CN109315109A - 一种智能花生肥料施肥装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械制造技术领域，公开了一种智能花生肥料施肥装置及方法，包括动力装置，用于驱动装置的移动；用于控制移动、施肥的电路控制模块；用于施肥的施肥装置、用于提供电源的供电模块、用于显示时间及温湿度的显示模块和播放音频的播放装置；用于调节作业深度的限深装置和铺设地膜、覆土的铺膜覆土装置、用于播种的播种装置。本发明结构简单，利于操作，对经验技术要求较低，适用于大多数的操作者，功能多样，满足花生肥料施肥的同时能为作业者带来欢乐，提高了作业效率。

Description

一种智能花生肥料施肥装置及方法

技术领域

本发明属于机械制造技术领域，尤其涉及一种智能花生肥料施肥装置及方法。

背景技术

花生是我国重要的经济作物，花生富含脂肪和蛋白质，既可食用，又可饲用；既是重要的工业原料，又是大宗出口商品，用途广泛，在国民经济中占有交过地位。花生施肥是以基肥为主，因地制宜配合追肥。基肥主要是农家肥和有机肥，既能满足花生对各种矿质元素的全面需求，又能改良土壤，为花生生长创造良好的土壤环境。随着科学技术的发展与进步，单一的施肥工具已不能满足花生种植的需求。且现有的花生施肥装置处于两种模块，一种是功能多样结构较大，操作复杂，对操作者的要求较高；另一种是结构简单，功能单一，不能满足作业者的需求。

综上所述，现有技术存在的问题是：现有的花生施肥装置处于两种模块，一种是功能多样结构较大，操作复杂，对操作者的要求较高；另一种是结构简单，功能单一，不能满足作业者的需求。

现有的花生施肥装置采用的发动机成本高，效率低，驱动器重量大，损耗高。

现在的LED灯照明控制能力差，光强不稳定，会产生闪烁感。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种智能花生肥料施肥装置及方法。

本发明是这样实现的，一种智能花生肥料施肥方法，所述智能花生肥料施肥方法包括：

(1)通过供电模块完成施肥装置的供电；施肥机运行前，首先进行施肥标定，标定机器运行相关参数，并输入到电路控制模块的数据库中，施肥机由动力装置的发动机带动驱动轮前进，从动轮上安装有速度传感器，实时监测施肥机的运动速度，并将速度信息传送到电路控制模块；

(2)电路控制模块对数据进行分析，计算出动力装置的步进电动机的转动脉冲频率并传送给动力装置的驱动器，动力装置的驱动器动力装置的驱动步进电动机转动，控制传动轴的转动速度，确保将定量的化肥深施于正下方的肥沟内，完成定量准确施肥；

(3)同时电路控制模块将数据传输至限深装置，对施肥深度进行设定；施肥装置工作时，施肥装置的肥料箱中的肥料在重力场的作用下，经过施肥装置的肥料箱卸料口进入施肥盒内，充满施肥盒的肥料部分充入槽轮的凹槽内；传动轴带动槽轮转动，充入槽轮凹槽内的肥料随槽轮转动，从而被强制排出施肥盒；被排出的肥料经出料漏斗沿管道被深施于正下方施肥装置的开沟器开出的肥沟内；

(4)工作过程中，施肥装置的料位监测装置检测废料箱内肥料剩余情况，当肥料箱内肥料不足时及时报警，提示工作人员添加肥料；施肥过程中，可开启铺膜覆土装置完成铺膜覆土的动作；工作过程中，可通过播放装置播放音频，增加了作业过程中的乐趣；显示模块在通电后实时显示当地的天气情况。

进一步，所述施肥器内置螺旋叶片，螺旋叶片的设定如下：螺旋叶片上任一点的法线与螺旋轴线的夹角成为该点的螺旋升角α，α直接决定了肥料沿轴向运动还是沿法向运动，选用右螺旋叶片作为参考，将肥料颗粒简化为质点，取距离螺旋轴轴线R处螺旋叶片上肥料颗粒为研究对象，肥料颗粒受到螺旋叶片的法向推动力N，并在而这接触面沿螺旋叶片切线方向产生切向摩擦力f，使得肥料颗粒的法向推力偏转一个角度，即为合理F，则偏高的角度近似等于肥料颗粒的外摩擦。合力F可以分解为轴向力F_Z和周向力F_T，圆周方向分离与切向摩擦力f有带动肥料颗粒绕轴转动的趋势，肥料颗粒自身的重力G及料槽对其产生的轴向摩擦力f_Z也会对其产生影响；在轴向分力F_Z的作用下，沿料槽轴向移动；确定合理的螺旋升角，计算公式为：

式中，S-螺旋装置的螺距，单位为mm，

D_i-螺旋叶片某点的直径，单位为mm。

进一步，所述发动机优化模型为：由目标函数、约束条件、设计变量组成：

选取电机主要材料成本和效率作为目标函数：

式中K_Fe、K_Cu、K_Al分别为铁、铜、铝的单价，G_Fe、G_Cu、G_Al分别为每台电机铁、铜、铝的重量，η为电机效率；

选取的独立变量为：

式中：L为定子铁心长度、Z₀为定子绕组每圈匝数、R为定子槽下部圆弧半径、定子槽上部槽宽、为定子槽下部高度、为转子槽第一段槽宽、为转子槽第二段槽宽，当转子为圆底槽时为转子槽下部圆弧半径r2、为转子槽第二段槽高、D_i1为定子铁心内径、δ为气隙；

选择效率、功率因数、最大转矩倍数、起动电流倍数、起动转矩倍数、热负荷等性能指标，以及电磁负荷、槽满率作为约束条件，铁心长度尺寸取0或5 为尾数，单位为厘米，具体表示如下：

式中：η为效率的设计值，为功率因数的设计值，T_m为最大转矩倍数的设计值，T_st为起动转矩倍数的设计值，I_st为起动电流倍数的设计值，右上角加“′”号的为各量的国家标准值，AJ、AJ₀为热负荷的设计值和企业要求值， S_f为槽满率。

进一步，所述驱动器采用自适应权重粒子群算法：

位置和速度公式如下：

式中：k为迭代次数；i＝1，2，…，N表示群体中的第i个粒子，N为群体中粒子个体的数量；为第i个粒子在k次迭代的速度；为第i个粒子在k 次迭代的位置；w为惯性权重；r₁、r₂为[0，1]的随机数；表示个体最优位置；为群体最优位置；式中α取代了标准粒子群优化方法中的加速因子c₁、c₂；α由下式定义：

k_max为算法最大迭代次数，k为当前迭代次数，α₀∈[0.5,1]；惯性权重由下式定义：

w＝w₀+r₃(1-w₀)；

式中：w₀为常数，且w₀∈[0.5，1)；r₃为[0，1)的随机值。

进一步，所述LED灯照明控制进行优化：

对LED灯光的视觉度为：

式中，L(t)为LED灯光的实际亮度，T为照明周期，当L(t)为常数L时，则周期内LED灯光的视觉亮度为：

式中t为LED灯光对眼睛的刺激时间；

如果M位的二进制灰度数据S_i(i＝1，2，…，M)为高电平时，则输出为系统的有效电流，计算公式为：

L＝S_M·2^M-1+…+S_N·2^N-1+…+S₁·2⁰；

对系统的灰度数据采用分块操作，分为高权值区块和低权值区块，高权值区块的有效高电平数为：

L_M＝S_M·2^M-N-1+…+S_N+2·2¹+S_N+1·2⁰；

低权值区块的有效高电平数表示为：

L_L＝S_N·2^N-1+…+S₂·2¹+S₁·2⁰；

M的有效高电平表示为：

L＝2^NL_M+L_L；

高权值区块的灰度值均分为2^N个周期，每个周期的时间为L_M，L_L则分别插入到2^N-1段的每个周期前端。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述智能花生肥料施肥方法的智能花生肥料施肥装置，所述智能花生肥料施肥装置包括：

动力装置，用于驱动装置的移动；

与动力装置相连接，用于控制移动、施肥的电路控制模块；

与电路控制模块相连接，用于施肥的施肥装置、用于提供电源的供电模块、用于显示时间及温湿度的显示模块和播放音频的播放装置；

与施肥装置相连接，用于调节作业深度的限深装置和铺设地膜、覆土的铺膜覆土装置、用于播种的播种装置。

进一步，所述动力装置包括发动机、驱动器、驱动轮、从动轮和步进电动机。

进一步，所述施肥装置包括开沟器、肥料箱、料位监测装置和施肥器。

进一步，所述供电模块包括太阳能蓄电池、电源转换器和市电供电模块。

进一步，所述料位监测模块主要由光电开关、LED灯和蜂鸣器报警电路组成。

本发明的优点及积极效果为：本发明在实现施肥的同时可进行播种；通过电路控制模块可对作业速度、施肥速度进行控制与调节，对发动机进行了优化，降低了电机的成本，提高了发动机的效率，对驱动器采取自适应权重粒子群算法优化，降低了整个装置的重量，减小了损耗，提高了工作效率；限深装置可根据作业区域进行深度调节，适用于花生不同阶段的施肥，避免对花生造成影响；料位监测模块可对肥料箱内的剩余肥料进行监测，利用蜂鸣器进行提示，对LED灯照明进行控制优化，提高了LED灯光的稳定性，有利于监测的进行；供电模块既可以利用发电机进行供电，又可利用太阳能蓄电池进行储电，有效的利用了可再生能源；播放装置可在进行作业时进行声音的播放，缓解了施肥者劳累紧张的心情；显示模块可实时显示时间及温湿度，利用耕种者对天气环境进行实时监控，把握作业时间；本发明结构简单，利于操作，对经验技术要求较低，适用于大多数的操作者，功能多样，满足花生肥料施肥的同时能为作业者带来欢乐，提高了作业效率。

附图说明

图1是本发明实施例提供的智能花生肥料施肥装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的智能花生肥料施肥装置的料位监测装置工作原理电路示意图；

图中：1、动力装置；2、电路控制模块；3、施肥装置；4、供电模块；5、显示模块；6、播放装置；7、限深装置；8、膜覆土装置；9、播种装置。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1所示，本发明实施例提供的智能花生肥料施肥装置包括：

动力装置1，用于驱动装置的移动；

与动力装置1相连接，用于控制移动、施肥的电路控制模块2；

与电路控制模块2相连接，用于施肥的施肥装置3、用于提供电源的供电模块4、用于显示时间及温湿度的显示模块5和播放音频的播放装置6；

与施肥装置3相连接，用于调节作业深度的限深装置7、铺设地膜、覆土的铺膜覆土装置8、用于播种的播种装置9。

作为本发明的优选实施例，所述动力装置1包括发动机、驱动器、驱动轮、从动轮和步进电动机。

作为本发明的优选实施例，所述施肥装置3包括开沟器、肥料箱、料位监测装置和施肥器。

作为本发明的优选实施例，所述供电模块4包括太阳能蓄电池、电源转换器和市电供电模块。

作为本发明的优选实施例，所述料位监测模块主要由光电开关、LED灯和蜂鸣器报警电路组成。

作为本发明的优选实施例，所述施肥器内置螺旋叶片，螺旋叶片的设定如下：

螺旋叶片上任一点的法线与螺旋轴线的夹角成为该点的螺旋升角α，α直接决定了肥料沿轴向运动还是沿法向运动，选用右螺旋叶片作为参考，将肥料颗粒简化为质点，取距离螺旋轴轴线R处螺旋叶片上肥料颗粒为研究对象，肥料颗粒受到螺旋叶片的法向推动力N，并在而这接触面沿螺旋叶片切线方向产生切向摩擦力f，使得肥料颗粒的法向推力偏转一个角度，即为合理F，则偏高的角度近似等于肥料颗粒的外摩擦。合力F可以分解为轴向力F_Z和周向力F_T，圆周方向分离与切向摩擦力f有带动肥料颗粒绕轴转动的趋势，肥料颗粒自身的重力G及料槽对其产生的轴向摩擦力f_Z也会对其产生影响。为保证肥料尽量不随着螺旋叶片旋转，而在轴向分力F_Z的作用下，沿料槽轴向移动，因此，必须确定合理的螺旋升角，计算公式为：

式中，S-螺旋装置的螺距(mm)

D_i-螺旋叶片某点的直径(mm)。

进一步，所述发动机优化模型为：由目标函数、约束条件、设计变量组成：

选取电机主要材料成本和效率作为目标函数：

式中K_Fe、K_Cu、K_Al分别为铁、铜、铝的单价，G_Fe、G_Cu、G_Al分别为每台电机铁、铜、铝的重量，η为电机效率；

选取的独立变量为：

式中：L为定子铁心长度、Z₀为定子绕组每圈匝数、R为定子槽下部圆弧半径、定子槽上部槽宽、为定子槽下部高度、为转子槽第一段槽宽、为转子槽第二段槽宽，当转子为圆底槽时为转子槽下部圆弧半径r2、为转子槽第二段槽高、D_i1为定子铁心内径、δ为气隙；

选择效率、功率因数、最大转矩倍数、起动电流倍数、起动转矩倍数、热负荷等性能指标，以及电磁负荷、槽满率作为约束条件，铁心长度尺寸取0或5 为尾数，单位为厘米，具体表示如下：

式中：η为效率的设计值，为功率因数的设计值，T_m为最大转矩倍数的设计值，T_st为起动转矩倍数的设计值，I_st为起动电流倍数的设计值，右上角加“′”号的为各量的国家标准值，AJ、AJ₀为热负荷的设计值和企业要求值， S_f为槽满率。

进一步，所述驱动器采用自适应权重粒子群算法：

位置和速度公式如下：

式中：k为迭代次数；i＝1，2，…，N表示群体中的第i个粒子，N为群体中粒子个体的数量；为第i个粒子在k次迭代的速度；为第i个粒子在k 次迭代的位置；w为惯性权重；r₁、r₂为[0，1]的随机数；表示个体最优位置；为群体最优位置；式中α取代了标准粒子群优化方法中的加速因子c₁、c₂；α由下式定义：

k_max为算法最大迭代次数，k为当前迭代次数，α₀∈[0.5,1]；惯性权重由下式定义：

w＝w₀+r₃(1-w₀)；

式中：w₀为常数，且w₀∈[0.5，1)；r₃为[0，1)的随机值。

进一步，所述LED灯照明控制进行优化：

对LED灯光的视觉度为：

式中，L(t)为LED灯光的实际亮度，T为照明周期，当L(t)为常数L时，则周期内LED灯光的视觉亮度为：

式中t为LED灯光对眼睛的刺激时间；

如果M位的二进制灰度数据S_i(i＝1，2，…，M)为高电平时，则输出为系统的有效电流，计算公式为：

L＝S_M·2^M-1+…+S_N·2^N-1+…+S₁·2⁰；

对系统的灰度数据采用分块操作，分为高权值区块和低权值区块，高权值区块的有效高电平数为：

L_M＝S_M·2^M-N-1+…+S_N+2·2¹+S_N+1·2⁰；

低权值区块的有效高电平数表示为：

L_L＝S_N·2^N-1+…+S₂·2¹+S₁·2⁰；

M的有效高电平表示为：

L＝2^NL_M+L_L；

高权值区块的灰度值均分为2^N个周期，每个周期的时间为L_M，L_L则分别插入到2^N-1段的每个周期前端。

本发明的工作原理为：通过供电模块4完成施肥装置的供电；施肥机运行前，首先进行施肥标定，标定机器运行相关参数，并输入到电路控制模块2的数据库中，施肥机由动力装置1的发动机带动驱动轮前进，从动轮上安装有速度传感器，实时监测施肥机的运动速度，并将速度信息传送到电路控制模块2，电路控制模块2对数据进行分析，计算出动力装置1的步进电动机的转动脉冲频率并传送给动力装置1的驱动器，动力装置1的驱动器动力装置1的驱动步进电动机转动，从而控制传动轴的转动速度，确保将定量的化肥深施于正下方的肥沟内，完成定量准确施肥；同时电路控制模块2将数据传输至限深装置7，对施肥深度进行设定；施肥装置工作时，施肥装置3的肥料箱中的肥料在重力场的作用下，经过施肥装置3的肥料箱卸料口进入施肥盒内，充满施肥盒的肥料部分充入槽轮的凹槽内；传动轴带动槽轮转动，充入槽轮凹槽内的肥料随槽轮转动，从而被强制排出施肥盒；被排出的肥料经出料漏斗沿管道被深施于正下方施肥装置3的开沟器开出的肥沟内；工作过程中，施肥装置3的料位监测装置检测废料箱内肥料剩余情况，当肥料箱内肥料不足时及时报警，提示工作人员添加肥料；施肥过程中，可开启铺膜覆土装置8完成铺膜覆土的动作；工作过程中，可通过播放装置6播放音频，增加了作业过程中的乐趣；显示模块5 在通电后实时显示当地的天气情况。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种智能花生肥料施肥方法，其特征在于，所述智能花生肥料施肥方法包括：

(1)通过供电模块完成施肥装置的供电；施肥机运行前，首先进行施肥标定，标定机器运行相关参数，并输入到电路控制模块的数据库中，施肥机由动力装置的发动机带动驱动轮前进，从动轮上安装有速度传感器，实时监测施肥机的运动速度，并将速度信息传送到电路控制模块；

(2)电路控制模块对数据进行分析，计算出动力装置的步进电动机的转动脉冲频率并传送给动力装置的驱动器，动力装置的驱动器动力装置的驱动步进电动机转动，控制传动轴的转动速度，确保将定量的化肥深施于正下方的肥沟内，完成定量准确施肥；

(3)同时电路控制模块将数据传输至限深装置，对施肥深度进行设定；施肥装置工作时，施肥装置的肥料箱中的肥料在重力场的作用下，经过施肥装置的肥料箱卸料口进入施肥盒内，充满施肥盒的肥料部分充入槽轮的凹槽内；传动轴带动槽轮转动，充入槽轮凹槽内的肥料随槽轮转动，从而被强制排出施肥盒；被排出的肥料经出料漏斗沿管道被深施于正下方施肥装置的开沟器开出的肥沟内；

(4)工作过程中，施肥装置的料位监测装置检测废料箱内肥料剩余情况，当肥料箱内肥料不足时及时报警，提示工作人员添加肥料；施肥过程中，可开启铺膜覆土装置完成铺膜覆土的动作；工作过程中，可通过播放装置播放音频，增加了作业过程中的乐趣；显示模块在通电后实时显示当地的天气情况。

2.如权利要求1所述的智能花生肥料施肥方法，其特征在于，所述施肥器内置螺旋叶片，螺旋叶片的设定如下：螺旋叶片上任一点的法线与螺旋轴线的夹角成为该点的螺旋升角α，α直接决定了肥料沿轴向运动还是沿法向运动，选用右螺旋叶片作为参考，将肥料颗粒简化为质点，取距离螺旋轴轴线R处螺旋叶片上肥料颗粒为研究对象，肥料颗粒受到螺旋叶片的法向推动力N，并在而这接触面沿螺旋叶片切线方向产生切向摩擦力f，使得肥料颗粒的法向推力偏转一个角度，即为合理F，则偏高的角度近似等于肥料颗粒的外摩擦；合力F可以分解为轴向力F_Z和周向力F_T，圆周方向分离与切向摩擦力f有带动肥料颗粒绕轴转动的趋势，肥料颗粒自身的重力G及料槽对其产生的轴向摩擦力f_Z也会对其产生影响；在轴向分力F_Z的作用下，沿料槽轴向移动；确定合理的螺旋升角，计算公式为：

式中，S-螺旋装置的螺距，单位为mm，

D_i-螺旋叶片某点的直径，单位为mm。

3.如权利要求1所述的智能花生肥料施肥方法，其特征在于，所述发动机优化模型为：由目标函数、约束条件、设计变量组成：

选取电机主要材料成本和效率作为目标函数：

式中K_Fe、K_Cu、K_Al分别为铁、铜、铝的单价，G_Fe、G_Cu、G_Al分别为每台电机铁、铜、铝的重量，η为电机效率；

选取的独立变量为：

式中：L为定子铁心长度、Z₀为定子绕组每圈匝数、R为定子槽下部圆弧半径、定子槽上部槽宽、为定子槽下部高度、为转子槽第一段槽宽、为转子槽第二段槽宽，当转子为圆底槽时为转子槽下部圆弧半径r2、为转子槽第二段槽高、D_i1为定子铁心内径、δ为气隙；

选择效率、功率因数、最大转矩倍数、起动电流倍数、起动转矩倍数、热负荷等性能指标，以及电磁负荷、槽满率作为约束条件，铁心长度尺寸取0或5为尾数，单位为厘米，具体表示如下：

式中：η为效率的设计值，为功率因数的设计值，T_m为最大转矩倍数的设计值，T_st为起动转矩倍数的设计值，I_st为起动电流倍数的设计值，右上角加“′”号的为各量的国家标准值，AJ、AJ₀为热负荷的设计值和企业要求值，S_f为槽满率。

4.如权利要求1所述的智能花生肥料施肥方法，其特征在于，所述驱动器采用自适应权重粒子群算法：

位置和速度公式如下：

式中：k为迭代次数；i＝1，2，…，N表示群体中的第i个粒子，N为群体中粒子个体的数量；为第i个粒子在k次迭代的速度；为第i个粒子在k次迭代的位置；w为惯性权重；r₁、r₂为[0，1]的随机数；表示个体最优位置；为群体最优位置；式中α取代了标准粒子群优化方法中的加速因子c₁、c₂；α由下式定义：

k_max为算法最大迭代次数，k为当前迭代次数，α₀∈[0.5,1]；惯性权重由下式定义：

w＝w₀+r₃(1-w₀)；

式中：w₀为常数，且w₀∈[0.5，1)；r₃为[0，1)的随机值。

5.如权利要求1所述的智能花生肥料施肥方法，其特征在于，所述LED灯照明控制进行优化：

对LED灯光的视觉度为：

式中，L(t)为LED灯光的实际亮度，T为照明周期，当L(t)为常数L时，则周期内LED灯光的视觉亮度为：

式中t为LED灯光对眼睛的刺激时间；

如果M位的二进制灰度数据S_i(i＝1，2，…，M)为高电平时，则输出为系统的有效电流，计算公式为：

L＝S_M·2^M-1+…+S_N·2^N-1+…+s₁·2⁰；

对系统的灰度数据采用分块操作，分为高权值区块和低权值区块，高权值区块的有效高电平数为：

L_M＝S_M·2^M-N-1+…+S_N+2·2¹+S_N+1·2⁰；

低权值区块的有效高电平数表示为：

L_L＝S_N·2^N-1+…+S₂·2¹+S₁·2⁰；

M的有效高电平表示为：

L＝2^NL_M+L_L；

高权值区块的灰度值均分为2^N个周期，每个周期的时间为L_M，L_L则分别插入到2^N-1段的每个周期前端。

6.一种应用权利要求1所述智能花生肥料施肥方法的智能花生肥料施肥装置，其特征在于，所述智能花生肥料施肥装置包括：

动力装置，用于驱动装置的移动；

与动力装置相连接，用于控制移动、施肥的电路控制模块；

与电路控制模块相连接，用于施肥的施肥装置、用于提供电源的供电模块、用于显示时间及温湿度的显示模块和播放音频的播放装置；

与施肥装置相连接，用于调节作业深度的限深装置和铺设地膜、覆土的铺膜覆土装置、用于播种的播种装置。

7.如权利要求6所述的智能花生肥料施肥装置，其特征在于，所述动力装置包括发动机、驱动器、驱动轮、从动轮和步进电动机。

8.如权利要求6所述的智能花生肥料施肥装置，其特征在于，所述施肥装置包括开沟器、肥料箱、料位监测装置和施肥器。

9.如权利要求6所述的智能花生肥料施肥装置，其特征在于，所述供电模块包括太阳能蓄电池、电源转换器和市电供电模块。

10.如权利要求6所述的智能花生肥料施肥装置，其特征在于，所述料位监测模块主要由光电开关、LED灯和蜂鸣器报警电路组成。