基于机器视觉的纯电动地隙可调式变量喷药机的制作方法

本发明涉及农用植保机械技术领域，特别是涉及一种基于机器视觉的纯电动地隙可调式变量喷药机。

背景技术：

农作物病虫害是影响农业生产的重要生物灾害，据统计，因病虫害防治不足，我国每年造成的粮食作物产量损失达10％以上；农药防治、机械施药是病虫害防治的主要手段，然而，目前我国的植保机械中手动和小型机动喷雾机保有量高达98.60％，施药机械和农药使用技术的严重落后导致我国受农药污染的耕地面积高达1300～1600万hm²，农产品品质下降、作业产量和质量难以得到保障，水土资源严重污染。

近年来，车载式精准施药技术和装备的研究取得了巨大进展，有效控制了农药使用量并降低了农药残留，但对于水稻和高秆玉米等作物，车载式施药装备难以进入作业，其病虫害防治依然艰难。因此，高地隙喷药机能有效地解决高秆作物施药难、病虫害防治效果差、农药利用率低等问题。

目前，高地隙喷药机多采用提升喷杆桁架亦或是采用液压驱动调整驾驶室的垂直升降以适应不同高度作物的喷施要求，然而，喷药机驾驶室重量大，整体重心偏高，恶劣路况通过性差，且液压驱动中，压力损失大，喷药机功率有效利用率低，液压元件和管道易泄露，影响运动的平稳性和正确性，并造成环境污染等。

根据病虫害在田间农作物上分布的不一致性，农药的变量喷施作业是通过获得农田病虫害的差异性信息，根据不同区域的具体情况进行变量喷药，从而提高农药利用率、降低作业成本、减轻环境污染。目前，基于全球定位系统(gps)和地理信息系统(gis)的变量喷施，需要在喷施作业之前进行田间作业处方图的制作，由于时空差异，变量喷施的准确性较差；而常用的根据行走速度进行变量喷药也无法实现依据农作物生长情况按需喷施。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种基于机器视觉的纯电动地隙可调式变量喷药机，旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于机器视觉的纯电动地隙可调式变量喷药机，包括：行走装置、支撑装置、视觉装置、主控单元以及变量喷药装置；所述支撑装置可升降地安装于所述行走装置上，所述视觉装置和所述变量喷药装置均安装于所述支撑装置上，所述视觉装置、所述行走装置以及所述变量喷药装置均与所述主控单元连接，所述主控单元接收并处理所述视觉装置发送的信息，生成不同的控制指令并分别发送至所述行走装置和所述变量喷药装置，所述行走装置和所述变量喷药装置分别基于所述控制指令进行相应的动作。

其中，所述行走装置包括导向单元以及驱动单元；所述驱动单元包括轮毂电机和驱动轮；所述导向单元包括导向轮、导向齿轮、导向动力部件以及导向支承件，所述导向齿轮与所述导向支承件啮合，所述导向动力部件用于驱动所述导向齿轮转动以使所述导向齿轮绕所述导向支承件周向转动，所述导向支承件带动所述导向轮转向；所述轮毂电机和所述导向动力部件均与所述主控单元连接。

其中，所述支撑装置与所述行走装置之间设置有升降单元，通过所述升降单元的动作以控制所述支撑装置与所述行走装置之间的相对距离，且所述升降单元与所述主控单元连接。

其中，所述支撑装置与所述行走装置之间还设置有剪叉式连杆机构，所述剪叉式连杆机构包括交错设置的第一组连杆和第二组连杆，所述第一组连杆的一端与所述行走装置可滑动连接，所述第一组连杆的另一端通过铰链与所述支撑装置连接；所述第二组连杆的一端通过铰链与所述行走装置连接，所述第二组连杆的另一端与所述支撑装置可滑动连接。

其中，所述视觉装置包括图像获取单元和超声波传感器；所述图像获取单元和所述超声波传感器均与所述主控单元连接，所述图像获取单元获取的图像和所述超声波传感器检测的距离信号传输至所述主控单元，以便所述主控单元进行图像处理与数据分析。

其中，所述变量喷药装置包括隔膜泵、溢流阀、pwm控制器，压力传感器、流量传感器以及喷药单元；

所述隔膜泵的进液端与药箱相连通，所述隔膜泵的出液端连接有所述喷药单元，所述喷药单元包括多个喷头，所述隔膜泵的出液端和所述喷药单元之间依次连接有所述流量传感器和所述压力传感器；

所述溢流阀安装在连通所述药箱和所述隔膜泵的出液端的旁路上；所述pwm控制器与所述主控单元连接，所述pwm控制器作用于所述隔膜泵，所述pwm控制器通过输出脉宽可调的方波信号控制所述隔膜泵直流电机导通和关断时间，从而改变隔膜泵两端平均电压，调节所述喷头的流量。

其中，所述变量喷药装置还包括电动推杆以及喷杆，多个所述喷头均安装在所述喷杆上，所述喷杆与所述支撑装置铰接，所述电动推杆的动作端与所述喷杆连接，所述电动推杆的固定端与所述支撑装置连接。

其中，所述喷杆可伸缩式结构，所述喷杆包括外杆及套设在外杆内部，并可相对外杆来回伸缩的伸缩内杆，所述伸缩内杆与所述外杆连接处设置有定位锁紧件，通过所述定位锁紧件，可使伸出一定长度的所述伸缩内杆与所述外杆相互固定锁紧。

其中，所述喷杆的数量为两根，两根所述喷杆对称安装在所述支撑装置的两侧。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供的一种基于机器视觉的纯电动地隙可调式变量喷药机，通过视觉装置将田间作物的生长情况及病虫害信息拍摄成图像，远程传输到主控单元，主控单元将获取到的图像从多维颜色空间变换到一维灰度空间，再将一维灰度空间图像的像素点的灰度值设为0或者是255，使图像呈现出明显黑白效果，最后将图像滤波提取；主控单元控制行走装置进行相应的动作以到达指定的喷药位置，该视觉装置还能够实时检测作物高度，主控单元获取作物高度信息，支撑装置根据作物高度信息调整到合理的喷施高度，主控单元控制变量喷药装置变量喷药。该基于机器视觉的纯电动地隙可调式变量喷药机器通过检测作物高度与识别作物病虫害及其严重程度，实现变量喷施，提高农药利用率，降低环境污染；田间适应性强，实用价值高，制作成本低，易于广泛的推广应用。

附图说明

图1为本发明实施例一种基于机器视觉的纯电动地隙可调式变量喷药机的轴测图；

图2为本发明实施例一种基于机器视觉的纯电动地隙可调式变量喷药机的侧视图；

图中：1-药箱；2-电动推杆；3-升降单元；4-车体底盘；5-超声波传感器；6-驱动轮；7-轮毂；8-导向轮；9-导向齿轮；10-导向动力部件；11-剪叉式连杆机构；12-主控单元；13-图像获取单元；14-变量喷药装置；15-喷头；16-喷杆；17-支撑装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为本发明实施例一种基于机器视觉的纯电动地隙可调式变量喷药机的结构示意图，如图1所示，该基于机器视觉的纯电动地隙可调式变量喷药机包括：行走装置、支撑装置17、视觉装置、主控单元12以及变量喷药装置14；支撑装置17可升降地安装于行走装置上，视觉装置和变量喷药装置均安装于支撑装置17上，视觉装置、行走装置以及变量喷药装置14均与主控单元12连接，主控单元12接收并处理视觉装置发送的信息，生成不同的控制指令并分别发送至行走装置和变量喷药装置14，行走装置和变量喷药装置14分别基于控制指令进行相应的动作。

需要说明的是，该基于机器视觉的纯电动地隙可调式变量喷药机器通过视觉装置将田间作物的生长情况及病虫害信息拍摄成图像，远程传输到主控单元12，主控单元12将获取到的图像从多维颜色空间变换到一维灰度空间，再将一维灰度空间图像的像素点的灰度值设为0或者是255，使图像呈现出明显黑白效果，最后将图像滤波提取；主控单元控制行走装置进行相应的动作以到达指定的喷药位置，该视觉装置还能够实时检测作物高度，主控单元12获取作物高度信息，支撑装置17根据作物高度信息调整到合理的喷施高度，主控单元控制变量喷药装置14变量喷药。该基于机器视觉的纯电动地隙可调式变量喷药机器通过检测作物高度与识别作物病虫害及其严重程度，实现变量喷施，提高农药利用率，降低环境污染等；田间适应性强，实用价值高，制作成本低，易于推广应用。

进一步的，行走装置包括导向单元以及驱动单元；导向单元可提供转向驱动力，实现转向，驱动单元可提供驱动车轮的行走驱动力，实现行走。驱动单元包括轮毂电机和驱动轮6；轮毂电机转矩响应快，且结构简单可靠、载重能力高。导向单元包括导向轮8、导向齿轮9、导向动力部件10以及导向支承件，导向齿轮9与导向支承件啮合，导向动力部件用于驱动导向齿轮9转动以使导向支承件绕导向齿轮9周向转动，导向支承件带动导向轮8转向；轮毂电机和导向动力部件均与主控单元12连接。

在本实施例中，行走装置还包括车体底盘4，车体底盘4装有两个驱动轮6和两个导向轮8。两个驱动轮6对称安装在车体底盘4的两侧，且两个驱动轮6分别安装在两个轮毂7上，轮毂通过轮毂电机驱动，而该轮毂电机接受主控单元12发送的指令，并进行相应的动作。导向动力部件10为导向轮驱动电机，导向齿轮9安装在导向轮驱动电机的输出轴上，通过导向轮驱动电机带动导向齿轮9进行旋转，导向齿轮9带动与其啮合的导向支承件绕导向齿轮9周向转动，进而带动导向轮进行运动。其中，导向轮安装在导向轮支架上，导向支承件与导向轮支架连接。并且，导向轮驱动电机接受主控单元12发送的指令，并进行相应的动作。

进一步的，支撑装置17与行走装置之间设置有升降单元3，通过升降单元3的动作以控制支撑装置17与行走装置之间的相对距离，且升降单元3与主控单元12连接。

其中，升降单元3为升降电动推杆，升降电动推杆的电机接受主控单元12发送的指令，并进行相应的动作。升降电动推杆同时其中为支撑装置17提供支撑力以及改变支撑装置17高度的作用。在本实施例中安装有4个升降电动推杆，电动推杆的固定端安装于车体底盘4上，电动推杆的动作端安装于支撑装置17上。支撑装置17与车体底盘4平行布置。

图2为本发明实施例一种基于机器视觉的纯电动地隙可调式变量喷药机的侧视图，如图2所示，支撑装置17与车体底盘4之间还设置有剪叉式连杆机构11，剪叉式连杆机构11包括交错设置的第一组连杆和第二组连杆，第一组连杆的一端与车体底盘4可滑动连接，第一组连杆的另一端通过铰链与支撑装置17连接；第二组连杆的一端通过铰链与车体底盘4连接，第二组连杆的另一端与支撑装置17可滑动连接。

在本实施例中，第一组连杆和第二组连杆铰接，第一组连杆和第二组连杆构成的剪叉式机构11用来强化支撑装置17和车体底盘4之间的连接稳定性，剪叉式机构11能够为支撑装置17提供支撑力。

进一步的，视觉装置包括图像获取单元13和超声波传感器5；图像获取单元13和超声波传感器5均与主控单元12连接，图像获取单元13获取的图像和超声波传感器5检测的距离信号传输至主控单元12，以便主控单元12进行图像处理与数据分析。

在本实施例中，图像获取单元13为摄像机，在支撑装置17的前端位置安装三个摄像机，且摄像机的摄像头与支撑装置17所在平面成45°，摄像机将拍过的图像和超声波传感器5检测的距离信号传给主控单元12，以便主控单元12进行图像处理与数据分析。

进一步的，变量喷药装置14包括隔膜泵、溢流阀、pwm控制器，压力传感器、流量传感器以及喷药单元；

隔膜泵的进液端与药箱相连通，隔膜泵的出液端连接有喷药单元，喷药单元包括多个喷头，隔膜泵的出液端和喷药单元之间依次连接有流量传感器和压力传感器；

溢流阀安装在连通药箱和隔膜泵的出液端的旁路上；pwm控制器与主控单元12连接，接收主控单元发送的指令，pwm控制器作用于隔膜泵，pwm控制器通过输出脉宽可调的方波信号控制隔膜泵直流电机导通和关断时间，从而改变隔膜泵两端平均电压，调节喷头的流量。pwm控制器脉宽变化时，系统压力及流量均发生变化，通过流量传感器和压力传感器进行检测。

进一步的，变量喷药装置14还包括电动推杆2以及喷杆16，多个喷头15均安装在喷杆16上，喷杆16与支撑装置17铰接，电动推杆2的动作端与喷杆16连接，电动推杆2的固定端与支撑装置17连接。喷杆16的长度可根据实际需要进行设计，在本实施例中不做具体限定。

在本实施例中，电动推杆2可以使得喷杆16与支撑装置17垂直布置或者平行布置。超声波传感器安装在喷杆16上。

进一步的，喷杆16可伸缩式结构，喷杆16包括外杆及套设在外杆内部，并可相对外杆来回伸缩的伸缩内杆，伸缩内杆与外杆连接处设置有定位锁紧件，该定位锁紧件，可使伸出一定长度的伸缩内杆与外杆相互固定锁紧。

其中，喷杆16的数量为两根，两根喷杆对称安装在支撑装置17的两侧。喷杆16可以为矩形杆，矩形杆上设置有多个喷头，多个喷头沿矩形杆长度方向等间距设置在矩形杆上。

本发明实施例提供的基于机器视觉的纯电动地隙可调式变量喷药机器，通过摄像机将田间作物的生长情况及病虫害信息拍摄成图像，远程传输到主控单元，主控单元将图像从多维颜色空间变换到一维灰度空间，再将一维灰度空间图像的像素点的灰度值设为0或者是255，使图像呈现出明显黑白效果，最后将图像滤波提取以便控制喷药单元变量喷药；超声波传感器实时检测作物高度，主控单元实时采集作物高度信息，从而控制升降电动推杆进行垂直运动以使得支撑装置达到合理的喷施高度，主控单元输出开关信号控制电动推杆的运动，从而伸展或收缩喷杆；主控单元无线控制轮毂电机，实现驱动轮行走，与此同时主控单元控制导向轮驱动电机，实现导向轮的导向行走。

本发明实施例提供的基于机器视觉的纯电动地隙可调式变量喷药机器，可根据不同作物高度进行升降，并通过检测作物高度与识别作物病虫害及其严重程度，利用脉宽调制技术实现变量喷施，提高农药利用率，降低环境污染等；田间适应性强，实用价值高，制作成本低，易于广泛的推广应用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。