CN110583603A - 一种适用于柑橘园的仿形智能喷雾设备及喷雾方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于农业机械技术领域，具体地说，涉及一种适用于柑橘果园地形的自动仿形智能喷雾设备及喷雾方法。此喷雾设备有利于提高山地果园果树的药液分布的均匀性，提高施药效率，减轻作业者劳动强度。本发明采用一种由履带式底盘电动小车作为行驶载体的可对靶标进行360度旋转的智能调节喷杆结构，并通过传感探测和变量控制实现智能仿形喷雾，利于解决赣南桔园的病虫害污染防治的问题，为我国水果产业的安全生产提供技术与装备支撑。

Description

一种适用于柑橘园的仿形智能喷雾设备及喷雾方法

.技术领域

本发明属于农业机械技术领域，具体地说，涉及一种适用于柑橘果园地形的自动仿形智能喷雾设备及喷雾方法。

.技术背景

农药的使用在果树的病虫害防治中起着重要的作用，目前是不可替代的。果园病虫害防治以喷施化学药剂为主，传统的果园施药方法由于对靶性不强且不能针对树冠大小调节喷施量，造成了农药利用率不高，对空气和土地资源的污染加大。因此，如何解决传统防治方法进行果树病虫害防治时“效率低、污染大”的问题，研究能够根据果树树冠和株距不统一的特点而采取果树仿形对靶可变量喷雾，从而有效的提高农药利用率、降低其使用量，是解决果树病虫害防治中农药喷施的关键性问题。果树三维信息采集与识别方法研究、树形自动仿形机构设计及果树精确对靶可变量喷雾技术是果树仿形喷雾的关键技术，目前国内外在智能仿形喷雾技术方面都在积极的研究发展。

国内外主要有风送式喷雾、仿形臂(喷杆)喷雾等仿形样式。所能达到的覆盖范围从单棵果树到成片木林不等，所针对的作业对象有果树也有经济林木等。根据赣南地区桔园的实地考察了解，针对赣南桔园这种高低落差大的地形以及植株生长各有特点的柑橘树来说，更需要一种专门的高效节能的智能仿形喷雾设备。

已有中国发明专利，一种林木喷雾机仿形机臂及其仿形喷雾的方法，申请号：201810246160.8，该专利通过一根横的主臂链接左右两侧的伸缩臂，此发明适应的是篱架型植物，不具有果园喷雾的针对性，并且仿形效果不是很好，会导致果树上下冠层喷到的药量不均；

已有中国发明专利，一种果园仿形地量喷雾结构，申请号：201810695940.5，所述喷雾机构是一种左右对称的双侧喷雾的装置，水平丝杆步进电机驱动，可以针对果树的间距和工作空间微调，但是对于梯田式的果树喷雾效率较低，双侧喷雾的效果难以实现。

已有中国发明专利，一种自适应仿形果园喷雾机，申请号：2018110448401.1，所述喷雾机采用人工驾驶整车进行喷雾作业，采用激光雷达、ARM控制单元对喷雾机构进行调节，进而进行喷雾距离的调节，并且可以调节喷雾量以及出口风速和风向。所述喷雾机对于喷雾高度不能调节，虽然可以调节喷头距离以及风送方向，但是对于实质上的喷雾效果并不是很理想，并且风送喷雾存在飘移，并可能由于风的影响导致枝条晃动而划伤果皮。

已有中国发明专利，一种喷雾机仿形喷杆及其控制方法，申请号：201611017261.X，所述喷雾喷杆机构，整个长喷杆架可以进行升降调节。所述喷雾机构结构较为复杂，且结构庞大不便于进行山地小型果树单株喷雾，精准对靶喷雾不足，且整体机构质量较大，所需驱动能源较大。

综上所述，目前对于起伏不平整的山地情况，需要研制一种能够更好适应这种地形的高效的喷雾设备，并且从更大的解放劳动力的方面来考虑应设计的更加智能化。使得该喷雾设备更好的仿形，并且提高喷雾效率，做到节约药液。

.发明内容

本发明的目的在于主要针对适用于赣南梯田柑橘果园农药喷雾作业的果树自动仿形智能喷雾设备及喷雾方法。此喷雾设备有利于提高山地果园果树的药液分布的均匀性，提高施药效率，减轻作业者劳动强度。本发明提出的新的喷雾设备和方法是：采用一种由履带式底盘电动小车作为行驶载体的可对靶标进行360度旋转的智能调节喷杆结构，并通过传感探测和变量控制实现智能仿形喷雾，利于解决赣南桔园的病虫害污染防治的问题，为我国水果产业的安全生产提供技术与装备支撑。

为实现上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：

一种适用于柑橘园的自动仿形喷雾设备主要由三大部分组成：载具部分、电机控制连接部分以及智能喷杆作业部分。

所述自动仿形喷雾设备的第一大部分为载具部分，由履带式底盘、水箱、直角杆旋转底座、姿态传感器以及主控制器组成。

所述履带式底盘包括履带式底盘车体、履带式底盘内部的伺服电机、动力来源锂电池以及履带式底盘车体两侧的履带轮。目的是便于整个设备行驶在果园山地起伏凹凸的地形中。由于履带式底盘高度较低，重心低有利于车辆整体稳定的在果园山地地形行驶，不至于产生较大的颠簸。

所述水箱是盛放药液的容器，位于履带式底盘车体平台中后部，内置药液泵和驱动器，用以在接受主控制器命令后来控制开启或停止药液泵入各个电磁阀调节喷头。

所述主控制器安装于履带式底盘车体上部偏左的位置，所述主控制器即ARM控制单元包括处理器、存储器、多个IO接口以及RS232接口和以太网接口，各接口分别用来连接各个需要控制的器件，如GNSS卫星导航定位***、激光雷达都由RS232接口连接，旋转舵机和超声测距传感器都由IO接口连接。

所述姿态传感器同样是位于履带式底盘车体上，在水箱前方50mm距离，姿态传感器的数据传输线和主控制器连接。所述姿态传感器的作用是时刻监测整个喷雾装置的倾斜程度，以配合激光雷达进行调控，使得喷杆连接轴所对的中心为树干中心。

所述主控制器将所述激光雷达所得数据进行分析计算，得出最佳命令方案，进而将命令传递至旋转舵机电机驱动器、内置液泵的驱动器、直角杆旋转底座电机驱动器、电动伸缩杆的电机驱动器、履带式底盘内部的伺服电机驱动器以及旋转电机驱动器，各电机得到响应。

所述自动仿形喷雾设备的第二大部分为电机控制连接部分。所述电机控制连接部分包括直角支撑部分、直角杆旋转底座，电机连接器、旋转电机、蜗杆轴、蜗轮连接轴、斜齿圆柱齿轮、深沟球轴承、喷杆连接轴、以及电动伸缩杆、支撑保护方盒、激光雷达固定支架、激光雷达、GNSS卫星导航定位***。

直角杆旋转底座安装在履带式底盘车体上，直角支撑部分安装在直角杆旋转底座上。直角支撑部分从上至下由电动伸缩杆和竖直支撑杆组成。电动伸缩杆上安装有水平固定杆，水平固定杆上安装有激光雷达固定支架，所述激光雷达由激光雷达固定支架固连。

所述激光雷达通过扫描外部环境来判断智能喷雾设备当前的环境状况，并将此数据传给主控制器，实现路径规划以及合适距离的规划。

所述激光雷达固定支架包括一个底部横杆、竖直杆和顶部横杆，为开口型。底部横杆固定在水平固定杆上，一斜杆两端分别焊接在顶部横杆和竖直杆上，激光雷达就安装在斜杆外侧，通过两螺栓连接固定。

所述GNSS卫星导航定位***定位装置分为主GPS和从GPS，两个GPS分别安装在GPS固定杆的两端，而GPS固定杆的中部是安装在激光雷达固定支架的顶部横杆上，镶嵌在杆上并由两个螺栓固连。GNSS卫星导航定位***的加入目的是为了履带式底盘车体更好的利用卫星导航进行喷雾作业线路的规划。

所述电动伸缩杆位于竖直支撑杆的上方，目的是调节整个喷雾***的高低，针对不同高度的果树，根据设计调节高度范围大约为：1.6m～2.6m之间。

所述电机连接器，一端固定在水平固定杆末端，另一端连接旋转电机。

所述旋转电机，该旋转电机用以带动整个旋转机构运转并且接受控制指令，控制旋转的开启和关闭；对于旋转电机进行选型，所选旋转电机所配驱动器需可实时监控及调控电机转速。

所述蜗杆轴安装于旋转电机输出端连接轴上，作为传动输出部分。

所述蜗轮连接轴，此轴是一个多功能轴，轴的上端是一个齿轮连接轴端，下端是安放深沟球轴承的轴端，蜗轮作为与蜗杆接触传动的部分水平放置与蜗轮构成和谐传动，此轴的设计目的在于三方面的协调。

所述斜齿圆柱齿轮，包括左斜齿圆柱齿轮和右斜齿圆柱齿轮，左斜齿圆柱齿轮和右斜齿圆柱齿轮分别位于蜗轮连接轴上端和喷杆连接轴上方，斜齿圆柱齿轮传动平稳噪声小。目的就是为了传输电机输出的传动力量用以带动喷杆连接轴转动。

所述深沟球轴承位于蜗轮连接轴和喷杆连接轴下端，目的就是支撑让轴平稳的传动工作，其次作为旋转的载体起到支撑作用。

所述喷杆连接轴为一个阶梯轴，上端放置左斜齿圆柱齿轮，下端套在深沟球轴承内，伸出端用于喷杆的固定连接，也是带动整个喷雾***转动的输出端。

所述支撑保护方盒是一个铝合金的正方体方盒，四周是封闭的，右端与电机端部有四个衔接的螺栓孔，上端面板是活动的面板可以开启关闭，下端有两圆孔分别是蜗轮连接轴和喷杆连接轴的伸出端使用。此方盒的目的是连接电机端部起到整体支撑旋转结构的作用，其次该方盒还有助于保护内部机构，防水防尘，并且便于拆卸维修。

所述自动仿形喷雾设备的第三大部分为智能喷杆作业部分，此部分是一个可控以一定旋转速度在360度范围内旋转的结构，由上部喷杆、两段斜喷杆和下部喷杆、喷雾装置、超声测距传感器、旋转舵机、支撑伸缩杆组成。

所述上部喷杆主要作用是负责果树顶端以及上侧面的施药作业，喷杆主要有三段组成，右端是一个圆形穿孔用以套装在喷杆连接轴上，在水平方向上有两侧螺丝固定；喷杆中段有三部分，两部分对称分布的为上喷杆喷头。上部喷杆的最左端的两侧边均安装了上旋转舵机，上旋转舵机受主控制器总控制，用来调节斜杆1号与上部喷杆的角度，使得斜杆1号达到最佳喷雾效果。

所述上部喷杆的长度等于目标果树上部1/3处的冠层最外侧至该部位树冠层中心处的水平距离，长度由当地果树冠层形状所决定。

所述上部喷杆右端与喷杆连接轴的螺丝连接可以加缓冲胶垫，减小因为旋转喷雾作业造成的震动和轻微摇摆。

为达到好的喷雾效果，所述上部喷杆喷头在距离树冠处喷雾距离控制较近，而距离冠层较远的上喷杆喷头喷雾距离较远。

所述上部喷杆上的各喷头和电磁阀配合，可以调节喷雾量。各喷头距离果树外侧面的喷雾距离设定值为30～60cm,此距离可以由上旋转舵机调整达到合适的位置以满足喷雾效果。

所述上旋转舵机设定可调节角度0度到45度，开始位置为设定值，根据使用综合控制电机转动使得舵机转动自动根据树体情况变化。

所述旋转电机带动整个喷雾装置的旋转速度有一设定值，初设上部喷杆旋转速度为0.04rad/s-0.1rad/s,即旋转一周时间为1分钟到3分钟。

所述斜喷杆1号主要是三段构成，右段端部是如品字型的由宽到窄形状，然后距离断口不远处是一个通孔，该通孔是楔形圆柱形，用于和上旋转舵机的串联，所述斜杆1号中间是一个上超声测距传感器，用于进行树体情况的图像采集，探测器两侧中部分布有两可调节喷头用于喷药作业，喷杆的最左端是安装中旋转舵机，用于连接下一段斜杆。

所述斜喷杆1号可调节喷头和电磁阀配合，可以调节喷雾量，进而控制所述斜喷杆的喷出雾滴时的喷洒范围。

所述斜喷杆1号右端通孔是用来穿过楔形长轴然后和上部喷杆的上旋转舵机相连接。

所述上超声测距传感器将采集的数据传输至主控制器，然后主控制器返回信号给上旋转舵机，使得上旋转舵机转动使得斜杆1号转动角度来达到最佳喷雾效果。

所述中旋转舵机同上旋转舵机，同样可以由控制器控制来调节旋转角度。

所述斜喷杆2号组成部分和斜喷杆1号相同，但是斜喷杆2号与竖直方向的初始夹角设定不同，所述斜喷杆1号与竖直方向靠喷雾内侧的夹角为20度，所述斜喷杆2号与竖直方向靠喷雾外侧的夹角为25度。

所述斜喷杆1号和斜喷杆2号处于最初设定角度状态时，斜喷杆1号最上端至斜喷杆2号最下端的竖直距离为果树上1/3下端至果树树冠底部的竖直距离长度。

所述下部喷杆是三部分构成，左端是连接部分，楔形轴穿过下部喷杆的楔形孔使得可以和斜喷杆2号右侧下旋转舵机相连接，以起到调整下部喷杆角度的作用。中间部分是喷雾喷头，第三部分位于最右端安放的下超声测距传感器，用来采集果树下部以及底部的数据情况。

所述下部喷杆的长度应是果树树干中心处至目标果树底部冠层最宽处的水平距离。

所述下部喷杆的喷头是和电磁阀协同工作，使得喷雾范围和喷雾距离可控。

所述下超声测距探测器，在开机后开始扫描采集果树下部和底部的环境状况，将所处环境的点云数据传至主控制器，然后用来调节斜喷杆2号的下旋转舵机转动，从而控制下部喷杆的最佳喷雾角度。

所述支撑伸缩杆由上液压伸缩杆和下液压伸缩杆组成，上液压伸缩杆一端安装在斜喷杆1号上，另一端安装在上部喷杆上；下液压伸缩杆一端安装在斜喷杆2号上，另一端安装在下部喷杆上。

所述一种适用于柑橘园的仿形智能喷雾设备的仿形喷雾方法，其特征在于，设电磁阀调节的斜喷杆上喷头的喷雾夹角为α，斜喷杆上超声波测距器距作物表面的垂直高度为H，所述喷头末端距离各自超声波测距器为h,所述电磁阀调节喷头的喷雾范围为F，则电磁阀的调节该喷头的喷雾范围F需要满足以下关系：

电磁阀调节喷雾量以及喷雾范围需要参照所述几个喷头喷雾的重叠区域进行适量准确快速的调节。

喷雾重叠区域分别为Q₁、Q₂、Q₃(分别表示为斜喷杆1号第一个喷头和第二个喷头的喷雾重叠区、斜喷杆1号第二个喷头和斜喷杆2号第一个喷头的喷雾重叠区、斜喷杆2号第一个喷头和第二个喷头的喷雾重叠区)，M为喷杆上两喷头之间距离，有以下关系：

0<Q₁＝F-M<M/2(1)Q₁＝F-M>M/2；(2)Q₂、Q₃(皆适用)；

当(1)式成立时，所述几个喷头的喷量和喷雾强度不用调节；

当(2)式成立时，所述几个喷头的喷量和喷雾强度开始由电磁阀智能调节直至喷雾范围F之内。

所述一种适用于柑橘园的仿形智能喷雾设备的仿形喷雾方法，其特征还应该表现在：

图6为主控制器的结构示图。

所示控制***结构图简化说明了主控制器对整个设备的各部件的控制情况，接受激光雷达、GNSS卫星导航定位***和超声测距传感器的采集到的信息，分析输出命令给各执行机构，完成一个完整回路的控制。

主要是通过所述的GNSS卫星导航定位***辅助的激光雷达探测作业对象周围环境以检测整个设备的位置情况从而帮助车体确定合理的行走路线以及和作业对象的距离。这里涉及到激光雷达、姿态传感器以及GNSS一起采集信息所获得的三维点云数据的整合结果，在这个整合的数据结果中可以清楚准确的获悉作业对象所处的周围以及自身环境，主控制器可以根据这个情况来进行车体行进路线的规划以及距离的判断。并且当首次确定的位置若对喷雾位置调节不合适，可以再次进行修正路线和调整距离果树的位置。

通过所述的多轴姿态传感器来检测出整个设备的倾斜包括竖直轴方向和水平轴方向的倾斜角度。同样在这里姿态传感器的使用是配合GNSS卫星导航定位***以及激光雷达一起使用的，这些数据的融合经由控制器分析解算可以得到准确的三维点云图，可以准确的确定车体的倾斜状况以及果树中心和喷杆中心是否对准。此外，喷杆整体距树冠顶端的高度也是可以通过采集数据的反馈信息来控制升降电动伸缩杆进行调节。

通过分布在各段喷杆上的超声测距传感器检测出喷杆与作业表面的距离。超声测距传感器是喷杆调节的信息采集装置，在喷雾开始前和喷雾的过程中，超声测距传感器均可以对喷雾距离进行探测，这样可以调节旋转舵机旋转，从而使得喷杆得到合适的喷雾角度。此外喷头的控制前端也就是所述的电磁调节阀，可以根据反馈信息来合理的调节喷雾的出液量以及强度。

总结来说，通过主控制器即ARM控制单元来采集所述激光雷达、GNSS卫星导航定位***、姿态传感器和超声测距传感器传输的信号，我们可以计算得到作业对象本身以及周围环境的三维点云数据图，在这个图的分析结果下，主控制器会根据具体的点云对应情况来传输指令使得各装置合理的工作，得到各驱动装置所需的力和位移，控制调节各驱动装置协同作业，使得喷雾设备更好的对准作业对象，实现喷杆的仿形。所以此智能喷雾设备的发明以及仿形控制喷雾方法为了智能喷雾调节的实现不仅仅是单个装置的分散工作互不相关，而是安装在设备上的各装置协同工作，共同收集信息再进行处理分析从而形成具体的三维点云图像的过程。整个设备的仿形控制也正是围绕这个点云数据图进行分析传输指令，从而达到更好的效果。

本发明的有益效果：

1、所述自仿形喷雾设备可以在类似于赣南桔园这种阶梯状山地里进行平稳、高效的运动作业，所以喷施效率高，降低劳动轻度；

2、所述喷雾设备关键是360度的一周旋转喷雾结构设计，可以确保喷雾作业部分和果树树冠之间的姿态相对稳定，确保喷雾过程中的因为喷杆晃动造成的少喷漏喷情况，很好地提高施药的效率；

3、所述的舵机转动机构，可以很好地配合超声测距传感器进行角度调节，从而使得各部分喷杆达到最佳的喷雾距离，加强喷雾的喷施作业效果。

.附图说明

图1为智能仿形喷雾设备的结构示意图。

图2为支撑旋转部分结构示意图。

图3为喷雾作业部分结构示意图。

图4为激光雷达固定支架结构示意图。

图5为设备工作流程示意图。

图6为主控制器的结构示图。

解释说明：101履带轮、102履带式底盘车体、103水箱、104直角杆旋转底座、105主控制器、106姿态传感器、107直角支撑部分、108激光雷达固定支架、109支撑保护方盒、110智能喷杆作业部分、201竖直支撑杆底座、202竖直支撑杆、203电动伸缩杆、204GPS固定杆、205从GPS、206主GPS、207激光雷达、208水平固定杆、209电机连接器、210旋转电机、211蜗杆轴、212蜗轮连接轴、213斜齿圆柱齿轮、214左斜齿圆柱齿轮、215喷杆连接轴、216深沟球轴承、301上部喷杆、302上喷杆喷头、303上旋转舵机、304斜喷杆1号、305中旋转舵机、306斜喷杆2号、307下旋转舵机、308下液压伸缩杆、309下部喷杆、310上液压伸缩杆、311上超声测距传感器、312中超声测距传感器、313下超声测距传感器。

具体实施方式

虽然本发明专利实行方式易于转换为其他实现方式,但本发明专利描述的是一种特定的实施方式。应理解的是,本发明专利所公开的是一种用于展现工作原理的事例,并非将本发明专利限定于本专利所展示特殊事例。

该仿形智能喷雾设备主要是三部分组成：智能喷杆作业部分110、电机控制连接部分107和载具部分102。

所述载具部分由履带式底盘车体102、水箱103、直角杆旋转底座104、主控制器105、姿态传感器106等组成。

所述履带式底盘102,目的是防止在运动过程中造成侧翻以及适应果园地形的作业环境。

所述主控制器105用以将所述激光雷达207、超声波雷达311等所获得的数据进行计算分析,将分析后的数据命令传递至旋转结构的驱动电机、内置水泵驱动器等,使得各电机或水泵到达预定工作状态。

所述电机控制连接部分由直角支撑部分107、直角杆旋转底座104、GNSS卫星导航定位***、支撑保护方盒109、激光雷达207、电机连接器209、旋转电机210以及旋转轴系组成。

所述直角支撑部分107竖直支撑杆202下端放入圆形衔接槽与履带式底盘车体上部的旋转底座104用四个螺栓连接，一方面直角杆旋转底座104起到固定支撑杆的作用，另一方面直角杆旋转底座104可以将整个直角支撑部分107和智能喷杆作业部分旋转一个合适的角度。

所述直角支撑部分107的水平杆208端口通过电机连接器209和电机210用四个小螺栓连接，电机连接器209套入水平固定杆208的左端口通过焊接以及顶部螺丝固定达到牢固的衔接。

所述支撑保护方盒109和旋转电机210左端通过四个均匀分布的螺纹孔用螺栓连接。

所述激光雷达207安装在所述激光雷达固定支架108上，激光雷达固定支架108首先是依靠底部横杆固定在水平固定杆208上，其次激光雷达207固定在激光雷达固定支架108斜杆上。此部分位于整个设备最高处便于探测整个作业环境的情况。

所述激光雷达207工作时将采集到的仿形喷雾机附近的环境数据实时传输到主控制器105，所述主控制器105将所述激光雷达207获得的数据整合分析获得最佳作业距离以及行走路径。其次该激光雷达还要探测出喷杆连接轴215轴线和树干位于一条竖直线上，确保精准喷雾。

所述智能喷杆作业部分分为四段组成，包括上部喷杆301、上液压伸缩杆310、斜喷杆1号304、下液压伸缩杆308、斜喷杆2号306、下部喷杆309组成。

所述上部喷杆301分为三段，横杆右端设有套孔连接到旋转部分的喷杆连接轴215上，并用螺丝紧固，孔径和轴末端直径同；中部为一定间距分布的两个电磁阀调节的上喷杆喷头302；所述喷头可以调节喷雾距离及喷雾范围，提高施药效率；

所述上部喷杆301最左端为作为连接件的上旋转舵机303，目的是给下一段斜喷杆1号304提供旋转动力，使得斜喷杆1号304达到合适的喷雾角度以及距离。

所述上部喷杆301长度等于目标果树上部1/3处的冠层最外侧至该部位树冠层中心处的水平距离。

所述斜喷杆1号304由三段组成，最上端为窄梁设计结构，方便和前端上旋转舵机303销轴连接；中间部分有一上超声测距传感器311，其作用在于探测该段喷杆的工作环境，反馈给主控制器105得出结果使得上旋转舵机303旋转从而使该段喷杆转至合适的位置，得到最佳喷雾效果。

所述斜喷杆1、2号中部为均匀分布的电磁阀调节喷头，下端同为旋转舵机305安装端，用于下一段喷杆的旋转角度调节。

所述斜喷杆1号304的喷雾范围对应为树冠顶往下1/3处至下一段1/3处的树冠外侧。

所述斜喷杆2号306同为三段设计结构，上端为中旋转舵机305的连接端，承接上一段喷杆的中旋转舵机305，达到旋转目的。中间段为一中超声测距传感器312，所述中超声测距传感器312作用于此杆作业范围的环境，反馈至主控制器105，然后合理调节中旋转舵机305旋转角度，从而达到最佳喷雾距离和角度。所述斜喷杆2号306中间同样有均匀分布的两个电磁阀调节喷头，用于自动调节喷雾量。

所述斜喷杆2号306下端为下旋转舵机307，此处旋转舵机主要是帮助下部喷杆309达到最佳喷雾角度的安置。

所述斜喷杆2号306喷雾范围对应于果树冠层底部至上1/3处冠层的外侧冠层部分。

所述下部喷杆309也分为三段组成，左端为与下旋转舵机307的连接端，目的在于能够达到旋转喷雾角度所需；中间为一个电磁阀调节的喷头，可变喷雾范围和喷雾量。

所述下部喷杆309右端放置一个下超声测距传感器313，目的是探测果树下部冠层的情况，反馈给主控制器，用来调节该段喷杆的喷雾最佳角度和距离。

所述下部喷杆309对应于果树底部的喷雾作业。

所述几段喷杆除了舵机的连接，还有四根液压伸缩杆的协助连接。

所述四段喷杆主要是依靠各自的旋转舵机连接，并且依靠舵机得到的反馈信息来调节几段喷杆的喷雾角度，从而使得喷雾高效率、高附着率，达到好的喷雾效果。

如上述仿形喷雾机在工作时，其控制方法如下：

仿形智能喷雾设备开机工作后，首先位于直角支撑杆部分107的激光雷达207和GPS定位设备开始工作，激光雷达207将所获得数据传输至主控制器中进行计算分析后配合GPS确定的位置数据从而得出最佳运动路径以及速度，得出最优数据将数据传递至履带式底盘，待喷雾机行驶至目标果树附近，距离果树一段预设距离后，履带式底盘停止运动。此时激光雷达207停止工作。

所述喷杆喷雾***开始工作，首先直角杆旋转底座104转动90度将喷雾装置面对作业对象，此时由姿态传感器判断整体设备的倾斜角度配合激光雷达之前采集的数据判断喷杆连接轴215的中心是否对准树干中心，若没有对准，反馈信息至主控制器来调节履带式车体的行进达到对准效果。并且这个过程中对各段喷杆有个初步调节，初步调节主要是依据激光雷达之前采集的数据信息。然后各段喷杆开始工作，水泵开始提供喷雾液，各喷杆上安装的超声测距传感器来采集每段喷杆所对应范围的树形情况，采集过程中实时准确的将数据传输到主控制器105，主控制器105得到采集信息后快速进行整个树形一周的冠层生长情况，然后发回指令给各个舵机开始进行旋转角度，最终距离冠层角度应该以一个设定距离值为准，此值应当是整个一周冠层分布的均值。是喷雾喷头距这个均值的切平面的直线距离。应理解的是，在转动过程中除了舵机的动力，上部喷杆301和斜喷杆1号304之间有两侧安有的上液压辅助伸缩杆310以及斜喷杆2号306和下部喷杆309之间也有两侧安有的下液压伸缩杆308辅助角度的变化。应理解的是，上述各喷杆的倾斜在一定程度上受各因素的影响产生的，所允许的倾斜角度应在不影响喷雾作业的前提下。

所述喷雾***在固定了各杆的对应角度后，锁死各舵机，然后在旋转喷雾的过程中又根据之前超声测距传感器到的树冠层分布情况来调节喷头喷雾的喷雾量和喷雾范围。应理解的是这个变化是实时的，如在未喷完前一段面的时候，主控制器便有数据分析得下一喷雾作业面的冠层茂稀情况，反馈给电磁阀驱动器进行减小和增大喷雾量和距离，允许存在一定的延时，但不影响喷雾效果。

所述喷雾***中的各段喷杆是独立工作，互不干扰的。应理解的是，喷杆的对应角度变化舵机的旋转是互不干扰的，其次各段喷杆上的电磁阀调节喷头也是互不干扰的，对应各自喷雾情况进行调整。

所述履带式底盘车体102上部的水箱103，是在喷雾***探测完整个树冠层结构后，喷杆初步调节完后进而开启水泵通过软管为各喷头送药液，各喷头开始依照上述计划工作。此过程不受其他情况干扰。

当喷雾作业结束后，所述履带式底盘车体102根据激光雷达207所获得数据返回原来路径，各部件的姿态也还原到初始设定状态，各电机锁死，等待下一次喷雾进行。

可以说明的是，所述仿形智能喷雾设备在工作时有以下优点，一方面自动化程度高，无论是车体的行进还是喷雾喷杆的调节还是电磁阀调节的喷雾强度都是自动调节完成。另外该喷雾设备所针对的树木高度也不是特定的，该设备可以在一定的高度范围和一定的角度调节范围调整以达到最好的仿形效果。另一方面，喷施效率高，相对于传统的风送喷雾机和门式喷杆，此设备的单侧杆喷雾，依靠一周的旋转设计可以达到同样的整体喷雾，针对性强，作业效率高浪费少，并且对于果树喷雾也是更加的有效和均匀，同时大大降低如风送喷雾对果实的表面枝条擦伤，增加结实率。此外，这种设计的关键还是针对于类似于赣南柑橘园这类的具有梯田或者说高低落差较大的坡地而来的。具有针对性强，自动化仿形程度高、施药效率高等优势。

Claims (8)

1.一种适用于柑橘园的仿形智能喷雾设备，其特征在于，所述仿形智能喷雾设备由三大部分组成：载具部分、电机控制连接部分以及智能喷杆作业部分；

所述自动仿形喷雾设备的第一大部分为载具部分，由履带式底盘、水箱、直角杆旋转底座、姿态传感器以及主控制器组成；

所述履带式底盘包括履带式底盘车体、履带式底盘内部的伺服电机、动力来源锂电池以及履带式底盘车体两侧的履带轮；

所述水箱是盛放药液的容器，位于履带式底盘车体平台中后部，内置药液泵和驱动器，用以在接受主控制器命令后来控制开启或停止药液泵入各个电磁阀调节喷头；

所述主控制器安装于履带式底盘车体上部偏左的位置，所述主控制器即ARM控制单元包括处理器、存储器、多个IO接口以及RS232接口和以太网接口，各接口分别用来连接各个需要控制的器件；

所述姿态传感器同样是位于履带式底盘车体上，在水箱前方，姿态传感器的数据传输线和主控制器连接；

所述主控制器将所述激光雷达、姿态传感器、GNSS卫星导航定位***、超声测距传感器所得数据进行分析计算，得出最佳命令方案，进而将命令传递至旋转舵机电机驱动器、内置液泵的驱动器、直角杆旋转底座电机驱动器、电动伸缩杆的电机驱动器、履带式底盘内部的伺服电机驱动器以及旋转电机驱动器，各电机得到响应；

所述自动仿形喷雾设备的第二大部分为电机控制连接部分；所述电机控制连接部分包括直角支撑部分、直角杆旋转底座，电机连接器、旋转电机、蜗杆轴、蜗轮连接轴、斜齿圆柱齿轮、深沟球轴承、喷杆连接轴、以及电动伸缩杆、支撑保护方盒、激光雷达固定支架、激光雷达、GNSS卫星导航定位***；

直角杆旋转底座安装在履带式底盘车体上，直角支撑部分安装在直角杆旋转底座上；直角支撑部分从上至下由电动伸缩杆和竖直支撑杆组成；电动伸缩杆上安装有水平固定杆，水平固定杆上安装有激光雷达固定支架，所述激光雷达由激光雷达固定支架固连；

所述激光雷达通过扫描外部环境来判断智能喷雾设备当前的环境状况，并将此数据传给主控制器，实现路径规划以及合适距离的规划；

所述激光雷达固定支架包括一个底部横杆、竖直杆和顶部横杆，为开口型；底部横杆固定在水平固定杆上，一斜杆两端分别焊接在顶部横杆和竖直杆上，激光雷达就安装在斜杆外侧，通过两螺栓连接固定；

所述GNSS卫星导航定位***定位装置分为主GPS和从GPS，两个GPS分别安装在GPS固定杆的两端，而GPS固定杆的中部是安装在激光雷达固定支架的顶部横杆上，镶嵌在杆上并由两个螺栓固连；GNSS卫星导航定位***的加入目的是为了履带式底盘车体更好的利用卫星导航进行喷雾作业线路的规划；

所述电动伸缩杆位于竖直支撑杆的上方；

所述电机连接器，一端固定在水平固定杆末端，另一端连接旋转电机；

所述旋转电机，该旋转电机用以带动整个旋转机构运转并且接受控制指令，控制旋转的开启和关闭；所述蜗杆轴安装于旋转电机输出端连接轴上，作为传动输出部分；

所述蜗轮连接轴，此轴是一个多功能轴，轴的上端是一个齿轮连接轴端，下端是安放深沟球轴承的轴端，蜗轮作为与蜗杆接触传动的部分水平放置与蜗轮构成和谐传动，此轴的设计目的在于三方面的协调；

所述斜齿圆柱齿轮，包括左斜齿圆柱齿轮和右斜齿圆柱齿轮，左斜齿圆柱齿轮和右斜齿圆柱齿轮分别位于蜗轮连接轴上端和喷杆连接轴上方，斜齿圆柱齿轮传动平稳噪声小，目的就是为了传输电机输出的传动力量用以带动喷杆连接轴转动；

所述深沟球轴承位于蜗轮连接轴和喷杆连接轴下端，目的就是支撑让轴平稳的传动工作，其次作为旋转的载体起到支撑作用；

所述喷杆连接轴为一个阶梯轴，上端放置左斜齿圆柱齿轮，下端套在深沟球轴承内，伸出端用于喷杆的固定连接，也是带动整个喷雾***转动的输出端；

所述自动仿形喷雾设备的第三大部分为智能喷杆作业部分，此部分是一个可控以一定旋转速度在360度范围内旋转的结构，由上部喷杆、两段斜喷杆和下部喷杆、喷雾装置、超声测距传感器、旋转舵机、支撑伸缩杆组成；

所述上部喷杆主要作用是负责果树顶端以及上侧面的施药作业，喷杆主要有三段组成，右端是一个圆形穿孔用以套装在喷杆连接轴上，在水平方向上有两侧螺丝固定；喷杆中段有三部分，两部分对称分布的为上喷杆喷头；上部喷杆的最左端的两侧边均安装了上旋转舵机，上旋转舵机受主控制器总控制，用来调节斜杆1号与上部喷杆的角度，使得斜杆1号达到最佳喷雾效果；

所述斜喷杆1号主要是三段构成，右段端部是如品字型的由宽到窄形状，然后距离断口不远处是一个通孔，该通孔是楔形圆柱形，用于和上旋转舵机的串联，所述斜杆1号中间是一个上超声测距传感器，用于进行树体情况的图像采集，探测器两侧中部分布有两可调节喷头用于喷药作业，喷杆的最左端是安装中旋转舵机，用于连接下一段斜杆；

所述上超声测距传感器将采集的数据传输至主控制器，然后主控制器返回信号给上旋转舵机，使得上旋转舵机转动使得斜杆1号转动角度来达到最佳喷雾效果；

所述中旋转舵机同上旋转舵机，同样可以由控制器控制来调节旋转角度；

所述斜喷杆2号组成部分和结构和斜喷杆1号相同，但是斜喷杆2号与竖直方向的初始夹角设定不同，所述斜喷杆1号与竖直方向靠喷雾内侧的夹角为20度，所述斜喷杆2号与竖直方向靠喷雾外侧的夹角为25度；

所述下部喷杆是三部分构成，左端是连接部分，楔形轴穿过下部喷杆的楔形孔使得可以和斜喷杆2号右侧下旋转舵机相连接，以起到调整下部喷杆角度的作用；中间部分是喷雾喷头，第三部分位于最右端安放的下超声测距传感器，用来采集果树下部以及底部的数据情况；

所述下超声测距探测器，在开机后开始扫描采集果树下部和底部的环境状况，将所处环境的点云数据传至主控制器，然后用来调节斜喷杆2号的下旋转舵机转动，从而控制下部喷杆的最佳喷雾角度。

2.如权利要求1所述的一种适用于柑橘园的仿形智能喷雾设备，其特征在于，所述支撑保护方盒是一个铝合金的正方体方盒，四周是封闭的，右端与电机端部有四个衔接的螺栓孔，上端面板是活动的面板能够开启关闭，下端有两圆孔分别是蜗轮连接轴和喷杆连接轴的伸出端使用；此方盒的目的是连接电机端部起到整体支撑旋转结构的作用，其次该方盒还有助于保护内部机构，防水防尘，并且便于拆卸维修；所述电动伸缩杆目的是调节整个喷雾***的高低，针对不同高度的果树，根据设计调节高度范围为：1.6m～2.6m之间；对于旋转电机进行选型，所选旋转电机所配驱动器需能够实时监控及调控电机转速；所述旋转电机带动整个喷雾装置的旋转速度有一设定值，初设上部喷杆旋转速度为0.04rad/s-0.1rad/s,即旋转一周时间为1分钟到3分钟。

3.如权利要求1所述的一种适用于柑橘园的仿形智能喷雾设备，其特征在于，所述支撑伸缩杆由上液压伸缩杆和下液压伸缩杆组成，上液压伸缩杆一端安装在斜喷杆1号上，另一端安装在上部喷杆上；下液压伸缩杆一端安装在斜喷杆2号上，另一端安装在下部喷杆上；所述上部喷杆的长度等于目标果树上部1/3处的冠层最外侧至该部位树冠层中心处的水平距离，长度由当地果树冠层形状所决定；所述上部喷杆右端与喷杆连接轴的螺丝连接处加缓冲胶垫，减小因为旋转喷雾作业造成的震动和轻微摇摆；所述上部喷杆上的各喷头和电磁阀配合，能够调节喷雾量，各喷头距离果树外侧面的喷雾距离设定值为30～60cm，此距离可以由上旋转舵机调整达到合适的位置以满足喷雾效果；所述上旋转舵机设定可调节角度0度到45度，开始位置为设定值，根据使用综合控制电机转动使得舵机转动自动根据树体情况变化。

4.如权利要求1所述的一种适用于柑橘园的仿形智能喷雾设备，其特征在于，所述斜喷杆1号可调节喷头和电磁阀配合，能够调节喷雾量，进而控制所述斜喷杆的喷出雾滴时的喷洒范围，所述斜喷杆1号304的喷雾范围对应为树冠顶往下1/3处至下一段1/3处的树冠外侧；所述斜喷杆1号右端通孔是用来穿过楔形长轴然后和上部喷杆的上旋转舵机相连接；所述斜喷杆1号和斜喷杆2号处于最初设定角度状态时，斜喷杆1号最上端至斜喷杆2号最下端的竖直距离为果树上1/3下端至果树树冠底部的竖直距离长度；所述下部喷杆的长度应是果树树干中心处至目标果树底部冠层最宽处的水平距离，所述下部喷杆的喷头是和电磁阀协同工作，使得喷雾范围和喷雾距离可控；所述下部喷杆对应于果树底部的喷雾作业。

5.如权利要求1所述的一种适用于柑橘园的仿形智能喷雾设备，其特征在于，所述斜喷杆2号同为三段设计结构，上端为中旋转舵机的连接端，承接上一段喷杆的中旋转舵机，达到旋转目的。中间段为一中超声测距传感器，所述中超声测距传感器作用于此杆作业范围的环境，反馈至主控制器，然后合理调节中旋转舵机旋转角度，从而达到最佳喷雾距离和角度；所述斜喷杆2号中间同样有均匀分布的两个电磁阀调节喷头，用于自动调节喷雾量；所述斜喷杆2号下端为下旋转舵机307，此处旋转舵机主要是帮助下部喷杆达到最佳喷雾角度的安置；所述斜喷杆2号喷雾范围对应于果树冠层底部至上1/3处冠层的外侧冠层部分。

6.利用如权利要求1-4任一所述的仿形智能喷雾设备进行仿形喷雾方法，其特征在于，

设电磁阀调节的斜喷杆上喷头的喷雾夹角为α，斜喷杆上超声波测距器距作物表面的垂直高度为H，所述喷头末端距离各自超声波测距器为h,所述电磁阀调节喷头的喷雾范围为F，则电磁阀的调节该喷头的喷雾范围F需要满足以下关系：

电磁阀调节喷雾量以及喷雾范围需要参照所述几个喷头喷雾的重叠区域进行适量准确快速的调节；

喷雾重叠区域分别为Q₁、Q₂、Q₃(分别表示为斜喷杆1号第一个喷头和第二个喷头的喷雾重叠区、斜喷杆1号第二个喷头和斜喷杆2号第一个喷头的喷雾重叠区、斜喷杆2号第一个喷头和第二个喷头的喷雾重叠区)，M为喷杆上两喷头之间距离，有以下关系：

0<Q₁＝F-M<M/2 (1)Q₁＝F-M>M/2； (2)Q₂、Q₃(皆适用)；

当(1)式成立时，所述几个喷头的喷量和喷雾强度不用调节；

当(2)式成立时，所述几个喷头的喷量和喷雾强度开始由电磁阀智能调节直至喷雾范围F之内。

7.利用如权利要求1-4任一所述的仿形智能喷雾设备的控制方法，其特征在于，通过所述的GNSS卫星导航定位***辅助的激光雷达探测作业对象周围环境以检测整个设备的位置情况从而帮助履带式底盘车体确定合理的行走路线以及和作业对象的距离，并且当首次确定的位置若对喷雾位置调节不合适，可以再次进行修正路线和调整距离果树的位置；

通过所述的姿态传感器来检测出整个设备的倾斜包括竖直轴方向和水平轴方向的倾斜角度；在姿态传感器的使用是配合GNSS卫星导航定位***以及激光雷达一起使用的，可以准确的确定履带式底盘车体的倾斜状况以及果树中心和喷杆中心是否对准；此外，喷杆整体距树冠顶端的高度也是能够通过采集数据的反馈信息来控制电动伸缩杆进行调节；

通过分布在各段喷杆上的超声测距传感器检测出喷杆与作业表面的距离，超声测距传感器是喷杆调节的信息采集装置，在喷雾开始前和喷雾的过程中，超声测距传感器均对喷雾距离进行探测，这样能够调节舵机旋转，从而使得喷杆得到合适的喷雾角度；此外喷头的控制前端也就是所述的电磁调节阀，可以根据反馈信息来合理的调节喷雾的出液量以及强度；

通过主控制器即ARM控制单元来采集所述激光雷达、GNSS卫星导航定位***、姿态传感器和超声测距传感器传输的信号，根据正确的分析解算，得到各驱动装置所需的力和位移，控制调节各驱动装置协同作业，实现喷杆的仿形。

8.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，具体步骤如下：仿形智能喷雾设备开机工作后，首先位于直角支撑杆部分的激光雷达和GPS定位设备开始工作，激光雷达将所获得数据传输至主控制器中进行计算分析后配合GPS确定的位置数据从而得出最佳运动路径以及速度，得出最优数据将数据传递至履带式底盘，待喷雾机行驶至目标果树附近，距离果树一段预设距离后，履带式底盘停止运动，此时激光雷达停止工作；

所述喷杆喷雾***开始工作，首先直角杆旋转底座转动90度将喷雾装置面对作业对象，此时由姿态传感器判断整体设备的倾斜角度配合激光雷达之前采集的数据判断喷杆连接轴的中心是否对准树干中心，若没有对准，反馈信息至主控制器来调节履带式车体的行进达到对准效果；并且这个过程中对各段喷杆有个初步调节，初步调节主要是依据激光雷达之前采集的数据信息；然后各段喷杆开始工作，水泵开始提供喷雾液，各喷杆上安装的超声测距传感器来采集每段喷杆所对应范围的树形情况，采集过程中实时准确的将数据传输到主控制器，主控制器得到采集信息后快速进行整个树形一周的冠层生长情况，然后发回指令给各个舵机开始进行旋转角度，最终距离冠层角度应该以一个设定距离值为准，此值应当是整个一周冠层分布的均值，是喷雾喷头距这个均值的切平面的直线距离；在转动过程中除了舵机的动力，上部喷杆和斜喷杆1号之间有两侧安有的上液压辅助伸缩杆以及斜喷杆2号和下部喷杆之间也有两侧安有的下液压伸缩杆辅助角度的变化；

所述喷雾***在固定了各杆的对应角度后，锁死各舵机，然后在旋转喷雾的过程中又根据之前超声测距传感器到的树冠层分布情况来调节喷头喷雾的喷雾量和喷雾范围；这个变化是实时的，如在未喷完前一段面的时候，主控制器便有数据分析得下一喷雾作业面的冠层茂稀情况，反馈给电磁阀驱动器进行减小和增大喷雾量和距离，允许存在一定的延时，但不影响喷雾效果；

所述喷雾***中的各段喷杆是独立工作，互不干扰的；喷杆的对应角度变化舵机的旋转是互不干扰的，其次各段喷杆上的电磁阀调节喷头也是互不干扰的，对应各自喷雾情况进行调整；

所述履带式底盘车体上部的水箱，是在喷雾***探测完整个树冠层结构后，喷杆初步调节完后进而开启水泵通过软管为各喷头送药液，各喷头开始依照上述计划工作，此过程不受其他情况干扰；

当喷雾作业结束后，所述履带式底盘车体根据激光雷达所获得数据返回原来路径，各部件的姿态也还原到初始设定状态，各电机锁死，等待下一次喷雾进行。