CN103959973A - 一种精细化作物施肥***及氮肥施肥方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精细化作物施肥***及施肥方法，所述施肥***包括：全方位移动平台以及设于全方位移动平台上的施肥装置、检测装置和控制装置，全方位移动平台、施肥装置和检测装置受控于控制装置；施肥装置包括：肥料箱；出液管，一端与输送泵相连，另一端连通有喷杆，喷杆设有若干喷头；输送泵，通过管路与肥料箱的底部连通，用于将肥料泵入出液管；驱动装置，与输送泵相连，用于驱动输送泵运行；机械臂，喷杆固定在该机械臂上；检测装置包括固定在机械臂上的双目相机和光谱仪。本发明还公开了一种精细化作物氮肥施肥方法。本发明能够通过双目相机和光谱仪全面分析作物的特征信息，从而实现精细化施肥，且结构简单，喷施更加灵活。

Description

一种精细化作物施肥***及氮肥施肥方法

技术领域

本发明涉及施肥装置，尤其涉及一种精细化作物施肥***及氮肥施肥方法。

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。

绝大多数陆生植物依靠根吸收养分，但植物的叶片也可以吸收外源物质。将不同形态和种类的养分喷施于作物叶片，作物对叶面吸收的养分利用效果与根部施肥是一样的。叶面施肥打破了土壤根部施肥的传统方式，作为对作物土壤施肥的一种直接、高效的辅助措施，它的优点有：

（1）养分吸收快，肥效好。作物叶片对养分的吸收速率远大于根部，可以及时补充作物养分。

（2）针对性强，可解决农业生产中的一些特殊问题。在盐碱、干旱等环境下，根部养分吸收受到抑制，叶面喷施效果良好。喷施作物生长所缺乏的营养元素可及时矫正或改善作物缺素症，尤其是微量元素。

（3）养分利用率高，肥料用量少，环境污染风险小。叶面施肥养分不经过土壤作用，避免了土壤固定和淋溶等损失，提高了养分利用率。一般土壤施肥当季氮利用率只有25%～35%，而叶面施肥在24h内即可吸收70%以上，肥料用量仅为土壤施肥的1/10～1/5，使用得当可减少1/4左右的土壤施肥，从而降低了由于大量施肥而导致的土壤和水源污染的风险。

（4）施用方法简便、经济，不受作物生育期的影响，减少了农业生产投资。

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，且该发明中喷杆、喷头的位置固定，只能对其正前方的有限区域喷施，如需对整株作物喷施，还需对喷杆、喷头的位置重新进行调整和固定。

另外，在施肥如施氮肥过程中，现有的施肥方法均是根据地块的面积估算大致的氮肥施用量，然后大面积进行喷施，然而即使是同一地块中，不同植株之间也存在生长差异，其实际所需要的氮肥量也并不相同，如果统一进行喷施，容易导致某些植株氮肥量过多，而某些植株氮肥量不足，氮肥喷施不合理，因此，有必要提出一种根据植株作物个体化差异进行喷施的施肥方法。

发明内容

本发明提供了一种精细化作物施肥***，能够通过双目相机和光谱仪全面分析作物的特征信息，从而实现精细化施肥，且结构简单，喷施更加灵活。

一种精细化作物施肥***，包括：全方位移动平台以及设于所述全方位移动平台上的施肥装置、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：

肥料箱；

出液管，一端与输送泵相连，另一端连通有喷杆，所述喷杆设有若干喷头；

所述的输送泵，通过管路与所述肥料箱的底部连通，用于将肥料泵入出液管；

驱动装置，与所述的输送泵相连，用于驱动所述的输送泵运行；

机械臂，所述的喷杆固定在该机械臂上；

所述的检测装置包括固定在所述机械臂上的双目相机和光谱仪。

双目相机、光谱仪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。驱动装置驱动输送泵运行，输送泵将肥料箱内的肥料泵入出液管，从而肥料可经喷杆、喷头喷出。机械臂则能够带动喷杆、喷头，使肥料喷施在适宜的位置。驱动装置及机械臂的运动受控于控制装置。

所述的精细化作物施肥***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施肥***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。

为方便工作人员进行操作，所述的精细化作物施肥***还包括，设于所述全方位移动平台上的座椅，所述座椅邻近所述的控制装置。

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、光谱仪和喷杆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、光谱仪和喷杆实现三个维度的运动，灵活性高，提高了施肥作业的精准性。

为提高喷施面积，作为优选，所述的出液管包括：

一端与所述的输送泵相连的出液总管；

与所述出液总管相连通的多条出液支管，每条出液支管的出液口均设有喷杆。

作为优选，所述的出液总管设有流量传感器和电磁阀。流量传感器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，处于同一喷杆上的所有喷头均匀分布。能够提高喷施的均匀性，从而提高施肥作业的质量。

作为一种结构简单的可实施方式，所述的驱动装置包括依次连接的发动机、离合器和变速箱，所述的变速箱与所述的输送泵相连接。

本发明还提供了一种精细化作物氮肥施肥方法，包括：

（1）以单株作物的株高、叶面积和含氮量为输入参数，以对应单株作物的产量为输出参数，训练RVM模型，得到稳定的RVM产量预测模型；

本发明选择相关向量机（Relevance Vector Machine,RVM）方法来建立作物的产量预测模型。RVM是由Michael E.Tipping提出的一种与支持向量机（Support Vector Machine,SVM）相似的稀疏概率模型，是一种新的监督学习方法，它的训练是在贝叶斯框架下进行。RVM的优点是不仅具有SVM强大的非线性处理能力和良好的推广能力，还不需给定误差参数、克服了所选核函数必须满足Mercer条件的缺点。RVM比SVM更稀疏，从而测试时间更短，更适用于在线监测。SVM的支持向量的个数随着训练样本的增大成线性增长，当训练样本很大时是不适用的，而RVM的相关向量随训练样本增加而增加的速度慢很多。使用RVM进行回归预测，从而获得预测值的分布，其回归精度优于SVM。

建模时，训练集采用该作物的历年种植情况，记录若干单株作物生长期的株高、叶片面积和氮含量信息，以这三个参数为输入，以当年该对应单株作物（不施加氮肥）的产量为输出，训练RVM模型，最大迭代次数选为1000，经过多组数据的训练，得到稳定的RVM预测模型。显然的，在训练集中，株高、叶片面积和氮含量信息采集的时间即为作物生长期中即将施加氮肥的时期，即与步骤（2）中信息采集的时间对应一致，这样，在下面的步骤（4）中，才能保证预测产量的准确性。

（2）在待施肥地块，采集待施肥单株作物的图片和光谱数据；

（3）对所述的图片进行处理分析，获得所述待施肥单株作物的株高和叶面积，将所述的光谱数据输入含氮量光谱预测模型中，获得所述待施肥单株作物的含氮量；

步骤（3）中，株高、叶面积以及含氮量的计算均可采用常规技术。

（4）将所述待施肥单株作物的株高、叶面积和含氮量输入所述的RVM产量预测模型，获得所述待施肥单株作物的预测产量；

（5）根据如下公式计算得到所述待施肥单株作物所需的氮肥施用量：

氮肥施用量=（单株作物的目标产量-单株作物的预测产量）*该作物单位产量的需氮量/氮肥利用率；

该公式针对单株作物，不同于目前大多数方法中使用一片区域统一制定施肥量，或者就使用一株作物的叶面积作为变量，考虑的因素全面且定量的确定了单株作物的施肥量。

上述公式中，对于某一固定种类的作物来讲，单株作物的目标产量为人为设定值，该作物单位产量的需氮量以及氮肥利用率均为固定值，因作物种类的不同而不同，因此，仅有单株作物的预测产量为变量，而该变量可通过建立的RVM产量预测模型得到。值得注意的是，作物单位产量的需氮量以及氮肥利用率因作物种类不同而不同，本领域技术人员可根据待施肥作物的种类查到对应的数值。

（6）根据计算得到的氮肥施肥量对所述的待施肥单株作物进行施肥；

（7）重复步骤（2）～（6），完成对待施肥地块内所有植株的施肥。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

（1）与现有技术相比，本发明中，整个精细化作物施肥***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。

（2）本发明设有定位导航装置，可以实现对精细化作物施肥***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。

（3）本发明设有光谱仪，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。

（4）本发明设置机械臂，喷头、喷杆固定在机械臂上，机械臂可带动喷头在不同方位上进行移动，灵活，控制方便。

（5）对于同一种作物来讲，同一地块的植物之间生长也存在差异，如株高、叶面积等，本发明针对差异，对施肥地块的作物进行细化，逐株进行施肥，且在单株施肥的过程中，同时考察了作物的株高、叶面积和含氮量信息这三个对氮肥施用量影响较大的因素，氮肥施用更加科学，避免了肥料的浪费。

附图说明

图1为本发明精细化作物施肥***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为实施例精细化作物施肥***控制原理图。

其中，1、支撑台；2、万向轮；3、肥料箱；4、出液总管；5、出液支管；6、输送泵；7、机械臂；8、竖直导轨；9、水平导轨；10、升降座；11、移动座；12、液压伸缩杆；13、喷杆；14、喷头；15、流量传感器；16、定位导航装置；17、控制装置；18、发动机；19、变速箱；20、双目相机；21、光谱仪。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步阐释。

如图1、图2所示，本发明精细化作物施肥***，包括：全方位移动平台以及设于所述全方位移动平台上的施肥装置、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，用于承载施肥装置、检测装置和控制装置。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***对狭小、无回转作业道路的适应性。

施肥装置包括肥料箱3、出液管、输送泵6、驱动装置和机械臂7。

肥料箱3固定在支撑台1上，用于盛装肥料。

机械臂7包括固定在支撑台1上的竖直导轨8，竖直导轨8设有与其滑动配合的升降座10，升降座10上固定有一个水平导轨9，该水平导轨9与竖直导轨8垂直布置，水平导轨9设有一个与其滑动配合的移动座11，移动座11上固定有一个液压伸缩杆12，该液压伸缩杆12与水平导轨9、竖直导轨8均垂直。升降座10及移动座11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。

出液管包括一端与输送泵相连的出液总管4以及与该该出料总管4相连通的多条出液支管5，每条出液支管5的出液口均设有喷杆13。所有的喷杆13固定在机械臂的液压伸缩杆12的端部，且平行设置，相邻的两个喷杆通过固定件相连接。每个喷杆13还设有若干喷头14。

为检测肥料流量，出液总管4设有流量传感器15以及电磁阀（图中未显示），流量传感器能够监测肥料流量。

输送泵6通过管路与肥料箱3连通，用于将肥料泵入出液总管，输送泵具体可以为隔膜泵。

驱动装置用于驱动输送泵6运行，驱动装置包括依次连接的发动机18、离合器（图中未显示）和变速箱19，其中变速箱19与上述的输送泵6相连接。

检测装置包括双目相机20和光谱仪21，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20和光谱仪21均固定在机械臂的液压伸缩杆12上，最好固定在液压伸缩杆的端部，双目相机20和光谱仪21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16，实现对***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***）B1/B2/B3三频、GPS L1/L2/L5三频以及GLONASS L1/L2双频三***进行联合定位，支持单***独立定位和多***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17，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***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***，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，用于控制喷施***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。

本发明精细化作物施肥***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***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机对图像进行处理分析（处理分析包括株高和叶面积的计算，其中株高的计算大致为：使用阈值分割将作物与背景区分开来，然后计算纵向相隔最远的两个像素点之间的距离即为株高；叶面积的计算大致为：基于RGB24色彩模式的特征提取算法，使用阈值分割将图像中作物的叶准确的分离出来。分离出的叶图像中，相互连接的叶像素点集合成为一个区域，计算出所有叶像素点的综合，再结合作物的深度信息（即作物和双目相机之间的距离），即可求得叶的实际面积。），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。具体为：

（1）将待施肥单株作物的株高、叶面积和含氮量输入RVM产量预测模型，获得该待施肥单株作物的预测产量；其中，RVM产量预测模型的获得过程为：

建模时，训练集采用该作物的历年种植情况，记录若干单株作物生长期的株高、叶片面积和氮含量信息，以这三个参数为输入，以当年该对应单株作物（不施加氮肥）的产量为输出，训练RVM模型，最大迭代次数选为1000，经过多组数据的训练，得到稳定的RVM预测模型。显然的，在训练集中，株高、叶片面积和氮含量信息采集的时间即为作物生长期中即将施加氮肥的时期。

（2）根据如下公式计算得到所述待施肥单株作物所需的氮肥施用量：

氮肥施用量=（单株作物的目标产量-单株作物的预测产量）*该作物单位产量的需氮量/氮肥利用率

PC机将这些得出的氮肥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***作，从而实现变量施肥作业。

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

Claims (10)

1.一种精细化作物施肥***，包括：全方位移动平台以及设于所述全方位移动平台上的施肥装置、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：

肥料箱；

出液管，一端与输送泵相连，另一端连通有喷杆，所述喷杆设有若干喷头；

所述的输送泵，通过管路与所述肥料箱的底部连通，用于将肥料泵入出液管；

驱动装置，与所述的输送泵相连，用于驱动所述的输送泵运行；

机械臂，所述的喷杆固定在该机械臂上；

所述的检测装置包括固定在所述机械臂上的双目相机和光谱仪。

2.如权利要求1所述的精细化作物施肥***，其特征在于，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。

3.如权利要求1所述的精细化作物施肥***，其特征在于，还包括，设于所述全方位移动平台上的座椅，所述座椅邻近所述的控制装置。

4.如权利要求1所述的精细化作物施肥***，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、光谱仪和喷杆固定在该液压伸缩杆上。

5.如权利要求1所述的精细化作物施肥***，其特征在于，所述的出液管包括：

一端与所述的输送泵相连的出液总管；

与所述出液总管相连通的多条出液支管，每条出液支管的出液口均设有喷杆。

6.如权利要求5所述的精细化作物施肥***，其特征在于，所述的出液总管设有流量传感器和电磁阀。

7.如权利要求5所述的精细化作物施肥***，其特征在于，处于同一喷杆上的所有喷头均匀分布。

8.如权利要求1所述的精细化作物施肥***，其特征在于，所述的驱动装置包括依次连接的发动机、离合器和变速箱，所述的变速箱与所述的输送泵相连接。

9.一种精细化作物氮肥施肥方法，其特征在于，包括：

（1）以单株作物的株高、叶面积和含氮量为输入参数，以对应单株作物的产量为输出参数，训练RVM模型，得到稳定的RVM产量预测模型；

（2）在待施肥地块，采集待施肥单株作物的图片和光谱数据；

（3）对所述的图片进行处理分析，获得所述待施肥单株作物的株高和叶面积，将所述的光谱数据输入含氮量光谱预测模型中，获得所述待施肥单株作物的含氮量；

（4）将所述待施肥单株作物的株高、叶面积和含氮量输入所述的RVM产量预测模型，获得所述待施肥单株作物的预测产量；

（5）根据如下公式计算得到所述待施肥单株作物所需的氮肥施用量：

氮肥施用量=（单株作物的目标产量-单株作物的预测产量）*该作物单位产量的需氮量/氮肥利用率；

（6）根据计算得到的氮肥施肥量对所述的待施肥单株作物进行施肥；

（7）重复步骤（2）～（6），完成对待施肥地块内所有植株的施肥。

10.如权利要求9所述的精细化作物氮肥施肥方法，其特征在于，训练RVM模型时，最大迭代次数为1000。