一种精准施加林木障碍药带的装置制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种精准施加林木障碍药带的装置，属于农林业机械装备自动化测控领域，其包括移动平台、主控单元、激光扫描雷达以及施加障碍药带的抛甩执行机构；激光扫描雷达固定在移动平台一侧的前部，其正直面对目标树干；在移动平台后部与激光扫描雷达同侧安装有施加障碍药带的抛甩执行机构，且抛甩执行机构和激光扫描雷达位于同一水平位置上，抛甩执行机构上均匀分布有多个机械臂，每个机械臂末端装有一个磁铁，用以吸附障碍药带。整套装置采用非液力的方式施加障碍药带，无药液飘散和喷药损失，提高了药液利用率；和人工缠绕药带相比，还大幅提高了效率，解放了劳动力。
【专利说明】一种精准施加林木障碍药带的装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种农林业施药作业装置，尤其涉及一种精准施加林木障碍药带的装置。
【背景技术】
[0002]具有上、下树干迁移习性的食叶害虫是危害林木生长的主要害虫。当初春林木开始发芽时，食叶害虫在夜间或者阴天等阳光较弱的时候顺着树干或藤蔓爬到树冠上啃食嫩芽和新枝，从而造成林木、特别是经济林果树减产或者整株死亡，危害严重。目前常见防治方法有人工捕捉、锄地灭卵、诱杀法、灌水淹杀和化学防治等方法，其中化学方法仍是主要手段。传统的化学防治采用漫播喷施方式对整株林木喷洒杀虫剂以防治食叶害虫。该方式会导致过度喷施，不但使成本增加，还会引发诸如土壤和地下水污染等环境问题，且药液飘散现象严重，对人类健康产生不良影响。此外，食叶害虫的防治方法还包括树干注药法和树干涂胶法。注药法是在树干周围钻孔注药，使全树体都具有农药的有效成分，不论害虫在什么部位取食，都会中毒死亡；对于具有上下树迁移习性的害虫，可直接将粘虫胶涂于树上，或先用胶带在树干光滑部位缠绕一圈，然后将粘虫胶均匀涂在上面。这两种方法都有各自的弊端:注药法过程复杂，需要先钻孔后注药，且药液浓度难以把握，容易因药液浓度过高而对树体产生药害；涂胶法需先刮去树皮，再缠绕胶带，最后涂抹粘虫胶，程序繁杂、劳动强度高、效率低下，且对涂抹的粘胶均匀性要求较高。
[0003]将精准施药技术融入到树干涂胶方法中:车辆匀速行进过程中，根据每棵林木树干的具体情况(大小和位置)来决定施药动作，采用非液力的施药方式在树干上施加一道与树干涂胶法类似的具有一定宽度的障碍药带以切断食叶害虫上下树迁移必经之路(树干)。这类方法大幅节省用药量、避免药液飘散、提高农药利用率、降低环境污染，还可解放劳动力、提高生产效率，即可克服以上三种方法的弊端。
实用新型内容
[0004]本实用新型的目的是提供一种以抛甩的方式自动精准施加林木障碍药带的装置，以避免雾滴飘散并提高作业效率。
[0005]本实用新型所提供的技术方案是提出一种精准施加林木障碍药带的装置，其包括:
[0006]移动平台、主控单元、激光扫描雷达以及施加障碍药带的抛甩执行机构；激光扫描雷达固定在移动平台一侧的前部，其正直面对目标树干；在移动平台后部与激光扫描雷达同侧安装有施加障碍药带的抛甩执行机构，且抛甩执行机构和激光扫描雷达位于同一水平位置上，抛甩执行机构上均匀分布有多个机械臂，每个机械臂末端装有一个磁铁，用以吸附障碍药带。
[0007]该装置还包括步进电机驱动抛甩执行机构执行抛甩动作。
[0008]机械臂为3个，各机械臂之间的夹角为120°。
[0009]抛甩执行机构底部装有直线电机模组，主控单元控制直线电机模组带动抛甩执行机构相对于移动平台做往复移动。
[0010]主控单元为军用型笔记本电脑。
[0011]障碍药带的材料为不锈钢弹簧片，正常状态卷曲成螺旋状，抛甩时为绷直状态。
[0012]本实用新型还提出一种应用上述精准施加障碍药带的装置进行精准施药的方法，其特征在于包括以下步骤:
[0013](I)移动平台沿移动方向低速匀速行进的过程中，激光扫描雷达二维水平扫描林木树干并得到林木树干的尺寸和位置；
[0014](2)当某一树干位置位于撞击基准线沿移动方向的一侧，其到撞击基准线的垂直距离与其它树干位置相比最小但大于该树干直径时，主控单元实时向直线电机模组发出信号，控制抛甩执行机构沿激光扫描雷达的正中线方向往复移动，以保证在撞击位置时机械臂末端与树干位置在激光扫描雷达的正中线方向上的距离；
[0015](3)机械臂在装载位置时，人工将处于绷直状态的障碍药带通过磁铁固定在机械臂的末端，要求障碍药带的外表面与磁铁接触。当主控单元检测到树干位置到撞击基准线的垂直距离小于或等于树干半径，树干位置位于基准线沿移动方向的一侧且未执行抛甩动作时，控制步进电机驱动抛甩执行机构执行抛甩障碍药带的动作；障碍药带在撞击位置时撞击到树干，树干给障碍药带垂直作用一个外力，使撞击点处障碍药带绷直的临界平衡状态遭到破坏，障碍药带有恢复到原始螺旋状态的弹性力，该弹性力从撞击点分别向障碍药带的两端蔓延，障碍药带自由端先缠绕在树干上，然后障碍药带另一端摆脱磁铁的吸力也缠绕在树干，从而在树干上形成一个环形封闭的障碍药带；
[0016](4)在上述障碍药带抛甩及缠绕树干的过程中，机械臂从装载位置匀速转过120°到达抛甩结束位置，完成一次抛甩动作，之后机械臂从抛甩结束位置到空闲位置，再从空闲位置回到装载位置的过程均为空行程，不执行与抛甩障碍药带有关的任何动作。
[0017]本实用新型的有益效果为:采用可在林间或果园行走的轮式移动平台，在移动平台上搭载激光扫描雷达，实现对林木树干的快速、准确识别和定位，从而控制专门的执行机构以抛甩的方式向树干上施加具有特定弹性力学性能的障碍药带，使其缠绕在树干上形成有效屏障，阻隔食叶害虫。整套装置定位精度高，响应速度快，采用非液力的方式施加障碍药带，无喷药损失和药液飘散，提高了药液利用率，基本实现“绿色施药”的效果，且与人工缠绕药带相比，效率大幅提高，解放了劳动力；另外，由于施加的障碍药带具有弹性，一定长度的药带可适应一定范围内的树干尺寸变化，因此可以多年重复使用，降低了防治成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]下面结合附图及【具体实施方式】对本实用新型作进一步详细的说明:
[0019]图1为本实用新型的精准施加林木障碍药带装置的整体布局俯视图；
[0020]图2 (a)为本实用新型的障碍药带基本形状图；
[0021]图2(b)为本实用新型的障碍药带正常状态示意图；
[0022]图2(c)为本实用新型的障碍药带A-A方向截面图；
[0023]图2(d)为本实用新型的障碍药带绷直状态示意图；
[0024]图3为本实用新型的精准施加障碍药带的原理图；
[0025]图4(a)为本实用新型的障碍药带开始撞击到树干的撞击位置的示意图；
[0026]图4(b)为本实用新型的障碍药带的自由端先缠绕在树干上的示意图；
[0027]图4(c)为本实用新型的在树干上形成一个环形封闭的障碍药带的示意图。
[0028]附图标记:
[0029]1-移动平台；2_主控单元；3_以太网接口 ；4_激光扫描雷达；5_扫描区域；6_USB接口 ；7-RS422转USB接口 ；8_数据采集卡；9_抛甩执行机构；10_机械臂；11_磁铁；12_障碍药带；13-步进电机；14-抛甩方向；15-直线电机模组；16-树干；17-扫描方向；18_x轴方向；19_y轴方向；20_支架；21_移动方向；22_弯曲方向；23_撞击基准线；24_内表面；25-外表面；P1-装载位置；P12-撞击位置；P2-抛甩结束位置；P3-空闲位置；
【具体实施方式】
[0030]本实用新型的精准施加林木障碍药带装置，其较佳的【具体实施方式】如图1至图4(c)所示:
[0031]本实用新型的精准施加林木障碍药带装置包括移动平台1、主控单元2、激光扫描雷达4、抛甩执行机构9和障碍药带12 ；
[0032]如图1所示，移动平台I为一台四轮电动农用车，前轮转向、后轮驱动，本实用新型中所有部件和机构均安装在移动平台I上，移动平台I最大载重量为450kg，满载时最高车速25km/h，额定功率4.Skw,配有4块12V DC的车载电瓶，为整个精准施加林木障碍药带装置提供电源；
[0033]本实用新型中，一台SICK LMS511型激光扫瞄雷达4通过支架20固定在移动平台I的右前部距离地面Im的位置，正直面对、并水平二维扫描树干16，激光扫瞄雷达4的扫面区域5设置为190°，扫描方向17为逆时针方向，扫描角度分辨率为0.5°，对应的数据更新频率为75Hz，最大探测距离为26m。激光扫描雷达4通过以太网3与主控单元2进行数据通讯；如图1所示，以激光扫描雷达4的激光发射中心为原点，建立了激光扫描雷达4的相对直角坐标系，X轴18为与移动平台I移动方向21相反的方向，y轴19为激光扫猫雷达4的正中线；
[0034]本实用新型中，在移动平台I后部右侧位置安装有施加障碍药带12的抛甩执行机构9，抛甩执行机构9和激光扫描雷达4位于同一水平位置上；抛甩执行机构9上均匀分布有3个机械臂10，各机械臂10之间的夹角为120°，每个机械臂10末端装有一个磁铁11，用以吸附障碍药带12 ;主控单元2通过数据采集卡8控制步进电机13驱动抛甩执行机构9按如图1所示逆时针的抛甩方向14执行抛甩动作，每抛甩一次执行机构9转过120° ;抛甩执行机构9底部装有直线电机模组15，抛甩执行机构9固定在直线电机模组15的动子上，直线电机模组15的定子固定在移动平台I上。主控单元2通过数据采集卡8控制直线电机模组15带动抛甩执行机构9在激光扫描雷达4相对坐标系y轴19的方向上相对于移动平台I做往复移动，移动范围为500mm，最大移动速度为4m/s。抛甩执行机构9的移动位移量通过RS422转USB接口 7反馈给主控单元2，主控单元2与数据采集卡8通过USB接口 6进行通讯。
[0035]本实用新型中，主控单元2为适应恶劣环境下工作的军用型笔记本电脑，CPU主频为2.4GHz双核处理器，内存为3GB，硬盘为250GB，可在潮湿、灰尘、污染、振动等恶劣环境中，满足作业要求。主控单元2通过车载支架安装在移动平台I前部中间位置，驾驶员可根据个人习惯调整车载支架及主控单元2的位置，以便驾驶员监视主控单元2实时显示的内容，并对施加装置进行调试和设置等操作。
[0036]如图2所示为本实用新型中的障碍药带12，其材料为不锈钢弹簧片，基本形状为长条形，长度为L，宽度为W，厚度为T(图2(a)和(c))，正常状态时沿弯曲方向22卷曲成螺旋状(图2(b))。本实用新型中障碍药带12在被抛甩之前需经过预处理:将障碍药带12捋直后，拱成一个内表面24外凸，外表面25内凹的圆弧面，曲率半径为r，如图2(c)所示，使原来成螺旋状的障碍药带12绷直成一条直带，且能保持这种绷直的临界平衡状态(图2(d))。当有一外力F垂直作用于障碍药带12的内表面24上任意位置时，这种绷直的临界平衡状态被破坏，障碍药带12将沿弯曲方向22卷曲恢复成原来的螺旋状(图2(b))。本实用新型利用这一弹性力学特性，将障碍药带12缠绕在树干16上。整个障碍药带12的外表面上包裹着一层药衣，药衣中含有具有灭杀和阻隔害虫作用的药液或粘虫胶。长度为L的障碍药带12适用的树干直径D范围为:
0.5L 0.8L(Λ.
[0037]—<D<~~(I)
ππ
[0038]当树干直径超出该范围时，可根据树干16的尺寸适当增长或缩短障碍药带12。
[0039]下面结合图3和4 (a) - (c)，对抛甩执行机构9中的一个机械臂10精准施药障碍药带的方法做具体描述，另外两个机械臂10精准施加障碍药带的方法和过程与之完全相同:
[0040](I)移动平台I沿移动方向21低速匀速行进的过程中，激光扫描雷达4 二维水平扫描林木树干16。当激光扫描雷达4完成一次扫描后,得到扫描区域5内所有树干的轮廓点序列，包括扫描角度Θ和该扫描角度下的探测距离P，并发送给主控单元2，主控单元2首先对轮廓点进行预处理，根据实际应用环境将探测距离超过阈值A的轮廓点全部滤除，然后将剩下的数据点利用公式(2)转换到激光扫描雷达4的相对直角坐标系中:
(Xi=PlSinOi(2)
[0041]= Pi COS Oi
[0042]其中，(Xi, Yi)为第i个轮廓点在激光扫描雷达4的相对直角坐标系中的位置，Θ i为第i个轮廓点的扫描角度，P i为第i个轮廓点的探测距离。然后在相对直角坐标系中分析轮廓点间跳变距离。当点间跳变距离小于阈值B，认为是属于同一树干上的轮廓点；反之，则属于不同树干，最终得到扫描区域5内各个树干的轮廓点簇。其中阈值B由激光扫描雷达4的扫描角度分辨率、扫描频率、激光扫描雷达4与树干16间的距离和作业速度确定。计算第j个树干轮廓点簇中首末两个数据点之间的距离，视为该树干16的直径Dp首末数据点之间的连线的中点视为该树干在激光扫描雷达4的相对直角坐标系中的位置(Xc;j，y。」)，如图3所示。
[0043](2)当第j个树干位置(X。」，ycJ)位于撞击基准线23沿移动方向21的一侧，其到撞击基准线23的垂直距离d与其它树干位置相比最小但大于该树干直径Dj时，根据该树干位置(Xq.，yj，机械臂10在撞击位置P12时其末端与激光扫描雷达4在y轴19方向上的相对位置关系，主控单元2实时向直线电机模组15发出信号，控制抛甩执行机构9沿y轴19方向往复移动，保证在撞击位置P12时机械臂10末端与树干位置(Xc^ycd)在y轴19方向上的距离:
[0044]L1 = L- π Dj (3)
[0045]其中，L1为在撞击位置P12时机械臂10末端与树干位置(Xc^yej)在y轴19方向上的距离，L为障碍药带长度，&为该树干的直径。撞击基准线23是指障碍药带12预计撞击树干16的位置。
[0046](3)机械臂10在装载位置Pl时，人工将处于绷直状态的障碍药带12通过磁铁11固定在机械臂10的末端(图3)，要求障碍药带12的外表面25与磁铁11接触。当主控单元2检测到树干位置0^_，yCJ)到撞击基准线23的垂直距离d小于或等于树干半径树干位置(X。」，yCJ)位于撞击基准线23沿移动方向21的一侧且抛甩动作标示值Flag为O时，控制步进电机13驱动抛甩执行机构9以一较高的转速执行抛甩障碍药带12的动作。障碍药带12在撞击位置P12，即机械臂10转过90°时撞击到树干16，如图3和图4(a)所示。由于撞击，树干16给障碍药带12垂直作用了一个外力F，使撞击点处障碍药带12绷直的临界平衡状态遭到破坏，障碍药带12有恢复到原始螺旋状态的弹性力。该弹性力从撞击点分别向障碍药带12的两端蔓延。由于障碍药带12与机械臂10接触的这一端有磁铁11固定，而另一端自由端并无其他外力作用，因此使得障碍药带12的自由端沿弯曲方向22卷曲，先缠绕在树干16上(图4(a)和(b))。随着机械臂10持续转到，障碍药带12由磁铁11固定的一端摆脱磁铁11的吸力。此时障碍药带12除了沿弯曲方向22向树干16卷曲的弹性力以外，再无其他外力作用，最终这一端也将缠绕在树干16上，从而在树干16上形成一个环形封闭的障碍药带12(图4(b)和(c))。
[0047](4)在上述障碍药带12抛甩及缠绕树干16的过程中，机械臂10从装载位置Pl匀速转过120°到达抛甩结束位置P2，同时将抛甩动作标示值Flag设置为I ;否则，Flag设置为0，以避免出现重复抛甩或漏抛甩药带的误操作。抛甩动作标示值Flag是用来表征是否已执行抛甩动作，Flag = O表示尚未执行抛甩动作；Flag = I表示已执行抛甩动作。机械臂10从抛甩结束位置P2到空闲位置P3，再从空闲位置P3回到装载位置Pl的过程均为空行程，不执行与抛甩障碍药带有关的任何动作。
【权利要求】
1.一种精准施加林木障碍药带的装置，其特征在于:包括移动平台、主控单元、激光扫描雷达以及施加障碍药带的抛甩执行机构；激光扫描雷达固定在移动平台一侧的前部，其正直面对目标树干；在移动平台后部与激光扫描雷达同侧安装有施加障碍药带的抛甩执行机构，且抛甩执行机构和激光扫描雷达位于同一水平位置上，抛甩执行机构上均匀分布有多个机械臂，每个机械臂末端装有一个磁铁，用以吸附障碍药带。
2.根据权利要求1所述的一种精准施加林木障碍药带的装置，该装置还包括步进电机，用于驱动所述抛甩执行机构执行抛甩动作。
3.根据权利要求1所述的一种精准施加林木障碍药带的装置，所述机械臂为3个，各机械臂之间的夹角为120°。
4.根据权利要求1所述的一种精准施加林木障碍药带的装置，所述抛甩执行机构底部装有直线电机模组，主控单元控制直线电机模组带动抛甩执行机构相对于移动平台做往复移动。
【文档编号】A01M1/20GK203952209SQ201420096361
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年3月5日 优先权日:2014年3月5日
【发明者】康峰, 王亚雄, 李文彬, 郑永军 申请人:北京林业大学