CN107912116B - 一种基于can总线的变量施肥装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于CAN总线的变量施肥装置及其控制方法；包括机械执行模块、CAN总线通讯系统、肥料箱和机架；机械执行模块包括动力传输机构、连接机构和施肥执行机构；CAN总线通讯系统包括车载工控机及与车载工控机通过CAN总线连接的下位机控制节点；排肥轴转速检测节点、位移传感器检测节点、GPS定位节点分别检测并计算排肥轴的转速、外槽轮当前的开度、以及排肥机在田间的位置信息，车载工控机通过步进电机调整外槽轮开度，完成变量施肥；本发明利用GPS定位技术与CAN总线通讯技术应用到变量施肥作业中，能稳定可靠和施肥量精度高的特点，能实时确保施肥量和施肥位置协调一致，实现精准施肥。

Description

一种基于CAN总线的变量施肥装置及控制方法

技术领域

本文涉及一种基于CAN总线的变量施肥装置及控制方法，属于农业机械技术领域。

背景技术

施肥作业是农业种植过程中不可缺少的作业环节，作物生长不同阶段，需要不同养分的肥料，在整个生长季中，作物通常需要追肥多次，因此，施肥作业是农作物生产中劳动强度比较大的环节之一。传统的地表追肥作业方式以人工撒施为主，不同地块施用相同剂量的肥料，会造成资源浪费、烧种、烧苗等现象，还存在着劳动强度大、人工成本高、效率低下、环境污染等问题。因此应根据不同地块、不同土壤和不同作物生长环境的需要，应采用变量施肥的施肥方式。

目前，国内变量施肥机械大多采用液压来控制外槽轮式排肥器，通过控制外槽轮的转速或开度(有效工作长度)，实现排肥量的变化，但存在控制过程复杂，精准性差并且液压设备价格昂贵的缺陷，难以在我国大范围推广。

发明内容

为克服上述缺陷，本发明提供了一种基于CAN总线的变量施肥装置及其控制方法。本发明利用GPS定位技术与CAN总线通讯技术应用到变量施肥作业中，能稳定可靠和施肥量精度高的特点，能实时确保施肥量和施肥位置协调一致，实现精准施肥。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于CAN总线的变量施肥装置，包括机械执行模块、CAN总线通讯系统、肥料箱和机架。由步进电机作为动力源。

所述的机械执行模块包括动力传输机构、连接机构和施肥执行机构；

所述的动力传输机构包括涡轮蜗杆机构和丝杠。所述的蜗轮蜗杆机构安装在机架一侧。所述的蜗杆通过联轴器与步进电机相连。所述蜗轮为圆环状，涡轮的内圆周上设有螺纹。所述蜗轮外圆周与蜗杆啮合；丝杠穿过涡轮，涡轮的内圆周与丝杠通过螺纹配合实现螺旋传动。所述的丝杠通过连接机构与排肥轴相连。

所述的连接机构包括外壳、垫圈、排肥轴端推力轴承、排肥轴连接端、丝杠连接端、端盖和丝杠端推力轴承成。所述的排肥轴连接端通过排肥轴端推力轴承固定于外壳内左侧，排肥轴连接端能自由转动，且能沿着排肥轴轴向移动。所述的丝杠连接端通过丝杠端推力轴承固定于外壳内右侧，丝杠连接端能自由转动；排肥轴连接端和丝杠连接端分别与排肥轴和丝杠同轴连接；排肥轴连接端和丝杠连接端使排肥轴与丝杠能独立转动，互不影响。步进电机通过蜗杆带动蜗轮转动，蜗轮带动丝杠做轴向运动；通过所述的连接机构使丝杠与排肥轴连接在一起，通过丝杠端对排肥轴右端施加轴向力，达到调节外槽轮开度的目的。

所述的施肥执行装置包括排肥轴、花键副和排肥器。所述的排肥轴安装在肥料箱的下方，一端通过连接机构与丝杠相连，另一端通过花键副固定在机架上。所述的花键副由轴承、轴承座、花键轴和花键套组成。所述花键套和花键轴通过花键连接并由轴承和轴承座固定在机架左侧，花键套远离机架的一端装有链轮，链轮通过链条与现有行走机构的地轮连接。所述的链轮随着地轮的转动而转动，带动排肥轴转动。所述的花键副使排肥轴沿其轴向运动；所述的排肥器等距安装在排肥轴上；排肥器包括排肥盒和外槽轮，外槽轮安装在排肥盒内部且与排肥轴同轴固定，外槽轮与排肥轴同步转动，将排肥盒内的肥料带动排出。

所述的CAN总线通讯系统包括车载工控机及与车载工控机通过CAN总线连接的下位机控制节点。所述下位机控制节点包括排肥轴转速检测节点、位移传感器节点、gps定位节点和步进电机控制节点。所述的车载工控机中存储有变量施肥施肥控制软件；所述施肥控制软件采用现有技术编程；内容包括处方图、人机交互界面、GIS系统等；能够实时接收各下位机控制节点检测到的数据并进行显示，并结合处方图计算出外槽轮开度信息；所述的车载工控机通过CAN总线模块与各下位机节点连接，进行数据转输及数据转换控制。车载工控机接收下位机控制节点检测到的信息，并结合处方图计算出外槽轮开度信息，通过CAN总线模块传递给步进电机控制节点，控制步进电机执行相应的动作，调节外槽轮开度。

所述的排肥轴转速检测节点包括单片机一、霍尔传感器和条形磁钢。所述的霍尔传感器安装在排肥轴上方的肥料箱底部；霍尔传感器下方的排肥轴沿其径向的圆周上每隔120°设置一个条形磁钢；排肥轴转动时，条形磁钢经过霍尔传感器探头附近时引发磁场变化，进而产生脉冲。单片机一通过外部中断接收脉冲信息配合其定时器功能计算出排肥轴转速。

所述的位移传感器检测节点包括单片机二、电位器式位移传感器和信号调理电路。所述电位器式位移传感器固定端固定在肥料箱内，电位器式传感器的可伸缩拉杆一端通过连杆固定在所述丝杠上，随丝杠做轴向运动；电位器式位移传感器用于检测外槽轮的轴向移动位置。当外槽轮的开度产生变化时，引起电位器式传感器内的电阻产生变化，信号调理电路将电阻变化信号转化成电压信号并通过I/O口传递给单片机二，单片机二通过现有算法将电压信号换算成距离，并将距离信息通过CAN总线传递给车载工控机。

所述的GPS定位节点包括单片机三和北斗+GPS双模天线。所述的GPS定位节点用于定位排肥机在田间的位置，获取田间的位置信息；单片机三和车载工控机通过CAN总线模块连接；所的北斗+GPS双模天线将采集的地理位置信息通过I/O口传递给单片机三，单片机三通过CAN总线模块将田间的地理位置信息传递给车载工控机。

所述的步进电机控制节点包括驱动器、电源、单片机四和步进电机。所述步进电机连接驱动器，驱动器分别与电源和单片机四连接；所述的步进电机控制节点通过CAN总线模块获取车载工控机计算外槽轮的开度，并传递给单片机四。所述的单片机四通过步进电机、动力传输机构和连接机构调节外槽轮开度。

所述的排肥轴转速检测节点、位移传感器检测节点、GPS定位节点分别检测并计算排肥轴的转速、外槽轮当前的开度、以及排肥机在田间的位置信息，并将这些信息通过CAN总线模块传递给车载工程机，车载工控机结合导入的处方图进行分析计算，将计算出的外槽轮开度信息传递给步进电机控制节点。步进电机控制节点控制步进电机调整外槽轮开度，完成变量施肥。

本发明还涉及一种变量施肥控制方法，具体步骤如下：

步骤1：将肥料箱中加满肥料，启动拖拉机，启动变量施肥控制系统。将变量施肥处方图(变量施肥处方图包含各田间地块中的含肥量以及需要施肥量，变量施肥处方图可根据现有技术实现设定)导入车载工控机中，GPS定位节点获取当前位置坐标并结合处方图获取当前位置田间土壤的需肥量信息。

步骤2：排肥轴转速检测节点实时检测当前排肥轴的转速，位移传感器检测节点检测当前的外槽轮开度，排肥轴转速检测节点和位移传感器检测节点通过CAN总线模块将收集的信息发送给车载工控机。

步骤3：车载工控机根据当前位置的土壤需肥量、外槽轮开度以及排肥轴的转速，计算出当前的施肥档位。

步骤4：车载工控机通过CAN总线模块将施肥外槽轮开度信息传递到步进电机控制节点；步进电机通过动力传输机构和连接机构调节控制外槽轮的开度，实现变量施肥。

步骤5：排肥机行进过程中重复步骤2)、3)、4)直至完成施肥作业。

本发明与现有变量施肥装置相比所具有的优点和有益效果是：本发明采用排肥轴另一端通过花键副固定在机架上，减小了排肥轴轴向运动的阻力，提高了整个机构的灵活性；采用连接机构，实现了步进电动机转动精准控制排肥轴的轴向运动，无失步现象，并且防止震动等影响排肥精度的情况发生；采用CAN总线通讯系统，相比于传统的液压控制方式，具有高位速率、高抗电磁干扰性、高容错性等优点；相比于红外测距传感器、超声波测距传感器等非接触式传感器，本发明采用的电位器式位移传感器能够减少灰尘遮挡、机械振动等情况产生的误差，实现精确测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的整体结构图

图2是本发明蜗轮蜗杆机构结构图

图3是本发明的连接机构的结构图

图4是本发明的花键副的爆炸视图

图5转速检测节点结构图

图6是本发明控制系统结构图

图7是本发明CAN总线通讯系统工作流程图

图中：1肥料箱、2机架、3、位移传感器、4蜗轮蜗杆机构、5步进电机、6连接机构、7外槽轮排肥器、8压力传感器、9霍尔传感器、10条型磁钢、11排肥轴、12花键轴、13花键套、14链轮、15丝杠、16涡轮、17蜗杆、18外壳、19垫圈、20排肥轴连接端、21排肥轴端推力轴承、22丝杠端推力轴承、23丝杠连接端、24端盖、25轴承、26轴承座。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实时例1：

如图1所示，本发明的总体结构具体包括肥料箱1、机架2、位移传感器3、蜗轮蜗杆机构4、步进电机5、连接机构6、外槽轮排肥器7、压力传感器8、霍尔传感器9、条型磁钢10、排肥轴11、花键轴12、花键套13和链轮14。肥料箱1、位移传感器3、蜗轮蜗杆机构4、步进电机5、花键轴12固定在机架2上。霍尔传感器9安装排肥轴11上方的肥料箱1底部。

如图2所示蜗轮蜗杆机构4的中蜗杆17通过联轴器与步进电机5相连，涡轮16外圆设有齿与蜗杆17啮合，涡轮16内圆与丝杠15通过螺纹配合实现螺纹传动。步进电机5接受上位机发送的外槽轮开度信息，通过蜗轮蜗杆机构4控制丝杠15在排肥轴11水平方向上移动。同时，连接机构6将丝杠15和排肥轴11连接在一起，使得丝杠沿轴向移动的时候能够带动排肥轴11做轴向移动。

如图3所示，所述的连接机构由外壳18、垫圈19、排肥轴连接端20、排肥轴端推力轴承21、丝杠端推力轴承22、丝杠连接端23、端盖24组成。所述的排肥轴连接端20通过排肥轴端推力轴承21固定于外壳18内左侧，排肥轴连接端20能自由转动，且能沿着排肥轴11轴向移动。所述的丝杠连接端22通过丝杠端推力轴承22固定于外壳18内右侧，丝杠连接端23能自由转动；排肥轴连接端20和丝杠连接端23分别与排肥轴11和丝杠同轴连接；排肥轴连接端20和丝杠连接端22使排肥轴11与丝杠能独立转动，互不影响。步进电机通过蜗杆带动蜗轮转动，蜗轮带动丝杠做轴向运动；通过所述的连接机构使丝杠与排肥轴连接在一起，通过丝杠端对排肥轴右端施加轴向力，达到调节外槽轮开度的目的。

如图4所示，所述的花键副由轴承25、轴承座26、花键轴12和花键套13组成。所述花键套13和花键轴12通过花键连接并由轴承25和轴承座26固定在机架左侧，花键套13远离机架的一端装有链轮14，链轮14通过链条与现有排肥机的地轮连接。所述的链轮14随着地轮的转动而转动，带动排肥轴11转动。排肥盒设置在肥料箱1下方；外槽轮固定在排肥轴11上与排肥轴11形成一个整体，随着排肥轴11的运动而运动。所述的排肥轴11的转动由地轮带动，本装置变量调节只是对外槽轮的开度进行调节。

图5为本发明转速检测节点结构示意图，在所述的排肥轴11表面，沿径向方向每隔120°角度设置一条条形磁钢10，排肥轴11转动时，条形磁钢10经过霍尔传感器探头9附近时引发磁场变化，进而产生脉冲。单片机通过外部中断接收脉冲信息配合定时器功能计算出排肥轴11转速。将所述条形磁钢10做成长条形，是因为即使所述的排肥轴11在转动过程中发生轴向移动，条形磁钢10也能被霍尔传感器9检测到。

图6为本发明控制系统结构图，CAN总线通讯系统主要分为一个上位机节点和4个下位机节点。上位机节点为车载工控机节点，下位机节点包括排肥轴转速检测节点、位移传感器节点、GPS定位节点、步进电机控制节点。车载工控机由一台索奇T1510工业控制机组成，所述的车载工控机节点通过USB转CAN总线模块，实现工控机USB总线和CAN总线的数据交互。所述的各下位机节点电路结构大同小异，均是由STC公司生产的STC89C52RC单片机、独立的CAN总线模块、以及相应的传感器或步进电机驱动器组成，配合CAN接口电路，实现与车载工控机的实时通信。

如图7所示，启动变量施肥控制系统之后，将当前地块的处方图以及施肥决策导入到搭载GIS系统的工控机中，上位机节点通过CAN总线向GPS定位节点发送数据请求定位，GPS定位节点接受数据后执行相应的动作获取当前地块的地理位置信息，并通过CAN总线传递给上位机节点。GIS系统结合位置信息计算出当前地块的需肥量，同时向排肥轴转速检测节点、位移传感器检测节点发送请求数据，所述的排肥轴转速检测节点、位移传感器检测节点分别检测并计算排肥轴的转速、外槽轮当前的开度，并将这些信息通过所述CAN总线模块传递到所述车载工程机中的GIS系统中，GIS系统结合土地的需肥量、排肥轴的转速、当前外槽轮的开度计算出外槽轮开度信息，将计算出的外槽轮开度信息通过CAN总线反馈给所述的步进电机控制节点。所述步进电机控制节点接收上位机发送的外槽轮开度信息，执行相应的动作，以此来调整外槽轮开度，完成变量施肥。

实施例2：

基于实施例1所述结构，提出了一种变量施肥控制方法，具体步骤如下：

步骤1：将肥料箱中加满肥料，启动拖拉机，启动变量施肥控制系统。将变量施肥处方图导入车载工控机中，GPS定位节点获取当前位置信息并通过CAN总线传递给车载工控机，车载工控机中的GIS系统获取位置信息后结合处方图获取当前位置土壤需肥量信息。

步骤2：排肥轴转速检测节点实时监测当前排肥轴的转速，位移传感器检测节点监测当前的外槽轮开度。各下位机控制节点通过CAN总线将收集的信息反馈给车载工控机。

步骤3：车载工控机根据当前位置土壤需肥量、当前的外槽轮开度、当前排肥轴的转速，计算出当前的外槽轮开度信息。

步骤4：车载工控机通过CAN总线模块将外槽轮开度信息传递到步进电机控制节点，控制步进电机执行相应的动作。步进电机通过动力传输机构，连接机构改变外槽轮的开度，实现变量施肥。

步骤5：机车行进过程中重复步骤2)、3)、4)直至完成施肥作业。

上述仅为本发明的具体实施方式，在不脱离本发明的构思和范围的情况下做出的各种变化和变型、所有等同的技术方案也属于本发明的范畴。

Claims (2)

1.一种基于CAN总线的变量施肥装置，其特征在于包括机械执行模块、CAN总线通讯系统、肥料箱和机架；由步进电机作为动力源；

所述的机械执行模块包括动力传输机构、连接机构、施肥执行机构；

所述的动力传输机构包括蜗轮蜗杆机构和丝杠；所述的蜗轮蜗杆机构安装在机架一侧；所述的蜗杆通过联轴器与步进电机相连；所述蜗轮为圆环状，蜗轮的内圆周上设有螺纹；所述蜗轮外圆周与蜗杆啮合；丝杠穿过蜗轮，蜗轮的内圆周与丝杠通过螺纹配合实现螺旋传动；所述的丝杠通过连接机构与排肥轴相连；

所述的连接机构包括外壳、垫圈、排肥轴端推力轴承、排肥轴连接端、丝杠连接端、端盖和丝杠端推力轴承成；所述的排肥轴连接端通过排肥轴端推力轴承固定于外壳内左侧，排肥轴连接端能自由转动，且能沿着排肥轴轴向移动；所述的丝杠连接端通过丝杠端推力轴承固定于外壳内右侧，丝杠连接端能自由转动；排肥轴连接端和丝杠连接端分别与排肥轴和丝杠同轴连接；排肥轴连接端和丝杠连接端使排肥轴与丝杠能独立转动，互不影响；步进电机通过蜗杆带动蜗轮转动，蜗轮带动丝杠做轴向运动；通过所述的连接机构使丝杠与排肥轴连接在一起，通过丝杠端对排肥轴右端施加轴向力，调节外槽轮开度；

所述的施肥执行装置包括排肥轴、花键副和排肥器；所述的排肥轴安装在肥料箱的下方，排肥轴一端通过连接机构与丝杠相连，另一端通过花键副固定在机架上；所述的花键副包括轴承、轴承座、花键轴和花键套；所述花键套和花键轴通过花键连接并由轴承和轴承座固定在机架左侧，花键套远离机架的一端装有链轮，链轮通过链条与地轮连接；所述的链轮随着地轮的转动而转动，带动排肥轴转动；所述的花键副使排肥轴沿其轴向运动；所述的排肥器等距安装在排肥轴上；排肥器包括排肥盒和外槽轮，外槽轮安装在排肥盒内部且与排肥轴同轴固定，外槽轮与排肥轴同步转动，将排肥盒内的肥料排出；

所述的CAN总线通讯系统包括车载工控机及与车载工控机通过CAN总线连接的下位机控制节点；所述下位机控制节点包括排肥轴转速检测节点、位移传感器节点、GPS定位节点和步进电机控制节点；所述的车载工控机通过CAN总线模块与各下位机节点连接，进行数据转输及数据转换控制；车载工控机接收下位机控制节点检测到的信息，并结合处方图计算出外槽轮开度信息，通过CAN总线模块传递给步进电机控制节点，控制步进电机执行相应的动作，调节外槽轮开度；

所述的排肥轴转速检测节点包括单片机一、霍尔传感器和条形磁钢；所述的霍尔传感器安装在排肥轴上方的肥料箱底部；霍尔传感器下方的排肥轴沿其径向的圆周上每隔120°设置一个条形磁钢；排肥轴转动时，条形磁钢经过霍尔传感器探头附近时引发磁场变化，进而产生脉冲；单片机一通过外部中断接收脉冲信息配合定时器功能计算出排肥轴转速；

所述的位移传感器检测节点包括单片机二、电位器式位移传感器和信号调理电路；所述电位器式位移传感器固定端固定在肥料箱内，电位器式传感器的可伸缩拉杆一端通过连杆固定在所述丝杠上，随丝杠做轴向运动；电位器式位移传感器用于检测外槽轮的轴向移动位置；电位器式传感器将外槽轮的开度信息传递给单片机二，单片机二将距离信息通过CAN总线传递给车载工控机；

所述的GPS定位节点包括单片机三和北斗+GPS双模天线；所述的GPS定位节点用于定位获取排肥机在田间的位置；单片机三和车载工控机通过CAN总线模块连接；所的北斗+GPS双模天线将采集的地理位置信息通过I/O口传递给单片机三，单片机三通过CAN总线模块将田间的地理位置信息传递给车载工控机；

所述的步进电机控制节点包括驱动器、电源、单片机四和步进电机；所述步进电机连接驱动器，驱动器分别与电源和单片机四连接；所述的步进电机控制节点通过CAN总线模块获取车载工控机计算得到的外槽轮的开度，并传递给单片机四；所述的单片机四通过步进电机、动力传输机构和连接机构调节外槽轮开度。

2.如权利要求1所述的一种基于CAN总线的变量施肥控制方法，其特征在于：具体步骤如下：

1）将肥料箱中加满肥料；将变量施肥处方图输入车载工控机，GPS定位节点获取当前位置坐标并结合处方图获取当前位置田间土壤的需肥量信息；所述变量施肥处方图包含各田间地块中的含肥量以及需要施肥量；

2）排肥轴转速检测节点实时检测当前排肥轴的转速，位移传感器检测节点检测当前的外槽轮开度，排肥轴转速检测节点和位移传感器检测节点通过CAN总线模块将收集的信息发送给车载工控机；

3）车载工控机根据当前位置的土壤需肥量、外槽轮开度以及排肥轴的转速，计算出当前的施肥档位；

4）车载工控机通过CAN总线模块将施肥外槽轮开度信息传递到步进电机控制节点；步进电机通过动力传输机构和连接机构调节控制外槽轮的开度，实现变量施肥；

5）排肥机行进过程中重复步骤2）、3）、4）直至完成施肥作业。

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