CN113840532A - 用于向离散田地位置提供施用物的可变速率施用的系统、方法和设备 - Google Patents
用于向离散田地位置提供施用物的可变速率施用的系统、方法和设备 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了用于向离散田地位置提供施用物的可变速率施用的系统、方法和设备。根据第一优选实施方式，本发明包括控制装置，该控制装置具有软件模块，以允许根据对被喷射的每种作物的特定处方来执行灌溉模式和化学品喷射模式。根据另外的优选实施方式，控制装置可以使用来自各种图像传感器的数据来创建施用物的选择性可变速率施用。通过使用成像数据，本发明的系统可以使用主施用物系统来广泛地输送第一所选施用物(例如水等)并且使用独立的系统来为给定田地的特定植物或区域输送目标施用物。
Description
相关申请
本申请要求于2019年6月27日提交的美国临时申请No.62/867,338的优先权。
技术领域
本发明总体上涉及灌溉机器，并且更具体地涉及用于收集精确的、近实时的数据、创建建议并将目标施用物施用至选定田地位置的系统、方法和设备。
背景技术
现代田地灌溉机器是驱动系统和喷洒器系统的组合。通常，这些系统根据所述系统被设计成的所要执行的行进类型而分为两种类型：中心枢轴型和/或线性型。
无论是中心枢轴型的还是线性型的，常见的灌溉机器通常包括高架喷洒器灌溉系统，该系统包括几段管道(通常是镀锌钢或铝)，这些管道连结在一起并且由桁架支撑，桁架安装在轮式塔状件上，其中喷洒器沿着桁架的长度定位。这些机器以环形模式移动(如果是中心枢轴型的)或线性移动，并且被从外部源(即井或水管线)供给水。灌溉机器的基本功能是将施用物(即水或其他溶液)施用至给定位置。
传统上，种植者将使用田地侦察、卫星、无人驾驶飞行器(UAV)和/或微型飞行器(MAV)图像来绘制田地地图。然后，种植者或第三方将对数据进行分析并且为整个田地创建处方(prescription)。然而，目前的系统限于为给定田地的每个区域提供单一处方。附加地，目前的系统需要多次通过田地来收集信息和施用施用物。对于操作者而言，这些系统通常是不精确的且浪费的，因为这些系统无法实时地工作。附加地，这些系统需要附加的燃料来在不同的通行中施用每种施用物。通常，这些系统需要操作者过度施用施用物，而不是将合适的施用物适当地瞄准(target)至合适的田地位置。
为了克服现有技术的限制，需要一种能够利用灌溉机器有效地施用化学品而不损害灌溉机器的有效且高效地施用灌溉水的能力的系统。另外需要一种能够将移动数据收集系统与移动精确产品输送系统两者结合的系统。
发明内容
为了使在现有技术中发现的限制最小化，并且使在阅读申请文件时将明显的其他限制最小化，本发明提供了用于向离散田地位置提供施用物的可变速率施用的系统、方法和设备。
根据第一优选实施方式，本发明包括控制装置，该控制装置具有软件模块，以允许根据对被喷射的每种作物的特定处方来执行灌溉模式和化学品喷射模式。根据另外的优选实施方式，控制装置可以使用来自各种图像传感器的数据来创建施用物的选择性可变速率施用。通过使用成像数据，本发明的系统可以使用主施用系统来广泛地输送第一所选施用物(例如水等)并且使用独立的系统来为给定田地的特定植物或区域输送目标施用物。
根据另外的优选实施方式，本发明的控制装置可以根据每种施用的需要来具体地对成组和/或单独的发射器进行控制。因此，控制装置121可以基于光学识别的植物状况(例如侵染、疾病、健康不佳)来指示元件(即阀、泵、调节器)将给定施用物提供至给定田地的特定区域。优选地，本发明的系统可以允许对整个田地进行一般的水灌溉并同时基于所检测到的状况发现需要处理的区域，如下文另外讨论的。
附图说明
图1示出了根据本发明的第一优选实施方式的示例性灌溉系统。
图2示出了根据本发明的第一优选实施方式的示例性控制系统。
图3示出了根据本发明的优选实施方式的改进的灌溉跨接组件的正视图。
图4示出了图3中所示的改进的灌溉跨接组件的侧视图。
图5示出了图3中所示的改进的灌溉跨接组件的俯视图。
图6示出了本发明的作物产品导管组件的立体图。
图7示出了图6中所示的作物产品导管组件的侧视立体图。
图8示出了本发明的作物产品导管组件的立体图。
图9示出了图8中所示的作物产品导管组件的侧视立体图。
图10示出了图9中所示的改进的灌溉跨接组件的俯视图。
具体实施方式
现在详细参考本发明的示例性实施方式，本发明的示例在附图中示出。在可能的情况下，将贯穿附图使用相同的附图标记来指示相同或相似的部件。描述、实施方式和附图不应被视为限制权利要求的范围。还应当理解的是，贯穿本公开，除非逻辑上另有需要，否则在示出或描述过程或方法时，方法的步骤可以以任何顺序、重复地、迭代地或同时地执行。如贯穿本申请所使用的，用语“可以”是以允许性意义(即，意味着“有可能”)使用的，而不是以强制性意义(即，意味着“必须”)使用的。
附加地，本文中给出的任何示例或图示不应以任何方式被视为对与所述示例或图示一起使用的任何一个或多个术语的约束、限制或表达限定。而是，这些示例或图示应被视为仅是说明性的。本领域的普通技术人员将领会的是，与这些示例或图示一起使用的任何一个或多个术语将涵盖其他实施方式，所述其他实施方式可能会或可能不会在申请文件中随这些示例或图示给出或在其他地方给出，并且所有这些实施方式旨在被包括在所述一个或多个术语的范围内。
如本文中所使用的术语“程序”、“计算机程序”、“软件应用”、“模块”等被限定为设计成用于在计算机系统上执行的指令的序列。程序、计算机程序、模块或软件应用可以包括子程序、函数、过程、对象实现、可执行应用、小程序、小服务程序、源代码、对象代码、共享库、动态链接库和/或设计成用于在计算机系统上执行的其他指令序列。如本文中所限定的，数据存储装置包括许多不同类型的计算机可读介质，该计算机可读介质允许计算机从该计算机可读介质读取数据并允许计算机读取网络电路内的信号，该计算机可读介质包括易失性存储器、例如RAM、缓冲器、高速缓冲存储器。
本文中描述的系统和方法的方面可以被实现为功能性地编程到各种电路中的任何电路中，所述各种电路包括可编程逻辑装置(PLD)、具有存储器的微控制器、嵌入式微处理器、固件、软件等。此外，系统和方法的方面可以在微处理器中实施，所述微处理器具有基于软件的电路仿真、离散逻辑(序列和组合)、定制装置、模糊(中性网络)逻辑、量子装置和上述装置类型中的任何装置类型的混合。附加地，所公开的实施方式的功能可以在一个计算机上实现或者在网络或云中或跨网络或云在两个或更多个计算机之间共享/分布。
实现实施方式的计算机之间的通信可以使用任何电子、光学、射频信号或与已知的网络协议相符合的其他合适的通信方法和工具来达成。例如，本发明可以包括RF模块，该RF模块用于接收和发射电磁波、实现电磁波与电信号的转换、以及与通信网络或其他装置进行通信。RF模块可以包括执行功能的多种现有的电路元件，所述现有的电路元件比如为天线、RF收发器、数字信号处理器、加密/解密芯片、用户识别模块(SIM)卡、存储器等。RF模块可以与比如为互联网、内联网、无线网络的各种网络进行通信并且可以经由无线网络与其他设备进行通信。
图1至图10示出了可以与本发明的示例实施方案一起使用的灌溉系统的各种构型。如应该理解的，图1至图10中所示的灌溉系统是可以结合有本发明的特征的示例性系统。因此，图1至图10旨在于仅是说明性的，并且各种系统(即：固定式系统以及线性和中心枢轴自推进式灌溉系统；驻定(stationary)系统；地角(corner)系统)中的任何系统都可以在不受限制的情况下与本发明一起使用。例如，虽然图1被示出为中心枢轴型灌溉系统，但本发明的示例性灌溉系统100也可以被实现为线性型灌溉系统。示例灌溉系统100不旨在于以任何方式限制或限定本发明的范围。
现在参照图1，本发明的示例性灌溉机器100优选地可以包括主跨接件104、中心枢轴结构102和支撑驱动塔状件108、110。示例性灌溉机器100还可以包括附接在连接点112处的拐弯(corner)跨接件106。拐弯跨接件106可以由可操纵的驱动单元114支撑及移动。拐弯跨接件106可以包括悬置件(boom)116和端部喷枪(未示出)和/或其他喷射器。附加地，位置传感器118优选地设置成为系统提供位置和角度取向数据，如下文另外讨论的。此外，中央控制面板120设置成用于对机载计算机元件进行围封，所述机载计算机元件比如为下面讨论的示例性控制装置121的元件。控制面板120还可以链接至收发器，以用于在系统元件、装置/互联网云103、远程服务器105等之间发送及接收数据。
现在参照图2，现在将讨论代表对灌溉系统100的一个或更多个操作方面进行控制的功能的示例性控制装置121。如所示的，示例性控制装置121可以包括处理器122、存储器126和网络接口124。处理器122可以为控制装置121提供处理功能并且可以包括任意数量的处理器、微控制器或其他处理系统。处理器122可以执行一个或更多个软件程序并且存储器可以对所述一个或更多个软件程序以及其他数据进行存储，以允许处理器122和控制装置121的其他元件实现本文中描述的技术。存储器126还可以为成组的指令和模块、比方说例如可变速率灌溉(VRI)模块128提供存储，以对通过灌溉系统进行的施用物的时间和支出进行计算和控制。存储器126还可以包括灌溉定位模块132等以向该系统提供地图描绘和定位数据。控制装置121还可以包括网络接口124等以使控制装置121能够通过位于灌溉机器内部和外部两者的各种部件来与一个或更多个网络134进行通信。优选地，该系统包括一个或更多个位置检测装置136(例如GPS、LORAN等)以提供位置数据。优选地，该系统还包括阀和喷嘴控制/反馈系统130，以允许控制灌溉元件和多个输入/输出从传感器138和监测装置接收数据，如下文另外讨论的。
现在参照图3至图4，示出了本发明的示例性跨接件140的放大图。如所示的，本发明的示例性跨接件140优选地包括由成组的灌溉支撑桁架146支撑的主灌溉导管142。如所示的主灌溉导管142包括一组主灌溉喷洒器144。如另外所示的，示例性跨接件140还包括独立的作物产品导管148，该作物产品导管148具有一个或更多个作物产品喷射器150以及定位在跨接件140的前边缘上的图像传感器152。
根据优选的实施方式，本发明的传感器152可以包括成像传感器以允许对作物类型、生长阶段、健康、疾病的存在、生长速率等的检测。更进一步，该系统可以包括土壤或植物传感器(未示出)。每个传感器152还可以包括无线发射器/收发器或者与无线发射器/收发器接合，无线发射器/收发器用于对每个传感器152与控制面板120和/或控制装置121之间的信号进行接收和发送。根据替代的优选实施方式，该系统还可以使用电力线路承载器系统或独立的有线网络来传输系统元件之间的信号。如图4至图7中所示，成像传感器152可以被紧固至桁架杆145。替代性地，成像传感器152可以附接至灌溉支撑桁架系统146的各部分、灌溉导管142、或灌溉跨接件上的任何其他结构部件。
根据替代的优选实施方式，作物产品喷射器150可以是包括能够单独控制的阀(未示出)的喷射器，所述阀能够操作成响应于所传输的处理处方来提供给定施用物的准确量。如所示的，作物产品喷射器150可以与专用的作物产品导管148流体连通。由作物产品喷射器150施用的产品可以包括任何范围的灌溉产品、滴灌灌溉产品或化学灌溉产品。优选地，喷射器150还包括定尺寸成用于特定施用的喷嘴156。
根据优选的实施方式，作物产品导管148可以优选地能够经由单独的注入泵和控制阀在压力下从各种罐(或储存器)接收水、化学品和其他施用物。优选地，泵和阀可以被选择性地控制成对施用物输入到作物产品导管148中以及输入到每个作物产品喷射器150和/或移动式施用器162中的输入进行控制。优选地，阀可以是止回阀、减压回流防止器等，并且可以包括螺线管以允许每个阀的单独控制。如另外所示的，示例性灌溉系统140可以包括变换器和控制阀的组合，以对输送至每个作物产品喷射器150和/或移动式施用器162的施用物压力和流量进行监测和控制。根据优选的实施方式，用于流量的阀和/或螺线管可以由下述控制系统控制：所述控制系统可以经由脉冲宽度调制(PWM)TCP/IP、UDP或类似的信号传输技术有线或无线地传输信号。该系统还可以包括用于对作物产品导管148以及喷射器150和/或移动式施用器162进行冲洗的清洁系统。根据另外的优选实施方式，作物产品导管148以及喷射器150和/或移动式施用器162可以由耐化学品和紫外线暴露的材料形成。
如图4中所示，主灌溉导管142可以与作物产品导管148附接和/或定位在一起。作物产品喷射器150还可以包括阀和喷嘴156，阀和喷嘴156可以独立于主施用物喷嘴158进行控制。为了说明，图6和图7提供了示例性灌溉跨接件140的视图，其中仅示出了作物产品导管148、喷射器150和图像传感器152。为清楚起见，未示出比如附加的水、控制件和电力线的所选定的元件。
参照图3至图5，现在将讨论示例性操作方法。在操作时，本发明的图像传感器152可以优选地位于给定跨接件的前边缘上，以对沿行进方向的区域进行扫描。如上面所讨论的，图像传感器152优选地被校准以对特定的田地状况、作物状况、作物健康等进行检测。根据替代的优选实施方式，图像传感器152可以处于固定位置或可以是可移动的以对关注的区域进行扫描，如下文另外讨论的。
由图像传感器152收集的数据可以通过位于传感器152自身、控制箱120内的机载计算机来处理和/或可以传输至远程装置/互联网云103、远程服务器105等，如上面所讨论的。优选地，可以对数据进行处理以确定对于每个所扫描区域的特定需求和处方建议。根据优选实施方式，对图像数据的分析可以包括对位于给定田地中的特定位置处的杂草、昆虫、疾病、营养缺乏和作物生长阶段/速率进行识别。此后，源自图像数据的所得到的处方/浇水建议可以优选地通过安装在灌溉组件上的作物产品喷射器150来接收和处理以用于执行。优选地，作物产品喷射器150对给定处方的执行可以与主灌溉系统(例如主导管142、灌溉喷洒器144)对整体处方/浇水计划的执行同时发生或者可以单独发生(特别是如果作物不需要附加的水的情况下)。
根据第一优选实施方式，作物产品喷射器150优选地与主灌溉导管142和主灌溉喷洒器144分开。以此方式，作物产品喷射器150可以优选地操作成向给定田地的选定区域提供目标浓度的作物处理，而主灌溉系统向田地的更大区域施用全面处理。根据替代的优选实施方式，本发明的控制装置121可以在主灌溉系统对处方/浇水计划的执行期间接收成像数据。然后，控制装置121可以同时(即实时或近实时地)对作物产品灌溉系统(例如作物产品导管148和作物产品喷射器150)进行指示/控制，以基于所接收到的图像数据来创建和/或执行施用物至目标区域的支出。
根据另外的优选实施方式，控制装置121也可以使用成像数据(或其他输入)来对整体处方/浇水计划进行持续调整，同时还经由作物产品灌溉系统来调整/执行施用物的目标支出。控制装置121可以另外对作物产品灌溉系统的目标支出计划进行分析，以创建在施用至给定区域的主施用物的量方面的调整。例如，如果成像传感器152检测到需要补充施用物(即杀虫剂(grub killer))的植物疾病(即，褐斑病)的存在，则该系统可以优选地创建并执行目标处方计划来经由作物产品灌溉系统将补充施用物施用至目标区域，以对所检测到的疾病进行处理。同时，该系统可以对主灌溉系统进行调节，以使所施用的主施用物的量减少或增加，进而增强补充施用物的有效性。
现在参照图8至图10，如上所述，作物产品喷射器150可以由移动式施用器162代替或附加于移动式施用器162使用。如所示的，示例性移动式施用器162可以包括专用喷射器165和喷嘴以选择性地将施用物施用至给定田地的选定区域。优选地，移动式施用器162可以布置成在沿着作物产品导管148的长度的选定距离上喷洒，以使灌溉期间所需的行进距离减少并且改进灌溉期间的反应时间。根据优选的实施方式，移动式喷射器162沿着作物产品导管148的长度的运动和速度可以基于所检测到的灌溉系统的行进速度和/或传感器沿着管线的位置来确定和调整，以确保一致的数据收集和一致的产品施用。
如图9和图10中所示，移动式施用器162可以在紧固在作物产品导管148上或附近的轨168内行进。如图8中所示，移动式施用器162优选地经由专用供给管线167等与作物产品导管148流体连通。优选地，专用供给管线167具有足够的长度和/或挠性以允许移动式施用器162行进给定的横向距离。优选地，移动式施用器162可以各自包括施用器165和用于将施用物施用至给定田地的目标区域的可控/可调节喷嘴171。
根据本发明的另外的方面，移动式施用器162还可以与主灌溉控制器和/或主灌溉系统的其他系统进行数据通信。附加地，移动式施用器162可以基于对于给定田地的每个植物区域/植物/行/灌溉区的各种VRI施用参数(例如，历史和预定的水施用速率、灌溉机器速度、流量、水压等)来对所施用的化学品的浓度进行调节。此外，移动式施用器162可以与灌溉控制系统(控制器)通信，以与目标化学品施用协调地使所选目标位置(例如经处理的植物区域/行/灌溉区)的水施用速率增加或降低。
根据本发明的另外的方面，本发明的系统可以优选地另外存储下述数据：对于任何患病位置连同所施用的任何化学处理的位置数据、以及关于对该位置进行的浇水调整的任何数据。在对相同的目标位置的后续浇水施用中，灌溉系统可以优选地增加/减少浇水速率和/或化学品施用浓度，以对于对相同位置进行的任何降低或增加的水施用速率进行调节。
本发明的范围不应由所示的实施方式来确定，而应由所附权利要求及其合法等同方案来确定。
Claims (23)
1.一种用于向离散田地位置提供施用物的可变速率施用的系统，所述系统包括：
图像传感器，其中，所述图像传感器配置成生成作物图像数据；
化学品施用系统，其中，所述化学品施用系统包括主化学品导管、多个化学品喷射器管、多个化学品喷射器阀和多个化学品喷射器喷嘴；
水输送系统，其中，所述水输送系统包括主导管、多个水管、多个水喷射器阀和多个水喷射器喷嘴；以及
控制器；其中，所述控制器包括用于对所述化学品施用系统和所述水输送系统进行控制的多个模块；其中，所述控制器配置成接收所述作物图像数据；另外其中，所述控制器配置成通过将第一施用物引导通过所述水输送系统来执行第一可变速率灌溉(VRI)处方计划；另外其中，所述控制器配置成基于对接收到的所述作物图像数据的分析而创建第二VRI处方计划，所述第二VRI处方计划用于经由所述化学品施用系统将第二施用物施用至给定田地的选定区域；其中，所述控制器配置成使所述第二VRI处方计划执行成与所述第一VRI处方计划的执行同时进行。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器配置成至少部分地基于对作物类型的检测进行指示的所述作物图像数据的分析来创建所述第二VRI处方计划。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述控制器配置成至少部分地基于对关于所述作物的生长阶段进行指示的所述作物图像数据的分析来创建所述第二VRI处方计划。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述控制器配置成至少部分地基于对疾病的存在进行指示的所述作物图像数据的分析来创建所述第二VRI处方计划。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述控制器配置成至少部分地基于对生长速率进行指示的所述作物图像数据的分析来创建所述第二VRI处方计划。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述系统包括土壤传感器。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述系统包括无线收发器，所述无线收发器配置成对所述图像传感器与所述控制器之间的信号进行发送和接收。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述图像传感器以可移动的方式紧固至灌溉跨接件。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，至少第一化学品喷射器阀是能够单独控制的；其中，所述控制器配置成响应于所述第一VRI处方计划而将所述第一化学品喷射器阀打开及关闭，以施用第一规定量的化学品施用物。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述控制器配置成响应于所述第二VRI处方计划而将所述第一化学品喷射器阀打开及关闭，以施用第二规定量的所述化学品施用物。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述图像传感器是能够在第一位置与第二位置之间移动的。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述图像传感器具有基于所述灌溉系统的第一速度的第一运动速率；其中，所述图像传感器具有基于所述灌溉系统的第二速度的第二运动速率；其中，所述第一运动速率比所述第二运动速率快。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述图像传感器配置成基于由所述图像传感器检测到的第一组图像数据而以第三速率移动；其中，所述图像传感器配置成基于由所述图像传感器检测到的第二组图像数据而以第四速率移动；其中，所述第三速率比第四速率慢。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述系统包括系统清洁阀；其中，所述系统清洁阀是能够在第一关闭位置与第二打开位置之间移动的；其中，所述系统清洁阀在处于所述第一关闭位置时限制水流入所述化学品施用系统中的流动。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述图像传感器包括图像传感器壳体；其中，所述图像传感器壳体围封无线收发器；其中，所述图像传感器配置成将图像数据传输至远程位置。
16.一种用于向离散田地位置提供施用物的灌溉系统，所述灌溉系统包括：
化学品施用系统，所述化学品施用系统包括：主化学品导管、多个化学品喷射器管和多个移动式施用喷射器；
其中，至少第一移动式施用喷射器与至少第一化学品喷射器管流体连通；
其中，所述第一施用喷射器包括：喷射器、成像系统、马达系统和施用喷射器控制器；
其中，所述第一移动式喷射器以可移动的方式附接至第一桁架元件；
其中，所述第一移动式施用喷射器构造成在灌溉跨接件的长度上横向移动；以及
水输送系统，其中，所述水输送系统包括主灌溉控制器。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述第一施用喷射器的所述施用喷射器控制器配置成接收来自所述成像系统的图像数据；其中，所述施用喷射器控制器配置成对植物上的第一患病位置进行识别。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述施用喷射器控制器配置成使所述喷射器移动到用以对所述第一患病位置进行喷射的位置。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述第一施用喷射器配置成将化学品施用物喷射到所述第一患病位置上。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述施用喷射器控制器配置成接收来自所述主灌溉控制器的水施用速率。
21.根据权利要求20所述的系统，其中，所述第一施用喷射器配置成至少部分地基于所述水施用速率来对所述化学品施用物的浓度水平进行调节。
22.根据权利要求21所述的系统，其中，所述灌溉系统配置成使对于所选的由所述第一施用喷射器进行处理的所述第一患病位置的所述水施用速率降低。
23.根据权利要求21所述的系统，其中，所述灌溉系统包括用于对至少所述第一患病位置的第一位置进行存储的存储器；其中，所述施用喷射器控制器配置成调用所述第一位置以至少部分地确定随后的化学品施用的浓度水平。
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