一种作业环境感知的喷杆喷雾机主动控制系统技术方案

本发明专利技术涉及一种作业环境感知的喷杆喷雾机主动控制系统，包括：外部信息感知模块、工作参数测量模块、喷雾主动控制系统模块和工作参数实时控制模块。本发明专利技术将二维超声波风速传感器测量的田间作业环境下的自然风速和旋转编码器测量的喷杆喷雾机的行进速度信息实现CAN总线化通讯，由精确喷雾主动控制器计算出喷雾工作参数；喷雾参数调整控制器实时采集药液压力、风机风量和喷雾角信息，并完成各自的PID控制，从而在保证喷雾量的同时，实现喷雾减飘、良好的雾滴穿透性，增加雾滴在植株枝叶上的沉积效果。这种外部环境感知与自动工作参数主动控制的喷雾系统具有较高的实用价值，且结构简单、操作方便，便于推广应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种作业环境感知的喷杆喷雾机主动控制系统，属于植保喷洒机械的施药

技术介绍
我国施药机械技术落后，农药利用率一直很低，一般为20°/Γ30%，70°/Γ80%的农药流失到土壤、河流及空气中，对环境污染相当严重，而且加重了农作物的农药残留，直接影响农产品质量安全。气流辅助式防飘喷雾技术，即在喷雾机的喷杆上增加风筒，并增设为风筒供风的风机，在喷头上方沿喷雾方向强制送风，形成风幕，这样不仅加强枝叶翻动，增大了雾滴穿透力，而且在有风(〈4级风)的天气下工作，仍能较好抑制雾滴漂失现象，提高雾滴在枝叶上的沉积率，可节省施药量20% 60%，是适时病虫害防治的最有效方法之一。国内外研究均表明，当具备一定的作业环境条件时，气流辅助式喷雾在雾滴减飘方面确有效果。但作业时，其雾滴沉积和减少药液飘失效果受到多种因素严重影响如自然风强度、喷雾流量、雾滴直径、风筒风量和出口风速、作物的茂密程度、喷嘴与作物冠层的垂直距离，喷雾方向与辅助气流的相对角度(喷雾角)等。比如自然风速较小时，采用较大的风筒风量和出口风速，不但增加不必要的风机功耗，而且有将雾滴直接吹响地面之虞，药液流失严重；自然风速较大时，辅助气流风量和风速若不足以克服自然风的影响，雾滴会随自然风飘失；上述因素对节约、环保的低量喷雾的小雾滴影响更严重，更难以保证其良好的沉积和减飘效果。经对现有技术文献检索发现，中国技术专利“气流辅助式喷杆弥雾机”，申请号200920239464. 2，公开了一种气流辅助式喷杆弥雾机，包括机架、药液箱、隔膜泵、风机及气囊的气流辅助系统、喷杆及其平衡升降机构、喷雾液流系统、液压系统，通过三点悬挂机构与拖拉机连接。拖拉机的动力输出轴带动隔膜泵旋转工作，来实现喷雾。在喷杆的两端还设有喷雾标识系统，对喷雾过程进行标识，可有效减少喷雾过程中的重喷漏喷。提高了农药的利用率，减少了因雾滴飘移造成的环境污染。通过液压油缸来实现架子的折叠和升降， 大大提高了机具的自动化水平和工作效率。中国专利技术专利“一种自走式喷杆喷雾机”，申请号200620157986. 4，公开了一种自走式喷杆喷雾机，包括自走式高地隙底盘、喷杆喷雾系统、气流辅助风幕系统和精准变量施药系统，所述自走式高地隙底盘连接并驱动所述喷杆喷雾系统、气流辅助风幕系统和精准变量施药系统。由于采用液压驱动轴流风机使得风幕出口风量大、风速高，有效的增大了雾滴的穿透力，同时还采用了精准变量施药系统，能根据需要调节喷药量。但是上述专利均未涉及喷雾作业过程中的工作参数的控制问题。考虑到自然风速大小、风向等不可控因素和作物不同生长期的冠层等特征因素，以及喷杆喷雾机本身的系统参数均为非线性时变参数，喷杆喷雾机田间作业时，不能动态改变喷雾机可控工作参数，雾滴减飘和沉积效果往往非常有限。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提供了一种作业环境感知的喷杆喷雾机主动控制系统。该系统能降低自然风等外部环境对喷雾效果的严重影响，减少雾滴漂失、提高药液沉积率，具有响应速度快、性能稳定和易于实现多种控制算法。本专利技术是通过以下技术方案实现的一种作业环境感知的喷杆喷雾机主动控制系统，包括外部信息感知模块、工作参数测量模块、喷雾主动控制系统模块和工作参数实时控制模块，各模块通过CAN总线相互通讯。所述的外部信息感知模块包括二维超声波风速传感器和光电式旋转编码器；所述的二维超声波风速传感器用于测量田间作业环境下的自然风在拖拉机行走方向的水平风速和喷杆方向的水平风速；所述的光电式旋转编码器测量拖拉机后轮的转速，借助于后轮的直径大小计算出喷杆喷雾机的行进速度。外部信息感知模块将获取的田间自然风速和机具的行走速度通过CAN总线发送给精确喷雾主动控制器。所述的工作参数测量模块包括喷雾角传感器、药液压力传感器和风筒进口风速传感器；所述的喷雾角传感器用于测量风筒出风口和喷嘴与垂直方向的夹角变化量；所述的药液压力传感器用于获取喷出药液的压力信息；所述的风筒进口风速传感器安装在风机下方，用于测量风筒进口风速并换算为流经风筒的气流流量。工作参数测量模块将获取的信息通过CAN总线发送给喷雾参数调整控制器；所述的喷雾主动控制系统模块包括精确喷雾主动控制器和LCD显示交互模块；所述的精确喷雾主动控制器采用ARM核心的32位RISC嵌入式处理器，具有低价格、低功耗、高性能的特点，精确喷雾主动控制器通过LCD接口与具有触摸屏功能的显示器联接，可用于显示喷杆喷雾机工作状态和控制参数设定。所述的喷雾主动控制系统模块依据外部信息感知模块获取的田间自然风速和机具的行走速度，由精确喷雾主动控制器计算喷雾压力、风机流量和喷雾角最佳控制参数，进行最佳喷雾控制参数决策，再由精确喷雾主动控制器通过 CAN总线通讯将控制参数传递给工作参数实时控制模块中的喷雾参数调整控制器。所述的工作参数实时控制模块包括喷雾参数调整控制器和执行元件，其中执行元件包括比例流量阀I、比例流量阀2和三位四通电磁阀。喷雾参数调整控制器采用DSP芯片和外围扩展电路实现。所述的工作参数实时控制模块通过CAN总线通讯协议接收精确喷雾主动控制器所发送的喷雾控制工作参数，依据控制工作参数在PID控制子程序控制下完成喷雾压力、风机流量、喷雾角和喷头与作物冠层间距的在线调节，实现喷雾主动控制策略。喷雾参数调整控制器经DA转换器与比例流量阀I联接，比例流量阀I的电气输入端与 DA转换器联接、输出端与液压马达I固定联接；液压马达I经联轴器与轴流风机联接；轴流风机下方安装的二维超声波风速传感器检测的风速信号反馈到喷雾参数调整控制器；比例流量阀I的开度大小由喷雾参数调整控制器实时PID控制子程序控制，用于调节风筒的流量。所述的喷雾参数调整控制器还经另一路DA转换器与比例流量阀2联接，比例流量阀2 的电气输入端与DA转换器联接、输出端与液压马达2固定联接；液压马达2经联轴器与隔膜泵联接；隔膜泵从药液箱中将混合好的药液吸出，经过安装在药液管路上的药液压力传感器检测的压力信号反馈到喷雾参数调整控制器，管路中的药液经药液压力驱动下由喷头喷出，形成扩散雾滴；比例流量阀2的开度大小由喷雾参数调整控制器实时PID控制子程序控制，用于通过液压马达的转速变化调节隔膜泵产生的药液压力，从而控制雾滴直径的大小。所述喷雾参数调整控制器的GPIO经固态继电器与三位四通电磁阀联接，三位四通电磁阀的输入端与固态继电器的输出端联接、三位四通电磁阀串联在液压油路中；安装在机架和喷杆间的喷雾角传感器测量风筒出口和喷头与垂直方向的夹角(喷雾角)变化量反馈到喷雾参数调整控制器；三位四通电磁阀根据喷雾参数调整控制器计算确定的实时控制调节量，以最快响应完成喷雾角PID控制。本专利技术所述的喷杆喷雾机主动控制系统的工作原理为喷雾主动控制系统模块依据外部信息感知模块获取的田间自然风速和机具的行走速度，由精确喷雾主动控制器计算出喷雾压力、风机流量和喷雾角最佳控制参数，做出最佳喷雾控制参数决策发送给喷雾参数调整控制器；喷雾参数调整控制器将最佳喷雾控制参数决策与工作参数测量模块发送的机具行走中实时获取的喷雾压力、风机流量和喷雾角信息进行比较，实时调整控制喷杆喷雾机的作业参数。本专利技术所述的精确喷雾主动控制器对控制参数的决策如下首先根据喷雾试验测定外本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘雪美，苑进，张晓辉，
申请(专利权)人：山东农业大学，
类型：发明
国别省市：