一种梯田果园风送式变量对靶喷雾机及对靶喷雾方法与流程

本发明属于农林机械技术领域，具体涉及一种梯田果园风送式变量对靶喷雾机及对靶喷雾方法。

背景技术：

林果业是中国现代农林业的重要组成部分，截止2013年底，全国果园种植面积达1280万hm²，产量达1.5亿t，对应的果园病虫害防治成为果园管理中最重要、也是最费时费工的一项作业。农药的使用在果树的病虫害防治中起着重要的作用，目前是不可替代的。果园病虫害防治以喷施化学药剂为主，然而在传统树木病虫害防治的农药喷雾技术中，喷头与目标树木间的喷雾距离调整的精度很低，导致雾滴在树木冠层内部不同区域分布不均匀。对靶喷雾技术是实现精确施药的一种重要技术方式，它根据探测获得的树木冠层形貌信息，自动调节喷雾系统达到理想的喷雾距离，进行对靶喷雾作业，以提高雾滴在树木冠层分布的均匀性和农药施用效率。

对靶喷雾技术有助于提高农药利用率、降低农药残留和减少环境污染。因此，研究能够根据果树树冠和株距不统一的特点而采取果树仿形对靶可变量喷雾，从而有效的提高农药利用率、降低其使用量，是解决果树病虫害防治中农药喷施的关键性问题。果树三维信息采集与识别方法研究及果树精确对靶可变量喷雾技术是果树仿形喷雾的关键技术，目前国内外在智能仿形喷雾技术方面都在积极的研究发展。

国内外现有研究中，基于红外线、图像识别及超声波雷达探测等技术的对靶变量喷雾机易受环境的影响。而激光雷达探测技术作为一种快速、高精度的检测手段，能够精准识别植株目标的特征，将其与变量风送喷雾机相结合，能够准确识别目标特征，进行精确变量喷雾作业，提高农药有效利用率及减少农药对环境的污染。

中国专利(cn110388225a)公开了一种红外线随机感应喷雾降尘系统，通过将外传感器、处理器、can控制器、can收发器和光电隔离器组成的检测系统，利用红外传感器和压力传感器接收信号从而判断喷雾时间和喷雾量；此系统对于田间果园植株的喷雾检测效果不佳、适应性不强，识别效果也不够精准。中国专利(cn110463672a)公开了基于单片机的果园的自动喷雾系统，将拉线传感器和红外转换器与单片机相连接，电磁阀、调控机构和喷杆摆动机构设置在单片机的输出端，并与喷嘴连接，以达到农药利用率提高，降低劳动强度的目的；但是该专利并未详细介绍调控机构以及喷杆摆动机构的具体设计。中国专利(cn104996387a)公开了一种手推式风送喷雾机，采用人工手推车进行喷雾作业，采用电池组供电给隔膜泵，此种小型喷雾机用于茶园的病虫害防治；因此对于大规模种植的果园来说喷雾量和喷雾效果均不适合，且人力成本较高。

目前对于起伏不平整的山地果园情况，需要研制一种高效的对靶喷雾设备；要求喷雾机需具有较好的通过性能和爬坡能力，现有技术中，喷雾机的载具多选用履带式底盘载具；另外，从解放劳动力的方面来考虑应往自动化、智能化方面发展。

技术实现要素：

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种梯田果园风送式变量对靶喷雾机及对靶喷雾方法，有利于提高山地果园果树的药液分布均匀性和精确性，提高施药效率，减轻作业者劳动强度。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种梯田果园风送式变量对靶喷雾机，包括行进系统、导航探测控制系统和风送式对靶喷雾系统；

所述行进系统包括履带式底盘及安装在履带式底盘上部的承载机架，承载机架前端安装前驾驶台，承载机架后部安装喷雾设备安装支架，喷雾设备安装支架上设有汽油发电机和总电控箱；

所述导航探测控制系统包括激光雷达和gps组合导航设备，激光雷达安装在前驾驶台前端，gps组合导航设备设置在承载机架上；所述导航探测控制系统与工控机进行通信；

所述风送式对靶喷雾系统包括安装在不同高度的上部风送式喷雾机和下部风送式喷雾机，所述风送式喷雾机的喷头与隔膜泵连通，隔膜泵与大药箱连通；所述风送式喷雾机与总电控箱的控制芯片进行通信，控制芯片与工控机进行通信。

上述技术方案中，所述风送式喷雾机包括电动伸缩杆、弓形安装支架、离心式风机、中间风筒和前出风口；所述电动伸缩杆末端通过电动转盘设置在喷雾设备安装支架上端，电动伸缩杆上端固定弓形安装支架，弓形安装支架与电动伸缩杆之间设有开设限位孔的圆盘，限位孔与电动转盘上的限位器配合；弓形安装支架顶端固定离心式风机外筒，离心式风机外筒与中间风筒一端固连为一体，中间风筒另一端固定前出风口，前出风口外侧设有喷头；弓形安装支架一侧固定转动控制电箱，转动控制电箱一侧固定旋转连接块，旋转连接块转动连接连杆一端，连杆另一端与曲柄固定连接，曲柄末端固定在离心式风机外筒上。

上述技术方案中，所述喷头安装在喷头安装杆上，喷头安装杆固定在固定贴片上，固定贴片固定在前出风口边缘两侧。

上述技术方案中，所述喷头的喷雾角度和前出风口中心面的夹角为0-60°。

一种梯田果园风送式变量对靶喷雾机的对靶喷雾方法，梯田果园风送式对靶喷雾机工作，激光雷达采集作业对象果树的点云数据并发送给工控机，计算出喷雾延迟时间、植株高度和树冠体积；控制芯片根据喷雾延迟时间调控离心式风机的电机启动，控制芯片再根据植株高度调整风机的电机转速，从而调整雾滴风送距离；工控机根据树冠体积和植株高度，生成电动升缩杆、转动控制电箱的动作指令并发送给控制芯片，调节喷雾高度和喷雾垂直方向角度；gps组合导航设备确定喷雾机的实时姿态俯仰角信息，工控机将gps组合导航设备获取的信息和激光雷达采集的点云数据进行融合处理，并将处理结果发送至控制芯片，控制芯片控制履带式底盘的伺服电机，规划行进路径。

进一步，所述电机转速包括上部风送式喷雾机的电机转速nt1和下部风送式喷雾机的电机转速nt2，电机转速n与风机风速v之间满足由风机风速调整雾滴风送距离；所述其中h1为坡下植株高度，h2为坡上植株高度，hs、hx分别表示上部风送式喷雾机轴承座中心距离地面高度、下部风送式喷雾机轴承座中心距离地面高度，h为坡高，nmin1、nmin2是作业植株最小覆盖范围下的风机转速，n的范围为[1600，2500]。

更进一步，所述nmin1、nmin2根据如下关系确定：

其中a为对靶喷雾机中间位置距离坡下植株树干的水平距离，b为对靶喷雾机中间位置距离坡上植株树干的水平距离，且0≤|a-b|≤0.15m。

更进一步，所述喷雾高度和喷雾垂直方向角度根据如下公式调节：

上部风送式喷雾机：

下部风送式喷雾机：

其中α1为上部风送式喷雾机的喷雾垂直方向角度，α2为下部风送式喷雾机的喷雾垂直方向角度，l1为上部风送式喷雾机的电动推杆伸缩量，l2为下部风送式喷雾机的电动推杆伸缩量。

更进一步，所述gps组合导航设备获取的信息和激光雷达采集的点云数据融合处理，具体为：

其中，s1、s2、s3、s4、s5、s6分别表示激光雷达扫至坡下植株顶端、坡下植株下端、下坡面、上坡面、坡上植株下端、坡上植株顶端极限范围的激光线长度，j、y、g、m、r分别表示s1s2、s2s3、s3s4、s4s5、s5s6两激光线之间的夹角，d为对靶喷雾机中间位置到坡面边界的距离，f为坡上植株中心与坡面边界的距离。

本发明的有益效果为：

(1)本发明的梯田果园风送式变量对靶喷雾机包括安装在不同高度的上部风送式喷雾机和下部风送式喷雾机，梯田果园风送式变量对靶喷雾机工作时，激光雷达采集作业对象果树的点云数据，工控机根据点云数据得到喷雾延迟时间、植株高度和树冠体积，控制芯片根据植株高度调整风机的电机转速，从而调整雾滴风送距离，工控机根据树冠体积和植株高度，调节喷雾高度和喷雾垂直方向角度，提高药液分布的均匀性和施药效率；

(2)本发明的梯田果园风送式变量对靶喷雾机工作时，gps组合导航设备确定喷雾机的实时姿态俯仰角信息，工控机将gps组合导航设备获取的信息与激光雷达采集的点云数据进行融合处理，控制芯片由处理结果控制履带式底盘，规划行进路径，实现对靶喷雾机施药的精确性。

附图说明

图1为本发明所述梯田果园风送式喷雾机的结构示意图；

图2为本发明所述风送式喷雾机结构示意图，图2(a)为本发明所述风送式喷雾机侧视图，图2(b)为本发明所述风送式喷雾机主视图；

图3为本发明所述连杆与曲柄连接结构示意图；

图4为本发明所述可调节安装板结构示意图；

图5为本发明所述喷头安装示意图；

图6为本发明所述梯田果园风送式对靶喷雾机的对靶喷雾方法流程图；

图7为本发明所述风送式喷雾机对靶喷雾示意图；

图8为本发明所述gps组合导航设备获取的信息和激光雷达采集的点云数据融合处理示意图；

图中：1-激光雷达，2-前驾驶台，3-可调角度支架，4-导航设备安装架，5-主天线，6-从天线，7-大药箱，8-上部风送式喷雾机，9-下部风送式喷雾机，10-喷雾设备安装支架，11-隔膜泵，12-总电控箱，13-伺服电机，14-汽油发电机，15-履带式底盘，16-工控机，17-触摸显示屏，801-电动伸缩杆，802-限位器，803-弓形安装支架，804-转动控制电箱，805-旋转连接块，806-连杆，807-曲柄，808-轴承座，809-离心式风机外筒，810-离心式风机罩，811-离心式风机叶片，812-中间风筒，813-前出风口，814-固定贴片，815-喷头安装杆，816-喷头。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，一种梯田果园风送式变量对靶喷雾机，包括行进系统、导航探测控制系统和风送式对靶喷雾系统。

行进系统包括履带式底盘15、承载机架和前驾驶台2，承载机架安装在履带式底盘15上部，且前驾驶台2安装在承载机架前端，前驾驶台2前端固定安装立杆，前驾驶台2上还设有可调角度支架3；承载机架后部安装喷雾设备安装支架10，喷雾设备安装支架10上安装汽油发电机14和总电控箱12；汽油发电机14用于提供整机所需电源，汽油发电机14通过电压转换装置将产生的电压转换至各设备所需电压值，激光雷达1、工控机16、触摸显示屏17和gps组合导航设备通过usb线与电压转换装置输出端连接，驱动履带式底盘15的伺服电机13通过电源线与电压转换装置输出端连接，隔膜泵11通过电源线与电压转换装置输出端连接，上部风送式喷雾机8、下部风送式喷雾机9通过电源线与电压转换装置输出端连接；这种混合动力的供电方式相对于单一的蓄电池供电更加地稳定可靠，还保证了有效的工作时长；总电控箱12用于控制电压转换装置与各设备之间的通断。

与工控机16通过串口通信的导航探测控制系统包括激光雷达1、gps组合导航设备和触摸显示屏17；激光雷达1通过可调节安装板固定在安装立杆上(图4)；gps组合导航设备包括主天线5、从天线6、基站电台和信号接收机，主天线5和从天线6安装在导航设备安装架4上，导航设备安装架4设置前驾驶台2后部的承载机架上，主天线5和从天线6的安装平面距离承载机架上端的竖直高度为1500mm，作为导航信息接受采集主要设备的基站电台和信号接收机安装在承载机架上(图中未标出)，且信号接收机与工控机16信号连接；触摸显示屏17设置在可调角度支架3上；激光雷达1为三维激光雷达，可扫描角度为270°，其中90°扫描盲区朝上，本实施例中激光雷达1在竖直方向上距离水平地面1000-1500mm，在水平方向上与上部风送式喷雾机8底部中心距离2200mm。

风送式对靶喷雾系统包括两个具有相同功能的风送式喷雾机：分别安装在不同高度的上部风送式喷雾机8和下部风送式喷雾机9，用于适应梯田果园植株种植平面高度不同的情况；风送式对靶喷雾系统作业时还包括设置在承载机架上的大药箱7、药液输送管路(附图中未标出)以及泵送药液至喷雾管路的隔膜泵11。

本发明中上部风送式喷雾机8和下部风送式喷雾机9的设计及功效均相同，下面以上部风送式喷雾机8为例，具体介绍风送式喷雾机的结构；如图2(a)、(b)所示，上部风送式喷雾机8包括电动伸缩杆801、弓形安装支架803、离心式风机外筒809、中间风筒812和前出风口813；电动伸缩杆801末端通过电动转盘设置在喷雾设备安装支架10上端，电动伸缩杆801、电动转盘均由总电控箱12中的控制芯片控制(控制芯片与工控机16进行串口通信)，电动转盘上固定限位器802，电动伸缩杆801上端固定弓形安装支架803，电动伸缩杆801上端与弓形安装支架803之间设有一侧面开设限位孔的圆盘，限位孔与限位器802配合，在电动转盘的带动下，实现离心式风机外筒809在圆周方向的旋转，旋转角度相对于车体垂直方向在[-30°，30°]之间(为现有技术)；弓形安装支架803顶端设有轴承座808，用于固定离心式风机外筒809，离心式风机外筒809与中间风筒812一端固连为一体，中间风筒812另一端固定前出风口813；前出风口813边缘两侧固定有固定贴片814，固定贴片814通过螺栓螺母固定喷头安装杆815，喷头安装杆815上均匀安装若干喷头816，喷头816的喷雾角度和前出风口813中心面的夹角为0-60°，喷头816通过喷雾管路与隔膜泵11连通，隔膜泵11通过药液输送管路与大药箱7连通；在本实施例中，喷头816的个数优选为3个，喷头816的安装角度与前出风口中心面设置为15°，即两侧喷头的喷雾方向连线夹角为30°(图5)；离心式风机外筒809尾端设有离心式风机罩810，离心式风机外筒809内部设有离心式风机叶片811，离心式风机叶片811与电机输出轴连接，电机安装在离心式风机外筒809内部贯穿式横梁上，且电机由控制芯片控制；如图3所示，弓形安装支架803一侧固定转动控制电箱804，转动控制电箱804一侧固定旋转连接块805，旋转连接块805转动连接连杆806一端，连杆806另一端与曲柄807固定连接，曲柄807末端固定在离心式风机外筒809上；转动控制电箱804由总电控箱12中的控制芯片控制。

如图6所示，梯田果园风送式变量对靶喷雾机工作时，进入梯田果园工作区域，开始启动汽油发电机14，然后开启伺服电机13和隔膜泵11，同步开启激光雷达1、gps组合导航设备、工控机16和触摸显示屏17。

履带式底盘15在行走的过程中，激光雷达1采集作业对象果树的点云数据并发送给工控机16，计算出喷雾延迟时间、植株高度和树冠体积；控制芯片根据喷雾延迟时间调控离心式风机的电机启动，控制芯片还根据植株高度调整风机的电机转速，从而调整雾滴风送距离；

上部风送式喷雾机8的电机转速下部风送式喷雾机9的电机转速且电机转速nt1、nt2均在[1600，2500]范围内，电机转速与风机风速之间满足n为风机转速(r/min)，由风机风速v调整雾滴风送距离；如图7所示，h1为坡下植株高度，h2为坡上植株高度，hs、hx分别表示上部风送式喷雾机8轴承座中心距离地面高度、下部风送式喷雾机9轴承座中心距离地面高度，h为坡高，nmin1、nmin2是作业植株最小覆盖范围下的风机转速，可以由控制芯片确定，具体为：

其中：a为对靶喷雾机中间位置距离坡下植株树干的水平距离，b为对靶喷雾机中间位置距离坡上植株树干的水平距离，且0≤|a-b|≤0.15m；

工控机16根据树冠体积和植株高度，生成电动升缩杆802、转动控制电箱804的动作指令并通过串口发送给控制芯片，即根据动作指令调节喷雾高度、喷雾垂直方向角度；具体为：

上部风送式喷雾机8的调节公式为：

下部风送式喷雾机9的调节公式为：

其中：α1为上部风送式喷雾机8的喷雾垂直方向角度，α2为下部风送式喷雾机9的喷雾垂直方向角度，且喷雾角度的范围是[-15°，15°]；l1为上部风送式喷雾机8的电动推杆伸缩量，l2为下部风送式喷雾机9的电动推杆伸缩量。

与此同时，gps组合导航设备确定喷雾机的实时姿态俯仰角信息，并传输至工控机16，工控机16将gps组合导航设备获取的信息和激光雷达1采集的点云数据进行融合处理，并将处理后的信息发送至控制芯片，控制芯片将动作指令反馈至履带式底盘15的伺服电机13驱动器，达到规划行进路径的目的。

如图8所示，gps组合导航设备获取的信息和激光雷达1采集的点云数据融合处理，具体为：

式中，s1、s2、s3、s4、s5、s6分别表示激光雷达1扫至坡下植株顶端、坡下植株下端、下坡面、上坡面、坡上植株下端、坡上植株顶端极限范围的激光线长度，激光线长度由激光雷达扫描植株得到植株各位置的空间坐标，并与gps组合导航设备确定的位置信息融合计算得到；j、y、g、m、r分别表示s1s2、s2s3、s3s4、s4s5、s5s6两激光线之间的夹角，各夹角根据激光雷达内部不同发射角度的激光线与gps组合导航设备获取的喷雾机实时姿态俯仰角度信息进行融合处理得到；d为对靶喷雾机中间位置到坡面边界的距离，f为坡上植株中心与坡面边界的距离；

若a＜b，则给底盘调控指令向前进方向右侧偏转，相反则向左侧偏转。

上述过程中，触摸显示屏17实时显示激光雷达1扫描作业周围环境后处理得到的点云数据、gps组合导航行进路径图和俯仰姿态角信息以及数据融合处理界面。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。