CN116548412A - 一种自走式果园风送变量精确施药装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自走式果园风送变量精确施药装置及方法，包括自走式***、冠层信息采集处理***、变风速风送***、变流量喷雾***。自走式***为履带式底盘，包括动力装置、液压装置和电磁控制装置；冠层信息采集处理***通过激光探测传感器实时采集并处理果树冠层信息，并通过程序算法生成风送喷雾作业的施药量及风速指令；变风速风送***根据风速指令通过控制风机转速和风门开口面积调节风速；变流量喷雾***根据施药量指令通过电磁阀占空比进行流量控制。本发明通过喷雾流量和风速输出与靶标树冠结构的合理匹配，提高农药利用效率，对农药减量增效、保护生态环境意义重大。

Description

一种自走式果园风送变量精确施药装置及方法
技术领域
本发明涉及果园植保机械装置技术，尤其涉及一种自走式的，基于果树冠层特征可变流量、变风速的精确施药装置及方法，提升施药作业效果。
背景技术
果园农药喷施是果树生长过程中重要的管理环节。传统背负式、牵引式、担架式等装置粗放式的施药方式药液浪费严重，农药利用效率低。精准变量第三方喷雾技术是实现按需施药、提高农药利用率的有效手段，对提升农药减施增效，实现现代果园标准化、智能化意义重大。
精准施药作业包括精准流量调控与精准风助调控两个方面，即根据作物冠层信息计算果树全覆盖施药量和雾滴穿透冠层风速的需求，通过控制流量调控和风送调控设备达到变流量和变风速施药的目的。目前的精准施药方法多数以变流量为主，往往忽视风速控制，造成农药难以穿透或者过分穿透冠层，是的雾滴在冠层靶标上的沉积效果差，达不到应有的病虫害防治效果。
发明内容
本发明集合流量调节、风速调节及自走式移动地盘技术，开发智能无人精准施药装置，本发明可以针对果树冠层特征自动调节流量和风速作业参数，实现精准对靶施药，极大提高农药利用效率，对农药减量增效、保护生态环境意义重大。
本发明采取的具体技术方案为：一种自走式果园风送变量精确施药装置及方法，包括自走式***、冠层信息采集处理***、变风速风送***和变流量喷雾***。
所述自走式***包括动力装置、液压装置和电磁控制装置。底盘为履带式底盘，动力装置采用风冷式柴油发动机，液压装置采用液压泵，电磁控制装置采用比例电磁阀，行走动力由液压装置直接提供，发动机曲轴直接与液压泵连接，经液压管路过比例电磁阀至两侧履带的液压马达，行走速度及转向由比例电磁阀控制。
所述冠层信息采集处理***包括二维激光雷达(Lidar)、全球卫星导航***(GNSS)及姿态传感器(IMU)，各传感器数据通过串口通讯连接至整车电子控制单元，实时处理感知数据指导车辆自主作业。
所述变风速风送***由轴流式或者离心式风机提供气流，气流通过导管输送至喷嘴，导管内设有风门，通过调节风门开闭截面积可以控制气流大小。
所述变流量喷雾***由高压液泵、喷头、药液管路及喷雾电磁阀构成。药液经高压液泵加压由管路输送至各喷头，药液的流量通过喷雾电磁阀占空比进行调节。
所述自走式***、冠层信息采集处理***、变风速风送***、变流量喷雾***与整车电子控制单元(ECU)通过串口通讯连接，整车电子控制单元(ECU)通过实时采集的环境及作物信息，控制施药装置的行驶及喷雾状态。
为实现上述技术目的，本发明采取的另一个技术方案为：
一种自走式果园风送变量精确施药方法，具体包括：
(1)同步二维激光雷达(Lidar)、姿态传感器(IMU)频率，统一各传感器时间戳信息。将姿态传感器(IMU)四元数数据转换为刚体变换矩阵，把同一时刻二维激光雷达(Lidar)采集的点云数据通过矩阵变换匹配到新的坐标系下，并存储到整车电子控制单元(ECU)内。
(2)选择果树临近行的中线为设定路径，由全球卫星导航***(GNSS)数据计算得出世界坐标变换矩阵，将设定路径转换到世界坐标内，根据全球卫星导航***(GNSS)实时位置数据和设定路径偏差，实时调整施药装置行驶状态。
(3)以冠层体积为药量、风速调节依据，利用采集的点云，识别树干并获取树干距离、冠层深度，计算单侧截面积，结合喷雾移动距离，通过离散化思想计算当前冠层的体积。
(4)喷雾电磁阀与整车电子控制单元(ECU)单元采取232通信，增加由MAX232及其***电路组成的TTL与232转换电路。为防止强弱电互扰，设计了以光电耦合器件EL817为主的光电隔离电路。采用8个十六进制数表示喷雾电磁阀PWM占空比，数据采集处理每100ms发送1次PWM指令给流量控制单片机，实现电磁阀启闭。
(5)风速调节方式采用风机转速和风门开度协同调节。风机转速是通过变频器控制电机启闭，通过变频器控制面板电位器进行转速调节。风门安装在风机出口分流装置的内侧，通过调节风门开度控制气流进入管道面积来调节喷雾机出口风速。
作为本发明的进一步改进，所述步骤(1)包括：
(1.1)整车电子控制单元(ECU)模块将实时二维激光雷达(Lidar)、姿态传感器(IMU)所采集的点云及施药装置位置数据匹配到同一坐标系中。
(1.2)根据姿态传感器(IMU)的四元数信息q＝w+xi+yj+zk，得到点云的刚体变换矩阵，接着将二维激光雷达(Lidar)数据转换到同一坐标系下。具体计算方法为：
p'＝R(q)*p (2)
式中，p′为旋转后点的坐标，p为旋转前点的坐标。
作为本发明的进一步改进，所述步骤(2)包括：
(2.1)将设定的路径的行驶路径导入到整车电子控制单元(ECU)，为方便与全球卫星导航***(GNSS)的位置偏差对比，整车电子控制单元(ECU)模块把路径的位置信息通过转换，形成世界坐标信息的路径。具体计算方法为：
式中，A为旋转矩阵，B为平移矩阵。
(2.2)根据施药装置行驶过程中的横向偏差Δs，通过反馈调节的方式，实时调节行走***两侧液压马达的比例电磁阀开闭程度，通过液压油流量控制两侧履带差速转向，实现车辆对路径的实时跟随。
作为本发明的进一步改进，所述技术(3)包括：(沿用专利“一种基于二维激光扫描仪的树木靶标体积实时测量方法(专利号：ZL201510834124.4)”的冠层体积计算方法)
(3.1)根据一个时间段内采集的点云数据，获得单侧冠层截面积，结合施药装置单位时刻移动距离，采用离散化思想，对树冠开始位置至结束位置的帧体积累计求和，得出树冠体积。假设，x轴为喷雾机移动方向，y轴为测量方向，z轴垂直地面向上。每隔周期Δt，二维激光扫描仪完成一次扫描，获取一帧数据，扫描平面与yz平面平行。具体计算方法为：
VN＝2Syz/NvΔt (4)
式中，VN——树冠第N帧体积,m3；
Syz/N——树冠第N帧在yz平面的单侧截面积，m2；
v——喷雾机行驶速度,m/s；
(3.2)根据冠层的体积计算需求流量。***将N个激光雷达周期的树冠体积累积生成对应喷嘴的PWM占空比。其中:N≥电磁阀响应周期/扫描周期，相对时间内对应喷头喷雾量Qk(L):
Qk＝NqkΔt (5)
式中，qk—第k个喷头的流速，L/s。
对应喷嘴的喷雾量和其作用区域的树冠体积呈正比，可将相对树冠体积转化为对应喷嘴的喷雾量:
式中，为推荐施药量，L/m3。
由公式(4)、(5)、(6)联立可获得喷头流量与对应树冠截面积之间的关系:
喷雾***中电磁阀PWM占空比Pk决定了对应单个喷头流量qk，两者间呈线性关系:
qk＝a*Pk+b (8)
式中，a为斜率；b为截距；a、b为线性常数，可通过变量喷雾试验获得。
联立公式(7)、(8)可得PWM占空比与对应喷嘴的树冠截面积之间的关系:
(3.3)根据冠层的体积计算需求风速。根据射流理论即动能定理推导出的喷雾流场速度速度模型，可得喷雾出口中心位置风速u0：
式中，x0—喷雾出口与射流源中心的距离，m
r0—气流射流装置的圆弧半径，m
b0—喷雾射流的射流半径，m
ux—距喷头中心x处的气流速度，m/s
在距离喷头x处的水平面上，建立一个扇形控制体，宽度为2b，厚度为dx。弧角为β，内弧为β(r0+x)。计算控制体体积dV为
dV＝2Cmβ(r0+x)(x-x0)dx (11)
式中，Cm—射流主区域试验射流系数。
应用控制体的动能守恒定理，即流入动量通量和流出动量通量之间的差值应等于树冠所产生的阻力。建立方程简化得:
式中，A，B—阻力拟合系数。
ρl—叶面积密度(LAD)，m-1，定义为给定控制体内的叶面积与控制体体积间的比值，pl＝SN/VN。
结合树冠体积，SN为树冠第N帧点云网格面积，m2。求解该非线性微分方程：
式中，C1—为积分常数。
风速控制中，通过靶标冠层特征ρl、冠层末端位置xout以及冠层末端所需风速uout作为边界条件，联立公式(10)、(13)，求得喷雾作业时喷雾机出口所需的风速u0。
作为本发明的进一步改进，所述步骤(4)包括：
根据所计算的需求药量，由整车电子控制单元(ECU)向电磁阀发送占空比指令，通过流量计测量喷头的实际流量，对比实际流量与需求药量偏差，整车电子控制单元(ECU)根据实时反馈数据调整电磁阀占空比状态，实现药液变量调节。
作为本发明的进一步改进，所述步骤(5)包括：
根据所计算的需求风速，由整车电子控制单元(ECU)向风机及风门发送转速及风门开度指令，通过流速计采集风速数据，对比实际风速与需求风速偏差，整车电子控制单元(ECU)根据实施反馈数据调整风机转速及风门开度，实现风速变量调节。
本发明的有益效果在于：可以针对果树冠层特征自动调节流量和风速作业参数，实现精准对靶施药，极大提高农药利用效率，对农药减量增效、保护生态环境意义重大。
附图说明
图1为本发明设备结构图。
图2为喷雾***的结构示意图。
图3为喷雾参数示意图，其中，(a)为主视图，(b)为俯视图。
图4为发明原理及技术示意图。
具体实施方式
下面根据图1至图4对本发明的具体实施方式作出进一步说明：
一种自走式果园风送变量精确施药装置及方法，包括自走式***、冠层信息采集处理***、变风速风送***、变流量喷雾***。图1为该装置的结构示意图。包括气流导管1，可调整支架2，激光雷达3，风速调节风门4，指形喷头5，气流分流器7，风机8，履带9，姿态传感器10，整车电子控制单元11，全球卫星导航***12。
参见图1，所述自走式***包括动力装置、液压装置、电磁控制装置。行走底盘为履带式底盘9，动力装置采用风冷式柴油发动机，液压装置采用液压泵，电磁控制装置采用比例电磁阀，行走动力由液压装置直接提供，发动机曲轴直接与液压泵连接，经液压管路过比例电磁阀至两侧履带的液压马达，行走速度及转向由比例电磁阀控制。
参见图1，冠层信息采集处理***包括二维激光雷达3、全球卫星导航***12及姿态传感器10，各传感器数据通过串口通讯连接至整车电子控制单元11，实时处理感知数据指导车辆自主作业。
参见图2，所述变风速风送***由轴流式或者离心式风机13提供气流，气流通过导管16输送至喷嘴17，导管内设有风门14，通过调节风门开闭截面积可以控制气流大小。所述变流量喷雾***由高压液泵20、喷头17、药液管路22及喷雾电磁阀19构成。药箱21的药液经高压液泵加压由管路输送至各喷头，药液的流量通过电磁阀占空比进行调节。
所述各***与整车电子控制单元(ECU)11通过串口通讯连接，整车电子控制单元(ECU)通过实时采集的环境及作物信息，控制施药装置的行驶及喷雾状态。
本发明还提供一种用于上述的一种自走式果园风送变量精确施药方法，包括：
(1)同步二维激光雷达(Lidar)、姿态传感器(IMU)传感器频率，统一各传感器时间戳信息。将姿态传感器(IMU)四元数数据转换为刚体变换矩阵，把同一时刻LiDAR采集的点云数据通过矩阵变换匹配到新的坐标系下，并存储到整车电子控制单元(ECU)内。
(2)选择果树临近行的中线为设定路径，由全球卫星导航***(GNSS)数据计算得出世界坐标变换矩阵，将设定路径转换到世界坐标内，根据全球卫星导航***(GNSS)实时位置数据和设定路径偏差，实时调整施药装置行驶状态。
(3)以冠层体积为药量、风速调节依据，利用采集的点云，识别树干并获取树干距离、冠层深度，计算单侧截面积，结合喷雾移动距离，通过离散化思想计算当前冠层的体积。
(4)喷雾电磁阀与整车电子控制单元(ECU)单元采取232通信，增加由MAX232及其***电路组成的TTL与232转换电路。为防止强弱电互扰，设计了以光电耦合器件EL817为主的光电隔离电路。采用8个十六进制数表示喷雾电磁阀PWM占空比，数据采集处理每100ms发送1次PWM指令给流量控制单片机，实现电磁阀启闭。
(5)风速调节方式采用风机转速和风门开度协同调节。风机转速是通过变频器控制电机启闭，通过变频器控制面板电位器进行转速调节。风门安装在风机出口分流装置的内侧，通过调节风门开度控制气流进入管道面积来调节喷雾机出口风速。
在本实施例中，所述步骤(1)包括：
(1.1)整车电子控制单元(ECU)模块11将实时二维激光雷达(Lidar)、姿态传感器(IMU)所采集的点云及施药装置位置数据匹配到同一坐标系中。
(1.2)根据姿态传感器(IMU)的四元数信息q＝w+xi+yj+zk，得到点云的刚体变换矩阵，接着将二维激光雷达(Lidar)数据转换到同一坐标系下。具体计算方法为:
p'＝R(q)*p (2)
式中，p′为旋转后点的坐标，p为旋转前点的坐标。
在本实施例中，所述步骤(2)包括：
(2.1)将设定的路径的行驶路径导入到整车电子控制单元(ECU)，为方便与全球卫星导航***(GNSS)的位置偏差对比，整车电子控制单元(ECU)模块把路径的位置信息通过转换，形成世界坐标信息的路径。具体计算方法为：
式中，A为旋转矩阵，B为平移矩阵。
(2.2)根据施药装置行驶过程中的横向偏差Δs，通过反馈调节的方式，实时调节行走***两侧液压马达的比例电磁阀开闭程度，通过液压油流量控制两侧履带差速转向，实现车辆对路径的实时跟随。
在本实施例中，所述步骤(3)包括：(沿用专利“一种基于二维激光扫描仪的树木靶标体积实时测量方法(专利号：ZL201510834124.4)”的冠层体积计算方法)
(3.1)根据一个时间段内激光雷达雷达12采集的点云数据，获得单侧冠层截面积，结合施药装置单位时刻移动距离，采用离散化思想，对树冠开始位置至结束位置的帧体积累计求和，得出树冠体积。假设，x轴为喷雾机移动方向，y轴为测量方向，z轴垂直地面向上。每隔周期Δt，二维激光扫描仪完成一次扫描，获取一帧数据，扫描平面与yz平面平行。具体计算方法为：
VN＝2Syz/NvΔt (4)
式中，VN——树冠第N帧体积,m3；
Syz/N——树冠第N帧在yz平面的单侧截面积，m2；
v——喷雾机行驶速度,m/s；
(3.2)根据冠层的体积计算需求流量。***将N个激光雷达周期的树冠体积累积生成对应喷嘴的PWM占空比。其中:N≥电磁阀响应周期/扫描周期，相对时间内对应喷头喷雾量Qk(L):
Qk＝NqkΔt (5)
式中，qk—第k个喷头的流速，L/s。
对应喷嘴的喷雾量和其作用区域的树冠体积呈正比，可将相对树冠体积转化为对应喷嘴的喷雾量:
式中，为推荐施药量，L/m3。
由公式(4)、(5)、(6)联立可获得喷头流量与对应树冠截面积之间的关系:
喷雾***中电磁阀PWM占空比Pk决定了对应单个喷头流量qk，两者间呈线性关系:
qk＝a*Pk+b (8)
式中，a为斜率；b为截距；a、b为线性常数，可通过变量喷雾试验获得。
联立公式(7)、(8)可得PWM占空比与对应喷嘴的树冠截面积之间的关系:
(3.3)根据冠层的体积计算需求风速。根据射流理论即动能定理推导出的喷雾流场速度速度模型，可得喷雾出口中心位置风速u0：
式中，x0—喷雾出口与射流源中心的距离，m
r0—气流射流装置的圆弧半径，m
b0—喷雾射流的射流半径，m
ux—距喷头中心x处的气流速度，m/s
参见图3，在距离喷头x处的水平面上，建立一个扇形控制体，宽度为2b，厚度为dx。弧角为β，内弧为β(r0+x)。计算控制体体积dV为
dV＝2Cmβ(r0+x)(x-x0)dx (11)
式中，Cm—射流主区域试验射流系数。
应用控制体的动能守恒定理，即流入动量通量和流出动量通量之间的差值应等于树冠所产生的阻力。建立方程简化得:
式中，A，B—阻力拟合系数。
ρl—叶面积密度(LAD)，m-1，定义为给定控制体内的叶面积与控制体体积间的比值，pl＝SN/VN。
结合树冠体积，SN为树冠第N帧点云网格面积，m2。求解该非线性微分方程：
式中，C1—为积分常数。
参见图3，风速控制中，通过靶标冠层特征ρl、冠层末端位置xout以及冠层末端所需风速uout作为边界条件，联立公式(10)、(13)，求得喷雾作业时喷雾机出口所需的风速u0。
参见图4，在本实施例中，所述步骤(4)包括：
根据所计算的需求药量，由整车电子控制单元(ECU)向电磁阀19发送占空比指令，通过流量计测量喷头的实际流量，对比实际流量与需求药量偏差，整车电子控制单元(ECU)根据实时反馈数据调整电磁阀占空比状态，实现药液变量调节。
所述步骤(5)包括：
根据所计算的需求风速，由整车电子控制单元(ECU)向风机13及风门14发送转速及风门开度指令，通过流速计采集风速数据，对比实际风速与需求风速偏差，整车电子控制单元(ECU)根据实施反馈数据调整风机转速及风门开度，实现风速变量调节。
本发明能够根据果树冠层特征，实现药量及风速的实时调节，实现了药液的增效减施，并且可以根据既定路线进行自主作业，降低了劳动成本，对保护生态环境，减少种植投入意义重大。
本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种自走式果园风送变量精确施药装置，包括自走式***、冠层信息采集处理***、变风速风送***和变流量喷雾***；
所述自走式***为履带式底盘，包括动力装置、液压装置和电磁控制装置；其中，履带式底盘采用两侧具有履带的底盘，动力装置采用风冷式柴油发动机，液压装置采用液压泵，电磁控制装置采用比例电磁阀，所述动力装置的行走动力由液压装置直接提供，风冷式柴油发动机的曲轴直接与液压泵连接，经液压管路过比例电磁阀至两侧履带的液压马达，行走速度及转向由比例电磁阀控制；
所述冠层信息采集处理***包括二维激光雷达、全球卫星导航***和姿态传感器，各传感器数据通过串口通讯连接至整车电子控制单元，实时处理感知数据指导车辆自主作业；
所述变风速风送***由轴流式或者离心式风机提供气流，气流通过导管输送至喷嘴，导管内设有风门，通过调节风门开闭截面积控制气流大小；
所述变流量喷雾***由高压液泵、喷头、药液管路和喷雾电磁阀构成；药液经高压液泵加压由管路输送至各喷头，药液的流量通过喷雾电磁阀占空比进行调节；
所述自走式***、冠层信息采集处理***、变风速风送***、变流量喷雾***与整车电子控制单元通过串口通讯连接，整车电子控制单元通过实时采集的环境及作物信息，控制施药装置的行驶及喷雾状态。
2.一种自走式果园风送变量精确施药方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的一种自走式果园风送变量精确施药装置，包括以下步骤：
(1)同步二维激光雷达、姿态传感器传感器频率，统一各传感器时间戳信息；将姿态传感器四元数数据转换为刚体变换矩阵，把同一时刻二维激光雷达采集的点云数据通过矩阵变换匹配到新的坐标系下，并存储到整车电子控制单元内；
(2)选择果树临近行的中线为设定路径，由全球卫星导航***数据计算得出世界坐标变换矩阵，将设定路径转换到世界坐标内，根据全球卫星导航***实时位置数据和设定路径偏差，实时调整施药装置行驶状态；
(3)以冠层体积为药量、风速调节依据，利用采集的点云，识别树干并获取树干距离、冠层深度，计算单侧截面积，结合喷雾移动距离，通过离散化思想计算当前冠层的体积；
(4)喷雾电磁阀与整车电子控制单元采取232通信，增加由MAX232及其***电路组成的TTL与232转换电路；为防止强弱电互扰，设计以光电耦合器件EL817为主的光电隔离电路，采用8个十六进制数表示喷雾电磁阀PWM占空比，数据采集处理每100ms发送1次PWM指令给流量控制单片机，实现喷雾电磁阀启闭；
(5)风速调节方式采用风机转速和风门开度协同调节，风机转速是通过变频器控制电机启闭，通过变频器控制面板电位器进行转速调节，风门安装在风机出口分流装置的内侧，通过调节风门开度控制气流进入管道面积来调节喷雾机出口风速。
3.根据权利要求2所述的一种自走式果园风送变量精确施药方法，其特征在于，所述步骤(1)包括：
(1.1)整车电子控制单元将实时二维激光雷达、姿态传感器所采集的点云及施药装置位置数据匹配到同一坐标系中；
(1.2)根据姿态传感器的四元数信息，得到点云的刚体变换矩阵，接着将二维激光雷达数据转换到同一坐标系下。
4.根据权利要求2所述的一种自走式果园风送变量精确施药方法，其特征在于，所述步骤(2)包括：
(2.1)将设定的行驶路径导入到整车电子控制单元，为方便与全球卫星导航***的位置偏差对比，整车电子控制单元把路径的位置信息通过转换，形成世界坐标信息的路径；
(2.2)根据施药装置行驶过程中的横向偏差Δs，通过反馈调节的方式，实时调节行走***两侧液压马达的比例电磁阀开闭程度，通过液压油流量控制两侧履带差速转向，实现车辆对路径的实时跟随。
5.根据权利要求2所述的一种自走式果园风送变量精确施药方法，其特征在于，所述步骤(3)包括：
(3.1)根据一个时间段内采集的点云数据，获得单侧冠层截面积，结合施药装置单位时刻移动距离，采用离散化思想，对树冠开始位置至结束位置的帧体积累计求和，得出树冠体积；
(3.2)将N个激光雷达周期的树冠体积累积生成对应喷嘴的PWM占空比，根据喷雾量和树冠体积对应函数，将相对树冠体积转化为对应喷嘴的喷雾量，结合喷头流量与对应树冠截面积、PWM占空比关系，得到PWM占空比与树冠截面积之间的关系；
(3.3)根据射流理论即动能定理推导出的喷雾流场速度速度模型，应用控制体动能守恒定理，结合树冠体积，通过靶标冠层特征ρl、冠层末端位置xout以及冠层末端所需风速uout作为边界条件，求得喷雾作业时喷雾出口所需的风速。
6.根据权利要求2所述的一种自走式果园风送变量精确施药方法，其特征在于，所述步骤(4)包括：
根据所计算的需求药量，由整车电子控制单元向喷雾电磁阀发送占空比指令，通过流量计测量喷头的实际流量，对比实际流量与需求药量偏差，整车电子控制单元根据实时反馈数据调整喷雾电磁阀占空比状态，实现药液变量调节。
7.根据权利要求2所述的一种自走式果园风送变量精确施药方法，其特征在于，所述步骤(5)包括：
根据所计算的需求风速，由整车电子控制单元向风机及风门发送转速及风门开度指令，通过流速计采集风速数据，对比实际风速与需求风速偏差，整车电子控制单元根据实施反馈数据调整风机转速及风门开度，实现风速变量调节。
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