CN112400439A - 自动驾驶实时调控液态肥射流穴施肥机 - Google Patents

Abstract

本发明是自动驾驶实时调控液态肥射流穴施肥机，有效解决了在施肥过程中针体容易被堵塞，无法实时调控针体姿态的技术问题，包括小型履带式拖拉机，小型履带式拖拉机连接有机具，机具包括转杆，一个转杆的两端安装有第一链轮和第二链轮，输出轴套设有地轮，第一链轮连接有第一转轴，第一转轴上有第一锥齿轮，第一锥齿轮啮合有机械测速装置，机械测速装置连接有喷肥针，喷肥针连接电磁阀，电磁阀液肥箱，液肥箱的连接液肥泵，液肥箱的左侧安装有控制箱，本发明通过机械测速装置检测作业前进速度，经机械测速装置实时调整喷肥针喷肥角度，实现了作业过程中射流角度基本不变，并且避免了喷肥针土壤堵塞问题，实现肥料小区域目标。

Description

自动驾驶实时调控液态肥射流穴施肥机

技术领域

本发明涉及农业机械技术领域，具体的是自动驾驶实时调控液态肥射流穴施肥机。

背景技术

液态肥穴施肥机具是一种将液态肥穴深施到作物根部附近的作业机具。现有的液态施肥机多采用牵引方式并结合喷肥针扎穴实现液态肥穴深施，针体在工作过程中易被土壤堵塞，并且机具难以根据作业前进速度实时调控喷肥针工作姿态，无法达到小肥料区域目标，且机具无法实现自动驾驶。

在此基础上，本发明提供一种自动驾驶实时调控液态肥射流穴施肥机。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明提供自动驾驶实时调控液态肥射流穴施肥机，有效解决了现有液态施肥机在施肥过程中针体容易被堵塞，无法实时调控针体姿态，无法自动驾驶的技术问题。

自动驾驶实时调控液态肥射流穴施肥机，包括小型履带式拖拉机，其特征在于，小型履带式拖拉机右端连接有机具，机具包括两个置于其右端的框架，框架右端两侧转动安装有转杆，两个转杆之间经横杆连接，横杆上套设有固定块，固定块上安装有伸缩缸，伸缩缸转动安装在置于框架上的支架上，其中一个转杆的两端分别同轴安装有第一链轮和第二链轮，第一链轮和第二链轮经链条连接，第二链轮同轴经输出轴安装在另一侧的转杆上，输出轴的中间套设有地轮，第一链轮同轴连接有横向穿过框架的第一转轴，第一转轴上套设有第一锥齿轮，第一锥齿轮啮合有机械测速装置，机械测速装置包括与第一锥齿轮啮合的第二锥齿轮，第二锥齿轮同轴连接有第二转轴，第二转轴上套设有与第二锥齿轮固定有的主连接件，主连接件的两端分别铰接有主测速套杆，主测速套杆滑动连接有主测速光轴，主测速光轴铰接有副测速光轴，副测速光轴滑动连接有副测速套杆，第二转轴上滑动安装有滑动轴承，滑动轴承上安装有套管，套管上安装有副连接件，副连接件的两端铰接有副测速套杆，滑动轴承上安装有置于副连接件左侧的齿条管，齿条管上端固定有调整齿条，调整齿条下方啮合有调整齿轮，调整齿轮同轴连接有第一皮带轮，第一皮带轮经同步带连接有置于其下方的第二皮带轮，第二皮带轮同轴连接有喷肥针，喷肥针经输肥管连接置于框架内的电磁阀，电磁阀经输肥管连接有置于小型履带式拖拉机上的液肥箱，液肥箱的右侧连接有液肥泵，液肥箱的左侧安装有控制液肥泵的控制箱，所述喷肥针处安装有激光传感器，激光传感器连接控制箱。

优选的，所述小型履带式拖拉机右端上部安装有GPS车载移动站，作业地点处安装有GPS基准站。

本发明与现有技术相比，具备如下技术效果：

1、本发明基于GPS差分定位法使牵引作业机具实现自动驾驶，机具通过机械测速装置检测作业前进速度，经机械测速装置实时调整喷肥针喷肥角度，实现了作业过程中射流角度基本不变，并且避免了喷肥针土壤堵塞问题，在兼具自动驾驶功能前提下，实现肥料小区域目标。

2、本发明由GPS基准站、GPS车载移动站、激光传感器、控制箱、液肥箱、液肥泵、电磁阀、机械测速装置、同步带和喷肥针等部件组成。小型履带式拖拉机牵引机具工作，GPS基准站、GPS车载移动站构成自动驾驶系统。机械测速装置和控制箱等部件构成控制系统。

3、本发明可实现液态肥穴深作业的自动驾驶、自动喷肥、自动控制等操作，降低人工操作难度，节省人工劳动力，大大提高施肥效率和施肥质量。

4、机械测速装置相较于速度传感器而言，其测速准确度更高，可以实现无极调节，使用时间更长，不易损坏，更能适应农作物植株施肥时的恶劣环境，对土壤、灰尘、雨水的环境适应性更强，在控制地轮转速时配合GPS定位更准确，方便对机具上喷肥针旋转角度的精准控制。

附图说明

图1为本发明整体结构主视示意图。

图2为本发明整体结构俯视示意图。

图3为本发明整体结构右视示意图。

图4为本发明整体结构立体示意图。

图5为本发明机械测速装置原理主视示意图。

图6为本发明机械测速装置原理左视示意图。

图7为本发明单片机自动控制原理图。

附图标记：

1、小型履带式拖拉机；2、机具；3、框架；4、转杆；5、横杆；6、固定块；7、伸缩缸；8、支架；9、第一链轮；10、第二链轮；11、链条；12、输出轴；13、地轮；14、第一转轴；15、第一锥齿轮；16、第二锥齿轮；17、第二转轴；18、主连接件；19、主测速套杆；20、主测速光轴；21、副测速光轴；22、副测速套杆；23、滑动轴承；24、套管；25、副连接件；26、齿条管；27、调整齿条；28、调整齿轮；29、第一皮带轮；30、同步带；31、第二皮带轮；32、喷肥针；33、输肥管；34、电磁阀；35、液肥箱；36、液肥泵；37、控制箱；38、激光传感器；39、GPS车载移动站；40、GPS基准站；151、机械测速装置。

具体实施方式

有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图1至图7对实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的结构内容，均是以说明书附图为参考。

下面将参照附图描述本发明的各示例性的实施例。

实施例一，本发明为自动驾驶实时调控液态肥射流穴施肥机，包括小型履带式拖拉机1，小型履带式拖拉机1可以自主选择现有技术中的人工牵引或者能够实现自动驾驶的自主牵引，均选择为现有技术，其主要改进点为，在小型履带式拖拉机1的右侧连接有机具2，机具2包括两个框架3，框架3均置于机具2的右端，在框架3右侧两端转动连接有转杆4，两个转杆4之间经一个横杆5连接，在横杆5上套设有固定块6，固定块6的上方安装有电动的伸缩缸7，伸缩缸7经控制箱37控制，或者安装有伸缩杆，需要手动控制，伸缩缸7转动安装在支架8上，而支架8的另一端固定在框架3的右端头，使得伸缩缸7或伸缩杆收缩时，能够将转杆4抬起，从而脱离地面。

其中一个转杆4的两个端头分别同轴连接有第一链轮9和第二链轮10，第一链轮9和第二链轮10经链条11连接，其中，第一链轮9在上方，第二链轮10在下方，第二链轮10同轴连接有输出轴12，输出轴12横向穿过一个转杆4至另一个转杆4，在两个转杆4之间的输出轴12上套设安装有地轮13。

而第一链轮9同样同轴连接有第一转轴14，第一转轴14横向穿过框架3，在第一转轴14上套设安装有第一锥齿轮15，第一锥齿轮15啮合有一个机械测速装置151。

机械测速装置151包括与第一锥齿轮15啮合的第二锥齿轮16，使得传动发生变向，第二锥齿轮16同轴连接有第二转轴17，第二转轴17上套设有主连接件18，主连接件18与第二锥齿轮16固定连接，主连接件18的两侧分别上下铰接有主测速套杆19，主测速套杆19滑动连接有主测速光轴20，两者能够相对发生运动，主测速光轴20铰接有副测速光轴21，两者呈一定角度且相对转动，副测速光轴21滑动连接有副测速套杆22，两者能够相对运动。

在第二转轴17的左端还滑动安装有滑动轴承23，滑动轴承23能够在第二转轴17上左右移动，滑动轴承23上安装有套管24，套管24能够左右移动，也能在滑动轴承23上转动，当套管23左右移动时带动滑动轴承23在第二转轴17上左右运动，套管23上固定安装有副连接件25，副连接件25的两侧铰接有上述的副测速套杆22。

而滑动轴承23的左端安装有齿条管26，齿条管26在副连接件25的左侧，齿条管26上固定安装有调整齿条27，最终调整齿条27跟随滑动轴承23实现左右移动，调整齿条27啮合有置于其下方的调整齿轮28，调整齿轮28同轴连接有第一皮带轮29，第一皮带轮29经竖向的同步带30连接有置于其下方的第二皮带轮31，第二皮带轮31同轴连接有喷肥针32，在喷肥针32处安装有激光传感器38，激光传感器38连接控制箱37。

第一皮带轮29和第二皮带轮31的安装需要用到安装板(图中有显示，但未标号)，而激光传感器38置于安装板上。

喷肥针32经输肥管33连接有电磁阀34，电磁阀34安装在安装板上，电磁阀34再经输肥管33连接液肥箱35，液肥箱35安装在小型履带式拖拉机1上，液肥箱35连接有液肥泵36，液肥泵36安装在液肥箱35的右侧，同样也是置于小型履带式拖拉机1上，液肥泵36连接有控制箱37，控制箱37置于小型履带式拖拉机1的最左侧。

具体工作原理：

小型履带式拖拉机1选用现有的人工控制牵引或者自动控制牵引，液肥箱35提供施肥液，液肥泵36提供动力，控制箱37提供自动控制系统，伸缩缸7根据作业需求进行提升或下降，作业时，地轮13接触地面，跟随小型履带式拖拉机1一起运动，在穴喷肥过程中，地轮13如果均匀行驶，地轮13带动输出轴12转动，输出轴12带动第二链轮10转动，第二链轮10经链条11带动第一链轮9转动，第一链轮9带动第一转轴14转动，第一转轴14带动第一锥齿轮15转动，第一锥齿轮15啮合机械测速装置151，而机械测速装置151包括与一锥齿轮15啮合的第二锥齿轮16，第二锥齿轮16带动主连接件18、副连接件25、主测速套杆19、主测速光轴20、副测速套杆22、副测速光轴21、套管24一起转动，此时，套管24在滑动轴承23上转动，主连接件18在第二转轴17上转动，滑动轴承23不左右运动，所以滑动轴承23不会带动齿条管26、调整齿轮27左右运动，那么调整齿轮28也不会转动，最终喷肥针32保持当前角度进行施肥。

而当地轮13速度突然加快时，上述的前述原理相同，此时由于惯性或者离心力，使得主测速光轴20和副测速光轴21之间的角度变小，即，副连接件25和套管24在转动的同时，经副测速光轴21和副测速套杆22向外拉伸，即向右运动，从而拉动滑动轴承23向右运动，滑动轴承23拉动齿条管26和调整齿条27向右运动，从而啮合调整齿轮28转动，调整齿轮28经第一皮带轮29、同步带30带动第二皮带轮31转动，从而实现喷肥针32的转动。

那么套管24和滑动轴承23的关系为套管24在滑动轴承23上转动，同时，套管24移动时能够推动滑动轴承23移动，只需要在滑动轴承23开设有滑槽，套管24转动置于滑槽内，那么套管24移动时即将通过滑槽带动滑动轴承23移动。

同理，当地轮13速度减慢时，主测速光轴20和副测速光轴21之间的角度变大，从而带动滑动轴承23向左运动，调整齿条27向左运动，最终使得喷肥针32向另一方向转动。

液肥箱35连接液肥泵36，为液肥箱35输出液肥提供动力，液肥泵36连接控制箱37，实现自动开启和关闭，液肥箱35经输肥管33连接电磁阀34，电磁阀34置于机具2上，电磁阀34再经输肥管33连接其下方的喷肥针32，电磁阀34的开关与闭合也经控制箱37控制，所以电磁阀34经导线连接至控制箱37，在喷肥针32处安装有激光传感器38，激光传感器38连接控制箱37，实现自动控制，激光传感器38检测到植株的位置，比如喷肥针32被植株遮挡，那么喷肥针32不再施肥，因此需要控制电磁阀34的开启与关闭。

实施例二，在小型履带式拖拉机1右端上部安装有GPS车载移动站39，在作业点处安装有GPS基准站40，这个作业点指的是工作时农田的端头处。

本发明的GPS基准站40、GPS车载移动站39构成自动驾驶系统，液肥泵36与液肥箱35、电磁阀34与喷肥针32相连构成喷肥系统，液肥箱35通过输肥管33连接电磁阀34，电磁阀34通过输肥管33与喷肥针32相连，电磁阀34通过导线与控制箱37连接。机具2作业前，需将GPS基准站40安装在作业地点附近开阔处，安装完毕后需工作人员手动输入精准经纬度坐标，GPS基准站40同时通过自身定位算法求出整体机具2所在位置经纬度坐标，GPS基准站40和GPS车载移动站39可通过4G信号进行数据互传，车载移动站39将两组数据进行计算处理，获得数据偏差。工作人员需使用控制箱37内的树莓派电脑软件进行路径规划并设定机具2前进速度。机具2作业时，GPS基准站40将数据通过4G信号传输至GPS车载移动站39，GPS车载移动站39同时通过自身定位算法求出自身所在位置经纬度，利用数据偏差对自身定位进行数据校准，提高定位精度。GPS车载移动站39校准后的位置数据，以CAN通信模式传输数据至控制箱37内的树莓派电脑，树莓派电脑根据接收的数据进行处理运算，结合工作人员通过软件规划的路径，将位置信息实时与理论位置信息进行对比，向控制箱37发送指令，调整两个履带轮的速度差改变运动方向和速度，以此不断向理论位置靠拢，定位精度动态偏差小于15cm，实现自动驾驶功能。

当然，小型履带式拖拉机1装有其自身行驶所需要的驱动装置，然后经控制箱37控制，其驱动装置为现有技术，不是本发明的改进点，在此不再详细赘述，另外，小型履带式拖拉机1上还配备有蓄电池，上述多个电子元器件都连接至蓄电池，该GPS定位系统同样采用现有技术原理去实现自动驾驶。

实施例三，电磁阀34、激光传感器38、液肥泵36的控制全部需要控制箱37内的单片机进行控制，以下是单片机的控制电路图，单片机的型号为PDIP-40，STC12C5A60S2，增加P4，该单片机的引脚1连接二极管D2的负极、继电器K1、单片机的引脚37，二极管D2的正级和继电器K1连接地GND，继电器K1一端连接电磁阀的引脚2，电磁阀的引脚1连接电源VCC和有极电容C4的正极，有极电容C4的另一端接地GND。

单片机的引脚10连接有极电容C5的负极，其电容为10uF，有极电容C5的正极连接电源VCC和开关S4，开关S4的另一端连接电阻R1，电阻R1的电阻为2KΩ，电阻R1的另一端接地GND。

单片机引脚12连接电阻R3，电阻R3的电阻为100Ω，电阻R3的另一端连接二极管D3的正极和电阻R2的一端，电阻R2的电阻为4.7KΩ，电阻R2的另一端连接电压+5V，二极管D3的负极连接激光传感器的输出端OUT，激光传感器的另外两个引脚分别连接电压+12V和地GND。

单片机的引脚18连接电容C1和晶振Y1，电容C1的值为30PF，电容C1的另一端接地GND和电容C7，电容C7的值为30PF，电容C7的另一端接晶振Y1和单片机的引脚19，晶振Y1的值为11.0592MHz。

单片机的引脚40连接USB的引脚1，USB的供电电源为+5V，USB的引脚4接地GND，USB的引脚6连接稳压集成芯片的输出端Vout、电容C2的一端、电容C3的一端，稳压集成芯片的型号为LM7805，电容C2的值为100uF，稳压集成芯片的输入端Vint连接+12电源，该电源连接开关S1和电容C1的一端，开关S1另一端接地GND，USB的引脚5连接发光二极管D1的正极，发光二极管的负极连接电容C3的另一端、电容C2的另一端、稳压集成芯片的GND，电容C1的另一端和GND。

实施例四，单片机的引脚14连接编码器引脚2的A相，编码器的引脚1和引脚4分别连接电源VCC和地GND，编码器的A相连接触发器的引脚11，触发器的型号为74LS74，编码器引脚3的B相连接触发器的引脚12，触发器的引脚8连接单片机的引脚13，触发器的引脚9连接单片机的引脚12，触发器的引脚10、引脚13、引脚14分别连接电源VCC，触发器的引脚7连接地GND。

实施例五，编码器的A相连接电阻R4，电阻R4的值为1K，电阻的另一端连接VCC，编码器的B相连接电阻R5，电阻R5的值为1K，电阻R5的另一端连接VCC。

实施例六，单片机的引脚2、引脚3、引脚4、引脚5分别连接阵列芯片的引脚1B、引脚2B、引脚3B和引脚4B，阵列芯片为ULN2003A，阵列芯片的引脚COM连接马达和GND，阵列芯片的引脚1C和引脚4C连接马达的一端，马达的另一端连接阵列芯片的引脚2C和引脚3C。

本发明机械测速装置151由第二锥齿轮16、第二转轴17、主测速套杆19、主测速光轴20、副测速套杆22、副测速光轴21、主连接件18、副连接件25、调整齿条27、调整齿轮28、同步带30轮构成。第二锥齿轮16可在第二转轴17上自由转动，主测速套杆19和主测速光轴20两段杆件可进行相对滑动，构成移动副，副测速套杆22和副测速光轴21两段杆件可进行相对滑动，构成移动副。主测速光轴20的一端与副测速光轴21的一端通过轴承连接，可进行转动，构成转动副。主测速套杆19的另一端与主连接件18通过轴承连接，可自由转动，并且主连接件18与第二锥齿轮16固连。副测速套杆22的另一端与副连接件25通过轴承相连接，可自由转动，相同装置对称安装在主连接件18与副连接件25上，并通过主连接件18与副连接件25一起套装在第二转轴17上，主连接件18随第二锥齿轮16在第二转轴17上转动，副连接件25可在滑动轴承23上自由转动，并与调整齿条27随滑动轴承23和在第二转轴17上自由滑动，调整齿条27与调整齿轮28相互啮合，调整齿轮27与第一皮带轮29同步旋转，第一皮带轮29通过带动同步带30传动第二皮带轮31，然后调整喷肥针32喷肥角度。机具2作业时，当机具2作业速度增加，地轮13转速增大，带动机械测速装置151的第二锥齿轮16转速增大，由于惯性，副测速光轴21和主测速光轴20之间的夹角会变小，带动副连接件25向第二锥齿轮16方向移动，带动调整齿条27移动，调整齿轮28旋转，第一皮带轮29随之旋转并通过同步带30带动第二皮带轮31和喷肥针32旋转调整角度。当机具2作业速度减小时，同理，喷肥针32旋转调整角度。当机具2作业速度不变时，喷肥针32角度不变。

激光传感器38持续发射激光脉冲，经过植株时，激光脉冲在植株表面经过漫反射后，传感器接收器接收到部分返回的激光，检测到微弱的光信号并将其转换为响应电信号，发送至控制箱37内单片机，单片机通过GPS车载移动站相对于GPS基准站的距离变化计算机具前进速度，并结合机具2前进速度与激光传感器38到喷肥针32距离数据计算延时时间，控制电磁阀34间歇开闭，使喷肥针32将高压液态肥冲击到土壤一定农艺深度中，因喷肥针32在工作过程中不接触土壤，所以不会有堵塞问题。

机具2在运动过程中激光传感器38会不断的经过作物植株，当激光传感器38检测到作物植株时控制箱37开始控制电磁阀34间歇开闭来控制喷肥针32对作物植株进行喷肥。

本发明与现有技术相比，具备如下技术效果：

1、本发明基于GPS差分定位法使牵引作业机具实现自动驾驶，机具通过机械测速装置检测作业前进速度，经机械测速装置实时调整喷肥针喷肥角度，实现了作业过程中射流角度基本不变，并且避免了喷肥针土壤堵塞问题，在兼具自动驾驶功能前提下，实现肥料小区域目标。

2、本发明由GPS基准站、GPS车载移动站、激光传感器、控制箱、液肥箱、液肥泵、电磁阀、机械测速装置、同步带和喷肥针等部件组成。小型履带式拖拉机牵引机具工作，GPS基准站、GPS车载移动站构成自动驾驶系统。机械测速装置和控制箱等部件构成控制系统。

3、本发明可实现液态肥穴深作业的自动驾驶、自动喷肥、自动控制等操作，降低人工操作难度，节省人工劳动力，大大提高施肥效率和施肥质量。

4、机械测速装置相较于速度传感器而言，其测速准确度更高，可以实现无极调节，使用时间更长，不易损坏，更能适应农作物植株施肥时的恶劣环境，对土壤、灰尘、雨水的环境适应性更强，在控制地轮转速时配合GPS定位更准确，方便对机具上喷肥针旋转角度的精准控制。

Claims (2)

1.自动驾驶实时调控液态肥射流穴施肥机，包括小型履带式拖拉机(1)，其特征在于，小型履带式拖拉机(1)右端连接有机具(2)，机具(2)包括两个置于其右端的框架(3)，框架(3)右端两侧转动安装有转杆(4)，两个转杆(4)之间经横杆(5)连接，横杆(5)上套设有固定块(6)，固定块(6)上安装有伸缩缸(7)，伸缩缸(7)转动安装在置于框架(3)上的支架(8)上，其中一个转杆(4)的两端分别同轴安装有第一链轮(9)和第二链轮(10)，第一链轮(9)和第二链轮(10)经链条(11)连接，第二链轮(10)同轴经输出轴(12)安装在另一侧的转杆(4)上，输出轴(12)的中间套设有地轮(13)，第一链轮(9)同轴连接有横向穿过框架(3)的第一转轴(14)，第一转轴(14)上套设有第一锥齿轮(15)，第一锥齿轮(15)啮合有机械测速装置(151)，机械测速装置(151)包括与第一锥齿轮(15)啮合的第二锥齿轮(16)，第二锥齿轮(16)同轴连接有第二转轴(17)，第二转轴(17)上套设有与第二锥齿轮(16)固定有的主连接件(18)，主连接件(18)的两端分别铰接有主测速套杆(19)，主测速套杆(19)滑动连接有主测速光轴(20)，主测速光轴(20)铰接有副测速光轴(21)，副测速光轴(21)滑动连接有副测速套杆(22)，第二转轴(17)上滑动安装有滑动轴承(23)，滑动轴承(23)上安装有套管(24)，套管(24)上安装有副连接件(25)，副连接件(25)的两端铰接有副测速套杆(22)，滑动轴承(23)上安装有置于副连接件(25)左侧的齿条管(26)，齿条管(26)上端固定有调整齿条(27)，调整齿条(27)下方啮合有调整齿轮(28)，调整齿轮(28)同轴连接有第一皮带轮(29)，第一皮带轮(29)经同步带(30)连接有置于其下方的第二皮带轮(31)，第二皮带轮(31)同轴连接有喷肥针(32)，喷肥针(32)经输肥管(33)连接置于框架(3)内的电磁阀(34)，电磁阀(34)经输肥管(33)连接有置于小型履带式拖拉机(1)上的液肥箱(35)，液肥箱(35)的右侧连接有液肥泵(36)，液肥箱(35)的左侧安装有控制液肥泵(36)的控制箱(37)，所述喷肥针(32)处安装有激光传感器(38)，激光传感器(38)连接控制箱(37)。

2.根据权利要求1所述的实时调控液态肥喷施角度自动驾驶穴施肥机，其特征在于，所述小型履带式拖拉机(1)右端上部安装有GPS车载移动站(39)，作业地点处安装有GPS基准站(40)。

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