10固定于车体8上,铰链1安装于支架10和脉冲轴流弥雾机2的机身之间,连杆5两端分别与脉冲轴流弥雾机2的尾部和曲柄6铰接,曲柄6由电机7带动。
利用本发明的果园自动仿形弥雾施药机实现对果园自动仿形弥雾施药的控制过程如下:
(1)脉冲轴流弥雾机2启动;
(2)车体8以速度v沿着果树行前进;
(3)当车体8到达果树Si,小型深度传感器4获取沿车体8行进方向竖直平面内果树Si的树冠轮廓,并完成对树冠轮廓最后端H点的坐标位置与距离、树冠轮廓最前端K点的坐标位置与距离、树冠轮廓范围Di的测量;
(4)车体8以速度v继续前进,同时控制***以小型深度传感器4在车体8上的安装点作为坐标原点O计算从当果树Si的树冠轮廓最后端H点在行进方向到达坐标原点O的时刻到电磁阀打开所需的延迟时间Ti1、电磁阀打开后的持续弥雾施药时间Ti2和电机7的运转规律。其中由图2,延迟时间
Ti1=[(p+e)tanα+f]/v           (1)
其中p为小型深度传感器4所获取的果树Si的树冠轮廓最后端H点的y向水平距离,e为脉冲轴流弥雾机2的机身上铰链1的安装位置B点到坐标原点O的y向水平距离,α为脉冲轴流弥雾机2的机身与车体8行进方向后方(x坐标轴负方向)的夹角,f为脉冲轴流弥雾机2的机身上铰链1的安装位置B点到坐标原点O的x向水平距离,v为车体8的行进速度。
当p=3米,e=0.5米,α=45°,f=1.2米,v=2米/秒时,由式(1)计算得到Ti1=2.35秒。
电磁阀打开后的持续弥雾施药时间
Ti2=Di/v                (2)
其中Di为小型深度传感器4所获取的行进方向的果树Si的树冠轮廓范围。
当Di=4米时,以v=2米/秒的行进速度,Ti2=2秒。
如图3,在车体8行进过程中,电机7的运转带动脉冲轴流弥雾机2在竖直平面内摆动,该摆动与车体8的行进动作合成,使弥雾柱中心M点在H点与K点所在的竖直平面内走过路径曲线ζ(x,z),从而保证弥雾柱对果树Si的树冠的完整覆盖。
路径曲线ζ(x,z)为
x = vt z = H 0 + ( p + e ) sin β ( t ) / cos α - - - ( 3 )
其中H0为脉冲轴流弥雾机2的机身上铰链1的安装位置B点到地面的高度,t为时间,β(t)为时间t时脉冲轴流弥雾机2的机身与水平面的夹角。
当H0=1米,p=3米,e=0.5米,β(t)=0.5t,α=45°,v=2米/秒时,路径曲线ζ(x,z)为
x = 2 t z = 1 + 4.95 sin 0.5 t
根据路径曲线ζ(x,z)和电机7与脉冲轴流弥雾机2的机身上铰链1的安装位置B点的相对位置,连杆5的长度、曲柄6的长度、脉冲轴流弥雾机2的机身上铰链1的安装位置B点到连杆5在脉冲轴流弥雾机2的机身尾部的铰接位置A点的距离,可以进一步得到完成树冠弥雾喷施的电机7运转规律。
(5)车体8以速度v继续前进,经过延迟时间Ti1后电磁阀打开,同时电机7以控制***计算得到的电机7运转规律开始转动;
(6)车体8以速度v继续前进,经过持续弥雾施药时间Ti2后电磁阀关闭,同时电机7停止转动并复位,直至车体8到达下一果树Si+1开始对果树Si+1的自动仿形弥雾施药作业。

Claims (4)

1.一种果园自动仿形弥雾施药机,其特征在于:由弥雾喷施装置、车体(8)、摆动装置和探测装置组成;弥雾喷施装置通过摆动装置安装于车体(8)上,探测装置固定于车体(8)上;
所述弥雾喷施装置包括脉冲轴流弥雾机(2)、药箱(3)和电磁阀;所述脉冲轴流弥雾机(2)的喷筒向斜后方倾斜,脉冲轴流弥雾机(2)的喷筒与车体纵向后方具有夹角α,30°≤α≤90;
所述探测装置包括小型深度传感器(4)和支杆(9);所述小型深度传感器(4)通过支杆(9)固定于车体(8)上脉冲轴流弥雾机(2)的喷筒朝向一侧,小型深度传感器(4)在车体(8)上位于脉冲轴流弥雾机(2)的喷筒的前方,小型深度传感器(4)的探测头面向车体(8)上脉冲轴流弥雾机(2)的喷筒朝向一侧的外侧。
2.根据权利要求1所述的一种果园自动仿形弥雾施药机,其特征在于:所述小型深度传感器(4)为Intel Realsense深度传感器、微软Kinect深度传感器中的任一种。
3.利用权利要求1所述的果园自动仿形弥雾施药机进行果园自动仿形弥雾施药的控制方法,其特征在于包括以下步骤:
步骤一,启动脉冲轴流弥雾机(2),使得车体(8)以速度v沿着果树行前进;
步骤二,当车体(8)到达果树Si,小型深度传感器(4)获取沿车体(8)行进方向竖直平面内果树Si的树冠轮廓,并完成对树冠轮廓最后端H点的坐标位置与距离、树冠轮廓最前端K点的坐标位置与距离、树冠轮廓范围Di的测量;
步骤三,车体(8)以速度v继续前进,同时控制***以小型深度传感器(4)在车体(8)上的安装点作为坐标原点O计算从当果树Si的树冠轮廓最后端H点在行进方向到达坐标原点O的时刻到电磁阀打开所需的延迟时间Ti1、电磁阀打开后的持续弥雾施药时间Ti2和电机(7)的运转规律;
步骤四,车体(8)以速度v继续前进,经过延迟时间Ti1后电磁阀自动打开,同时电机(7)以控制***计算得到的电机(7)运转规律开始转动;
步骤五,车体(8)以速度v继续前进,经过持续弥雾施药时间Ti2后电磁阀关闭,同时电机(7)停止转动并复位,直至车体(8)到达下一果树Si+1开始对果树Si+1的自动仿形弥雾施药作业;
i为次序;i=1,2,…;
Si为一行内第i棵果树;Ti1为经小型深度传感器(4)探测,从第i棵果树Si的树冠轮廓最后端H点在行进方向到达坐标原点O的时刻开始,直到电磁阀自动打开所需的延迟时间;Ti2为从电磁阀自动打开到自动关闭,对第i棵果树Si进行弥雾施药的持续时间。
4.根据权利要求2所述的一种果园自动仿形弥雾施药的控制方法,其特征还在于:
延迟时间
Ti1=[(p+e)tanα+f]/v(i=1,2,…)               (1) 
p为小型深度传感器(4)所获取的果树Si的树冠轮廓最后端H点的y向水平距离,e为脉冲轴流弥雾机(2)的机身上铰链(1)的安装位置B点到坐标原点O的y向水平距离,α为脉冲轴流弥雾机(2)的机身与车体(8)行进方向后方即x坐标轴负方向的夹角,f为脉冲轴流弥雾机(2)的机身上铰链(1)的安装位置B点到坐标原点O的x向水平距离,v为车体(8)的行进速度;
电磁阀打开后的持续弥雾施药时间Ti2
Ti2=Di/v                       (2) 
i=1,2,…
Di为小型深度传感器(4)所获取的行进方向的果树Si的树冠轮廓范围;
弥雾柱中心M点在H点与K点所在的竖直平面内走过的路径曲线ζ(x,z)为
H0为脉冲轴流弥雾机(2)的机身上铰链(1)的安装位置B点到地面的高度,t为时间,β(t)为时间t时脉冲轴流弥雾机(2)的机身与水平面的夹角。
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