溫室噴霧機實時對靶噴施控制系統及噴施方法
【專利摘要】本發明屬于農業機械裝備自動化控制技術領域，涉及一種溫室噴霧機實時對靶噴施控制系統及噴施方法。所述對靶噴施控制系統包括激光傳感器、單片機控制器、避障傳感器、監控顯示屏、無線遙控器、電機驅動器、電機、混藥箱、過濾器、隔膜泵、流量傳感器、電磁閥、溢流閥和多個噴嘴。該噴施方法根據不同行駛速度，進行連續3次的動態采樣，實時判斷靶標，可有效避免采樣頻率過大時造成電磁閥的頻繁啟閉和果樹冠層枝葉間間隙較大或樹冠層的空洞而造成的誤噴。與現有技術相比：具有安裝和調試簡單，對靶精度高，操作性強，噴施效果好等優點。
【專利說明】
溫室噴霧機實時對靶噴施控制系統及噴施方法
技術領域
[0001 ]本發明屬于農業機械裝備自動化控制技術領域，涉及一種溫室噴霧機實時對靶噴施控制系統及噴施方法。
【背景技術】
[0002]傳統的施藥方式為連續性施藥，由于溫室作物的非連續性種植，許多藥液噴灑在果樹之間空檔處，沒有沉積在作物上面，影響了作物的防治效果。將連續性施藥轉變為間歇性自動對靶施藥是解決當前農藥利用率低、環境影響大的有效解決途徑，通過將自動化技術與噴霧技術相結合，通過對果樹靶標的識別和噴霧裝置的自動控制實現對靶施藥，最終達到只對特定靶標實施噴霧的目的。
[0003]目前溫室靶標探測技術按照探測原理可以分為基于超聲波傳感器、基于圖像處理和基于紅外傳感器的靶標探測技術等。但是由于超聲波傳感器具有波束角，對靶識別準確率低；圖像處理時間長，響應延遲高;紅外傳感器受環境影響大，探測距離短。
[0004]公開號CN103548802A提供了一種自走式果園自動對靶噴霧機及其噴霧方法，其采樣頻率是固定的，當行駛速度過大時會造成對靶不精確，同時也沒有給出完整的對靶噴霧控制步驟。
【發明內容】
[0005]本發明針對上述現有技術存在的問題，提出一種精度高、抗干擾能力強的帶有激光檢測裝置，并能實現智能調控的溫室噴霧機實時對靶噴施控制系統及噴施方法。
[0006]本發明的技術方案是:
[0007]噴霧機實時對靶噴施控制系統，安裝在自走式噴霧機上，包括單片機控制器、激光傳感器、避障傳感器、監控顯示屏、無線遙控器、電機驅動器、步進電機、混藥箱、過濾器、隔膜栗、流量傳感器、兩位兩通電磁閥、溢流閥、多個噴嘴;其中:單片機控制器分別與所述的激光傳感器、避障傳感器、無線遙控器、監控顯示屏、電機驅動器、流量傳感器、兩位兩通電磁閥相連;噴嘴、兩位兩通電磁閥、流量傳感器、隔膜栗、過濾器、混藥箱依次相連，溢流閥并聯連接在混藥箱和流量傳感器之間。
[0008]上述的對靶噴施的執行裝置為安裝在與噴嘴相通的兩位兩通電磁閥，兩位兩通電磁閥通過高速光電隔離電路與單片機控制器連接，采用高速光電隔離電路實現高速MOSFET驅動電磁閥，通過單片機控制器控制電磁閥開啟和關閉時間。由于兩位兩通電磁閥具有較高的開關頻率，設計了電磁閥反向吸收電路，能夠達到較好的流量控制線性度。
[0009]上述的無線遙控器通過按鍵操作，控制噴霧機的運行和停止、作業速度0.5-lm/s內的調節，該無線傳輸通過在單片機控制器串口處連接第一無線接收模塊，在無線遙控器中安裝第二無線收發模塊，以固定編碼進行無線通信。
[0010]上述的噴霧機自動對靶噴施控制系統，其對靶噴霧控制方法步驟如下:
[0011](I)對控制系統進行初始化，然后根據果樹的生長狀況選擇是否使用對靶噴霧:當果樹生長茂密且植株間間隙較小時，通過監控顯示屏選擇連續噴霧，當果樹枝葉間隙大生長較稀疏時，通過監控顯示屏選擇對靶噴霧。
[0012](2)根據作業需求，通過監控顯示屏設定自走式噴霧機行駛速度，其速度設置在0.5—lm/s可調，控制器根據設定的行駛速度設置激光傳感器的動態采樣頻率。
[0013](3)激光傳感器針對噴嘴對應的單行果樹進行實時靶標檢測，當控制器判斷出是靶標時，通過控制器控制兩位兩通電磁閥開啟，進行噴施作業;當識別程序判斷出是非靶標時，若當前正在噴霧，則延遲一個采樣周期發出關閉兩位兩通電磁閥的信號，使噴嘴停止噴霧，若當前噴嘴不在噴霧，則繼續循環檢測和判斷。
[0014]步驟(I)中，所述的果樹生長茂密且植株間間隙較小時指:株距很小，小于該控制系統的最小靶標識別間距1cm且果樹樹冠層內無大于Icm的空隙;所述的果樹枝葉間隙大生長較稀疏時指:樹與樹之間的間隙明顯，株距大于等于10cm，且果樹樹冠層內有大于Icm的的空隙。
[0015]步驟(2)中，控制器根據設定的行駛速度設置激光傳感器的采樣頻率指:當噴霧機行駛速度變化時，都能保證噴霧機每行駛5cm，單片機控制器能循環一個自身的檢測周期，來判斷是否檢測到靶標，為動態采樣。
[0016]當速度為0.5m/s時，設置的采樣頻率為30HZ;當速度為0.6m/s時，設置的采樣頻率為36HZ;當速度為0.7m/s時，設置的采樣頻率為42HZ;當速度為0.8m/s時，設置的采樣頻率為48HZ;當速度為0.9m/s時，設置的采樣頻率為54HZ;當速度為lm/s時，設置的采樣頻率為60HZ;即當使用固定的采樣頻率時，采樣頻率過小會造成對靶不精確，采樣頻率過大會造成電磁閥的頻繁啟閉，縮短電磁閥壽命和影響噴霧效果。
[0017]步驟(3)中，激光傳感器針對噴嘴對應的單行果樹進行實時靶標檢測指:每個檢測周期進行3次采樣，S卩I個檢測周期等于3個采樣周期，計算3次采樣的平均值;計算該檢測周期3次采樣值與平均值間的差值并取絕對值；當有2個或以上差值小于預設的閥值并且3次采樣的平均值小于2.5m時，系統認為傳感器檢測到靶標樹冠，進行噴霧；否則，系統認為沒有檢測到靶標，無需噴霧。
[0018]噴霧機自動對靶噴施控制系統預設的閥值為0.75m，即平均每株果樹樹冠層的最大半徑，是為了避免果樹冠層枝葉間間隙較大或樹冠層的空洞而造成的誤噴;設定的3次采樣的平均值小于2.5m，是為了避免激光傳感器探測到其他行的果樹而造成的誤噴;每個采樣周期的時間，該控制系統按照行駛速度設置的采樣頻率來確定;在行駛方向上，激光傳感器安裝在噴嘴前20cm處，用于提前探測靶標。
[0019]與現有技術相比，本發明具有以下優點:
[0020]本發明的有益效果:
[0021]1.激光檢測技術本身具有精度高、抗干擾能力強等特點，能識別的最小靶間距僅2cm，適合溫室果樹靶標識別。
[0022]2.采用連續3次采樣來識別靶標，識別方法準確率高，能避免果樹枝葉間的間隙和其他行果樹而造成的誤判。同時根據行駛速度動態調整采樣頻率的方法，保證了噴霧機在不同行駛速度下，都能每隔5cm進行一次靶標檢測。
[0023]3.通過提前探測和延后一個采樣周期停止噴霧，提高了噴施過程中霧滴覆蓋均勻性。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發明的對靶噴施控制系統結構示意圖。
[0025]圖2為本發明的對靶噴施識別算法流程圖。
[0026]圖3為采樣點布置示意圖。
[0027]圖4為不同噴霧方式下霧滴覆蓋率變化趨勢圖。
【具體實施方式】
[0028]參見圖1所示，溫室噴霧機實時對靶噴施控制系統包括單片機控制器、激光傳感器、避障傳感器、監控顯示屏、無線遙控器、電機驅動器、電機、混藥箱、過濾器、隔膜栗、流量傳感器、兩位兩通電磁閥、溢流閥和多個噴嘴;其中:單片機控制器分別與所述的激光傳感器、避障傳感器、無線遙控器、監控顯示屏、電機驅動器、流量傳感器、兩位兩通電磁閥相連；噴嘴、兩位兩通電磁閥、流量傳感器、隔膜栗、過濾器、混藥箱依次相接。
[0029]激光傳感器通過I/V轉換電路連接到模數轉換模塊，模數轉換模塊將檢測到的果樹冠層距離信息快速傳遞給單片機控制器，噴嘴軸線和激光傳感器發出的光束相平行且在行駛方向上激光傳感器安裝在噴嘴前20cm處，該激光傳感器有效探測距離0.l-5m可調；流量傳感器通過高速光電隔離電路，將噴霧機噴施流量信息傳遞給單片機控制器。
[0030]兩位兩通電磁閥與多個噴嘴相連接，通過單片機控制器控制啟閉，兩位兩通電磁閥和單片機控制器通過高速光電隔離電路連接，使得輸入和輸出相互隔離，避免電磁閥的頻繁動作導致輸入和輸出電壓波動，同時由于兩位兩通電磁閥具有較高的開關頻率，設計了反向吸收電路與電磁閥并聯，其中反向吸收電路為單向導通的整流二極管，能夠達到較好的流量控制線性度。
[0031]參見圖2所示，噴施控制方法如下:
[0032](I)對控制系統進行初始化，然后根據果樹的生長狀況選擇是否使用對靶噴霧:當果樹生長茂密且植株間間隙較小時，通過監控顯示屏選擇連續噴霧，當果樹枝葉間隙大生長較稀疏時，通過監控顯示屏選擇對靶噴霧。
[0033](2)根據作業需求，通過監控顯示屏設定自走式噴霧機行駛速度，其速度設置在0.5—lm/s可調，控制器根據設定的行駛速度設置激光傳感器的動態采樣頻率。
[0034](3)激光傳感器針對噴頭對應的單行果樹進行實時靶標檢測，當控制器判斷出是靶標時，通過控制器控制兩位兩通電磁閥開啟，進行噴施作業;當識別程序判斷出是非靶標時，若當前正在噴霧，則延遲一個采樣周期發出關閉兩位兩通電磁閥的信號，使噴嘴停止噴霧，若當前噴嘴不在噴霧，則繼續循環檢測和判斷。
[0035]上述的實時靶標檢測中，控制器根據設定的行駛速度設置激光傳感器的采樣頻率，為動態采樣。當速度為0.5m/s時，設置的采樣頻率為30HZ;當速度為0.6m/s時，設置的采樣頻率為36HZ;當速度為0.7m/s時，設置的采樣頻率為42HZ;當速度為0.8m/s時，設置的采樣頻率為48HZ;當速度為0.9m/s時，設置的采樣頻率為54HZ;當速度為lm/s時，設置的采樣頻率為60HZ。即當噴霧機行駛速度變化時，都能保證噴霧機每行駛5cm，單片機控制器能循環一個檢測周期，來判斷是否檢測到靶標;當使用固定的采樣頻率時，采樣頻率過小會造成對靶不精確，采樣頻率過大會造成電磁閥的頻繁啟閉，縮短電磁閥壽命和影響噴霧效果。
[0036]上述的實時靶標檢測中，每個檢測周期進行3次采樣，計算3次采樣的平均值;計算該周期3次采樣值與平均值間的差值并取絕對值;當有2個或以上差值小于預設的閥值并且3次采樣的平均值小于2.5m時，系統認為傳感器檢測到靶標樹冠，進行噴霧;否則，系統認為沒有檢測到靶標，無需噴霧。噴霧機自動對靶噴施控制系統預設的閥值為0.75m，即平均每株果樹樹冠層的最大半徑，是為了避免果樹冠層枝葉間間隙較大或樹冠層的空洞而造成的誤噴;設定的3次采樣的平均值小于2.5m，是為了避免激光傳感器探測到其他行的果樹而造成的誤噴。
[0037]激光傳感器用于收集果樹參數信息，測定靶標距離噴嘴的距離，并將信息反饋給單片機控制器。單片機控制器根據接收到的信息進行分析，從而控制電磁閥的啟閉。
[0038]無線遙控器通過按鍵操作，控制噴霧機的運行和停止、作業速度0.5-lm/s內的調節，該無線傳輸通過在單片機控制器串口處連接第一無線接收模塊，在無線遙控器中安裝第二無線收發模塊，以固定編碼進行無線通信。
[0039]溫室果樹一般形狀、疏密各異，采用本技術的噴霧方法，可有效避免果樹冠層內枝葉間間隙過多而造成的電磁閥頻繁啟閉或者應枝葉間間隙過大形成的空洞而造成的誤判。同時提高了噴施過程的霧滴覆蓋率，降低了農藥使用量，具有良好的應用前景和推廣價值。
[0040]實驗驗證:
[0041 ]實驗采用3株樹冠直徑約1.5m，樹高1.7m，樹干高0.5m的仿真樹。試驗時設定噴霧壓力為0.3MPa，行駛速度0.5m/s，噴霧單元與樹之間距離保持在lm，仿真樹的最小間距為
0.5m;將仿真樹的樹冠中心沿水平方向設定3個采樣點，S卩3 X 3 = 9點，此9點為每棵樹的測量米樣點，在樹與樹的間隙中心處也設置I個米樣。每個米樣點正面布置2.5cm X 5.0cm大小的濾紙承接霧滴，濾紙按照采樣點位置進行編號。待霧滴干燥后收集紙卡，用掃描儀進行掃描，并通過Matlab軟件將掃描圖片用圖像處理系統進行灰度和二值化處理，測定統計每張紙卡的霧滴覆蓋率，重復3次。
[0042]實驗采用3種噴霧方式，方式I為連續噴霧，方式2為不采用動態采樣和提前對靶以及延遲一個采樣周期的噴霧方法，方式3為上述所描述的噴霧方法。采樣點布置如圖3，實驗結果如圖4。
[0043]由圖4可算出3種方式下樹冠層的霧滴覆蓋率分別為67.8%、82.5%、90.5%，其中方式3的霧滴覆蓋率高于采用現有對靶噴霧方法的方式2;對于方式2和3下的霧滴沉積分布均勻性的比較，用變異系數Cv表示。經計算(此為常規計算，不再詳述)，采用方式3的變異系數為0.069遠小于方式2的0.222，說明在同樣條件下，采用本發明的對靶噴霧方法能有效提高樹冠層霧滴覆蓋率和霧滴沉積分布均勻性。
【主權項】
1.噴霧機實時對靶噴施控制系統，安裝在自走式噴霧機上，其特征在于:所述控制系統包括單片機控制器、激光傳感器、避障傳感器、監控顯示屏、無線遙控器、電機驅動器、步進電機、混藥箱、過濾器、隔膜栗、流量傳感器、兩位兩通電磁閥、溢流閥、多個噴嘴;其中:單片機控制器分別與所述的激光傳感器、避障傳感器、無線遙控器、監控顯示屏、電機驅動器、流量傳感器、兩位兩通電磁閥相連;噴嘴、兩位兩通電磁閥、流量傳感器、隔膜栗、過濾器、混藥箱依次相連，溢流閥并聯連接在混藥箱和流量傳感器之間。2.如權利要求1所述的噴霧機實時對靶噴施控制系統，其特征在于:所述兩位兩通電磁閥通過高速光電隔離電路與單片機控制器連接，采用高速光電隔離電路實現高速MOSFET驅動電磁閥，通過單片機控制器控制電磁閥開啟和關閉時間。由于兩位兩通電磁閥具有較高的開關頻率，設計了電磁閥反向吸收電路，能夠達到較好的流量控制線性度。3.如權利要求1所述的噴霧機實時對靶噴施控制系統，其特征在于:所述無線遙控器通過按鍵操作，控制噴霧機的運行和停止、作業速度0.5-lm/s內的調節，該無線傳輸通過在單片機控制器串口處連接第一無線接收模塊，在無線遙控器中安裝第二無線收發模塊，以固定編碼進行無線通信。4.如權利要求1所述的噴霧機實時對靶噴施控制系統，其特征在于:激光傳感器通過I/V轉換電路連接到模數轉換模塊，模數轉換模塊將檢測到的果樹冠層距離信息快速傳遞給單片機控制器;噴嘴軸線和激光傳感器發出的光束相平行且在行駛方向上激光傳感器安裝在噴嘴前20cm處，該激光傳感器有效探測距離0.l-5m可調;流量傳感器通過高速光電隔離電路，將噴霧機噴施流量信息傳遞給單片機控制器。5.如權利要求1所述的噴霧機實時對靶噴施控制系統的對靶噴霧控制方法，其特征在于步驟如下: (1)對控制系統進行初始化，然后根據果樹的生長狀況選擇是否使用對靶噴霧:當果樹生長茂密且植株間間隙較小時，通過監控顯示屏選擇連續噴霧，當果樹枝葉間隙大生長較稀疏時，通過監控顯示屏選擇對靶噴霧； (2)根據作業需求，通過監控顯示屏設定自走式噴霧機行駛速度，其速度設置在0.5-lm/s可調，控制器根據設定的行駛速度設置激光傳感器的動態采樣頻率； (3)激光傳感器針對噴嘴對應的單行果樹進行實時靶標檢測，當控制器判斷出是靶標時，通過控制器控制兩位兩通電磁閥開啟，進行噴施作業；當識別程序判斷出是非靶標時，若當前正在噴霧，則延遲一個采樣周期發出關閉兩位兩通電磁閥的信號，使噴嘴停止噴霧，若當前噴嘴不在噴霧，則繼續循環檢測和判斷。6.如權利要求5所述的對靶噴霧控制方法，其特征在于:步驟(I)中，所述的果樹生長茂密且植株間間隙較小時指:株距很小，小于該控制系統的最小靶標識別間距1cm且果樹樹冠層內無大于Icm的空隙；所述的果樹枝葉間隙大生長較稀疏時指:樹與樹之間的間隙明顯，株距大于等于10cm，且果樹樹冠層內有大于Icm的的空隙。7.如權利要求5所述的對靶噴霧控制方法，其特征在于:步驟(2)中，控制器根據設定的行駛速度設置激光傳感器的采樣頻率指:當噴霧機行駛速度變化時，都能保證噴霧機每行駛5cm，單片機控制器能循環一個自身的檢測周期，來判斷是否檢測到靶標，為動態采樣。8.如權利要求7所述的對靶噴霧控制方法，其特征在于:當速度為0.5m/s時，設置的采樣頻率為30HZ;當速度為0.6m/s時，設置的采樣頻率為36HZ;當速度為0.7m/s時，設置的采樣頻率為42HZ;當速度為0.8m/s時，設置的采樣頻率為48HZ;當速度為0.9m/s時，設置的采樣頻率為54HZ;當速度為lm/s時，設置的采樣頻率為60HZ;即當使用固定的采樣頻率時，采樣頻率過小會造成對革E不精確，采樣頻率過大會造成電磁閥的頻繁啟閉，縮短電磁閥壽命和影響噴霧效果。9.如權利要求5所述的對靶噴霧控制方法，其特征在于:步驟(3)中，激光傳感器針對噴嘴對應的單行果樹進行實時靶標檢測指:每個檢測周期進行3次采樣，S卩I個檢測周期等于3個采樣周期，計算3次采樣的平均值;計算該檢測周期3次采樣值與平均值間的差值并取絕對值；當有2個或以上差值小于預設的閥值并且3次采樣的平均值小于2.5m時，系統認為傳感器檢測到靶標樹冠，進行噴霧;否則，系統認為沒有檢測到靶標，無需噴霧。10.如權利要求9所述的對靶噴霧控制方法，其特征在于:噴霧機自動對靶噴施控制系統預設的閥值為0.75m，即平均每株果樹樹冠層的最大半徑，是為了避免果樹冠層枝葉間間隙較大或樹冠層的空洞而造成的誤噴;設定的3次采樣的平均值小于2.5m，是為了避免激光傳感器探測到其他行的果樹而造成的誤噴。
【文檔編號】A01M7/00GK105831052SQ201610090378
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年2月18日
【發明人】賈衛東, 劉歡
【申請人】江蘇大學