温室喷雾机实时对靶喷施控制系统及喷施方法
【专利摘要】本发明属于农业机械装备自动化控制技术领域，涉及一种温室喷雾机实时对靶喷施控制系统及喷施方法。所述对靶喷施控制系统包括激光传感器、单片机控制器、避障传感器、监控显示屏、无线遥控器、电机驱动器、电机、混药箱、过滤器、隔膜泵、流量传感器、电磁阀、溢流阀和多个喷嘴。该喷施方法根据不同行驶速度，进行连续3次的动态采样，实时判断靶标，可有效避免采样频率过大时造成电磁阀的频繁启闭和果树冠层枝叶间间隙较大或树冠层的空洞而造成的误喷。与现有技术相比：具有安装和调试简单，对靶精度高，操作性强，喷施效果好等优点。
【专利说明】
温室喷雾机实时对靶喷施控制系统及喷施方法
技术领域
[0001 ]本发明属于农业机械装备自动化控制技术领域，涉及一种温室喷雾机实时对靶喷施控制系统及喷施方法。
【背景技术】
[0002]传统的施药方式为连续性施药，由于温室作物的非连续性种植，许多药液喷洒在果树之间空档处，没有沉积在作物上面，影响了作物的防治效果。将连续性施药转变为间歇性自动对靶施药是解决当前农药利用率低、环境影响大的有效解决途径，通过将自动化技术与喷雾技术相结合，通过对果树靶标的识别和喷雾装置的自动控制实现对靶施药，最终达到只对特定靶标实施喷雾的目的。
[0003]目前温室靶标探测技术按照探测原理可以分为基于超声波传感器、基于图像处理和基于红外传感器的靶标探测技术等。但是由于超声波传感器具有波束角，对靶识别准确率低；图像处理时间长，响应延迟高;红外传感器受环境影响大，探测距离短。
[0004]公开号CN103548802A提供了一种自走式果园自动对靶喷雾机及其喷雾方法，其采样频率是固定的，当行驶速度过大时会造成对靶不精确，同时也没有给出完整的对靶喷雾控制步骤。
【发明内容】
[0005]本发明针对上述现有技术存在的问题，提出一种精度高、抗干扰能力强的带有激光检测装置，并能实现智能调控的温室喷雾机实时对靶喷施控制系统及喷施方法。
[0006]本发明的技术方案是:
[0007]喷雾机实时对靶喷施控制系统，安装在自走式喷雾机上，包括单片机控制器、激光传感器、避障传感器、监控显示屏、无线遥控器、电机驱动器、步进电机、混药箱、过滤器、隔膜栗、流量传感器、两位两通电磁阀、溢流阀、多个喷嘴;其中:单片机控制器分别与所述的激光传感器、避障传感器、无线遥控器、监控显示屏、电机驱动器、流量传感器、两位两通电磁阀相连;喷嘴、两位两通电磁阀、流量传感器、隔膜栗、过滤器、混药箱依次相连，溢流阀并联连接在混药箱和流量传感器之间。
[0008]上述的对靶喷施的执行装置为安装在与喷嘴相通的两位两通电磁阀，两位两通电磁阀通过高速光电隔离电路与单片机控制器连接，采用高速光电隔离电路实现高速MOSFET驱动电磁阀，通过单片机控制器控制电磁阀开启和关闭时间。由于两位两通电磁阀具有较高的开关频率，设计了电磁阀反向吸收电路，能够达到较好的流量控制线性度。
[0009]上述的无线遥控器通过按键操作，控制喷雾机的运行和停止、作业速度0.5-lm/s内的调节，该无线传输通过在单片机控制器串口处连接第一无线接收模块，在无线遥控器中安装第二无线收发模块，以固定编码进行无线通信。
[0010]上述的喷雾机自动对靶喷施控制系统，其对靶喷雾控制方法步骤如下:
[0011](I)对控制系统进行初始化，然后根据果树的生长状况选择是否使用对靶喷雾:当果树生长茂密且植株间间隙较小时，通过监控显示屏选择连续喷雾，当果树枝叶间隙大生长较稀疏时，通过监控显示屏选择对靶喷雾。
[0012](2)根据作业需求，通过监控显示屏设定自走式喷雾机行驶速度，其速度设置在0.5—lm/s可调，控制器根据设定的行驶速度设置激光传感器的动态采样频率。
[0013](3)激光传感器针对喷嘴对应的单行果树进行实时靶标检测，当控制器判断出是靶标时，通过控制器控制两位两通电磁阀开启，进行喷施作业;当识别程序判断出是非靶标时，若当前正在喷雾，则延迟一个采样周期发出关闭两位两通电磁阀的信号，使喷嘴停止喷雾，若当前喷嘴不在喷雾，则继续循环检测和判断。
[0014]步骤(I)中，所述的果树生长茂密且植株间间隙较小时指:株距很小，小于该控制系统的最小靶标识别间距1cm且果树树冠层内无大于Icm的空隙;所述的果树枝叶间隙大生长较稀疏时指:树与树之间的间隙明显，株距大于等于10cm，且果树树冠层内有大于Icm的的空隙。
[0015]步骤(2)中，控制器根据设定的行驶速度设置激光传感器的采样频率指:当喷雾机行驶速度变化时，都能保证喷雾机每行驶5cm，单片机控制器能循环一个自身的检测周期，来判断是否检测到靶标，为动态采样。
[0016]当速度为0.5m/s时，设置的采样频率为30HZ;当速度为0.6m/s时，设置的采样频率为36HZ;当速度为0.7m/s时，设置的采样频率为42HZ;当速度为0.8m/s时，设置的采样频率为48HZ;当速度为0.9m/s时，设置的采样频率为54HZ;当速度为lm/s时，设置的采样频率为60HZ;即当使用固定的采样频率时，采样频率过小会造成对靶不精确，采样频率过大会造成电磁阀的频繁启闭，缩短电磁阀寿命和影响喷雾效果。
[0017]步骤(3)中，激光传感器针对喷嘴对应的单行果树进行实时靶标检测指:每个检测周期进行3次采样，S卩I个检测周期等于3个采样周期，计算3次采样的平均值;计算该检测周期3次采样值与平均值间的差值并取绝对值；当有2个或以上差值小于预设的阀值并且3次采样的平均值小于2.5m时，系统认为传感器检测到靶标树冠，进行喷雾；否则，系统认为没有检测到靶标，无需喷雾。
[0018]喷雾机自动对靶喷施控制系统预设的阀值为0.75m，即平均每株果树树冠层的最大半径，是为了避免果树冠层枝叶间间隙较大或树冠层的空洞而造成的误喷;设定的3次采样的平均值小于2.5m，是为了避免激光传感器探测到其他行的果树而造成的误喷;每个采样周期的时间，该控制系统按照行驶速度设置的采样频率来确定;在行驶方向上，激光传感器安装在喷嘴前20cm处，用于提前探测靶标。
[0019]与现有技术相比，本发明具有以下优点:
[0020]本发明的有益效果:
[0021]1.激光检测技术本身具有精度高、抗干扰能力强等特点，能识别的最小靶间距仅2cm，适合温室果树靶标识别。
[0022]2.采用连续3次采样来识别靶标，识别方法准确率高，能避免果树枝叶间的间隙和其他行果树而造成的误判。同时根据行驶速度动态调整采样频率的方法，保证了喷雾机在不同行驶速度下，都能每隔5cm进行一次靶标检测。
[0023]3.通过提前探测和延后一个采样周期停止喷雾，提高了喷施过程中雾滴覆盖均匀性。
【附图说明】
[0024]图1为本发明的对靶喷施控制系统结构示意图。
[0025]图2为本发明的对靶喷施识别算法流程图。
[0026]图3为采样点布置示意图。
[0027]图4为不同喷雾方式下雾滴覆盖率变化趋势图。
【具体实施方式】
[0028]参见图1所示，温室喷雾机实时对靶喷施控制系统包括单片机控制器、激光传感器、避障传感器、监控显示屏、无线遥控器、电机驱动器、电机、混药箱、过滤器、隔膜栗、流量传感器、两位两通电磁阀、溢流阀和多个喷嘴;其中:单片机控制器分别与所述的激光传感器、避障传感器、无线遥控器、监控显示屏、电机驱动器、流量传感器、两位两通电磁阀相连；喷嘴、两位两通电磁阀、流量传感器、隔膜栗、过滤器、混药箱依次相接。
[0029]激光传感器通过I/V转换电路连接到模数转换模块，模数转换模块将检测到的果树冠层距离信息快速传递给单片机控制器，喷嘴轴线和激光传感器发出的光束相平行且在行驶方向上激光传感器安装在喷嘴前20cm处，该激光传感器有效探测距离0.l-5m可调；流量传感器通过高速光电隔离电路，将喷雾机喷施流量信息传递给单片机控制器。
[0030]两位两通电磁阀与多个喷嘴相连接，通过单片机控制器控制启闭，两位两通电磁阀和单片机控制器通过高速光电隔离电路连接，使得输入和输出相互隔离，避免电磁阀的频繁动作导致输入和输出电压波动，同时由于两位两通电磁阀具有较高的开关频率，设计了反向吸收电路与电磁阀并联，其中反向吸收电路为单向导通的整流二极管，能够达到较好的流量控制线性度。
[0031]参见图2所示，喷施控制方法如下:
[0032](I)对控制系统进行初始化，然后根据果树的生长状况选择是否使用对靶喷雾:当果树生长茂密且植株间间隙较小时，通过监控显示屏选择连续喷雾，当果树枝叶间隙大生长较稀疏时，通过监控显示屏选择对靶喷雾。
[0033](2)根据作业需求，通过监控显示屏设定自走式喷雾机行驶速度，其速度设置在0.5—lm/s可调，控制器根据设定的行驶速度设置激光传感器的动态采样频率。
[0034](3)激光传感器针对喷头对应的单行果树进行实时靶标检测，当控制器判断出是靶标时，通过控制器控制两位两通电磁阀开启，进行喷施作业;当识别程序判断出是非靶标时，若当前正在喷雾，则延迟一个采样周期发出关闭两位两通电磁阀的信号，使喷嘴停止喷雾，若当前喷嘴不在喷雾，则继续循环检测和判断。
[0035]上述的实时靶标检测中，控制器根据设定的行驶速度设置激光传感器的采样频率，为动态采样。当速度为0.5m/s时，设置的采样频率为30HZ;当速度为0.6m/s时，设置的采样频率为36HZ;当速度为0.7m/s时，设置的采样频率为42HZ;当速度为0.8m/s时，设置的采样频率为48HZ;当速度为0.9m/s时，设置的采样频率为54HZ;当速度为lm/s时，设置的采样频率为60HZ。即当喷雾机行驶速度变化时，都能保证喷雾机每行驶5cm，单片机控制器能循环一个检测周期，来判断是否检测到靶标;当使用固定的采样频率时，采样频率过小会造成对靶不精确，采样频率过大会造成电磁阀的频繁启闭，缩短电磁阀寿命和影响喷雾效果。
[0036]上述的实时靶标检测中，每个检测周期进行3次采样，计算3次采样的平均值;计算该周期3次采样值与平均值间的差值并取绝对值;当有2个或以上差值小于预设的阀值并且3次采样的平均值小于2.5m时，系统认为传感器检测到靶标树冠，进行喷雾;否则，系统认为没有检测到靶标，无需喷雾。喷雾机自动对靶喷施控制系统预设的阀值为0.75m，即平均每株果树树冠层的最大半径，是为了避免果树冠层枝叶间间隙较大或树冠层的空洞而造成的误喷;设定的3次采样的平均值小于2.5m，是为了避免激光传感器探测到其他行的果树而造成的误喷。
[0037]激光传感器用于收集果树参数信息，测定靶标距离喷嘴的距离，并将信息反馈给单片机控制器。单片机控制器根据接收到的信息进行分析，从而控制电磁阀的启闭。
[0038]无线遥控器通过按键操作，控制喷雾机的运行和停止、作业速度0.5-lm/s内的调节，该无线传输通过在单片机控制器串口处连接第一无线接收模块，在无线遥控器中安装第二无线收发模块，以固定编码进行无线通信。
[0039]温室果树一般形状、疏密各异，采用本技术的喷雾方法，可有效避免果树冠层内枝叶间间隙过多而造成的电磁阀频繁启闭或者应枝叶间间隙过大形成的空洞而造成的误判。同时提高了喷施过程的雾滴覆盖率，降低了农药使用量，具有良好的应用前景和推广价值。
[0040]实验验证:
[0041 ]实验采用3株树冠直径约1.5m，树高1.7m，树干高0.5m的仿真树。试验时设定喷雾压力为0.3MPa，行驶速度0.5m/s，喷雾单元与树之间距离保持在lm，仿真树的最小间距为
0.5m;将仿真树的树冠中心沿水平方向设定3个采样点，S卩3 X 3 = 9点，此9点为每棵树的测量米样点，在树与树的间隙中心处也设置I个米样。每个米样点正面布置2.5cm X 5.0cm大小的滤纸承接雾滴，滤纸按照采样点位置进行编号。待雾滴干燥后收集纸卡，用扫描仪进行扫描，并通过Matlab软件将扫描图片用图像处理系统进行灰度和二值化处理，测定统计每张纸卡的雾滴覆盖率，重复3次。
[0042]实验采用3种喷雾方式，方式I为连续喷雾，方式2为不采用动态采样和提前对靶以及延迟一个采样周期的喷雾方法，方式3为上述所描述的喷雾方法。采样点布置如图3，实验结果如图4。
[0043]由图4可算出3种方式下树冠层的雾滴覆盖率分别为67.8%、82.5%、90.5%，其中方式3的雾滴覆盖率高于采用现有对靶喷雾方法的方式2;对于方式2和3下的雾滴沉积分布均匀性的比较，用变异系数Cv表示。经计算(此为常规计算，不再详述)，采用方式3的变异系数为0.069远小于方式2的0.222，说明在同样条件下，采用本发明的对靶喷雾方法能有效提高树冠层雾滴覆盖率和雾滴沉积分布均匀性。
【主权项】
1.喷雾机实时对靶喷施控制系统，安装在自走式喷雾机上，其特征在于:所述控制系统包括单片机控制器、激光传感器、避障传感器、监控显示屏、无线遥控器、电机驱动器、步进电机、混药箱、过滤器、隔膜栗、流量传感器、两位两通电磁阀、溢流阀、多个喷嘴;其中:单片机控制器分别与所述的激光传感器、避障传感器、无线遥控器、监控显示屏、电机驱动器、流量传感器、两位两通电磁阀相连;喷嘴、两位两通电磁阀、流量传感器、隔膜栗、过滤器、混药箱依次相连，溢流阀并联连接在混药箱和流量传感器之间。2.如权利要求1所述的喷雾机实时对靶喷施控制系统，其特征在于:所述两位两通电磁阀通过高速光电隔离电路与单片机控制器连接，采用高速光电隔离电路实现高速MOSFET驱动电磁阀，通过单片机控制器控制电磁阀开启和关闭时间。由于两位两通电磁阀具有较高的开关频率，设计了电磁阀反向吸收电路，能够达到较好的流量控制线性度。3.如权利要求1所述的喷雾机实时对靶喷施控制系统，其特征在于:所述无线遥控器通过按键操作，控制喷雾机的运行和停止、作业速度0.5-lm/s内的调节，该无线传输通过在单片机控制器串口处连接第一无线接收模块，在无线遥控器中安装第二无线收发模块，以固定编码进行无线通信。4.如权利要求1所述的喷雾机实时对靶喷施控制系统，其特征在于:激光传感器通过I/V转换电路连接到模数转换模块，模数转换模块将检测到的果树冠层距离信息快速传递给单片机控制器;喷嘴轴线和激光传感器发出的光束相平行且在行驶方向上激光传感器安装在喷嘴前20cm处，该激光传感器有效探测距离0.l-5m可调;流量传感器通过高速光电隔离电路，将喷雾机喷施流量信息传递给单片机控制器。5.如权利要求1所述的喷雾机实时对靶喷施控制系统的对靶喷雾控制方法，其特征在于步骤如下: (1)对控制系统进行初始化，然后根据果树的生长状况选择是否使用对靶喷雾:当果树生长茂密且植株间间隙较小时，通过监控显示屏选择连续喷雾，当果树枝叶间隙大生长较稀疏时，通过监控显示屏选择对靶喷雾； (2)根据作业需求，通过监控显示屏设定自走式喷雾机行驶速度，其速度设置在0.5-lm/s可调，控制器根据设定的行驶速度设置激光传感器的动态采样频率； (3)激光传感器针对喷嘴对应的单行果树进行实时靶标检测，当控制器判断出是靶标时，通过控制器控制两位两通电磁阀开启，进行喷施作业；当识别程序判断出是非靶标时，若当前正在喷雾，则延迟一个采样周期发出关闭两位两通电磁阀的信号，使喷嘴停止喷雾，若当前喷嘴不在喷雾，则继续循环检测和判断。6.如权利要求5所述的对靶喷雾控制方法，其特征在于:步骤(I)中，所述的果树生长茂密且植株间间隙较小时指:株距很小，小于该控制系统的最小靶标识别间距1cm且果树树冠层内无大于Icm的空隙；所述的果树枝叶间隙大生长较稀疏时指:树与树之间的间隙明显，株距大于等于10cm，且果树树冠层内有大于Icm的的空隙。7.如权利要求5所述的对靶喷雾控制方法，其特征在于:步骤(2)中，控制器根据设定的行驶速度设置激光传感器的采样频率指:当喷雾机行驶速度变化时，都能保证喷雾机每行驶5cm，单片机控制器能循环一个自身的检测周期，来判断是否检测到靶标，为动态采样。8.如权利要求7所述的对靶喷雾控制方法，其特征在于:当速度为0.5m/s时，设置的采样频率为30HZ;当速度为0.6m/s时，设置的采样频率为36HZ;当速度为0.7m/s时，设置的采样频率为42HZ;当速度为0.8m/s时，设置的采样频率为48HZ;当速度为0.9m/s时，设置的采样频率为54HZ;当速度为lm/s时，设置的采样频率为60HZ;即当使用固定的采样频率时，采样频率过小会造成对革E不精确，采样频率过大会造成电磁阀的频繁启闭，缩短电磁阀寿命和影响喷雾效果。9.如权利要求5所述的对靶喷雾控制方法，其特征在于:步骤(3)中，激光传感器针对喷嘴对应的单行果树进行实时靶标检测指:每个检测周期进行3次采样，S卩I个检测周期等于3个采样周期，计算3次采样的平均值;计算该检测周期3次采样值与平均值间的差值并取绝对值；当有2个或以上差值小于预设的阀值并且3次采样的平均值小于2.5m时，系统认为传感器检测到靶标树冠，进行喷雾;否则，系统认为没有检测到靶标，无需喷雾。10.如权利要求9所述的对靶喷雾控制方法，其特征在于:喷雾机自动对靶喷施控制系统预设的阀值为0.75m，即平均每株果树树冠层的最大半径，是为了避免果树冠层枝叶间间隙较大或树冠层的空洞而造成的误喷;设定的3次采样的平均值小于2.5m，是为了避免激光传感器探测到其他行的果树而造成的误喷。
【文档编号】A01M7/00GK105831052SQ201610090378
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年2月18日
【发明人】贾卫东, 刘欢
【申请人】江苏大学