本發(fā)明涉及高科技農(nóng)業(yè)、控制理論與控制工程、機(jī)械工程交叉學(xué)科，特別是涉及一種農(nóng)藥、灌溉減少施增效，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基于高度變化改變流量的高效節(jié)能灌溉系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

隨著科技發(fā)展，傳統(tǒng)型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式逐步被機(jī)械化、信息化的方式所替代，依靠微型微電子控制傳感器、小型GPS、小型驅(qū)動(dòng)器和供電系統(tǒng)的進(jìn)步，農(nóng)業(yè)無人機(jī)正逐漸變得小巧、廉價(jià)、民用化。我國農(nóng)村農(nóng)業(yè)生產(chǎn)正逐步進(jìn)入規(guī)?；I(yè)化、集約化經(jīng)營管理，用多軸無人機(jī)來提高我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和生產(chǎn)水平顯得尤為重要。據(jù)了解，目前國內(nèi)農(nóng)業(yè)用途的無人輕小型飛機(jī)產(chǎn)業(yè)處于研究和初步試用階段，我國農(nóng)業(yè)航空技術(shù)總體還處在起步階段。

無人機(jī)具有作業(yè)高度低，飄移少，可空中懸停，無需專用起降機(jī)場，旋翼產(chǎn)生的向下氣流有助于增加霧流對作物的穿透性，防治效果高，遠(yuǎn)距離遙控操作，噴灑作業(yè)人員避免了暴露于農(nóng)藥的危險(xiǎn)，提高了噴灑作業(yè)安全性等諸多優(yōu)點(diǎn)。這將很大程度的降低資源成本。電動(dòng)無人機(jī)與油動(dòng)的相比，整體尺寸小，重量輕，折舊率更低、單位作業(yè)人工成本不高、易保養(yǎng)。

目前，無人機(jī)多以簡單塑料箱攜帶灌溉液體，因此無法控制噴灑流量和速度，致使在無人機(jī)巡航過程中，無人機(jī)高度變化導(dǎo)致的灌溉量不可控問題無法解決，在高效化的同時(shí)也造成了能源的浪費(fèi)，不僅如此，無限制的灌溉也帶來了成本提高的弊端。對于農(nóng)業(yè)大國，大面積推廣無人機(jī)灌溉系統(tǒng)更需要考慮經(jīng)濟(jì)成本問題。因此，設(shè)計(jì)一種簡單、高效的節(jié)能型灌溉系統(tǒng)與無人機(jī)搭配是一個(gè)急需解決的技術(shù)難題。

由于多軸無人機(jī)帶載量的限制，為了使帶載量集中于噴灑液上，所設(shè)計(jì)箱體閥門控制系統(tǒng)需要簡潔而高效化，因此簡單而可靠高效的傳動(dòng)設(shè)計(jì)十分必要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明技術(shù)解決問題：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于高度變化改變流量的高效節(jié)能灌溉系統(tǒng)及方法，簡單、高效和節(jié)能。

本發(fā)明技術(shù)解決方案：一種基于高度變化改變流量的高效節(jié)能灌溉系統(tǒng)，包括驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)裝置、裝載裝置、檢測裝置、CPU和GPS；其中，在完整的灌溉飛行周期中，GPS不斷檢測當(dāng)前農(nóng)業(yè)航空低空的高度；CPU負(fù)責(zé)控制步進(jìn)電機(jī)以及接受檢測裝置信號(hào)，根據(jù)GPS反饋的電信號(hào)計(jì)算流量值，通過函數(shù)關(guān)系計(jì)算出裝載裝置中箱蓋上噴口大小期望值，根據(jù)期望值計(jì)算驅(qū)動(dòng)裝置旋轉(zhuǎn)角度；并將旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)包括脈沖個(gè)數(shù)及脈沖頻率傳遞給步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對裝載裝置調(diào)位調(diào)速目的；同時(shí)接收檢測裝置檢測的當(dāng)前噴口和將箱蓋位移轉(zhuǎn)換成線性關(guān)系的電壓輸出，利用基于模糊PID的控制算法得到箱蓋位移量的偏差糾正，由此得到完整的閉環(huán)控制精準(zhǔn)的位置控制，從而實(shí)現(xiàn)裝載裝置的準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)；

驅(qū)動(dòng)裝置由步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成，步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)CPU輸出的脈沖個(gè)數(shù)及脈沖頻率得到旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)速度，準(zhǔn)確高效地實(shí)現(xiàn)角位移量；通過聯(lián)軸器與絲杠相連，實(shí)現(xiàn)角位移量的傳遞；

傳動(dòng)裝置通過聯(lián)軸器跟隨步進(jìn)電機(jī)輸出軸運(yùn)動(dòng)，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，使絲杠上螺母水平運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)裝置中的套筒與箱蓋注塑配合實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，使裝載裝置中的箱蓋在溝槽中水平運(yùn)動(dòng)改變噴口；

裝載裝置，用于灌溉液體存儲(chǔ)，包括箱蓋和箱體，箱蓋與傳動(dòng)裝置中的套筒注塑一體聯(lián)動(dòng)，通過溝槽與箱體實(shí)現(xiàn)連接和水平移動(dòng)功能；

檢測裝置固定于箱體溝槽中，能向CPU反饋箱蓋當(dāng)前位置，保證箱蓋精確運(yùn)動(dòng)；檢測裝置由位移測量傳感器構(gòu)成，位移測量傳感器檢測的當(dāng)前噴口，將箱蓋位移轉(zhuǎn)換成線性關(guān)系的電壓輸出，同時(shí)，位移的方向則表現(xiàn)為電壓的增加或減小。

所述驅(qū)動(dòng)裝置由步進(jìn)電機(jī)組成，步進(jìn)電機(jī)與無人機(jī)底座固定。

所述傳動(dòng)裝置包括聯(lián)軸器、滾珠絲杠、套筒、螺栓；聯(lián)軸器一端通過螺栓直接與步進(jìn)電機(jī)輸出軸相連，另一端通過螺栓與滾珠絲杠輸入軸連接；滾珠絲杠上安裝有螺母，螺母與套筒通過六顆螺栓緊密配合，達(dá)到聯(lián)動(dòng)效果。

所述裝載裝置中的溝槽中涂有潤滑油，確保箱蓋移動(dòng)過程中摩擦力較小。

所述裝載裝置由工業(yè)塑料箱體組成，保證強(qiáng)度的同時(shí)又盡可能實(shí)現(xiàn)輕型化，箱蓋與套筒為一體注塑。

所述位移測量傳感器為電位器式位移傳感器，通過電位器式位移傳感器中的電位器將箱蓋位移轉(zhuǎn)換成線性關(guān)系的電壓輸出。

基于高度變化改變流量的高效節(jié)能灌溉系統(tǒng)進(jìn)行灌溉方法，實(shí)現(xiàn)步驟如下：

步驟1、在完整的灌溉飛行周期中，GPS不斷檢測當(dāng)前農(nóng)業(yè)航空低空的高度；

步驟2、CPU根據(jù)GPS反饋的電信號(hào)計(jì)算流量值，并計(jì)算出為噴口大小，利用噴口大小及當(dāng)前位移測量傳感器檢測的數(shù)值，計(jì)算步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度；

步驟3、CPU將旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳遞給步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)根據(jù)脈沖個(gè)數(shù)及脈沖頻率得到旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)速度，準(zhǔn)確高效地實(shí)現(xiàn)角位移量；

步驟4、絲杠跟隨步進(jìn)電機(jī)輸出軸運(yùn)動(dòng)，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，由此使箱蓋在溝槽中水平運(yùn)動(dòng)改變噴口；

步驟5、位移傳感器檢測當(dāng)前噴口并反饋回CPU得到閉環(huán)系統(tǒng)控制，利用基于模糊PID的控制算法的得到位移量的偏差糾正，得到精準(zhǔn)的位置控制。

本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)本發(fā)明零部件少，結(jié)構(gòu)簡單，利用滾珠絲杠高精度高效率的特點(diǎn)，無需復(fù)雜的傳動(dòng)裝置即可實(shí)現(xiàn)門閥的移動(dòng)。

(2)本發(fā)明在無人機(jī)噴灑過程中，可根據(jù)無人機(jī)高度的改變噴口的大小，實(shí)現(xiàn)灌溉流量可控可調(diào)，更加節(jié)能和人性化。

(3)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，在使用過程中，通過微控制系統(tǒng)控制，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的流量公式，可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)噴灑量的改變，無需人為調(diào)整，更加高效和穩(wěn)定。

(4)本發(fā)明在保證強(qiáng)度和剛度的同時(shí)達(dá)到更緊湊輕型的設(shè)計(jì)，從而使帶載量不會(huì)大量減小，能夠進(jìn)行大量推廣。

附圖說明

圖1為本發(fā)明可控閥門驅(qū)動(dòng)裝置示意圖；

圖2為本發(fā)明可控閥門傳動(dòng)裝置示意圖；

圖3為本發(fā)明可控閥門步進(jìn)電機(jī)示意圖；

圖4為本發(fā)明可控閥門聯(lián)軸器示意圖；

圖5為本發(fā)明可控閥門絲杠示意圖；

圖6為本發(fā)明可控閥門套筒及箱蓋示意圖；

圖7為本發(fā)明可控閥門箱體示意圖；

圖8為本發(fā)明可控閥門實(shí)現(xiàn)流程圖。

圖中：

1-驅(qū)動(dòng)裝置 2-傳動(dòng)裝置 3-裝載裝置

4-檢測裝置 201-聯(lián)軸器 202-滾珠絲杠

203-套筒 204-箱蓋 101-步進(jìn)電機(jī)螺孔

102-步進(jìn)電機(jī)機(jī)體 103-步進(jìn)電機(jī)輸出軸 201a-聯(lián)軸器固定孔

201b-聯(lián)軸器通孔 202a-絲杠輸入軸 202b-螺母螺孔

202c-螺母 202d-絲杠螺紋 203a-套筒外殼

203b-套筒連接盲孔 203c-套筒螺孔 204-箱蓋

301-溝槽 401-位移傳感器

具體實(shí)施方案

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

如圖1所示，一種基于高度變化改變流量的灌溉系統(tǒng)，采用組件化設(shè)計(jì)，包括驅(qū)動(dòng)裝置1、傳動(dòng)裝置2、裝載裝置3、檢測裝置4、CPU和GPS；步進(jìn)電機(jī)輸出軸201a和絲杠輸出入軸202a分別插入聯(lián)軸器通孔201b，并利用螺栓固定，絲杠上安裝有與絲杠螺紋202d配合的螺母202c，同時(shí)利用螺栓旋入螺母螺孔202b將套筒和螺母固定，實(shí)現(xiàn)套筒和螺母聯(lián)動(dòng)，從而使與套筒注塑一體的箱蓋跟隨運(yùn)動(dòng)，控制閥門的大小。

如圖3所示，驅(qū)動(dòng)裝置1為兩相步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)機(jī)體102上有四個(gè)直徑3mm螺孔101，用于步進(jìn)電機(jī)與無人機(jī)底座固定。機(jī)體伸出25mm輸出軸103，與聯(lián)軸器連接實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。

傳動(dòng)裝置2包括聯(lián)軸器201、滾珠絲杠202、套筒203、箱蓋204，如圖2所示。其中聯(lián)軸器201上左右對稱有2個(gè)2mm螺孔，分別將電機(jī)輸出軸與聯(lián)軸器、絲杠輸入軸接入聯(lián)軸器通孔并用螺釘旋進(jìn)螺孔使聯(lián)軸器與電機(jī)輸出軸、絲杠輸入軸配合(如圖4所示)。滾珠絲杠202上有導(dǎo)程12mm、長240mm螺紋，使固定于滾珠絲杠202上的螺母能左右運(yùn)動(dòng)(如圖5所示)。套筒203通過套筒螺孔203c與螺母連接，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。箱蓋204與套筒注塑配合，達(dá)到聯(lián)動(dòng)效果(如圖6所示)。

轉(zhuǎn)載裝置3為工業(yè)塑料箱體，頂部有長180mm、深230mm、高20mm的溝槽301，用于固定箱蓋204并使其能夠水平運(yùn)動(dòng)，溝槽中接有檢測裝置4，檢測裝置4采用位移傳感器401，能夠測量當(dāng)前箱蓋位置(如圖7所示)。

如圖8所示，所述灌溉系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

步驟1、在完整的灌溉飛行周期中，GPS不斷檢測當(dāng)前農(nóng)業(yè)航空低空的高度；

步驟2、CPU根據(jù)GPS反饋的電信號(hào)計(jì)算流量值，并計(jì)算出為噴口大小，利用噴口大小及當(dāng)前位移測量傳感器檢測的數(shù)值，計(jì)算步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度；

步驟3、CPU將旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳遞給步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)根據(jù)脈沖個(gè)數(shù)及脈沖頻率得到旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)速度，準(zhǔn)確高效地實(shí)現(xiàn)角位移量；

步驟4、絲杠跟隨步進(jìn)電機(jī)輸出軸運(yùn)動(dòng)，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，由此使箱蓋在溝槽中水平運(yùn)動(dòng)改變噴口；

步驟5、通過電位器將箱蓋位移轉(zhuǎn)換成線性關(guān)系的電壓輸出，同時(shí)，位移的方向則表現(xiàn)為電壓的增加或減小，由此得到完整的閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)箱蓋的準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)。位移傳感器檢測當(dāng)前噴口并反饋回CPU得到閉環(huán)系統(tǒng)控制，利用基于模糊PID的控制算法的得到位移量的偏差糾正，得到精準(zhǔn)的位置控制。

提供以上實(shí)施例僅僅是為了描述本發(fā)明的目的，而并非要限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求限定。不脫離本發(fā)明的精神和原理而做出的各種等同替換和修改，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。