申请/专利权人：南京林业大学

申请日：2023-03-20

公开（公告）日：2024-04-26

公开（公告）号：CN116548412B

主分类号：A01M7/00

分类号：A01M7/00;G01S17/931;G01S19/46;G01S19/47;G01C21/16;G01C21/34;G01D21/02

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.26#授权;2023.08.25#实质审查的生效;2023.08.08#公开

摘要：本发明公开了一种自走式果园风送变量精确施药装置及方法，包括自走式系统、冠层信息采集处理系统、变风速风送系统、变流量喷雾系统。自走式系统为履带式底盘，包括动力装置、液压装置和电磁控制装置；冠层信息采集处理系统通过激光探测传感器实时采集并处理果树冠层信息，并通过程序算法生成风送喷雾作业的施药量及风速指令；变风速风送系统根据风速指令通过控制风机转速和风门开口面积调节风速；变流量喷雾系统根据施药量指令通过电磁阀占空比进行流量控制。本发明通过喷雾流量和风速输出与靶标树冠结构的合理匹配，提高农药利用效率，对农药减量增效、保护生态环境意义重大。

主权项：1.一种自走式果园风送变量精确施药装置，包括自走式系统、冠层信息采集处理系统、变风速风送系统和变流量喷雾系统；所述自走式系统为履带式底盘，包括动力装置、液压装置和电磁控制装置；其中，履带式底盘采用两侧具有履带的底盘，动力装置采用风冷式柴油发动机，液压装置采用液压泵，电磁控制装置采用比例电磁阀，所述动力装置的行走动力由液压装置直接提供，风冷式柴油发动机的曲轴直接与液压泵连接，经液压管路过比例电磁阀至两侧履带的液压马达，行走速度及转向由比例电磁阀控制；所述冠层信息采集处理系统包括二维激光雷达、全球卫星导航系统和姿态传感器，各传感器数据通过串口通讯连接至整车电子控制单元，实时处理感知数据指导车辆自主作业；所述变风速风送系统由轴流式或者离心式风机提供气流，气流通过导管输送至喷嘴，导管内设有风门，通过调节风门开闭截面积控制气流大小；所述变流量喷雾系统由高压液泵、喷头、药液管路和喷雾电磁阀构成；药液经高压液泵加压由管路输送至各喷头，药液的流量通过喷雾电磁阀占空比进行调节；所述自走式系统、冠层信息采集处理系统、变风速风送系统、变流量喷雾系统与整车电子控制单元通过串口通讯连接，整车电子控制单元通过实时采集的环境及作物信息，控制施药装置的行驶及喷雾状态；采用所述的一种自走式果园风送变量精确施药装置，包括以下步骤：1同步二维激光雷达、姿态传感器传感器频率，统一各传感器时间戳信息；将姿态传感器四元数数据转换为刚体变换矩阵，把同一时刻二维激光雷达采集的点云数据通过矩阵变换匹配到新的坐标系下，并存储到整车电子控制单元内；2选择果树临近行的中线为设定路径，由全球卫星导航系统数据计算得出世界坐标变换矩阵，将设定路径转换到世界坐标内，根据全球卫星导航系统实时位置数据和设定路径偏差，实时调整施药装置行驶状态；3以冠层体积为药量、风速调节依据，利用采集的点云，识别树干并获取树干距离、冠层深度，计算单侧截面积，结合喷雾移动距离，通过离散化思想计算当前冠层的体积；4喷雾电磁阀与整车电子控制单元采取232通信，增加由MAX232及其外围电路组成的TTL与232转换电路；为防止强弱电互扰，设计以光电耦合器件EL817为主的光电隔离电路，采用8个十六进制数表示喷雾电磁阀PWM占空比，数据采集处理每100ms发送1次PWM指令给流量控制单片机，实现喷雾电磁阀启闭；5风速调节方式采用风机转速和风门开度协同调节，风机转速是通过变频器控制电机启闭，通过变频器控制面板电位器进行转速调节，风门安装在风机出口分流装置的内侧，通过调节风门开度控制气流进入管道面积来调节喷雾机出口风速；所述步骤3包括：3.1根据一个时间段内采集的点云数据，获得单侧冠层截面积，结合施药装置单位时刻移动距离，采用离散化思想，对树冠开始位置至结束位置的帧体积累计求和，得出树冠体积；3.2将N个激光雷达周期的树冠体积累积生成对应喷嘴的PWM占空比，根据喷雾量和树冠体积对应函数，将相对树冠体积转化为对应喷嘴的喷雾量，结合喷头流量与对应树冠截面积、PWM占空比关系，得到PWM占空比与树冠截面积之间的关系；3.3根据冠层的体积计算需求风速，根据射流理论即动能定理推导出的喷雾流场速度速度模型，可得喷雾出口中心位置风速u0： 式中，x0—喷雾出口与射流源中心的距离，mr0—气流射流装置的圆弧半径，mb0—喷雾射流的射流半径，mux—距喷头中心x处的气流速度，ms在距离喷头x处的水平面上，建立一个扇形控制体，宽度为2b，厚度为dx，弧角为β，内弧为βr0+x，计算控制体体积dV为dV＝2Cmβr0+xx-x0dx11式中，Cm—射流主区域试验射流系数；应用控制体的动能守恒定理，即流入动量通量和流出动量通量之间的差值应等于树冠所产生的阻力，建立方程简化得: 式中，A，B—阻力拟合系数；ρl—叶面积密度LAD，m-1，定义为给定控制体内的叶面积与控制体体积间的比值，pl＝SNVN；结合树冠体积，SN为树冠第N帧点云网格面积，m2；求解该非线性微分方程： 式中，C1—为积分常数；风速控制中，通过靶标冠层特征ρl、冠层末端位置xout以及冠层末端所需风速uout作为边界条件，联立公式10、13，求得喷雾作业时喷雾机出口所需的风速u0。

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