技术领域
[0001] 本
发明属于农业植保机械领域，涉及一种喷雾机，特别涉及一种基于激光扫描技术的果园自动变量喷雾机。
背景技术
[0002] 果树喷雾是
苗圃和果树普遍采用的有效植保方式，在我国，当前应用于果树喷雾的自动植保机械和施药技术比较落后，
农药利用率极低，果园喷雾机在整个施药过程中连续不变量喷雾，极易形成农药飘移和流失造成严重的农药浪费和环境污染，同时还造成了农产品的农药残留超标。对靶变量施药技术可以提高农药有效利用率，改善药液在冠层沉积均匀性，降低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。
[0003] 我国现有的自动对靶变量喷雾机主要根据相应的
传感器采集树冠信息，通过调节喷头流量和
风机出风口实现，如中国发明
专利申请“一种采用激光传感器智能风送变量喷雾机”(申请号201410785519.5)，利用激光传感器采集树冠信息，但其只能调节喷药流量；中国发明专利申请“一种自适应式果园喷雾机”(申请号201410321884.0)，通过调整风箱的旋转
角度和电磁
阀频率实现对靶喷雾，但其无法根据靶标树冠参数实时进行风量调节，该喷雾机采用单个
轴流风机作气流源，对果树的适应性差，施药过程中很容易造成风量过大或过小造成的农药飘移或沉积不均匀等问题，自动化程度较低。针对目前我国植保机械和施药技术落后的局面和对环境保护的重视，有必要设计一种新型的果园自动对靶变量喷雾机，既可以实时调节喷雾流量减少农药使用量，又可以实时调节风量减少农药飘移造成的环境污染。
发明内容
[0004] 针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于激光扫描技术的果园自动变量喷雾机，采用激光扫描探测装置及变量喷雾装置，可根据树冠靶标的有无和树冠
密度进行自动变流量和风量调节，以提高农药有效利用率，提高冠层靶标上的雾滴沉积均匀性，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。
[0005] 为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
[0006] 一种基于激光扫描技术的果园自动变量喷雾机，由
拖拉机2后部设置的
牵引杆4牵引作业，所述喷雾机包括牵引底盘22、激光扫描探测装置、变量喷雾装置、可调
喷杆装置和电源供给装置，其中，
[0007] 所述激光扫描探测装置包括用于采集果树树冠信息的激光
扫描仪12。
[0008] 所述变量喷雾装置包括药箱16、
隔膜泵9、调压分流器、一级分流器33、二级分流器37、
电磁阀组18和多个五指
雾化器19。
[0009] 所述药箱16的顶部和底部分别设有进液口和出液口，所述出液口通过连接管路依次连接
隔膜泵9和调压分流器；所述隔膜泵9通过万向
联轴器5从拖拉机辅助动
力输出获得动力，产生喷雾压力。
[0010] 所述调压分流器包括调压阀32和两个输出管路；所述调压阀32用于调节两个输出管路的输出压力；所述两个输出管路包括第一输出管路和第二输出管路；所述第一输出管路与一级分流器33的进液端连接；所述第二输出管路与设置在药箱16的内部底端的第二搅拌器38连接。
[0011] 所述一级分流器33的出液端包括两个一级分流支路，每个一级分流支路各与一个二级分流器37的进液端连接；两个二级分流器37的出液端均包括多个二级分流支路。
[0012] 所述电磁阀组18包括分别与一个二级分流器37对应连接的左电磁阀组和右电磁阀组，左电磁阀组和右电磁阀组均包括多个电磁阀。
[0013] 所述五指雾化器19包括五个朝向果树树冠、由上至下呈弧形排列的喷头和一个无刷风机25，所述无刷风机25通过风机驱动15驱动工作。
[0014] 所述左电磁阀组和右电磁阀组的各电磁阀的输入端均与一个二级分流器37的二级分流支路一一对应连接，输出端与五指雾化器19的喷头一一对应连接；五指雾化器19安装在可调喷杆装置上。
[0015] 所述电源供给装置包括布置在牵引底盘22上的发
电机23和电源
变压器10；所述发电机23与电源变压器10连接，电源变压器10将发电机23输出的220V交流
电压转换为12V直流电，输出给用电装置使用。
[0016] 所述喷雾机进一步包括
信号控制装置，所述信号控制装置包括雷达地速传感器1、嵌入式控制平台3和信号控制
主板11；所述雷达地速传感器1安装在拖拉机2的前部，并朝向地面，用于检测作业速度。
[0017] 所述嵌入式控制平台3布置在拖拉机2的
驾驶室内，与信号控制主板11连接；所述信号控制主板11分别与雷达地速传感器1、激光扫描仪12、电磁阀组18的电磁阀和风机驱动15连接。
[0018] 所述雷达地速传感器1和激光扫描仪12经信号控制主板11分别将采集的作业速度和冠层边界距离、形状、高度等信息发送至嵌入式控制平台3，嵌入式控制平台3根据雷达地速传感器1和激光扫描仪12采集到的信息，通过施药
算法进行计算，从而获取样本靶标的各段冠层体积、密度，并传输到信号控制主板11；信号控制主板11将收到的信息转化为PWM信号，传输到各段树形所对应的五指雾化器19的喷头的电磁阀以及无刷风机25的风机驱动15，驱动相应的喷头和无刷风机25工作，并根据靶标有无及外形大小实时调节电磁阀的占空比和无刷风机25转速。
[0019] 所述牵引底盘22为轮式结构，其前部和中部分别设置有导向轮7和行进轮24；所述导向轮7上设有
丝杆升降器6，丝杆升降器6包括一用于调节升降器高度的丝杆调节手轮8。
[0020] 牵引底盘22的前部竖直地设置有一
支撑杆13，所述激光扫描仪12固接在支撑杆13的顶端，所述支撑杆13包括上支撑杆和下支撑杆，上支撑杆与下支撑杆相互套接，并通过
螺栓紧固。
[0021] 所述出液口与隔膜泵9之间的连接管路上设有第一过滤装置35；所述隔膜泵9与调压分流器之间的连接管路上设有第二过滤装置40。
[0022] 所述隔膜泵9上安装有
安全阀36，安全阀36通过连接管路与设置在药箱16的内部底端的第一搅拌器30连接。
[0023] 所述第二输出管路进一步包括
回流管路39，所述回流管路39与药箱16的上部连通。
[0024] 所述调压分流器进一步包括压力表31；所述两个一级分流支路上各设有一个用于输出控制的
开关阀34。
[0025] 所述可调喷杆装置包括喷杆主
支架29、横向一级固定杆28、横向二级伸缩杆27和抱箍26。
[0026] 两个并列的喷杆主支架29均通过其底端设置的主支架固定节20与固定在牵引底盘22后端的
法兰21相互固接，垂直地固接在牵引底盘22上；多个横向一级固定杆28
水平且高度可调地固接在两个喷杆主支架29上；每个横向一级固定杆28的左右两端均套接一能够沿横向一级固定杆28的长度方向滑动的横向二级伸缩杆27，横向二级伸缩杆27通过螺栓紧固在横向一级固定杆28上；每个横向二级伸缩杆27的端部均通过抱箍26安装有一五指雾化器19。
[0027] 所述信号控制主板11与电磁阀驱动、风机驱动15及雷达地速传感器1的信号输出均采用航空插头连接；嵌入式控制平台3与信号控制主板11、激光扫描仪12分别采用以太网口和USB转RS232连接，方便拆装；所述电磁阀驱动与电磁阀组18的各电磁阀之间的连接
导线以及风机驱动15与无刷风机25之间的连接导线，均收纳于设置在药箱16上的导线拖链14中，且导线连接处均采用快插方式。
[0028] 与
现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0029] 1.基于激光扫描仪采集的靶标树冠信息实现风量、流量的单独控制。控制系统共包含40路电磁阀和8路无刷风机，每个电磁阀和无刷风机分别对应15cm和75cm的树冠高度，采用PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)
控制信号，能够快速调节单个电磁阀和单个无刷风机的动作，实现精准施药。
[0030] 2.良好的调节功能。根据实际情况调节激光扫描仪的高度，实际工作时导向轮的高度也可以调节，根据冠层长势可调节喷杆宽度实现仿形喷雾。
[0031] 3.适用性好。最高喷雾高度为3.85m，既可为低矮果树施药，也可为现代化纺锤型果园工作，采用发电机供电，大大提高了工作时间。
[0032] 4.可以根据用户自主选择工作模式。控制系统分为自动模式和手动模式，自动模式下利用激光扫描仪采集自动施药；手动模式下操作者可根据果树冠层长势手动输入各电磁阀和风机的占空比实现自动施药。
[0033] 综上所述，本发明喷雾机采用激光扫描仪为探测源，可根据探测靶标的高度、体积、间隙和茂密程度实时改变对应喷头和风机的流量和风量，并可根据树冠长势调节喷杆实现仿形喷雾，有效地提高了农药利用率，改善药液在冠层沉积均匀性，降低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。该机具具有适用性好、工作效率高、控制系统响应快、施药精准的特点，有利于节药技术的推广。
附图说明
[0034] 图1为本发明基于激光扫描技术的果园自动变量喷雾机的结构示意图；
[0035] 图2为本发明的变量喷雾装置的结构示意图；
[0036] 图3为本发明的可调喷杆装置的结构示意图；
[0037] 图4为本发明的喷雾机控制系统原理图。
[0038] 其中的附图标记为：
[0039] 1雷达地速传感器 2拖拉机
[0040] 3嵌入式控制平台 4牵引杆
[0041] 5万向联轴器 6丝杆升降器
[0042] 7导向轮 8丝杆调节手轮
[0043] 9隔膜泵 10电源变压器
[0044] 11信号控制主板 12激光扫描仪
[0045] 13支撑杆 14导线拖链
[0046] 15风机驱动 16药箱
[0047] 17药箱盖 18电磁阀组
[0048] 19五指雾化器 20主支架固定节
[0049] 21法兰 22牵引底盘
[0050] 23发电机 24行进轮
[0051] 25无刷风机 26抱箍
[0052] 27横向二级伸缩杆 28横向一级固定杆
[0053] 29喷杆主支架 30第一搅拌器
[0054] 31压力表 32调压阀
[0055] 33一级分流器 34开关阀
[0056] 35第一过滤装置 36安全阀
[0057] 37二级分流器 38第二搅拌器
[0058] 39回流管路 40第二过滤装置
具体实施方式
[0059] 下面结合附图和
实施例对本发明进行进一步说明。
[0060] 如图1所示，一种基于激光扫描技术的果园自动变量喷雾机，由拖拉机2后部设置的牵引杆4牵引作业，所述喷雾机包括牵引底盘22、激光扫描探测装置、变量喷雾装置、可调喷杆装置、信号控制装置和电源供给装置，其中：
[0061] 所述牵引底盘22为轮式结构，其前部和中部分别设置有导向轮7和行进轮24。所述导向轮7上设有丝杆升降器6，丝杆升降器6包括一用于调节升降器高度的丝杆调节手轮8，操作者可通过手摇丝杆调节手轮8调节丝杆升降器6的高度，进而调节导向轮7的高度。
[0062] 所述激光扫描探测装置包括竖直地设置在牵引底盘22的前部上的支撑杆13和固接在支撑杆13的顶端上的激光扫描仪12。所述激光扫描仪12用于采集果树树冠信息。
[0063] 优选地，所述支撑杆13包括上支撑杆和下支撑杆，上支撑杆与下支撑杆相互套接，并通过螺栓紧固，操作人员可根据果树高度通过调节支撑杆13的长度，进而调节激光扫描仪12的高度。
[0064] 如图2所示，所述变量喷雾装置包括药箱16、隔膜泵9、调压分流器、一级分流器33、二级分流器37、电磁阀组18和多个五指雾化器19。
[0065] 所述药箱16安装在牵引底盘22上。药箱16的顶部和底部分别设有进液口和出液口，所述进液口上设有药箱盖17，所述出液口通过连接管路依次连接隔膜泵9和调压分流器。所述隔膜泵9通过万向联轴器5从拖拉机辅助动力输出(PTO)获得动力，产生喷雾压力。
[0066] 优选地，所述出液口与隔膜泵9之间的连接管路上设有第一过滤装置35。所述隔膜泵9与调压分流器之间的连接管路上设有第二过滤装置40。
[0067] 优选地，所述隔膜泵9上安装有安全阀36，安全阀36通过连接管路与设置在药箱16的内部底端的第一搅拌器30连接。当隔膜泵9内的压力过大时，药液通过安全阀36和第一搅拌器30回流到药箱16，对药箱16内的药液进行搅拌。
[0068] 所述调压分流器包括调压阀32和两个输出管路；所述调压阀32用于调节两个输出管路的输出压力；所述两个输出管路包括第一输出管路和第二输出管路；所述第一输出管路与一级分流器33的进液端连接；所述第二输出管路与设置在药箱16的内部底端的第二搅拌器38连接。
[0069] 优选地，所述第二输出管路进一步包括回流管路39，所述回流管路39与药箱16的上部连通。
[0070] 优选地，所述调压分流器进一步包括压力表31。
[0071] 所述一级分流器33的出液端包括两个一级分流支路，所述两个一级分流支路上各设有一个用于输出控制的开关阀34。每个一级分流支路各与一个二级分流器37的进液端连接；两个二级分流器37的出液端均包括多个二级分流支路。
[0072] 所述电磁阀组18包括分别与一个二级分流器37对应连接的左电磁阀组和右电磁阀组，左电磁阀组和右电磁阀组均包括多个电磁阀。
[0073] 所述五指雾化器19包括五个朝向果树树冠、由上至下呈弧形排列的喷头和一个用于产生高速气流辅助喷头喷出的雾滴达到靶标的无刷风机25，所述无刷风机25通过风机驱动15驱动工作。
[0074] 所述左电磁阀组和右电磁阀组的各电磁阀的输入端均与一个二级分流器37的二级分流支路一一对应连接，输出端与五指雾化器19的喷头一一对应连接。五指雾化器19安装在可调喷杆装置上。
[0075] 在本发明实施例中，每个二级分流器37具有20个二级分流支路，每个二级分流支路一一对应连接电磁阀组18中的一个电磁阀；雾化器分为左右两组，左右两组雾化器各包括四个五指雾化器19；每五个电磁阀与一个五指雾化器19的五个喷头一一对应连接。
[0076] 如图3所示，所述可调喷杆装置包括喷杆主支架29、横向一级固定杆28、横向二级伸缩杆27和抱箍26。
[0077] 两个并列的喷杆主支架29均通过其底端设置的主支架固定节20与固定在牵引底盘22后端的法兰21相互固接，垂直地固接在牵引底盘22上。多个横向一级固定杆28水平且高度可调地固接在两个喷杆主支架29上。每个横向一级固定杆28的左右两端均套接一能够沿横向一级固定杆28的长度方向滑动的横向二级伸缩杆27，横向二级伸缩杆27通过螺栓紧固在横向一级固定杆28上。每个横向二级伸缩杆27的端部均通过抱箍26安装有一五指雾化器19。操作人员可根据喷雾需要调整横向一级固定杆28的高度以及横向二级伸缩杆27的宽度。
[0078] 所述信号控制装置包括雷达地速传感器1、嵌入式控制平台3和信号控制主板11。所述雷达地速传感器1安装在拖拉机2的前部，并朝向地面，用于检测作业速度。
[0079] 如图4所示，所述嵌入式控制平台3布置在拖拉机2的驾驶室内，与信号控制主板11连接。所述信号控制主板11分别与雷达地速传感器1、激光扫描仪12、电磁阀组18的电磁阀和风机驱动15连接。
[0080] 所述雷达地速传感器1和激光扫描仪12经信号控制主板11分别将采集的作业速度和冠层边界距离、形状、高度等信息发送至嵌入式控制平台3，嵌入式控制平台3根据雷达地速传感器1和激光扫描仪12采集到的信息，通过施药算法进行计算，从而获取样本靶标的各段冠层体积、密度，并传输到信号控制主板11；信号控制主板11将收到的信息转化为PWM信号，传输到各段树形所对应的五指雾化器19的喷头的电磁阀以及无刷风机25的风机驱动15，驱动相应的喷头和无刷风机25工作，并根据靶标有无及外形大小实时调节电磁阀的占空比和无刷风机25转速。
[0081] 所述电磁阀组18的各电磁阀为快速响应的高频电磁阀，PWM工作频率为25Hz，以实现提高雾滴沉积均匀性。
[0082] 所述信号控制主板11与电磁阀驱动、风机驱动15及雷达地速传感器1的信号输出均采用航空插头连接；嵌入式控制平台3与信号控制主板11、激光扫描仪12分别采用以太网口和USB转RS232连接，方便拆装。
[0083] 所述电源供给装置包括布置在牵引底盘22上的发电机23和电源变压器10；所述发电机23通过导线与电源变压器10连接，电源变压器10将发电机23输出的220V交流电压转换为12V直流电，输出给用电装置雷达地速传感器1、嵌入式控制平台3、激光扫描仪12、风机驱动15、电磁阀组18的各电磁阀和无刷风机25使用。
[0084] 所述电磁阀驱动与电磁阀组18的各电磁阀之间的连接导线以及风机驱动15与无刷风机25之间的连接导线，均收纳于设置在药箱16上的导线拖链14中，且导线连接处均采用快插方式。
[0085] 本发明采用的嵌入式控制平台3以ARM为核心处理单元，能够实时获取激光扫描仪12传来的信息，并整合速度、行距、树干高度等信息在施药算法的
基础上快速计算；嵌入式控制平台3能够实时通过显示方柱表示的流量、风量大小以及行进速度、施药量等信息。所述嵌入式控制平台3包含手动和自动操作两种模式，手动模式下，操作人员可根据需要人工输入电磁阀组18的各电磁阀和无刷电机25占空比，实现无传感器施药；自动模式下，喷雾机施药过程中，嵌入式控制平台3基于激光扫描仪12获得的冠层边界距离、高度、形状等信息控制喷头流量和风机风量，实现自动变量喷雾。
[0086] 本发明的工作过程如下：
[0087] 工作前，根据果园行距和树冠长势通过扳动螺栓调整横向二级伸缩杆27和抱箍26的角度，保证药液雾滴向树冠冠层输送，减少农药浪费，实现仿形喷雾；对嵌入式控制平台3进行树高、冠层底部无叶茎干高度、行距等基本参数设置。
[0088] 启动发电机23，拖拉机2牵引喷雾机行进，激光扫描仪12对果树进行样本采集，并将采集的树冠信息传输给嵌入式控制平台3，嵌入式控制平台3结合雷达地速传感器1传送的速度信号、行距等信息计算喷雾机两侧每个喷头和无刷风机25对应的树冠的体积、密度，并求得每段树冠所需的流量和风量，传送到信号控制主板11，信号控制主板11将信息转换为PWM信号传送到电磁阀驱动、风机驱动15，对应的每个电磁阀和无刷风机25实时动作，以实现精准对靶变量喷雾。
[0089] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，如无刷风机与喷杆的连接可以采用抱箍以外的方式。任何熟悉
本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以
权利要求的保护范围为准。
