CN104285578A - 单臂吊机式变量施肥系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单臂吊机式变量施肥系统，涉及一种可以进行变量施肥的施肥机械，它包括支撑杆、旋转臂、摄像头、变量施肥单元和肥料配制系统；支撑杆垂直固定在施肥区域，旋转臂与支撑杆通过轴承连接，旋转臂上设有至少十个均匀分布的变量施肥单元，旋转驱动系统连接支撑杆和旋转臂，旋转臂在旋转驱动系统的作用下绕着支撑杆旋转；肥料配制系统设置在支撑杆的下部，肥料配制系统通过管道连接变量施肥单元；摄像头可沿着旋转臂水平移动并可以上下移动。本发明结构简单紧凑，自动化程度高，摄像头对施肥区域的单位面积的作物进行实时拍摄分析，实现了实时监测实时分析，通过计算机控制施肥参数，使得施肥更加精确。

Description

单臂吊机式变量施肥系统

技术领域

本发明涉及一种联合作业机械领域，尤其涉及一种可以进行变量施肥的施肥机械。

背景技术

随着现代农业科学技术的发展，科学，合理的施肥是保持土地养分充足、农作物长势、产量稳定的基本保障。对于大面积耕种农田来说更是如此。由于土地广阔，不同地区的土质差别较大，土壤中养分含量也相差较大，因此，需要采用能够根据土壤质量进行变量施肥的设备，达到平衡土壤养分的目的。

精准农业变量施肥技术(简称精确施肥或变量施肥)是以作物成长模型、作物养羊专家系统为支持，以高产、优质、环保为目的的施肥技术，要求对农业生态系统进行养分平衡研究，从而可以实现在每一操作单元上因作物营养水平的差异而按需施肥，有效控制物质循环中养分的输入和输出，减少化肥对环境的污染和破坏，大大提高了肥料的利用率，降低生产成本，增加农民收入。

基于全球定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)、遥感技术(RS)、计算机自动控制等技术，国内外已对农作物变量施肥技术开展了大量研究工作，取得一些研究成果，如中国专利ZL02149019.8，ZL200910095897.X、ZL200710175341.2，日本专利JP20030154427、JP19980080779等。这些施肥技术大多应用GPS、GIS技术，通过测定往年土壤养分、地形地貌、作物产量等信息，获取土壤变量施肥处方图，知道当季作物生长施肥，往往只变量控制一种肥料的施用量(比如氮肥)，而作物生长期土壤养分已经发生了很大的变化，而且单位面积的N、P、K元素的需求比例不同，需要实时精确控制。

因此，需要一种适合作物成长全周期的变量施肥机械，尤其是一种可是进行单位面积施肥的且无需在田中行走的即可施肥的变量施肥机械。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有变量施肥机器在进行大面积土地变量施肥作业中所存在的问题提供一种单臂吊机式变量施肥系统，该系统能够对单位面积的作物根据其需要进行精确施肥，同时可以根据作物需要进行浇水、喷洒农药等操作。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：单臂吊机式变量施肥系统，包括支撑杆、旋转臂、旋转驱动系统、摄像头、变量施肥单元和肥料配制系统；所述支撑杆垂直固定在施肥区域，所述旋转臂与支撑杆通过轴承连接，所述旋转臂的一侧上设有至少十个变量施肥单元，所述变量施肥单元均匀分布在旋转臂上；所述旋转臂的另一侧上设有配重块；所述旋转驱动系统连接支撑杆和旋转臂，旋转臂在旋转驱动系统的作用下绕着支撑杆旋转；所述肥料配制系统设置在支撑杆的下部，所述肥料配制系统通过管道连接变量施肥单元；

所述摄像头设在上下移动系统上，所述摄像头在上下移动系统的作用下上下移动，所述上下移动系统通过水平移动系统连接旋转臂，所述上下移动系统在水平移动系统的作用下沿着旋转臂直线运动。

进一步的，所述水平移动系统包括设置在旋转臂上的同步传送带、直线导轨和固定在旋转臂上驱动同步传送带运动的同步带驱动电机，上下移动系统连接同步传送带和直线导轨，上下移动系统在同步传送带和直线导轨的共同作用下水平方向移动；

所述上下移动系统包括连接传动连接机构、竖直放置的传动齿条和齿条驱动电机，齿条驱动电机固接传动连接机构，传动齿条连接传动连接机构和齿条驱动电机，齿条驱动电机带动传动齿条的上下运动。

进一步的，所述旋转驱动系统包括固定在旋转臂上的同步带驱动电机、固接在支撑杆上的大齿轮，通过蜗轮蜗杆减速器连接同步带驱动电机的小齿轮；所述大齿轮连接小齿轮；

进一步的，所述变量施肥单元包括喷头和控制阀，所述喷头通过管道连接肥料配置系统，所述控制阀装在管道上；

进一步的，所述肥料配制系统包括流量调节机构、多光谱仪、PWM控制器、计算机、液体肥料箱、液体肥液压泵和调节阀，流量调节机构装在液体肥料箱上，所述流量调剂机构连接PWM控制器，所述PWM控制器连接计算机，所述计算机连接多光谱仪，所述多光谱仪与摄像头通过数据线连接；

进一步的，所述流量调节机构包括装在液体肥料箱内的液体肥液压泵和设置在液体肥料箱的出口处的调节阀。

变量施肥的工作过程为：利用摄像头拍摄单位面积的作物，传输给光谱仪，利用光谱仪采集作物的光谱信息输入给计算机，建立光谱特征信息与作物营养状态(氮素、钾素含量)的数学模型；然后依据作物的实测营养数据建立施肥量模糊推理表，并利用氮、钾含量估测模型诊断出变量施肥小区六个地块的生长水平，对照施肥推理表确定各个地块的氮、钾肥追施量即占空比，按照其高低不同将试验地块划分为氮高低两个等级，钾优、良好、好、中和差五个等级；最后，利用研制的变量施肥喷雾机完成田间试验，变量施肥控制系统生成占空比的PWM信号并由计算机的RS232串口输出到PWM控制器，PWM控制器按照每个等级不同的PWM信号控制电磁阀的开闭时间来完成喷头的流量调节，也就是调节了施肥量，从而完成了变量施肥。

旋转臂上设有多个变量施肥单元，在摄像头在对旋转臂下方直线区域的作物状况扫描完毕后根据作物的不同生长状况分析出不同的肥料需求进而控制喷头进行不同程度的肥料喷洒。

流量调节机构的调节方式有三种：第一种是通过液体肥液压泵来调节流量大小；在液体肥泵的入口处设置的调节阀为压力调节阀，通过控制压力调节阀，调节液体肥泵的入口处液体压力，从而控制液体肥流量；第二种是通过控制液体肥泵转速来调节流量大小，即通过马达或电控无级变速器来控制液体肥泵的转速，达到控制液体肥泵流量的目的。第三种是通过通过调节阀的开度或开闭状态来调节流量的大小。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)结构简单紧凑，自动化程度高，每个过程都可以做到精确控制且无需认为操作，节省了劳动力。

2)摄像头对施肥区域的单位面积的作物进行实时拍摄分析，实现了实时监测实时分析，通过计算机控制施肥参数，使得施肥更加精确。

3)使用顶部喷撒农药的方式，使得施肥更加均匀。

4)喷头可以通过管道直接连接水箱和农药箱，即可实现喷水喷农药喷肥料的三重功能。

5)使用PWM控制器控制喷嘴的控制阀，可以实现连续喷液的精确控制。

附图说明

图1是本发明单臂吊机式变量施肥系统的结构示意图。

图2是本发明旋转臂部分的局部放大图。

图3是本发明旋转臂和上下移动系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

结合图1、图2和图3，单臂吊机式变量施肥系统，包括支撑杆10、旋转臂1、旋转驱动系统、摄像头13、变量施肥单元和肥料配制系统；支撑杆10垂直固定在施肥区域，旋转臂1与支撑杆10通过轴承连接，旋转臂1的一侧上设有至少十个变量施肥单元，变量施肥单元均匀分布在旋转臂1上；旋转臂1的另一侧上设有配重块11；旋转驱动系统连接支撑杆10和旋转臂1，旋转臂1在旋转驱动系统的作用下绕着支撑杆10旋转；肥料配制系统设置在支撑杆10的下部，肥料配制系统通过管道连接变量施肥单元。

摄像头13设在上下移动系统上，摄像头13在上下移动系统的作用下上下移动，上下移动系统通过水平移动系统连接旋转臂1，上下移动系统在水平移动系统的作用下沿着旋转臂1直线运动。

水平移动系统包括设置在旋转臂上的同步传送带2、直线导轨和固定在旋转臂上驱动同步传送带运动的同步带驱动电机3，上下移动系统连接同步传送带2和直线导轨，上下移动系统在同步传送带2和直线导轨的共同作用下水平方向移动。

上下移动系统包括连接传动连接机构12、竖直放置的传动齿条15和齿条驱动电机14，齿条驱动电机14固接传动连接机构12，传动齿条15连接传动连接机构12和齿条驱动电机14，齿条驱动电机14带动传动齿条15的上下运动。

旋转驱动系统包括固定在旋转臂上的同步带驱动电机6、固接在支撑杆上的大齿轮9，通过蜗轮蜗杆减速器7连接同步带驱动电机6的小齿轮8；大齿轮9连接小齿轮8并且二者相互齿合。

变量施肥单元包括喷头和控制阀，喷头通过管道连接肥料配置系统，控制阀装在管道上；

肥料配制系统包括流量调节机构、多光谱仪、PWM控制器、计算机、液体肥料箱、液体肥液压泵和调节阀，流量调节机构装在液体肥料箱上，流量调剂机构连接PWM控制器，PWM控制器连接计算机，计算机连接多光谱仪，多光谱仪与摄像头通过数据线连接；

流量调节机构包括装在液体肥料箱内的液体肥液压泵和设置在液体肥料箱的出口处的调节阀。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (6)

1.单臂吊机式变量施肥系统，包括支撑杆、旋转臂、旋转驱动系统、摄像头、变量施肥单元和肥料配制系统；所述支撑杆垂直固定在施肥区域，所述旋转臂与支撑杆通过轴承连接，所述旋转臂的一侧上设有至少十个变量施肥单元，所述变量施肥单元均匀分布在旋转臂上；所述旋转臂的另一侧上设有配重块；所述旋转驱动系统连接支撑杆和旋转臂，旋转臂在旋转驱动系统的作用下绕着支撑杆旋转；所述肥料配制系统设置在支撑杆的下部，所述肥料配制系统通过管道连接变量施肥单元； 

所述摄像头设在上下移动系统上，所述摄像头在上下移动系统的作用下上下移动，所述上下移动系统通过水平移动系统连接旋转臂，所述上下移动系统在水平移动系统的作用下沿着旋转臂直线运动。 

2.根据权利要求1所述的单臂吊机式变量施肥系统，其特征在于：所述水平移动系统包括设置在旋转臂上的同步传送带、直线导轨和固定在旋转臂上驱动同步传送带运动的同步带驱动电机，上下移动系统连接同步传送带和直线导轨，上下移动系统在同步传送带和直线导轨的共同作用下水平方向移动。 

所述上下移动系统包括连接传动连接机构、竖直放置的传动齿条和齿条驱动电机，齿条驱动电机固接传动连接机构，传动齿条连接传动连接机构和齿条驱动电机，齿条驱动电机带动传动齿条的上下运动。 

3.根据权利要求1所述的单臂吊机式变量施肥系统，其特征在于：所述旋转驱动系统包括固定在旋转臂上的同步带驱动电机、固接 在支撑杆上的大齿轮，通过蜗轮蜗杆减速器连接同步带驱动电机的小齿轮；所述大齿轮连接小齿轮。 

4.根据权利要求1所述的单臂吊机式变量施肥系统，其特征在于：所述变量施肥单元包括喷头和控制阀，所述喷头通过管道连接肥料配置系统，所述控制阀装在管道上。 

5.根据权利要求1所述的单臂吊机式变量施肥系统，其特征在于：所述肥料配制系统包括流量调节机构、多光谱仪、PWM控制器、计算机、液体肥料箱、液体肥液压泵和调节阀，流量调节机构装在液体肥料箱上，所述流量调剂机构连接PWM控制器，所述PWM控制器连接计算机，所述计算机连接多光谱仪，所述多光谱仪与摄像头通过数据线连接。 

6.根据权利要求1所述的单臂吊机式变量施肥系统，其特征在于：所述流量调节机构包括装在液体肥料箱内的液体肥液压泵和设置在液体肥料箱的出口处的调节阀。