本發明涉及農業機械技術領域，具體為一種噴霧機仿形噴桿及其控制方法。

背景技術：

為了增加農業產量，作物必須進行病蟲草害的防治，噴桿噴霧機是噴灑化學農藥、肥料和植物生產調節劑等的重要機具之一，被廣泛應用在大田、草坪、苗圃、果園中。作業效果和噴灑分布模式的均勻性高度相關，噴桿是大柔性弱阻尼結構，作業時噴桿的主要運動表現為橫擺、側傾、震蕩等，顯著的影響噴霧分布形態。

目前現有噴桿缺點在于難以適應傾斜、起伏等復雜田間地面，尤其是大型噴桿噴霧機，如圖1所示，當噴桿碰觸到地面凸起時，會影響到施藥工作的進行，還容易造成設備的損壞。

為了減少化學藥物的漏噴和重噴，噴桿必須保持與土壤地面/作物冠層平行，還需抑制大柔性噴桿的橫擺運動，因此在傾斜、起伏等復雜田間路況作用時，駕駛員不得不頻繁手動調節噴桿到合適的角度和高度。

為了緩解操作人員的負擔，使其不必擔心噴桿晃動導致噴霧沉積量不均勻，可以提高駕駛速度，本發明提出了一種仿形噴桿及其控制方法。

技術實現要素：

針對現有技術存在的問題，本發明的技術目的是提供一種可以克服現有技術缺陷的噴霧機仿形噴桿及其控制方法，其公開的技術方案為：

一種噴霧機仿形噴桿，包括與噴霧機車體連接的支撐懸架以及安裝在支撐懸架左右兩側的噴桿側臂，其特征在于：

所述支撐懸架設有第二框架、噴桿中心架和減振機構，第二框架的前部安裝有一凸臺，減振機構設置在所述凸臺上；

所述噴桿中心架位于第二框架的前方，所述噴桿側臂安裝在所述噴桿中心架上，第二框架的上部通過對稱的左右兩個第二連接件與噴桿中心架連接，第二連接件的前后兩端與第二框架、噴桿中心架均采用球頭鉸鏈活動連接，使第二框架、兩個第二連接件與噴桿中心架構成四桿機構；

所述減振機構包括第一組件、第二組件和彈簧件，所述第一組件的上部為扇形承壓部，所述承壓部的頂面設有呈凸起圓弧狀的橫向卡槽，第一組件下部設有中心連接件；所述第二組件呈T型，上部為頭部，下部為柱體；所述第一組件的中心連接件通過軸銷與第二組件的頭部鉸接，承壓部扇形的中心點落在所述軸銷上，所述承壓部的兩側通過左右對稱設置的阻尼器與凸臺的臺面連接，所述阻尼器的上下兩端與第一組件、凸臺臺面均采用萬向節活動連接，所述臺面上設有通孔，第二組件的下部柱體插在所述通孔中，所述彈簧件套在所述柱體上，卡在第二組件頭部下表面與凸臺臺面之間；

所述噴桿中心架包括一橫向設置的曲桿，所述曲桿的中間部位壓在第一組件承壓部的頂面，卡在所述卡槽中，且所述曲桿通過可執行直線往復運動的側傾驅動裝置與第一組件連接，所述側傾驅動裝置的一端鉸接在曲桿偏于中間部位的位置，側傾驅動裝置的另一端鉸接在第一組件承壓部的一側，通過控制側傾驅動裝置執行直線往復運動，可使曲桿以第一組件為支點轉動，所述側傾驅動裝置與控制系統連接。

在上述方案的基礎上，進一步改進或優選的方案還包括：

所述第二框架側邊通過可執行直線往復運動的橫擺驅動裝置與噴桿中心架的側邊連接，所述橫擺驅動裝置的一端與第二框架活動連接，另一端與噴桿中心架活動連接，通過橫擺驅動裝置執行直線往復運動，噴桿中心架可相對于第二框架橫向擺動，所述橫擺驅動裝置與控制系統連接。

所述第二組件與所述通孔為間隙配合，所述通孔內配置有橡膠套。

所述第二組件的頭部通過連桿與所述曲桿連接，所述連桿的兩端分別通過軸件與第二組件、曲桿鉸接，連接第二組件頭部與連桿的軸件與所述軸銷的中軸線在同一直線上。

所述噴桿側臂由多段桁架組成，桁架段之間通過運動關節連接，所述運動關節設有相互垂直的兩個運動轉軸，所述噴桿側臂上安裝有：

1）控制與支撐懸架連接的桁架段相對于支撐懸架、外側桁架段相對于內側桁架段產生水平轉動的折疊/展開驅動裝置；

2）控制與支撐懸架連接的桁架段相對于支撐懸架、外側桁架段相對于內側桁架段產生傾斜轉動的傾角調節驅動裝置；

所述折疊/展開驅動裝置、傾角調節驅動裝置分別與控制系統連接。

所述噴桿中心架包括本體框架和擴展架，所述擴展架設置在本體框架上部的前方，通過連接機構與本體框架固定連接。

所述連接機構包括以鏡像對稱的方式設置在擴展架與本體框架之間的兩組第三連接件，所述第三連接件包括內外兩個單元組件；所述第二連接件的一端連接在第二框架的頂面，另一端連接在第三連接件內側單元組件的頂面，所述內側單元組件垂直于擴展架與本體框架；所述擴展架頂面高度低于本體框架的頂面高度，所述內側組件的縱截面呈梯形，其頂部水平，后側邊垂直連接在本體框架頂部側面上，前側邊傾斜延伸至所述擴展架的頂面，與擴展架頂面固定連接；所述第三連接件的外側單元組件為直管件，后端固定連接在本體框架的頂部側面上，前端與擴展架的頂面固定連接，且外側單元組件的前部向內側傾斜。

本發明仿形噴桿針對兩個噴桿側臂設有左右兩個執行直線往復運動的折疊/展開驅動裝置，所述折疊/展開驅動裝置與控制系統連接；所述噴桿側臂通過豎向設置的轉軸鉸接在所述本體框架的側面，所述折疊/展開驅動裝置的一端通過鉸鏈與所述擴展架連接，另一端與對應的噴桿側臂通過鉸鏈結構連接，通過控制折疊/展開驅動裝置執行直線往復運動，可推動噴桿側臂以所述轉軸為中心向后或向前轉動，控制噴桿折疊或展開。

進一步的，所述噴桿側臂的內側通過中軸線在同一直線上的第一轉軸、第二轉軸與本體框架鉸接，所述第一轉軸位于第二轉軸上方，且第一轉軸、第二轉軸的中軸線在同一直線上；噴桿側臂內側的上下兩端則分別通過過渡連接件與第一轉軸、第二轉軸連接，所述過渡連接件套在第一轉軸/第二轉軸上，噴桿側臂上端通過第三轉軸與套在第一轉軸上的過渡連接件鉸接，所述第三轉軸與第一轉軸相垂直；噴桿側臂下端設有內側傾角調節驅動裝置，所述內側傾角調節驅動裝置為執行直線往復運動的驅動裝置，其一端與噴桿側臂鉸接，另一端通過第四轉軸與套在第二轉軸上的過渡連接件鉸接，所述第四轉軸與第二轉軸相垂直，所述內側傾角調節驅動裝置與控制系統連接，通過內側傾角調節驅動裝置執行直線往復運動，所述噴桿側臂可以所述第三轉軸為軸心轉動。

所述支撐懸架設有第一框架和升降驅動裝置，所述第一框架位于第二框架的后方，固定安裝在噴霧機車架上，通過第一連接件與第二框架連接，且與第二框架保持平行，所述第一連接件前后兩端分別與第一框架、第二框架鉸接，所述升降驅動裝置為執行直線往復運動的驅動裝置，其一端與第一框架鉸接，另一端通過鉸鏈連接在所述第一連接件上，通過控制升降驅動裝置執行直線往復運動，拉動第一連接件，可帶動第二框架相對于第一框架抬高或降低。

所述噴霧機仿形噴桿還包括安裝在噴桿側臂上的若干非接觸式距離傳感器以及安裝在噴桿中心架上的多軸動態傾角傳感器，所述非接觸式距離傳感器、多軸動態傾角傳感器 分別與所述控制系統連接。

一種用于如上所述噴霧機仿形噴桿的控制方法，其特征在于：

通過分布在噴桿側臂上的多個非接觸式距離傳感器檢測出噴桿側臂上多點與地面的距離；

通過所述多軸動態傾角傳感器檢測出噴桿中心架繞豎直軸的橫擺角和繞水平縱軸（車尾指向車頭方向）的側傾角；

通過安裝在噴霧機車體上的帶GPS輔助的慣性測量單元（包括慣性測量單元、加速度計、磁力計等組成）檢測車體的運動姿態（側傾、橫擺、起伏等）；

通過控制系統采集所述非接觸式距離傳感器、多軸動態傾角傳感器和車體上的慣性測量單元傳輸的信號，根據拉格朗日動力學方程，進行在線逆動力力學解算，算得各驅動裝置所需的推力及位移，控制調節各驅動裝置協同動作，實現噴桿側臂對地面的仿形，避免噴桿碰觸障礙物。

有益效果：

本發明噴霧機仿形噴桿及其控制方法設計新穎、規劃合理，所述支撐懸架包括主動部分和被動部分，通過懸架的被動部分隔離噴桿受到來自車體的高頻激勵，而懸架主動部分可結合傳感器、執行器使噴桿跟蹤低頻的地面坡度變化，調節噴桿姿態，實現仿形，可有效避免噴桿碰觸到障礙物，使噴桿式噴霧機能適應起伏地面，拓寬噴桿式噴霧機的適用場合。

附圖說明

圖1為現有技術中噴桿式噴霧機在起伏地面工作狀態的示意圖；

圖2為配置本發明仿形噴桿的噴桿式噴霧機在起伏地面工作狀態的示意圖；

圖3為本發明仿形噴桿的立體結構示意圖；

圖4為本發明仿形噴桿的側視結構示意圖；

圖5為噴桿側臂的立體結構示意圖；

圖6為本發明仿形噴桿局部結構的立體前視圖；

圖7為本發明仿形噴桿局部結構的立體后視圖；

圖8為本發明仿形噴桿的局部結構的俯視圖；

圖9為噴桿側臂內側上端的結構示意圖；

圖10為噴桿側臂內側下端的結構示意圖；

圖11為支撐懸架一實施例的立體結構示意圖一；

圖12為圖11支撐懸架實施例的立體結構示意圖二；

圖13為圖11支撐懸架實施例的前視圖；

圖14為圖11支撐懸架實施例的后視圖；

圖15為第一組件的結構示意圖；

圖16為第二組件的結構示意圖；

圖17為曲桿的結構示意圖；

圖18為第二框架的結構示意圖；

圖19為控制系統的結構示意。

具體實施方式

為了闡明本發明的技術方案及工作原理，下面結合附圖與具體實施例對本發明做詳細的介紹。

如圖3所示的一種噴霧機仿形噴桿，包括與噴霧機車體連接的支撐懸架以及安裝在支撐懸架左右兩側的噴桿側臂。

如圖4至圖14所示，所述支撐懸架設有升降驅動機構、側傾驅動機構、橫擺驅動機構與減振機構等，具體由第一框架301、第二框架302、噴桿中心架等組件構成。

所述支撐懸架通過第一框架301固定在噴霧機車架上。所述第一框架301位于第二框架302的后方，由兩個豎向的槽型直管構成，兩槽型直管槽開口向前，對準所述第二框架302側邊的位置。所述槽型直管通過上下兩個相同且平行的第一連接件501與第二框架302對應的側邊連接，所述第一連接件501前后兩端分別與第二框架302的側邊、第一框架301的槽型直管鉸接。

升降驅動裝置205為執行直線往復運動的驅動裝置（如液壓缸、絲杠等），第一框架301兩側各設置一個升降驅動裝置203，其一端與第一框架301對應的槽型直管鉸接，另一端與連接所述槽型直管的位于下方的第一連接件501鉸接。所述升降驅動裝置203與控制系統連接，控制系統通過控制升降驅動裝置205執行直線往復運動拉動第一連接件501，可帶動第二框架302相對于第一框架301抬高或降低，且在此過程中，第一框架301與第二框架302始終保持平行。

所述第二框架302的前部安裝有一凸臺404，減振機構設置在所述凸臺404上。所述噴桿中心架設置在第二框架302的前方，噴桿側臂安裝在所述噴桿中心架上，由所述凸臺404承載減振機構和噴桿的重量。

所述噴桿中心架包括本體框架303和擴展架304，所述擴展架304設置在本體框架304上部的前方，通過連接機構與本體框架303固定連接。所述連接機構包括以鏡像對稱的方式設置在擴展架304與本體框架303之間的兩組第三連接件，所述第三連接件包括內側單元組件503和外側單元組件504。

第二框架302的上部通過左右兩個對稱分布的第二連接件502與噴桿中心架連接，第二框架302、兩個第二連接件502與噴桿中心架構成了梯形的四桿結構，所述第二連接件502的后端通過球頭鉸鏈連接在第二框架302的頂面，第二連接件502的前端通過球頭鉸鏈連接在所述內側單元組件503的頂面，如圖11、圖12所示。實踐中可根據使用需求手動調節左右兩個第二連接件502的夾角，即改變第二連接件502前端球頭鉸鏈與噴桿中心架的連接位置，構成矩形等其它形狀的四桿結構，可以調節噴桿中心架的運動（橫擺、側傾等）范圍以及運動靈敏度。

所述內側單元組件503垂直于擴展架304與本體框架303，所述擴展架304頂面高度低于本體框架302的頂面高度，所述內側單元組件503的縱截面呈梯形，其頂部水平，后側邊垂直連接在本體框架302的頂部側面上，前側邊傾斜延伸至所述擴展架304的頂面，與擴展架304頂面固定連接。所述外側單元組件504為直管件，后端固定連接在本體框架302的頂部側面上，前端與擴展架304的頂面固定連接，且外側單元組件504的前部向內側傾斜，如圖6、圖12所示。

所述減振機構包括第一組件401、第二組件406和彈簧件403，所述第一組件401的上部為扇形承壓部，所述承壓部的頂面設有呈凸起圓弧狀的橫向卡槽，第一組件401下部設有中心連接件，如圖15所示。所述第二組件406呈T型，上部為凹槽型頭部，下部為柱體，如圖16所示。所述第一組件401的中心連接件通過軸銷407與第二組件406的頭部鉸接，承壓部扇形的中心點落在所述軸銷407上，所述承壓部的兩側通過左右對稱設置的阻尼器402與凸臺404的臺面連接，所述阻尼器402的上下兩端與第一組件401、凸臺臺面均采用十字萬向節活動連接。所述凸臺404的臺面上設有通孔，第二組件406的下部柱體插在所述通孔中，所述彈簧件403套在所述柱體上，卡在第二組件406頭部下表面與凸臺臺面之間，且所述第二組件406與所述通孔為間隙配合，避免各組件之間因加工精度不準確造成機構自鎖，所述通孔內配置有橡膠套。

所述本體框架303的框架中部有一橫向設置的曲桿305，如圖17所示，所述曲桿305的中間部位壓在第一組件承壓部的頂面，與承壓部頂面形狀契合，卡在所述卡槽中，且所述曲桿305通過可執行直線往復運動的側傾驅動裝置204（如液壓缸、絲杠等）與第一組件401連接，所述側傾驅動裝置204的一端鉸接在曲桿偏于中間部位的位置，側傾驅動裝置204的另一端鉸接在第一組件承壓部的一側。所述側傾驅動裝置204與控制系統連接，控制系統通過控制側傾驅動裝置204執行直線往復運動，可使曲桿305以第一組件401為支點轉動。

所述第二組件406的頭部通過連桿405與所述曲桿305連接，所述連桿405的兩端分別通過軸件與第二組件406、曲桿305鉸接，連接第二組件頭部與連桿405的軸件與所述軸銷407的中軸線在同一直線上。

所述第二框架302側邊通過一可執行直線往復運動的橫擺驅動裝置206（如液壓缸、絲杠等）與噴桿中心架的側邊連接，所述橫擺驅動裝置206與控制系統連接，控制系統通過控制橫擺驅動裝置206執行直線往復運動，使噴桿中心架帶動噴桿側臂相對于第二框架302（或車體）橫向擺動。

所述噴桿側臂由多段桁架組成，所述噴桿側臂上安裝有：1）控制連接支撐懸架的桁架段相對于支撐懸架、外側桁架段相對于內側桁架段產生水平轉動的折疊/展開驅動裝置；2）控制連接支撐懸架的桁架段相對于支撐懸架、外側桁架段相對于內側桁架段產生傾斜轉動的傾角調節驅動裝置，所述折疊/展開驅動裝置、傾角調節驅動裝置分別與控制系統連接。桁架段之間通過運動關節連接，所述運動關節設有豎軸和水平縱軸兩個相互垂直的運動轉軸，在驅動裝置帶動下，桁架段相對所述運動轉軸轉動，可實現噴桿側臂的局部姿態調節，如圖2所示，即局部仿形，使噴霧機能適應各種復雜地形。

如圖3所示的一實施例，所述噴桿側臂設有內側桁架段與外側桁架段，所述外側桁架段與內側桁架段相接，二者相接處設有外側桁架段傾角調節油缸201，以及控制外側桁架段相對于內側單元水平轉動的驅動機構。所述內側桁架段與支撐懸架的連接如圖9、圖10所示。

本實施例仿形噴桿針對兩個噴桿側臂設有左右兩個執行直線往復運動的折疊/展開驅動裝置205（如液壓缸、絲杠等），所述折疊/展開驅動裝置205與控制系統連接。

所述內側桁架段通過中軸線在同一直線上的第一轉軸601、第二轉軸602與本體框架303鉸接，所述第一轉軸601位于第二轉軸上方，且第一轉軸601、第二轉軸602的中軸線在同一直線上。所述內側桁架段的上下兩端則分別通過過渡連接件與第一轉軸601、第二轉軸602連接，噴桿側臂上端通過第三轉軸與套在第一轉軸601上的過渡連接件505鉸接，所述第三轉軸與第一轉軸601相垂直。內側桁架段下端設有內側傾角調節驅動裝置202，所述內側傾角調節驅動裝置202為執行直線往復運動的驅動裝置（如液壓缸、絲杠等），其一端與內側桁架段鉸接，另一端通過第四轉軸與套在第二轉軸602上的過渡連接件506鉸接，所述第四轉軸與第二轉軸302相垂直。

所述折疊/展開驅動裝置207的一端與所述擴展架304的內側鉸接，另一端與套在第一轉軸上601上的過渡連接件鉸接，通過控制折疊/展開驅動裝置207執行直線往復運動，可推動噴桿側臂以所述第一轉軸、第二轉軸為中心向后或向前轉動，控制內側桁架段相對于支撐懸架折疊或展開。

所述內側傾角調節驅動裝置202與控制系統連接，控制系統通過控制內側傾角調節驅動裝置202執行直線往復運動，使內側桁架段以第三轉軸為軸心轉動，相對于支撐懸架發生傾斜。

所述本體框架303上安裝有多軸動態傾角傳感器 101，所述噴桿側臂順著其延伸方向設有多個非接觸式距離傳感器102（如超聲波傳感器等）及圖像傳感器，所述非接觸式距離傳感器、圖像傳感器、多軸動態傾角傳感器分別與所述控制系統連接。

本實施例中，所述仿形噴桿在支撐懸架浮動部分與內側桁架段部分安裝有蓄能器，避免噴桿展開后產生剛性沖擊，噴桿觸碰到障礙物以后，蓄能器油缸縮短或伸長，不會使噴桿結構產生變形失效。

本實施例中，各驅動裝置優選采用油缸，控制系統與各傳感器以及各驅動裝置（如升降油缸、側傾油缸、橫擺油缸等）的電路連接及信號走向如圖19所示，所述控制系統由ARM上位機與DSP下位機組成，各傳感器及驅動裝置的信號輸出/輸入端通過數模或模數轉換電路與所述DSP下位機的相應接口連接。

如上所述噴霧機仿形噴桿在工作時，其控制方法如下：

通過分布在噴桿側臂上的多個非接觸式距離傳感器檢測出噴桿側臂上多點與地面的距離；

通過所述多軸動態傾角傳感器檢測出噴桿中心架繞豎直軸的橫擺角和繞水平縱軸（車尾指向車頭方向）的側傾角；

通過安裝在噴霧機車體上的帶GPS輔助的慣性測量單元（包括慣性測量單元、加速度計、磁力計等組成）慣性測量單元檢測車體的運動姿態（側傾、橫擺、起伏等）；

通過控制系統采集所述非接觸式距離傳感器、多軸動態傾角傳感器和車體上的慣性測量單元傳輸的信號，根據拉格朗日動力學方程，進行在線逆動力力學解算，算得主動懸架橫擺、側傾驅動裝置以及噴桿側臂姿態調整驅動裝置所需的推力及位移，控制調節各驅動裝置協同動作，實現噴桿側臂對地面的仿形，避免噴桿碰觸障礙物，如圖2所示。

在噴霧機作業時，通過圖像傳感器可監測作物的生長狀況及病蟲草害的狀況，便于統計病蟲草害的發生規律，制定合適的作業方案。

本發明中，針對噴桿及支撐懸架橫擺、側傾頻響特性，可使用六自由度運動平臺及動態測試系統進行測試，主要是階躍響應分析、頻率響應分析。指定跟蹤頻率根據外界激勵頻率或地面波動的波長來設定，低于指定頻率（或地面波長），幅值比近似為1，高于指定頻率（或地面波長），幅值比迅速衰減為0。

以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特征和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，本發明要求保護范圍由所附的權利要求書、說明書及其等效物界定。