CN106843062B - 智能变量施肥控制系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种智能变量施肥控制系统及控制方法，施肥控制系统以潜土深旋耕灭茬填土一体机为载体，ARM为控制核心，结合全球定位系统和多种传感器、控制器，不仅实现化肥的精密变量施撒，还实现种肥及苗肥的分层选择。作业前，调节开沟铲选择施肥深度，并将本地块所需施肥处方图进行数据化处理，写在USB存储卡中；工作时，通过实时检测施肥机定位信息、机具行进速度状态及电机反馈信息，由ARM经过相应的数学逻辑运算控制施肥机排肥轴的转速，改变排肥器的排肥量，将肥料施入所需肥层；并将作业过程施肥量存档保存，便于后期分析。解决肥料施撒量不易控制，利用率低，浪费及污染等问题，达到减少投入、提高效益及作物增产的目的。

Description

智能变量施肥控制系统及控制方法
技术领域
本发明涉及。本发明涉及农业自动化与智能化，具体用于精密变量施肥的智能变量施肥控制系统及控制方法。
背景技术
“精准农业”是当今世界农业发展的新潮流，是由信息技术支持的根据空间变异，定位、定时、定量地实施一整套现代化农事操作技术与管理的系统。变量施肥技术，是精准农业的重要组成部分，它根据作物实际需要，基于科学施肥方法，应用电子计算机指导施肥，确定对作物的变量投入。以最少的或最节省的投入达到同等收入或更高的收入，并改善环境，高效地利用各类农业资源，取得经济效益和环境效益。
精准农业变量控制的基础是大田块细化为小田块，在细分的过程中进行差异性的作业决策，从而使作业更加精细。国内外目前使用的高效率变量施肥控制器多为田间计算机，但由于成本高，体积大，不仅增加了投入成本，也使能耗提高，相对普及的单片机与PLC控制器却由于效率低，功能局限而未能适应市场。
为了提高作物产量，必须结合控制系统进行科学的施肥作业，在GPS定位模块、速度传感器、陀螺仪、施肥处方图、步进电机反馈信息的共同决策下，针对作物的生长特性，合理地科学施肥，为了实现智能变量施肥，本发明提供了一种ARM控制的智能变量施肥控制系统，本发明不仅解决了农田化肥的施撒不均匀，使用量较大但利用率低的问题，而且在相应的控制系统下，提高自动化智能化水平，增加作业效率，降低成本投入。
发明内容
针对现有的施肥机械存在的问题，特别是其执行机构存在的缺陷及问题，本发明使用ARM控制器集合了计算机与单片机的优点，利用步进电机的闭环反馈增加施肥精度，提供一种多信息融合决策的神经网络算法模型，以及设置相邻施肥区域的矫正缓冲。该控制系统不仅结构简易，成本较低，操作方便，更容易运用于常规的施肥机械中，实现精密变量施肥。
为解决以上技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：
智能变量施肥控制系统，其特征在于，包括控制器、信息采集模块、作业执行模块、GPS定位模块、数据读写模块、显示模块和人机交互模块，所述控制器安装于牵引拖拉机驾驶室内，显示模块和人机交互模块与控制器连接；
所述作业执行模块包括步进电机驱动电路、步进电机，步进电机驱动电路通过用户输入输出端口与控制器相连接；所述步进电机安装于施肥机肥箱底部的排肥轴端部，并通过连轴器与排肥轴端刚性连接；
所述GPS定位模块设置有GPS定位信息接收天线、信号处理电路，通过TTL串行端口与控制器相连接；
所述信息采集模块包括分别通过用户输入输出端口与控制器相连接的速度传感器、拉杆式直线位移传感器、陀螺仪、转速传感器，所述速度传感器安装在牵引拖拉机的车轮驱动轴端部，用于测量机具的行走速度；拉杆式直线位移传感器安装在田间作业一体机的开沟铲拉伸杆处，用于测量开沟铲的开沟深度；陀螺仪安装在牵引拖拉机驾驶室内方向盘处，用于机具运动状态监测；所述转速传感器装在排肥轴处，用于测量步进电机的转速；
所述数据读写模块设置有USB存储卡，通过USB设备读写端口与控制器相连接；所述USB存储卡用于存储不同地块需肥量信息，分别对应有地块区域的经纬度定位范围与需肥量对应的驱动电机转速信息；
所述控制器内置基于神经网络数据融合算法的多信息决策控制方法，根据采集的测得的行走速度、机具运动状态、电机转速进行神经网络数据融合，并与USB存储卡中的处方图信息比较，提取相应的施肥信息，由控制器发出相应的PWM脉冲数给步进电机驱动电路，进而带动步进电机调速，最终实现执行机构的变量作业。
进一步地，所述的控制器选用ARM，以S3C系列芯片为控制核心；采用GPS通信控制模块定位；USB存储设备读写控制模块采用USB总线通用接口芯片。
进一步地，智能变量施肥控制系统选择WINCE、android或linux操作系统。
进一步地，所述速度传感器选用多圈绝对式角度传感器，采用变压器原理测角度，由标定信息进行机具速度计算。
进一步地，所述作业执行模块中步进电机驱动电路输入端通过用户输入输出端口与控制器连接，接收控制器的脉冲控制信号，输出端通过两相四线接口与步进电机接线端连接，发送四路电信号控制电机转速；所述步进电机控制端与驱动电路两相四线接口相连，反馈接口由用户输入输出端与控制器连接，实时反馈转速信息。
所述的智能变量施肥控制系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：作业机具前进时，GPS定位模块接收实时定位信息，速度传感器、陀螺仪、直线位移传感器、步进电机反馈分别实时检测机具的速度、行驶状态、开沟深度以及步进电机的转速；控制器结合定位信息、机具的速度、行驶状态及步进电机的转速进行神经网络数据融合，并与USB存储卡中的处方图信息比较，提取相应的施肥信息，由控制器发出相应的PWM脉冲数给步进电机驱动电路，进而带动步进电机调速，即排肥轴的转动的速度，变量施撒肥料；实现执行机构的变量作业；
所述神经网络数据融合算法中，速度传感器、陀螺仪、步进电机反馈信号的激活函数采用阈值函数分别为f1(v)，f2(t)，f3(x)；
其中K1、b1为速度计算常参数，v1、v2分别为机具行进速度的两个阈值；
其中t0为陀螺仪信号阈值；
其中K3、b3为步进电机转速反馈信号计算常参数，x1、x2分别为反馈信号的两个阈值；
得出f＝w11f1(v)+w12f2(t)+w13f3(x)，其中f为控制决策函数，施肥区域信息采用阈值函数其中K4、b4为施肥区域信息计算常参数，y1、y2分别为施肥区域信息的两个阈值；
由f函数和f4(y)函数拟合得出执行函数F＝w21f+w22f4(y)；
其中w11+w12+w13＝1，w21+w22＝1，w11、w12、w13分别为速度传感器、陀螺仪、步进电机反馈信号的激活函数权系数，w21、w22分别为、f4(x)拟合权系数。
进一步地，所述控制器内置施肥误差矫正方法，为区域性缓冲矫正法，对相邻地块A、B施肥时，对交叉施肥的部分，对两部分的施肥决策函数FA和FB取加权均值FX，作为此交叉区域的施肥决策，即满足函数w31、w32分别为FA、FB的拟合权系数。
进一步地，作业过程中，控制器会将整个作业过程中的信息生成文本保存在USB存储卡中，用于后期的分析处理。
智能变量施肥控制系统，包括支持液晶显示屏的ARM控制器，经用户输入输出端口与其连接的速度传感器、直线位移传感器、步进电机反馈、陀螺仪，经TTL串口与其连接的GPS通信模块，经USB接口与其连接的写入施肥处方图的USB存储卡，控制器的用户输入输出端口连接有步进电机驱动电路，步进电机对执行机构实施调节控制。
工作前，通过调节开沟铲的深度，可以选择种肥和苗肥的不同层深，由直线位移传感器测量得到实时数据并显示在ARM控制器的液晶屏幕，将存储有本地施肥处方图信息的USB存储卡插入控制器USB端口，完成施肥前准备。
作业时，通过点击屏幕开关开启系统，作业机具前进，GPS接收实时定位信息，当进入一个小田块时，可以结合测得的速度信息、陀螺仪信息、电机反馈信息进行神经网络数据融合，并与USB存储卡中的处方图信息比较，提取相应的施肥信息，由ARM控制器发出相应的PWM脉冲数给步进电机驱动电路，进而带动步进电机的差异性调速，最终实现执行机构的变量作业，即排肥轴的转动，变量施撒肥料。
作业后，控制器会将整个作业过程中的信息打印生成文本保存在USB存储卡中，便于后期的分析处理。
作业中，陀螺仪可以有效的检测出机具的行驶状态，并根据检测出的状态是方向调节或转弯，相应的改变算法中的权值，以提高作业精度。步进电机的反馈信息使整个控制系统一个闭环控制系统，能够使电机控制实现PID调节，有效的降低作业过程中的误差。当机具行驶通过相邻两个小田块区域时，由于GPS存在一定的定位误差，以及步进电机的转速突变，也会相应的产生作业误差，为此，控制器的内置算法中设置有一个矫正缓冲，即通过本区域，对施肥的决策信息进行一定的修正，以提高作业的精密性。
附图说明
图1为本发明所述智能变量施肥控制系统结构图；
图2为本发明的控制流程图；
图3为本发明的控制原理图；
图4为数据拟合算法原理图；
图5为本发明的矫正缓冲示意图。
图中：
1-控制器，2-陀螺仪，3-GPS定位模块，4-拉杆式直线位移传感器，5-速度传感器，6-储肥箱，7-步进电机驱动电路，8-步进电机，9-开沟铲，10-排肥轴，11-排肥管，12-连轴器，13-转速传感器。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1、图2、图3所示，所述智能变量施肥控制系统包括控制器、信息采集模块、作业执行模块、GPS定位模块、数据读写模块、显示模块和人机交互模块。所述作业执行模块包括步进电机驱动电路7、步进电机8，步进电机驱动电路7通过用户输入输出端口与控制器1相连接；所述步进电机8安装于施肥机储肥箱6底部的排肥轴10端部，并通过连轴器12与排肥轴10端刚性连接。所述GPS定位模块3设置有GPS定位信息接收天线、信号处理电路，通过TTL串行端口与控制器相连接。
所述信息采集模块包括分别通过用户输入输出端口与控制器相连接的速度传感器5、拉杆式直线位移传感器4、陀螺仪2、转速传感器13，所述速度传感器5安装在牵引拖拉机的车轮驱动轴端部，用于测量机具的行走速度；所述速度传感器5选用多圈绝对式角度传感器，采用变压器原理测角度，由标定信息进行机具速度计算。拉杆式直线位移传感器4安装在田间作业一体机的开沟铲拉伸杆处，用于测量开沟铲的开沟深度；陀螺仪2安装在牵引拖拉机驾驶室内方向盘处，用于机具运动状态监测；所述转速传感器13装在排肥轴处，用于测量步进电机的转速。所述作业执行模块中步进电机驱动电路7输入端通过用户输入输出端口与控制器连接，接收控制器的脉冲控制信号，输出端通过两相四线接口与步进电机8接线端连接，发送四路电信号控制电机转速；所述步进电机控制端与驱动电路两相四线接口相连，反馈接口由用户输入输出端与控制器连接，实时反馈转速信息。
所述数据读写模块设置有USB存储卡，通过USB设备读写端口与控制器相连接；所述USB存储卡用于存储不同地块需肥量信息，分别对应有地块区域的经纬度定位范围与需肥量对应的驱动电机转速信息。
所述控制器内置基于神经网络数据融合算法的多信息决策控制方法与施肥误差矫正方法，根据采集的行走速度、机具运动状态、步进电机转速进行神经网络数据融合，并与USB存储卡中的处方图信息比较，提取相应的施肥信息，由控制器发出相应的PWM脉冲数给步进电机驱动电路，进而带动步进电机调速，最终实现执行机构的变量精密作业。
所述的控制器1选用ARM，以S3C系列芯片为控制核心；采用GPS通信控制模块定位；USB存储设备读写控制模块采用USB总线通用接口芯片。所述控制器1安装于拖拉机驾驶室内，支持液晶显示屏，通过软件编程实现人机交互。智能变量施肥控制系统选择WINCE、android或linux操作系统。可从液晶显示屏中读取当前的参数信息，也可选择施肥系统的工作停止状态。通过调节开沟铲9的深度，可以选择种肥和苗肥的不同层深，由拉杆式直线位移传感器4测量得到实时数据并显示在控制器1的液晶屏幕，作业中肥量可以施入所选肥层。将存储有本地施肥处方图信息的USB存储卡插入控制器USB端口，完成施肥前准备。开启施肥系统，作业机具前进，GPS3接收实时定位信息，并且将接收到的信息进行解析，提取所需字段，用于显示和对比处方图。当机具进入一个小田块时，可以结合速度传感器5实时测得的速度信息，陀螺仪2测得的行进信息，转速传感器13测得步进电机8反馈的信息，同时传输到控制器1控制器进行融合计算，并与USB存储卡中的处方图信息比较，得到相应的施肥信息，由控制器1控制器发出相匹配的PWM脉冲数给步进电机驱动电路7，进而带动肥箱6底部边缘的步进电机8的差异性调速，最终实现执行机构的变量作业，即通过连轴器12带动排肥轴10的转动，肥料经过排肥轴10，进入排肥管11，排肥管伸至开沟铲9后部，深施入土壤，达到变量施肥。整个作业过程的施肥数据，控制器会打印生成文本保存在USB存储卡中，便于后期的分析处理。
GPS接收模块与ARM控制器的连接通过TTL连接，包括VCC、GND、TXD、RXD四个接口，分别对应供电、共地、数据发送、数据接收的功能。控制器与定位模块的数据交换在TXD与RXD两引脚间进行。接收到的报文为NMEA-0183协议的标准格式，由于多种报文同时存在，且都以“$”开头，所以要提取出当中有用的信息才能显示和利用。本发明以数组的形式，分别提取出时间、纬度、经度等信息，在显示屏上显示，并与处方图进行对比决策。
由于田间作业时机具会存在大方向掉头转弯与小方向直行调节两种状态，此时的施肥系统必然会受到影响，造成较大偏差，本发明采用陀螺仪可以有效的检测出机具的行驶状态，并根据检测出的信号判断是小方向直行调节或大方向掉头转弯，进而相应的改变整体算法中各部分的权值，进行修正决策施肥量，以提高作业精度。
步进电机的开环性质，容易造成整体控制系统的大偏差，本发明采用闭环反馈的方式，使整个控制系统形成一个闭环系统，以使电机控制可以实现闭环的PID调节，有效的降低作业过程中因电机失步造成的误差。
当机具行驶通过相邻两个小田块区域时，由于GPS定位模块3存在一定的定位误差，以及步进电机的转速突变，也会相应的产生较大施肥误差，为此，控制器的内置算法中设置有一个矫正缓冲，即通过本区域时，对施肥的决策信息进行一定的修正，以提高作业的精密性。两部分的施肥决策函数FA和FB取加权均值FX，作为此交叉区域的施肥决策，即满足函数w31、w31分别为FA、FB的拟合权系数。
所述控制器的所述控制器内置的神经网络拟合控制方法，速度传感器、陀螺仪、步进电机反馈信号的激活函数采用阈值函数分别为f1(v)，f2(t)，f3(x)。
其中K1、b1为速度计算常参数，v1、v2分别为机具行进速度的两个阈值；
其中t0为陀螺仪信号阈值；
其中K3、b3为步进电机转速反馈信号计算常参数，x1、x2分别为反馈信号的两个阈值；
得出f＝w11f1(v)+w12f2(t)+w13f3(x)，其中f为控制决策函数，施肥区域信息采用阈值函数其中K4、b4为施肥区域信息计算常参数，y1、y2分别为施肥区域信息的两个阈值；
由f函数和f4(y)函数拟合得出执行函数F＝w21f+w22f4(y)；
其中w11+w12+w13＝1，w21+w22＝1，w11、w12、w13分别为速度传感器、陀螺仪、步进电机反馈信号的激活函数权系数，w21、w22分别为、f4(x)拟合权系数。
通过本算法的拟合处理进行的决策控制，可以有效的提高肥量施撒的精度，从而提高肥料利用率。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.智能变量施肥控制系统，其特征在于，包括控制器、信息采集模块、作业执行模块、GPS定位模块、数据读写模块、显示模块和人机交互模块，所述控制器安装于牵引拖拉机驾驶室内，显示模块和人机交互模块与控制器连接；
所述作业执行模块包括步进电机驱动电路(7)、步进电机(8)，步进电机驱动电路(7)通过用户输入输出端口与控制器(1)相连接；所述步进电机(8)安装于施肥机储肥箱(6)底部的排肥轴(10)端部，并通过连轴器(12)与排肥轴(10)端刚性连接；
所述GPS定位模块(3)设置有GPS定位信息接收天线、信号处理电路，通过TTL串行端口与控制器相连接；
所述信息采集模块包括分别通过用户输入输出端口与控制器相连接的速度传感器(5)、拉杆式直线位移传感器(4)、陀螺仪(2)、转速传感器(13)，所述速度传感器(5)安装在牵引拖拉机的车轮驱动轴端部，用于测量机具的行走速度；拉杆式直线位移传感器(4)安装在田间作业一体机的开沟铲拉伸杆处，用于测量开沟铲的开沟深度；陀螺仪(2)安装在牵引拖拉机驾驶室内方向盘处，用于机具运动状态监测；所述转速传感器(13)装在排肥轴处，用于测量步进电机的转速；
所述数据读写模块设置有USB存储卡，通过USB设备读写端口与控制器相连接；所述USB存储卡用于存储不同地块需肥量信息，分别对应有地块区域的经纬度定位范围与需肥量对应的驱动电机转速信息；
所述控制器内置基于神经网络数据融合算法的多信息决策控制方法与施肥误差矫正方法，根据采集的行走速度、机具运动状态、步进电机转速进行神经网络数据融合，并与USB存储卡中的处方图信息比较，提取相应的施肥信息，由控制器发出相应的PWM脉冲数给步进电机驱动电路，进而带动步进电机调速，最终实现执行机构的变量精密作业。
2.根据权利要求1所述的智能变量施肥控制系统，其特征在于：所述的控制器(1)选用ARM，以S3C系列芯片为控制核心；采用GPS定位模块定位；数据读写模块采用USB总线通用接口芯片。
3.根据权利要求1所述的智能变量施肥控制系统，其特征在于：智能变量施肥控制系统选择WINCE、android或linux操作系统。
4.根据权利要求1所述的智能变量施肥控制系统，其特征在于：所述速度传感器(5)选用多圈绝对式角度传感器，采用变压器原理测角度，由标定信息进行机具速度计算。
5.根据权利要求1所述的智能变量施肥控制系统，其特征在于：所述作业执行模块中步进电机驱动电路(7)输入端通过用户输入输出端口与控制器连接，接收控制器的脉冲控制信号，输出端通过两相四线接口与步进电机(8)接线端连接，发送四路电信号控制电机转速；所述步进电机控制端与驱动电路两相四线接口相连，反馈接口由用户输入输出端与控制器连接，实时反馈转速信息。
6.根据权利要求1所述的智能变量施肥控制系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：作业机具前进时，GPS定位模块(3)接收实时定位信息，速度传感器(5)、陀螺仪(2)、拉杆式直线位移传感器(4)、转速传感器(13)分别实时检测机具的行走速度、行驶状态、开沟深度以及步进电机(8)的转速；控制器(1)结合定位信息、机具的行走速度、行驶状态及步进电机的转速进行神经网络数据融合，并与USB存储卡中的处方图信息比较，提取相应的施肥信息，由控制器(1)发出相应的PWM脉冲数给步进电机驱动电路(7)，进而带动步进电机(8)调速，即排肥轴(10)的转动的速度，变量施撒肥料；实现执行机构的变量作业；
所述神经网络数据融合算法中，速度传感器、陀螺仪、步进电机转速反馈信号的激活函数采用阈值函数分别为f1(v)，f2(t)，f3(x)，
其中K1、b1为速度计算常参数，v1、v2分别为机具行进速度的两个阈值；v为机具的行走速度，
其中t0为陀螺仪信号阈值，t为工作时间；
其中K3、b3为步进电机转速反馈信号计算常参数，x1、x2分别为反馈信号的两个阈值，x为步进电机转速；
得出f＝w11f1(v)+w12f2(t)+w13f3(x)，其中f为控制决策函数，施肥区域信息采用阈值函数其中K4、b4为施肥区域信息计算常参数，y1、y2分别为施肥区域信息的两个阈值；
由f函数和f4(y)函数拟合得出执行函数F＝w21f+w22f4(y)；
其中w11+w12+w13＝1，w21+w22＝1，w11、w12、w13分别为速度传感器、陀螺仪、步进电机转速反馈信号的激活函数权系数，w21、w22分别为f、f4(y)拟合权系数。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征还在于：作业过程中，控制器(1)会将整个作业过程中的信息生成文本保存在USB存储卡中，用于后期的分析处理。
8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征还在于：所述控制器(1)内置施肥误差矫正方法，为区域性缓冲矫正法，对相邻地块A、B施肥时，经过矫正缓冲区，对两部分的施肥决策函数FA和FB取加权均值FX，作为此交叉区域的施肥决策，即满足函数w31、w32分别为FA、FB的拟合权系数。
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