CN102369804A - 智能化施肥装置和方法及智能化施肥机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能化施肥方法与装置及具有该装置的施肥机，该装置包括机架、肥箱单元、施肥单元、排肥单元、控制单元，还包括施肥箱重量与肥料流量信息融合反馈单元，用于检测实际施肥量，并将该检测量作为反馈信号传输至控制单元。本发明还公开了一种智能化施肥方法，包括如下步骤：装载肥料；接收位置信息、行进速度、施肥处方图和施肥箱重量与流量反馈信息；计算并确定目标施肥量；控制变量施肥；排出肥料。本发明还公开了一种具有上述智能化施肥装置的施肥机。根据本发明可以实现精准的变量施肥。

Description

智能化施肥装置和方法及智能化施肥机

技术领域

本发明涉及精准农业机械装备自动化控制技术领域，特别涉及一种智能化施肥的作业机具。

背景技术

传统的施肥方式是采用均匀施肥作业，即在一个耕地区域内施加一个平均的肥量。但是同一耕地区域内的不同地块土壤肥力不同，甚至差别较大，因此，采用传统的均匀施肥会引起肥力较低的地块施肥不足，影响作物生长，而肥力较高的地块又施肥过量，不仅浪费肥料，增加生产成本，甚至还可能会导致环境污染。

目前农业领域中已采用了精准变量施肥机，通过在施肥机械上的GPS接收实时定位信息，结合施肥机所在地块的肥料需求计算，并据此通过调整排肥轴的转速以实现变量施肥。如中国专利ZL200520106231.7中，上位计算机与GPS模块和地理信息系统(GIS)模块相连接，控制器与上位计算机相连接，液压阀通过继电器与控制器相连接，通过继电器产生的控制信号调整液压阀的开度，从而驱动与液压阀连接的液压马达的转速，达到控制与液压马达齿轮连接的排肥机构的转速。由于排肥量与排肥机构的转速有一定的对应关系，因此通过控制排肥机构的转速就可以达到按需变量施肥的目的。并且可以在马达齿轮部分安装一个转速传感器，作为反馈量接入控制器，用于修正马达的转速，使其达到动态稳定。

通过液压阀开度的调节进控制排肥轴的转速，可以控制排出肥料的体积量，但是不同种类的肥料颗粒度和比重不同，精准的肥料施加量应该是以重量为单位，因此仅以控制调整肥料排出的体积来达到目标施肥量存在着较大的误差。

另外，不同地块对不同种类的肥料需求也不尽相同，在大型农业机械连续化作业过程中，仅仅施加单一配比的混合肥料也不能满足在大面积耕地区域内的不同比例和不同量的肥料需求。例如，耕地区域内的多个地块对N、P、K之间的比例和施肥量的需求各有不同，仅仅是控制单一配比混合肥料进行变量施肥，而不调整各种肥料之间的比例关系，也不能满足每个地块的个性化需求。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种智能化施肥装置，以实现反馈式控制，达到精准变量施肥。

为实现上述目的，本发明提供了一种智能化施肥装置，包括机架；肥箱单元，包括与机架相连的肥箱；施肥单元，包括与肥箱相连的螺旋排肥器，和通过排肥驱动轴与螺旋排肥器相连的电机；排肥单元，包括固定在螺旋排肥器的出料口下方的料斗，与料斗相连的排肥管和与排肥管相连的开沟器；控制单元，包括与施肥单元相连的控制器，用于计算施肥量，并控制施肥单元施肥；还包括施肥箱重量与施肥流量信息融合反馈单元，用于检测实际动态施肥量，并将所述实际动态施肥量作为反馈信号传输至所述控制单元。

进一步地，施肥箱重量为肥箱重量变化量，施肥流量为流经料斗的施肥流量。

进一步地，控制单元根据接收到的位置信息、行进速度、施肥处方图以及施肥箱重量和施肥流量信息，计算并控制施肥单元施肥。

进一步地，施肥重量与流量反馈单元包括称重传感器，称重传感器与机架相连并支撑所述肥箱。

进一步地，施肥重量与流量反馈单元包括悬挂式力传感器，悬挂式力传感器一端固定在所述螺旋排肥器外侧，另一端与料斗相连接。

进一步地，至少包括两个肥箱，且每个肥箱都有一套与之独立配合的料斗、施肥控制单元和施肥箱重量与施肥流量信息融合反馈单元。

本发明的另一个目的在于提供一种智能化施肥方法，以实现反馈式控制，达到精准变量施肥。

为实现上述目的，本发明提供了一种智能化施肥方法，包括如下步骤：装载肥料；接收车辆位置信息、行进速度、施肥处方图和施肥箱重量与施肥流量反馈信息；根据接收的信息计算并确定目标施肥量；控制变量施肥；排出肥料。

进一步地，施肥箱重量为肥箱重量变化量；施肥流量为流经料斗的施肥流量。

进一步地，肥料为由多个肥箱分别装载的不同肥料，根据肥料的施肥处方图确定车辆所在位置的不同肥料的目标施肥比例和目标施肥量，根据所述目标施肥比例和目标施肥量，控制不同肥料进行变量施肥。

本发明的另一个目的在于提供一种智能化施肥机，具有上述智能化施肥装置，使得该施肥机可以实现反馈式控制，达到精准变量施肥。

应当理解，本发明的上述一个或多个特征可以有益地相互结合。

本发明提供的智能化施肥装置和方法，以及具有该智能化施肥装置的智能化施肥机，可以达到肥料的精准施加，节约生产成本，并可以避免因肥料施加不足影响作物生长或肥料施加过量导致浪费甚至环境污染。

附图说明

下面结合附图和详细实施方式对本发明进行详细说明，其中：

图1a为装配有智能化施肥装置的施肥机侧视图；

图1b为装配有智能化施肥装置的施肥机俯视图；

图2为智能化施肥机中称重传感器的局部放大图；

图3为智能化施肥机中悬挂式力传感器的局部放大图；

图4为智能化施肥方法的反馈式控制示意图；

图5为智能化施肥方法的变量配肥示意图；

图6为智能化施肥方法的反馈式变量配肥施肥原理图；

图7为智能化施肥方法的反馈式变量配肥施肥流程图；

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，在一个实施方式中描述的元件、结构和特征也可以有益地结合到其它实施方式中。

图1a为装配有智能化施肥装置的施肥机侧视图。机架13上有三个肥箱5，每个肥箱5均通过称重传感器10的支撑与机架13相连接，且每个肥箱5上安装有螺旋排肥器2，料斗4通过悬挂式力传感器6固定在螺旋排肥器2出料口的下方。控制箱3与机架13相连接，控制伺服电机1工作。伺服电机1通过排肥驱动轴(未示出)与螺旋排肥器2相连，并调整螺旋排肥器2的转速，进而达到控制肥料按需排入料斗4中。肥料经过料斗4的下方连接的排肥管11和开沟器12最终施加到土壤中。机架13通过牵引架14与拖拉机9相连接，通过拖拉机9的行走，实现田间施肥过程。拖拉机9上安装有差分GPS天线7和GPS接收机8，通过GPS接收机8来获取该拖拉机9的位置信息和行进速度，再根据的拖拉机9的位置信息，可以在机载计算机上或远程获取到当前位置上的土壤信息，来确定各种不同肥料的施肥量。本实施例中采用了三个肥箱5，用以分别装载最常用的N、P、K三种肥料，根据GPS接收机8获取的位置信息以及所在位置的土壤信息，可以计算得知该所在位置的单位面积上这三种肥料各自的需求量。另外还可以根据N、P、K三种肥料各自的处方图确定N、P、K三种肥料的配肥比例关系和施肥量，根据行进位置不同，实时调整N、P、K的配肥比例关系和施肥量，通过车载计算机或远程计算机向控制箱3发送命令，进而由控制箱3调节伺服电机1的转速，而伺服电机1通过排肥驱动轴带动螺旋排肥器2转动，进行施肥。此外，为了合理肥料，可以选择性地将N、P、K三种肥料分层施加。本实施例中，采用了先将K、P混合后再通过同一排肥管11和开沟器12施加到土壤层中，而N肥通过另外一排肥管11和开沟器12施加到不同的土壤层中。同时设置多个肥箱的好处是，各个地块中对不同种类肥料的需求量有所不同，单一肥箱中装载的单一配比的混合肥料不足以满足所有地块对肥料的需求或者单一肥箱中只装载单一肥料，需要对同一地块进行多次不同肥料的施肥作业，极大地浪费人力物力。当然，肥箱5的个数可以根据需求设置或者按需要决定是否装载肥料。

图1b为装配有智能化施肥装置的施肥机俯视图。肥箱5之间设置有工作踏板15，便于在机架上工作时踩踏。

图2为智能化施肥机中称重传感器的局部放大图。称重传感器10分别与机架3和肥箱支架16相连接，通过肥箱支架16支撑并检测肥箱5中肥料的重量，并将肥箱5中肥料的重量信息反馈给控制单元(未示出)。控制单元中的数据采集模块先对称重传感器模拟信号进行放大、滤波，将模拟信号转化为数字信号，再由计算模块对该数字信号进行数字滤波处理，以消除田间作业时颠簸等情况对测量结果的影响，并将处理后的结果实时显示。一个肥箱5中的肥料重量信息由一组与之配合的称重传感器测得，可以采用4个称重传感器支撑一个肥箱5，并检测肥箱5中的肥料重量，也可以选用一个或多个压力传感器测量并反馈肥箱5中肥料重量信息。

图3为智能化施肥机中悬挂式力传感器的局部放大图。肥箱5中的肥料由于重力作用，进入与肥箱5相连接的螺旋排肥器2中，通过螺旋排肥器2的转动将肥料排入到出料口17下方的料斗4中。料斗4通过悬挂式力传感器6与螺旋排肥器2的外壁固定连接。悬挂式力传感器6一端与料斗4相连，另一端也可以与机架或肥箱等固定连接，通过肥料流出时产生的冲击，来测量肥料流出的重量损失量，并将该肥料流出的重量损失量反馈给控制单元(未示出)，控制单元对悬挂式力传感器模拟信号进行放大、滤波，将模拟信号转化为数字信号，并对该数字信号体现的流出肥料的重量信息进行积分处理，来获得施肥的流量信息。当然其他能够测量肥料流出的重量损失量的称重传感器也可以替代悬挂式力传感器6。

图4为智能化施肥方法的反馈式控制示意图。拖拉机牵引智能化施肥装置在田间作业过程中，车载计算机24根据接收到或输入的GPS定位信息21、施肥处方图22和拖拉机行走速度23，计算出此处单位面积的施肥量25，通过串口将信息发送给施肥控制系统26，施肥控制系统26实时控制肥箱上的伺服电机27来控制排肥轴的转速，以实现变量施肥28。同时，施肥控制系统26采集肥箱称重传感器测得的肥料重量值29以及出料口处悬挂式力传感器测得的肥料流量值，并通过串口反馈给车载计算机24，车载计算机24根据同一时间段内由肥箱称重传感器测得的肥料重量变化值与由悬挂式力传感器测得的肥料实际流出量值计算二者的差异，实时变步长修正肥箱上的伺服电机27的转速来控制的施肥量，进而实现反馈式控制，完成精准的变量施肥过程。其中由肥箱称重传感器测得的一段时间内的肥料重量变化值为该时间范围内的标准肥料流量值，而由悬挂式力传感器测得的一段时间内肥料流出量的积分值为肥料实测流出量值，通过对比二者之间的差异，来修正悬挂式力传感器的测量修正系数，从而既准确又快速的测量动态施肥量，进而控制伺服电机改变施肥量，达到肥料实际流出量值与处方图上给定的施肥量值趋于一致。车载计算机24和施肥控制系统26构成了控制单元，当然也可以采用远程操作控制的模式，由智能化施肥装置直接接收远程指示，进行实时变量施肥。

图5为智能化施肥方法的变量配肥示意图。当智能化施肥装置中同时分别装载有两种以上的不同种类肥料时，在进行变量施肥前，控制系统会根据施肥处方图进行变量配肥。以智能化施肥装置中有三个肥箱，且分别装载N、P、K三种肥料为例，车载计算机32根据事先载入的施肥处方图31，先分析出此处N、P、K三种不同肥料所需施肥比例和总施肥量，再进行变量配肥33，并通过施肥控制系统34，分别控制N肥控制电机35、P肥控制电机36、K肥控制电机37，分别改变N、P、K排肥轴转速，实现对N、P、K三种肥料的变量配肥。施肥处方图可以是N、P、K三种肥料各自的处方图，也可以是N、P、K三种肥料的比例关系图和肥料需求量的处方图。车载计算机32根据所在位置的实际土壤肥料状况，与肥料的施肥处方图进行比较，可以确定出需要施加的不同肥料之间的比例关系，和需要施加的总量。随着智能化施肥装置在田间运动，所处位置的土壤肥料状况可能会有所变化，因此需要调整不同肥料之间的比例关系和施肥总量，这就需要根据土壤状况实时变量配肥。实时变量配肥，可以在一次施肥作业中，同时对多种肥料进行施加，实时调整不同肥料的比例关系和施肥量，最终达到精准的变量配肥施肥的目的。

图6为智能化施肥方法的反馈式变量配肥施肥原理图。肥料箱411、肥料箱412和肥料箱413中分别装载不同种类的肥料，且每个肥料箱均有与之独立配合的称重传感器、料斗、力传感器和电机。由称重传感器421测量肥料箱411内的肥料重量变化量，由力传感器441测量流经料斗431的肥料重量，与肥料箱411配合的称重传感器421和力传感器441的检测值由数据采集装置45将模拟信号转为数字信号，经过微控制系统46发送到计算机47。由称重传感器422测量肥料箱412内的肥料重量变化量，由力传感器442测量流经料斗432的肥料重量，与肥料箱412配合的称重传感器422和力传感器442的检测值由数据采集装置45将模拟信号转为数字信号，经过微控制系统46发送到计算机47。同样，由称重传感器423测量肥料箱413内的肥料重量变化量，由力传感器443测量流经料斗433的肥料重量，与肥料箱413配合的称重传感器423和力传感器443的检测值由数据采集装置45将模拟信号转为数字信号，经过微控制系统46发送到计算机47。计算机47对位置信息、施肥处方图、行进速度计算后，确定肥料箱411、412、413中不同肥料所需施肥比例和施肥量，再通过微控制系统46分别向肥料箱411的控制电机481、肥料箱412的控制电机482和肥料箱413的控制电机483发出控制指令，分别调整电机481、482、483的转速，以达到对肥料箱441、442、443中所装载肥料的精确变量配肥施肥。当然，也可以单独控制某一种类肥料的施加，也可以根据需要选择性运作任意一个或多个肥料箱及与之独立配合的称重传感器、料斗、力传感器和电机。计算机47可以是智能化施肥装置上设置的，也可以是远程控制的，在远程控制的情况下，由智能化施肥装置中的微控制系统46向远程计算机47发送数据信息，再由远程计算机47计算后，向智能化施肥机械上的微控制系统46发送控制命令。

图7为基于图6智能化施肥方法的反馈式变量配肥施肥原理图的反馈式变量施肥流程图。以智能化变量施肥机上装载有计算机为例，步骤S51将计算机47控制系统初始化；步骤S52由计算机47获取车辆位置信息和行进速度信息；步骤S53根据计算机47内加载的施肥处方图或者人工录入的设定值，计算确定所在位置上的不同种类肥料的施肥比例和施肥量；步骤S54分别将称重传感器421、422、423测得的相应肥箱中肥料重量变化和力传感器441、442、443测得的流经相应料斗431、432、433的肥料实时流量模拟信号发送给数据采集装置45，并将其转换为数字信号，通过微控制系统46将数字型号发送到计算机47，计算机47将每种肥料的实时流量值进行积分后与该肥料的重量变化值进行比较；步骤55将比较结果由计算机47中的PID专家控制系统进行处理，通过每种肥料的肥箱重量变化值和力传感器测定值对时间的积分值，修正每种肥料相应的力传感器的测量修正系数，以使施肥机可以更准确的控制该种肥料的施肥量，进而达到对每种肥料精准的实时变量施肥；步骤56微控制系统46控制电机481、482、483的转速，进而控制三种肥料的排出量；步骤S57，将每种肥料实时重量和施肥流量信息通过数模采集装置45反馈给计算机47并进行比较，返回到步骤S54，构建一个闭环PID控制系统，进行精准的变量施肥。另外还可以将智能化施肥机械上可以设置有接收装置，来接受由远程计算机发送的控制指令，并由控制系统控制进行变量施肥。通过肥箱肥料重量检测和实时肥料流量检测结果的反馈，构成了一个闭环PID控制系统，可以自动准确的根据土壤肥料需求进行变量施肥。

应当指出，虽然通过上述实施方式对本发明进行了描述，然而本发明还可有其它多种实施方式。在不脱离本发明精神和范围的前提下，熟悉本领域的技术人员显然可以对本发明做出各种相应的改变和变形，但这些改变和变形都应当属于本发明所附权利要求及其等效物所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种智能化施肥装置，包括：

机架；

肥箱单元，包括与所述机架相连的肥箱；

施肥单元，包括与所述肥箱相连的螺旋排肥器，和通过排肥驱动轴与螺旋排肥器相连的电机；

排肥单元，包括固定在所述螺旋排肥器的出料口下方的料斗，与所述料斗相连的排肥管和与所述排肥管相连的开沟器；

控制单元，包括与所述施肥单元相连的控制器，用于计算施肥量，并控制所述施肥单元施肥；

其特征在于，还包括施肥箱重量与施肥流量信息融合反馈单元，用于检测实际动态施肥量，并将所述实际动态施肥量作为反馈信号传输至所述控制单元。

2.根据权利要求1所述的智能化施肥装置，其特征在于，所述施肥箱重量为肥箱重量变化量，所述施肥流量为流经所述料斗的施肥流量。

3.根据权利要求1或2所述的智能化施肥装置，其特征在于，所述控制单元根据接收到的位置信息、行进速度、施肥处方图以及所述的施肥箱重量和施肥流量信息，计算并控制所述施肥单元施肥。

4.根据权利要求2所述的智能化施肥装置，其特征在于，所述施肥重量与流量反馈单元包括称重传感器，所述称重传感器与所述机架相连并支撑所述肥箱。

5.根据权利要求2所述的智能化施肥装置，其特征在于，所述施肥重量与流量反馈单元包括悬挂式力传感器，所述悬挂式力传感器一端固定在所述螺旋排肥器外侧，另一端与所述料斗相连接。

6.根据权利要求1或2所述的智能化施肥装置，其特征在于，包括多个所述肥箱，用于装载不同的肥料，且每个肥箱都有一套与之独立配合的所述施肥控制单元和施肥箱重量与施肥流量信息融合反馈单元。

7.一种智能化施肥的方法，用于如权利要求1所述的装置，其特征在于，包括如下步骤：

装载肥料；

接收车辆位置信息、行进速度、施肥处方图和施肥箱重量与施肥流量反馈信息；

根据所述接收的信息计算并确定目标施肥量；

控制变量施肥；

排出肥料。

8.根据权利要求7所述的智能化施肥方法，其特征在于，所述施肥箱重量为肥箱重量变化量；所述施肥流量为流经所述料斗的施肥流量。

9.根据权利要求8所述的智能化施肥方法，其特征在于，所述肥料为由多个肥箱分别装载的不同肥料，根据所述肥料的施肥处方图确定车辆所在位置的不同肥料的目标施肥比例和目标施肥量，根据所述目标施肥比例和目标施肥量，控制不同肥料进行变量施肥。

10.一种智能化施肥机，其特征在于，包括权利要求1至6任一项所述的智能化施肥装置。

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