CN106417234A - 一种智能农药喷洒*** - Google Patents

Abstract

本发明提供一种智能农药喷洒***，所述智能农药喷洒***包括移动底盘、检测装置、控制装置和喷洒装置，所述检测装置、控制装置和喷洒装置设置在所述移动底盘上，所述控制装置分别与所述移动底盘、检测装置、喷洒装置连接，所述检测装置包括红外传感器和人体传感器，所述红外传感器和人体传感器与所述控制装置连接；通过设置移动底盘能够方便在喷洒区域进行移动，设置检测装置能够对喷洒区域的植物和人体进行检测，设置控制装置和喷洒装置，能够自动对植物进行农药喷洒，提高农药喷洒效率和精度。

Description

一种智能农药喷洒***

技术领域

本发明涉及农药喷洒设备制造技术领域，特别是指一种智能农药喷洒***。

背景技术

近年来，我国作为一个农业大国，如何提高农业作业的效率，解放劳动力，是一个亟待解决的问题，尤其是精细农业的提出，智能的农业机械尤其重要。西方发达国家在这方面走在前列，如美国的施肥机器人，德国的大田除草机器人等等，但成本高，动辄十几甚至几十万。

在农业生产过程中，农作物容易受到病虫害的侵扰，喷洒农药是一种非常有效的手段，现有的农药喷洒方法是通过人工进行喷洒，但这种方式人力消耗大，喷洒不均匀，且工作人员容易受到农药污染。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种智能农药喷洒***，方便农药的自动喷洒。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种智能农药喷洒***，所述智能农药喷洒***包括移动底盘、检测装置、控制装置和喷洒装置，所述检测装置、控制装置和喷洒装置设置在所述移动底盘上，所述控制装置分别与所述移动底盘、检测装置、喷洒装置连接，所述检测装置包括红外传感器和人体传感器，所述红外传感器和人体传感器与所述控制装置连接；

所述移动底盘，用于驱动农药喷洒***通过小车循迹按照喷洒区域预设的轨迹进行移动；

所述检测装置，用于检测喷洒区域的植物和人体，当检测到植物或人体时，向控制装置发送检测信息；

所述控制装置，用于控制检测装置进行检测，接收检测装置发送的检测信息，控制移动底盘移动，控制喷洒装置进行农药喷洒；

所述喷洒装置，用于根据控制装置控制进行农药喷洒。

优选的，所述红外传感器，用于采用三角测量法采集和检测喷洒区域的植物，确定红外传感器与植物的距离，生成植物检测信息，并将所述植物检测信息发送给控制装置；

所述人体检测装置，用于利用热释电模块对检测喷洒区域的人体进行检测，生成人体检测信息，并将所述人体检测信息发送给控制装置。

优选的，所述红外传感器对检测喷洒区域的植物进行检测产生检测电压，利用下式将所述检测电压转换为红外传感器与植物的距离；

d＝(6762/(val-9))-4

其中，d为红外传感器与植物的距离，val为检测电压。

优选的，所述移动底盘设置有第一寻线电感和第二寻线电感，所述第一寻线电感和第二寻线电感与控制装置连接。

优选的，所述第一寻线电感和第二寻线电感用于感应预先设置在第一寻线电感和第二寻线电感之间的导线产生的磁场变化，将所述磁场变化转化为电压值发送给控制装置。

优选的，所述控制装置包括：

寻线控制单元，用于获取第一寻线电感产生的电压值和第二寻线电感产生的电压值，计算第一寻线电感产生的电压值和第二寻线电感产生的电压值之差，得到偏离值，根据所述偏离值控制移动底盘调整行进方向。

优选的，所述控制装置包括：

植物检测控制单元，用于获取红外传感器发送的植物检测信息，将植物检测信息中红外传感器与植物的距离与预先设定的距离阈值进行比较，当红外传感器与植物的距离小于预先设定的第一距离阈值时，控制移动底盘停止移动，控制喷洒装置进行农药喷洒，当红外传感器与植物的距离小于预先设定的第二距离阈值时，控制喷洒装置停止农药喷洒。

优选的，所述控制装置包括：

人体检测控制单元，用于获取人体检测装置发送的人体检测信息，判断检测喷洒区域是否存在人体，当存在人体时停止移动底盘，当不存在人体时控制喷洒装置进行农药喷洒。

优选的，所述喷洒装置包括水泵、水箱、喷头和水管，所述水箱与水泵连接，所述水泵与所述水管连接，所述水管与所述喷头连接，所述水泵和水管与所述控制装置连接。

优选的，所述智能农药喷洒***还包括车速测量装置，所述车速测量装置与所述控制装置连接。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，通过设置移动底盘能够方便在喷洒区域进行移动，设置检测装置能够对喷洒区域的植物和人体进行检测，设置控制装置和喷洒装置，能够自动对植物进行农药喷洒，提高农药喷洒效率和精度。

附图说明

图1为本发明实施例的智能农药喷洒***结构示意图；

图2为本发明实施例的智能农药喷洒***PID条件仿真结果示意图。

[主要元件符号说明]

1、移动底盘；

2、控制装置；

3、喷洒装置；

4、人体传感器；

5、红外传感器。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

如图1所示，本发明实施例的一种智能农药喷洒***，所述智能农药喷洒***包括移动底盘1、检测装置、控制装置2和喷洒装置3，所述检测装置、控制装置2和喷洒装置3设置在所述移动底盘1上，所述控制装置2分别与所述移动底盘1、检测装置、喷洒装置4连接，所述检测装置包括红外传感器4和人体传感器5，所述红外传感器4和人体传感器5与所述控制装置2连接；

所述移动底盘1，用于驱动农药喷洒***通过小车循迹按照喷洒区域预设的轨迹进行移动；

所述检测装置，用于检测喷洒区域的植物和人体，当检测到植物或人体时，向控制装置发送检测信息；

所述控制装置3，用于控制检测装置进行检测，接收检测装置发送的检测信息，控制移动底盘移动，控制喷洒装置进行农药喷洒；

所述喷洒装置4，用于根据控制装置控制进行农药喷洒。

本发明实施例的智能农药喷洒***，通过设置移动底盘能够方便在喷洒区域进行移动，设置检测装置能够对喷洒区域的植物和人体进行检测，设置控制装置和喷洒装置，能够自动对植物进行农药喷洒，提高农药喷洒效率和精度。

本发明实施例的智能农药喷洒***，移动底盘可以以飞思卡尔智能车做底盘，通过小车循迹***，实现小车在农田中按照预设的轨迹运动。

其中，所述移动底盘设置有第一寻线电感和第二寻线电感，所述第一寻线电感和第二寻线电感与控制装置连接。优选的，所述第一寻线电感和第二寻线电感用于感应预先设置在第一寻线电感和第二寻线电感之间的导线产生的磁场变化，将所述磁场变化转化为电压值发送给控制装置。

具体的，为保证智能车底盘直线行驶稳定，转向轻便灵活并尽可能的减少轮胎磨损，需要对小车的四轮定位参数进行调整。四轮定位内容主要有：主销后倾角，主销内倾角，前轮外倾角，前轮前束，外侧车轮二十度时，内外转向轮转角差，后轮外倾角，后轮前束。其中，前轮定位的参数对小车性能有着至关重要的影响，这四个参数反映了前轮、主销和前轴三者之间在车架上的位置关系。

通过实际调整这些参数并观察智能车跑动时效果，最终我们将前轮外倾角和前轮前束分别设为0度、0mm，主销稍微内倾和后倾。

智能车底盘的舵机按照说明书是建议安放位置是在车子的靠中部的地方，我们调整了舵机的位置，并选择长度合适的舵机片，这样可以达到快速转向但又不会出现转向力不足的情况。经长时间验证，此方法可以确保舵机的可靠使用。

在电机和电池相同的情况下，车体重量对于车的加减速性能有着至关重要的影响，因此在车身支架及设备布置时应该尽量减少不必要的配置，使车总重尽量减少。车体重心高低主要影响车身运动中的稳定性，对于过弯的平滑性也有一定影响。在减重以及重心调整我们采用以下几点：我们将车子的前后结合悬挂拆掉，仅保留前后车体连接的塑料片，这样已经足够车体转向时候的平衡。将车上各种设备尽量布置在车体转动中心上，有利于车体在过弯时的响应，不容易使车子在拐弯时侧翻。

本发明实施例的智能农药喷洒***，所述红外传感器，用于采用三角测量法采集和检测喷洒区域的植物，确定红外传感器与植物的距离，生成植物检测信息，并将所述植物检测信息发送给控制装置；

其中，所述红外传感器对检测喷洒区域的植物进行检测产生检测电压，利用下式将所述检测电压转换为红外传感器与植物的距离；

d＝(6762/(val-9))-4

其中，d为红外传感器与植物的距离，val为检测电压。

所述人体检测装置，用于利用热释电模块对检测喷洒区域的人体进行检测，生成人体检测信息，并将所述人体检测信息发送给控制装置。

具体的，红外测距传感器的功能是利用采集到的距离信息判断前方是否有树木，如果有则让小车停止并开启农药喷洒***，可以选用夏普GP2Y0A02YK0F作为红外测距传感器。GP2Y0A02YK0F是夏普的一款距离测量传感器模块。它由PSD(position sensitivedetector)IRED(infrared emitting diode)以及信号处理电路三部分组成。由于采用了三角测量方法，被测物体的材质、环境温度以及测量时间都不会影响传感器的测量精度。传感器输出电压值对应探测的距离，通过测量电压值就可以得出所探测物体的距离，所以这款传感器可以用于距离测量、避障等场合。

当前方有物体是人而不是树木时，仅用距离传感器就会出现误喷洒，因而还需要加入一个人体检测传感器判断前方物体是否是人，如果是则仅停车而不开启喷洒装置。这里可以选用HC-SR501热释电模块作为人体检测传感器。该模块常应用在防盗报警电路中，也可用在智能探测小车上面。它是全自动感应装置，当人走到探测范围内输出高电平，人离开则延时输出低电平。

优选的，所述智能农药喷洒***还包括车速测量装置，所述车速测量装置与所述控制装置连接。

具体的，为了使小车速度可以控制，需要加入速度检测传感器模块。常用的速度检测传感器有编码器和光电码盘。因为编码器体积较大，而且价格较高，安装不便，所以选择采用光电码盘对小车速度进行检测。这种检测方式安装简单，电路轻便，使用电源为5V，非常适合在类似的模型上使用，测量精度与编码器并无太大差别，但缺点稳定性不好，将其固定死并不会有太大影响。

优选的，所述智能农药喷洒***包括供电装置，供电装置的电机驱动电路，采用全桥驱动电路作为电机的驱动。主要是因其控制简单，并且驱动能力较强。通过对驱动芯片输出电流、加速、制动时间、稳定性能、发热情况等性能进行比较，最终选择BTS7970作为电机驱动芯片。使用四片BTS7970搭成两个全桥电路对电机进行控制。

优选的，所述喷洒装置包括水泵、水箱、喷头和水管，所述水箱与水泵连接，所述水泵与所述水管连接，所述水管与所述喷头连接，所述水泵和水管与所述控制装置连接。

本发明实施例的智能农药喷洒***，所述控制装置包括：

寻线控制单元，用于获取第一寻线电感产生的电压值和第二寻线电感产生的电压值，计算第一寻线电感产生的电压值和第二寻线电感产生的电压值之差，得到偏离值，根据所述偏离值控制移动底盘调整行进方向。

其中，小车采用电感进行循线，因导线中有交变的电流，电感可以感应到其产生的交变的磁场，并返回相应电压值。采用两个电感进行方向的确定。当小车行进过程中偏离中心导线时，会使一边电感靠近导线，一边电感远离导线，这就使单片机采集的数据一个增大一个减小。通过两者做差就可以得出相应的偏离量。

这里可以选用数字PID控制策略。PID是比例积分微分三个单词首字母，PID控制器是控制***中技术比较成熟，而且应用最广泛的一种控制器。它的结构简单，参数容易调整，因此在工业的各个领域中都有应用。PID最先出现在模拟控制***中，传统的模拟PID控制器是通过硬件(电子元件、液压元件等)来实现它的功能。随着计算机的出现，把它移植到计算机控制***中来，将原来的硬件实现的功能用软件代替，从而形成数字PID控制器，其算法则称为数字PID算法。数字PID控制器具有非常强的灵活性，可以根据试验和经验在线调整参数，因此可以得到更好的控制性能。

此外，小车选用闭环结构进行控制。在闭环控制方面，考虑到控制的快速性和稳定性，我们采用了PD闭环控制。P项输入量为当前车速与目标车速的差值，D项输入量为当前车速与目标车速差值的变化率。通过公式Kp*P+Kd*D得到当前的输出控制量。在实际调整中发现，适当增大P可以减小升时间，使调节更快，但会引起较大的震荡；适当增大D可以减小震荡，但会使上升至稳态的时间加长。当车在赛道上行驶时，属于大惯性***，所以在调整PD参数时可以优先考虑P项，当达到比较理想的调速时间后再进一步调整D，使调速更加平滑顺畅。

植物检测控制单元，用于获取红外传感器发送的植物检测信息，将植物检测信息中红外传感器与植物的距离与预先设定的距离阈值进行比较，当红外传感器与植物的距离小于预先设定的第一距离阈值时，控制移动底盘停止移动，控制喷洒装置进行农药喷洒，当红外传感器与植物的距离小于预先设定的第二距离阈值时，控制喷洒装置停止农药喷洒。

其中，红外传感器所给出的电压值对应着距离信息。当小车行驶路线两旁出现了物体时(不能判断是人还是树木)，红外传感器就会返回一个较高的电压值，当该电压值大于我们所设定的阈值，单片机就发出控制命令，一方面让电机停止转动，从而小车停止前进，另一方面打开水泵，从而喷头可以顺利喷洒农药。从而该部分程序关键是选择合适的阈值并能合理开中断和关中断。

例如，当车与树木距离小于40cm时就可以进行农药喷洒，从而根据换算公式计算得到相应电压阈值为。当传感器返回电压值大于1700时，就开中断使小车喷洒农药。

中断是CPU在执行一个程序时，对***发生的某个事件(程序自身或外界的原因)作出的一种反应。若中断发生，CPU暂停正在执行的程序，保留现场后自动转去处理相应的事件，处理完该事件后，到适当的时候返回断点，继续完成被打断的程序。

人体检测控制单元，用于获取人体检测装置发送的人体检测信息，判断检测喷洒区域是否存在人体，当存在人体时停止移动底盘，当不存在人体时控制喷洒装置进行农药喷洒。

其中，人体检测传感器用来判断物体是人还是树木。如果是人该传感器就会返回高电平信号。因此在用红外测距传感器判断出小车两旁有物体时，首先要判断人体检测传感器返回电平值是否是高电平，如果是则只令小车停止5s，否则还要执行打开水泵电机的命令。

具体的，控制装置可以为K60单片机，K60系列微控制器具有IEEE1558以太网，全速和高速USB2.0On-The-Go带设备充电探测、硬件加密以及防篡改探测能力，具有丰富的模拟、通信、定时和控制外设，从100LQFP封装256KB闪存开始可扩展到256MAPBGA1MB内存。大内存的K60系列微控制器还提供可选的单精度浮点单元、NAND闪存控制器和DRAM控制器。K60含有的功能模块包括：串行通信UART、GPIO、定时器、A/D、D/A、CMP、TSI、SPI、I2C、I2S、CAN、USB、SDHC以及存储模块。这些功能足以满足需要。

本发明实施例的智能喷洒农药***实验结果如下：

红外角度测试实验

由于红外传感器检测范围有限，为了能更精确的检测，需要对红外传感器角度进行调整，实验结果如表1所示。

表1红外传感器与检测准确率关系

由表1可得，角度越小检测准确率越高，故将角度取为0°。

电感间距离不同，对导线感应范围也不同，故需要调整电感间距离，使得其能感应更大的角度。实验结果如表2所示。

表2电感距离与检测范围

由表2可得，电感间距离越大检测范围越大，故将距离取为20cm

由于需要对速度进行控制，需要找到一组合适的参数使小车速度调节更快更稳，对此进行了matlab仿真。仿真结果如图2所示

图中虚线为给定，粉线为未加入PID控制结果，蓝线为只有P时的控制结果，绿线为PID控制结果。可见PID控制可以达到最好的效果。

设定小车匀速运动，参数小的时候发现小车速度变化很大，参数大的时候小车速度变化也很大，经过多次调试找到了一组合适的值。

测试数据及其效果如表3所示。

表3速度PID调试参数

P	1	10	20	13
					I	0	30	30	30
D	0	30	30	50
					效果	差	中	差	好

本发明实施例的智能农药喷洒***，提出了智能喷洒农药***的设计方案并得到实现。在硬件方面，***的控制是基于飞思卡尔K60单片机实现的。通过额定电压为7.2V锂电池和各种稳压电路可以为小车行驶供电。通过搭建两个全桥电路可以对电机进行控制从而完成驱动。喷洒部分主要由水泵、喷头和连接的水管组成，通过控制水泵的开闭来控制是否喷水。在软件设计方面，***主要结合两个传感器所给出的信息发出相应的控制命令。首先通过红外测距传感器返回的电压信息判断车右侧及前方是否有障碍物存在，如有，则开中断让小车停止前进。之后利用人体检测传感器返回电平值判断车和树之间是否有人，如果是低电平则该障碍物是树木，开启农药喷洒装置，否则是人，不作其它处理。本***基本实现智能喷洒。采用无人车搭载检测及喷洒装置，实现精准喷洒，大大提高劳动生产率，降低人工成本，减少农药污染与残留。优选的，增加一个感应装置判断树冠大小，并设计多组喷头，令***可根据感应结果选择开放喷头组数，实现有效喷洒，既不漏喷，也不重喷。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种智能农药喷洒***，其特征在于，所述智能农药喷洒***包括移动底盘、检测装置、控制装置和喷洒装置，所述检测装置、控制装置和喷洒装置设置在所述移动底盘上，所述控制装置分别与所述移动底盘、检测装置、喷洒装置连接；

所述检测装置包括红外传感器和人体传感器，所述红外传感器和人体传感器与所述控制装置连接；

所述移动底盘，用于驱动农药喷洒***通过小车循迹按照喷洒区域预设的轨迹进行移动；

所述检测装置，用于检测喷洒区域的植物和人体，当检测到植物或人体时，向控制装置发送检测信息；

所述控制装置，用于控制检测装置进行检测，接收检测装置发送的检测信息，控制移动底盘移动，控制喷洒装置进行农药喷洒；

所述喷洒装置，用于根据控制装置控制进行农药喷洒。

2.根据权利要求1所述的智能农药喷洒***，其特征在于，所述红外传感器，用于采用三角测量法采集和检测喷洒区域的植物，确定红外传感器与植物的距离，生成植物检测信息，并将所述植物检测信息发送给控制装置；

所述人体检测装置，用于利用热释电模块对检测喷洒区域的人体进行检测，生成人体检测信息，并将所述人体检测信息发送给控制装置。

3.根据权利要求2所述的智能农药喷洒***，其特征在于，所述红外传感器对检测喷洒区域的植物进行检测产生检测电压，利用下式将所述检测电压转换为红外传感器与植物的距离；

d＝(6762/(val-9))-4

其中，d为红外传感器与植物的距离，val为检测电压。

4.根据权利要求1所述的智能农药喷洒***，其特征在于，所述移动底盘设置有第一寻线电感和第二寻线电感，所述第一寻线电感和第二寻线电感与控制装置连接。

5.根据权利要求4所述的智能农药喷洒***，其特征在于，所述第一寻线电感和第二寻线电感用于感应预先设置在第一寻线电感和第二寻线电感之间的导线产生的磁场变化，将所述磁场变化转化为电压值发送给控制装置。

6.根据权利要求5所述的智能农药喷洒***，其特征在于，所述控制装置包括：

寻线控制单元，用于获取第一寻线电感产生的电压值和第二寻线电感产生的电压值，计算第一寻线电感产生的电压值和第二寻线电感产生的电压值之差，得到偏离值，根据所述偏离值控制移动底盘调整行进方向。

7.根据权利要求3所述的智能农药喷洒***，其特征在于，所述控制装置包括：

植物检测控制单元，用于获取红外传感器发送的植物检测信息，将植物检测信息中红外传感器与植物的距离与预先设定的距离阈值进行比较，当红外传感器与植物的距离小于预先设定的第一距离阈值时，控制移动底盘停止移动，控制喷洒装置进行农药喷洒，当红外传感器与植物的距离小于预先设定的第二距离阈值时，控制喷洒装置停止农药喷洒。

8.根据权利要求3所述的智能农药喷洒***，其特征在于，所述控制装置包括：

人体检测控制单元，用于获取人体检测装置发送的人体检测信息，判断检测喷洒区域是否存在人体，当存在人体时停止移动底盘，当不存在人体时控制喷洒装置进行农药喷洒。

9.根据权利要求1所述的智能农药喷洒***，其特征在于，所述喷洒装置包括水泵、水箱、喷头和水管，所述水箱与水泵连接，所述水泵与所述水管连接，所述水管与所述喷头连接，所述水泵和水管与所述控制装置连接。

10.根据权利要求1所述的智能农药喷洒***，其特征在于，所述智能农药喷洒***还包括车速测量装置，所述车速测量装置与所述控制装置连接。