CN102487644B - 肥量配比全变量施肥装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种肥量配比全变量施肥装置及其控制方法，包括三个肥料箱、与三个肥料箱分别对应的三排排肥器、三个排肥轴和三个排肥轴驱动电机及混掺落肥管、混掺搅龙、搅龙驱动电机、落肥管固定板和电器控制部分；本发明是在电气控制部分的控制下，通过控制排肥轴转速控制肥料箱的排肥量，从而使三个肥料箱装填的不同单元肥料或复合肥分别按氮磷钾三营养元素的比例进行均匀混掺，在线实时实现精确的氮、磷、钾元素肥量和配比全变量智能施肥控制，更容易平衡土壤肥力分布的时空差异与作物营养需求差异的矛盾。装置结构简单，排肥过程时滞小，依据变量施肥处方和装置所处地理位置，不需要驾驶员管理，操作极为方便。本发明将肥料的混掺工艺从工厂化混掺后置到施肥作业过程中，消除了混掺（BB）肥在储运过程中的肥料颗粒容易分层，造成包装内养分分布不均匀的问题。

Description

肥量配比全变量施肥装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及的是农业机械技术领域的一种智能施肥装置，特别涉及一种可同时在线调整颗粒肥料各主要营养元素的配比和排肥量的全变量施肥装置及其控制方法。

背景技术

作为植物生长的养分来源，化肥中的三种主要常量营养元素氮、磷、钾可以大大提高农产品的产量和品质。我国开展的精准农业大范围的平衡施肥和配方施肥，其主要目的是根据土壤营养状况和作物确定合理的氮磷钾等主要营养元素的配比和施肥量。

一方面，目前我国肥料市场以颗粒肥为主。其中，单元颗粒肥料只含有一种主要营养元素，主要有尿素、过磷酸钙、氯化钾等。颗粒复合肥主要有二元复合肥料（含有氮、磷、钾中的两种元素组合）和三元颗粒复合肥料（含有氮、磷、钾三种元素）。其优点在于：氮、磷、钾含量高，营养元素种类较多，一次施用可同时供应作物两种以上的营养元素。然而复合肥也存在两个主要缺点：①养分比例固定，难以满足不同土壤和各种作物的差异化需求。②各种养分在土壤中运动速率各不相同，被土壤固定和流失的程度不同，因而在施用时间、施肥位置等很难满足精准施肥技术的要求。

国外发展很快的另一种肥料：散装掺混肥料（Bulk Blending Fertilizer,简称BB肥）是将几种颗粒状由单一肥料或复合肥料按一定的比例掺混而成的一种复混肥料。其特点是：①养分全面,浓度高，相比复合肥可以少施40%；②氮磷钾及微量元素的配比灵活，可根据作物营养、土壤肥力和产量水平等条件的不同而灵活调整生产线上的混掺比例，弥补了一般通用型复合肥因固定养分配比而容易造成某种养分不足或过剩的缺点。BB肥可以提高农作物施肥的针对性、降低施肥成本，是测土配方施肥技术的最理想载体。然而这种BB肥的按照配比混掺是在生产流水线上可调的，一旦混掺完成后氮、磷、钾比例不再可调。

另一方面，随着环保意识和农业生产可持续发展的呼声日益增强，人们逐渐意识到化肥的过量使用会改变土壤结构，进而对环境造成破坏，精准农业作为可行的解决方案已经被社会广为接受。作为精准农业重要内容之一，精准变量施肥技术根据小尺度田块之间不同的土壤营养分布和作物养分需求差异，施以不同质量和不同比例的肥料，从而减少施肥量、提高肥料利用率。理想的变量施肥应该依据土壤营养情况和作物目标产量决策施肥作业处方，该处方不仅要求各个局部网格点的施肥量，还应当有相应的主要营养成分，特别是氮、磷、钾的配比处方，然后施肥装备根据其行进速度和当前机具位置，自动实时调整主要营养元素的施肥量和配比。

经对现有技术文献检索发现，中国发明专利“精准变量施肥机”，申请号02149019，该专利公开了一种变量施肥机：通过三点悬挂机构与行走机械挂接的变量施肥机，变量施肥机通过液压马达调节排肥轮转速可以调整的施肥量，该机同时具有旋耕功能。该机配备的排肥箱和排肥器，可以完成一种复合肥或单一肥料的肥量调整。中国发明专利“开口转速双调节精确变量播种施肥机”，专利号200510028681.3，该专利公开了一种开口转速双调节精确变量播种施肥机，三点悬挂与播种施肥机机架连接，可以在作业过程中完成旋耕、播种和施肥三种功能。变量施肥机控制器通过控制排肥播种轴的开度和转速PID调节，完成肥料箱中的一种复合肥或单一肥料的肥量调整。

上述两种用于排施颗粒肥料的变量施肥机均能按照施肥处方的要求完成一种复合肥或单元肥料排肥量的调整。但是其缺点也很明显：①肥料的配比受到复合肥中主要营养比例和种类的限制，因而不能针对土壤营养分布和作物长势差异，在不同施肥网格中实现营养成分的按需配比。②测土配方施肥和精准变量施肥中使用的施肥处方包含的氮磷钾比例信息无法由此类变量施肥机完成，这样就不能完全实现精准农业的思想。特别是随着颗粒肥的发展已为肥料在线配比调节做好了肥料上的准备，现有变量施肥机仅能调整排肥量而不能调整投入的营养元素配比带来的功能缺失问题愈来愈明显。

经进一步检索发现，中国发明专利“一种水稻智能变量施肥机及其变量施肥方法”，专利号201010017129.5，该专利公开了一种水稻智能变量施肥机及其变量施肥方法，该变量施肥方法通过高光谱遥感系统和图像采集系统的信息融合，检测水稻的N，P，K含量，并根据其营养盈亏状况对水稻进行按需施肥。但是其排肥机构是通过输肥搅龙分别将氮、磷、钾肥输送至混流室，这种输肥搅龙排肥方式无法进行精确排肥量控制。混掺机构采用在混流室中的氮、磷、钾肥进行混合搅匀操作，经外槽轮排肥器进行排肥。但是，当随着牵引机具的行进，农田所需氮、磷、钾肥的混掺比例发生变化时，由于混流室内已存在混合好的氮、磷、钾肥成分，经过螺旋搅龙的混掺，混掺后的营养元素比例并不是所目前农田网格节点所需要的元素配比，其变量施肥控制的时滞很大，因而不能根据农田网格节点的不同而实时在线控制所需要的氮、磷、钾元素肥量和配比变量。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的上述不足，提供一种肥量配比全变量施肥装置及其控制方法，是一种排肥量和营养元素配比全变量的智能施肥装置，该装置具有变量施肥时滞小和响应快的特点，可以根据牵引机具行进的速度及施肥装置位置所在的农田网格节点的不同而实时计算控制不同农田网格节点所需要的氮、磷、钾元素肥量和配比变量。

一种肥量配比全变量施肥装置，包括三个肥料箱、与三个肥料箱分别对应的三排排肥器、三个排肥轴和三个排肥轴驱动电机及混掺落肥管、混掺搅龙、搅龙驱动电机和落肥管固定板。所述的排肥器分别位于其对应的肥料箱下部，通过螺栓与肥料箱底部固联接；所述的排肥器采用外槽轮式排肥器，由排肥漏斗、排肥外槽轮和用于固定的挡板、销钉组成；所述的排肥漏斗位于排肥外槽轮上方，排肥漏斗底部端面与排肥器上端面对接，使肥料从肥料箱流入排肥器；与每个肥料箱对应的一排排肥器的每个排肥外槽轮均安装在同一排肥轴上，三个肥料箱对应三个排肥轴，分别由对应的排肥轴驱动电机驱动。排肥轴驱动电机安装在施肥装置机架上，排肥轴驱动电机轴经一对减速齿轮与排肥轴相联。所述的混掺落肥管包括排肥管和混肥部；所述的三排排肥器中每一列对应的三个排肥器组成一个排肥器混掺单元，每个排肥器混掺单元的排肥器出口通过混掺落肥管的上部排肥管连接至混掺落肥管的混肥部，混肥部内安装有对应的混掺搅龙，每一排混掺搅龙都通过一个搅龙转轴联在一起，通过搅龙驱动电机驱动搅龙转轴，经混掺搅龙搅拌后进行三种不同肥料的均匀混掺。排肥轴驱动电机通过控制排肥轴转速，从而控制该排肥器的排肥率。通过控制三个排肥轴转速可以分别控制每个肥料箱的排肥量，从而使三个肥料箱装填的不同单元肥料或复合肥分别按氮磷钾三营养元素的比例进行均匀混掺。由于混掺搅龙混掺过程时滞很小，因而能够在电气控制部分的控制下实现精确的氮、磷、钾元素肥量和配比变量施肥控制。

所述电气控制部分包括：GPS接收模块、变量施肥控制器、GPRS无线通讯模块、三个排肥轴控制模块，上述模块集成安装在电气控制柜中，可安装到挂载本发明施肥装置的牵引机具上。所述电气控制部分还包括用于检测排肥轴转速的编码器传感器、牵引机具行进速度传感器以及为排肥轴驱动电机和变量施肥控制器等提供电源的蓄电池。GPS接收模块、GPRS无线通讯模块和变量施肥控制器通过串口通信方式联接，进行信息传递和控制命令的发送。

所述的GPS接收模块用于获取作业机具的地理位置信息，并通过串口发送到变量施肥控制器。接收天线安装在拖拉机驾驶室顶部。

所述的变量施肥控制器用于接收排肥轴转速传感器、机具行进速度传感器和GPS位置等反馈信息、各排肥轴对应的转速的计算和排肥轴驱动电机的PID控制。变量施肥控制器安装在牵引机具上，变量施肥控制器还配有人机交互接口，可以用于控制参数的设定和显示。

所述的GPRS无线通讯模块，采用SIMCOM模块，通过该模块内置的GPRS无线网络通讯功能，与远程服务中心建立联接，根据施肥需要进行变量施肥处方下载，下载后保存到控制器中的SD卡中。该施肥处方可由农艺专家或者精准农业处方生成专家系统提供或根据经验通过人机交互方式对各农田网格节点的施肥量和氮磷钾比例进行设置。

所述的施肥装置的控制步骤为：

1）  通过GPRS无线通讯模块下载或通过人机交互方式进行农田现场设置，从而获得该农田地块的对应的施肥处方文件； 

2）  全变量智能施肥装置田间作业时，变量施肥控制器根据GPS接收模块获取全变量智能施肥装置所在位置的经纬度信息；

3）  变量施肥控制器根据行进速度进行经纬度信息检索，获取当前位置所在的网格节点及其对应的所需施肥的氮、磷、钾配比和各自排肥量；

4）  依据牵引机具的行进速度、处方配比、排肥量和三肥箱中装填的单元肥料或复合肥料的氮、磷、钾比例，变量施肥控制器计算得出各排肥轴对应的转速；所述的计算方法见排肥量与配比计算原理部分；

5）  变量施肥控制器向三个肥料箱对应的排肥器发出控制指令，对三种不同肥料的排肥率精确控制，实现三种颗粒型复合肥的在线变量配比和排肥量调整，从排肥器排出的肥料在下落过程中，经过混掺搅龙搅拌后完成混掺过程，并施用到土壤中利于作物根系的吸收。

本发明还可以采用如下技术方案：

该装置可与具有其他农业作业功能的装置或模块，如播种装置、旋耕装置等配合使用，实现包括集成肥量配比全变量施肥等功能的复式作业装备。其他农艺功能模块可以通过机架与本装置联接在一起。与旋耕模块复合使用时，更有利于混掺肥料在表层土中的均质性。本装置的三个肥箱中除了可以装填复合肥外，还适合装填三种不同的单元肥料、BB肥、以及新型缓控释肥。本发明的三个肥料箱也可分别装填颗粒肥料、种子和颗粒农药，通过控制器的软件设置，实现肥种药的一体化施用。本发明装置的排肥轴驱动方式对液压马达驱动也适用，其转速可以通过流量阀进行调控。

本发明区别于现有变量施肥装置所具有的优点和有益效果是：

1)      该施肥装置不仅可以实现施肥作业中所施肥料的在线排肥量控制，系统响应所需时间短，更可以实现三个料箱排出肥料的氮磷钾配比的在线变量调整的精确控制，更容易平衡土壤肥力分布的时空差异与作物营养需求差异的矛盾；

2)      本装置将单元肥料或复合肥的混掺工艺从工厂化混掺后置到施肥作业过程中，从而消除了混掺（BB）肥在储运过程中的肥料颗粒容易分层，造成包装内养分分布不均匀的问题。

3)      本施肥方式可以依据氮磷钾的土壤固定和作物吸收规律，优化氮磷钾的施肥处方，使肥料用量减少，利用率提高。

4)      该施肥装置结构简单，排肥过程完全依据变量施肥处方和装置所处地理位置，不需要驾驶员管理，操作极为方便。

附图说明

图1本发明肥量配比双变量施肥装置结构示意图；

图2本发明肥量配比双变量施肥装置安装示意图；

图3本发明肥量配比双变量施肥电气信息控制部分结构框图；

图4本发明肥量配比双变量施肥控制流程框图。

具体实施方式

如图1、图2所示，第一肥料箱、第二肥料箱、第三肥料箱、第一排排肥器、第一排肥轴驱动电机、第二排排肥器、第二排肥轴驱动电机、第三排排肥器、第三排肥轴驱动电机、混掺落肥管、混掺搅龙、落肥管固定板组成机械装置部分。

排肥器位于肥料箱下部，通过螺栓与肥料箱底部固联接；所述的排肥器采用外槽轮式排肥器，由排肥漏斗、排肥外槽轮和用于固定的挡板、销钉组成；所述的排肥漏斗位于排肥外槽轮上方，排肥漏斗底部端面与排肥器上端面对接，使肥料从肥料箱流入排肥排肥器；与每个肥料箱对应的一排排肥器的每个排肥外槽轮均安装在同一排肥轴上，三个肥料箱对应三个排肥轴，分别由对应的排肥轴驱动电机驱动。排肥轴驱动电机安装在机架上，排肥轴驱动电机轴经一对减速齿轮与排肥轴相联。三排排肥器中每一列对应的三个排肥器组成一个排肥器混掺单元，三个排肥器混掺单元的排肥器出口通过混掺落肥管的上部排肥管连接至混掺落肥管的混肥部，混肥部内有对应的搅龙，一排搅龙都通过一个搅龙转轴联在一起，通过搅龙驱动电机驱动搅龙转轴，经混掺搅龙搅拌后进行三种不同肥料的均匀混掺。排肥轴驱动电机通过控制排肥轴转速，从而控制该排肥器的排肥率。通过控制三个排肥轴转速可以分别控制每个肥料箱的排肥量，从而使三个肥料箱装填的不同单元肥料或复合肥分别按氮磷钾三营养元素的比例进行均匀混掺。搅龙转轴可以工作在一个适宜的转速下，无需调速。

如图3所示，变量施肥控制器、GPS接收模块、作业处方、三个排肥轴控制模块构成电气信息控制部分。变量施肥控制器由DSP及其外围电路、SD卡、触摸屏接口等组成，具有传感器数据采集和驱动电机控制和控制参数计算等功能。GPS接收模块接收作业点处的地理位置信息，并传送给变量施肥控制器，通过GPRS无线通讯模块从远程服务中心进行处方下载至变量施肥控制器，变量施肥控制器将处方中的氮磷钾三种元素信息经计算后转化为三个排肥器对应的排肥率q₁、q₂、q₃，然后根据反映外槽轮排肥器排肥特性的回归函数，计算出相应的排肥轴转速n₁、n₂、n₃。

本发明的排肥量与配比计算原理是：

1）依据测量的各施肥单元网格的土壤养分含量和目标产量，运用作物生长模型计算出的该单元网格的施肥处方。变量施肥处方主要包含的信息有：当前农田单元网格点位置的经度、纬度、氮元素施肥量、磷元素施肥量、钾元素施肥量。其中氮磷钾的信息也可以表示为：氮元素、磷元素、钾元素各自所占含量百分比以及总施肥量。

                                                                                                                                              

式中：N₁ 、P₁ 、K₁分别是第一肥料箱中肥料的氮磷钾比例因子；N₂ 、P₂ 、K₂分别是第二肥料箱中肥料的氮磷钾比例因子；N₃ 、P₃ 、K₃分别是第三肥料箱中肥料的氮磷钾比例因子；N、P 、K分别是施肥肥料的目标氮磷钾比例因子，则三个肥料箱的排肥比例a₁、a₂、a₃可由下式解得；

                                                                                         

2）根据处方和每个肥料箱对应的排肥比例可以确定每个施肥单元网格的施肥量Q，并结合机具前进速度v等信息，计算出相应排肥率q。对于不同肥料，分别求得排肥率的控制方程系数，进而可知此肥料对应的变量施肥控制方程。但是由于变量施肥机在田间工作时产生的各种随机误差的存在，导致产生瞬时排肥量误差，必须通过对施肥机的标定补偿提高变量排肥系统的实时投送精度。计算出施肥播种机每公顷施肥量为：

                                                                                                                      

式中：q－排肥器排肥率（g/min）；

Q－每公顷要求排肥量（kg/ha）；

B－施肥机幅宽（m）；

v－机具前进速度（km/h）；

k_v－机具行进的打滑率；

p－排肥槽轮个数；

3）通过标定试验可以对每个排肥器排肥量和排肥轴转速的关系进行标定，则有标定拟合方程：

                                                                                                                    

其中，f—由最小二乘回归建立的非线性回归模型；

n－排肥槽轮工作转速（r/min）。

在变量施肥机实际排肥过程中，由于存在非理想、因素，如排肥器标定实验中的误差、控制曲线拟合误差、机具制造安装精度、田间工作振动对排肥器的自流层所产生的影响，施肥机标定参数是变化的。采用施肥过程静态试验和田间动态试验，获得的试验样本集可以反映出输入输出量间的多种误差。采用最小二乘回归可以实现排肥轴转速与施肥率间的映射关系f。利用这种映射关系f，给定排肥轴转速n，计算出三排排肥器各自所对应的施肥量。

图4为本发明所实现的排肥量和元素配比全变量的施肥控制实现过程。变量施肥控制器上电复位后，GPS接收模块和无线通讯模块设备初始化。当施肥控制开始后，变量施肥控制器读取施肥处方，读取当前GPS的经纬度信息后，确定计算施肥机所在当前网格区域，检索出作业处方在当前位置所设定的目标氮磷钾施肥量Q_N,Q_P,Q_K，根据公式（2）计算出三个排肥箱的排肥率q₁,q₂,q₃，根据公式（4）计算出三个排肥轴的转速n₁,n₂,n₃，施肥执行控制器采用PID控制排肥轴的转速q₁,q₂,q₃。重复上述过程直至施肥过程结束。

Claims (5)

1.一种肥量配比全变量施肥装置的控制方法，其特征在于该方法是在电气控制部分的控制下，随着牵引机具的行进速度进行经纬度信息检索，获取当前位置所在的网格节点及其对应的所需施肥的氮、磷、钾配比和各自排肥量的处方配比，通过控制排肥轴转速控制肥料箱的排肥量，从而使三个肥料箱装填的不同单元肥料或复合肥分别按氮磷钾三营养元素的比例进行均匀混掺，实时在线实现氮、磷、钾元素肥量和配比全变量智能施肥控制，具体步骤如下：

1)通过GPRS无线通讯模块下载或通过人机交互方式进行农田现场设置，从而获得该农田地块的对应的施肥处方文件；

2)全变量施肥装置田间作业时，变量施肥控制器根据GPS接收模块获取全变量施肥装置所在位置的经纬度信息；

3)变量施肥控制器根据行进速度进行经纬度信息检索，获取当前位置所在的网格节点及其对应的所需施肥的氮、磷、钾配比和各自排肥量；

4)依据牵引机具的行进速度、处方配比、排肥量和三肥料箱中装填的单元肥料或复合肥料的氮、磷、钾比例，变量施肥控制器计算得出各排肥轴对应的转速：

a)依据测量的各施肥单元网格的土壤养分含量和目标产量，运用作物生长模型计算出的该单元网格的施肥处方；变量施肥处方主要包含的信息有：当前农田单元网格点位置的经度、纬度、氮元素施肥量、磷元素施肥量、钾元素施肥量：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_1{N}_1+a_2{N}_2+a_3{N}_3=N\\ a_1{P}_1+a_2{P}_2+a_3{P}_3=P\\ a_1{K}_1+a_2{K}_2+a_3{K}_3=K\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中：N₁、P₁、K₁分别是第一肥料箱中肥料的氮磷钾比例因子；N₂、P₂、K₂分别是第二肥料箱中肥料的氮磷钾比例因子；N₃、P₃、K₃分别是第三肥料箱中肥料的氮磷钾比例因子；N、P、K分别是施肥肥料的目标氮磷钾比例因子，则三个肥料箱的排肥比例a₁、a₂、a₃可由下式解得：

$\left[\begin{array}{c}{a}_1\\ a_2\\ a_3\end{array}\right]={\left[\begin{array}{ccc}{N}_1& N_2& N_3\\ P_1& P_2& P_3\\ K_1& K_2& K_3\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}N\\ P\\ K\end{array}\right]---\left(1\right)$

b)根据施肥处方和每个肥料箱对应的排肥比例可以确定每个施肥单元网格的施肥量Q，并结合机具前进速度v信息，计算出相应排肥率q；对于不同肥料，分别求得排肥率的控制方程系数，进而可知此肥料对应的变量施肥控制方程，计算出全变量施肥装置每公顷施肥量为：

$Q=\frac{0.6\mathrm{pq}}{k_v\mathrm{vB}}---\left(1\right)$

式中：q－排肥器排肥率(g/min)

Q－每公顷要求排肥量(kg/ha)

B－施肥机幅宽(m)

v－机具前进速度(km/h)

k_v－机具行进的打滑率

p－排肥槽轮个数

c)通过标定试验可以对每个排肥器排肥量和排肥轴转速的关系进行标定，则有标定拟合方程：

$\left\{\begin{array}{c}{n}_1=f\left(q_1\right)\\ n_2=f\left(q_2\right)\\ n_3=f\left(q_3\right)\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，f—由最小二乘回归建立的非线性回归模型

n－排肥槽轮工作转速(r/min)

采用最小二乘回归可以实现排肥轴转速与施肥率间的映射关系f；利用映射关系f，给定排肥轴转速n，计算出三排排肥器各自所对应的施肥量；

变量施肥控制器向三个肥料箱对应的排肥器发出控制指令，对三种不同肥料的排肥率精确控制，实现三种颗粒型复合肥的在线变量配比和排肥量调整，从排肥器排出的肥料在下落过程中，经过混掺搅龙搅拌后完成混掺过程，并施用到土壤中利于作物根系的吸收。

2.根据权利要求1所述的一种肥量配比全变量施肥装置的控制方法，其特征在于其他农艺功能模块通过机架与本装置联接在一起。

3.根据权利要求1所述的一种肥量配比全变量施肥装置的控制方法，其特征在于该装置与旋耕模块复合使用。

4.根据权利要求1所述的一种肥量配比全变量施肥装置的控制方法，其特征在于所述的装置与具有其他农业作业功能的装置或模块配合使用，实现包括集成肥量配比全变量施肥功能的复式作业装备。

5.根据权利要求1所述的一种肥量配比全变量施肥装置的控制方法，其特征在于所述的三个肥料箱适合装填三种不同的单元肥料、BB肥或新型缓控释肥。