自走式果園自動對靶噴霧機及其噴霧方法
2023-10-27 12:35:47 1
自走式果園自動對靶噴霧機及其噴霧方法
【專利摘要】本技術是能夠自動對靶、受環境影響小、響應時間快、不會漏噴或多噴、防止農藥浪費的自走式果園自動對靶噴霧機和噴霧方法。噴霧機包括機架、行走裝置、具有多個噴頭的噴霧裝置、與噴頭一一對應的雷射探測裝置、中央處理器；雷射探測裝置包括雷射發生器、雷射接收器、信號處理及控制器；相對應的噴頭和雷射探測裝置布置在機架同一對應角度上；中央處理器與各噴頭控制裝置相連。噴霧方法：雷射發生器產生雷射發射信號，雷射接收器接收反射信號，如果靶標距離在設定的距離範圍內，則為當前靶標；如果前一個信號沒有探測到當前靶標，後一個反射信號探測到當前靶標則噴霧；如果連續三個反射信號均沒有探測到靶標則停止噴霧；其它狀態均是維持原狀態。
【專利說明】自走式果園自動對靶噴霧機及其噴霧方法
【技術領域】
[0001]本技術涉及果園噴霧機，具體地說，是一種自走式果園自動對靶噴霧機及其噴霧方法。
【背景技術】
[0002]現有的果園噴霧機一般包括機架、行走裝置、噴霧裝置，在噴霧時需要人工控制，不能實現自動化操作。即使有果園噴霧機能夠自動化操作，但其噴霧時不能區分是否有靶標，總是連續噴霧。樹與樹之間的間隔噴霧屬於無效噴霧，無法有效沉積在果樹葉片上，藥液浪費大。風送式噴霧技術是一種被廣泛採用並十分有效的果園噴霧技術，該技術可以顯著提高霧滴的穿透性和沉積率，通過針對果樹間間隔及果樹樹型控制是否噴霧，以達到減少無效噴霧、提高農藥有效利用率目的。
[0003]目前果園自動對靶探測技術按照工作原理大致可分為超聲波探測技術、紅外探測技術、基於圖像處理的探測技術，但均沒有形成實用技術。
[0004]超聲波受環境溫度和空氣溼度的影響較大,波束的輻射範圍較大，對於間隔較小的果樹無法做到有效識別，且果園環境複雜，探測精度受幹擾較大。
[0005]紅外探測技術採用紅外線為探測介質，該技術受自然光影響大，方向性差，測量精度較低。目前的研究主要集中在實驗階段，實際運用較少。
[0006]基於圖像處理的探測技術通過攝像機可獲得大量的信息，能夠根據資料庫準確判斷樹木的種類、大小等，但是資金投入大，信息處理慢，響應時間長，同時對於多排果樹以及綠色非靶標物識別困難，影響作業效率。
【發明內容】
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[0007]本技術的目的是提供一種能夠自動對靶、受環境影響小、響應時間快、靶標探測精確度高、不會漏噴或多噴、防止農藥浪費的自走式果園自動對靶噴霧機。
[0008]本技術的自走式果園自動對靶噴霧機，包括機架、行走裝置、具有多個噴頭的噴霧裝置、與噴頭數量相同、用於探測靶標並計算出靶標距離的雷射探測裝置，雷射探測裝置包括雷射發生器、雷射接收器、與雷射發生器和雷射接收器相連的信號處理及控制器，噴頭與雷射探測裝置一一對應；相對應的一對噴頭和雷射探測裝置布置在機架同一對應角度上；它還包括中央處理器，各雷射探測裝置的信號處理及控制器與中央處理器相連，中央處理器的輸出與控制各噴頭噴霧與否的各噴頭控制裝置相連。
[0009]本技術的有益效果:本噴霧機工作時，任一個雷射探測裝置的雷射發生器發出雷射發射信號，該雷射探測裝置的雷射接收器接收到靶標對該雷射發射信號的反射信號，信號處理及控制器根據雷射發射信號和反射信號，計算出靶標距雷射探測裝置的距離；中央處理器判斷所述靶標距離是否在預先設定的距離範圍內；如果靶標距離在設定的距離範圍內，則該靶標為當前靶標，中央處理器向該雷射探測裝置相對應噴頭的噴頭控制裝置發出打開信號，使得該噴頭開始噴霧；如果沒有探測到靶標或者靶標距離超過設定的距離範圍，則該靶標不是當前靶標，不會開啟該噴頭對應的電磁閥，即該噴頭不噴霧。採用雷射探測裝置，雷射方向性強，信號基本不受環境幹擾，響應時間快。同時，本技術採用各雷射探測裝置的雷射發射方向與噴頭環組件中各對應噴頭霧滴噴射中心方向一致的原則進行分布，雷射探測裝置在行走方向兩側不同角度上對靶標(樹冠)進行探測，中央處理器控制與雷射探測器處於同一角度上對應的噴頭是否工作。本技術中，各噴頭是否噴霧獨立控制。因雷射探測裝置發出的雷射光束只能探測到果樹某一高度是否存在靶標，如果只用一個雷射探測裝置探測靶標來控制整個藥環噴頭組噴霧，可能造成以下問題:較高的樹冠因高於雷射探測高度和較低的樹冠因低於雷射探測高度，無法被雷射探測裝置探測到而造成漏噴，較小的樹冠且雷射探測高度位於樹冠高度範圍內被雷射探測裝置探測到而觸發所有噴頭均噴霧造成的多噴(無效噴霧)。本技術採用多個雷射探測裝置與多個噴頭分別一一對應控制，能夠探測到不同角度範圍內的靶標，防止了漏噴或多噴。本技術採用連續三次判別當前靶標是否存在的方法，可有效防止因雷射光束單一精準定位造成較稀疏樹冠因樹內出現空洞而產生過多啟停動作，以免同一噴頭對同一棵樹不能實現連續噴霧。
[0010]本技術將連續性噴霧變為間歇性噴霧，只對果樹進行施藥，將自動化技術與傳統施藥技術相結合，採用雷射探測技術實現當前靶標的自動識別和噴霧的自動控制，達到只對當前靶標進行施藥的自動對靶噴霧，同時對同一棵樹因樹冠形狀大小不一可精準控制各對應噴頭是否噴霧，從而實現農藥高效應用、避免無效噴霧浪費的目的。所以，本技術是一種能夠自動對靶、受環境影響小、響應時間快、靶標探測精確度高、不會漏噴或多噴、節省藥液的自走式果園噴霧機。
[0011]上述的自走式果園自動對靶噴霧機，以自走式果園自動對靶噴霧機的前進方向為前方，相對應的一對噴頭和雷射探測裝置中，雷射探測裝置設置在噴頭前方。自走式果園自動對靶噴霧機的前進速度為0.5-lm/s，雷射探測裝置設置在噴頭前方20-40cm。這樣可提前探測，彌補中央處理器處理數據所需時間及開啟電磁閥至噴霧所需響應時間，在這個時間間隔內，噴霧機向前行進了一段距離，所以噴頭設置在雷射探測裝置後方的距離要基本等於噴霧機在此時間間隔內行進的距離，這樣不會造成少噴或者漏噴。
[0012]上述的自走式果園自動對靶噴霧機，各噴頭位於同一個垂直平面內，各雷射探測裝置位於另一個垂直平面。`
[0013]上述的自走式果園自動對靶噴霧機，噴頭控制裝置為設置在與各噴頭相通的藥液管上的對應的電磁閥。
[0014]上述的自走式果園自動對靶噴霧機，行走裝置為履帶式行走裝置。
[0015]本技術同時還提供了一種能夠防止少噴或者漏噴，同時也能夠防止多噴浪費農藥，自動化程度高的自走式果園自動對靶噴霧機的噴霧方法。
[0016]本自走式果園自動對靶噴霧機的噴霧方法，任一雷射探測裝置的雷射發生器產生雷射發射信號，雷射接收器接收到靶標對雷射發射信號的反射信號，信號處理及控制器根據雷射發射信號和反射信號，計算出靶標距該雷射探測裝置的距離；中央處理器判斷所述靶標距離是否在設定的距離範圍內；如果靶標距離在設定的距離範圍內，則該靶標為當前靶標；中央處理器根據三個連續的反射信號是否探測到當前靶標按如下方法控制相對應的噴頭控制裝置的動作:
a、如果前一個反射信號沒有探測到當前靶標，後一個反射信號探測到當前靶標，則中央處理器向噴頭控制裝置發出打開信號，使得與雷射探測裝置相對應的噴頭開始噴霧；
b、如果前一個反射信號探測到當前靶標，緊接著連續三個反射信號均沒有探測到當前靶標，則中央處理器向噴頭控制裝置發出關閉信號，使得與雷射探測裝置相對應的噴頭停止噴霧；
C、其它情況下，維持原狀態。
[0017]上述的噴霧方法，設定的距離範圍為0.2-6m。
[0018]本噴霧方法的有益效果:本技術中，各噴頭是否噴霧獨立控制。一噴頭是否噴霧根據與該噴頭相對應的雷射探測裝置是否探測到當前靶標而定，具體地說，是以雷射探測裝置連續三個反射信號的狀態來判斷是否噴霧。如果任意兩個連續反射信號中的前一個信號沒有探測到當前靶標，後一個反射信號探測到當前靶標則開始噴霧；如果前一個反射信號探測到當前靶標，後面連續三個反射信號均沒有探測到靶標，則停止噴霧；其它狀態均是維持原狀態。本方法有效防止了少噴或漏噴，同時也防止了同一棵樹內因較稀疏樹冠形成樹內空洞而產生過多的不必要的啟停動作。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1是自走式果園自動對靶噴霧機示意圖 圖2是圖1中噴頭組件的右視圖。
[0020]圖3是圖1中雷射探測裝置分布的右視圖。圖4是自走式果園自動對靶噴霧機在果園使用狀態的示意圖。
[0021]圖5是各雷射探測裝置探測當前靶標示意圖。
[0022]圖6是雷射探測裝置探測到樹`冠內空洞的示意圖。
[0023]圖7是雷射探測裝置探測到空洞的放大示意圖。
[0024]圖8是本自走式果園自動對靶噴霧機中硬體部分原理圖。
[0025]圖9是本自走式果園自動對靶噴霧機噴霧過程流程圖。
【具體實施方式】
[0026]參見圖1、8所示，自走式果園自動對靶噴霧機包括機架1、履帶式行走裝置2、噴霧裝置3，用於探測靶標並計算出靶標距離的雷射探測裝置4。雷射探測裝置包括雷射發生器
41、位於雷射發生器前方的凸透鏡46、雷射接收器42、位於雷射接收器前方的濾光片47、凸透鏡48、與雷射發生器和雷射接收器相連的信號處理及控制器。信號處理及控制器包括微控制器43、計時器44、信號處理器45等。10個雷射探測裝置4位於同一個環板49上。噴霧裝置3包括10個位於同一個垂直平面上的噴頭31，具有出風口 32的吹風通道，每個噴頭與一根藥液管相通，各藥液管上設置電磁閥33。中央處理器通過電磁閥驅動電路34控制電磁閥。10個噴頭31位於出風口 32處，左側和右側各有5個。噴頭與雷射探測裝置——對應。相對應的每對噴頭和雷射探測裝置布置在機架具有一定前後距離的不同垂直平面的同一角度上，即噴頭的軸線與相對應的雷射探測裝置發出的光束相平行。噴頭軸線和相對應的雷射探測裝置發出的光束所在的平面與自走式果園自動對靶噴霧機的前進方向相平行。各雷射探測裝置的信號處理及控制器與通過信號轉換電路9與中央處理器(控制系統)6相連，中央處理器的輸出通過電磁閥控制各噴頭噴霧。鍵盤8、顯示器7、溫度傳感器10等也與中央處理器相連。
[0027]自走式果園自動對靶噴霧機的前進速度為0.5-lm/s,以自走式果園自動對靶噴霧機的前進方向為前方，各雷射探測裝置所在的平面在各噴頭所在平面的前方，並且距離Z=30cm。這樣，結合噴霧機行駛速度即可實現噴霧機到達果樹前已開始噴霧，防止少噴或者漏噴。在噴霧機駛離該果樹時，中央處理器會延時0.1s關閉電磁閥，確保果樹得到全部施藥，防止施藥不完全。
[0028]參見圖9，噴霧方法如下:任一雷射探測裝置的雷射發生器產生雷射發射信號，雷射接收器接收到靶標對雷射發射信號的反射信號，信號處理及控制器根據雷射發射信號和反射信號，計算出靶標距該雷射探測裝置的距離；中央處理器判斷所述靶標距離是否在設定的距離範圍(設定距離一般為0.2-6m，可以調節)內；如果靶標距離在設定的距離範圍內，則該靶標為當前靶標；中央處理器根據三個連續的反射信號是否探測到當前靶標按如下方法控制相對應的噴頭控制裝置的動作:
a、如果前一個反射信號沒有探測到當前靶標，後一個反射信號探測到當前靶標，則中央處理器向噴頭控制裝置發出打開信號，使得與雷射探測裝置相對應的噴頭開始噴霧；
b、如果前一個反射信號探測到當前靶標，緊接著連續三個反射信號均沒有探測到當前靶標，則中央處理器向噴頭控制裝置發出關閉信號，使得與雷射探測裝置相對應的噴頭停止噴霧；
C、其它情況下，維持原狀態。
[0029]雷射探測裝置用於收集果園作業信息，測定靶標距噴頭的距離，讀取數據並將信息反饋給控制系統。控制系統根據接收到的信息進行分析判斷，從而控制電磁閥的啟閉達到對靶噴霧。
[0030]果樹種植一般為多排`種植，如圖4所示，果園為行距XX株間距Y種植模式，圖4顯示與當前靶標行相鄰的兩行，共四行。噴霧機位於第2行和第3行果樹之間行駛。通過人機界面可根據實際種植模式設置行距X，即為靶標到噴頭(或雷射探測裝置)的最大距離，也是雷射探測靶標是否為當前靶標的依據。雷射探測裝置測定靶標到噴頭(或雷射探測裝置)的實際距離(祀標距離)後，與最大距離X進行比較。如果靶標距離>X，此靶標為非當前靶標，噴頭不會噴霧，這樣就避免了對隔行果樹(即圖中的第I排和第4排果樹)的無效噴霧。對於不同行間距的果園具有良好的適應性。
[0031 ] 如圖4所示，如果第二排果樹A處存在缺株，雷射探測裝置探測到距B處果樹距離後會判斷是否在設定範圍內，判斷出此處無果樹，則關閉靠近A側的噴頭，而C處無缺棵，則靠近C側的噴頭繼續噴霧。
[0032]對於同一棵樹，各雷射探測器並非都測定為當前靶標。如圖5所示，右下部相鄰三個雷射探測器測定並判斷為當前靶標，並控制對應位置的噴頭噴霧，而右上角的兩個雷射探測器則未測到當前靶標，對應角度的噴頭不噴霧。因此，實現了任意樹型的果樹均能獲得精確噴霧。
[0033]果園中的果樹一般形狀、疏密各異，雷射探測裝置探測靶標時光束較細，採用本技術的噴霧方法，能夠避免果樹內較小的空洞或者樹枝間間隙影響探測判斷。如圖6、7所示，行駛中的噴霧機的雷射探測裝置連續測量時，某一雷射探測裝置發出的雷射12穿過空洞11，對於樹冠中的較小的空洞11，如果每測到一個非當前靶標信號則停止噴霧，下一個測到當前靶標信號則啟動噴霧，則會在同一稀疏樹冠內不斷發生啟停動作，實際上並不是單個噴頭噴灑範圍內均無樹枝樹葉，只是在雷射探測點無當前靶標信號。為避免同一樹冠內產生過多不必要的啟停噴霧動作，設定如果連續3次探測到反射信號為非當前靶標，則認為果園噴霧機行駛至果樹株間空擋處或者較大的內部空洞，不需要噴霧，關閉電磁閥。這樣即可以避免小空洞或者小間隙對連續噴霧的影響，又不會在果樹空擋和較大的空洞處無效噴霧。
[0034]本技術通過雷射探測技術判斷果樹的有無，同時通過測定距離來判斷果樹是否為當前靶標，以及採用3次連續反射信號判斷是否存在當前靶標，確定噴霧與否，實現了精確對靶噴霧，且避免了不必要啟停噴霧動作。
【權利要求】
1.自走式果園自動對靶噴霧機，包括機架、行走裝置、具有多個噴頭的噴霧裝置，其特徵是:它還包括與噴頭數量相同、用於探測靶標並計算出靶標距離的雷射探測裝置，雷射探測裝置包括雷射發生器、雷射接收器、與雷射發生器和雷射接收器相連的信號處理及控制器，噴頭與雷射探測裝置一一對應；相對應的一對噴頭和雷射探測裝置布置在機架同一對應角度上，它還包括中央處理器，各雷射探測裝置的信號處理及控制器與中央處理器相連，中央處理器的輸出與控制各噴頭噴霧與否的各噴頭控制裝置相連。
2.如權利要求1所述的自走式果園自動對靶噴霧機，其特徵是:以自走式果園自動對靶噴霧機的前進方向為前方，相對應的一對噴頭和雷射探測裝置中，雷射探測裝置設置在噴頭前方。
3.如權利要求2所述的自走式果園自動對靶噴霧機，其特徵是:自走式果園自動對靶噴霧機的前進速度為0.5-lm/s，雷射探測裝置設置在噴頭前方20-40cm。
4.如權利要求3所述的自走式果園自動對靶噴霧機，其特徵是:各噴頭位於同一個垂直平面，各雷射探測裝置位於另一個垂直平面。
5.如權利要求1-4任一所述的自走式果園自動對靶噴霧機，其特徵是:噴頭控制裝置為設置在與各噴頭相通的藥液管上的對應的電磁閥。
6.如權利要求1-4任一所述的自走式果園自動對靶噴霧機，其特徵是:行走裝置為履帶式行走裝置。
7.如權利要求1-4任一所述的自走式果園自動對靶噴霧機的噴霧方法，其特徵是:任一雷射探測裝置的雷射發生器發出雷射發射信號，雷射接收器接收到靶標對雷射發射信號的反射信號，信號處理及控制器根據雷射發射信號和反射信號，計算出靶標離該雷射探測裝置的距離；中央處理器判斷所述靶標距離是否在設定的距離範圍內；如果靶標距離在設定的距離範圍內，則是當前靶標；中央處理器根據三個連續信號是否存在當前靶標按如下方法控制相對應的噴頭控制裝`置的動作: a、如果前一個反射信號沒有探測到當前靶標，後一個反射信號探測到當前靶標，則中央處理器向噴頭控制裝置發出打開信號，使得與雷射探測裝置相對應的噴頭開始噴霧； b、如果前一個反射信號探測到當前靶標，緊接著連續三個反射信號均沒有探測到當前靶標，則中央處理器向噴頭控制裝置發出關閉信號，使得與雷射探測裝置相對應的噴頭停止噴霧； C、其它情況下，維持原狀態。
8.如權利要求7所述的自走式果園自動對靶噴霧機的噴霧方法，其特徵是:設定的距離範圍為0.2-6m。
【文檔編號】A01M7/00GK103548802SQ201310538956
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月5日 優先權日:2013年11月5日
【發明者】許林雲, 張昊天, 張海鋒, 孫曼利, 徐銘銘, 周宏平, 崔業民 申請人:南京林業大學