基本信息
- 项目名称：
- 基于车载自适性平台的自动喷洒农药机
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 针对我国缺乏相对高效廉价施药机具的现状，以创新、实用、经济和环保的设计原则，研制出一种适用于精细农业的高效轻便型自动喷洒农药机，在单片机的基础上给出了车载自适性稳定平台、喷洒系统及遥控系统的设计方法与解决方案。试验表明该机系统简单，性能良好，占地空间小，布置方便，动力消耗小，环境友好，较好地解决了人机分离作业，提高农药有效利用率，改善农业生态环境等问题，进而提高了农机品质。
- 详细介绍：
- 作品设计的基本思路 (一)自动喷洒农药机的结构设计 1、车载自适性稳定平台机械机构设计车体在田地中作业，为避免车体摇摆对喷头指向的影响，采用自适性稳定平台，喷枪杆臂安装在内框架上，内框架支承在外框架上，其旋转轴线垂直车体的首尾线；外框架又支承在基座上，其旋转轴线平行且偏置于首尾线。基座架固定在车体上。 2、喷头的结构设计长度不同的喷枪杆臂的可根据不同的需要安装稳定平台上，喷头安装在杆臂顶部，喷头体上安装多个小喷嘴，通过调整小喷嘴轴线之间的夹角来调整喷嘴的喷雾方向。 （二）自动喷洒农药机检测与控制系统设计 (1)传感器层的设计 本系统采用单轴陀螺仪ENC-03模块，为单轴角速度传感器。 横摇结构包括横摇步进电机、横摇轴、内框；纵摇结构包括:纵摇步进电机、纵摇轴、外框。横摇、纵摇轴上各安装一个陀螺仪传感器，当平台倾斜时，分别感应出横摇轴、纵摇轴的角速度，经积分处理后转换成角度，并产生正比于偏角大小的信号。 (2)信号采集执行层、显示层、控制层的设计 由于陀螺仪送出模拟信号，须经信号采集单元采集，即将A\D模块转换后送到处理单元.多次采集取平均值消抖。 本系统采用AVR单片机对纵横摇信号进行处理，输出控制信号。高性能低功耗的AVR具有先进的RISC结构：133条指令，大多数可以在一个时钟周期内完成；32*8 通用工作寄存器加外设控制寄存器；工作于16MHZ时性能16MIPS。 采用显示模块，显示出横纵摇偏转角度，方便观测调节动向。 单片机输出的控制信号给L298的四个输入端，四个输出端接两相四线步进电机，控制步进电机正反转实现调节。 （3）小车遥控系统的设计 采用单片机和套装摇控芯片实现。主要由发射模块，接受模块，驱动模块，及单片机组成。控制部分主要考虑按键的设计，遥控器上的5个控制键控制遥控车的运动，分别是：前进、后退、向左、向右、停止。小车通过接受遥控器发来的信号来完成相应的动作。 三、作品的创新点 应用自适性稳定平台和遥控技术实现智能喷洒的设计方案，解决农业机具精确定位喷洒问题是国内外首创。 四、作品的技术关键 （1）本系统自适性平台设置为轴心偏置结构，缩小了占地空间，减轻了平台的重量便于电机的驱动。其技术关键在于确定两个轴向的平衡位置。 （2）系统的控制策略是关键，设计适合的控制器，提高整个稳定平台的控制精度。 五、作品主要技术指标 （1）方位驱动范围为±60°;俯仰驱动范围为- 60°～60°。 （2）自适性平台可在平台倾角小于等于60°范围内任意位置能锁定。 （3）电机运动速度：方位运动速度为0 . 1°/ s～2°/ s ；俯仰运动速度为0. 1°/ s～1. 5°/ s 。 （4）抗风能力：风速10 m/ s 喷杆正常工作;风速12 m/ s 喷头降精度工作;风速16 m/ s 农药机有倾覆危险。 (5)最大遥控范围：100m。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 一、作品发明的目的 各种农药在农业生产中广泛使用，但同时也带来了严重的环境问题，如何消除农药对环境和农民的危害，已成为事关民生健康和我国国民经济发展的重大问题。 二、作品设计的基本思路 1、机械机构设计 (1)车体在田地中作业，为避免车体摇摆对喷头指向的影响，采用自适性稳定平台,喷枪杆臂安装在内框架上，内框架支承在外框架上，其旋转轴线垂直车体的首尾线；外框架又支承在基座上，其旋转轴线平行且偏置于首尾线。基座架固定在车体上。(2)喷头的结构设计长度不同的喷枪杆臂的可根据不同的需要安装稳定平台上，喷头安装在杆臂顶部，喷头体上安装多个小喷嘴。 2、检测与控制系统设计 (1)传感器层的设计采用单轴陀螺仪模块。当平台倾斜时，分别感应出横摇轴、纵摇轴的角速度，经积分处理后转换成角度，并产生正比于偏角大小的信号。(2)信号采集执行层、显示层、控制层的设计采用AVR单片机对纵横摇信号进行处理，输出控制信号。(3)小车遥控系统的设计采用单片机和套装摇控芯片实现。 三、作品的创新点 应用自适性稳定平台和遥控技术实现智能喷洒的设计方案，解决农业机具精确定位喷洒问题是国内外首创。 四、技术关键为系统的控制精度是关键。 五、作品主要技术指标 (1)方位驱动范围为±60°;俯仰驱动范围为- 60°～60°。(2)自适性平台可在平台倾角小于等于60°范围内任意位置能锁定。(3)最大遥控范围：100m。
科学性、先进性
- 据调研实践，在喷洒农药或者除草剂方面，国内外市场上流行的农用喷雾器无论是电动式还是手动式，无论是背负式还是车载式从根本上说有两个缺陷： 第一，结合以人为本的实用性没有体现出来，都没有从用机人员本身出发，将他们从有损健康的工况中分离出来； 第二，对社会的经济性和环保性没有做到真正意义上的设计与考虑，事实上，药物对环境是有危害的，重复大剂量喷洒必然会导致农作物、土壤的破坏甚至环境的恶化。 鉴于此，自动喷洒农药机应具备的功能和特性如下： 首先，用机人员可以不必进入田垄，使用遥控器即可实现机器自动作业; 其次，载有自适性稳定平台小车可以保证喷头在田间准确定位喷洒，减少农药用量，降低农药对生态环境的污染。 再者，喷雾效果优越，通过二次精滤及加压(工作压力可达25MPa)，加之特别设计的喷头，它的耗药量只有普通喷药器的1/10左右，极大的提高了农药的利用率，同时也减小了农药对环境的污染程度;
获奖情况及鉴定结果
- 2011年5月15日，设计的模型参加了太原市知识产权局举办的第八届太原市青少年发明创新竞赛及展示活动，并得到了一致好评。
作品所处阶段
- 实验室阶段，试调成功，做出实物模型。
技术转让方式
- 暂无
作品可展示的形式
- 1模型 2图纸 3现场演示 4图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1、技术特点和优势 （1）车载自适性稳定平台 非置心稳定平台、驱动传动机构、陀螺仪传感器模块，伺服控制单元组成，保证喷头对作业对象的精准定位。 （2）多路遥控小车作为载体，使得人机分离工作成为可能，以减轻劳动力，关乎劳动者健康。 2、适用范围及推广前景的技术性说明市场分析和经济效益预测 在探索农业应用信息高新技术的发展过程中，精细农业技术的应用前景尤其令人瞩目。其中，在增加农作物产量、保护生态环境及以人为本的多重要求下，研究先进的喷洒技术已经成为精细农业中的一个重要的分支。因此，开始把目光转向农田智能喷洒技术。以减轻劳动量，关注生产环境。 试验表明该机具有系统简单、性能良好，占地空间小，布置方便，动力消耗小，环境友好，价格低廉，较好地解决了现行果园、农田中存在的浪费农药、污染环境等问题。该机在智能喷洒技术上具有非常广阔的应用前景。
同类课题研究水平概述
- 目前，欧美发达国家生产和使用的施药机械以大型自走式施药机械为主。采用高地隙全液压自走式底盘和喷杆喷雾机相结合的形式，应用液压技术和电子控制技术实现喷雾机的行走、转向、风机和液泵等工作部件的驱动等，对农作物的精确喷洒是通过精准施药监控系统通过设置参数，自动控制单位面积喷洒的药量，具有前进速度预设的喷量和实际喷洒量、工作压力等显示功能。根据决策系统确定的喷雾参数、通过机具作业速度的实际测定，自动调控喷雾压力，使实际喷雾量与设定的单位面积施液量相一致。同时，监控系统可以显示机具作业速度、单位面积施液量、实际喷雾量喷雾工作压力、喷洒的作物面积等作业参数监控系统及显示器安装在自走底盘操作台旁，可接GPS或个人电脑，动作灵活、方便、可靠、作业效率高, 但是价格非常昂贵。 我国生产、使用的喷杆喷雾机机型小，喷幅窄小，喷洒精量性、雾滴附着率、农药有效利用率等技术性能落后，无法满足现代农业生产对施药机械的使用要求，尤其是满足精细农业使用要求的设备基本上还是空白。 据调研实践，在喷洒农药或者除草剂方面，国内外市场上流行的农用喷雾器无论是电动式还是手动式，无论是背负式还是车载式从根本上说有三个缺陷： 第一，结合以人为本的实用性没有体现出来，没有从用机人员本身出发从有损健康的工况中分离出来； 第二，对环保性没有做到真正意义上的设计与考虑，事实上，药物对环境是有危害的，重复大剂量喷洒必然会导致农作物、土壤的破坏甚至环境的恶化。 第三，对社会的经济性没有做到统筹设计，液压系统的造价昂贵，液压泄油是不可避免的，势必要引进专用机械除去油的污染，增加了农业生产成本。 通过对国内外施药装备的调研、分析和研究，一种以人为本，结构布置简单，经济适用，对生态环境友好的智能喷洒机亟待出现。
