一種精準施加林木障礙藥帶的裝置製造方法
2023-06-01 02:49:11 1
一種精準施加林木障礙藥帶的裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種精準施加林木障礙藥帶的裝置，屬於農林業機械裝備自動化測控領域，其包括移動平臺、主控單元、雷射掃描雷達以及施加障礙藥帶的拋甩執行機構；雷射掃描雷達固定在移動平臺一側的前部，其正直面對目標樹幹；在移動平臺後部與雷射掃描雷達同側安裝有施加障礙藥帶的拋甩執行機構，且拋甩執行機構和雷射掃描雷達位於同一水平位置上，拋甩執行機構上均勻分布有多個機械臂，每個機械臂末端裝有一個磁鐵，用以吸附障礙藥帶。整套裝置採用非液力的方式施加障礙藥帶，無藥液飄散和噴藥損失，提高了藥液利用率；和人工纏繞藥帶相比，還大幅提高了效率，解放了勞動力。
【專利說明】一種精準施加林木障礙藥帶的裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種農林業施藥作業裝置，尤其涉及一種精準施加林木障礙藥帶的裝置。
【背景技術】
[0002]具有上、下樹幹遷移習性的食葉害蟲是危害林木生長的主要害蟲。當初春林木開始發芽時，食葉害蟲在夜間或者陰天等陽光較弱的時候順著樹幹或藤蔓爬到樹冠上啃食嫩芽和新枝，從而造成林木、特別是經濟林果樹減產或者整株死亡，危害嚴重。目前常見防治方法有人工捕捉、鋤地滅卵、誘殺法、灌水淹殺和化學防治等方法，其中化學方法仍是主要手段。傳統的化學防治採用漫播噴施方式對整株林木噴灑殺蟲劑以防治食葉害蟲。該方式會導致過度噴施，不但使成本增加，還會引發諸如土壤和地下水汙染等環境問題，且藥液飄散現象嚴重，對人類健康產生不良影響。此外，食葉害蟲的防治方法還包括樹幹注藥法和樹幹塗膠法。注藥法是在樹幹周圍鑽孔注藥，使全樹體都具有農藥的有效成分，不論害蟲在什麼部位取食，都會中毒死亡；對於具有上下樹遷移習性的害蟲，可直接將粘蟲膠塗於樹上，或先用膠帶在樹幹光滑部位纏繞一圈，然後將粘蟲膠均勻塗在上面。這兩種方法都有各自的弊端:注藥法過程複雜，需要先鑽孔後注藥，且藥液濃度難以把握，容易因藥液濃度過高而對樹體產生藥害；塗膠法需先刮去樹皮，再纏繞膠帶，最後塗抹粘蟲膠，程序繁雜、勞動強度高、效率低下，且對塗抹的粘膠均勻性要求較高。
[0003]將精準施藥技術融入到樹幹塗膠方法中:車輛勻速行進過程中，根據每棵林木樹幹的具體情況(大小和位置)來決定施藥動作，採用非液力的施藥方式在樹幹上施加一道與樹幹塗膠法類似的具有一定寬度的障礙藥帶以切斷食葉害蟲上下樹遷移必經之路(樹幹)。這類方法大幅節省用藥量、避免藥液飄散、提高農藥利用率、降低環境汙染，還可解放勞動力、提高生產效率，即可克服以上三種方法的弊端。
實用新型內容
[0004]本實用新型的目的是提供一種以拋甩的方式自動精準施加林木障礙藥帶的裝置，以避免霧滴飄散並提高作業效率。
[0005]本實用新型所提供的技術方案是提出一種精準施加林木障礙藥帶的裝置，其包括:
[0006]移動平臺、主控單元、雷射掃描雷達以及施加障礙藥帶的拋甩執行機構；雷射掃描雷達固定在移動平臺一側的前部，其正直面對目標樹幹；在移動平臺後部與雷射掃描雷達同側安裝有施加障礙藥帶的拋甩執行機構，且拋甩執行機構和雷射掃描雷達位於同一水平位置上，拋甩執行機構上均勻分布有多個機械臂，每個機械臂末端裝有一個磁鐵，用以吸附障礙藥帶。
[0007]該裝置還包括步進電機驅動拋甩執行機構執行拋甩動作。
[0008]機械臂為3個，各機械臂之間的夾角為120°。
[0009]拋甩執行機構底部裝有直線電機模組，主控單元控制直線電機模組帶動拋甩執行機構相對於移動平臺做往復移動。
[0010]主控單元為軍用型筆記本電腦。
[0011]障礙藥帶的材料為不鏽鋼彈簧片，正常狀態捲曲成螺旋狀，拋甩時為繃直狀態。
[0012]本實用新型還提出一種應用上述精準施加障礙藥帶的裝置進行精準施藥的方法，其特徵在於包括以下步驟:
[0013](I)移動平臺沿移動方向低速勻速行進的過程中，雷射掃描雷達二維水平掃描林木樹幹並得到林木樹幹的尺寸和位置；
[0014](2)當某一樹幹位置位於撞擊基準線沿移動方向的一側，其到撞擊基準線的垂直距離與其它樹幹位置相比最小但大於該樹幹直徑時，主控單元實時向直線電機模組發出信號，控制拋甩執行機構沿雷射掃描雷達的正中線方向往復移動，以保證在撞擊位置時機械臂末端與樹幹位置在雷射掃描雷達的正中線方向上的距離；
[0015](3)機械臂在裝載位置時，人工將處於繃直狀態的障礙藥帶通過磁鐵固定在機械臂的末端，要求障礙藥帶的外表面與磁鐵接觸。當主控單元檢測到樹幹位置到撞擊基準線的垂直距離小於或等於樹幹半徑，樹幹位置位於基準線沿移動方向的一側且未執行拋甩動作時，控制步進電機驅動拋甩執行機構執行拋甩障礙藥帶的動作；障礙藥帶在撞擊位置時撞擊到樹幹，樹幹給障礙藥帶垂直作用一個外力，使撞擊點處障礙藥帶繃直的臨界平衡狀態遭到破壞，障礙藥帶有恢復到原始螺旋狀態的彈性力，該彈性力從撞擊點分別向障礙藥帶的兩端蔓延，障礙藥帶自由端先纏繞在樹幹上，然後障礙藥帶另一端擺脫磁鐵的吸力也纏繞在樹幹，從而在樹幹上形成一個環形封閉的障礙藥帶；
[0016](4)在上述障礙藥帶拋甩及纏繞樹幹的過程中，機械臂從裝載位置勻速轉過120°到達拋甩結束位置，完成一次拋甩動作，之後機械臂從拋甩結束位置到空閒位置，再從空閒位置回到裝載位置的過程均為空行程，不執行與拋甩障礙藥帶有關的任何動作。
[0017]本實用新型的有益效果為:採用可在林間或果園行走的輪式移動平臺，在移動平臺上搭載雷射掃描雷達，實現對林木樹幹的快速、準確識別和定位，從而控制專門的執行機構以拋甩的方式向樹幹上施加具有特定彈性力學性能的障礙藥帶，使其纏繞在樹幹上形成有效屏障，阻隔食葉害蟲。整套裝置定位精度高，響應速度快，採用非液力的方式施加障礙藥帶，無噴藥損失和藥液飄散，提高了藥液利用率，基本實現「綠色施藥」的效果，且與人工纏繞藥帶相比，效率大幅提高，解放了勞動力；另外，由於施加的障礙藥帶具有彈性，一定長度的藥帶可適應一定範圍內的樹幹尺寸變化，因此可以多年重複使用，降低了防治成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]下面結合附圖及【具體實施方式】對本實用新型作進一步詳細的說明:
[0019]圖1為本實用新型的精準施加林木障礙藥帶裝置的整體布局俯視圖；
[0020]圖2 (a)為本實用新型的障礙藥帶基本形狀圖；
[0021]圖2(b)為本實用新型的障礙藥帶正常狀態示意圖；
[0022]圖2(c)為本實用新型的障礙藥帶A-A方向截面圖；
[0023]圖2(d)為本實用新型的障礙藥帶繃直狀態示意圖；
[0024]圖3為本實用新型的精準施加障礙藥帶的原理圖；
[0025]圖4(a)為本實用新型的障礙藥帶開始撞擊到樹幹的撞擊位置的示意圖；
[0026]圖4(b)為本實用新型的障礙藥帶的自由端先纏繞在樹幹上的示意圖；
[0027]圖4(c)為本實用新型的在樹幹上形成一個環形封閉的障礙藥帶的示意圖。
[0028]附圖標記:
[0029]1-移動平臺；2_主控單元；3_乙太網接口 ；4_雷射掃描雷達；5_掃描區域；6_USB接口 ；7-RS422轉USB接口 ；8_數據採集卡；9_拋甩執行機構；10_機械臂；11_磁鐵；12_障礙藥帶；13-步進電機；14-拋甩方向；15-直線電機模組；16-樹幹；17-掃描方向；18_x軸方向；19_y軸方向；20_支架；21_移動方向；22_彎曲方向；23_撞擊基準線；24_內表面；25-外表面；P1-裝載位置；P12-撞擊位置；P2-拋甩結束位置；P3-空閒位置；
【具體實施方式】
[0030]本實用新型的精準施加林木障礙藥帶裝置，其較佳的【具體實施方式】如圖1至圖4(c)所示:
[0031]本實用新型的精準施加林木障礙藥帶裝置包括移動平臺1、主控單元2、雷射掃描雷達4、拋甩執行機構9和障礙藥帶12 ；
[0032]如圖1所示，移動平臺I為一臺四輪電動農用車，前輪轉向、後輪驅動，本實用新型中所有部件和機構均安裝在移動平臺I上，移動平臺I最大載重量為450kg，滿載時最高車速25km/h，額定功率4.Skw,配有4塊12V DC的車載電瓶，為整個精準施加林木障礙藥帶裝置提供電源；
[0033]本實用新型中，一臺SICK LMS511型雷射掃瞄雷達4通過支架20固定在移動平臺I的右前部距離地面Im的位置，正直面對、並水平二維掃描樹幹16，雷射掃瞄雷達4的掃面區域5設置為190°，掃描方向17為逆時針方向，掃描角度解析度為0.5°，對應的數據更新頻率為75Hz，最大探測距離為26m。雷射掃描雷達4通過乙太網3與主控單元2進行數據通訊；如圖1所示，以雷射掃描雷達4的雷射發射中心為原點，建立了雷射掃描雷達4的相對直角坐標系，X軸18為與移動平臺I移動方向21相反的方向，y軸19為雷射掃貓雷達4的正中線；
[0034]本實用新型中，在移動平臺I後部右側位置安裝有施加障礙藥帶12的拋甩執行機構9，拋甩執行機構9和雷射掃描雷達4位於同一水平位置上；拋甩執行機構9上均勻分布有3個機械臂10，各機械臂10之間的夾角為120°，每個機械臂10末端裝有一個磁鐵11，用以吸附障礙藥帶12 ;主控單元2通過數據採集卡8控制步進電機13驅動拋甩執行機構9按如圖1所示逆時針的拋甩方向14執行拋甩動作，每拋甩一次執行機構9轉過120° ;拋甩執行機構9底部裝有直線電機模組15，拋甩執行機構9固定在直線電機模組15的動子上，直線電機模組15的定子固定在移動平臺I上。主控單元2通過數據採集卡8控制直線電機模組15帶動拋甩執行機構9在雷射掃描雷達4相對坐標系y軸19的方向上相對於移動平臺I做往復移動，移動範圍為500mm，最大移動速度為4m/s。拋甩執行機構9的移動位移量通過RS422轉USB接口 7反饋給主控單元2，主控單元2與數據採集卡8通過USB接口 6進行通訊。
[0035]本實用新型中，主控單元2為適應惡劣環境下工作的軍用型筆記本電腦，CPU主頻為2.4GHz雙核處理器，內存為3GB，硬碟為250GB，可在潮溼、灰塵、汙染、振動等惡劣環境中，滿足作業要求。主控單元2通過車載支架安裝在移動平臺I前部中間位置，駕駛員可根據個人習慣調整車載支架及主控單元2的位置，以便駕駛員監視主控單元2實時顯示的內容，並對施加裝置進行調試和設置等操作。
[0036]如圖2所示為本實用新型中的障礙藥帶12，其材料為不鏽鋼彈簧片，基本形狀為長條形，長度為L，寬度為W，厚度為T(圖2(a)和(c))，正常狀態時沿彎曲方向22捲曲成螺旋狀(圖2(b))。本實用新型中障礙藥帶12在被拋甩之前需經過預處理:將障礙藥帶12捋直後，拱成一個內表面24外凸，外表面25內凹的圓弧面，曲率半徑為r，如圖2(c)所示，使原來成螺旋狀的障礙藥帶12繃直成一條直帶，且能保持這種繃直的臨界平衡狀態(圖2(d))。當有一外力F垂直作用於障礙藥帶12的內表面24上任意位置時，這種繃直的臨界平衡狀態被破壞，障礙藥帶12將沿彎曲方向22捲曲恢復成原來的螺旋狀(圖2(b))。本實用新型利用這一彈性力學特性，將障礙藥帶12纏繞在樹幹16上。整個障礙藥帶12的外表面上包裹著一層藥衣，藥衣中含有具有滅殺和阻隔害蟲作用的藥液或粘蟲膠。長度為L的障礙藥帶12適用的樹幹直徑D範圍為:
0.5L 0.8L(Λ.
[0037]—<D<~~(I)
ππ
[0038]當樹幹直徑超出該範圍時，可根據樹幹16的尺寸適當增長或縮短障礙藥帶12。
[0039]下面結合圖3和4 (a) - (c)，對拋甩執行機構9中的一個機械臂10精準施藥障礙藥帶的方法做具體描述，另外兩個機械臂10精準施加障礙藥帶的方法和過程與之完全相同:
[0040](I)移動平臺I沿移動方向21低速勻速行進的過程中，雷射掃描雷達4 二維水平掃描林木樹幹16。當雷射掃描雷達4完成一次掃描後,得到掃描區域5內所有樹幹的輪廓點序列，包括掃描角度Θ和該掃描角度下的探測距離P，並發送給主控單元2，主控單元2首先對輪廓點進行預處理，根據實際應用環境將探測距離超過閾值A的輪廓點全部濾除，然後將剩下的數據點利用公式(2)轉換到雷射掃描雷達4的相對直角坐標系中:
(Xi=PlSinOi(2)
[0041]= Pi COS Oi
[0042]其中，(Xi, Yi)為第i個輪廓點在雷射掃描雷達4的相對直角坐標系中的位置，Θ i為第i個輪廓點的掃描角度，P i為第i個輪廓點的探測距離。然後在相對直角坐標系中分析輪廓點間跳變距離。當點間跳變距離小於閾值B，認為是屬於同一樹幹上的輪廓點；反之，則屬於不同樹幹，最終得到掃描區域5內各個樹幹的輪廓點簇。其中閾值B由雷射掃描雷達4的掃描角度解析度、掃描頻率、雷射掃描雷達4與樹幹16間的距離和作業速度確定。計算第j個樹幹輪廓點簇中首末兩個數據點之間的距離，視為該樹幹16的直徑Dp首末數據點之間的連線的中點視為該樹幹在雷射掃描雷達4的相對直角坐標系中的位置(Xc;j，y。」)，如圖3所示。
[0043](2)當第j個樹幹位置(X。」，ycJ)位於撞擊基準線23沿移動方向21的一側，其到撞擊基準線23的垂直距離d與其它樹幹位置相比最小但大於該樹幹直徑Dj時，根據該樹幹位置(Xq.，yj，機械臂10在撞擊位置P12時其末端與雷射掃描雷達4在y軸19方向上的相對位置關係，主控單元2實時向直線電機模組15發出信號，控制拋甩執行機構9沿y軸19方向往復移動，保證在撞擊位置P12時機械臂10末端與樹幹位置(Xc^ycd)在y軸19方向上的距離:
[0044]L1 = L- π Dj (3)
[0045]其中，L1為在撞擊位置P12時機械臂10末端與樹幹位置(Xc^yej)在y軸19方向上的距離，L為障礙藥帶長度，&為該樹幹的直徑。撞擊基準線23是指障礙藥帶12預計撞擊樹幹16的位置。
[0046](3)機械臂10在裝載位置Pl時，人工將處於繃直狀態的障礙藥帶12通過磁鐵11固定在機械臂10的末端(圖3)，要求障礙藥帶12的外表面25與磁鐵11接觸。當主控單元2檢測到樹幹位置0^_，yCJ)到撞擊基準線23的垂直距離d小於或等於樹幹半徑樹幹位置(X。」，yCJ)位於撞擊基準線23沿移動方向21的一側且拋甩動作標示值Flag為O時，控制步進電機13驅動拋甩執行機構9以一較高的轉速執行拋甩障礙藥帶12的動作。障礙藥帶12在撞擊位置P12，即機械臂10轉過90°時撞擊到樹幹16，如圖3和圖4(a)所示。由於撞擊，樹幹16給障礙藥帶12垂直作用了一個外力F，使撞擊點處障礙藥帶12繃直的臨界平衡狀態遭到破壞，障礙藥帶12有恢復到原始螺旋狀態的彈性力。該彈性力從撞擊點分別向障礙藥帶12的兩端蔓延。由於障礙藥帶12與機械臂10接觸的這一端有磁鐵11固定，而另一端自由端並無其他外力作用，因此使得障礙藥帶12的自由端沿彎曲方向22捲曲，先纏繞在樹幹16上(圖4(a)和(b))。隨著機械臂10持續轉到，障礙藥帶12由磁鐵11固定的一端擺脫磁鐵11的吸力。此時障礙藥帶12除了沿彎曲方向22向樹幹16捲曲的彈性力以外，再無其他外力作用，最終這一端也將纏繞在樹幹16上，從而在樹幹16上形成一個環形封閉的障礙藥帶12(圖4(b)和(c))。
[0047](4)在上述障礙藥帶12拋甩及纏繞樹幹16的過程中，機械臂10從裝載位置Pl勻速轉過120°到達拋甩結束位置P2，同時將拋甩動作標示值Flag設置為I ;否則，Flag設置為0，以避免出現重複拋甩或漏拋甩藥帶的誤操作。拋甩動作標示值Flag是用來表徵是否已執行拋甩動作，Flag = O表示尚未執行拋甩動作；Flag = I表示已執行拋甩動作。機械臂10從拋甩結束位置P2到空閒位置P3，再從空閒位置P3回到裝載位置Pl的過程均為空行程，不執行與拋甩障礙藥帶有關的任何動作。
【權利要求】
1.一種精準施加林木障礙藥帶的裝置，其特徵在於:包括移動平臺、主控單元、雷射掃描雷達以及施加障礙藥帶的拋甩執行機構；雷射掃描雷達固定在移動平臺一側的前部，其正直面對目標樹幹；在移動平臺後部與雷射掃描雷達同側安裝有施加障礙藥帶的拋甩執行機構，且拋甩執行機構和雷射掃描雷達位於同一水平位置上，拋甩執行機構上均勻分布有多個機械臂，每個機械臂末端裝有一個磁鐵，用以吸附障礙藥帶。
2.根據權利要求1所述的一種精準施加林木障礙藥帶的裝置，該裝置還包括步進電機，用於驅動所述拋甩執行機構執行拋甩動作。
3.根據權利要求1所述的一種精準施加林木障礙藥帶的裝置，所述機械臂為3個，各機械臂之間的夾角為120°。
4.根據權利要求1所述的一種精準施加林木障礙藥帶的裝置，所述拋甩執行機構底部裝有直線電機模組，主控單元控制直線電機模組帶動拋甩執行機構相對於移動平臺做往復移動。
【文檔編號】A01M1/20GK203952209SQ201420096361
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年3月5日 優先權日:2014年3月5日
【發明者】康峰, 王亞雄, 李文彬, 鄭永軍 申請人:北京林業大學