一种酿酒葡萄智能清土系统及方法与流程

1.本发明涉及农业机械技术领域，具体涉及一种酿酒葡萄智能清土系统方法。


背景技术：

2.宁夏是我国酿酒葡萄的主要种植地区之一，因冬天寒冷且干燥，为防止葡萄藤被冻伤或者风干致死，在秋收过后普遍采用土埋的方式进行保护，来年入春的时候清土起藤，酿酒葡萄清土起藤一直是农业机械领域的一个难题。
3.目前对于酿酒葡萄清土机领域，还没有清土率高、伤藤率低、适应性强的清土机械，清土起藤这项工作对人工的依赖性还很大，劳动强度高，效率低。且酿酒葡萄清土起藤的时节性比较强，如果不能在入春的时候及时清土起藤，葡萄藤会在土壤中发芽，起藤的时候对葡萄藤的损伤加剧，将会造成极大的经济损失。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种可适应多种葡萄园，提高清土率和降低伤藤率的酿酒葡萄清土作业的智能清土系统。本发明可以有效识别立柱、控制清土部件的入土深度，在提高清土率的同时避免了因驾驶路线偏离导致的触土部件伤藤的问题，同时增加了防尘系统，解决了清土过程中扬尘较大的问题。
5.为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
6.一种酿酒葡萄智能清土系统，包括用户端、无线网络模块、数据库、主控制模块、数据采集模块、驱动控制模块。
7.主控制模块通过无线网络模块与用户端连接，数据采集模块与主控制模块连接，主控制模块与驱动控制模块相连接。
8.用户端主要实现人机互动的功能，可直接通过用户端查看工作状态和调节工作参数，主要包括距离信息、速度信息、位移信息、液位信息、流量信息和位置信息。
9.无线网络模块主要负责数据的传输，数据库主要负责数据的存储。
10.数据采集模块主要包括距离测量传感器、速度测量传感器、位移测量传感器、液位测量传感器、流量测量传感器、gps传感器。距离测量传感器获取清土机与立柱的相对距离，速度传感器获取清土机的清土速度，位移测量传感器获取执行部件的运动位移，液位传感器获取水箱的液位信息，流量传感器获取降尘喷雾的开度指标信息，gps获取清土机的位置信息。
11.主控制模块包括数据转换、数据分析、状态判断与纠正。
12.数据转换：将数据采集模块采集的信息转换成可以被控制系统识别的数据。
13.数据分析与处理：将获取的数据用内置算法进行分析与处理，剔除数据中存在错误的数据。
14.状态判断与纠正：以处理后的数据为依据，根据内置算法进行判断，如果获取的数据在预设的范围内，则不做任何操作，如果获取的数据不在预设范围内，则由主控制模块根
据内置算法向驱动控制模块发出纠正指令，驱动执行部件进行工作状态的调整。
15.驱动控制模块包括伺服驱动器、伺服电缸、监控屏、电磁阀、比例阀。
16.一种酿酒葡萄智能清土系统，其控制方法包括清土状态的控制方法与防尘状态的控制方法。
17.清土状态的控制：
18.清土机启动后，距离测量传感器测量清土机与立柱的距离，位移传感器测量伺服电缸的运动位移，通过数据转换、数据分析与处理，由内置算法对获取的数据进行判断，如果获取的数据在预设的范围内，则不做任何调整；如果获取的数据不再预设的范围内，则主控制模块向伺服驱动发出控制指令，由伺服驱动器驱动伺服电缸推动执行部件进行调整。调整结束后再次获取位移数据，如果位移数据在预设的范围内则调整结束，如果位移数据不在预设的范围内则再次重复上述指令进行清土状态的纠正。
19.防尘状态的控制：
20.清土机启动后，液位测量传感器测量水箱的液位信息，速度测量传感器测量清土机的工作速度，流量测量传感器测量喷雾流量，通过数据转换、数据分析与处理，由内置算法对获取的数据进行判断，如果获取的数据在预设的范围内，则主控制模块控制电磁阀打开，内置算法以速度为依据控制比例阀的开度，开始防尘工作；如果获取的数据不在预设的范围内，则主控制模块向监控屏输出报警信号。
21.所述酿酒葡萄智能清土系统具有记忆功能，在清土过程当中，将理想清土状态下的距离信息、位移信息、速度信息、位置信息、液位信息、流量信息通过无线网络模块传输至数据库，在需要二次清土的时候主控制模块通过无线网络模块调用数据库中的清土信息，由清土信息为依据，主控制模块依据内置算法向监控屏输出清土路径，按此清土路径清土可以最大程度上避免葡萄藤的损伤。
22.所述酿酒葡萄清土机主要包括机架，所述机架上有大刮板，与机架采用u型螺栓连接；所述机架上有滑动装置，所述滑动装置安装于导轨上，所述导轨与机架用螺栓固定连接；所述机架上有可伸缩伺服电缸，与机架采用螺栓连接。所述小刮板支架，与滑动装置采用螺栓连接，所述小刮板，与小刮板支架采用u型螺栓连接。伺服电缸通过万向节与滑动装置连接，伺服电缸的伸缩带动滑动装置的伸缩，从而带动小刮板实现入土量的调节。
23.所述机架的前端设有距离测量传感器，实时检测酿酒葡萄清土机与立柱的距离；所述电缸旁有位移检测传感器，时刻检测电缸的伸缩位移。
24.所述机架上安装有电源、电控箱。所述电控箱内装有单片机、伺服驱动、逆变器、单片机专用电源、速度传感器、无线网络模块和gps传感器。
25.所述机架中部装有防尘装置，所述防尘装置包括防尘系统动力源、水箱、喷雾装置，防尘系统动力源主要包括液压马达和加压泵，拖拉机的液压站驱动液压马达，液压马达带动加压泵给喷雾装置提供压力水。所述喷雾装置主要包括电磁阀、比例阀、喷头，喷雾装置从电源取电作为动力源。
26.单片机从专用电源取电，实时采集距离测量传感器的距离信号以及位移测量传感器的位移信号，通过内致的算法判断清土机与土垄的相对距离，根据判断值向伺服驱动发出控制信号，从而控制伺服电缸做出响应，响应结束后再次获取位移测量传感器的信号，检测伺服电缸的位移是否达到预设值，从而形成闭环控制；实时采集液位信息、速度信息、流
量信息，通过内致的算法判断获取的信息是否在预设范围内，如果获取的数据在预设范围内，单片机控制电磁阀打开，依据速度信息控制比例阀的开度从而调节喷量，如果获取的数据不在预设范围内则向监控屏发出预警，同时控制电磁阀关闭。所述伺服电缸由伺服驱动带动，所述逆变器，将电源电压进行升压后输往驱动。清土的过程中，gps传感器实时获取清土机的位置信息，通过无线网络模块将理想清土状态下的速度信息、位移信息、距离信息、液位信息、流量信息以及位置信息传输至数据库，来年再次清土时可直接调用，最大程度地降低伤藤率。
27.本发明的有益效果：
28.1、本发明集清土、入土量自动调节、防尘以及自动记忆等功能于一体，提高了清土机械的清土率，并大大降低了伤藤率，同时相较于传统的清土机，本发明对拖拉机手的要求大大降低，提高了清土机的实用性及适用范围，同时还解决了清土过程当中的扬尘问题。
29.2、本发明的一种酿酒葡萄智能清土系统，采用传感器实时识别清土机触土部件与葡萄藤埋土土垄的相对位置关系，由内置算法控制触土部件进行清土位置的调整，在提高清土率的同时，降低了伤藤率，同时由防尘系统解决了清土过程中扬尘较大的问题。本发明适应性强、应用范围广、结构可靠，且具有记忆功能，二次清土时可以直接调用数据库的清土数据。
附图说明
30.图1是系统架构示意图。
31.图2是具体实施方式的整机结构示意图。
具体实施方式
32.下面结合附图对本发明作进一步说明。
33.如图1所示是酿酒葡萄智能清土系统的系统架构，主要包括(1)用户端、(2)数据库、(3)无线网络模块、(4)主控制模块、数据采集模块、驱动控制模块，数据采集模块包括(5)距离测量传感器、(6)速度测量传感器、(7)位移测量传感器、(8)液位测量传感器、(9)流量测量传感器、(10)gps传感器。驱动控制模块包括(11)伺服驱动器、(12)伺服电缸、(13)监控屏、(14)电磁阀、(15)比例阀。主控制模块通过无线网络模块与用户端连接，数据采集模块与主控制模块连接，主控制模块与驱动控制模块相连接。无线网络模块主要负责数据的传输，数据库主要负责数据的存储。数据采集模块主要负责数据的获取，距离测量传感器获取清土机与立柱的相对距离，速度传感器获取清土机的清土速度，位移测量传感器获取执行部件的运动位移，液位传感器获取水箱的液位信息，流量传感器获取降尘喷雾的开度指标信息，gps获取清土机的位置信息。主控制模块包括数据转换、数据分析、状态判断与纠正，其功能如下：
34.数据转换：将数据采集模块采集的信息转换成可以被控制系统识别的数据。
35.数据分析与处理：将获取的数据采集模块的数据用内置算法进行分析与处理，剔除数据中存在错误的数据。在运行的过程当中，为了增强清土系统的稳定性，采样数量设为3，设距离测量传感器获取的数据为d1、d2、d3，测量的数据需要满足以下关系：
36.abs(d1
‑
d2)<1，abs(d2
‑
d3)<1，abs(d3
‑
d1)<1；
37.即数据间的绝对值误差小于1，避免因传感器不稳定造成获取数据为假的情况，默认清土机与土垄的相对距离c1为：
38.c1＝(d1 d2 d3)/3；
39.同理，位移测量传感器获取位移数据为d4、d5、d6，测量的数据需要满足以下关系：
40.abs(d4
‑
d5)<1，abs(d5
‑
d6)<1，abs(d6
‑
d4)<1；
41.绝对值误差大于1即认为获取数据为假，需再次测量位移数据，默认位移数据c2为：
42.c2＝(d4 d5 d6)/3；
43.速度测量传感器获取速度数据为v1、v2、v3，测量的数据需要满足以下关系：
44.v1/v2<1.1，v2/v3<1.1，v3/v1<1.1；
45.即误差限大于10％即认为获取数据为假，需再次测量速度数据，默认位速度数据v为：
46.v＝(v1 v2 v3)/3；
47.同理，流量测量传感器获取流量数据为q1、q2、q3，测量的数据需要满足以下关系：
48.q1/q2<1.05，q2/q3<1.05，q3/q1<1.05；
49.即误差限大于5％即认为获取数据为假，需再次测量流量数据，默认流量数据q为：
50.q＝(q1 q2 q3)/3；
51.液位测量传感器与gps传感器工作状况相对稳定，其数据处理方式本发明不再论述。
52.状态判断与纠正：以处理后的数据为依据，根据内置算法进行判断，如果获取的数据在预设的范围内，则不做任何操作，如果获取的数据不在预设范围内，则由主控制模块根据内置算法向驱动控制模块发出纠正指令，驱动执行部件进行工作状态的调整。具体实施方式如下：
53.清土系统依据位移数据形成闭环控制，清土机与土垄的相对距离c1与位移数据c2时刻保持如下关系：
54.c1＝c3 c2；
55.c3为纠正值，需要根据不同的行距设定，本发明实施例中取115，当清土参数不满足此关系式时，由内置算法控制进行调整，直至清土参数满足此关系式。清土的过程当中，以立柱作为检测标准，立柱在前进方向的间距为2～5m，清土机前进的速度为0.5～1.2m/s，以最大速度1.2m/s，最小间距2m计算，清土系统一个调节周期的时间为1.67s，传感器的采样速度为20个/s，电缸执行速度为15cm/s，总执行时间小于1.67s，清土系统满足使用的要求且适应性较强。
56.防尘系统以速度数据、流量数据为依据进行工作状态的控制，当液位测量传感器测量的数据处于预设范围，则速度数据v、流量数据q、比例阀开度k保持以下关系：
57.q＝vk；
58.当清土速度改变时，主控制模块控制比例阀开度使工作参数满足上式要求。当液位信息不在预设范围内时，主控制模块向监控屏输出预警，预警主要包括水箱水位过低与清土机已停机两种情况。
59.如图2所示，是本发明清土系统适用的清土机的整机结构示意图，其主要包括：防
尘系统动力源1、水箱2、电源3、电控箱4、距离测量传感器5、伺服电缸6、滑动装置7、导轨8、小刮板支架9、小刮板、喷雾装置11、距离测量传感器12、机架13、14大刮板。所述机架上有大刮板，与机架采用u型螺栓连接；所述机架上有滑动装置，所述滑动装置安装于导轨上，所述导轨与机架用螺栓固定连接；所述机架上有可伸缩伺服电缸，与机架采用螺栓连接。所述小刮板支架，与滑动装置采用螺栓连接，所述小刮板，与小刮板支架采用u型螺栓连接。伺服电缸通过万向节与滑动装置连接，伺服电缸的伸缩带动滑动装置的伸缩，从而带动小刮板实现入土量的调节。所述机架上安装有电源、电控箱。所述电控箱内装有单片机、伺服驱动、逆变器、单片机专用电源、速度传感器、gps传感器和无线网络模块。所述水箱，装于机架的中间，水箱内装有液位测量传感器。以前进方向为基准，水箱左上方装有防尘系统动力源，右下方装有喷雾装置。所述防尘系统动力源包括液压马达与加压泵，所述喷雾装置主要包括电磁阀、比例阀、喷头。所述监控屏装于驾驶室内。
60.清土状态的控制方法如下：
61.距离测量传感器测量清土机与土垄的相对位置，单片机对获取的距离信息进行判断，如果获取的距离信息大于预设值，则说明清土机远离土垄，清土量达不到预设标准，单片机给伺服驱动发出控制指令，驱动伺服电缸伸出，推动小刮板增加清土量，同时位移测量传感器测量伺服电缸的运动位移，如果电缸运动位移达到预设值则本条指令结束，如果电缸运动位移未达到预设值，则重复本条指令进行纠正；如果获取的距离信息小于预设值，则说明清土机离土垄过近，会造成伤藤率高的情况，单片机给驱动发出控制指令，驱动伺服电缸缩回，推动小刮板降低清土量，同时位移测量传感器测量伺服电缸的运动位移，如果伺服电缸运动位移达到预设值则本条指令结束，如果伺服电缸位移未达到预设值，则重复本条指令进行纠正。
62.防尘状态的控制方法如下：
63.上述控制过程中，清土机启动后，液位测量传感器测量水箱的液位信息，速度测量传感器测量清土机的工作速度，流量测量传感器测量喷雾流量，通过数据转换、数据分析与处理，由内置算法对获取的数据进行判断，如果获取的数据在预设的范围内，则主控制模块控制电磁阀打开，内置算法以速度为依据控制比例阀的开度，开始防尘工作；如果获取的数据不在预设的范围内，则控制模块向监控屏输出报警信号，如报警情况属于液位过低则需要向水箱内加水，如果清土机停机则防尘系统也停止工作。
64.工作时，清土机由拖拉机牵引，以土垄中间的立柱为检测标准，电源电压通过升压器升至48v给伺服驱动供电，单片机由特定电源进行供电。首先由大刮板清除部份土壤，大刮板的横向入土量为40cm，减少小刮板的清土量，小刮板主要清除坍塌土壤以及大刮板清土量不达标时清除多余土壤，小刮板切入土垄的最大横向深度为20cm，理想状态下小刮板比大刮板多切入10cm。随后距离测量传感器测量清土机与土垄的相对位置，单片机对获取的距离信息进行判断，如果获取的距离信息大于预设值，则说明清土机远离土垄，清土量达不到预设标准，单片机根据内置算法给伺服驱动发出控制指令，驱动伺服电缸沿导轨伸出，推动小刮板增加清土量，同时位移测量传感器测量伺服电缸的运动位移，如果伺服电缸运动位移达到预设值则本条指令结束，如果伺服电缸位移未达到预设值，则重复本条指令进行纠正；如果获取的距离信息小于预设值，则说明清土机离土垄过近，会造成伤藤率高的情况，单片机给伺服驱动发出控制指令，驱动伺服电缸沿导轨缩回，拉动小刮板缩回降低清土
量，同时位移测量传感器测量伺服电缸的运动位移，如果伺服电缸运动位移达到预设值则本条指令结束，如果电缸运动位移未达到预设值，则重复本条指令进行纠正。液压马达由拖拉机的液压站驱动，液压马达带动增压泵向喷雾装置提供压力水。速度测量传感器测量清土机的工作速度，液位测量传感器测量水箱的液位信息，流量测量传感器测量喷雾装置的喷量信息。如果获取的数据在预设的范围内，则单片机控制电磁阀打开，内置算法以速度为依据控制比例阀的开度，开始防尘工作；如果获取的数据不在预设的范围内，则单片机向监控屏输出报警信号，如报警情况属于液位过低则需要向水箱内加水，如果清土机停机则防尘系统也停止工作。依此清土状态进行清土直到一垄清土结束。
65.换垄时，数据采集模块获取的数据为空，单片机不发出任何指令，此阶段属于空指令状态，清土状态与防尘状态调节系统均无响应。
66.当换垄结束后，数据采集模块获取的数据为真，按内置的算法对工作状态进行调整，按照此控制原理一直到清土工作结束。
67.清土的过程当中，单片机将理想工作状态下的距离信息、位移信息、速度信息、液位信息、流量信息与位置信息通过无线网络模块传输至数据库，形成清土工作状态的工作参数数据库，来年清土的时候可以通过单片机直接调用，由清土信息为依据，主控制模块依据内置算法向监控屏输出清土路径，按此清土路径清土可以最大程度上避免葡萄藤的损伤，达到最大清土率以及最低伤藤率的工作效果。
68.上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技术所创的等效方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。