一種基於高度變化改變流量的高效節能灌溉系統及方法與流程
2023-05-04 05:57:36 2
本發明涉及高科技農業、控制理論與控制工程、機械工程交叉學科，特別是涉及一種農藥、灌溉減少施增效，促進農業可持續發展的基於高度變化改變流量的高效節能灌溉系統及方法。
背景技術：
隨著科技發展，傳統型農業生產模式逐步被機械化、信息化的方式所替代，依靠微型微電子控制傳感器、小型GPS、小型驅動器和供電系統的進步，農業無人機正逐漸變得小巧、廉價、民用化。我國農村農業生產正逐步進入規模化、專業化、集約化經營管理，用多軸無人機來提高我國的農業生產效率和生產水平顯得尤為重要。據了解，目前國內農業用途的無人輕小型飛機產業處於研究和初步試用階段，我國農業航空技術總體還處在起步階段。
無人機具有作業高度低，飄移少，可空中懸停，無需專用起降機場，旋翼產生的向下氣流有助於增加霧流對作物的穿透性，防治效果高，遠距離遙控操作，噴灑作業人員避免了暴露於農藥的危險，提高了噴灑作業安全性等諸多優點。這將很大程度的降低資源成本。電動無人機與油動的相比，整體尺寸小，重量輕，折舊率更低、單位作業人工成本不高、易保養。
目前，無人機多以簡單塑料箱攜帶灌溉液體，因此無法控制噴灑流量和速度，致使在無人機巡航過程中，無人機高度變化導致的灌溉量不可控問題無法解決，在高效化的同時也造成了能源的浪費，不僅如此，無限制的灌溉也帶來了成本提高的弊端。對於農業大國，大面積推廣無人機灌溉系統更需要考慮經濟成本問題。因此，設計一種簡單、高效的節能型灌溉系統與無人機搭配是一個急需解決的技術難題。
由於多軸無人機帶載量的限制，為了使帶載量集中於噴灑液上，所設計箱體閥門控制系統需要簡潔而高效化，因此簡單而可靠高效的傳動設計十分必要。
技術實現要素：
本發明技術解決問題：克服現有技術的不足，提供一種基於高度變化改變流量的高效節能灌溉系統及方法，簡單、高效和節能。
本發明技術解決方案：一種基於高度變化改變流量的高效節能灌溉系統，包括驅動裝置、傳動裝置、裝載裝置、檢測裝置、CPU和GPS；其中，在完整的灌溉飛行周期中，GPS不斷檢測當前農業航空低空的高度；CPU負責控制步進電機以及接受檢測裝置信號，根據GPS反饋的電信號計算流量值，通過函數關係計算出裝載裝置中箱蓋上噴口大小期望值，根據期望值計算驅動裝置旋轉角度；並將旋轉角度轉換為電信號，電信號包括脈衝個數及脈衝頻率傳遞給步進電機，實現對裝載裝置調位調速目的；同時接收檢測裝置檢測的當前噴口和將箱蓋位移轉換成線性關係的電壓輸出，利用基於模糊PID的控制算法得到箱蓋位移量的偏差糾正，由此得到完整的閉環控制精準的位置控制，從而實現裝載裝置的準確運動；
驅動裝置由步進電機構成，步進電機進行旋轉運動，根據CPU輸出的脈衝個數及脈衝頻率得到旋轉角度和旋轉速度，準確高效地實現角位移量；通過聯軸器與絲槓相連，實現角位移量的傳遞；
傳動裝置通過聯軸器跟隨步進電機輸出軸運動，將旋轉運動轉換成直線運動，使絲槓上螺母水平運動，傳動裝置中的套筒與箱蓋注塑配合實現聯動，使裝載裝置中的箱蓋在溝槽中水平運動改變噴口；
裝載裝置，用於灌溉液體存儲，包括箱蓋和箱體，箱蓋與傳動裝置中的套筒注塑一體聯動，通過溝槽與箱體實現連接和水平移動功能；
檢測裝置固定於箱體溝槽中，能向CPU反饋箱蓋當前位置，保證箱蓋精確運動；檢測裝置由位移測量傳感器構成，位移測量傳感器檢測的當前噴口，將箱蓋位移轉換成線性關係的電壓輸出，同時，位移的方向則表現為電壓的增加或減小。
所述驅動裝置由步進電機組成，步進電機與無人機底座固定。
所述傳動裝置包括聯軸器、滾珠絲槓、套筒、螺栓；聯軸器一端通過螺栓直接與步進電機輸出軸相連，另一端通過螺栓與滾珠絲槓輸入軸連接；滾珠絲槓上安裝有螺母，螺母與套筒通過六顆螺栓緊密配合，達到聯動效果。
所述裝載裝置中的溝槽中塗有潤滑油，確保箱蓋移動過程中摩擦力較小。
所述裝載裝置由工業塑料箱體組成，保證強度的同時又儘可能實現輕型化，箱蓋與套筒為一體注塑。
所述位移測量傳感器為電位器式位移傳感器，通過電位器式位移傳感器中的電位器將箱蓋位移轉換成線性關係的電壓輸出。
基於高度變化改變流量的高效節能灌溉系統進行灌溉方法，實現步驟如下：
步驟1、在完整的灌溉飛行周期中，GPS不斷檢測當前農業航空低空的高度；
步驟2、CPU根據GPS反饋的電信號計算流量值，並計算出為噴口大小，利用噴口大小及當前位移測量傳感器檢測的數值，計算步進電機旋轉角度；
步驟3、CPU將旋轉角度轉換為電信號傳遞給步進電機，步進電機根據脈衝個數及脈衝頻率得到旋轉角度和旋轉速度，準確高效地實現角位移量；
步驟4、絲槓跟隨步進電機輸出軸運動，將旋轉運動轉換成直線運動，由此使箱蓋在溝槽中水平運動改變噴口；
步驟5、位移傳感器檢測當前噴口並反饋回CPU得到閉環系統控制，利用基於模糊PID的控制算法的得到位移量的偏差糾正，得到精準的位置控制。
本發明優點在於：
(1)本發明零部件少，結構簡單，利用滾珠絲槓高精度高效率的特點，無需複雜的傳動裝置即可實現門閥的移動。
(2)本發明在無人機噴灑過程中，可根據無人機高度的改變噴口的大小，實現灌溉流量可控可調，更加節能和人性化。
(3)本發明實現了自動化，在使用過程中，通過微控制系統控制，根據預先設定的流量公式，可自動實現噴灑量的改變，無需人為調整，更加高效和穩定。
(4)本發明在保證強度和剛度的同時達到更緊湊輕型的設計，從而使帶載量不會大量減小，能夠進行大量推廣。
附圖說明
圖1為本發明可控閥門驅動裝置示意圖；
圖2為本發明可控閥門傳動裝置示意圖；
圖3為本發明可控閥門步進電機示意圖；
圖4為本發明可控閥門聯軸器示意圖；
圖5為本發明可控閥門絲槓示意圖；
圖6為本發明可控閥門套筒及箱蓋示意圖；
圖7為本發明可控閥門箱體示意圖；
圖8為本發明可控閥門實現流程圖。
圖中：
1-驅動裝置 2-傳動裝置 3-裝載裝置
4-檢測裝置 201-聯軸器 202-滾珠絲槓
203-套筒 204-箱蓋 101-步進電機螺孔
102-步進電機機體 103-步進電機輸出軸 201a-聯軸器固定孔
201b-聯軸器通孔 202a-絲槓輸入軸 202b-螺母螺孔
202c-螺母 202d-絲槓螺紋 203a-套筒外殼
203b-套筒連接盲孔 203c-套筒螺孔 204-箱蓋
301-溝槽 401-位移傳感器
具體實施方案
下面結合附圖對本發明做進一步說明。
如圖1所示，一種基於高度變化改變流量的灌溉系統，採用組件化設計，包括驅動裝置1、傳動裝置2、裝載裝置3、檢測裝置4、CPU和GPS；步進電機輸出軸201a和絲槓輸出入軸202a分別插入聯軸器通孔201b，並利用螺栓固定，絲槓上安裝有與絲槓螺紋202d配合的螺母202c，同時利用螺栓旋入螺母螺孔202b將套筒和螺母固定，實現套筒和螺母聯動，從而使與套筒注塑一體的箱蓋跟隨運動，控制閥門的大小。
如圖3所示，驅動裝置1為兩相步進電機，步進電機機體102上有四個直徑3mm螺孔101，用於步進電機與無人機底座固定。機體伸出25mm輸出軸103，與聯軸器連接實現轉動。
傳動裝置2包括聯軸器201、滾珠絲槓202、套筒203、箱蓋204，如圖2所示。其中聯軸器201上左右對稱有2個2mm螺孔，分別將電機輸出軸與聯軸器、絲槓輸入軸接入聯軸器通孔並用螺釘旋進螺孔使聯軸器與電機輸出軸、絲槓輸入軸配合(如圖4所示)。滾珠絲槓202上有導程12mm、長240mm螺紋，使固定於滾珠絲槓202上的螺母能左右運動(如圖5所示)。套筒203通過套筒螺孔203c與螺母連接，實現聯動。箱蓋204與套筒注塑配合，達到聯動效果(如圖6所示)。
轉載裝置3為工業塑料箱體，頂部有長180mm、深230mm、高20mm的溝槽301，用於固定箱蓋204並使其能夠水平運動，溝槽中接有檢測裝置4，檢測裝置4採用位移傳感器401，能夠測量當前箱蓋位置(如圖7所示)。
如圖8所示，所述灌溉系統具體實現步驟如下：
步驟1、在完整的灌溉飛行周期中，GPS不斷檢測當前農業航空低空的高度；
步驟2、CPU根據GPS反饋的電信號計算流量值，並計算出為噴口大小，利用噴口大小及當前位移測量傳感器檢測的數值，計算步進電機旋轉角度；
步驟3、CPU將旋轉角度轉換為電信號傳遞給步進電機，步進電機根據脈衝個數及脈衝頻率得到旋轉角度和旋轉速度，準確高效地實現角位移量；
步驟4、絲槓跟隨步進電機輸出軸運動，將旋轉運動轉換成直線運動，由此使箱蓋在溝槽中水平運動改變噴口；
步驟5、通過電位器將箱蓋位移轉換成線性關係的電壓輸出，同時，位移的方向則表現為電壓的增加或減小，由此得到完整的閉環控制，實現箱蓋的準確運動。位移傳感器檢測當前噴口並反饋回CPU得到閉環系統控制，利用基於模糊PID的控制算法的得到位移量的偏差糾正，得到精準的位置控制。
提供以上實施例僅僅是為了描述本發明的目的，而並非要限制本發明的範圍。本發明的範圍由所附權利要求限定。不脫離本發明的精神和原理而做出的各種等同替換和修改，均應涵蓋在本發明的範圍之內。