一种适合多种异形面积的园林喷灌系统及控制方法与流程

本发明涉及植物喷灌技术领域，具体的说，是一种适合多种异形面积的园林喷灌系统及控制方法。

背景技术：

随着社会的发展，人们越来越重视绿化建设和园林建设，但是在日常园林植物护理过程中，浇灌操作比较繁重，现有的喷灌系统多采用恒定压力供水，喷灌面积区域多以圆形或扇形面为主，而对于正方形、长方形的喷灌面积区域，如果要完成所有绿色植物的喷灌，势必会将水喷出喷灌面积区域之外，这一过程对水资源造成极大的浪费，而对于诸如三角形以及其它非规则图形的喷灌，当前的喷灌系统很难高效的实现。目前，市场上的喷灌装置多数为简单的机械喷灌装置，其自动化程度不高，并且仍然是不能解决不规则喷灌区域的精准覆盖问题。

因此，设计一种能够实现不规则喷灌区域的喷灌，并且使喷灌区域能够被精确控制的喷灌系统，是本技术领域的技术人员所要解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种适合多种异形面积的园林喷灌系统及控制方法，能够实现不规则喷灌区域的喷灌，并且使喷灌区域能够被精确控制。

本发明通过下述技术方案实现：

一种适合多种异形面积的园林喷灌系统及控制方法，包括水箱、齿轮泵、电液比例减压阀、步进电机以及喷管，所述齿轮泵设置于水箱中，齿轮泵的输出端与电液比例减压阀的输入端相连接，电液比例减压阀的输出端与喷管固定连接，且在喷管上套接有喷头套管，喷头套管的尾部与水平面具有夹角α；所述喷头套管上设有套管齿轮，步进电机的输出轴连接有主动齿轮，且套管齿轮与主动齿轮啮合连接。

所述齿轮泵以恒定的压力将水箱中的液体吸出，为喷灌系统提供液体，由电液比例减压阀对液体压力进行控制，输出喷头套管需要的压力，使喷头套管喷出的水能够由喷头套管向喷灌边界移动；步进电机上的主动齿轮与喷头套管上的套管齿轮啮合连接，主动齿轮带动套管齿轮转动，进而带动喷头套管转动，实现对喷头套管旋转角度的控制，使喷头套管喷灌完一组喷头套管与喷灌边界之间的植物后，旋转一定角度，进行另一组喷头套管与喷灌边界之间的植物的喷灌。

本发明通过电液比例减压阀对液体压力进行控制，能够使喷出的液体精确到达喷灌所需的边界，步进电机带动喷头套管转动，能够使喷出的液体完全覆盖喷灌所需的面积区域。

进一步的，还包括弹簧卡圈，所述喷头套管侧壁上设有a环形凹槽，喷管侧壁上设有与a环形凹槽适配的b环形凹槽，弹簧卡圈卡接在a环形凹槽与b环形凹槽之间。弹簧卡圈使喷头套管不能沿喷管的轴线移动，而只能沿喷管的轴线转动，从而保证了喷灌系统运行的稳定。

进一步的，所述喷头套管侧壁上分别设有位于套管齿轮上方的弹簧卡圈、位于套管齿轮下方的弹簧卡圈。在套管齿轮的上方与下方分别设置有弹簧卡圈，有利于进一步的保证喷头套管仅能沿喷管的轴线转动。

进一步的，所述喷头尾部与水平面之间夹角30°≤α≤80°，能够实现喷灌面积区域的有效喷灌。

进一步的，所述齿轮泵与电液比例减压阀之间设有溢流阀，溢流阀能够控制喷灌系统的最高压力，防止喷灌系统的压力超过齿轮泵的额定压力而引起喷灌系统的损坏。

一种适合多种异形面积的园林喷灌系统的控制方法，将所述喷头套管设置在待喷灌面积区域的边界曲线的中心，喷头套管中喷射的液体以辐射状喷灌覆盖待喷灌面积区域，或喷头套管中喷射的液体以同心边界曲线环状喷灌覆盖待喷灌面积区域。

进一步的，所述喷头套管中喷射的液体以辐射状喷灌覆盖待喷灌面积区域的方法包括以下步骤：

步骤s1、根据待喷灌面积区域的形状建立坐标系，测量得到待喷灌面积区域的边界曲线，计算得到待喷灌面积区域的几何中心为o，将喷头套管布置在几何中心o处；

步骤s2、控制电液比例减压阀的压力，使液体从喷头套管处喷灌至边界曲线处；

步骤s3、控制步进电机使喷头套管旋转角度，同时控制电液比例减压阀的压力，使液体再次从喷头套管处喷灌至边界曲线处，直至喷头套管旋转360°。

进一步的，所述喷头套管中喷射的液体以同心边界曲线环状喷灌覆盖待喷灌面积区域的方法是替换步骤s2、步骤s3为步骤s4、步骤s5：

步骤s4、将待喷灌面积区域划分为a同心边界曲线、b同心边界曲线、边界曲线，同时控制电液比例减压阀与步进电机，使液体从喷头套管处以恒定的压力喷灌至a同心边界曲线处，且同时控制步进电机使喷头套管旋转角度；

步骤s5、控制电液比例减压阀，使喷头套管处的液体压力增大，并以增大后恒定的压力喷灌至b同心边界曲线处，且同时控制步进电机使喷头套管旋转角度，直至喷头套管喷灌到达边界曲线处。

进一步的，对待喷灌面积区域的边界曲线进行微分处理，具体包括以下步骤：

步骤s6、取边界曲线与x轴正方向交点为初始起点a点，并沿边界曲线依次设有b点、c点，直到n点，且取b点与x轴正方向的增量为△x，依次得出a点、b点、c点、n点与几何中心的距离值分别为la0、lb0、lc0、ln0；

步骤s7、取喷头套管从a点转到b点、b点转到c点、c点转到n点时的旋转角度值依次为αa、αb、αn；

步骤s8、根据伯努利原理计算出液体到达a点、b点、c点、n点处时电液比例减压阀处的压力值分别为pa、pb、pc、pn；

步骤s9、将距离值、角度值、压力值进行组合依次得到对应点位的三维数据值为a点（la0、αa、pa）、b点（lb0、αb、pb）、c点（lc0、αc、pc）、n点（ln0、αn、pn）；

步骤s10、控制电液比例减压阀与步进电机分别达到各点位的三维数据值。

进一步的，所述步骤s9中依次加入时间参数t并对应各点三维数据为a点（la0、αa、pa、ta）、b点（lb0、αb、pb、tb）、c点（lc0、αc、pc、tc）、n点（ln0、αn、pn、tn），控制电液比例减压阀的喷灌时间，控制步进电机的转动时间。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

（1）本发明，能够实现不规则喷灌区域的喷灌，并且使喷灌区域能够被精确控制；

（2）本发明，能够控制对某点的喷灌水量，从而能够适应对同一园林区域的不同植物的喷灌要求；

（3）本发明，相对于传统的喷灌装置更节水。

附图说明

图1为喷头套管的剖视图；

图2为套管齿轮与主动齿轮的连接结构示意图；

图3为喷头套管与弹簧卡圈的连接结构示意图；

图4为弹簧卡圈的结构示意图；

图5为一种适合多种异形面积的园林喷灌系统及控制方法液压原理图；

图6为一种适合多种异形面积的园林喷灌系统的控制方法原理图；

其中：1—水箱，2—齿轮泵，3—电液比例减压阀，4—溢流阀，5—弹簧卡圈，6—喷头套管，7—主动齿轮，8—步进电机，9—套管齿轮，10—电机底座，11—底座螺栓，12—喷管，13—a同心边界曲线，14—b同心边界曲线，15—边界曲线。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

一种适合多种异形面积的园林喷灌系统及控制方法，如图1至图6所示，包括水箱1、齿轮泵2、电液比例减压阀3、步进电机8以及喷管12，将所述齿轮泵2放置于水箱1中，使齿轮泵2的输出端与电液比例减压阀3的输入端相连接，电液比例减压阀3的输出端与喷管12固定连接，且在喷管12上设置喷头套管6，使喷头套管6套接在喷管12上，所述喷头套管6上设有套管齿轮9，所述步进电机8的输出轴连接有主动齿轮7，将套管齿轮9与主动齿轮7啮合连接。

使用时，根据待喷灌面积区域，建立坐标系，测量得到待喷灌面积区域的边界曲线函数，并计算得到该面积区域的几何中心，将喷头套管6布置在几何中心处，启动步进电机8，使主动齿轮7带动套管齿轮9转动，从而带动喷头套管6转动。

实施例2：

本实施例在上述实施例基础上做进一步优化，如图1至图6所示，进一步地，通过计算机或其他控制器控制电液比例减压阀3，使电液比例减压阀3对液体的压力进行控制，以使喷头套管6中喷出的液体从上述几何中心处喷灌至边界曲线的边界位置处，或从边界曲线的边界位置处喷灌至上述几何中心处，以实现上述几何中心处与边界曲线的边界位置处之间的植物的喷灌。

当一组几何中心处与边界曲线的边界位置处之间的植物喷灌结束后，通过计算机或其他控制器控制步进电机8，使喷头套管6转动一定的角度，从而进行下一组几何中心处与边界曲线的边界位置处之间的植物喷灌，重复所述步骤即可完成不规则喷灌区域的精确喷灌。

实施例3：

本实施例在上述实施例基础上做进一步优化，如图1至图6所示，进一步地，通过计算机或其他控制器同时控制电液比例减压阀3与步进电机8，电液比例减压阀3对液体的压力进行控制，步进电机8对喷头套管6的旋转角度进行控制，使喷头套管6中喷出的液体绕上述几何中心呈边界曲线的同心曲线旋转，当一组同心曲线上的植物喷灌结束后，电液比例减压阀3使液体压力增大，进行下一组同心曲线上的植物喷灌，直至到达边界曲线为止，从而实现对不规则喷灌区域的精确喷灌。

实施例4：

本实施例在上述实施例基础上做进一步优化，如图1至图6所示，进一步地，本发明还设置有弹簧卡圈5，所述喷头套管6的侧壁上设有a环形凹槽，喷管12的侧壁上设有与a环形凹槽适配的b环形凹槽，将弹簧卡圈5卡接在a环形凹槽与b环形凹槽之间，并且在上述套管齿轮9的上方与下方分别设有弹簧卡圈5。弹簧卡圈5能够使喷头套管6不能沿喷管12的轴线移动，而只能沿喷管12的轴线转动，从而保证了喷灌系统运行的稳定。

实施例5：

本实施例在上述实施例基础上做进一步优化，如图1至图6所示，进一步地，所述喷头套管6的尾部与水平面之间夹角为30°≤α≤80°，其中尤其以45°≤α≤60°之间为最佳。

根据实际测试，最佳角度为45°。

根据物理知识：vt=v0+at

其中vt为运动速度，v0为初始速度，a为加速度，t为时间；

将初始速度v0分解为竖直方向速度vv与水平方向速度vh，且设v0与vh之间夹角为β，即可得：

vv=v0·sinβ，vh=v0·cosβ

取vv=0，a=g（重力加速度）时，可得t=v0·sinβ/g

则喷头套管6能够喷射的距离l=vh·t=（v0·cosβ·v0·sinβ）/g

因此，当β取45°时，喷射距离最远，也就是喷头套管6与水平面夹角为45°时，喷头套管6内的液体喷射距离最远。

实施例6：

本实施例在上述实施例基础上做进一步优化，如图1至图6所示，进一步地，所述齿轮泵2与电液比例减压阀3之间设有溢流阀4，溢流阀4能够控制喷灌系统的最高压力，防止喷灌系统的压力超过齿轮泵2的额定压力而引起喷灌系统的损坏。

实施例7：

本实施例在上述实施例基础上做进一步优化，如图1至图6所示，进一步地，所述步进电机8底部设有电机底座10，且电机底座10上设有底座螺栓11，步进电机8能够通过底座螺栓11安装在电机底座10上，从而保证进步电机8的稳定运行。

实施例8：

本实施例在上述实施例基础上做进一步优化，如图1至图6所示，进一步地，作为一种实施方案，所述喷头套管6中喷射的液体以辐射状喷灌覆盖待喷灌面积区域，其具体方法包括以下步骤：

步骤s1、根据待喷灌面积区域的形状建立坐标系，测量得到待喷灌面积区域的边界曲线15，计算得到待喷灌面积区域的几何中心为o，将喷头套管6布置在几何中心o处；

步骤s2、控制电液比例减压阀3的压力，使液体从喷头套管6处喷灌至边界曲线15处，能够实现几何中心o处与边界曲线15之间的植物被完全喷灌；

步骤s3、控制步进电机8使喷头套管6旋转角度，以进行下一个角度时几何中心o处与边界曲线15之间的植物的喷灌，同时控制电液比例减压阀3的压力，使液体再次从喷头套管6处喷灌至边界曲线15处，这样反复循环，直至喷头套管6旋转360°，即可实现整个待喷灌面积区域中植物的喷灌；

步骤s6、取边界曲线15与x轴正方向交点为初始起点a点，并沿边界曲线15依次设有b点、c点，直到n点，且取b点与x轴正方向的增量为△x，依次得出a点、b点、c点、n点与几何中心的距离值分别为la0、lb0、lc0、ln0；

步骤s7、取喷头套管6从a点转到b点、b点转到c点、c点转到n点时的旋转角度值依次为αa、αb、αn；

步骤s8、根据伯努利原理计算出液体到达a点、b点、c点、n点处时电液比例减压阀3处的压力值分别为pa、pb、pc、pn；

步骤s9、将距离值、角度值、压力值进行组合依次得到对应点位的三维数据值为a点（la0、αa、pa）、b点（lb0、αb、pb）、c点（lc0、αc、pc）、n点（ln0、αn、pn）；

步骤s10、控制电液比例减压阀3与步进电机8分别达到各点位的三维数据值。

实施例9：

本实施例在上述实施例基础上做进一步优化，如图1至图6所示，进一步地，作为另一种实施方案，所述喷头套管6中喷射的液体以同心边界曲线环状喷灌覆盖待喷灌面积区域，其具体方法包括以下步骤：

步骤s1、根据待喷灌面积区域的形状建立坐标系，测量得到待喷灌面积区域的边界曲线15，计算得到待喷灌面积区域的几何中心为o，将喷头套管6布置在几何中心o处；

步骤s4、将待喷灌面积区域划分为a同心边界曲线13、b同心边界曲线14、边界曲线15，同时控制电液比例减压阀3与步进电机8，使液体从喷头套管6处以恒定的压力喷灌至a同心边界曲线13处，且同时控制步进电机8使喷头套管6旋转角度，这样能够使喷头套管6先喷灌完a同心边界曲线13内的植物；

步骤s5、控制电液比例减压阀3，使喷头套管6处的液体压力增大，并以增大后恒定的压力喷灌至b同心边界曲线14处，且同时控制步进电机8使喷头套管6旋转角度，这样能够使喷头套管6继续喷灌完a同心边界曲线13与b同心边界曲线14之间的植物，直至喷头套管6喷灌到达边界曲线15处，即可实现整个待喷灌面积区域中植物的喷灌；

步骤s6、取边界曲线15与x轴正方向交点为初始起点a点，并沿边界曲线15依次设有b点、c点，直到n点，且取b点与x轴正方向的增量为△x，依次得出a点、b点、c点、n点与几何中心的距离值分别为la0、lb0、lc0、ln0；

步骤s7、取喷头套管6从a点转到b点、b点转到c点、c点转到n点时的旋转角度值依次为αa、αb、αn；

步骤s8、根据伯努利原理计算出液体到达a点、b点、c点、n点处时电液比例减压阀3处的压力值分别为pa、pb、pc、pn；

步骤s9、将距离值、角度值、压力值进行组合依次得到对应点位的三维数据值为a点（la0、αa、pa）、b点（lb0、αb、pb）、c点（lc0、αc、pc）、n点（ln0、αn、pn）；

步骤s10、控制电液比例减压阀3与步进电机8分别达到各点位的三维数据值。

实施例10：

本实施例在上述实施例基础上做进一步优化，如图1至图6所示，进一步地，设a点坐标为xa，a点与坐标原点距离为la0，xa在x轴上，则f（x）=0；设b点相对于a点x坐标增量为△x，则b点坐标为xb=xa-△x，yb=f（xb），能够得到b点到坐标原点距离为lb0，直到计算出n点到坐标原点距离为ln0，因此能够得到a点、b点、c点、n点与几何中心的距离值分别为la0、lb0、lc0、ln0。

实施例11：

本实施例在上述实施例基础上做进一步优化，如图1至图6所示，进一步地，设a点与b点之间夹角为∠aob，则能/够得出∠aob=arctan（xb/yb），即得到αa，同理能够得到αb、αn。

实施例12：

本实施例在上述实施例基础上做进一步优化，如图1至图6所示，进一步地，根据伯努利原理，假设电液比例减压阀3处为1截面，喷头套管6出口位置为2截面，且1截面处的重力势能为z1，2截面处的重力势能为z2，且z1=z2，2截面处的压力p2=0，2截面处的速度u2≥1截面处的速度u1，通过z1+p1/（ρg）+u1²/2g=z2+p2/（ρg）+u2²/2g，能够得出：p1=ρ·u2²/2。

因此，通过上述p1的计算方法能够得到电液比例减压阀3处的压力值分别为pa、pb、pc、pn。

当控制电液比例减压阀3与步进电机8分别达到各点位的三维数据值时，即可成功实现不规则喷灌区域的精确喷灌。

实施例13：

本实施例在上述实施例基础上做进一步优化，如图1至图6所示，进一步地，通过对电液比例减压阀3与步进电机8加入时间控制参数，控制喷头套管6在每一增量转角处的停滞时间，能够达到控制每一点的喷灌液体量的目的，从而实现适应对同一园林区域的不同植物的喷灌要求的目的。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。