CN203860038U - 一种精细化作物土壤施肥系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种精细化作物土壤施肥系统，包括：全方位移动平台，所述全方位移动平台设有施肥装置、检测装置和控制装置，所述全方位移动平台、施肥装置和检测装置受控于所述的控制装置；所述的施肥装置包括：设于所述全方位移动平台上的肥料箱；水平设于全方位移动平台内部的喷液管，所述喷液管一端通过软管与肥料箱连通，另一端设有喷头；以及驱动喷液管水平运动让喷头移出全方位移动平台的动力机构。本实用新型精细化作物土壤施肥系统，结构简单，能够精细化实现作物地面土壤的施肥。

Description

一种精细化作物土壤施肥系统

技术领域

本实用新型涉及施肥装置，尤其涉及一种精细化作物土壤施肥系统。

背景技术

化肥是农业生产中投资最大的化学物质，其支出约占其生产支出的50%。化肥对粮食的贡献率占40%左右，我国要以占世界7%的土地养活20%多的人口，化肥的重要性不言而喻。

我国氮肥的当季利用率一般为30%～35%，钾肥为35%～50%，磷肥为10%～20%，远低于发达国家。当季未被利用的化肥，氮肥大部分随雨水流失或变成气体损失；钾肥被土壤吸附或淋失；磷肥则多被固定。这不仅造成直接的经济损失，而且部分地区因施肥不当已产生了相当严重的水土流失、土壤生产力下降、水体富营养化等环境问题。

目前应用于肥料、农药喷施的普通型机动喷雾机，适应大面积作业，功率高，但是喷施剂量一致，灵活性差，无法做到变量施肥，若要改变剂量，只能更换不同喷量的喷头，且喷施面积大，无法做到精准施肥。

公开号为CN2640617Y的中国专利文献公开了一种自动对靶变量施药机动喷雾机，包括图像监测装置、喷雾装置、辅助信号装置、药液供给装置和计算机；其中，图像监测装置、喷雾装置、辅助信号装置分别与计算机连接，药液供给装置与喷雾装置连接；通过图像监测装置、辅助信号装置和计算机配合工作，能根据施药目标的有、无自动对靶施药；喷雾装置由一个以上的喷雾单元组成，每个喷雾单元由一个以上喷杆组成，喷杆上设有一个以上相同喷量的喷头和开关，各喷杆的喷头喷量不同，喷杆开关通过管线与计算机连接，计算机对各喷杆进行开关控制，可实现不同的喷量组合，从而能根据施药目标的特征变化和机组行走速度的变化自动调节喷施剂量，达到变量施药的目的。

上述的自动对靶变量施药机动喷雾机也可用于施肥，尽管其能够根据图像监测装置判断对象的有无及目标对象的一些特征信息，进行变量施药、施肥，但是图像提供的信息量极其有限，并不能够分析作物所需元素情况，且该实用新型仅针对叶面喷施，不适用于地面土壤的施肥。而绝大多数陆生植物依靠根吸收养分，地面施肥也是比较常用、有效的施肥方式，因此，有必要提供一种针对地面土壤施肥的精细化作物土壤施肥系统。

实用新型内容

本实用新型提供了一种精细化作物土壤施肥系统，结构简单，能够精细化实现地面土壤的施肥。

一种精细化作物土壤施肥系统，包括：全方位移动平台，所述全方位移动平台设有施肥装置、检测装置和控制装置，所述全方位移动平台、施肥装置和检测装置受控于所述的控制装置；

所述的施肥装置包括：

设于所述全方位移动平台上的肥料箱；

水平设于全方位移动平台内部的喷液管，所述喷液管一端通过软管与肥料箱连通，另一端设有喷头；

以及驱动喷液管水平运动让喷头移出全方位移动平台的动力机构。

检测装置能够采集作物特征信息，控制装置能够接收检测装置的信息，并进行处理后，制备出施肥处方。施肥时，喷液管运动使喷头移出全方位移动平台，肥料箱内的肥料通过软管、喷液管，经喷头喷出，喷头的出液方向朝向地面，可向地面施肥。不施肥时，喷液管、喷头处于全方位移动平台内部，节省了空间，使得全方位移动平台上部留有更多的空间布置其他装置，整体上减少全方位移动平台的占用空间，保证其灵活性，另外，还可避免喷液管、喷头裸露老化、损坏。

作为优选，所述全方位移动平台内设有由滑座和滑轨组成滑动机构，所述喷液管固定在滑座上，所述动力机构为气缸，气缸的活塞杆与滑座固定连接。滑座与滑轨滑动配合，在气缸的驱动作用下，滑座沿着滑轨滑动，从而带动喷液管滑动，更加方便。

作为优选，所述全方位移动平台的一侧设有供所述喷头通过的避让口，该避让口的顶沿铰接有翻转门。施肥时，喷头可顶开翻转门，通过该避让口滑出全方位移动平台，翻转门可进一步保护全方位移动平台内部设置。

作为优选，所述肥料箱的底部设有出料管，所述的软管与该出料管相连通，所述出料管设有流量计和电磁阀。流量计能够对肥料流量进行控制，从而根据目标作物情况针对性的施用适宜量的肥料，避免肥料的浪费。

作为优选，所述的检测装置包括固定在所述移动平台上的机械臂以及安装在所述机械臂上的双目相机和光谱仪。

作为优选，所述的机械臂包括：

固定在所述全方位移动平台上的竖直导轨；

升降座，与所述竖直导轨滑动配合；

水平导轨，固定在所述的升降座上且与所述竖直导轨垂直布置；

移动座，与所述的水平导轨滑动配合；

液压伸缩杆，固定在所述的移动座上且垂直于所述的水平导轨和竖直导轨，所述的双目相机、光谱仪固定在该液压伸缩杆上。

上述的机械臂结构简单，且能够使双目相机、光谱仪实现三个维度的运动，灵活性高，提高了信息检测的精准性。

作为优选，所述的精细化作物土壤施肥系统还包括设于全方位移动平台上的定位导航装置，所述控制装置接收该定位导航装置的定位信息。定位导航装置能够实现对精细化作物土壤施肥系统的精准定位和路径规划、导航，提高施肥作业的灵活性、精准性。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

（1）本实用新型结构简单，可实现地面施肥，且喷液管、喷头处于全方位移动平台内部，节省了空间，使得全方位移动平台上部留有更多的空间布置其他装置，整体上减少全方位移动平台的占用空间，保证其灵活性，另外，还可避免喷液管、喷头裸露老化、损坏。

（2）本实用新型中，整个精细化作物土壤施肥系统通过全方位移动平台实现移动，转弯半径为0，运动灵活，对温室、藤架乃至大田垄间等不同的工作环境都有很好的适应性。

（3）本实用新型设有定位导航装置，可以实现对精细化作物土壤施肥系统位置的定位，实现路径的规划，双目相机可以实现对作物的定位及信息的采集。

（4）本实用新型设有光谱仪，可采集作物的营养元素信息，同时结合双目相机获得的作物特征信息，可更合理的根据作物的具体情况针对性的制定施肥处方，精细化程度高，也更加灵活。

（5）本实用新型设置机械臂，双目相机和光谱仪固定在机械臂上，机械臂在不同方位上进行移动，灵活，控制方便。

附图说明

图1为本实用新型精细化作物土壤施肥系统的结构示意图。

图2为图1中机械臂部位的结构示意图。

图3为图1中全方位移动平台内部喷液管部位的结构示意图。

其中，1、支撑台；2、万向轮；3、肥料箱；4、喷液管；5、软管；

6、喷头；7、滑轨；8、滑座；9、翻转门；10、机械臂；11、双目相机；12、光谱仪；13、竖直导轨；14、升降座；15、水平导轨；16、移动座；17、液压伸缩杆；18、定位导航装置；19、控制装置。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步阐释。

如图1所示，本实用新型精细化作物土壤施肥系统包括：全方位移动平台，所述全方位移动平台设有施肥装置、检测装置、控制装置和座椅，其中，全方位移动平台、施肥装置和检测装置均与控制装置相连。

全方位移动平台包括支撑台1以及设于支撑台1底部的万向轮2。支撑台1发挥支撑作用。万向轮2共四组，转弯半径为0，可以实现360°原地旋转，提高了整个系统对狭小、无回转作业道路的适应性。

如图3所示，施肥装置包括肥料箱3、喷液管4、动力机构，肥料箱3固定在支撑台1上，用于盛装肥料。喷液管4水平设于支撑台1的内部，该喷液管4的一端与软管5与连通，另一端设有喷头6，喷头6的出液方向朝向地面；肥料箱3的底部还设有出液管（图中未显示），软管5与该出液管连通，出液管上还设有流量计（图中未显示）和电磁阀（图中未显示），从而，肥料箱中的肥料可通过出液管、软管、喷液管，从喷头中喷出。

支撑台1的内部固定有一滑轨7，滑轨7上滑动配合有滑座8，喷液管固定在滑座8上，动力结构为气缸（图中未显示），气缸的活塞杆与滑座8固定连接。支撑台1的一侧还开设有供喷头通过的避让口，该避让口的顶沿铰接有翻转门9。施肥时，在气缸的驱动作用下，滑座沿着滑轨滑动，可使喷头顶开翻转门，通过该避让口滑出全方位移动平台，向地面土壤施肥。

检测装置包括机械臂10、双目相机11和光谱仪12，如图2所示，机械臂10包括固定在支撑台1上的竖直导轨13，竖直导轨13设有与其滑动配合的升降座14，升降座14上固定有一个水平导轨15，该水平导轨15与竖直导轨13垂直布置，水平导轨15设有一个与其滑动配合的移动座16，移动座16上固定有一个液压伸缩杆17，该液压伸缩杆17与水平导轨15、竖直导轨13均垂直。升降座14及移动座16的运动可通过步进电机驱动。该机械臂可实现X、Y、Z三个自由度的运动，且运动受控于控制装置。

双目相机11、光谱仪12固定在该液压伸缩杆上。光谱仪可采集作物的光谱信息，双目相机能够实现作物位置信息的确定，以及实现作物清晰图像的采集，双目相机11和光谱仪12均固定在机械臂的液压伸缩杆17上，最好固定在液压伸缩杆的端部，双目相机11和光谱仪12还分别与控制装置相连，能够将各自采集的信息输送给控制装置。

具体的，双目相机可采用PointGrey（凌云）公司的Bumblebee双目视觉相机，型号为BBX3-13S2C-38/60，相机为彩色，分辨率1280*960，采用高速1394口传输数据。配合PGR软件使用，可以实时得到场景的深度信息和三维模型。

具体的，光谱仪可采用美国ASD（爱仕达）公司生产的Field Spec HandHeld便携式光谱仪。该光谱仪适用于遥感监测、农作物检测、矿物勘探等各方面的应用，可以用于测量辐射、反射和透射等，操作简单，波长范围为300-1075nm，探测器采用512阵元阵列PDA探测器，具有较高的光谱分辨率。

定位导航装置18，实现对系统整体的精准定位和路径规划、导航，该定位导航装置与控制装置相连。

具体的，定位导航装置的主板可以为上海司南卫星导航技术有限公司的K508GNSS主板。它可以采用BDS（北斗卫星导航系统）B1/B2/B3三频、GPS L1/L2/L5三频以及GLONASS L1/L2双频三系统进行联合定位，支持单系统独立定位和多系统联合定位。具有超远距离的RTK解算引擎，在超远距离的情况下定位可达分米级精度。采用配套的板卡控制软件CRU以及GNSS数据处理软件Compass Solution进行数据的分析处理。

控制装置19，用于接收检测装置、定位导航装置的信号，经处理后，控制全方位移动平台移动，并向施肥装置发出指令，控制其施肥。控制装置的结构可采用常规技术，并非本申请的改进所在，为了详细说明本系统的运作过程，现列举出一种常用的控制装置进行详细说明。如，控制装置包括上位PC机（PC机）、PLC和单片机。其中，

PC机可采用微软windows系统，控制程序可采用VC++6.0编写，用于对定位导航装置获取的信息进行显示和处理；对双目相机采集到的图像进行分析处理；根据采集到的光谱信息实现对作物一些生命信息进行检测；制定变量施肥、喷施处方；以及实现对机械臂的控制。

光谱仪可通过USB-RS232接口连接PC机。双目相机可通过高速1394口与PC机相连，可以将采集到的图像实时高速传输给PC机进行处理，双目相机控制及数据传输可通过高速1394口实现。定位导航装置的主板可通过24-pin双排公头转USB接口与PC机连接。

机械臂的移动由PLC控制，PLC通过RS232数据串口线接受PC机发送的控制字节，并上传机械臂各关节的状态信息。

单片机，用于控制施肥系统中的电磁阀的开启与闭合，整合流量传感器信号，实现对喷施量的控制。单片机具体可采用AT89S52单片机。AT89S52单片机的P0.0口、P2.0口与放大隔离芯片TLP250连接，TLP250的VO口与电磁阀相连；单片机的P1.0口与A/D转换芯片PCF8591连接，A/D转换芯片PCF8591直接与流量传感器连接；单片机的P3.0-P3.1口与串口连接芯片MAX232连接，串口芯片MAX232与串口RS232连接，串口RS232通过数据线连接到PC机；单片机的P1.6-P1.7口分别与2个输入键盘连接，2个输入键盘的作用分别是开始喷施、停止喷施；单片机的P3.7口与蜂鸣器连接，P2.5口与发光二极管连接，当流量超过预先设定的范围时，蜂鸣器响起且对应的发光二极管闪亮。上述单片机模块采用外接电源供电。

支撑台1上还设固定有座椅（图中未显示），该座椅邻近PC机，方便工作人员进行操作。

本实用新型精细化作物土壤施肥系统的工作过程具体如下（以氮肥为例）：

将已建立的该种作物氮含量的光谱预测模型输入到PC机中；然后通过导航定位装置和双目相机，PC机获取移动平台以及目标作物的位置信息，做出路径规划，控制全方位移动平台行走。全方位移动平台根据规划的路径行驶到目标位置后，转向、调节机械臂姿态使机械臂正对目标作物，PC机通过对双目相机采集的作物图像信息进行处理，实现对目标作物的定位，据此来控制机械臂移动，使得机械臂上固定的双目相机和光谱采集系统停留在合适的采集位置，使一整株作物都处于双目相机的图像采集范围内。接着通过双目相机实时获取正前方作物图像，传递给PC机，PC机获得作物的特征信息，如株高、叶面积。

在采集图像的同时，便携式光谱仪也同时工作，采集了作物的光谱信息并传输给PC，根据已被输入PC中的该种作物的含氮量光谱预测模型，可得到该株作物的氮含量信息。

综合该株作物的株高和叶片面积，以及含氮量信息，可以确定氮肥的使用量。喷头移出全方位移动平台，PC机将这些得出的施用量信息传输给单片机，单片机结合流量传感器信号控制电磁阀的开启，开始施肥，流量传感器将流量信息传输给单片机，直到喷头喷出的肥料量，达到了预设的施肥量值，单片机控制电磁阀闭合停止施肥。完成了这一株作物的施肥后，施肥机行驶到下一株作物，继续开始下一轮操作，从而实现变量施肥作业。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施举例，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种精细化作物土壤施肥系统，包括：全方位移动平台，所述全方位移动平台设有施肥装置、检测装置和控制装置，所述全方位移动平台、施肥装置和检测装置受控于所述的控制装置；其特征在于，

所述的施肥装置包括：

设于所述全方位移动平台上的肥料箱；

水平设于全方位移动平台内部的喷液管，所述喷液管一端通过软管与肥料箱连通，另一端设有喷头；

以及驱动喷液管水平运动让喷头移出全方位移动平台的动力机构。

2.如权利要求1所述的精细化作物土壤施肥系统，其特征在于，所述全方位移动平台内设有由滑座和滑轨组成滑动机构，所述喷液管固定在滑座上，所述动力机构为气缸，气缸的活塞杆与滑座固定连接。

3.如权利要求1所述的精细化作物土壤施肥系统，其特征在于，所述全方位移动平台的一侧设有供所述喷头通过的避让口，该避让口的顶沿铰接有翻转门。

4.如权利要求1所述的精细化作物土壤施肥系统，其特征在于，所述肥料箱的底部设有出料管，所述的软管与该出料管相连通，所述出料管设有流量计和电磁阀。

5.如权利要求1所述的精细化作物土壤施肥系统，其特征在于，所述的检测装置包括固定在所述移动平台上的机械臂以及安装在所述机械臂上的双目相机和光谱仪。

6.如权利要求5所述的精细化作物土壤施肥系统，其特征在于，所述的机械臂包括：

固定在所述全方位移动平台上的竖直导轨；

升降座，与所述竖直导轨滑动配合；

水平导轨，固定在所述的升降座上且与所述竖直导轨垂直布置；

移动座，与所述的水平导轨滑动配合；

液压伸缩杆，固定在所述的移动座上且垂直于所述的水平导轨和竖直导轨，所述的双目相机、光谱仪固定在该液压伸缩杆上。