多臂式果園風送變量施藥裝置的製作方法
2023-11-03 03:49:32 1
本發明涉及一種噴霧機，尤其涉及一種基於靶標探測技術的多臂式果園風送變量施藥裝置。
背景技術：
果樹冠層是一個立體結構，霧滴難以穿透稠密的枝葉達到冠層內部。風送式施藥的氣流有助於霧滴輸送和葉片翻動，改善葉片背面覆蓋率和藥液沉積量，提高病蟲害防治效果。當前施藥方式多側重針對不同冠層的氣流量、藥量等參數調節，實現不同冠層的藥量、風量等參數差異化分配。但對於單個冠層來說，冠層的不規則結構特徵，需要在不同冠徑區域有針對性進行風力和藥量差異分布，達到冠層精細化施藥目的，從而提高冠層內霧滴覆蓋沉積的均勻程度，減少藥液用量。
而針對同品種、類型果樹來說，果樹冠層各部分的枝葉茂盛程度在空間上分布存在一致性。所以一種有多個氣霧流出口，且能實現氣、霧流獨立調控的多臂式風送霧化器成為現實所需。各通道的氣流量和噴頭流量的調整，可以明顯改變氣流速度場、藥液的空間分布，使之與冠層輪廓特徵相匹配，在冠層茂密程度不同的地方給予不一樣風力輔助和藥量，可以顯著提高農藥沉積覆蓋和減少漂移，達到針對靶標輪廓仿形施藥目的，增強防治效果。
技術實現要素：
本發明的目的在於針對上述現有技術存在的問題，提出一種帶有雷射檢測裝置，實現多個通道氣流輔助、藥液噴施的多臂式果園風送變量施藥裝置。
本發明是通過如下技術方案實現的：多臂式果園風送變量施藥裝置，包括多臂式風送系統，多臂式噴霧系統及雷射三維成像掃描系統；
所述的多臂式風送系統軸線進風、徑向出風，根據「冠徑空間分布-通道出口風速」關係模型，控制各個通道風閥，實現各通道氣流量的多路獨立智能調控；
所述的多臂式噴霧系統根據「冠徑空間分布-通道噴頭流量」關係模型，驅動脈寬調製電磁閥的開閉次數，實現各通道的霧量的多路獨立智能調控；
所述的雷射三維成像掃描系統通過測繪冠層的三維雷射雲點圖，從而完成冠層輪廓、冠層密度等特徵信息表達。
進一步地，所述的多臂式風送系統包括風機、風臂、風閥、風臂支架、微控制器、風速傳感器與步進電機，所述的第一動力系統與風機相連，驅動風機工作，氣流通過風機被傳輸到各個風臂，所述的風臂對稱的安裝在風機兩側，風臂的出風口處設置有風速傳感器、風閥和控制風閥的步進電機，風速傳感器的信號輸出端與微控制器的信號輸入端相連，微控制器的信號輸出端與步進電機的信號輸入端相連，步進電機控制風閥的開合。微控制器產生驅動步進電機的信號，實現對風閥開度的控制。各通道風速傳感器實時監測各出風口的風速，並把信號傳至微控制器，實現對風速實時監測與控制，保證始終趨向於目標值。
進一步地，所述的多臂式噴霧系統包括第二動力系統、藥箱、藥泵、輸藥管、閥門組、電磁閥和噴頭，所述的輸藥管一端與藥箱相連，另一端安裝在風臂上輸藥管的出口處設置噴頭，所述的藥泵一端與第二動力系統相連，另一端與藥箱相連，所述的輸藥管上設置閥門組，所述的電磁閥連接在各個輸藥管的噴頭處，電磁閥的信號輸入端與微控制器的信號輸出端相連。微控制器產生脈寬調製信號並控制信號脈寬及頻率，傳輸信號至脈寬調製電磁閥，在每個脈衝周期內，改變控制信號的脈寬實現各噴頭液體流量的變化。
進一步地，所述的雷射三維成像掃描系統包括：雷射發射裝置、雷射接收裝置、模型測量與構建系統，所述的雷射發射裝置用於發射雷射探測信號，所述的雷射接收裝置用於接收因目標物反射而返回的雷射信號，所述的模型測量與構建系統用於構建冠層模型以及測量不同高度的冠徑與密度。
具體地，所述的風臂支架由橫臂與縱臂組成，形成「非」字形結構，風臂與輸藥管集成在風臂支架橫臂上，風臂支架橫臂通過鉸鏈與風臂支架縱臂相連，實現風臂與輸藥管噴頭的角度可調。
優選地，所述的電磁閥為脈寬調製電磁閥。
優選地，所述的噴頭為PWM噴頭。
優選地，所述的第一、第二動力系統為發送機或汽油機或電動機。
一種果園多臂式風送變量施藥裝置的工作方法採用如下步驟：
A、雷射發射裝置發射雷射脈衝信號，經過旋轉稜鏡，射向目標冠層，然後通過雷射接收裝置，接受反射回來的雷射脈衝信號；
B、微控制器記錄相關數據，並將該數據轉換成能夠直接識別處理的數據點雲信息；
C、根據步驟B中的雲點信息，利用自動分段處理功能、抽取功能和模型構造等功能, 將測量目標的細部模型化, 並最終完成整個測量目標的建模；
D、通過對模型的分析,得到冠層高度與各風臂對應位置的冠層直徑與冠層密度等數值；微控制器根據結合「冠徑空間分布-通道出口風速」關係模型，計算出每個通道出口理論風速；
E、微控制器根據計算得到的每個通道出口風速發出指令，驅動步進電機，步進電機通過調節各出風口處的風閥，從而調整出口氣流速度到預期的目標值，同時通過風速傳感器實時測量各個通道出風口的風速，將信號傳遞到微控制器，形成閉環控制系統，保證各個通道出風口風速能穩定在目標值；
F、微控制器根據結合「冠徑空間分布-通道噴頭流量」關係模型，計算出每個通道噴頭的噴量；微控制系統根據計算得到的每個通道噴頭的流量，提供驅動電磁閥所需的方波信號，控制電磁閥開關狀態實現流量控制。
所述的「冠徑空間分布-通道出口風速」關係模型公式如下：
Y1 = -0.2109x2 + 5.8684x + 6.1527 式中：Y1表示出口風速，m/s；x表示被探測區域的冠層直徑，m，x∈[0.5，4]。
所述的「冠徑空間分布-通道噴頭流量」關係模型公式如下：
Y2 = 0.0031x2 + 0.0465x + 0.0914
式中：Y2表示噴頭流量，L；x表示被探測區域的冠層直徑，m， x∈[0.5，4]。
本發明相比現有技術，具有以下有益效果：
1. 本發明擁有多個氣霧流出口，且能實現氣、霧流獨立調控，在冠層茂密程度不同的地方給予不一樣風力輔助和藥量，達到仿形施藥目的，減少農藥用量，提高防治效果。
2. 本發明雷射檢測技術本身具有精度高、解析度高、抗幹擾能力強等特點，較適宜于田間複雜作業環境，可以用於非合作目標檢測。
3. 本發明實現了施藥機械化、風送式高效施藥和基於靶標探測的風、霧量多臂式獨立調控，是一種基於靶標探測技術的風送式精準變量施藥機具。
附圖說明
圖1為本發明果園多臂式風送變量施藥裝置的結構示意圖。
圖2為本發明果園多臂式風送變量施藥裝置的噴頭、風速傳感器安裝位置圖。
圖3為本發明果園多臂式風送變量施藥裝置的工作原理圖。
其中：1-風臂支架、2-風臂、3-閥門組、4-雷射三維成像掃描系統、5-藥泵、6-第二動力系統、7-藥箱、8-微控制器、9-風閥、10-第一動力系統、11-風臂支架橫臂、12-輸藥管、13-風機、14-鉸鏈、15-風速傳感器、16-噴頭。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。
如圖所示。如圖所示。多臂式果園風送變量施藥裝置，包括多臂式風送系統，多臂式噴霧系統及雷射三維成像掃描系統4；
所述的多臂式風送系統軸線進風、徑向出風，根據「冠徑空間分布-通道出口風速」關係模型，控制各個通道風閥，實現各通道氣流量的多路獨立智能調控；
所述的多臂式噴霧系統根據「冠徑空間分布-通道噴頭流量」關係模型，驅動脈寬調製電磁閥的開閉次數，實現各通道的霧量的多路獨立智能調控；
所述的雷射三維成像掃描系統4通過測繪冠層的三維雷射雲點圖，從而完成冠層輪廓、冠層密度等特徵信息表達。
進一步地，所述的多臂式風送系統包括第一動力系統10、風機13、風臂2、風閥9、風臂支架1、微控制器8、風速傳感器15與步進電機，所述的第一動力系統10與風機13相連，氣流通過風機13被傳輸到各個風臂2，所述的風臂2對稱的安裝在風機13兩側，風臂2的出風口處設置有風速傳感器15、風閥9和控制風閥的步進電機，風速傳感器15的信號輸出端與微控制器8的信號輸入端相連，微控制器8的信號輸出端與步進電機的信號輸入端相連，步進電機控制風閥9的開合。微控制器8產生驅動步進電機的信號，實現對風閥9開度的控制。各通道風速傳感器15實時監測各出風口的風速，並把信號傳至微控制器8，實現對風速實時監測與控制，保證始終趨向於目標值。
進一步地，所述的多臂式噴霧系統包括第二動力系統6、藥箱7、藥泵5、輸藥管12、閥門組3、電磁閥和噴頭16，所述的輸藥管12一端與藥箱7相連，另一端安裝在風臂2上，輸藥管的出口處設置噴,16，所述的藥泵5一端與第二動力系統6相連，另一端與藥箱7相連，所述的輸藥管12上設置閥門組3，所述的電磁閥連接在各個輸藥管12的噴頭16處，電磁閥的信號輸入端與微控制器8的信號輸出端相連。微控制器8產生脈寬調製信號並控制信號脈寬及頻率，傳輸信號至脈寬調製電磁閥，在每個脈衝周期內，改變控制信號的脈寬實現各噴頭液體流量的變化。
進一步地，所述的雷射三維成像掃描系統4包括：雷射發射裝置、雷射接收裝置、模型測量與構建系統，所述的雷射發射裝置用於發射雷射探測信號，所述的雷射接收裝置用於接收因目標物反射而返回的雷射信號，所述的模型測量與構建系統用於構建冠層模型以及測量不同高度的冠徑與密度。
具體地，所述的風臂支架由橫臂與縱臂組成，形成「非」字形結構，風臂2與輸藥管12集成在風臂支架橫臂11上，風臂支架橫臂11通過鉸鏈14與風臂支架縱臂相連，實現風臂2與輸藥管噴頭16的角度可調。
優選地，所述的電磁閥為脈寬調製電磁閥。
優選地，所述的噴頭16為PWM噴頭。
優選地，所述的第一動力系統10、第二動力系統6為發送機或汽油機或電動機。
一種果園多臂式風送變量施藥裝置的工作方法採用如下步驟：
A、雷射發射裝置發射雷射脈衝信號，經過旋轉稜鏡，射向目標冠層，然後通過雷射接收裝置，接受反射回來的雷射脈衝信號；
B、微控制器記錄相關數據，並將該數據轉換成能夠直接識別處理的數據點雲信息；
C、根據步驟B中的雲點信息，利用自動分段處理功能、抽取功能和模型構造等功能, 將測量目標的細部模型化, 並最終完成整個測量目標的建模；
D、通過對模型的分析,得到冠層高度與各風臂對應位置的冠層直徑與冠層密度等數值；微控制器根據結合「冠徑空間分布-通道出口風速」關係模型，計算出每個通道出口理論風速；
E、微控制器根據計算得到的每個通道出口風速發出指令，驅動步進電機，步進電機通過調節各出風口處的風閥，從而調整出口氣流速度到預期的目標值，同時通過風速傳感器實時測量各個通道出風口的風速，將信號傳遞到微控制器，形成閉環控制系統，保證各個通道出風口風速能穩定在目標值；
F、微控制器根據結合「冠徑空間分布-通道噴頭流量」關係模型，計算出每個通道噴頭的噴量；微控制系統根據計算得到的每個通道噴頭的流量，提供驅動電磁閥所需的方波信號，控制電磁閥開關狀態實現流量控制。
所述的「冠徑空間分布-通道出口風速」關係模型公式如下：
Y1 = -0.2109x2 + 5.8684x + 6.1527 式中：Y1表示出口風速，m/s；x表示被探測區域的冠層直徑，m，x∈[0.5，4]。
所述的「冠徑空間分布-通道噴頭流量」關係模型公式如下：
Y2 = 0.0031x2 + 0.0465x + 0.0914
式中：Y2表示噴頭流量，L；x表示被探測區域的冠層直徑，m， x∈[0.5，4]。
本發明的工作原理如下：
本發明工作時，雷射三維成像掃描系統4實時探測目標物，將返回雷射信號傳遞給微控制器8，完成冠徑與密度等數據的量測。微控制器8根據接收到的冠層信息並結合模型，產生脈寬調製信號並控制信號脈寬及頻率，傳輸信號至PWM噴頭16，改變控制信號的脈寬實現各噴頭液體流量的變化。同時，控制各個風臂2的電動風閥9，實現各風臂2氣流量的變化，滿足冠層不同高度對氣量、流量的差異化需求。
第二動力系統6將動力傳遞至藥泵5，藥液通過輸藥管12依次從藥箱7、藥泵5、閥門組3再到PWM噴頭16。同時，第一動力系統10驅動風機13，氣流被輸送到各個風臂2，風臂組對稱布置，位於風機兩側，安裝在風臂支架1上。風臂2與PWM噴頭16集成在風臂支架橫臂上，風臂支架橫臂通過鉸鏈與風臂支架縱臂相連，實現風臂2與PWM噴頭16的角度可調。
各風臂2的出風口安裝有風速傳感器15與風閥9。微控制器8產生驅動電動風閥9的信號，實現對其開度的控制。各通道風速傳感器15實時監測各出風口的風速，並把信號傳至微控制器8，實現對風速實時監測與控制，保證始終趨向於目標值。通過調整各通道的風量與霧量，以期望適應於冠層特徵，達到較好的施藥效果。
以上所述僅是本申請的優選實施方式，使本領域技術人員能夠理解或實現本申請。對這些實施例的多種修改對本領域的技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本申請的精神或範圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本申請將不會被限制於本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的範圍。