基于激光雷达探测作物特征的实时变量喷雾装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于农业植保机械领域，涉及一种喷杆喷雾机的喷雾量调节装置，特别涉及一种基于激光雷达探测作物特征的实时变量喷雾装置与方法。所述实时变量喷雾装置包括控制开关、变量施药主控单元、药液箱、过滤器、隔膜泵、调压阀、作物探测系统和变量喷洒系统；所述作物探测系统包括激光雷达和速度传感器；所述变量喷洒系统包括电磁阀驱动电路和电磁阀；本发明专利技术采用激光雷达扫描探测装置及变量喷洒装置，可根据田间作物特征进行喷洒量的改变，以提高农药有效利用率，降低施药过程中造成的农药浪费，减少施药过程中由于农药飘移造成的环境污染和对操作者的人身伤害。应用本发明专利技术的激光雷达扫描探测装置及变量喷洒装置，可减少农药使用量15％～20％。量15％～20％。量15％～20％。

【技术实现步骤摘要】
基于激光雷达探测作物特征的实时变量喷雾装置与方法


[0001]本专利技术属于农业植保机械领域，涉及一种喷杆喷雾机的喷雾量调节装置，特别涉及一种基于激光雷达探测作物特征的实时变量喷雾装置与方法。

技术介绍

[0002]喷雾是大田作物普遍采用的植保方式，植保机械中的喷杆喷雾机有作业效率高、防治效果好的特点。但目前的喷杆喷雾机多不具备变量施药功能，也不具备作物探测能力，难以实现按照作物生长状态进行变量施药，造成农药的不必要浪费。大田作物病虫害防治一般以预防性用药为主，在病虫害发生前或发生前期进行农药喷洒作业，此时病虫害症状不明显，难以按照病虫害发生分布情况进行变量作业，因此本专利技术基于作物生长状态进行变量施药，实现农药的按需施用。

技术实现思路

[0003]针对上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种基于激光雷达探测作物特征的实时变量喷雾装置与方法。采用激光雷达扫描探测装置及变量喷洒装置，可根据田间作物特征进行喷洒量的改变，以提高农药有效利用率，降低施药过程中造成的农药浪费，减少施药过程中由于农药飘移造成的环境污染和对操作者的人身伤害。
[0004]为了实现上述目的，本专利技术提供了如下技术方案：
[0005]一种基于激光雷达探测作物特征的实时变量喷雾装置，包括控制开关1、变量施药主控单元5、药液箱7、过滤器8、隔膜泵9、调压阀10、作物探测系统和变量喷洒系统；其中：
[0006]控制开关1安装于驾驶室中，与变量施药主控单元5连接，用于控制机具整体的喷雾是否开启；
[0007]所述作物探测系统包括激光雷达2和速度传感器4；激光雷达2设置在喷雾机前部，用于采集喷杆喷雾机喷幅范围内的作物信息；速度传感器4安装在喷杆喷雾机传动轴或车轮之上，通过计算其旋转速度计算出喷杆喷雾机的速度；
[0008]所述变量施药主控单元5安装于驾驶室内，与控制开关1、激光雷达2、速度传感器4和电磁阀驱动电路6连接，用于处理激光雷达2和速度传感器4产生的数据；
[0009]车载电源3与激光雷达2、变量施药主控单元5相连并为上述系统供电；
[0010]药液箱7、过滤器8、隔膜泵9和调压阀10安装于喷雾机底盘上，药液箱7用于储存待喷雾的农药与水的混合液体，经过管路连接到过滤器8；过滤器8和隔膜泵9通过管路连接，混合液体经过过滤去除固体颗粒后进入隔膜泵9；隔膜泵9和调压阀10的入口通过管路连接，隔膜泵9将混合液加压后进入调压阀10；调压阀10具有一个入口和两个出口，两个出口之间的分配比例能够调整，一个出口连接的管路回到药液箱7进行回流搅拌，另一个出口连接的管路通到喷杆进行喷雾；
[0011]所述变量喷洒系统包括电磁阀驱动电路6和电磁阀A1
‑
An；
[0012]所述电磁阀A1‑
A
n
安装于喷杆上的喷头体与喷头B1‑
B
n
之间，利用高频开闭对喷雾
量进行控制；
[0013]所述电磁阀驱动电路6安装于喷雾机喷杆上，与电磁阀A1‑
A
n
连接，用于将电磁阀信号转化为电磁阀A1‑
A
n
的开关动作电压，实现喷雾量的控制；
[0014]所述速度传感器4和激光雷达2经变量施药主控单元5分别将采集的作业速度和冠层空间三维信息，计算得到作物各位置的冠层特征高度，根据冠层特征高度产生电磁阀占空比和频率信息，传输到各位置所对应的电磁阀驱动电路6，控制每个电磁阀A1‑
A
n
的动作来改变喷雾量，以实现精准对靶变量喷雾；
[0015]所述变量施药主控单元5向电磁阀驱动电路6传输控制指令，电磁阀驱动电路6控制多路电磁阀A1‑
A
n
分别独立动作实现变风量喷雾。
[0016]变量施药主控单元5与电磁阀驱动电路6通信直接采用RS232通信或采用CAN总线协议通信，实现电磁阀驱动电路6对多个电磁阀A1‑
A
n
的控制。
[0017]变量施药主控单元5与速度传感器4的信号连接采用航空插头连接，变量施药主控单元5与激光雷达2的连接方式为Ethernet方式；两者连接到变量施药主控单元5，为变量施药决策提供相应的数据。
[0018]一种利用基于激光雷达探测作物特征的实时变量喷雾装置的方法，包括如下步骤：
[0019]步骤a、采集速度传感器4和激光雷达2的数据，解算为空间三维点云数据
[0020]喷雾机在田间行间行进作业，所述速度传感器4和激光雷达2经变量施药主控单元5将速度通过积分计算为行进距离，通过公式1计算为基于喷杆喷雾机为坐标系中心的点云信息；
[0021]x＝d
·
cos(α)
·
cos(β)
[0022]y＝d
·
cos(α)
·
sin(β)
[0023]z＝d
·
sin(α)+∫vdt
ꢀꢀꢀ
公式1
[0024]公式1中，x，y，z为坐标系三个方向，其中x平行于喷杆方向，y垂直于地面，z和行进方向同向；d，α，β均为激光雷达2产生的数据，其中d为探测点到激光雷达2的距离，单位为m；α为水平偏转角，单位为
°
；β为垂直偏转角，单位为
°
；v为速度传感器4获取到的速度，单位为m/s；t为时间，单位为s；
[0025]步骤b、计算各喷头位置冠层特征高度
[0026]n
x
＝x//x
size
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式2
[0027]n
z
＝z//z
size
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式3
[0028]公式2和公式3中，n
x
、n
z
为每个点所在的网格编号；//为整除运算符；x
size
和z
size
为所划分网格在x、z轴方向上的尺寸，单位为m；
[0029]将步骤a中获取到的基于喷杆喷雾机为坐标系中心的点云信息，通过公式2和公式3在变量施药主控单元5进行网格化处理，网格化大小取决于喷雾作业的作物种植参数和喷雾机参数，在行进方向上的网格长度取决于作物种植株距，在平行于喷杆方向上的网格宽度为喷头间距；将属于一个网格的点云储存至一集合中，计算该集合的y轴90分位数，作为该网格的作物特征高度；
[0030]步骤c、喷雾量控制
[0031]变量施药主控单元5通过公式4将喷头位置所需喷雾量转换为PWM信号占空比r传
送到电磁阀驱动电路6，控制每个电磁阀A1
‑
An的动作来改变喷雾量，以实现精准对靶变量喷雾：
[0032][0033]r＝100，h＜h
i
ꢀꢀꢀ
公式4
[0034]公式4中，r为占空比；h
i
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于激光雷达探测作物特征的实时变量喷雾装置，其特征在于：所述实时变量喷雾装置包括控制开关(1)、变量施药主控单元(5)、药液箱(7)、过滤器(8)、隔膜泵(9)、调压阀(10)、作物探测系统和变量喷洒系统；其中：控制开关(1)安装于驾驶室中，与变量施药主控单元(5)连接，用于控制机具整体的喷雾是否开启；所述作物探测系统包括激光雷达(2)和速度传感器(4)；激光雷达(2)设置在喷雾机前部，用于采集喷杆喷雾机喷幅范围内的作物信息；速度传感器(4)安装在喷杆喷雾机传动轴或车轮之上，通过计算其旋转速度计算出喷杆喷雾机的速度；所述变量施药主控单元(5)安装于驾驶室内，与控制开关(1)、激光雷达(2)、速度传感器(4)和电磁阀驱动电路(6)连接，用于处理激光雷达(2)和速度传感器(4)产生的数据；车载电源(3)与激光雷达(2)、变量施药主控单元(5)相连并为上述系统供电；药液箱(7)、过滤器(8)、隔膜泵(9)和调压阀(10)安装于喷雾机底盘上，药液箱(7)用于储存待喷雾的农药与水的混合液体，经过管路连接到过滤器(8)；过滤器(8)和隔膜泵(9)通过管路连接，混合液体经过过滤去除固体颗粒后进入隔膜泵(9)；隔膜泵(9)和调压阀(10)的入口通过管路连接，隔膜泵(9)将混合液加压后进入调压阀(10)；调压阀(10)具有一个入口和两个出口，两个出口之间的分配比例能够调整，一个出口连接的管路回到药液箱(7)进行回流搅拌，另一个出口连接的管路通到喷杆进行喷雾；所述变量喷洒系统包括电磁阀驱动电路(6)和电磁阀(A1‑
A
n
)；所述电磁阀(A1‑
A
n
)安装于喷杆上的喷头体与喷头(B1‑
B
n
)之间，利用高频开闭对喷雾量进行控制；所述电磁阀驱动电路(6)安装于喷雾机喷杆上，与电磁阀(A1‑
A
n
)连接，用于将电磁阀信号转化为电磁阀(A1‑
A
n
)的开关动作电压，实现喷雾量的控制；所述速度传感器(4)和激光雷达(2)经变量施药主控单元(5)分别将采集的作业速度和冠层空间三维信息，计算得到作物各位置的冠层特征高度，根据冠层特征高度产生电磁阀占空比和频率信息，传输到各位置所对应的电磁阀驱动电路(6)，控制每个电磁阀(A1‑
A
n
)的动作来改变喷雾量，以实现精准对靶变量喷雾；所述变量施药主控单元(5)向电磁阀驱动电路(6)传输控制指令，电磁阀驱动电路(6)控制多路电磁阀(A1‑
A
n
)分别独立动作实现变风量喷雾。2.如权利要求1所述的基于激光雷达探测作物特征的实时变量喷雾装置，其特征在于：变量施药主控单元(5)与电磁阀驱动电路(6)通信直接采用RS232通信或采用CAN总线协议通信，实现电磁阀驱动电路(6)对多个电磁阀(A1‑
A
n
)的控制。3.如权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：何雄奎，韩冷，王志翀，
申请(专利权)人：中国农业大学，
类型：发明
国别省市：