CN112425334A - 一种基于作物实时长势的双圆盘离心式变量撒肥机 - Google Patents

Abstract

一种基于作物实时长势的双圆盘离心式变量撒肥机，包括作物生长信息采集、行走驱动、变量撒肥和控制通信系统。生长信息采集系统，由光谱传感器实时获取作物冠层“面状”信息，通过数据交换器传输至车载控制终端，结合速度传感器实时监测的施肥机行进速度和GPS位置信息数据，经控制通信系统运行变量施肥决策系统，将信息反馈给智能变量控制器，执行变量撒肥系统，调节液压马达、步进电机转速，控制肥量调节机构开口位置，实现施肥量的在线调整。本发明的变量撒肥机结构简单合理，自动化程度高，实现了基于作物实时长势的精准变量撒肥，有效改善作物生长环境、节约生产资源成本、提高作物产量和品质，具有十分积极的社会经济效益和推广应用价值。

Description

一种基于作物实时长势的双圆盘离心式变量撒肥机

技术领域

本发明属于农业工程技术领域，涉及光谱传感技术和变量施肥技术，特别地说，是一种基于作物实时长势的双圆盘离心式变量撒肥机。

背景技术

随着我国人口数量的激增、耕地面积的骤减，合理科学地施用肥料成为现代农业可持续发展的必要措施和亟待解决的问题，从而作为现代精准农业重要组成部分的变量施肥技术成为全世界现代农机装备领域研究的重点内容。

变量施肥技术依托现代先进的科学技术，涉及到农田信息采集与处理、土壤地理信息系统建立与施肥决策、变量施肥控制及实施三部分。目前成熟的变量施肥控制技术主要包括两种方式：一种是实时控制施肥，一是处方信息控制施肥。

国内外现有的变量施肥技术的研究多集中在测土配方变量施肥技术研究，但由于技术操作繁琐、技术难度大等问题并未实现大面积推广使用。近年来，国外积极的开展基于传感监测技术的在线实时控制变量施肥机具，该类机具由传感器实时获得土壤养分组成或作物营养需求状态，实现施肥量在线调节，从而达到变量施肥的目标。但是，目前国内关于此类变量施肥机械研究较少，而且大多集中在条播式窄行排肥装置的控制研究上，施肥作业效率低，无法满足大规模现代农业的发展要求，特别是缺乏基于作物长势的在线实时控制的离心式变量撒肥机具。

因此有必要设计一种针对作物生长的农艺和技术指标，基于光谱传感器监测技术的实时变量撒肥机，可根据作物长势空间差异性进行按需精准变量撒肥。

发明内容

本发明的目的在于克服现有变量施肥技术存在上述不足，提供一种基于作物实时长势的双圆盘离心式变量撒肥机。

为了实现以上目的，本发明所采取的技术解决方案是：一种基于作物实时长势的双圆盘离心式变量撒肥机，涉及农业机械技术领域，包括作物生长信息采集系统、行走驱动系统、变量撒肥系统、控制通信系统。作物生长信息采集系统通过光谱传感器支架设置在行走驱动系统的前端，由光谱传感器实时获取作物冠层“面状”信息，通过数据交换器传输给设置在行走驱动系统内部的车载计算机，结合测速传感器实时监测施肥机的行进速度和GPS数据信息，经过控制通信系统运行变量施肥决策系统，将信息反馈给智能变量控制器，执行变量撒肥系统，调节液压马达和步进电机转速，控制撒肥量调节机构开口位置大小，实现施肥量和撒肥范围的在线调整。

优选的，所述的采集作物生长信息的光谱传感器通过螺栓固定在光谱传感器支架上，保证光谱传感器发生光源正对作物冠层距离80-120cm，通过数据交换器将获得的数据传输给车载计算机。

优选的，所述的行走驱动系统的牵引机构安装有测速传感器和GPS定位系统，实时监测施肥机的行进速度和具体位置信息，牵引机构可以是水田(高地隙)轮胎或者是旱田轮胎，以适用于水稻或小麦等粮食作物生产种植。

优选的，所述的变量撒肥系统通过后三点悬挂安装在行走驱动系统的牵引臂上，驱动机构由液压马达和步进电机构成，通过拖拉机上的液压控制阀和驱动器分别控制液压马达和步进电机的转速。

优选的，所述的变量撒肥系统的撒肥机构包括转轴、双撒肥圆盘、撒肥叶片、挡肥板和匀肥罩构成；所述双撒肥圆盘结构上关于施肥作业行走方向中心对称布置，所述转轴由液压马达控制转速，所述撒肥圆盘呈凹球面上翘形状，所述撒肥叶片紧贴撒肥圆盘且截面为曲线形状，所述匀肥罩为柱形罩底部匀肥出口分料，保证肥料在圆盘上不被洒落浪费，有助于均匀撒肥。

优选的，所述的撒肥量调节机构置于肥箱底部，由动盘和定盘构成，动、定盘上设有下料口，通过调节动、定盘上下料口的相互位置大小，从而调节排肥流量。

优选的，所述的调节机构设计有三种结构形式，分别为齿条连杆式、丝杠滑块式和电动推杆式，则动、定盘上下料口的相互位置可通过步进电机控制齿条连杆、丝杠滑块或电动推杆驱动调节。

优选的，所述的撒肥结构转轴安装有转速传感器和角度位移传感器，将转轴转速信号和调节定盘转角信号反馈给车载计算机，结合反馈的施肥机实时行走速度和位置信息进行专家决策。

相比现有技术，本发明的基于作物实时长势的双圆盘离心式变量撒肥机有益效果在于：

1.由光谱传感器实时获得作物冠层“面状”信息，基于作物长势空间差异性，发明一种实时控制离心式变量撒肥机，实现施肥量在线调节，从而达到精准变量施肥的目标。

2.撒肥圆盘为凹球面上翘形状，且撒肥叶片截面为曲线形状，控制了肥料在圆盘上不被洒落浪费，有助于撒肥均匀性。

3.撒肥量调节机构设计为三种不同的结构形式，提供了不同侧重的施肥准确性和排肥响应特性，可适用于不同需求的作物施肥作业场合，扩展了撒肥机的应用范围。

4.肥料抛撒结构可为单圆盘或双圆盘撒肥机构，撒肥机的播幅范围得到了较大程度的扩展，提高了撒肥作业效率，可以适用于大规模现代农业生产发展需求的大田块作业。

附图说明

图1本发明的整机结构示意图；

图2本发明的双圆盘变量撒肥机结构示意图；

图3本发明的撒肥量齿条连杆式肥量调节机构结构示意图；

图4本发明的撒肥机构结构示意图；

图5本发明的撒肥机构三视图；

图6本发明的撒肥量丝杠滑块式肥量调节机构结构示意图；

图7本发明的撒肥量电动推杆式肥量调节机构结构示意图；

图8本发明的单圆盘变量撒肥机结构示意图。

图中1、撒肥机构，1-1、撒肥圆盘，1-2、撒肥叶片，1-3、匀肥罩，1-4、匀肥出口，2、撒肥量调节机构，2-1、步进电机，2-2、齿轮齿条传动，2-3、齿条连杆，2-4、撒肥量调节盘，2-4-1、定盘，2-4-2、动盘，2-5、滑块，2-6、丝杠，2-7、滑槽，2-8、电动推杆，2-9、销轴孔，3、肥箱，4、传动系统，5、行走驱动系统，6、控制通信系统，7、车载计算机，8、测速传感器，9、光谱传感器支架，10、光谱传感器，11、GPS接收器，12、GPS流动站，13、撒肥机架，14、排肥口，15、挡肥板，16、控制箱。

具体实施方式

【实施例1】

下面结合附图对本发明的具体实施例做进一步的描述。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

一种基于作物实时长势的双圆盘离心式变量撒肥机，如图1、图2所示，包括作物生长信息采集系统、行走驱动系统(5)、变量撒肥系统、控制通信系统(6)。作物生长信息采集系统设置在行走驱动系统(5)的前端，由6个阵列布置的光谱监测传感器Green SeekerSensors组成，通过螺栓固定在光谱传感器支架(9)上，保证光谱传感器(10)发生光源正对作物冠层距离在80-120cm范围内，用于实时获取作物冠层归一化植被指数(NDVI值)，通过数据交换器将获得的数据传输给车载计算机(7)。

行走驱动系统(5)置于整机的中间部位，作为整机的牵引部件，包括车载计算机(7)、GPS流动站(12)、测速传感器(8)、GPS接收器(11)、控制通信系统(6)，接受各传感器的数据信息，运行变量施肥决策系统，执行智能变量施肥控制程序，将信息反馈给施肥控制器。牵引机构安装有测速传感器(8)，实时监测施肥机的行进速度，牵引机构可以是水田(高地隙)轮胎或者是旱田轮胎，以适用于水稻或小麦等粮食作物生产种植。

参照图2，变量撒肥系统为双圆盘离心式撒肥结构，以满足现代化农业种植宽播幅高效撒肥。通过后三点悬挂连接安装在行走驱动系统的后部，由撒肥机架(13)、肥箱(3)、传动系统(4)、撒肥量调节机构(2)、撒肥机构(1)、挡肥板(15)、控制箱(16)组成，将经过变量控制的颗粒肥料在离心力的作用下抛撒出去。传动系统(4)由液压马达和步进电机(2-1)构成，通过行走驱动系统(5)上的液压控制阀控制液压流量和驱动器控制PWM波分别控制液压马达和步进电机(2-1)的转速，从而分别控制撒肥范围和撒肥量。

参照图3，撒肥量调节机构(2)置于肥箱(3)底部，由动盘(2-4-2)和定盘(2-4-1)构成，动、定盘上设有扇形下料口，通过调节动、定盘上下料口相互位置大小，调节排肥流量。动、定盘上扇形下料口相互位置通过步进电机(2-1)控制齿条连杆(2-3)驱动调节。

参照图4、图5，变量撒肥系统的撒肥机构(1)包括转轴、双撒肥圆盘(1-1)、撒肥叶片(1-2)、挡肥板(15)和匀肥罩(1-3)构成。转轴由液压马达控制转速，撒肥圆盘(1-1)呈凹球面上翘形状，撒肥叶片(1-2)紧贴撒肥圆盘(1-1)且截面为曲线形状，匀肥罩(1-3)为柱形罩底部匀肥出口(1-4)分料，保证肥料在圆盘上不被洒落浪费，有助于均匀撒肥。撒肥机构(1)转轴安装有转速传感器和角度位移传感器，将转轴转速信号和调节动盘(2-4-2)转角信号反馈给车载计算机(7)，结合当前的施肥机行进速度信息和位置信息，对实时撒肥量进行综合决策。

参照图6、图7，撒肥量调节机构(2)设计有三种结构形式，分别为齿条连杆式、丝杠滑块式和电动推杆式，则动、定盘上下料口的相互位置可通过步进电机(2-1)控制齿条连杆(2-3)、滑块(2-7)或电动推杆(2-8)驱动调节，以适用于不同需求的作物施肥作业场合。

参照图8，肥料抛撒结构可以通过相同的原理设置成单圆盘撒肥机构，撒肥机的播幅可在一定程度上内调节，扩展撒肥机不同的应用范围。

本发明的工作流程为：变量撒肥机行进过程中，作物生长信息采集系统通过固定在光谱传感器支架(9)上的光谱传感器(10)实时获取作物冠层“面状”信息，将获得小麦冠层的归一化植被指数(NDVI值)通过串行接口经无线串口模块传输给设置于行走驱动系统(5)的车载计算机(7)，实现变量施肥作业信息采集、显示和存储。车载计算机(7)根据获得的作物生长数据信息运行设置的变量施肥决策系统，结合改进的Raun模型计算生成实时目标需肥量，同时测速传感器(8)实时监测施肥机的行进速度，霍尔传感器实时监测撒肥圆盘(1-1)转速，角度位移传感器实时监测动盘(2-4-2)角度，并将信息反馈给施肥控制器，形成闭环反馈控制。决策系统根据内置系列算法将施肥作业实时信息通过无线串口模块传输给控制器，执行变量撒肥系统。

根据专家决策系统计算的目标施肥量信息，通过液压阀和控制器实时调节液压马达和步进电机(2-1)转速，从而控制撒肥量调节机构(2)动、定盘相对开口位置大小。颗粒肥料从动、定圆盘配合的下料口落入匀肥罩内(1-3)，通过撒肥圆盘(1-1)的高速旋转，颗粒肥料在离心力作用下不断地从匀肥出料口(1-4)流出，被依次到达的撒肥叶片(1-2)抛洒出去，整个过程实现施肥量的在线调整，完成基于作物实时长势的离心式变量撒肥。

【实施例2】

与实施例1相似，参考图8的单圆盘变量撒肥机结构示意图，根据作物农艺需求、目标田块规模、作业环境的差异，可适当缩减肥料箱(3)个数或容量以及光谱采集传感器(10)数量，实现对小地块种植作物的实时精准变量施肥。整机结构、工作原理与实施例1相同。

【实施例3】

参考图3，实施例1、2中撒肥量调节机构(2)为齿轮齿条式肥量调节机构，以步进电机(2-1)旋转带动齿轮齿条机构(2-2)运动，以齿条连杆(2-3)运动驱动动盘(2-4-2)、定盘(2-4-1)相互错位，实现肥料排量调节。

与实施例1、2不同的是，参考图6的丝杠滑块式肥量调节机构，步进电机(2-1)旋转运动，通过联轴器带动丝杠(2-6)旋转，丝杠(2-6)旋转转化为滑块(2-5)的直线运动完成动盘(2-4-2)、定盘(2-4-1)的相互错位，实现肥料排量调节。

参考图7的电动推杆式肥量调节机构，步进电机(2-1)通过内部减速机构驱动电动推杆(2-8)线性移动，电动推杆(2-8)通过销轴(2-9)铰接控制动盘(2-4-2)转角，从而调节由动、定圆盘构成的排肥口(14)相互位置，调整实际排肥流量至目标期望值。

其余机构及运行原理与实施例1一致，不同的是本实施例的肥量调节性能与实施例1不同，肥量调节装置执行机构的动态特性和系统响应延时不同，根据具体的作业准确性要求和控制响应时间优化选择、调整对应的肥量调节装置。

以上实施例，对本发明的部分实施方式进行了描述，但并未对本发明保护范围进行限制。应当指出，任何熟悉此技术领域的技术人员，在本发明技术方案基础上，不需付出创造性劳动即可做出的各种修改、变形、改进或等同替换，仍在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于作物实时长势的双圆盘离心式变量撒肥机，其特征在于，包括作物生长信息采集系统、行走驱动系统、变量撒肥系统、控制通信系统；

所述的作物生长信息采集系统设置在行走驱动系统的前端，由6个阵列布置的光谱监测传感器Green Seeker Sensors组成，用于实时获取作物冠层归一化植被指数(NDVI值)，通过光谱传感器支架与行走驱动系统连接；

所述的行走驱动系统置于整机的中间部位，作为整机的牵引部件，包括车载计算机、光谱传感器接收终端、测速传感器、GPS接收器、无线模块接收单元，运行变量施肥决策系统，执行智能变量施肥控制程序，将信息反馈给施肥控制器，实现施肥量的在线调整，达到精准变量施肥的目标；

所述的变量撒肥系统通过后三点悬挂连接安装在行走驱动系统的后部，由支架、肥箱、驱动机构、撒肥量调节机构、撒肥机构、挡肥板等组成，将经过变量控制的颗粒肥料在离心力的作用下抛撒至目标施肥区域；

所述的控制通信系统集成于控制箱内，设置于撒肥机架上，由核心控制器、驱动器、电压转换器、无线串口模块构成，将获得的实时数据通过无线串口模块传输给车载计算机，进行变量施肥专家系统决策。

2.根据权利要求1所述的基于作物实时长势的双圆盘离心式变量撒肥机，其特征在于，所述的采集作物生长信息的光谱传感器通过螺栓固定在光谱传感器支架上，保证光谱传感器发生光源正对作物冠层距离80-120cm，通过数据交换器将获得的数据传输给车载计算机。

3.根据权利要求1所述的基于作物实时长势的双圆盘离心式变量撒肥机，其特征在于，所述的行走驱动系统的牵引机构安装有测速传感器和GPS定位系统，实时监测施肥机的行进速度和具体位置信息，牵引机构可以是水田(高地隙)轮胎或者是旱田轮胎，以适用于水稻或小麦等粮食作物生产种植。

4.根据权利要求1所述的基于作物实时长势的双圆盘离心式变量撒肥机，其特征在于，所述的变量撒肥系统通过后三点悬挂安装在行走驱动系统的牵引臂上，驱动机构由液压马达和步进电机构成，通过拖拉机上的液压控制阀和驱动器分别控制液压马达和步进电机的转速。

5.根据权利要求1所述的基于作物实时长势的双圆盘离心式变量撒肥机，其特征在于，所述的变量撒肥系统的撒肥机构包括转轴、双撒肥圆盘、撒肥叶片、挡肥板和匀肥罩构成；所述的双撒肥圆盘结构上关于施肥作业行走方向中心对称布置，所述的转轴由液压马达控制转速，所述的撒肥圆盘呈凹球面上翘形状，所述的撒肥叶片紧贴撒肥圆盘且截面为曲线形状，所述的匀肥罩为柱形罩底部匀肥出口分料，保证肥料在圆盘上不被洒落浪费，有助于均匀撒肥。

6.根据权利要求1所述的基于作物实时长势的双圆盘离心式变量撒肥机，其特征在于，所述的调节机构置于肥箱底部，由动盘和定盘构成，动、定盘上设有下料口，通过调节动、定盘上下料口的相互位置大小，从而调节排肥流量。

7.根据权利要求1所述的基于作物实时长势的双圆盘离心式变量撒肥机，其特征在于，所述的调节机构设计有三种结构形式，分别为齿条连杆式、丝杠滑块式和电动推杆式，则动、定盘上下料口的相互位置可通过步进电机控制齿条连杆、丝杠滑块或电动推杆驱动调节。

8.根据权利要求1所述的基于作物实时长势的双圆盘离心式变量撒肥机，其特征在于，所述撒肥结构转轴安装有转速传感器和角度位移传感器，将转轴转速信号和调节定盘转角信号反馈给车载计算机，结合反馈的施肥机实时行走速度和位置信息进行专家决策。

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