一种基于垂直施药结构的变量喷雾控制系统及其喷头流量独立控制方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN114911234A(43)申请公布日2022.08.16(21)申请号202210507102.7(22)申请日2022.05.10(71)申请人江苏大学地址212013江苏省镇江市京口区学府路301号(72)发明人陈锦明沈跃刘超(74)专利代理机构南京华恒专利代理事务所(普通合伙)32335专利代理师高春涛(51)Int.Cl.G05D1/02(2020.01)A01M7/00(2006.01)权利要求书4页说明书9页附图4页(54)发明名称一种基于垂直施药结构的变量喷雾控制系统及其喷头流量独立控制方法(57)摘要本发明公开了一种基于垂直施药结构的变量喷雾控制系统及其喷头流量独立控制方法，该变量喷雾控制系统的8个喷头对称安装于垂直结构喷雾支架两侧。系统工作时，通过二维激光雷达探测果树的冠层特征信息，基于垂直结构变量施药模型分割喷施区域并独立计算各喷施区域的植株冠层体积、各喷头所需的输出流量以及对应变量喷雾电磁阀的占空比；通过北斗导航系统获取果园喷雾机的前进速度，结合二维激光雷达的扫描周期、激光雷达与喷雾结构的距离和硬件响应耗时计算喷雾延时，经延时控制后微型计算机向变量喷雾主控制器发送变量喷雾指令，实现喷头流量独立控制的对靶变量喷雾作业，该变量喷雾系统对靶精度高、省药环保、能够实现农药的减施增效。CN114911234ACN114911234A权利要求书1/4页1.一种基于垂直施药结构的喷头流量独立控制的变量喷雾方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：步骤1：建立各模块之间的通信，设置变量喷雾相关参数并基于机器人操作系统ROS实时获取二维激光雷达与北斗导航系统的数据：二维激光雷达以垂直扫描方式安装于果园变量喷雾机的前端，按扫描周期实时探测两侧植株的冠层特征信息，北斗导航系统实时获取果园喷雾机的行进速度v；步骤2：将二维激光雷达极坐标转换为直角坐标，基于垂直喷雾支架的结构、喷头的空间分布、喷头的喷幅角度和激光雷达与喷头之间的相对位置，对喷施区域进行划分；步骤3：设定横向扫描阈值，根据阈值范围内的激光点云数据计算各喷施区域的植株冠层体积、各喷头所需输出流量和对应变量喷雾电磁阀的占空比；步骤4：结合激光雷达扫描周期、硬件响应耗时、算法处理耗时和二维激光雷达与喷雾机构的距离进行延时控制，主控制器接收到微型计算机发送的变量喷雾指令，控制各喷头对应的变量喷雾电磁阀开闭，实现喷头流量独立控制的对靶变量喷雾作业。2.根据权利要求1所述的一种基于垂直施药结构的喷头流量独立控制的变量喷雾方法，其特征在于：所述步骤1具体包括：建立果园变量喷雾机各模块之间的通信，保证微型计算机、二维激光雷达、北斗导航系统、控制器、变量喷雾执行机构等模块之间能够正常通信；设置变量喷雾的相关参数：二维激光雷达与两侧果树中心位置的距离l、植株冠层单位体积所需喷雾量和占空比拟合公式的标定常量a、b；通过机器人操作系统ROS实时获取基于二维激光雷达探测的植株冠层特征信息和北斗导航系统采集的果园变量喷雾机的行进速度v。3.根据权利要求1所述的一种基于垂直施药结构的喷头流量独立控制的变量喷雾方法，其特征在于：所述步骤2具体包括：二维激光雷达以垂直扫描方式安装于果园变量喷雾机的前端，垂直施药结构由8个电调、8个风机、8个变量喷雾电磁阀、8个喷头组件、直流电机驱动器、水泵和压力传感器组成；其中，8个喷头组件对称安装在喷雾支架两侧，左右两侧喷嘴安装高度一致，喷头标号1～8从右侧安装位置最低的喷头开始按逆时针排序，同侧相邻喷头的高度间距为ΔH；D为二维激光雷达中心与地面的距离；H为果园喷雾机中安装位置最低的喷头与地面的距离；θspray为喷头的理论喷幅角度；ΔW为Hokuyo激光雷达中心与喷头的水平间距，对二维激光雷达进行坐标转换：其中，(ρi，θi)为二维激光雷达点云数据的极坐标；(yi，zi)为二维激光雷达点云数据的直角坐标；同侧相邻喷头间的喷幅会在距喷头距离为d处交汇，根据二维激光雷达和喷头的安装位置、二维激光雷达与果树冠层表面的水平距离yi，可求的喷施区域的高度划分阈值Z1、Z2和Z3；喷头理论喷幅输出的交汇距离d：d＝ΔH×tanβ其中，β为喷头理论的喷幅角度θspray的一半，即：2CN114911234A权利要求书2/4页结合式上两式可求得喷头理论喷幅的交汇距离d为：根据二维激光雷达与喷头的水平间距ΔW与d，可求出二维激光雷达与植株冠层表面的横向阈值Δy：Δy＝ΔW+d当果树冠层外层的距离yi大于Δy时，可求出喷施区域的高度划分阈值：z1＝‑D+Hz3＝‑D+H+3ΔH二维激光雷达经坐标转换后，通过果树行间距对二维激光雷达检测设定阈值范围[y2D_min，y2D_max]，滤除阈值范围外的激光数据点，根据阈值