CN104521397A - 树木施肥控制方法及施肥机自动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种树木施肥控制方法及自动施肥机自动控制系统，该方法是根据树干直径，建立施肥孔数量、施肥孔离树距离，施肥孔钻孔深度、单孔施肥量的关系对应表；用视觉传感器测量树干直径，将该直径与所述关系对应表进行比较，选择对应的施肥孔数量、施肥孔离树距离，施肥孔钻孔深度、单孔施肥量数据；用该数据作为悬臂和施肥钻动作的依据，确定施肥钻钻孔的准确位置，对树木进行周围钻孔施肥。本发明自动施肥机具有控制器、诸多传感器和电磁阀，使得施肥机实现自动化钻孔施肥，成为可能，并且施肥更加科学，不容易伤到主根系。

Description

树木施肥控制方法及施肥机自动控制系统

技术领域

本发明涉及园林自动化领域，尤其涉及树木施肥控制方法及施肥机自动控制系统。

背景技术：

随着人们物质文化生活水平不断提高、劳动力成本不断提高和青壮年劳力的短缺，人们对绿化美化环境、改善作业环境和强度，并进行科学高效作业自动化设备的需求更加强烈。当前园林行业树木施肥的方式还基本处于人工手动方式。不同直径大小、不同种类的树木，施肥孔位置离树要有多远、要怎么分布，都是靠个人的主观臆断，很随意。虽然也有少量简单的人工操作施肥机，但这些树木施肥方法、方式都存在缺点和不够科学。一方面人工手动方式施肥重复工作量大效率低，劳动强度相对较高，作业环境较差，环境污染较大，对周围其他植被损害较大；另一方面容易造成施肥过量或少量，容易造成目标树木根系受伤，从而树木长不好的现象比较普遍。因此如何对树木进行科学高效的施肥是目前园林工作者的亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于一是提供一种能对树木进行科学施肥的树木施肥控制方法，另一方面是依据该方法提供一种高效准确施肥的施肥机自动控制系统。

本发明提供的树木施肥控制方法，包括如下步骤：

①.  准备一辆施肥机，该施肥机至少要具备能伸缩、回转、起落的悬臂，悬臂外端有施肥钻；

②.  根据树干直径，建立施肥孔数量、施肥孔离树距离，施肥孔钻孔深度、单孔施肥量的关系对应表；

③.  用视觉传感器测量树干直径，将该直径与所述关系对应表进行比较，选择对应的施肥孔数量、施肥孔离树距离，施肥孔钻孔深度、单孔施肥量数据；

④.  用步骤③获得的数据作为悬臂和施肥钻动作的依据，根据传感器采集的相关数据控制悬臂动作，确定施肥钻钻孔的准确位置，对树木周围进行钻孔施肥。

所述关系对应表是：

树直径D	施肥孔离树距离R	施肥孔数量N	施肥孔离树距离R	施肥孔深度	单孔施肥量
						D<=50mm	300mm	2	300mm	204mm	3L
50mm<D<=100mm	500mm	3	500mm	238mm	3.5L
						100mm<D<=200mm	700mm	4	700mm	272mm	4L
200mm<D<=300mm	900mm	5	900mm	306mm	4.5L
						300mm<D<=400mm	1000mm	5	1000mm	340mm	5L
400mm<D<=500mm	1000mm	6	1000mm	340mm	5L
						500mm<D	1000mm	6	1000mm	340mm	5L

所述施肥孔均布在以所述离树距离R为半径的圆周上。

依照上述方法本发明还提供了的施肥机自动控制系统，该系统包括控制器、悬臂回转角度传感器、悬臂起落角度传感器、悬臂伸缩距离传感器、对树视觉传感器、悬臂外端对树测距传感器、悬臂外端对地测距传感器、若干驱动、控制各驱动的电磁阀，各传感器向控制器输入采集到的数据，控制器向各电磁阀输出指令控制各驱动；控制器中存储有树干直径与施肥孔数量、施肥孔离树干距离，施肥孔钻孔深度、单孔施肥量的关系对应表数据；控制器对所述视觉传感器采集的数据与所述关系对应表数据进行比较，确定施肥钻钻孔的准确位置，对树木周围进行钻孔施肥。

为了确保悬臂动作的准确，所述悬臂伸缩距离传感器、悬臂外端对树测距传感器、悬臂外端对地测距传感器采用超声波传感器。

为了防止地下敷设的各类管道、电缆、光缆等设施被破坏，本发明控制器还连有探测地下设施的探测器。为防止伤到树木主根系，及钻头碰到大硬石头受损，本发明控制器还连有安装于钻头端的压力传感器。

本发明方法由于根据树干直径来确定施肥孔离树距离R、施肥孔数量N、施肥孔深度、单孔施肥量，建立关系表后，操作人员可以按照该表来对照实施，按这种方法施肥是非常科学的，既不会造成施肥随意过量或少量，不会造成根系受伤尤其是主根系受伤的现象。

按照本发明方法设计的自动控制系统，可以把建立关系表数据输入控制器中，在控制器的指令下，会自动确定施肥孔离树距离R、施肥孔数量N、施肥孔深度、单孔施肥量，使施肥钻自动的准确的到达指定位置进行钻孔，科学高效的完成树木施肥工作，减轻了劳动强度，避免了盲目操作,改善了作业环境，减少了对植被的损害，提高了施肥效果，减少了对周围环境的污染。

附图说明

图1是本发明自动控制系统硬件在施肥机上布置的结构示意图。

图2是本发明施肥机自动控制系统的结构框图

图3是本发明施肥机自动控制系统的控制框图。

图4是图3中各传感器与控制器连接的电路图。

  图5是图3中各电磁阀与控制器连接的电路图。

图6是本发明主视数学模型图。

图7是俯视数学模型图。

图8是施肥孔为奇数情况下的布置图。

图9是施肥孔为偶数情况下的布置图。

具体实施方式

本发明树木施肥控制方法适合施肥机使用，该施肥机至少要具备能伸缩、回转、起落的悬臂，悬臂外端有施肥钻。

首先根据树干直径大小，建立相应施肥孔离树距离、施肥孔数量、施肥孔深度、单孔施肥量的关系对应表，这个表的建立需要根据经验和实验数据总结得到，不同的地域不同的树种会有不同的数据，可以对数据进行修正。对于一般的果树而言适合下面的关系对应表, 见表1。

表1：

树直径D	施肥孔离树距离R	施肥孔数量N	施肥孔离树距离R	施肥孔深度	单孔施肥量
						D<=50mm	300mm	2	300mm	204mm	3L
50mm<D<=100mm	500mm	3	500mm	238mm	3.5L
						100mm<D<=200mm	700mm	4	700mm	272mm	4L
200mm<D<=300mm	900mm	5	900mm	306mm	4.5L
						300mm<D<=400mm	1000mm	5	1000mm	340mm	5L
400mm<D<=500mm	1000mm	6	1000mm	340mm	5L
						500mm<D	1000mm	6	1000mm	340mm	5L

然后对要施肥的树木测量树干直径，将该直径与所述关系对应表进行比较，选择对应的施肥孔数量、施肥孔离树距离，施肥孔钻孔深度、单孔施肥量数据；该数据就是施肥机悬臂和施肥钻动作依据，最终确定施肥钻的准确位置，对树木进行周围钻孔施肥。用该方法测量树干直径时最好采用视觉传感器，能有效提高自动化控制程度。

图1-图9反映了本发明施肥机自动控制系统的详细构成。

图1反映了本发明自动控制系统硬件在施肥机上布置的结构，该机包括机体1、悬臂2、施肥钻3及各传感器和驱动。图2反映了自动控制系统的结构，图2视出该系统主要由控制器、各传感器、各电磁阀和相应的驱动、显示屏、按钮组成。显示屏可以采用带或不带触摸控制，用于监控画面的显示、参数的输入及控制。按钮，用于紧急停止和触摸屏出故障时的临时控制。控制器可以是PLC的CPU模块或单片机系统，用于接受和处理反馈信号，并按控制要求，通过一定算法输出控制信号。各传感器采集的信息反馈到控制器，用于控制液压系统，从而控制施肥机的机械动作。

图3-图5反映了自动控制系统的控制关系和电路图，自动控制系统主要包括控制器401、悬臂回转角度传感器402、悬臂起落角度传感器403、悬臂伸缩距离传感器404、对树视觉传感器405、悬臂外端对树测距传感器406、悬臂外端对地测距传感器407、施肥角度传感器408、回转马达左转电磁阀411、回转马达右转电磁阀412、悬臂抬起电磁阀413、悬臂降落电磁阀414、悬臂伸长电磁阀415、悬臂缩短电磁阀416、施肥钻内勾电磁阀417、施肥钻外展电磁阀418、施肥钻启停电磁阀419、回转马达421、悬臂起落缸422、悬臂伸缩缸423、施肥钻角度调节缸424，结合图1可以看出其中悬臂回转角度传感器402安装在回转轴处，悬臂起落角度传感器403、悬臂伸缩距离传感器404、悬臂外端对树测距传感器406、悬臂外端对地测距传感器407均安装在悬臂外端，施肥角度传感器408安装在施肥钻上端，用于采集施肥钻的角度信息。从图4可以看出各传感器与控制器401连接，将采集到数据将输入控制器，经控制器401处理后输出信息。结合图5可以看出各电磁阀(411-419)与控制器连接，接收控制器的指令，并按指令开启与关闭，控制相应的驱动马达或缸工作，使悬臂及施肥钻动作，最终使施肥钻到达准确的位置，开始钻孔施肥。开关-s1-s7是用来手动操作的，作用分别是紧急停止、悬臂抬起、悬臂降落、回转马达左转、回转马达右转、短悬臂伸长、悬臂缩短。

从图6和图7可以看出，本发明的数学模型，图中：

A为起落角度传感器测得的在垂直于地面的平面上机械臂与地面之间的弧度（范围：π/2 ~ -π/2）

L₂为对地测距传感器测得的与地之间的距离

L₃为臂在收缩到最短时，对树测距传感器测得的与树之间的距离

L₄为机械臂收缩到最短时的距离

L₅为伸缩行程距离传感器测得的伸缩缸的行程距离

L₆为机械臂起落轴到地面的距离

H为钻头的长度

施肥机悬臂收缩缸收缩到最短，悬臂外端正对准树。测量机离树有多远得到L1。

L₁=L₄cosA+L₃+D/2  ……（式1）

确定悬臂伸长距离L₅。

(L₅+L₄)²=L²+(L₆-H)²   ……（式2）

其中L₆=L₂-(L₄sinA)

确定施肥机悬臂回转角度B。

(L₁-RcosC)tanB=RSinC   ……（式3）

其中C角的确定与钻孔总数N的奇偶有关

当钻孔数量为奇数时，其分布见图8，以树为中心半径为R的圆上离施肥机最近的点开始，沿着顺时针方向依次为第1个孔、第2、第n个孔。

钻第n个孔时

C=(2π/N)(n-1)

当钻孔个数N为偶数，为避免施肥机的手臂无法伸到树的后面位置去钻孔的情况，其分布见图9，钻第n个孔时

  C=π/N+(2π/N)(n-1)

根据树干直径大小，建立施肥孔数量、施肥孔离树主杆距离，施肥孔深度、单孔施肥量的关系对应表会储存在控制器中，对树干视觉传感器405安装在悬臂外端施肥钻处，该视觉传感器测到的树的直径将传输到控制器401中，控制器该树的直径与所述关系对应表的数据进行比较，选择出对应该直径的相关参数，然后向各响应的电磁阀发出指令，悬臂开始动作，将施肥钻调到准确的位置，开始施钻。因此只要测得树的直径，就能根据树的直径，自动确定施肥孔的多少，自动确定施肥孔离树的远近距离、钻孔点的分布、钻孔深度及施肥点的施肥量。本发明还装有探测器409和防损压力传感器410，当地下敷设有管道、电缆光缆，探测器将信息输入控制器，或者当钻头碰到主根系或硬石头，压力传感器反馈的压力值过高时,控制器向施肥钻启停电磁阀419发出指令停止钻孔施肥。由此可以避免破坏地下管道或电缆或光缆。

具有本发明控制系统的施肥机使用时：

1．先将树干直径与施肥孔数量、施肥孔离树主杆距离，施肥孔深度、单孔施肥量的关系对应表输入控制器。

2.驾驶员开启施肥机，悬臂处于初始状态，即回转马达转到正中位置，悬臂收缩且平放。

3．驾驶员驾施肥机，到树旁并使悬臂对准树，开启自动钻孔工作。

4．自动控制系统应用对树视觉传感器测得树直径。应用悬臂外端对树测距传感器测得悬臂外端离树距离。

5．自动控制系统根据树直径自动生成施肥孔的多少,一般是2~6个，自动生成施肥孔离树的距离及其钻孔深度。如果操作人员觉得不满意也可以在触摸显示屏修改这些参数并确认。

6．然后自动控制系统，根据这些参数并结合自身通过其他传感器测得的参数，自行自动控制机械动作实现自动钻孔施肥。在特殊的情况下，比如探测到有光缆、电缆、管道或者明显的障碍物，也可以手动按按钮紧急停止施钻。

Claims (6)

1.一种树木施肥控制方法，包括如下步骤：

①.准备一辆施肥机，该施肥机至少要具备能伸缩、回转、起落的悬臂，悬臂外端有施肥钻；

②.根据树干直径，建立施肥孔数量、施肥孔离树距离，施肥孔钻孔深度、单孔施肥量的关系对应表；

③.用视觉传感器测量树干直径，将该直径与所述关系对应表进行比较，选择对应的施肥孔数量、施肥孔离树距离，施肥孔钻孔深度、单孔施肥量数据；

④.用步骤③获得的数据作为悬臂和施肥钻动作的依据，确定施肥钻钻孔的准确位置，对树木进行周围钻孔施肥。

2.根据权利要求1所述树木施肥控制方法，其特征在于按照如下算法确定施肥控制方法的参数：

施肥机悬臂收缩到最短，悬臂外端正对准树，测量悬臂外端离树的距离L1：L₁＝L₄cosA+L₃+D/2……(式1)

悬臂伸长距离L₅：

(L₅+L₄)²＝L²+(L₆-H)²……(式2)

其中L₆＝L₂-(L₄sinA) 

施肥机悬臂回转角度B：

(L₁-RcosC)tanB＝RSinC……(式3)

其中A为起落角度传感器测得的在垂直于地面的平面上机械臂与地面之间的弧度：π/2～-π/2

L₂为对地测距传感器测得的与地之间的距离

L₃为臂在收缩到最短时，对树测距传感器测得的与树之间的距离

L₄为机械臂收缩到最短时的距离

L₅为伸缩行程距离传感器测得的伸缩缸的行程距离

L₆为机械臂起落轴到地面的距离

H为钻头的长度

C角是以树为中心第一个施肥孔与第n个施肥孔之间的圆心角，施肥孔在以树为中心半径为R的圆上，离悬臂最近的施肥孔是第1个孔，沿着顺时针方向依次为第2个孔、第n个孔，

当钻孔数量N为奇数,钻第n个孔时

C＝(2π/N)(n-1)

当钻孔数量N为偶数,钻第n个孔时

C＝π/N+(2π/N)(n-1)

n＝1、2、3…… 。

3.根据权利要求1所述的树木施肥控制方法，其特征在于步骤②所述关系对应表为：

4.一种根据权利要求1至3之一所述树木施肥控制方法的施肥机自动控制系统，包括控制器(401)、悬臂回转角度传感器(402)、悬臂起落角度传感器(403)、悬臂伸缩距离传感器(404)、对树视觉传感器(405)、悬臂外端对树测距传感器(406)、悬臂外端对地测距传感器(407)、若干驱动、控制各驱动的电磁阀，各传感器向控制器输入采集到的数据，控制器向各电磁阀输出指令控制各驱动；控制器中存储有树干直径与施肥孔数量、施肥孔离树距离，施肥孔钻孔深度、单孔施肥量的关系对应表数据；控制器对所述视觉传感器采集的数据与所述关系对应表数据进行比较，确定施肥钻钻孔的准确位置，对树木周围进行钻孔施肥。

5.根据权利要求4所述的施肥机自动控制系统，其特征在于，所述悬臂伸缩距离传感器、悬臂外端对树测距传感器、悬臂外端对地测距传感器采用超声波传感器。

6.根据权利要求5所述施肥机自动控制系统，其特征在于所述控制器还连有探测地下光缆、电缆、燃气管道、自来水管类设施的探测器和压力传感器，用于防止地下设施被破坏、主根系受到损伤、钻头受损坏。