一种折叠式仿形喷雾机及其仿形喷雾点定位方法

文档序号：25518266发布日期：2021-06-18 20:03阅读：89来源：国知局

本发明涉及喷雾机技术领域，具体涉及一种折叠式仿形喷雾机及其仿形喷雾点定位方法。

背景技术：

近年来，我国果园与林木种植面积逐年增长，面对林木病虫害侵袭，化学农药防治是有效的途径之一。传统方式喷施农药防治林木病虫害防治，农药利用率低下，造成了严重的农药残留和环境污染，因此，精准施药技术迎来了快速发展。

仿形变量喷雾技术是实现精确施药的一种重要技术方式。仿形喷雾机根据树木冠层轮廓，调整喷雾机机臂上喷头组以匹配树木冠层轮廓形状，进行对靶喷雾作业，以提高雾滴在树木冠层分布的均匀性和农药施用效率。目前的仿形喷雾机主要有变喷杆仿形喷雾机、双摇臂仿形喷雾机、机械臂式仿形喷雾机，门架式仿形喷雾机和三位一体式仿形喷雾机等类型。上述结构的仿形喷雾机存在仿形机构笨重庞大、自动化程度低、仿形精度差、操作难度大以及效率低下等问题。在仿形喷雾点定位方面，普遍采用人为手动控制，该控制方式定位精度差、操作难度大。因此，亟需设计一种新的技术方案，以综合解决现有技术中存在的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种折叠式仿形喷雾机及其仿形喷雾点定位方法，能有效解决现有仿形喷雾机结构庞大、自动化程度低、仿形精度差、效率低、定位精度差、难度大的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：

一种折叠式仿形喷雾机，包括行走车体、用以探测树冠的激光扫描检测单元以及用以喷洒农药的仿形喷雾机构；行走车体包括车箱和行走底盘，车箱内设有电气控制单元和喷雾供液单元；所述激光扫描检测单元包括设在车箱上的用于获得扫描检测点的激光扫描传感器；所述仿形喷雾机构包括：

对称设在车箱两侧的若干主折叠单元，所述主折叠单元包括折叠主杆，折叠主杆的一端与车箱铰接，折叠主杆的另一端设有传感设备；

间隔设在折叠主杆上的若干伸缩滑动单元，所述伸缩滑动单元均包括固定杆和移动杆，所述固定杆的一端滑动设置在折叠主杆上、且固定杆均沿折叠主杆的杆长方向运动，所述移动杆与固定杆平行，且移动杆沿固定杆杆长方向滑动；移动杆远离固定杆一端设有喷雾组件。

进一步地，所述折叠主杆与车箱的铰接处设有驱使折叠主杆展开或折叠的第一驱动组件，所述折叠主杆上沿其杆长方向设有第一齿条和第一导轨，所述第一齿条通过减速器与第一步进电机连接，固定杆端部设有与第一齿条啮合的第一齿轮以及与第一导轨相配合的第一滑台，固定杆通过第一步进电机带动所述第一齿轮和第一滑台沿折叠主杆的杆长方向运动；所述固定杆的端部还设有第一编码器，所述第一编码器通过第一联轴器与第一步进电机连接。

进一步地，所述第一驱动机构包括第一步进推杆，第一步进推杆的一端通过第一推杆连接座铰接在折叠主杆下段、另一端通过第一推杆固定座铰接在车箱顶面，所述第一步进推杆启动，拉动折叠主杆向车箱侧转动、直至折叠主杆平行于车箱顶面；所述第一推杆连接座对面的折叠主杆上设有第一检测挡板。

进一步地，所述第一滑台通过固定板安装在固定杆端部，第一滑台对面的固定板上设有传感器，所述固定板一端朝向移动杆一侧延伸、且在固定板端部设置第二检测挡板。

进一步地，固定杆上沿其杆长方向设有第二齿条和第二导轨，所述第二齿条与第二步进电机连接，移动杆端部设有与第二齿条啮合的第二齿轮以及与第二导轨相配合的第二滑台，移动杆通过第二步进电机带动所述第二齿轮和第二滑台沿固定杆的杆长方向运动；所述移动杆的端部还设有第二编码器，所述第二编码器通过第二联轴器与第二步进电机连接，移动杆的杆身上还设有与喷雾组件配合使用的电磁阀和无刷离心风机。

进一步地，所述喷雾组件包括舵机、喷气罩和喷头，所述无刷离心风机的出风口通过导管与喷气罩连接，电磁阀的出口与喷头进水口连接，舵机的固定臂与所述移动杆远离折叠主杆端的端部固定连接，所述喷头和喷气罩与舵机的旋转臂固定连接。

进一步地，所述折叠主杆包括至少两根折叠杆，近车箱端的折叠杆端部与车箱铰接、且第一驱动组件设置在折叠杆与车箱的相接处，所述传感设备设在远车箱端的折叠杆端部，相邻两折叠杆之间铰接，且两折叠杆的铰接处设有驱使两折叠杆展开或折叠的第二驱动组件；所述第二驱动机构包括第二步进推杆，第二步进推杆的一端通过第二推杆连接座铰接在远车箱端折叠杆上、另一端通过第二推杆固定座铰接在第一折叠杆上段，所述第二步进推杆启动，拉动远车箱端的折叠杆向近车箱端的折叠杆侧转动、直至两折叠杆平行。

更进一步地，电气控制单元包括用以控制激光扫描传感器的激光扫描探测控制箱、用以操控行走底盘的行走底盘控制箱、用于控制喷雾供液单元的喷雾控制箱以及用于操控主折叠单元和伸缩滑动单元的机构控制箱；喷雾供液单元包括水箱、水泵、空气罐与压力表，水箱、水泵、空气罐与压力表依序通过水管连接，压力表出口通过水管分接各个伸缩滑动单元。

并提供一种折叠式仿形喷雾机的仿形喷雾点定位方法，包括以下步骤：

确定车箱一侧n个伸缩滑动单元从下至上分别对应的活动区域a1～an，且其在z方向的位置界限[zdown,zup]分别为[z0,z1]…[zn-1,zn]；

令任意一个检测点为jc＝(y,z)，激光扫描传感器探测树冠获得检测点分区d计算方法如下，其中活动区域a1～an与激光扫描传感器探测树冠获得的检测点分区d1～dn一一对应：

在每个检测点分区内，对应的伸缩滑动单元的喷雾定位点计算方法如下：

每个检测点分区d内，x方向采集m次，激光扫描传感器采集树冠获得的点云数据坐标pdata为：

根据采集点坐标数据，通过最小二乘法方法求得拟合直线的斜率k，多个采集点的数据中心点的a(ya,za)计算如下：

采集点上界限线是dup＝max(pdata(z))，采集点下界限线是ddown＝min(pdata(z))，其中max(pdata(z))表示求解点云坐标数据pdata中点坐标中最大的z值；m为x方向激光扫描采集次数；n为y方向激光扫描采集次数；ya、za分别是中心点a的y、z方向的坐标；i、j分别为采集点行、列下标序号值；

通过点a，以斜率k画直线，交于直线dup与ddown于b、c点，线段bc表示喷雾区域，过点a以斜率画直线，理想喷雾距离是lp，此时理想仿形喷雾位置点p1；

zup与zdown分别是伸缩滑动单元的喷头在z方向的上下工作界限；yl与yr左右是伸缩滑动单元的喷头到达在y方向的左右工作界限；θ1与θ2分别为喷头理想的旋转角度与实际的旋转，θ1＝arctan(k)；p2实际喷雾喷雾点；

根据理想仿形喷雾位置点p1位于伸缩滑动单元的喷头的y、z方向的工作界限的位置的9种情况，每种情况的实际喷雾喷雾点p2与喷头实际的旋转角度θ2计算分别如下：

情况1：当时，p2＝(ya-lpsinθ1,za+lpcosθ1)，θ2＝θ1；

情况2：当时，p2＝(yr,za+lpcosθ1),

情况3：当时，p2＝(yr,zup)，

情况4：当时，p2＝(ya-lpsinθ1,zup)，

情况5：当时，p2＝(yl,zup)，

情况6：当时，p2＝(yl,zdown)，

情况7：当时，p2＝(yl,za+lpcosθ1),

情况8：当时，

p2＝(ya-lpsinθ1,zdown)，

情况9：当时，p2＝(yr,zdown)，

上述技术方案中提供的折叠式仿形喷雾机及其仿形喷雾点定位方法，该仿形喷雾机通过铰接的折叠主杆和滑动连接的伸缩滑动单元，实现可折叠效果，在非使用时，通过铰接处进行折叠操作，便于运输与仓储，另外各个结构呈现模块化，便于后期的维修与保养；另外，本发明的仿形喷雾机适用性强，可根据不同使用需求，达到以下五种适用情形：双侧机构仿形喷雾，适用于果园果树喷雾；单侧机构仿形喷雾，适用公路旁的行道树木；双侧机构类喷杆式喷雾，适用于种植园篱架型植物；单侧机构类喷杆式喷雾，适用于道路边篱架型植物；双侧机构均折叠，用于运输与仓储。

本发明在折叠主杆与车箱的铰接处设有第一驱动组件，通过第一驱动组件驱使折叠主杆展开或折叠，实现自动化控制；对于折叠主杆与伸缩滑动单元之间的连接，本发明采用在折叠主杆上设置第一齿条和第一导轨，在与折叠主杆接触的固定杆端部设置第一齿轮和第一滑台，利用齿轮与齿条的啮合作用，滑台与导轨的卡接作用，较好地带动伸缩滑动单元在折叠主杆上的位移变动；同时采用相似的连接方式实现固定杆与移动杆的滑动，实现折叠和减少不使用时占用空间的问题。

最后，本发明提供的仿形喷雾点定位方法，其根据激光扫描传感器检测数目冠层获得的点云数据，精准计算仿形喷雾点的定位位置点，实现仿形喷雾点的精准定位，进而使仿形机构达到仿形控制的目的。

附图说明

图1为实施例1所述折叠式仿形喷雾机的折叠状态示意图；

图2为实施例2所述折叠式仿形喷雾机的折叠状态示意图；

图3为图2中a处放大结构示意图；

图4为本发明所述车箱内部结构示意图；

图5为实施例2折叠式仿形喷雾机的展开状态示意图；

图6为实施例2折叠式仿形喷雾机的单侧展开状态示意图；

图7为本发明激光扫描传感器探测树木冠层示意图；

图8为理想喷雾点所处位置的9种情况示意图；

图9情况1～9的实际喷雾点定位示意图。

图中：100.行走车体；110.行走底盘；120.车箱；121.直角加固件；122.旋转固定支撑座；130.机构控制箱；140.喷雾控制箱；150.喷雾供液单元；151.压力表；152.空气罐；153.水泵；154.水箱；160.行走底盘控制箱；170.激光扫描探测控制箱；180.动力电源；200.主折叠单元；210.第一折叠杆；220.第二折叠杆；230.第一驱动机构；231.第一推杆连接座；232.第一步进推杆；233.第一推杆固定座；240.第二驱动机构；241.第二推杆连接座；242.第二步进推杆；243.第二推杆固定座；250.旋转铰链；260.第一齿条；261.齿条安装件；270.第一导轨；280.第一传感器；281.传感器安装板；290.第一检测挡板；300.伸缩滑动单元；310.固定杆；311.第一齿轮；312.减速器；313.第一步进电机；314.第一联轴器；315.第一编码器；316.滚轮支撑杆；317.滚轮；318.第一滑台；320.移动杆；321.第二齿轮；322.无刷离心风机；323.第二步进电机；324.第二联轴器；325.第二编码器；326.电磁阀；327.第二滑台；330.喷雾组件；331.舵机；332.喷气罩；333.喷头；340.第二传感器；341.固定板；350.第二检测挡板；360.第二齿条；370.第二导轨；400.激光扫描检测单元；410.激光扫描传感器；420.传感器支撑架；500.树冠。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体说明。应当理解，以下文字仅仅用以描述本发明的一种或几种具体的实施方式，并不对本发明具体请求的保护范围进行严格限定。

实施例1

本实施例采取的技术方案如图1、图4所示，一种折叠式仿形喷雾机，包括主折叠单元200、伸缩滑动单元300、激光扫描检测单元400和行走车体100，激光扫描检测单元400包括激光扫描传感器410和传感器支撑架420，行走车体100包括车箱120和设置在车箱120下方的行走底盘110；以下部分可参考图2和图3，激光扫描传感器410通过传感器支撑架420固定在车箱120上方中部，主折叠单元200包括两个对称设置在车箱120顶部两侧的折叠主杆，本实施例的折叠主杆为一根折叠杆(为便于说明，将此折叠杆称为第一折叠杆210，下同)，第一折叠杆210一端端部通过旋转固定支撑座122铰接在车箱120顶面，另一端通过传感器安装板281设有第一传感器280，旋转固定支撑座122处还设有用于加固的直角加固件121，第一折叠杆210下段与车箱120顶面之间还设有驱动第一折叠杆210转动的第一驱动机构230，第一驱动机构230包括第一步进推杆232，第一步进推杆232的一端通过第一推杆连接座231铰接在第一折叠杆210上，另一端通过第一推杆固定座233铰接在车箱120顶面；折叠时，第一步进推杆232开启，拉动第一折叠杆210向车箱120侧转动、直至第一折叠杆210平行于车箱120顶面；位于第一推杆连接座231对面的第一折叠杆210上固定有第一检测挡板290，对称布置的第一折叠杆210的外侧面均设有第一导轨270，与第一导轨270相邻的第一折叠杆210侧面设有第一齿条260，第一齿条260通过间隔布置的齿条安装件261固定在第一折叠杆210上；

伸缩滑动单元300一共设置四个且每根折叠杆上设有两个，伸缩滑动单元300垂直于折叠主杆布置，且包括平行布置的固定杆310和移动杆320，固定杆310的一端设有第一编码器315以及与第一齿条260相配合的第一齿轮311，第一齿轮311由第一步进电机313控制，第一编码器315与第一步进电机313之间通过第一联轴器314连接，在第一步进电机313与第一齿轮311之间还设有减速器312，具体地，第一步进电机313的轴与减速器312的后端轴联接，减速器312的前端轴与第一齿轮311固定连接，第一编码器315通过编码器安装板安装在固定杆310上；固定杆310近第一导轨270的一侧还设有与第一导轨270卡接的第一滑台318，第一滑台318间隔设有两块，分别安装在固定板341近第一导轨270的一面，固定板341远离第一导轨270的一面设有两个间隔布置的第二传感器340，固定板341一端向移动杆320侧延伸，且在固定板341端部设置与第一传感器280配合使用的第二检测挡板350，本实施例中第一传感器280为接触式传感器，当其与第二检测挡板350之间的距离小于4mm时，起作用，实现机构行程限位；固定杆310通过第一齿轮311和第一滑台318沿折叠主杆的杆长方向运动，实现伸缩滑动单元300分布在；固定杆310上沿其杆长方向还设有第二齿条360，第二齿条360与第一齿条260类似，均是通过间隔布置的齿条安装件261固定在固定杆310上，与移动杆320相接的固定杆310侧面还设有第二导轨370。

移动杆320端部设有第二编码器325以及与第二齿条360相配合的第二齿轮321，第二齿轮321由第二步进电机323控制，第二编码器325与第二步进电机323之间通过第二联轴器324连接，第二编码器325通过编码器安装板安装在移动杆320上，第二步进电机323固定安装在移动杆320上；移动杆320近第二导轨370的一侧还设有与第二导轨370卡接的第二滑台327，移动杆320通过第二齿轮321和第二滑台327沿固定杆310的杆长方向运动。移动杆320的杆身上设有无刷离心风机322和电磁阀326，喷雾组件330包括舵机331、喷气罩332和喷头333，无刷离心风机322的出风口通过导管与喷气罩332连接，电磁阀326的出口与喷头333进水口连接，舵机331的固定臂与移动杆320的端部固定连接，喷头333和喷气罩332通过螺栓与舵机331的旋转臂固定连接；另外，为了对移动杆320进行稳固支撑，本实施例还在设有第一导轨270的固定杆310端部设有用以支撑移动杆320的滚轮317，滚轮317通过滚轮支撑杆316对移动杆320进行支撑。

本实施例的车箱120内设有电器控制单元、喷雾供液单元150和动力电源180，电气控制单元包括用以控制激光扫描传感器的激光扫描探测控制箱170、用以操控行走底盘110的行走底盘控制箱160、用于控制喷雾供液单元150的喷雾控制箱140以及用于操控主折叠单元200和伸缩滑动单元300的机构控制箱130，具体安装时，激光扫描探测控制箱170与行走底盘控制箱160并排连接，固定安装在车箱120内的一端；喷雾控制箱140与机构控制箱130并排连接，固定安装在车箱120内的另一端；喷雾供液单元150包括水箱154、水泵153、空气罐152与压力表151，水箱154、水泵153、空气罐152与压力表151依序通过水管连接，压力表151出口通过水管分接各个伸缩滑动单元300的电磁阀326。

实施例2

本实施例采取的技术方案如图1所示，一种折叠式仿形喷雾机，包括主折叠单元200、伸缩滑动单元300、激光扫描检测单元400和行走车体100，激光扫描检测单元400包括激光扫描传感器410和传感器支撑架420，行走车体100包括车箱120和设置在车箱120下方的行走底盘110；激光扫描传感器410通过传感器支撑架420固定在车箱120上方中部，主折叠单元200包括对称设置在车箱120顶部两侧的折叠主杆，本实施例的折叠主杆为两根铰接的折叠杆，这里为了区分，将其称之为第一折叠杆210和第二折叠杆220，其中，第一折叠杆210为近车箱120侧的折叠杆，第二折叠杆220为远车箱120侧的折叠杆；第一折叠杆210一端端部通过旋转固定支撑座122铰接在车箱120顶面，另一端通过旋转铰链250与第二折叠杆220一端相连，旋转固定支撑座122处还设有用于加固的直角加固件121，第二折叠杆220另一端通过传感器安装板281设有第一传感器280，第一折叠杆210下段与车箱120顶面之间还设有驱动第一折叠杆210转动的第一步进推杆232，第一步进推杆232的一端通过第一推杆连接座231铰接在第一折叠杆210上，另一端通过第一推杆固定座233铰接在车箱120顶面；位于推杆连接座对面的第一折叠杆210上固定有第一检测挡板290，对称布置的折叠杆的外侧面均设有第一导轨270，与第一导轨270相邻的折叠杆侧面设有第一齿条260，第一齿条260通过间隔布置的齿条安装件261固定在折叠杆上；在第一折叠杆210与第二折叠杆220的铰接处，本实施例还设置用于驱动第二折叠杆220转动的第二驱动机构240，第二驱动机构240包括第二步进推杆242，第二步进推杆242的一端通过第二推杆连接座241铰接在第二折叠杆220上，另一端通过第二推杆固定座243铰接在第一折叠杆210的上段；折叠时，第一步进推杆232启动，拉动第一折叠杆210向车箱120侧转动、直至第一折叠杆210平行于车箱120顶面，第二步进推杆242启动，拉动第二折叠杆220向第一折叠杆210侧转动、直至第二折叠杆220平行于第一折叠杆210，即实现折叠主杆的折叠。

伸缩滑动单元300一共设置八个且每根折叠杆上设有两个，伸缩滑动单元300垂直于折叠主杆布置，且包括平行布置的固定杆310和移动杆320，固定杆310的一端设有第一编码器315以及与第一齿条260相配合的第一齿轮311，第一齿轮311由第一步进电机313控制，第一编码器315与第一步进电机313之间通过第一联轴器314连接，在第一步进电机313与第一齿轮311之间还设有减速器312，具体地，第一步进电机313的轴与减速器312的后端轴联接，减速器312的前端轴与第一齿轮311固定连接，第一编码器315通过编码器安装板安装在固定杆310上；固定杆310近第一导轨270的一侧还设有与第一导轨270卡接的第一滑台318，第一滑台318间隔设有两块，分别安装在固定板341近第一导轨270的一面，固定板341远离第一导轨270的一面设有两个间隔布置的第二传感器340，固定板341一端向移动杆320侧延伸，且在固定板341端部设置第二检测挡板350；固定杆310通过第一齿轮311和第一滑台318沿折叠主杆的杆长方向运动，实现伸缩滑动单元300分布在；固定杆310上沿其杆长方向还设有第二齿条360，第二齿条360与第一齿条260类似，均是通过间隔布置的齿条安装件261固定在固定杆310上，与移动杆320相接的固定杆310侧面还设有第二导轨370。

移动杆320端部设有第二编码器325以及与第二齿条360相配合的第二齿轮321，第二齿轮321由第二步进电机323控制，第二编码器325与第二步进电机323之间通过第二联轴器324连接，第二编码器325通过编码器安装板安装在移动杆320上，第二步进电机323固定安装在移动杆320上；移动杆320近第二导轨370的一侧还设有与第二导轨370卡接的第二滑台327，移动杆320通过第二齿轮321和第二滑台327沿固定杆310的杆长方向运动。移动杆320的杆身上设有无刷离心风机322和电磁阀326，喷雾组件330包括舵机331、喷气罩332和喷头333，无刷离心风机322的出风口通过导管与喷气罩332连接，电磁阀326的出口与喷头333进水口连接，舵机331的固定臂与移动杆320的端部固定连接，喷头333和喷气罩332通过螺栓与舵机331的旋转臂固定连接；另外，为了对移动杆320进行稳固支撑，本实施例还在设有第一导轨270的固定杆310端部设有用以支撑移动杆320的滚轮，滚轮通过滚轮支撑杆316对移动杆320进行支撑。

实施例3

本实施例以实施例2为例，对折叠式仿形喷雾机的仿形喷雾点定位方法进行说明，由于左右两个仿形机构的仿形喷雾位置点计算方法相同，下面以右仿形机构的仿形喷雾位置点计算方法进行说明，如图7所示，右仿形机构的四个伸缩滑动单元从下至上分别对应活动区域a1～a4，其z方向位置界限[zdown,zup]分别为[z0,z1],[z1,z2],[z2,z3],[z3,z4]。

根据4个伸缩滑动单元对应的活动区域a1～a4在z方向位置界限[zdown,zup]，令任意一个检测点为jc＝(y,z)，激光扫描传感器420探测树冠500获得检测点分区d计算方法：

如图7，右仿形机构上的4个伸缩滑动单元分别对应活动区域a1～a4与扫描传感器探测树冠获得的检测点分区d1～d4一一对应，每个检测点分区内，对应的伸缩滑动单元的喷头的喷雾定位点计算方法均相同，下面作统一说明。

如图8和图9，每个检测点分区d内，x方向采集m次，激光扫描传感器采集树冠获得的点云数据坐标pdata是：

根据采集点坐标数据，通过最小二乘法方法求得拟合直线的斜率k。多个采集点的数据中心点a(ya,za)的计算如下：

通过点a，以斜率k画直线，交于直线dup与ddown于b、c点，线段bc表示喷雾区域，过点a以斜率画直线，理想喷雾距离是lp，此时理想仿形喷雾位置点p1。

zup与zdown分别是伸缩滑动单元的喷头在z方向的上下工作界限；yl与yr左右是伸缩滑动单元的喷头到达在y方向的左右工作界限；θ1与θ2分别为喷头理想的旋转角度与实际的旋转，θ1＝arctan(k)；p2实际喷雾喷雾点。

如图9，根据理想仿形喷雾位置点p1位于伸缩滑动单元的喷头的y、z方向的工作界限的位置的9种情况，每种情况的实际喷雾喷雾点p2与喷头实际的旋转角度θ2计算分别如下：