CN1299558C - 精准变量施肥机 - Google Patents

Abstract

本发明属农业机械，它是由拖拉机和悬挂的施肥机用GPS定位系统通过拖拉机固定的机载电脑为机械控制系统提供定位位置处的化肥施用量信息，通过调整排肥轮的转速达到调整施肥量的目的。排肥轮由液压马达的转速来控制，排肥开始和停止可以通过施肥控制开关强制控制。根据预先确定整个地块的处方进行变量施肥，可提高肥料利用率40-50%，粮食产量提高30%，减少由于不合理施用化肥给环境造成的污染。

Description

精准变量施肥机

技术领域：本发明属农业机械施肥机械

背景技术：化肥做为植物生长的养分来源受到了各国农民的普遍欢迎，世界各地农民普遍把化肥做为粮食增产的主要手段之一。通常情况下农民使用化肥都是把化肥均匀地撒播在地表然后再进行相应的农艺作业，这样在土壤养分高的地方和土壤养分低的地方仍然使用相同数量的化肥就造成了化肥在这个位置处的过量使用，这些过量使用的化肥一部分在土壤中被分解掉，另外有部分就在土壤中被淋溶，这些淋溶的化肥被地下水吸收从而造成地下水污染，影响人们的身体健康。因此随着农业生产可持续发展的呼声日益增强，化肥对环境造成的污染越来越受到有关国家的重视，多数发达国家开始制定相关的法律限制化肥的使用数量。

随着全球定位系统(GPS)技术的普及与推广，农业机械进行田间作业时在GPS系统的帮助下能够准确实时地获得其所在的地理位置，因而对土壤实施定点管理成为一项比较成熟的技术获得推广与使用。把这一系统应用于变量机械施肥，施肥机械在控制系统的控制作用下可根据事先生成的处方施肥图进行施肥。在缺少肥料的地方多施肥，在土壤养分高的地方减少施肥量，在不需施肥的地方停止化肥的施入。这样化肥在施用的过程中不但要达到数量上准确，而且施肥的位置也要精确。

国外已有的变量施肥机械几乎无一例外地都是通过旋转的圆盘达到均匀撒播肥料的目的。化肥撒播的范围通过调整圆盘的转速达到调整，通常情况下化肥撒播的范围在10-30米之间，这种结构的变量施肥机械一方面只适用于大面积地块作业，另一方面是机械的制造成本较高，农民在目前状态下难以接受。在我国推广这些机械会由于人口多可耕种的土地面积小，使得变量施肥失去意义；再者若把这些机械引入我国推广使用成本极高，农民很少有人能够购买得起。而我国目前的现实情况是农民拥有的拖拉机数量比较多，农民使用拖拉机完成几乎所有的田间作业，因此研究与我国拖拉机相配套使用的变量施肥机械成为我国变量施肥机械研究的重点。

我国目前变量施肥机械的研究多数是处于概念阶段，变量施肥只是可以实现对很小区域的变量施肥，不能按照处方图对整个地块进行变量施肥，这些研究成果进行实际的转化还有一定的距离。本项发明是基于卫星全球定位系统确定机械在地块中的作业位置，通过拖拉机上固定的机载电脑为机械控制器提供定位位置处的化肥施用量信息，使机械在整个作业地块根据预先生成的处方图进行按处方变量施肥，减少化肥在整个地块的使用数量，减少化肥对环境造成的污染。

发明内容

该项发明的目的是解决生产过程中化肥过量使用的问题，通过对土壤实行变量施肥减少化肥的使用量，减少过量使用化肥对环境造成的污染。其工作原理是根据土壤中养分含量的信息，结合播种作物肥料需求，通过和专家知识结合，在办公室根据这些已有的信息生成对该土壤条件下所需施用化肥的处方图，该处方图以ESRI公司GIS产品系统中SHP文件的形式通过ATA卡导入精准变量施肥机控制系统的计算机内，计算机把该处方图内有关施肥量的信息通过与安装在拖拉机上GPS测得的GPS地理位置信息相互匹配，取得该位置处所需施肥数量，通过数据交换器把当前位置处的施肥数量值传输给施肥控制系统的中央控制器，中央控制器把这些数字信号转换成模拟信号，转换后的模拟信号控制液压节流阀的开度，通过调整供油的数量达到控制液压泵转速的目的，液压泵的转速反过来又把该信号反馈给控制器，控制器把接收到的信号换算成施肥量反馈给计算机，计算机在显示屏幕上显示出目前位置所施肥的数量。施肥机械田间的作业信息如拖拉机行走的轨迹、GPS信号情况、作业面积、肥料箱中所剩的肥料数量，以及田间实际的施肥量都可以由驾驶室内的计算机记录下来。这些信息在施肥完成后都可以下载下来，有待于今后的处理与分析。

国内外现在还没有该类型与GPS系统相连的拖拉机后悬挂式通过调整排肥轮的转速达到调整施肥量的精准变量施肥机，精准变量施肥机是由拖拉机1和通过三点悬挂机构12的施肥机构组成，施肥机机架21上的液压马达13，通过中间传动轴14，将动力传动到排肥轮16，排肥轮是普通的外槽轮，排肥轮下面由导肥管18和散肥器19，液压马达13通过回油管22供油管23和拖拉机的液压系统连接。拖拉机外蓬顶上固定有GPS卫星接受天线7和无线电接受天线8，驾驶室前方有数据交换器2，施肥控制开关5、AgGPS170计算机3、顶棚内前下方固定有导向光棒4、顶棚内右侧前方固定施肥控制器6、驾驶室右侧下方固定有接线盒9、电源分线盒10和GPS流动站11也固定在右侧方，电瓶固定在拖拉机右侧梁上和拖拉机共用同一电瓶，测速雷达24位于施肥机架上。控制计算机3和接线盒9相连，通过接线盒9与控制系统的其他部分发生联系，导向光棒4与接线盒9相连接收由3发出的信息。施肥控制器6施肥开关5、液压马达13、数据交换器2和测速雷达24相连；计算机3、施肥控制开关6、接线盒9和测速雷达24均和电源分线盒10相连获得驱动电源，GPS卫星接受天线7和无线电接受天线8与GPS流动站11相连，GPS流动站11和接线盒9相连为系统提供GPS信号。电源分线盒10与电瓶25相连。散肥机构是由24个和导肥管相对应的散肥器19组成，散肥器上部是圆柱形下部是长方口的喇叭形机构，内部固定有三个挡肥板26。

外槽轮的转动由安装在肥料箱前部的一根长轴驱动，安装在变量施肥机上的所有排肥器都是通过该长轴中间传动轴驱动。为了减少长轴弯曲造成传动系统的不稳定，传动长轴在中部断开，中间使用两个链轮通过双排链进行连接。肥料由排肥器排出后通过导肥管流入散肥器，散肥器把导肥管流入的肥料均匀地分散开撒在地表，散肥器的结构采用独特的扇型结构，散肥器内部通过安装挡肥机构达到把从导肥管流下的肥料均匀分散开。精准变量施肥机的液压马达由拖拉机的液压输出驱动控制，通过拔动驾驶室内的操纵手柄起到供油和停止供油的目的，而液压马达的转速控制则是根据施肥量的大小通过调整节流阀的开度达到控制液压马达转速的目的。拖拉机驾驶室内的计算机从处方图中读出拖拉机所在位置的施肥数量，把此施肥数量依据先前设定的信号转换模式，通过与拖拉机前进的速度相互匹配后，经过数模转换后把这些数字量转换成模拟量达到控制液压节流阀的目的。国内目前调节排肥器的转速多是通过步进电机实现，由于步进电机在地块中作业是通过拖拉机的机载电瓶来实现的，因而每个步进电机只能驱动一个排肥器，因而机械的工作幅宽较小，生产效率也比较低。

该精准施肥机可实现所有粒状肥料的变量施肥，施肥量的调节通过调节排肥轮的转速达到调整施肥量的目的。不同的粒状肥料通过调整肥料有关的初始参数即可达到精准变量施用的目的。本发明的优点是使用该施肥机可提高粮食产量30％，提高肥料利用率40-45％，减少不合理使用化肥给环境造成的污染。

附图说明：

图1为拖拉机悬挂变量施肥机的侧视图。

图2为本发明的俯视图。

图3为变量施肥机的电源及信号线路图。

图4是散肥器的主视图。

图5是散肥器的俯视图。

图中各个图号代表的元件名称如下：

1、拖拉机  2、数据交换器  3、AgGPS170计算机  4、导向光棒  5、施肥控制开关  6、施肥控制器  7、GPS卫星接受天线  8、无线电接收天线  9、接线盒  10、电源分线盒  11、GPS流动站12、三点悬挂机构  13、液压马达总成  14、中间传动轴  15、肥料箱  16、排肥轮  17、工作踏板  18、导肥管  19、散肥器  20、地轮  21、机架  22、回油管  23、供油管  24、测速雷达  25、电瓶、26、挡肥板

具体实施方式

根据施肥地块的土壤信息确定土壤的施肥处方后，该处方图以.shp的文件格式输入AgGPS170计算机3，拖拉机1上固定的GPS卫星信号接收天线7和无线电天线8，经过GPS接收器11处理后获得GPS差分信号(DGPS信号)。系统软件会根据获得的差分信号确定出施肥机械在地块中所处的地理位置，AgGPS170计算机上安装的导航软件和施肥处方图的位置座标相互匹配，若二者的坐标相互吻合则计算机通过数据交换器2把这一位置处的施肥量信息传输给施肥控制器6，控制器控制液压马达总成13，通过调整控制阀的开度大小达到调整供油量实现调整液压马达的转速，液压马达驱动中间传动轴14，由驱动轴14驱动排肥轮16达到改变排肥量的目的。排肥开始和停止也可通过施肥控制开关5进行强制控制。拖拉机在田间的行走通过导向光棒4上的指示信号进行导向作业。导向光棒通过接线盒9与AgGPS170计算机相连，AgGPS170显示屏幕上显示拖拉机在作业地块的座标位置和处方图上应该施肥的数量和实际机械的施肥量。颗粒状的化肥在机械开始作业前倒入肥料箱15中，人工倒入肥料时可以站立在踏板17上。肥料经过排肥轮16排出后落入导肥管18，颗粒化肥由导肥管18送入散肥器19，固定在散肥器19内的散肥挡板把肥料均匀地撒在地表面。供油管23中的液压油由拖拉机1的液压输出口提供，液压油经过液压马达后由回油管22回到拖拉机液压油箱中。变量施肥机通过三点悬挂机构12与拖拉机相连。施肥机械在地块中作业前进的速度由测速雷达24测定，施肥控制器6根据拖拉机前进的速度和处方图上提供的施肥数量值确定出液压马达转速的快慢，从而达到改变施肥量大小的目的。系统中所有控制部件的电源供应由拖拉机的电瓶25，经过电源分线盒10提供，这样可以达到单独使用施肥机部分功能的目的。

Claims (3)

1、一种精准变量施肥机，其特征在于，该变量施肥机通过三点悬挂机构(12)与拖拉机(1)相连，施肥机机架(21)上的液压马达(13)，通过中间传动轴(14)，将动力传动到排肥轮(16)，排肥轮是普通的外槽轮，排肥轮下面有导肥管(18)和散肥器(19)，所述导肥管和散肥器位于排肥轮的下方；液压马达(13)通过回油管(22)、供油管(23)和拖拉机的液压系统连接，所述液压马达、回油管和供油管位于排肥轮的前方；拖拉机蓬顶外部固定有GPS卫星接受天线(7)和无线电接受天线(8)，所述GPS卫星接受天线(7)位于无线电接受天线(8)的前方；驾驶室内前方的数据交换器(2)、施肥控制开关(5)、AgGPS170计算机(3)固定在驾驶室内导向光棒(4)的下方，顶棚内右侧前上方固定施肥控制器(6)，驾驶室右侧下方从前向后分别固定有接线盒(9)、电源分线盒(10)和GPS流动站(11)，电瓶固定在拖拉机右侧梁上，该变量施肥机和拖拉机共用该同一电瓶，测速雷达(24)位于施肥机架上。

2、据权利要求1所述的变量施肥机，其特征在于，电源和信号线路连接为：导向光棒(4)与接线盒(9)相连，接收由AgGPS170计算机(3)发出的施肥量处方信息，施肥控制器(6)和测速雷达(24)相连，并且施肥控制器(6)与数据交换器(2)相连，该数据交换器(2)与接线盒(9)相连，从而实现与AgGPS170计算机(3)相连接；施肥控制开关(5)通过施肥控制器(6)与液压马达(13)相连；AgGPS170计算机(3)、施肥控制器(6)、测速雷达(24)均和电源分线盒(10)相连获得驱动电源，GPS卫星接受天线(7)和无线电接受天线(8)均与GPS流动站(11)相连，GPS流动站(11)和接线盒(9)相连为系统提供GPS信号，电源分线盒(10)与电瓶(25)相连。

3、据权利要求1所述的变量施肥机，其特征在于，由24个和导肥管相对应的散肥器(19)组成散肥机构，散肥器上部是圆柱形，下部是长方口的喇叭形机构，散肥器内部固定有三个挡肥板(26)。

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