自适应调整幅宽式智能对行喷药机及其控制方法

1.本发明属于农业机械技术领域，尤其涉及自适应调整幅宽式智能对行喷药机及其控制方法。

背景技术：

2.截止到目前，玉米大田作业环境下，主要采用高地隙植保机和航空植保机，其一般采取全覆盖喷药的方式，可以大面积覆盖喷洒，但是作物行间的空喷不仅造成了大量药液流失，也污染了土壤和空气。现如今，我国玉米的种植模式主要以分散式小农经济为主，其特点是地块比较分散，不适合大型高地隙植保机和航空植保机进行病虫害的防治，因此在广大的农村植保机械仍然是以小型人工背负式为主，这种机械容易造成药物喷洒不均，并且操作人员与农药处于同一空间，易造成操作人员慢性中毒，严重损害劳动者的身体健康。现有的大田喷杆式施药机喷雾过程中喷头无法精准对行喷施，容易造成农药浪费，而且打药机的幅宽很难改变，对于左右两侧有阻碍的小块地形，很难开展作业。
3.综上所述，设计一种喷药机，在自适应改变喷杆喷幅的同时，使喷头自动对准不同行距的作物，已经成为亟需解决的问题。

技术实现要素：

4.为了克服现有技术存在的一系列缺陷，本发明的目的在于针对上述问题，提供自适应调整幅宽式智能对行喷药机，包括四驱电动底盘、喷洒机构、自动对行机构、自适应调整幅宽机构、喷杆升降机构13和电气控制箱9，其特征在于，所述电气控制箱9控制四驱电动底盘、喷洒机构、自动对行机构、自适应调整幅宽机构共同协作运行，达到自适应调整工作幅宽和自动调整行距的目标，从而实现智能化自动控制完成精准喷雾作业。
5.优选的，四驱电动底盘包括车架1和四个车轮2，四个车轮2分别通过相应的轮子支撑3安装到车架1上，四个车轮2分别由四个单独的电机4驱动，通过控制四个电机4的速度，利用差速，实现机器的转向和转弯。
6.优选的，喷洒机构包括安装在车架1上的药水箱10和电动隔膜泵12，药水箱10通过电动隔膜泵12连接有六个喷头17。
7.优选的，自动对行机构包括同步带滑轨15、步进电机16、滑块19和喷杆架21，其中，同步带滑轨15、步进电机16和滑块19均设置有六个且分别与六个喷头17一一对应设置，六个喷头17分别安装在相应的滑块19上，六个滑块19安装在相应的同步带滑轨15上，六个步进电机16均安装在相应同步带滑轨15的一侧，步进电机16通过相应的同步带滑轨15驱动相应的滑块19做直线平移运动，同时适应等行距和变行距，实现不同行距的精准定位；喷杆架21包括结构相同的左侧喷杆、右侧喷杆和中间喷杆，左侧喷杆与右侧喷杆分别转动连接到中间喷杆的左右两端，左侧喷杆、右侧喷杆和中间喷杆的后侧壁均安装有两个同步带滑轨15。
8.优选的，自适应调整幅宽机构包括折叠电动推杆20和六个电磁水阀，折叠电动推
杆20左右对称设置有两个，位于右侧的折叠电动推杆20的两端分别转动连接到右侧喷杆与中间喷杆的前侧壁上，位于左侧的折叠电动推杆20的两端分别转动连接到左侧喷杆与中间喷杆的前侧壁上。
9.优选的，喷杆升降机构13包括升降电动推杆18和两个连接杆，两个连接杆左右对称设置且其两端分别转动连接到车架1和中间喷杆的后侧壁上，升降电动推杆18的一端固定连接到车架1上，另一端向上倾斜设置并转动连接到中间喷杆上，通过调控升降电动推杆18的伸缩，调节喷头17的喷洒高度。
10.优选的，车架1上还设置有电池14和汽油增程器11，电池14用于为整个喷药机供电，汽油增程器11用于给电池14充电，以增加行驶里程。
11.优选的，车架1的前端左右两侧均通过相机架8安装有摄像头5，电气控制箱9包计算机和电子控制单元，摄像头5通过usb数据线连接到计算机，计算机通过usb-can转换模块与电子控制单元相连接。
12.本发明的目的还在于提供自适应调整幅宽式智能对行喷药机的控制方法，包括如下步骤：
13.步骤s1，摄像头5采集获取地面玉米状况视频信息经usb传输至计算机；
14.步骤s2，计算机将摄像头5采集的视频进行分解成以帧为单位的图像信息；
15.步骤s3，对图像信息进行预处理得到玉米行信息；
16.步骤s4，进行自适应感兴趣区域划分，判断感兴趣区域中玉米行数量，采用双目测距算法对存在的玉米行信息进行处理得到图像的横向像素坐标值；
17.步骤s5，计算机将图像中的横向像素坐标值进行坐标换算成以车架1的中心为原点的实际坐标值；
18.步骤s6，计算机根据滑块19当前位置与目标位置的差值来控制步进电机16的转动角度，进而使载有喷头17的滑块19移动到指定位置；
19.步骤s7，计算机将需要工作的玉米行位置信息通过usb-can转换模块下发到电子控制单元，电子控制单元通过控制电磁阀的关闭，自动关闭不需要的喷头17。
20.优选的，步骤s3中，对图像预处理的具体方法为：采用excess green法用颜特征因子对图像进行处理，得到玉米苗的灰度图像，将灰度图像转换为二值化图像，使用中值滤波的方法消除离散的噪点，然后再进行膨胀后腐蚀操作的形态学处理，最后用垂直投影法对预处理图像进行自适应感兴趣区域划分。
21.与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
22.本发明中，喷药机在进入田间工作时，通过分别安装在车架上方的两台摄像头实时拍摄车辆前方玉米苗的图像，然后快速的进行图像处理，得到玉米苗的苗线，测出苗线之间的距离，通过坐标转换得到玉米苗线所处的真实坐标，通过自动对行机构分别改变喷头的坐标，使喷头实现苗线对行；此外，喷药机在行驶过程中可以自动对准不同行距的玉米，并且可以根据感兴趣区域中作物行数量以及作物行的位置，自适应改变喷杆喷幅，自动关闭不需要的喷头，该装置的环境的适应能力更强，喷施精确，能节省农药使用量及减少环境污染。
附图说明
23.附图1为本发明的整体结构示意图；
24.附图2为本发明整体结构的俯视图；
25.附图3为本发明的喷杆结构示意图；
26.附图4为本发明的摄像头捕捉画面图；
27.附图5为本发明玉米苗线识别图。
28.图中附图标记为：
29.1-车架，2-车轮，3-轮子支撑，4-电机，5-摄像头，6-电机减速器，7-传动机构，8-相机架，9-电气控制箱，10-药水箱，11-汽油增程器，12-电动隔膜泵，13-喷杆升降机构，14-电池，15-同步带滑轨，16-步进电机，17-喷头，18-升降电动推杆，19-滑块，20-折叠电动推杆，21-喷杆架。
具体实施方式
30.为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
31.基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.下面通过参考附图描述的实施例以及方位性的词语均是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
33.在本发明的一个宽泛实施例中，自适应调整幅宽式智能对行喷药机，包括四驱电动底盘、喷洒机构、自动对行机构、自适应调整幅宽机构、喷杆升降机构13和电气控制箱9，其特征在于，所述电气控制箱9控制四驱电动底盘、喷洒机构、自动对行机构、自适应调整幅宽机构共同协作运行，达到自适应调整工作幅宽和自动调整行距的目标，从而实现智能化自动控制完成精准喷雾作业。
34.优选的，四驱电动底盘包括车架1和四个车轮2，四个车轮2分别通过相应的轮子支撑3安装到车架1上，四个车轮2分别由四个单独的电机4驱动，通过控制四个电机4的速度，利用差速，实现机器的转向和转弯。
35.优选的，喷洒机构包括安装在车架1上的药水箱10和电动隔膜泵12，药水箱10通过电动隔膜泵12连接有六个喷头17。
36.优选的，自动对行机构包括同步带滑轨15、步进电机16、滑块19和喷杆架21，其中，同步带滑轨15、步进电机16和滑块19均设置有六个且分别与六个喷头17—一对应设置，六个喷头17分别安装在相应的滑块19上，六个滑块19安装在相应的同步带滑轨15上，六个步进电机16均安装在相应同步带滑轨15的一侧，步进电机16通过相应的同步带滑轨15驱动相应的滑块19做直线平移运动，同时适应等行距和变行距，实现不同行距的精准定位；喷杆架21包括结构相同的左侧喷杆、右侧喷杆和中间喷杆，左侧喷杆与右侧喷杆分别转动连接到中间喷杆的左右两端，左侧喷杆、右侧喷杆和中间喷杆的后侧壁均安装有两个同步带滑轨15。
37.优选的，自适应调整幅宽机构包括折叠电动推杆20和六个电磁水阀，折叠电动推杆20左右对称设置有两个，位于右侧的折叠电动推杆20的两端分别转动连接到右侧喷杆与中间喷杆的前侧壁上，位于左侧的折叠电动推杆20的两端分别转动连接到左侧喷杆与中间喷杆的前侧壁上。
38.优选的，喷杆升降机构13包括升降电动推杆18和两个连接杆，两个连接杆左右对称设置且其两端分别转动连接到车架1和中间喷杆的后侧壁上，升降电动推杆18的一端固定连接到车架1上，另一端向上倾斜设置并转动连接到中间喷杆上，通过调控升降电动推杆18的伸缩，调节喷头17的喷洒高度。
39.优选的，车架1上还设置有电池14和汽油增程器11，电池14用于为整个喷药机供电，汽油增程器11用于给电池14充电，以增加行驶里程。
40.优选的，车架1的前端左右两侧均通过相机架8安装有摄像头5，电气控制箱9包计算机和电子控制单元，摄像头5通过usb数据线连接到计算机，计算机通过usb-can转换模块与电子控制单元相连接。
41.本发明的目的还在于提供自适应调整幅宽式智能对行喷药机的控制方法，包括如下步骤：
42.步骤s1，摄像头5采集获取地面玉米状况视频信息经usb传输至计算机；
43.步骤s2，计算机将摄像头5采集的视频进行分解成以帧为单位的图像信息；
44.步骤s3，对图像信息进行预处理得到玉米行信息；
45.步骤s4，进行自适应感兴趣区域划分，判断感兴趣区域中玉米行数量，采用双目测距算法对存在的玉米行信息进行处理得到图像的横向像素坐标值；
46.步骤s5，计算机将图像中的横向像素坐标值进行坐标换算成以车架1的中心为原点的实际坐标值；
47.步骤s6，计算机根据滑块19当前位置与目标位置的差值来控制步进电机16的转动角度，进而使载有喷头17的滑块19移动到指定位置；
48.步骤s7，计算机将需要工作的玉米行位置信息通过usb-can转换模块下发到电子控制单元，电子控制单元通过控制电磁阀的关闭，自动关闭不需要的喷头17。
49.优选的，步骤s3中，对图像预处理的具体方法为：采用excess green法用颜特征因子对图像进行处理，得到玉米苗的灰度图像，将灰度图像转换为二值化图像，使用中值滤波的方法消除离散的噪点，然后再进行膨胀后腐蚀操作的形态学处理，最后用垂直投影法对预处理图像进行自适应感兴趣区域划分。
50.下面结合附图，列举本发明的优选实施例，对本发明作进一步的详细说明。
51.图1-2所示，自适应调整幅宽式智能对行喷药机，包括四驱电动底盘、喷洒机构、自动对行机构、自适应调整幅宽机构，电气控制箱9。
52.如图1所示，四驱电动底盘包括四个车轮2和安装支撑在四个车轮2上的车架1，四个车轮1分别由四个单独的电机4驱动，通过控制左右侧的电机4的速度，利用差速，实现机器的转向和转弯。电机4通过电机减速机6、传动机构7进行传动，其中：电机减速机6利用齿轮的速度转换器，将电机的回转数减速到所要的回转数，并得到较大转矩，降速同时提高输出扭矩；传动机构7通过链传动，将电机减速机6输出的动力远距离传输至车轮2，驱动车辆行驶。
53.如图1所示，喷洒机构包括安装在车架1上的药水箱10、电动隔膜泵12以及安装在滑块19上的六个喷头17。
54.如图2所示，自动对行机构由步进电机16，载有喷头17的滑块19组成，步进电机16通过同步带滑轨15驱动滑块19做直线平移运动；六个滑块19分别由六个单独的步进电机16驱动，能同时适应等行距和变行距，可以实现不同行距的精准定位。
55.如图2所示，自适应调整幅宽机构由喷杆左右侧折叠电动推杆20，六个电磁水阀以及自动对行机构组成。六个电磁水阀分别控制六个喷头17的关闭。控制电动推杆20的伸缩可以使最外侧喷头17对准玉米行，使喷杆的工作幅宽可以根据作业行数以及行距自适应调整。在自动对行机构和左右侧折叠电动推杆20的配合下，可以实现自适应调整幅宽的功能。
56.电气控制箱9控制四驱电动底盘、喷洒机构、自动对行机构、自适应调整幅宽机构共同协作运行，以实现对玉米植株精准喷药。
57.自动调整行距的控制方法包括如下步骤：
58.s1，摄像头5采集获取地面玉米状况视频信息经usb传输至计算机；
59.s2，计算机将摄像头5采集的视频进行分解成以帧为单位的图像信息；
60.s3，对图像信息进行预处理得到玉米行信息；
61.s4，采用双目测距算法对玉米行信息进行处理得到图像的横向像素坐标值；
62.s5，计算机将图像中的横向像素坐标值进行坐标换算成以车架1的中心为原点的实际坐标值；
63.s6，计算机根据滑块19当前位置与目标位置的差值来控制步进电机16的转动角度，进而使载有喷头17的滑块19移动到指定位置，使喷头17可以对准作物行喷洒，喷施精确，减少环境污染。
64.步骤s3中，对图像预处理的具体方法为：采用excess green法用颜特征因子对图像进行处理，得到玉米苗的灰度图像，将灰度图像转换为二值化图像，使用中值滤波的方法消除离散的噪点，然后再进行膨胀后腐蚀操作的形态学处理。最后用垂直投影法对预处理图像进行自适应感兴趣区域划分。
65.第一步，当植保喷雾机在启动后，车辆驶入农田，此时在人机交互界面上点击启动喷头17自动对行系统，车架1的上方的两个摄像头5开始拍摄视频经usb传输至计算机，计算机将摄像头5采集的视频进行分解成以帧为单位的图像信息，经过预处理后，采用双目测距算法对玉米行信息进行处理得到图像的横向像素坐标值。
66.第二步，计算机将图像中的横向像素坐标值进行坐标换算成世界坐标系下以车架1的中心为原点的实际横向坐标值，从而得到各行玉米中心线的实际横向坐标值。
67.第三步，计算机通过usb-can转接方式与电子控制单元通信，电子控制单元通过控制步进电机16转动的角度调整载有喷头17的滑块19的位置。根据第二步得到的横向坐标值，计算机通过usb-can转换模块，将数据下发到电子控制单元，电子控制单元根据当前位置与目标位置的差值，计算出步进电机16的转动角度，控制步进电机16转动，进而使载有喷头17的滑块19移动到指定位置，利用编码器实时获得步进电机16的转动角度，反馈至电子控制单元，实现角度闭环控制，使喷头17可以对准作物行喷洒，喷施精确，减少环境污染。
68.自适应调整工作幅宽控制方法包括如下步骤：
69.s1，摄像头5采集获取地面玉米状况视频信息经usb传输至计算机；
70.s2，计算机将摄像头5采集的视频进行分解成以帧为单位的图像信息；
71.s3，对图像信息进行预处理得到玉米行信息；
72.s4，进行自适应感兴趣区域划分，判断感兴趣区域中玉米行数量，采用双目测距算法对存在的玉米行信息进行处理得到图像的横向像素坐标值；
73.s5，计算机将图像中的横向像素坐标值进行坐标换算成以车架1的中心为原点的实际坐标值；
74.s6，计算机将需要工作的玉米行位置信息通过usb-can转换模块下发到电子控制单元，电子控制单元通过控制电磁阀的关闭，自动关闭不需要的喷头17。
75.s7，左侧喷杆负责2行玉米，中间喷杆负责两行玉米，右侧喷杆负责两行玉米，最大工作幅宽是6行玉米。如果视野中只有5行玉米，例如左侧喷杆负责区域只有1行玉米，电子控制单元控制步进电机16将最左侧喷头17移动到左侧喷杆的最左端，固定保持不动。电子控制单元控制左侧第二个电磁阀，关闭左侧第二个喷头17。电子控制单元根据计算出的玉米行坐标值控制电动推杆进行喷杆的折叠，使最外侧喷头17可以对准玉米行，实现自适应调整幅宽的功能。如果右侧喷杆负责区域只有1行玉米，控制方法同左侧喷杆。当左侧喷杆或者右侧喷杆负责区域没有要作业的玉米行时，电子控制单元控制左侧喷杆或者右侧喷杆处的二个电磁阀同时保持关闭状态，同时关闭左侧或者右侧两个喷头17，电子控制单元控制左侧喷杆或者右侧喷杆的电动推杆进行喷杆的折叠，使左侧喷杆或者右侧喷杆完全折叠，实现自适应调整幅宽的功能。喷杆的工作幅宽可以自适应调整为2行、3行、4行、5行、6行，搭配实施例1中的自动对行功能，可以适应不同的玉米行距，同时实现自动对行功能和自适应调整幅宽功能。
76.步骤s3中，对图像预处理的具体方法为：采用excess green法用颜特征因子对图像进行处理，得到玉米苗的灰度图像，将灰度图像转换为二值化图像，使用中值滤波的方法消除离散的噪点，然后再进行膨胀后腐蚀操作的形态学处理。最后用垂直投影法对预处理图像进行自适应感兴趣区域划分。
77.最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：

1.自适应调整幅宽式智能对行喷药机，包括四驱电动底盘、喷洒机构、自动对行机构、自适应调整幅宽机构、喷杆升降机构(13)和电气控制箱(9)，其特征在于，所述电气控制箱(9)控制四驱电动底盘、喷洒机构、自动对行机构、自适应调整幅宽机构共同协作运行，达到自适应调整工作幅宽和自动调整行距的目标，从而实现智能化自动控制完成精准喷雾作业。2.根据权利要求1所述的自适应调整幅宽式智能对行喷药机，其特征在于，四驱电动底盘包括车架(1)和四个车轮(2)，四个车轮(2)分别通过相应的轮子支撑(3)安装到车架(1)上，四个车轮(2)分别由四个单独的电机(4)驱动，通过控制四个电机(4)的速度，利用差速，实现机器的转向和转弯。3.根据权利要求2所述的自适应调整幅宽式智能对行喷药机，其特征在于，喷洒机构包括安装在车架(1)上的药水箱(10)和电动隔膜泵(12)，药水箱(10)通过电动隔膜泵(12)连接有六个喷头(17)。4.根据权利要求3所述的自适应调整幅宽式智能对行喷药机，其特征在于，自动对行机构包括同步带滑轨(15)、步进电机(16)、滑块(19)和喷杆架(21)，其中，同步带滑轨(15)、步进电机(16)和滑块(19)均设置有六个且分别与六个喷头(17)一一对应设置，六个喷头(17)分别安装在相应的滑块(19)上，六个滑块(19)安装在相应的同步带滑轨(15)上，六个步进电机(16)均安装在相应同步带滑轨(15)的一侧，步进电机(16)通过相应的同步带滑轨(15)驱动相应的滑块(19)做直线平移运动，同时适应等行距和变行距，实现不同行距的精准定位；喷杆架(21)包括结构相同的左侧喷杆、右侧喷杆和中间喷杆，左侧喷杆与右侧喷杆分别转动连接到中间喷杆的左右两端，左侧喷杆、右侧喷杆和中间喷杆的后侧壁均安装有两个同步带滑轨(15)。5.根据权利要求4所述的自适应调整幅宽式智能对行喷药机，其特征在于，自适应调整幅宽机构包括折叠电动推杆(20)和六个电磁水阀，折叠电动推杆(20)左右对称设置有两个，位于右侧的折叠电动推杆(20)的两端分别转动连接到右侧喷杆与中间喷杆的前侧壁上，位于左侧的折叠电动推杆(20)的两端分别转动连接到左侧喷杆与中间喷杆的前侧壁上。6.根据权利要求5所述的自适应调整幅宽式智能对行喷药机，其特征在于，喷杆升降机构(13)包括升降电动推杆(18)和两个连接杆，两个连接杆左右对称设置且其两端分别转动连接到车架(1)和中间喷杆的后侧壁上，升降电动推杆(18)的一端固定连接到车架(1)上，另一端向上倾斜设置并转动连接到中间喷杆上，通过调控升降电动推杆(18)的伸缩，调节喷头(17)的喷洒高度。7.根据权利要求2所述的自适应调整幅宽式智能对行喷药机，其特征在于，车架(1)上还设置有电池(14)和汽油增程器(11)，电池(14)用于为整个喷药机供电，汽油增程器(11)用于给电池(14)充电，以增加行驶里程。8.根据权利要求2所述的自适应调整幅宽式智能对行喷药机，其特征在于，车架(1)的前端左右两侧均通过相机架(8)安装有摄像头(5)，电气控制箱(9)包计算机和电子控制单元，摄像头(5)通过usb数据线连接到计算机，计算机通过usb-can转换模块与电子控制单元相连接。9.根据权利要求1-8任一所述的自适应调整幅宽式智能对行喷药机的控制方法，其特
征在于，包括如下步骤：步骤s1，摄像头(5)采集获取地面玉米状况视频信息经usb传输至计算机；步骤s2，计算机将摄像头(5)采集的视频进行分解成以帧为单位的图像信息；步骤s3，对图像信息进行预处理得到玉米行信息；步骤s4，进行自适应感兴趣区域划分，判断感兴趣区域中玉米行数量，采用双目测距算法对存在的玉米行信息进行处理得到图像的横向像素坐标值；步骤s5，计算机将图像中的横向像素坐标值进行坐标换算成以车架(1)的中心为原点的实际坐标值；步骤s6，计算机根据滑块(19)当前位置与目标位置的差值来控制步进电机(16)的转动角度，进而使载有喷头(17)的滑块(19)移动到指定位置；步骤s7，计算机将需要工作的玉米行位置信息通过usb-can转换模块下发到电子控制单元，电子控制单元通过控制电磁阀的关闭，自动关闭不需要的喷头(17)。10.根据权利要求9所述的自适应调整幅宽式智能对行喷药机的控制方法，其特征在于，步骤s3中，对图像预处理的具体方法为：采用excess green法用颜特征因子对图像进行处理，得到玉米苗的灰度图像，将灰度图像转换为二值化图像，使用中值滤波的方法消除离散的噪点，然后再进行膨胀后腐蚀操作的形态学处理，最后用垂直投影法对预处理图像进行自适应感兴趣区域划分。

技术总结

本发明提供了自适应调整幅宽式智能对行喷药机及其控制方法，该喷药机包括四驱电动底盘、喷洒机构、自动对行机构、自适应调整幅宽机构、喷杆升降机构和电气控制箱，电气控制箱控制四驱电动底盘、喷洒机构、自动对行机构、自适应调整幅宽机构共同协作运行，达到自适应调整工作幅宽和自动调整行距的目标，从而实现智能化自动控制完成精准喷雾作业。本发明中，本发明中，喷药机在进入田间工作时，通过分别安装在车架上方的两台摄像头实时拍摄车辆前方玉米苗的图像，然后快速的进行图像处理，得到玉米苗的苗线，测出苗线之间的距离，通过坐标转换得到玉米苗线所处的真实坐标，通过自动对行机构分别改变喷头的坐标，使喷头实现苗线对行。行。行。