一种喷雾机仿形喷杆及其控制方法与流程

本发明涉及农业机械技术领域，具体为一种喷雾机仿形喷杆及其控制方法。

背景技术：

为了增加农业产量，作物必须进行病虫草害的防治，喷杆喷雾机是喷洒化学农药、肥料和植物生产调节剂等的重要机具之一，被广泛应用在大田、草坪、苗圃、果园中。作业效果和喷洒分布模式的均匀性高度相关，喷杆是大柔性弱阻尼结构，作业时喷杆的主要运动表现为横摆、侧倾、震荡等，显著的影响喷雾分布形态。

目前现有喷杆缺点在于难以适应倾斜、起伏等复杂田间地面，尤其是大型喷杆喷雾机，如图1所示，当喷杆碰触到地面凸起时，会影响到施药工作的进行，还容易造成设备的损坏。

为了减少化学药物的漏喷和重喷，喷杆必须保持与土壤地面/作物冠层平行，还需抑制大柔性喷杆的横摆运动，因此在倾斜、起伏等复杂田间路况作用时，驾驶员不得不频繁手动调节喷杆到合适的角度和高度。

为了缓解操作人员的负担，使其不必担心喷杆晃动导致喷雾沉积量不均匀，可以提高驾驶速度，本发明提出了一种仿形喷杆及其控制方法。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明的技术目的是提供一种可以克服现有技术缺陷的喷雾机仿形喷杆及其控制方法，其公开的技术方案为：

一种喷雾机仿形喷杆，包括与喷雾机车体连接的支撑悬架以及安装在支撑悬架左右两侧的喷杆侧臂，其特征在于：

所述支撑悬架设有第二框架、喷杆中心架和减振机构，第二框架的前部安装有一凸台，减振机构设置在所述凸台上；

所述喷杆中心架位于第二框架的前方，所述喷杆侧臂安装在所述喷杆中心架上，第二框架的上部通过对称的左右两个第二连接件与喷杆中心架连接，第二连接件的前后两端与第二框架、喷杆中心架均采用球头铰链活动连接，使第二框架、两个第二连接件与喷杆中心架构成四杆机构；

所述减振机构包括第一组件、第二组件和弹簧件，所述第一组件的上部为扇形承压部，所述承压部的顶面设有呈凸起圆弧状的横向卡槽，第一组件下部设有中心连接件；所述第二组件呈T型，上部为头部，下部为柱体；所述第一组件的中心连接件通过轴销与第二组件的头部铰接，承压部扇形的中心点落在所述轴销上，所述承压部的两侧通过左右对称设置的阻尼器与凸台的台面连接，所述阻尼器的上下两端与第一组件、凸台台面均采用万向节活动连接，所述台面上设有通孔，第二组件的下部柱体插在所述通孔中，所述弹簧件套在所述柱体上，卡在第二组件头部下表面与凸台台面之间；

所述喷杆中心架包括一横向设置的曲杆，所述曲杆的中间部位压在第一组件承压部的顶面，卡在所述卡槽中，且所述曲杆通过可执行直线往复运动的侧倾驱动装置与第一组件连接，所述侧倾驱动装置的一端铰接在曲杆偏于中间部位的位置，侧倾驱动装置的另一端铰接在第一组件承压部的一侧，通过控制侧倾驱动装置执行直线往复运动，可使曲杆以第一组件为支点转动，所述侧倾驱动装置与控制系统连接。

在上述方案的基础上，进一步改进或优选的方案还包括：

所述第二框架侧边通过可执行直线往复运动的横摆驱动装置与喷杆中心架的侧边连接，所述横摆驱动装置的一端与第二框架活动连接，另一端与喷杆中心架活动连接，通过横摆驱动装置执行直线往复运动，喷杆中心架可相对于第二框架横向摆动，所述横摆驱动装置与控制系统连接。

所述第二组件与所述通孔为间隙配合，所述通孔内配置有橡胶套。

所述第二组件的头部通过连杆与所述曲杆连接，所述连杆的两端分别通过轴件与第二组件、曲杆铰接，连接第二组件头部与连杆的轴件与所述轴销的中轴线在同一直线上。

所述喷杆侧臂由多段桁架组成，桁架段之间通过运动关节连接，所述运动关节设有相互垂直的两个运动转轴，所述喷杆侧臂上安装有：

1）控制与支撑悬架连接的桁架段相对于支撑悬架、外侧桁架段相对于内侧桁架段产生水平转动的折叠/展开驱动装置；

2）控制与支撑悬架连接的桁架段相对于支撑悬架、外侧桁架段相对于内侧桁架段产生倾斜转动的倾角调节驱动装置；

所述折叠/展开驱动装置、倾角调节驱动装置分别与控制系统连接。

所述喷杆中心架包括本体框架和扩展架，所述扩展架设置在本体框架上部的前方，通过连接机构与本体框架固定连接。

所述连接机构包括以镜像对称的方式设置在扩展架与本体框架之间的两组第三连接件，所述第三连接件包括内外两个单元组件；所述第二连接件的一端连接在第二框架的顶面，另一端连接在第三连接件内侧单元组件的顶面，所述内侧单元组件垂直于扩展架与本体框架；所述扩展架顶面高度低于本体框架的顶面高度，所述内侧组件的纵截面呈梯形，其顶部水平，后侧边垂直连接在本体框架顶部侧面上，前侧边倾斜延伸至所述扩展架的顶面，与扩展架顶面固定连接；所述第三连接件的外侧单元组件为直管件，后端固定连接在本体框架的顶部侧面上，前端与扩展架的顶面固定连接，且外侧单元组件的前部向内侧倾斜。

本发明仿形喷杆针对两个喷杆侧臂设有左右两个执行直线往复运动的折叠/展开驱动装置，所述折叠/展开驱动装置与控制系统连接；所述喷杆侧臂通过竖向设置的转轴铰接在所述本体框架的侧面，所述折叠/展开驱动装置的一端通过铰链与所述扩展架连接，另一端与对应的喷杆侧臂通过铰链结构连接，通过控制折叠/展开驱动装置执行直线往复运动，可推动喷杆侧臂以所述转轴为中心向后或向前转动，控制喷杆折叠或展开。

进一步的，所述喷杆侧臂的内侧通过中轴线在同一直线上的第一转轴、第二转轴与本体框架铰接，所述第一转轴位于第二转轴上方，且第一转轴、第二转轴的中轴线在同一直线上；喷杆侧臂内侧的上下两端则分别通过过渡连接件与第一转轴、第二转轴连接，所述过渡连接件套在第一转轴/第二转轴上，喷杆侧臂上端通过第三转轴与套在第一转轴上的过渡连接件铰接，所述第三转轴与第一转轴相垂直；喷杆侧臂下端设有内侧倾角调节驱动装置，所述内侧倾角调节驱动装置为执行直线往复运动的驱动装置，其一端与喷杆侧臂铰接，另一端通过第四转轴与套在第二转轴上的过渡连接件铰接，所述第四转轴与第二转轴相垂直，所述内侧倾角调节驱动装置与控制系统连接，通过内侧倾角调节驱动装置执行直线往复运动，所述喷杆侧臂可以所述第三转轴为轴心转动。

所述支撑悬架设有第一框架和升降驱动装置，所述第一框架位于第二框架的后方，固定安装在喷雾机车架上，通过第一连接件与第二框架连接，且与第二框架保持平行，所述第一连接件前后两端分别与第一框架、第二框架铰接，所述升降驱动装置为执行直线往复运动的驱动装置，其一端与第一框架铰接，另一端通过铰链连接在所述第一连接件上，通过控制升降驱动装置执行直线往复运动，拉动第一连接件，可带动第二框架相对于第一框架抬高或降低。

所述喷雾机仿形喷杆还包括安装在喷杆侧臂上的若干非接触式距离传感器以及安装在喷杆中心架上的多轴动态倾角传感器，所述非接触式距离传感器、多轴动态倾角传感器 分别与所述控制系统连接。

一种用于如上所述喷雾机仿形喷杆的控制方法，其特征在于：

通过分布在喷杆侧臂上的多个非接触式距离传感器检测出喷杆侧臂上多点与地面的距离；

通过所述多轴动态倾角传感器检测出喷杆中心架绕竖直轴的横摆角和绕水平纵轴（车尾指向车头方向）的侧倾角；

通过安装在喷雾机车体上的带GPS辅助的惯性测量单元（包括惯性测量单元、加速度计、磁力计等组成）检测车体的运动姿态（侧倾、横摆、起伏等）；

通过控制系统采集所述非接触式距离传感器、多轴动态倾角传感器和车体上的惯性测量单元传输的信号，根据拉格朗日动力学方程，进行在线逆动力力学解算，算得各驱动装置所需的推力及位移，控制调节各驱动装置协同动作，实现喷杆侧臂对地面的仿形，避免喷杆碰触障碍物。

有益效果：

本发明喷雾机仿形喷杆及其控制方法设计新颖、规划合理，所述支撑悬架包括主动部分和被动部分，通过悬架的被动部分隔离喷杆受到来自车体的高频激励，而悬架主动部分可结合传感器、执行器使喷杆跟踪低频的地面坡度变化，调节喷杆姿态，实现仿形，可有效避免喷杆碰触到障碍物，使喷杆式喷雾机能适应起伏地面，拓宽喷杆式喷雾机的适用场合。

附图说明

图1为现有技术中喷杆式喷雾机在起伏地面工作状态的示意图；

图2为配置本发明仿形喷杆的喷杆式喷雾机在起伏地面工作状态的示意图；

图3为本发明仿形喷杆的立体结构示意图；

图4为本发明仿形喷杆的侧视结构示意图；

图5为喷杆侧臂的立体结构示意图；

图6为本发明仿形喷杆局部结构的立体前视图；

图7为本发明仿形喷杆局部结构的立体后视图；

图8为本发明仿形喷杆的局部结构的俯视图；

图9为喷杆侧臂内侧上端的结构示意图；

图10为喷杆侧臂内侧下端的结构示意图；

图11为支撑悬架一实施例的立体结构示意图一；

图12为图11支撑悬架实施例的立体结构示意图二；

图13为图11支撑悬架实施例的前视图；

图14为图11支撑悬架实施例的后视图；

图15为第一组件的结构示意图；

图16为第二组件的结构示意图；

图17为曲杆的结构示意图；

图18为第二框架的结构示意图；

图19为控制系统的结构示意。

具体实施方式

为了阐明本发明的技术方案及工作原理，下面结合附图与具体实施例对本发明做详细的介绍。

如图3所示的一种喷雾机仿形喷杆，包括与喷雾机车体连接的支撑悬架以及安装在支撑悬架左右两侧的喷杆侧臂。

如图4至图14所示，所述支撑悬架设有升降驱动机构、侧倾驱动机构、横摆驱动机构与减振机构等，具体由第一框架301、第二框架302、喷杆中心架等组件构成。

所述支撑悬架通过第一框架301固定在喷雾机车架上。所述第一框架301位于第二框架302的后方，由两个竖向的槽型直管构成，两槽型直管槽开口向前，对准所述第二框架302侧边的位置。所述槽型直管通过上下两个相同且平行的第一连接件501与第二框架302对应的侧边连接，所述第一连接件501前后两端分别与第二框架302的侧边、第一框架301的槽型直管铰接。

升降驱动装置205为执行直线往复运动的驱动装置（如液压缸、丝杠等），第一框架301两侧各设置一个升降驱动装置203，其一端与第一框架301对应的槽型直管铰接，另一端与连接所述槽型直管的位于下方的第一连接件501铰接。所述升降驱动装置203与控制系统连接，控制系统通过控制升降驱动装置205执行直线往复运动拉动第一连接件501，可带动第二框架302相对于第一框架301抬高或降低，且在此过程中，第一框架301与第二框架302始终保持平行。

所述第二框架302的前部安装有一凸台404，减振机构设置在所述凸台404上。所述喷杆中心架设置在第二框架302的前方，喷杆侧臂安装在所述喷杆中心架上，由所述凸台404承载减振机构和喷杆的重量。

所述喷杆中心架包括本体框架303和扩展架304，所述扩展架304设置在本体框架304上部的前方，通过连接机构与本体框架303固定连接。所述连接机构包括以镜像对称的方式设置在扩展架304与本体框架303之间的两组第三连接件，所述第三连接件包括内侧单元组件503和外侧单元组件504。

第二框架302的上部通过左右两个对称分布的第二连接件502与喷杆中心架连接，第二框架302、两个第二连接件502与喷杆中心架构成了梯形的四杆结构，所述第二连接件502的后端通过球头铰链连接在第二框架302的顶面，第二连接件502的前端通过球头铰链连接在所述内侧单元组件503的顶面，如图11、图12所示。实践中可根据使用需求手动调节左右两个第二连接件502的夹角，即改变第二连接件502前端球头铰链与喷杆中心架的连接位置，构成矩形等其它形状的四杆结构，可以调节喷杆中心架的运动（横摆、侧倾等）范围以及运动灵敏度。

所述内侧单元组件503垂直于扩展架304与本体框架303，所述扩展架304顶面高度低于本体框架302的顶面高度，所述内侧单元组件503的纵截面呈梯形，其顶部水平，后侧边垂直连接在本体框架302的顶部侧面上，前侧边倾斜延伸至所述扩展架304的顶面，与扩展架304顶面固定连接。所述外侧单元组件504为直管件，后端固定连接在本体框架302的顶部侧面上，前端与扩展架304的顶面固定连接，且外侧单元组件504的前部向内侧倾斜，如图6、图12所示。

所述减振机构包括第一组件401、第二组件406和弹簧件403，所述第一组件401的上部为扇形承压部，所述承压部的顶面设有呈凸起圆弧状的横向卡槽，第一组件401下部设有中心连接件，如图15所示。所述第二组件406呈T型，上部为凹槽型头部，下部为柱体，如图16所示。所述第一组件401的中心连接件通过轴销407与第二组件406的头部铰接，承压部扇形的中心点落在所述轴销407上，所述承压部的两侧通过左右对称设置的阻尼器402与凸台404的台面连接，所述阻尼器402的上下两端与第一组件401、凸台台面均采用十字万向节活动连接。所述凸台404的台面上设有通孔，第二组件406的下部柱体插在所述通孔中，所述弹簧件403套在所述柱体上，卡在第二组件406头部下表面与凸台台面之间，且所述第二组件406与所述通孔为间隙配合，避免各组件之间因加工精度不准确造成机构自锁，所述通孔内配置有橡胶套。

所述本体框架303的框架中部有一横向设置的曲杆305，如图17所示，所述曲杆305的中间部位压在第一组件承压部的顶面，与承压部顶面形状契合，卡在所述卡槽中，且所述曲杆305通过可执行直线往复运动的侧倾驱动装置204（如液压缸、丝杠等）与第一组件401连接，所述侧倾驱动装置204的一端铰接在曲杆偏于中间部位的位置，侧倾驱动装置204的另一端铰接在第一组件承压部的一侧。所述侧倾驱动装置204与控制系统连接，控制系统通过控制侧倾驱动装置204执行直线往复运动，可使曲杆305以第一组件401为支点转动。

所述第二组件406的头部通过连杆405与所述曲杆305连接，所述连杆405的两端分别通过轴件与第二组件406、曲杆305铰接，连接第二组件头部与连杆405的轴件与所述轴销407的中轴线在同一直线上。

所述第二框架302侧边通过一可执行直线往复运动的横摆驱动装置206（如液压缸、丝杠等）与喷杆中心架的侧边连接，所述横摆驱动装置206与控制系统连接，控制系统通过控制横摆驱动装置206执行直线往复运动，使喷杆中心架带动喷杆侧臂相对于第二框架302（或车体）横向摆动。

所述喷杆侧臂由多段桁架组成，所述喷杆侧臂上安装有：1）控制连接支撑悬架的桁架段相对于支撑悬架、外侧桁架段相对于内侧桁架段产生水平转动的折叠/展开驱动装置；2）控制连接支撑悬架的桁架段相对于支撑悬架、外侧桁架段相对于内侧桁架段产生倾斜转动的倾角调节驱动装置，所述折叠/展开驱动装置、倾角调节驱动装置分别与控制系统连接。桁架段之间通过运动关节连接，所述运动关节设有竖轴和水平纵轴两个相互垂直的运动转轴，在驱动装置带动下，桁架段相对所述运动转轴转动，可实现喷杆侧臂的局部姿态调节，如图2所示，即局部仿形，使喷雾机能适应各种复杂地形。

如图3所示的一实施例，所述喷杆侧臂设有内侧桁架段与外侧桁架段，所述外侧桁架段与内侧桁架段相接，二者相接处设有外侧桁架段倾角调节油缸201，以及控制外侧桁架段相对于内侧单元水平转动的驱动机构。所述内侧桁架段与支撑悬架的连接如图9、图10所示。

本实施例仿形喷杆针对两个喷杆侧臂设有左右两个执行直线往复运动的折叠/展开驱动装置205（如液压缸、丝杠等），所述折叠/展开驱动装置205与控制系统连接。

所述内侧桁架段通过中轴线在同一直线上的第一转轴601、第二转轴602与本体框架303铰接，所述第一转轴601位于第二转轴上方，且第一转轴601、第二转轴602的中轴线在同一直线上。所述内侧桁架段的上下两端则分别通过过渡连接件与第一转轴601、第二转轴602连接，喷杆侧臂上端通过第三转轴与套在第一转轴601上的过渡连接件505铰接，所述第三转轴与第一转轴601相垂直。内侧桁架段下端设有内侧倾角调节驱动装置202，所述内侧倾角调节驱动装置202为执行直线往复运动的驱动装置（如液压缸、丝杠等），其一端与内侧桁架段铰接，另一端通过第四转轴与套在第二转轴602上的过渡连接件506铰接，所述第四转轴与第二转轴302相垂直。

所述折叠/展开驱动装置207的一端与所述扩展架304的内侧铰接，另一端与套在第一转轴上601上的过渡连接件铰接，通过控制折叠/展开驱动装置207执行直线往复运动，可推动喷杆侧臂以所述第一转轴、第二转轴为中心向后或向前转动，控制内侧桁架段相对于支撑悬架折叠或展开。

所述内侧倾角调节驱动装置202与控制系统连接，控制系统通过控制内侧倾角调节驱动装置202执行直线往复运动，使内侧桁架段以第三转轴为轴心转动，相对于支撑悬架发生倾斜。

所述本体框架303上安装有多轴动态倾角传感器 101，所述喷杆侧臂顺着其延伸方向设有多个非接触式距离传感器102（如超声波传感器等）及图像传感器，所述非接触式距离传感器、图像传感器、多轴动态倾角传感器分别与所述控制系统连接。

本实施例中，所述仿形喷杆在支撑悬架浮动部分与内侧桁架段部分安装有蓄能器，避免喷杆展开后产生刚性冲击，喷杆触碰到障碍物以后，蓄能器油缸缩短或伸长，不会使喷杆结构产生变形失效。

本实施例中，各驱动装置优选采用油缸，控制系统与各传感器以及各驱动装置（如升降油缸、侧倾油缸、横摆油缸等）的电路连接及信号走向如图19所示，所述控制系统由ARM上位机与DSP下位机组成，各传感器及驱动装置的信号输出/输入端通过数模或模数转换电路与所述DSP下位机的相应接口连接。

如上所述喷雾机仿形喷杆在工作时，其控制方法如下：

通过分布在喷杆侧臂上的多个非接触式距离传感器检测出喷杆侧臂上多点与地面的距离；

通过所述多轴动态倾角传感器检测出喷杆中心架绕竖直轴的横摆角和绕水平纵轴（车尾指向车头方向）的侧倾角；

通过安装在喷雾机车体上的带GPS辅助的惯性测量单元（包括惯性测量单元、加速度计、磁力计等组成）惯性测量单元检测车体的运动姿态（侧倾、横摆、起伏等）；

通过控制系统采集所述非接触式距离传感器、多轴动态倾角传感器和车体上的惯性测量单元传输的信号，根据拉格朗日动力学方程，进行在线逆动力力学解算，算得主动悬架横摆、侧倾驱动装置以及喷杆侧臂姿态调整驱动装置所需的推力及位移，控制调节各驱动装置协同动作，实现喷杆侧臂对地面的仿形，避免喷杆碰触障碍物，如图2所示。

在喷雾机作业时，通过图像传感器可监测作物的生长状况及病虫草害的状况，便于统计病虫草害的发生规律，制定合适的作业方案。

本发明中，针对喷杆及支撑悬架横摆、侧倾频响特性，可使用六自由度运动平台及动态测试系统进行测试，主要是阶跃响应分析、频率响应分析。指定跟踪频率根据外界激励频率或地面波动的波长来设定，低于指定频率（或地面波长），幅值比近似为1，高于指定频率（或地面波长），幅值比迅速衰减为0。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。