CN114846960A - 智能弹射施肥播种装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能弹射施肥播种装置及方法，其中装置包括弹射施肥播种机器人及空间定位系统。弹射施肥播种机器人包括可移动的底盘及设置于其上的储料仓、分料器、弹射器、控制器及定位标签，肥料通过分料器从储料仓运送至弹射器，底盘、分料器、弹射器及定位标签受所述控制器控制。空间定位系统包括至少四个基站，四个基站分别设置于田块转角处。上述装置，控制器根据定位标签及四个基站获取自身位置，控制机器人自动移动并调节方向，控制弹射器向预定的落点弹射种子或肥料，实现自动播种或施肥，提高生产效率，降低农民的劳动强度。当单块施肥面积较大，需要下田作业时，因弹射施肥播种机器人体积较小，下田不会对作物造成扰动。

Description

智能弹射施肥播种装置及方法

技术领域

本发明属于农业机械技术领域，特别涉及一种智能弹射施肥播种装置及方法。

背景技术

施肥方式对肥料的利用效率起着至关重要的作用，我国大部分地区的施肥方式仍为人工表面撒施，不仅人工成本高，施肥不均匀，大面积的撒施还造成严重的肥料浪费以及氨挥发导致的环境污染问题。近几年虽有一些机械开始替代人工进行表面撒施或条施，但仍然存在肥料浪费和环境污染问题。

目前，使用侧深施肥装置是提高作物对肥料利用率的重要途径。侧深施肥可有效减少肥料的流失，更有利于作物根系对肥料的吸收利用，同时可降低肥料对周边水系的污染程度，使得人力、物力等资源得到更为合理地配置。目前的侧深施肥装置主要有手扶机和高速机两类，高速排肥机主要有外槽轮式、搅龙式、摆抖式振动式、转盘式和水平星轮式，都需要配合大型播种机下田作业，虽在一定程度上降低了人工成本，提高了施肥效率，但大型机械下田会不可避免地对作物造成扰动，且雨季或者水田内作业，易下陷，导致农耕效率下降，从而耽误农作。因此，需要开发一种高效、精准且能尽量减少大型机械下田的侧深施肥装置来解决目前面临的问题。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提出一种智能弹射施肥播种装置，可以自动完成播种或施肥动作，施肥精准且均匀，不浪费肥料，减少多余肥料造成的环境污染，同时极大地降低农民的劳动强度。

本发明的另一目的是提出一种上述智能弹射施肥播种装置的播种施肥方法。

技术方案：本发明所述的智能弹射施肥播种装置，包括弹射施肥播种机器人及空间定位系统，所述弹射施肥播种机器人包括可移动的底盘及设置于所述底盘上的储料仓、分料器、弹射器、控制器及定位标签，肥料通过所述分料器从所述储料仓运送至所述弹射器，所述底盘、所述分料器、所述弹射器及所述定位标签受所述控制器控制，所述空间定位系统包括至少四个基站，四个所述基站分别设置于田块转角处。

进一步的，所述弹射器通过云台设置于所述底盘上。

进一步的，所述弹射器包括弹射通道、弹射棒及弹射驱动装置，所述弹射棒可在所述弹射驱动装置的驱动下沿所述弹射通道往复运动，所述弹射通道上设有光电门。

进一步的，所述弹射驱动装置为推拉式电磁铁，所述弹射棒与所述推拉式电磁铁的电磁铁连接。

进一步的，所述弹射器上设置有角度传感器和电子罗盘，所述角度传感器设置于所述弹射器的弹射出口处。

进一步的，所述弹射器的弹射出口设有红外线发射器，田块的至少一角设有红外线接收器。

进一步的，所述分料器包括圆盘、漏斗及软管，所述圆盘嵌设于所述储料仓的外壁，所述圆盘部分延伸至所述储料仓内，所述储料仓的外壁设有用于驱动所述圆盘旋转的电机，所述漏斗设置于所述圆盘的下方，所述软管的两端分别与所述漏斗的出口及所述弹射器的弹射通道连接，沿所述圆盘周部等间距设有多个孔洞，所述孔洞内设有分料格。

进一步的，所述分料格可沿所述圆盘的径向运动，所述分料格的底部设有弹簧，所述弹簧背向所述分料格的一端与所述圆盘的中心连接。

进一步的，所述底盘的两侧设有履带轮，所述履带轮外套设有履带，所述底盘内设有驱动所述履带轮的电机。

进一步的，采用所述智能弹射施肥播种装置的田块可覆盖纸膜，降低田面氨挥发，减少杂草生长，采用所述智能弹射施肥播种装置进行播种、施肥，能防止人工或大型拖拉机下田作业对纸膜的破坏。

本发明所述的智能弹射施肥播种方法，包括如下步骤：

S1：导入目标区域的数据文件，数据文件包括田块边界、可行走范围、植物坐标、肥料落点坐标、各基站坐标、正北方向及单粒种子/肥料重量；

S2：弹射施肥播种机器人根据任务类型、目标落点及可行走范围规划任务路径，若任务类型为播种则以植物坐标为目标落点，若任务类型为施肥则避开植物坐标计算坐标落点或将肥料落点坐标作为目标落点；

S3：弹射施肥播种机器人根据空间定位系统确定自身位置，根据自身位置、弹射器射程及目标落点调整自身位置及弹射器的水平角度及俯仰角；

S4：分料格动作一次将肥料或种子送入弹射器的弹射通道上，弹射施肥播种机器人根据肥料或种子质量及目标落点计算弹射器出力，并驱动弹射器将肥料或种子弹射至目标落点；

S5：重复步骤S3至S4，直至任务路径上的所有目标落点皆被播种或施肥完毕。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：1、通过空间定位系统的四个基站及设置于机器人上的定位标签结合田块相关坐标信息，可以实现机器人的路径规划并按照规划路径自行控制完成施肥或播种动作，自动化智能化程度高，提高生产效率，极大降低农民的劳动强度。2、智能施肥播种机器人体积小，避免大型机械下田对作物造成扰动，且田块可覆盖纸膜，降低田面氨挥发，减少杂草生长，采用上述智能弹射施肥播种装置进行播种、施肥，能防止人工或大型拖拉机下田作业对纸膜的破坏。3、分料器可以定量取出储料仓中的肥料，并且内部的弹簧可以确保取出的肥料落入到弹射器内，确保施肥精准均匀，避免漏施或者漏种。

附图说明

图1为本发明实施例的弹射施肥播种机器人的立体结构示意图；

图2为本发明实施例的空间定位系统的结构示意图；

图3为本发明实施例的机器人的弹射器部分的局部放大示意图；

图4为本发明实施例的分料器的圆盘的内部结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

参照图1及图2，根据本发明实施例的智能弹射施肥播种装置，包括弹射施肥播种机器人及空间定位系统。弹射施肥播种机器人包括可移动的底盘100，以及设置在底盘100上的储料仓200、分料器、弹射器、控制器及定位标签。空间定位系统包括设置至少四个基站500，四个基站500可以分别设置在田块的四个转角处，控制器用于控制底盘100、分料器、弹射器及定位标签工作。分料器可以将储料仓200内的种子或肥料送至弹射器的弹射通道400内。

根据上述技术方案的智能弹射施肥播种装置，弹射施肥播种机器人可以在田块内移动，并且可以通过定位标签及四个基站500获取自身位置。控制器根据通过空间定位系统获得的自身位置，可以自动移动并调节方向，控制弹射器向预定的落点弹射种子或肥料，实现自动播种或施肥，提高生产效率，降低农民的劳动强度。同时弹射施肥播种机器人体积较小，相对于大型机械，下田不会对作物造成扰动。实际中，定位标签可以采用蓝牙标签或者UWB标签等。

为了提升机器人在田间运动的灵活性及越野性能，底盘100可以采用履带110进行驱动，两组履带轮111及履带110设置在底盘100的两侧。底盘100内部设有驱动履带轮111的电机及为整个机器人供电的充电电源。对于田块较大的田地，底盘100可以直接采用拖拉机底盘100。

为了提升对肥料及种子弹射范围调整的空间，弹射器通过云台430设置于底盘100上，云台430在控制器的控制下可以实现对弹射器的水平角度及俯仰角度的调整。弹射器包括弹射通道400、弹射棒410及弹射驱动装置，弹射棒410在弹射驱动装置的驱动下可沿弹射通道400往复运动，实现对送入弹射通道400内的肥料或种子的弹射。弹射驱动装置可以采用气缸或者推拉式电磁铁420，在本实施例中，弹射驱动装置采用控制精度更高的推拉式电磁铁420。弹射通道400上设有光电门，用于对弹射次数进行计数。

同时为了精确获取弹射器的朝向，弹射器的弹射通道400的出口处设有角度传感器402及电子罗盘403，可以反馈弹射器的水平角度和俯仰角度给控制器。同时弹射器的出口处还设有红外线发射器401，田块的一角设有与红外线发射器401匹配的红外线接收器510，通过红外线发射器401与红外线接收器510对其实现对角度传感器402及电子罗盘403的校准。

在本实施例中，分料器包括圆盘300、漏斗310及软管320，圆盘300嵌设于储料仓200的外壁上，圆盘300部分延伸至储料仓200内，储料仓200的外壁上设有用于驱动圆盘300转动的电机301。漏斗310设置在圆盘300的下方，漏斗310的出口通过软管320连接弹射器的弹射通道400。圆盘300沿其周向设有多个孔洞，孔洞内设有分料格302。当弹射器需要肥料时，控制器控制电机301驱动圆盘300转动一个分度，储料仓200内的肥料或种子在重力作用下落入到圆盘300上的分料格302内，圆盘300外的靠近漏斗310的分料格302内肥料或种子在重力作用下落入到漏斗310内，并顺着软管320进入到弹射器的弹射通道400内，实现对肥料或种子的均匀分料。为了对施肥量控制更加精确，保证每次进入分料格302内的肥料只有一粒，孔洞的直径介于一粒肥料的1～1.5倍之间，分料格302的深度介于一粒肥料直径的0.5～1倍之间。同时为了确保肥料可以顺利地通过软管320，漏斗310的出口直径及软管320的直径应介于单颗肥料直径的1～2倍之间。

为了确保分料格302内的种子或肥料在到达漏斗310上方时可以稳定落到漏斗310内，分料格302可以沿圆盘300的径向在一定范围内运动，分料格302与圆盘300中心之间设有弹簧303。当圆盘300转动，承载有肥料或种子的分料格302来到漏斗310上方，肥料或种子的重力方向与弹簧303的夹角大于90度，弹簧303释放弹性势能将肥料或种子推出分料格302，避免肥料或种子卡在分料格302内。同时为了避免多颗肥料进入到分料格302内，弹簧303在肥料及分料格302重力作用下的最大压缩长度和分料格302的深度之和不超过单颗肥料直径的1.5倍。

采用本发明实施例的智能弹射施肥播种装置播种或施肥的田块可覆盖纸膜，降低田面氨挥发，减少杂草生长，采用所述智能弹射施肥播种装置进行播种、施肥，能防止人工或大型机械下田作业对纸膜的破坏。

根据本发明实施例的智能弹射施肥播种装置，可以通过如下步骤实现自动播种或施肥：

(1)为弹射施肥播种机器人导入目标区域数据文件，文件中包含田块边界、可行走范围、植物坐标、肥料落点坐标、每个基站的坐标、正北方向、红外线接收器510坐标、单粒种子/肥料重量；

(2)弹射施肥播种机器人读取植物坐标、落点坐标，并识别任务类型，当任务类型是播种时，将植物坐标作为目标落地点，当任务类型是施肥时，避开植物坐标计算坐标落点或将肥料落点坐标作为目标落点；

(3)弹射施肥播种机器人进入目标区域后，控制器根据可行走范围与落地点范围，结合弹射器射程，规划任务路径，并确定每个落地点播种/施肥顺序；

(4)弹射施肥播种机器人通过空间定位系统确定自身位置，并通过角度传感器402和电子罗盘403的配合确定弹射器指向，根据自身位置、弹射器射程及目标落点调整自身位置及弹射器的水平角度及俯仰角；

(5)分料器的圆盘300在电机301的带动下转动，圆盘300转动过程中储料仓200中的肥料颗粒或种子被通过圆盘300孔洞进入分料格302内，转出储料仓200后在重力和弹簧303作用下一粒一粒地落入圆盘300下的漏斗310中；

(6)落入漏斗310的肥料颗粒或种子通过软管320进入弹射器的弹射通道400，弹射施肥播种机器人根据肥料或种子质量及目标落点计算弹射器出力，并驱动推拉式电磁铁420带动弹射棒410将肥料或种子弹出，每弹射出一颗肥料或种子，安装于弹射通道400上的光电门将计数一次，并把计数信息发送给控制器，确保每个目标落点均能得到有效施肥或播种。

Claims (10)

1.一种智能弹射施肥播种装置，其特征在于，包括弹射施肥播种机器人及空间定位系统，所述弹射施肥播种机器人包括可移动的底盘及设置于所述底盘上的储料仓、分料器、弹射器、控制器及定位标签，肥料通过所述分料器从所述储料仓运送至所述弹射器，所述底盘、所述分料器、所述弹射器及所述定位标签受所述控制器控制，所述空间定位系统包括至少四个基站。

2.根据权利要求1所述的智能弹射施肥播种装置，其特征在于，所述弹射器通过云台设置于所述底盘上。

3.根据权利要求1所述的智能弹射施肥播种装置，其特征在于，所述弹射器包括弹射通道、弹射棒及弹射驱动装置，所述弹射棒可在所述弹射驱动装置的驱动下沿所述弹射通道往复运动，所述弹射通道上设有光电门。

4.根据权利要求3所述的智能弹射施肥播种装置，其特征在于，所述弹射驱动装置为推拉式电磁铁，所述弹射棒与所述推拉式电磁铁的电磁铁连接。

5.根据权利要求1所述的智能弹射施肥播种装置，其特征在于，所述弹射器上设置有角度传感器和电子罗盘，所述角度传感器设置于所述弹射器的弹射出口处。

6.根据权利要求1所述的智能弹射施肥播种装置，其特征在于，所述弹射器的弹射出口设有红外线发射器，田块的至少一角设有红外线接收器。

7.根据权利要求1所述的智能弹射施肥播种装置，其特征在于，所述分料器包括圆盘、漏斗及软管，所述圆盘嵌设于所述储料仓的外壁，所述圆盘部分延伸至所述储料仓内，所述储料仓的外壁设有用于驱动所述圆盘旋转的电机，所述漏斗设置于所述圆盘的下方，所述软管的两端分别与所述漏斗的出口及所述弹射器的弹射通道连接，沿所述圆盘周部等间距设有多个孔洞，所述孔洞内设有分料格。

8.根据权利要求7所述的智能弹射施肥播种装置，其特征在于，所述分料格可沿所述圆盘的径向运动，所述分料格的底部设有弹簧，所述弹簧背向所述分料格的一端与所述圆盘的中心连接。

9.根据权利要求1所述的智能弹射施肥播种装置，其特征在于，所述底盘的两侧设有履带轮，所述履带轮外套设有履带，所述底盘内设有驱动所述履带轮的电机。

10.一种根据权利要求1至9任一项所述的智能弹射施肥播种装置的施肥播种方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：导入目标区域的数据文件，数据文件包括田块边界、可行走范围、植物坐标、肥料落点坐标、各基站坐标、正北方向及单粒种子/肥料重量；

S2：弹射施肥播种机器人根据任务类型、目标落点及可行走范围规划任务路径，若任务类型为播种则以植物坐标为目标落点，若任务类型为施肥则避开植物坐标计算坐标落点或将肥料落点坐标作为目标落点；

S3：弹射施肥播种机器人根据空间定位系统确定自身位置，根据自身位置、弹射器射程及目标落点调整自身位置及弹射器的水平角度及俯仰角；

S4：分料器动作一次将肥料或种子送入弹射器的弹射通道上，弹射施肥播种机器人根据肥料或种子质量及目标落点计算弹射器出力，并驱动弹射器将肥料或种子弹射至目标落点；

S5：重复步骤S3至S4，直至任务路径上的所有目标落点皆被播种或施肥完毕。

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