一种作业环境感知的喷杆喷雾机主动控制系统

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一种作业环境感知的喷杆喷雾机主动控制系统\n技术领域\n[0001] 本发明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领域。\n背景技术\n[0002] 我国施药机械技术落后，农药利用率一直很低，一般为20%～30%，70%～80%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。\n[0003] 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。\n[0004] 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。\n[0005] 经对现有技术文献检索发现，中国实用新型专利“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。中国发明专利“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。\n发明内容\n[0006] 本发明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。\n[0007] 本发明是通过以下技术方案实现的：\n[0008] 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。\n[0009] 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。\n[0010] 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；\n[0011] 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。\n[0012] 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1、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1联接，比例流量阀1的电气输入端与DA转换器联接、输出端与液压马达1固定联接；液压马达1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1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。\n[0013] 本发明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。\n[0014] 本发明所述的精确喷雾主动控制器对控制参数的决策如下：\n[0015] 首先根据喷雾试验测定外部信息和工作参数与喷雾效果的关系数据，然后使用最小二乘方法回归得到映射关系数学模型，喷雾压力P、风机流量Q和喷雾角A的数学表达式如下：\n[0016] \n[0017] 其中，f1,f2,f3分别为最小二乘的回归函数，Vz表示自然风速，Vt表示机具行走速度，质量中心距Dc为衡量防飘失性能的指标，CV为雾滴对作物冠层穿透性测定指标。这些指标的测量（是行业人员熟知的）需根据喷雾机械的测量标准进行。将获取的外部信息和所需的喷雾效果代入上述模型，即可计算出所需的控制参数：喷雾压力P、风机流量Q和喷雾角A。\n[0018] 本发明既能依据作业环境的动态变化，特别是自然风速和作业机具的速度的变化，在控制环节以最小响应时间内控制工作参数，以取得很好的喷雾效果，也能减小喷雾过程中不必要的能量消耗。该控制系统无需人工干预，实现简单，控制效果稳定。\n[0019] 本发明一种作业环境感知的喷杆喷雾机主动控制系统，具体的控制过程如下：\n[0020] 第一步：上电复位后，精确喷雾主动控制器和喷雾参数调整控制器分别进行初始化，初始化内容包括CAN总线通讯接口、VGA接口、控制器I/O口、SPI接口、D/A接口和PID控制程序的初始化；\n[0021] 第二步：喷雾主动控制系统模块随后进入等待状态，直到用户按动“喷雾开始”按钮，进入第三步；\n[0022] 第三步：精确喷雾主动控制器使用LCD交互界面设定当前喷雾量和药液配比等作业参数，也可以读取事先存储于SD卡中作业参数（根据农艺专家或农技人员的推荐确定的），将喷雾作业参数发送给喷雾参数调整控制器，精确喷雾主动控制器通过外部信息感知模块开始收集2维风速传感器测量的自然风在拖拉机行走方向的水平风速、喷杆方向的水平风速和机具行走速度；精确喷雾主动控制器依据获取的上述信息计算喷雾压力、风机流量和喷雾角控制参数，进行喷雾控制参数决策，然后通过CAN总线通讯将控制参数传递给工作参数实时控制模块。\n[0023] 第四步：喷雾参数调整控制器初始化结束后，一直等待CAN总线上的喷雾参数调整信息，喷雾参数调整控制器接收到要调整的喷雾压力、风机流量和喷雾角参数后，首先分别获取喷雾机当前的喷雾压力、风机流量和喷雾角的测量值，然后调用各自的PID控制子程序实现上述参数的精确控制。喷雾压力、风机流量和喷雾角的实时测量值则通过CAN总线发回精确喷雾主动控制系统，通过LCD进行显示。上述过程一直从第三步到第四步循环下去，直到用户按下“喷雾停止”按钮，工作结束。\n[0024] 本发明与现有技术相比的优点在于：本发明是一种基于环境感知的喷杆喷雾机喷雾主动控制系统，能依据田间作业环境和作业机具速度的动态变化，自动实现喷杆喷雾机工作参数的控制优化，克服自然风等外部环境对喷雾效果的严重影响，保证准确喷雾量的实施，并降低喷雾功耗、减少雾滴漂失、提高药液沉积率；本发明通过CAN总线将精确喷雾主动控制器和喷雾参数调整控制器以及传感器信号进行连接，自动获取大田作业动态环境信息，实施喷雾主动控制技术，使其能够最终根据大田作业动态环境变化，实时控制喷雾机的工作参数，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。\n附图说明\n[0025] 图1为本发明所提供的环境感知的喷杆式喷雾机主动控制系统的系统组成框图；\n[0026] 图2为本发明所提供的喷杆式喷雾机的控制部件结构框图；\n[0027] 图3为本发明所提供的喷杆式喷雾机的电气控制结构图；\n[0028] 图4为本发明所提供的喷杆式喷雾机的喷雾主动控制实现过程的示意图。\n具体实施方式\n[0029] 下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。\n[0030] 如图1所示本实施例包括：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，其中：外部信息感知模块测量田间作业环境信息用于喷雾参数调整的决策依据，喷雾工作参数测量模块获取喷雾机实际工作参数以形成反馈，上述两种测量参数通过CAN总线发送给喷雾主动控制系统。喷雾主动控制系统经过外部信息和工作参数与喷雾效果的映射关系数学模型计算后生成的喷雾控制参数通过CAN总线发送到喷雾实时控制模块用于喷雾工作参数的实时控制。工作参数实时控制模块通过PID控制执行部件完成喷雾工作参数的调整。\n[0031] 如图2所示为喷杆式喷雾机的控制部件结构框图。拖拉机通过液压输出装置为喷杆喷雾机提供了液压动力源，比例流量阀1的输入端经液压油管与液压输出装置联接，比例流量阀1的输出端经油管与液压马达1的输入口联接，液压马达1经联轴器与轴流风机联接；轴流风机高速转动用于产生风筒所需的风量。所述的液压输出装置还经液压油管与比例流量阀2的油路输入端联接，比例流量阀2的输出端经油管与液压马达2固定联接；液压马达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，管路中的药液经压力驱动下由喷头喷出，形成扩散雾滴；所述液压输出装置还经液压油管与三位四通电磁阀的输入端联接，三位四通电磁阀的输出端与喷雾角调整液压缸的输入端联接、三位四通电磁阀串联在液压油路中，用于完成喷雾角的连续调整。所述液压输出装置还经液压油管与手动三位四通阀1的输入端联接，手动三位四通阀1的输出端与喷杆的升降油缸的输入端联接、手动三位四通阀1串联在液压油路中，用于在喷雾准备和结束阶段完成喷杆的高度调整。所述液压输出装置还经液压油管与手动三位四通阀2的输入端联接，手动三位四通阀2的输出端与喷杆的折叠油缸的输入端联接、手动三位四通阀2串联在液压油路中，用于在喷雾准备和结束阶段完成喷杆折叠。\n[0032] 如图3所示为喷杆式喷雾机的电气控制结构图。由于喷杆喷雾机主动控制系统对实时性要求较高，为完成系统控制与用户交互工作，本发明采用上下两层控制器，即上层为精确喷雾主动控制器，下层为喷雾参数调整控制器。精确喷雾主动控制器采用ARM核心的\n32位RISC嵌入式处理器，系统通过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。ARM还通过专用的CAN总线控制芯片SJA1000与驱动芯片PCA82C250组成精确喷雾主动控制器的CAN节点与CAN总线通讯，支持CAN规范的V2.0版本。本发明用于测量作业环境参数和工作的传感器均使用具有CAN总线接口的传感器；利用二维超声波风速传感器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；使用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；使用风筒进口风速传感器测量风机下方风速，经风机直径换算成风机风量；使用药液压力传感器测量药液管路中的药液压力。\n[0033] 喷雾参数调整控制器采用TI公司的TMS320F2808型DSP控制芯片和外围扩展电路实现。TMS320F2808有内置的CAN控制器，喷雾参数调整控制器的CAN通信接口电路主要是收发器，选用CAN总线收发器SN65HVD230。所述的喷雾控制工作参数经过CAN总线通讯协议由喷雾主动控制系统发送到DSP实时PID控制模块中；DSP经通过SPI接口和D/A转换器与比例流量阀1连接，比例流量阀1的电气输入端与转换器连接、输出端与液压马达1固定联接；液压马达1经联轴器与轴流风机联接；轴流风机下方安装的风筒进口风速传感器检测的风速信号经过CAN总线反馈到DSP；比例流量阀1的开度大小由DSP实时PID控制模块控制，用于调节所述风筒的流量。所述的DSP实时PID控制模块还经另一路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经过CAN总线反馈到DSP，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DSP实时PID控制模块控制，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。所述的DSP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角度传感器测量风筒出口和喷头与垂直方向的夹角变化量反馈到DSP；三位四通电磁阀由DSP根据实际喷雾角的实时测量值，以最快响应完成喷雾角PID控制。\n[0034] 本实施例针对自然风速和作业机具的速度变化通过喷雾机主动控制系统进行工作参数控制以修正外部环境因素对喷雾效果的影响。所述系统还包含一个完整的不可分割的控制程序，其流程图如图4所示:\n[0035] 一方面，精确喷雾主动控制器上电复位后，系统初始化CAN总线通讯接口、VGA接口，然后进入菜单主界面，用户可以对作业参数进行设置，例如使用LCD交互界面设定当前喷雾量，则调用相应的参数设置程序，然后调用SD卡存储程序将设置的参数记录在SD卡上。\n[0036] 精确喷雾主动系统模块的菜单主界面进入等待状态，直到用户按动“喷雾开始”按钮；精确喷雾主动控制器读取存储于SD卡中作业参数，然后启动CAN通讯程序，外部信息感知模块开始收集传感器测量的自然风在拖拉机行走方向的水平风速、喷杆方向的水平风速和机具行走速度，并传递给精确喷雾主动控制器；精确喷雾主动控制器依据获取的上述信息计算喷雾压力、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，然后通过CAN总线通讯将最佳喷雾控制参数传递给工作参数实时控制模块，直到喷雾作业结束。\n[0037] 另一方面，喷雾参数调整控制器上电复位后，初始化CAN总线通讯接口、控制器I/O口、SPI接口、D/A接口和PID控制程序；一直等待CAN总线上喷雾参数和最佳控制参数信息。喷雾参数调整控制器从CAN总线上分别获取喷雾压力、风机流量和喷雾角的测量值，然后调用喷雾压力、轴流风机风量和喷雾角的PID控制子程序。喷雾压力、风机流量和喷雾角的实时测量值则通过CAN总线发回精确喷雾主动控制器，通过LCD进行喷雾参数显示，以实时控制喷杆喷雾机根据作业环境进行喷雾。上述过程一直循环下去，直到用户按下“喷雾停止”按钮，精确喷雾主动控制器和喷雾参数调整控制器工作结束。\n[0038] 总之，本发明通过CAN总线将精确喷雾主动控制器和喷雾参数调整控制器以及传感器信号进行连接，自动获取大田作业环境和机具行进速度动态信息，实施喷雾主动控制技术，使其能够最终根据大田作业动态环境变化，实时控制喷雾机的工作参数，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。