CN102523808B

CN102523808B - 新型双轴双调节精准变量施肥机及施肥方法

Info

Publication number: CN102523808B
Application number: CN201110426684.8A
Authority: CN
Inventors: 张立新; 吴金林; 赵登峰; 王卫兵; 喻俊志; 张家华
Original assignee: Shihezi University
Current assignee: Shihezi University
Priority date: 2011-12-20
Filing date: 2011-12-20
Publication date: 2015-02-25
Anticipated expiration: 2031-12-20
Also published as: CN102523808A

Abstract

本发明公开了一种新型双轴双调节精准变量施肥机及施肥方法，悬挂式牵引，可调节双转轴其中带动槽轮转动输入轴通过联轴器与伺服电机直接相连，带动半内筒转动来控制槽轮有效工作长度空心轴通过一对减速齿轮与另一伺服电机相连；储存肥料箱有两个一个为备料箱一个为工作下料箱；开沟梨为圆盘式开沟梨其与施肥装置、直流电池箱都相连与机架；发电装置和GPRS安于拖拉机后备箱中，施肥控制机安于机室内，GPRS接收信息输出到与内带有自动检测的耕田电子处方信息的处方机中，通过无线网络自动下载处方和传送与施肥控制机中；施肥控制机并将接收到的信息结合机具速度转化成所需双轴转速的配比。本发明最优于全自动化施肥，并且能确定N、P、K、有机肥或棉种的准确排肥量，适用于农业技术领域。

Description

新型双轴双调节精准变量施肥机及施肥方法

技术领域

本发明属于农业工程技术领域，涉及一种施肥机及施肥方法，具体地说是一种新型双轴双调节精准变量施肥机及施肥方法。

背景技术

目前变量施肥技术的研究重点是基于3S(GPS、GIS、RS)的变量施肥技术，即利用全球定位系统(GPS)获取农田地理位置和施肥机具位置，以遥感技术(RS)辅助作物生长模型、作物营养专家系统和土壤养分专家系统获取农田土壤信息和作物生长信息，依托地理信息系统(GIS)进行农田信息的管理和分析，根据不同空间单元的相关数据和其它多层数据(土壤理化性质、病虫草害、气候等)的叠合分析结果，获取施肥处方，使变量施肥机根据施肥处方和田块的不同要求，针对性地撒施不同配方及不同量的混合肥，达到高产、优质、环保的目的。

当前我国在研究基于3S的变量施肥技术的过程中，主要存在如何将DGPS、GIS、RS三个数据库有机结合，以及开发具有我国地域和农艺特色的变量施肥控制系统等问题。对于变量施肥控制系统，国内外大多采用基于处方信息进行控制施肥的形式，具体主要有以下两种形式：(1)以单片机为核心，输入机器前进速度、专家决策信息和DGPS位置信息，单片机作为系统中央处理器，接收DGPS定位信号，并根据DGPS定位信号获取操作单元专家施肥决策数据，各个操作单元的施肥量由施肥决策卡读取。单片机将机具速度与决策数据综合后，通过RS-232串口输出控制步进电机的脉冲量以决定排肥轴的转速，进而确定施肥量。这种控制方式具有经济、稳定、开发简单、通用性好等优点，但存在运行速度慢，处理信息量有限，实时性较差、控制单根排肥轴仅能实现复合肥的变量撒施等不足。国内研发的变量施肥控制系统主要采用这种形式。(2)以田间计算机(PC机)为核心，接收机器前进速度和DGPS位置信息，并根据机内土壤养分专家系统和作物生长模型，直接生成变量施肥处方，并将处方信息转换成控制指令，确定各排肥轴转速，进而获得适当的施肥量。这种控制方式具有信息处理量大，综合能力强，实时性好的优势，但成本较高，虽能实现N、P、K三种肥料的混合配比，却存在需要同时进行播种或撒施有机肥时不能兼顾的不足。国外变量施肥机控制系统大多采用这种形式。

对于颗粒肥料变量的控制，目前主要采用电控、液控、气控和机械无级变速、振动等控制方式。常用的机型机具有：美国约翰迪尔(JOHNDEER)公司生产的JD-1820型气力式变量施肥播种机和JD-1910型种肥罐车，其变量控制机构为电控无级变速器变量施肥执行机构；美国凯斯(CASE)公司用于变量施肥播种的2340型空气输送种肥车和ST820型播种机，其变量控制机构为电控液压马达变量施肥播种执行机构。这些机构控制难度大、价格高，主要用于大麦、小麦、油菜、大豆、玉米等作物的变量播种和施肥。由于国内外作物及农艺的区别，直接引进这些机构及其控制很难在国内直接应用，故急需研发适应新疆棉花种植所需要的变量施肥控制机构。

在国内，黑龙江八一农垦大学于2004年研制出了基于GPS定位的大豆精密播种机变量施肥自动控制系统，该自动变量施肥执行机构采用电控机械无级变速器变量施肥执行机构。2006年黑龙江八一农垦大学的赵军、于洁、王熙等提出了一种机械驱动式精密变量施肥播种机，并由东方红-802型拖拉机牵引播种机进行了大豆变量施肥播种试验。2004年吉林大学的张书慧、马成林、杜巧玲等研制了一个以AT89C52单片机为中心的自动变量施肥控制系统。该系统由全球定位系统(GPS)、单片机控制系统、施肥决策IC卡及拖拉机—播种施肥机组所组成。它接收GPS位置信号，以此判断施肥机所在的操作单元，通过监测施肥机的前进速度和读取存储在IC卡上的施肥量来控制施肥机上的排肥轴的转速，实现实时自动变量施肥。2005年上海交通大学刘成良教授主持研制成功了基于全球定位系统GPS的智能变量播种、施肥、旋耕复合机。2007年河北农业大学的邵利敏和国家农业信息化工程技术研究中心的王秀提出了一个以PLC为主机，集成光学传感器和控制装置的变量施肥控制系统，它通过实时监测的作物光谱信息和施肥机具的实际前进速度来调节施肥量。

总的说来，国内主要采用手控变量施肥机和自动变量施肥机两种形式。前者由机架、浮动仿形机构、分层施肥开沟器、播种单体、排肥器、步进电机、地轮、机速传感器和控制系统等组成。后者主要由GPS系统、单片机控制系统、IC卡及读卡器和施肥机组成。但以上机型的变量施肥控制系统主要是基于1S或2S的变量施肥控制系统，系统的GPS数据库和GIS数据库尚未有机结合，RS技术的辅助决策作用也未得到有效利用。特别地，(1)当前的自动变量施肥多是单变量或双变量施肥，为了使施肥精度更高，同时变量施氮、磷、钾及有机肥已是自动变量施肥的发展趋势；(2)国内研发和引进的变量施肥机主要适用于东北、华东地区的玉米、大豆、小麦等作物的变量施肥，针对新疆棉区的基于3S数据的棉花变量施肥机尚处于空白；(3)新疆与东北、华北地区存在地域、农艺、气候等诸多差异，故迫切需要结合新疆棉花的区域特色研究自动变量施肥系统关键技术。

发明内容

为了克服现有技术中存在的基于新疆棉花均一化施肥方式化肥利用率低下、环境污染严重等问题，在新疆棉花生产对变量施肥技术需求的基础上提供一种新型双轴双调节精准变量施肥机及施肥方法，技术方案为：

一种新型双轴双调节精准变量施肥机，包括：排肥输入轴5、开口输入空心轴16、伺服电机6、开口电机17、左侧板7、右侧板19、轴承40、排肥器4、固定座11、肥料箱9、机架20、悬挂装置50、耳挂51、升降装置18、开沟器30、复原犁32、导向软管52、排肥漏斗4、备料箱41、施肥PC机42、GPRS接收机36、测速转盘43、无线通讯模块37、齿轮减速机构15、电源输出与蓄电瓶装置38、处方生成机39、方管10、旋转轴55、扁钢56，数据交换器(57)接线盒(58)电源分线盒(59)卫星接收线(60)计算机(61)导向光棒(62)。

所述肥料箱9焊接与两根方管10上，并在每一个肥料箱9下面都用螺栓固定一个排肥器4，在其左右肥料箱9又通过螺栓固定于两侧板8上，在侧板8位于肥料箱9下面固定三个轴承40；轴承内圈相应连接有排肥输入轴5并且轴的位置横穿于排肥器4；排肥器4内部横穿排肥输入轴5上有槽轮3；实现装置半阶梯套筒2在每个半阶梯套筒两端通过螺栓连有空心轴16，空心轴16通过固定座11螺栓连接与焊在两个横向方管薄板13上，空心轴16右端焊死一齿轮37，一对齿轮通过开口电机17带动，其开口电机17固定右侧板8内侧；输入轴5通过安装左侧板8外侧伺服电机6带动，开沟器30、复原犁31分别有规律的固定在机架20前后横梁上，开沟器30上焊有空心导管52，空心导管52和开沟器30的导肥软管53接；排肥器4的排肥口下紧紧安有落肥漏斗54，机架后端安有可升降行走轮33，机架后端安有可拆卸的备料箱41；施肥PC机42、GPRS接收机36电源输出与蓄电瓶装置38、处方生成机39、无线通讯模块37、数据交换器57、接线盒58、电源分线盒59、卫星接收线60、计算机61、导向光棒62都安装在拖拉机司机室内；输入轴5和开口输入空心轴16靠轴承进一步优选，排肥漏斗内安有槽轮21与槽轮同轴安有半阶梯套筒2，所述排肥器5一共有十个个档位，对于不同排料输入轴1转速六个档位控制施肥量是成速度比例增大的。

进一步优选，所述齿轮减速机构18比例是10∶1。

进一步优选，所述排肥器5为外槽轮式排肥器。

进一步优选，所述施肥机控制部分用的是PC机。

一种施肥方法，在槽轮上套上半阶梯覆盖版；当驱动装置启动时测速转盘测出此时机进速度并将传输到单片机中；GPRS接受机定位同时处方生成机结合无线通讯模块提供信息形成处方程序；PC机接收此程序后结合机进速度直接通过变量控制驱动器控制伺服电机转速；对与相间区域贫瘠程度相差总需肥量的5％-10％时，变量控制驱动器此时驱动开口电机；开口电机转动带动半阶梯套筒转动，覆盖槽轮长度。

该施肥机使用时，启动拖拉机，开启所有电源；GPRS定位并将接收到的信息传输到处方机15，通过无线网络16自动下载处方并传送与施肥PC机13中；施肥PC机将接收到的信息结合机具速度一起转化成所需双轴转速的配比从而控制伺服电机3和开口电机4转速，从而控制所需的N、P、K等肥料量。机架3上横排有六个肥箱分别对应于耕田行宽竖排安有3个肥箱非别装N、P、K肥。

本发明的有益效果：

(1)本发明成本较低；

(2)本发明提高了自动控制单元的实时性与稳定性，实现棉花自动变量施肥的精确控制；

(3)本发明能确定N、P、K、有机肥或棉种的准确排肥量。

附图说明

图1是新型双轴双调节精准变量施肥机的主视图；

图2是新型双轴双调节精准变量施肥机的侧面图；

图3是新型双轴双调节精准变量施肥机的俯视图；

图4是新型双轴双调节精准变量施肥机的排肥器结构图；

图5是新型双轴双调节精准变量施肥机的槽轮结构及其主要尺寸图；

图6是控制部分的软件流程图；

图7是排除机主控制框图；

图8是PID算法流程图；

图9是总体及其控制硬件接线位置关系图。

具体实施例

下面结合附图和本发明实施例作进一步详细地说明：

参照图1-3以及图9，一种新型双轴双调节精准变量施肥机，包括：排肥输入轴5、开口输入空心轴16、伺服电机6、开口电机17、左侧板7、右侧板19、轴承40、排肥器4、固定座11、肥料箱9、机架20、悬挂装置50、耳挂51、升降装置18、开沟器30、复原犁32、导向软管52、排肥漏斗4、备料箱41、施肥PC机42、GPRS接收机36、测速转盘43、无线通讯模块37、齿轮减速机构15、电源输出与蓄电瓶装置38、处方生成机39、方管10、旋转轴55、扁钢56，数据交换器57、接线盒58、电源分线盒59、卫星接收线60、计算机61、导向光棒62。

所述肥料箱9焊接在两根方管10上，并在每一个肥料箱9下面都用螺栓固定一个排肥器4，在其左右肥料箱9又通过螺栓固定于两侧板8上，在侧板8位于肥料箱9下面固定三个轴承40；轴承内圈相应连接有排肥输入轴5并且轴的位置横穿于排肥器4；排肥器4内部横穿排肥输入轴5上有槽轮3；实现装置半阶梯套筒2在每个半阶梯套筒两端通过螺栓连有空心轴16，空心轴16通过固定座11螺栓连接与焊在两个横向方管薄板13上，空心轴16右端焊死一齿轮37，一对齿轮通过开口电机17带动，其开口电机17固定右侧板8内侧；输入轴5通过安装左侧板8外侧伺服电机6带动，开沟器30、复原犁31分别有规律的固定在机架20前后横梁上，开沟器30上焊有空心导管52，空心导管52和开沟器30的导肥软管53接；排肥器4的排肥口下紧紧安有落肥漏斗54，机架后端安有可升降行走轮33，机架后端安有可拆卸的备料箱41；施肥PC机42、GPRS接收机36电源输出与蓄电瓶装置38、处方生成机39、无线通讯模块37、数据交换器57、接线盒58、电源分线盒59、卫星接收线60、计算机61、导向光棒62都安装在拖拉机司机室内；输入轴5和开口输入空心轴16靠轴承14连成一体。

参照图4，排肥漏斗内安有槽轮3与槽轮同轴安有半阶梯套筒2，所述排肥器一共有十个档位，对于不同排料输入轴1转速十个档位控制施肥量是成速度比例增大的。

所述齿轮减速机构15比例是10∶1。

如图5，所述排肥器4为外槽轮式排肥器

施肥PC机其接受信号和发出信号流程图如图6。其处理过程为单片机接收GPRS接收机、无线通讯模块传输过过来信号同时接收机进速度经位移传感器转换为电压信号。单片机端采用查询方式将接收到的立即进行处理，取算术平均值，然后将平均值发送到工控机，工控机收到单片机的信号后与地理信息系统数据库中的施肥量比较，利用二者的偏差通过PID算法来调节电机的转速。控制系统的主流程图如图7所示，PID算法流程如图8所示。在PID算法中计算了差值取了两个临界值10和100。主要是因为当差值在10以内直接控制开口电机。当差值在100以外肥量增加主要靠输入电机控制。

总体排肥结构用的还是用的槽轮。增加的另一变量仍然是改变槽轮有效长度只是不同于是巧妙把整化部分。在槽轮上套上半阶梯覆盖版；当驱动装置启动时测速转盘测出此时机进速度并将传输到单片机中；GPRS接受机定位同时处方生成机结合无线通讯模块提供信息形成处方程序；PC机接收此程序后结合机进速度直接通过变量控制驱动器控制伺服电机转速；对与相间区域贫瘠程度相差总需肥量的5％-10％时，变量控制驱动器此时驱动开口电机；开口电机转动带动半阶梯套筒转动，覆盖槽轮长度。

该施肥机使用时，启动拖拉机，开启所有电源。GPRS接受机快速定位并将接收到的信息传输到处方机，通过无线网络自动下载处方并传送与施肥PC机中。施肥PC机将接收到的信息结合机具速度一起转化成所需双轴转速的配比从而控制伺服电机和开口电机转速，从而控制所需的N、P、K等肥料量。机架上横排有六个肥箱分别对应于耕田行宽竖排安有个肥箱非别装N、P、K肥。

变量施肥实验数据说明：

本发明新型双轴双调节精准变量施肥机，基于原先施肥机改加一开口变量。实验中仅需在不同输入转速对应十个档位施肥量就可实现其功能。因为多加变量是在原先基础上改善施肥精度的。实验结果能反映我们预想效果。从下面表1数据我们可知速度越大其精确度越低。最关键原因随着转速增加肥本身对施肥量影响占的分量变大。

表1

本发明的实施例不限于此，任何形式的简单变化，或者等效替换均落入本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种新型双轴双调节精准变量施肥机，其特征在于，包括：排肥输入轴(5)、开口输入空心轴(16)、伺服电机(6)、开口电机(17)、左侧板(7)、右侧板(19)、轴承(40)、排肥器(4)、固定座(11)、肥料箱(9)、机架(20)、悬挂装置(50)、耳挂(51)、升降装置(18)、开沟器(30)、复原犁(32)、空心导管(52)、备料箱(41)、施肥PC机(42)、GPRS接收机(36)、测速转盘(43)、无线通讯模块(37)、齿轮减速机构(15)、电源输出与蓄电瓶装置(38)、处方生成机(39)、方管(10)、旋转轴(55)、扁钢(56)、数据交换器(57)、接线盒(58)、电源分线盒(59)、卫星接收线(60)、计算机(61)、导向光棒(62)；

所述肥料箱(9)焊接于两根方管(10)上，并在每一个肥料箱(9)下面都用螺栓固定一个排肥器(4)，肥料箱(9)通过螺栓固定于侧板A(8)上，在侧板A(8)位于肥料箱(9)下面固定三个轴承(40)；轴承内圈相应连接有排肥输入轴(5)并且轴的位置横穿于排肥器(4)；排肥器(4)内部横穿排肥输入轴(5)上有槽轮(3)；实现装置半阶梯套筒(2)在每个半阶梯套筒两端通过螺栓连有空心轴(16)，空心轴(16)通过固定座(11)上的螺栓连接在两个横向方管薄板(13)上，空心轴(16)右端焊死一齿轮，另一齿轮通过开口电机(17)带动，其开口电机(17)固定在侧板A(8)内侧；排肥输入轴(5)通过安装在侧板A(8)外侧伺服电机(6)带动，开沟器(30)、复原犁(32)分别有规律的固定在机架(20)前后横梁上，开沟器(30)上焊有空心导管(52)，空心导管(52)和开沟器(30)的导肥软管(53)接；排肥器(4)的排肥口下紧紧安有落肥漏斗(54)，机架后端安有可升降行走轮(33)，机架后端安有可拆卸的备料箱(41)；施肥PC机(42)、GPRS接收机(36)、电源输出与蓄电瓶装置(38)、处方生成机(39)、无线通讯模块(37)、数据交换器(57)、接线盒(58)、电源分线盒(59)、卫星接收线(60)、计算机(61)、导向光棒(62)都安装在拖拉机司机室内；排肥输入轴(5)和开口输入空心轴(16)通过轴承(14)连接；

落肥漏斗(54)内安有槽轮(3)与槽轮同轴安有半阶梯套筒(2)，所述排肥器(4)一共有十个档位，对于不同排肥输入轴(5)转速十个档位控制施肥量是成比例增大的；

所述齿轮减速机构(15)比例是10∶1；所述的排肥器为外槽轮排肥器；排肥PC机其接收信号和发出信号的处理过程为单片机接受GPRS接收机、无线通信模块传输过来的信号，同时接收机进速度经位移传感器转化为电压信号；单片机端采用查询方式将接收到的信息立即进行处理，取算术平均值，然后将平均值发送到工控机，工控机收到的信号与地理信息系统数据库的施肥量进行比较，利用二者的偏差通过PID算法来调节电机的转速，在PID算法中计算了差值取了两个临界值10和100。