CN109213050A - 一种变量播种控制***及其控制方法 - Google Patents

一种变量播种控制***及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种变量播种控制***，包括定位装置、通讯控制器、主控制器和单体控制模块，其中：所述定位装置包括定位***接收机，和/或前进速度传感器和土壤养分传感器；通讯控制器用于在主控制器和定位装置、单体控制模块之间进行通信。本发明提供了一种成本低廉、操作简单、拓展方便，同时适用于处方图式和实时传感器式两种形式的变量播种控制***。

Description

一种变量播种控制***及其控制方法
技术领域
本发明属于农机自动化及智能化领域，具体涉及一种变量播种控制***及其控制方法。
背景技术
变量播种技术是一种精准智能播种技术，根据不同地块的土壤条件、往年产量、以及预测的天气情况等因素，因地制宜，按需变量投入，节约了用种量，同时最大限度地挖掘了土壤潜力，可提高作物产量和农民收入，实现农业生产可持续发展。目前中国变量播种控制技术还处于研发阶段，未出现相应的应用。
发明内容
针对以上问题，本发明的目的在于提供一种成本低廉、操作简单、拓展方便，同时适用于处方图式和实时传感器式两种形式的变量播种控制***及其控制方法。
为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种变量播种控制***，包括定位装置、通讯控制器、主控制器和单体控制模块，其中：所述定位装置包括定位***接收机，和/或前进速度传感器和土壤养分传感器；通讯控制器用于在主控制器和定位装置、单体控制模块之间进行通信。
所述的控制***，其中：单体控制模块包括单体控制器、电机和排种器，其中单体控制器用于驱动和控制电机转速；电机用于驱动和控制排种器的播种量。
所述的控制***，其中：在处方图式变量播种模式下，定位***接收机定位得到播种机当前播种位置的经纬度，并根据定位位置、频率计算得到播种机的前进速度、航向角，将得到的经纬度、前进速度、航向角发送给通讯控制器；通讯控制器接收并提取定位***发送的经纬度、前进速度、航向角信息，并将其发送给主控制器；主控制器根据接收到信息计算得到每个排种器的位置；再根据每个排种器位置在处方图上查询得到该排种器的播种量，同时通过前进速度计算得到每一行电机转速；最后将每个排种器的转速信息发送给通讯控制器，并由通讯控制器通过发送给对应的单体控制模块。
所述的控制***，其中：单体控制器根据接收到的指令控制电机达到要求的转速，从而实现按处方图上的播种量实施变量播种，同时通过电机尾部的转速传感器检测电机的实时转速，并将转速值发送给通讯控制器；通讯控制器将各电机转速换算为播种量大小，并判断各排种器是否按处方图进行正常的变量播种，当故障时，发出报警信号。
所述的控制***，其中：在实时传感器式变量播种模式下，前进速度传感器检测得到播种机的前进速度，发送给通讯控制器；土壤养分传感器检测得到每行的土壤养分后，发送给通讯控制器；通讯控制器将接收得到的前进速度、土壤养分信息发送给主控制器，主控制器根据接收到的土壤养分计算得到每个单体的播种量，同时根据计算得到的播种量、前进速度计算得到每一行电机转速，并将各行转速信息发送给通讯控制器，并由通讯控制器通过总线发送给对应行的单体控制模块。
所述的控制***，其中：单体控制模块根据接收到的指令控制电机变换到要求的转速，从而按主控制器计算得到的播种量实施变量播种，并通过电机尾部的转速传感器检测电机的实时转速，并将转速值发送给通讯控制器；通讯控制器将各行的电机转速换算为播种量大小，并判断各行是否按主控制器计算得到播种量进行正常的变量播种，当故障时，发出报警信号。
所述的控制***，其中：所述控制***应用于播种***，所述播种***包括拖拉机和播种机，其中拖拉机牵引播种机，定位***接收机安装在拖拉机上，播种机上均匀分布有偶数个单体控制模块，其中排种器的位置通过如下方法获得：
(1)根据定位***接收机接收到的位置信号获得定位***接收机在平面坐标系的地理位置；
(2)计算第i行播种单体与定位***接收机之间形成的向量与坐标系x轴正轴的夹角θi，其中i∈[1,n]，n为播种单体的数量；
(3)根据第i行播种单体与定位***接收机之间的距离计算第i行播种单体的坐标。
所述的控制***，其中：步骤(2)中，设第i行播种单体的坐标为(xi，yi)，则各行单体坐标与定位***接收机定位的坐标(x，y)形成向量(xi-x，yi-y)，其与坐标系x轴正轴逆时针方向的夹角θi为：
其中，播种行数n为偶数，拖拉机前进的航向角为θ；L为接收机与播种单体的垂直距离，Lr为播种行距；li为接收机与第i行单体的距离。
所述的控制***，其中：
接收机与第i行播种单体之间的距离li为
所述的控制***，其中：步骤(3)中第i行播种单体的坐标按如下公式计算：
xi＝x+li·cosθi，yi＝y+li·sinθi i∈[1,n] (3)。
所述的控制***，其中：还包括步骤(4)滞后补偿步骤：即将步骤(3)计算得到的第i行播种单体的坐标(x，y)往拖拉机行进方向提前一个补偿距离S，其坐标变为(x′，y′)。
所述的控制***，其中：还包括步骤(4)滞后补偿步骤：先根据补偿距离S，在前进方向上计算得到定位装置的补偿后的位置的坐标，再根据该定位装置的补偿后的位置的坐标及播种机各单体定位模型计算得到各播种单体的补偿后的位置坐标。
所述的控制***，其中：补偿距离S表示为：
S＝V·t滞后/3.6 (4)
其中，V为接收机测得的播种机作业的实时前进速度，t滞后为播种***的滞后时间。
所述的控制***，其中：滞后时间的大小通过以下公式进行计算
t滞后＝t1/2+t2/2+t3+t4 (5)
其中，t1为定位***定位周期，t2为排种器由先前播种量切换到当前播种量花费的时间，t3为执行程序算法花费的时间，t4为种子从排种口下落到种沟所需的时间。
所述的控制***，其中：补偿距离S表示为：
坐标(x′，y′)由下式计算
其中，θ′等于90°-θ。
所述的控制***，其中：
播种量、前进速度以及每一行播种单体电机转速关系式如下式所示：
式中：
wi——第i行播种单体的电机转速，r/min；
i传——电机与排种器的排种盘之间的传动比；
Qi——查询得到的第i行播种单体的播种量，seeds/ha；
R——播种行距，m；
K——排种盘型孔数；
Vi——第i行播种单体的前进速度，km/h；
n——播种行数。
一种播种***，该***包括拖拉机、播种机和如上所述的控制***，所述播种机和控制***安装在拖拉机上，播种机上安装有播种单体。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.兼容处方图式和实时传感器式两种不同方式的变量播种，具有广泛的适用性；
2.采用平板或手机作为主控制器和用户界面，用户只需将开发的app安装在自己使用的平板或手机上即可，使用方便、成本低廉；
3设计了通用型通讯控制器，既可接收GPS也可接收北斗定位信息，采用CAN或RS485总线控制方式，可根据不同播种机行数进行灵活的拓展，同时可实现对各播种单体的独立控制。
附图说明
图1为变量播种控制***硬件组成；
图2为单体控制模块硬件组成；
图3为变量播种控制模式设置界面；
图4为处方图式变量播种模式下的程序执行流程；
图5为实时传感器式变量播种模式下的程序执行流程；
图6为播种机各单体直行定位模型示意图；
图7为播种机直行播种滞后补偿方法示意图；
图8为处方图示意图。
其中的附图标记为：
1 定位装置
2 通讯控制器
3 主控制器(平板电脑)
4 单体控制模块
101 播种行数拓展接口
102 单体控制器
103 电机
104 排种器
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。
如图1所示，本发明的控制***工作时由拖拉机12V蓄电池供电。在处方图式变量播种模式下，其硬件结构包括定位装置1(定位***接收机)、通讯控制器2、主控制器3和对应行数的单体控制模块4。在实时传感器式变量播种模式下，其硬件结构包括定位装置1(包括前进速度传感器、土壤养分传感器)通讯控制器2、主控制器3和对应行数的单体控制模块4。其中播种行数拓展接口101用于根据播种机行数拓展对应行数的单体控制模块4。本发明的控制***的定位装置1可单独配置定位***接收机或前进速度传感器和土壤养分传感器，亦可同时配置上述装置，前者仅能够工作于处方图式变量播种模式或实时传感器式变量播种模式下，后者具有上述两种工作模式。如图8所示，上述处方图是一种带有位置信息的播种量分布图。当控制***工作时，定位装置实时定位得到当前播种位置，再通过播种位置查询处方图，得到当前的播种量信息，并指导变量播种。
如图1所示，在处方图变量播种模式下，定位***接收机采用GPS定位或北斗等其他定位***接收机，其定位***接收机可安装在拖拉机车顶或播种机上。其定位方式可以是单点定位或差分定位，其定位信息通过CAN或RS232通讯将控制***需要的当前位置、速度、航向角信息发送给通讯控制器。单点定位只接受卫星发送的定位信息，定位精度一般为米级；差分定位在接受卫星信号的同时，接受定位基站发送的差分位置校正信号，可极大提高定位装置的定位精度，其精度一般为厘米级。
如图1所示，在实时传感器变量播种模式下，采用的前进速度传感器可以选择：1、旋转编码器或霍尔式传感器，通过测量播种机地轮转速或拖拉机前后轮转速的方式，计算得到机具前进速度；2、单点GPS或北斗接收机，利用GPS或北斗接收机单点定位模式下，定位精度低，速度检测精度高的特点检测机具前进速度；3、雷达，利用多普勒效应非接触检测前进速度。采用的土壤养分传感器可以是可见光、近红外或其他任意方式检测土壤有机质、N、P、K等养分的传感器。
如图1所示，通讯控制器2用于不同的变量播种模式下，控制***中的定位***接收机、前进速度传感器、土壤养分传感器、主控制器3、单体控制模块4之间的信息通讯和传输。通讯控制器2与定位***接收机、前进速度传感器、土壤养分传感器可采用CAN或RS232进行通讯，与主控制器3可采用USB、WiFi或蓝牙通讯，与单体控制模块4可采用CAN或RS485方式。
如图1所示，主控制器3是采用Android、Windows或苹果IOS操作***的平板电脑或手机，将开发的应用程序(App)安装在主控制器3上，实现实时传感器式和处方式的变量播种模式的控制，与通讯控制器2通过USB、WiFi或蓝牙中的一种进行通讯。
如图1、2所示，单体控制模块4主要由单体控制器102、电机103和排种器104(播种单体)组成，单体控制模块4通过播种行数拓展接口101接入控制***中，用于实现对播种单体的独立控制。
如图2所示，单体控制器102采用CAN或RS485总线控制方式，可根据播种机行数灵活拓展到控制***中，同时用于驱动和控制器电机转速。
如图2所示，电机103采用无刷直流电机、带转速反馈的有刷直流电机或步进电机，用于驱动和精确控制排种器104的播种量。
如图2所示，排种器104为任意形式的气力式或机械式排种器，根据采用的不同排种器类型，可实现对玉米、大豆、花生等精量播种作物的变量播种。
如图3所示，用户可在主控制器3的变量播种控制模式设置界面根据使用需要设置处方图式和实时传感器式两种播种模式。在处方图式模式下，可根据选用的定位***型号，选择不同的定位方式(GPS或北斗)和定位信息传输方式(CAN或RS485)。在实时传感器模式下，可根据前进速度传感器和土壤养分传感器的型号，选择与之匹配的信息传输方式(CAN或RS485)。
如图4所示，在处方图式变量播种模式下，其程序流程为：1、定位***接收机定位得到播种机当前播种位置的经纬度，并根据定位位置、频率计算得到播种机的前进速度、航向角，同时将得到的经纬度、前进速度、航向角通过CAN或RS485的通讯方式发送给通讯控制器；2、通讯控制器接收并提取定位***发送的经纬度、前进速度、航向角信息，并将其发送给主控制器3(平板电脑)；3、平板电脑根据接收到的位置、航向角信息，并结合播种机和拖拉机尺寸计算得到每个播种单体的位置；再根据单***置在处方图上查询得到该单体的播种量，同时通过前进速度计算得到每一行电机转速；最后将各行转速信息(每个播种单体的转速信息)通过USB、WiFi或蓝牙发送给通讯控制器，并由通讯控制器通过总线发送给对应行(对应的播种单体)；4、通讯控制器将接收到的平板电脑指令拆分为对应行的单体控制指令，并通过CAN或RS485总线将各指令发送给对应单体控制模块；5、单体控制器根据接收到的指令控制电机达到要求的转速，从而实现按处方图上的播种量实施变量播种，同时通过电机尾部的转速传感器检测电机的实时转速，并将转速值发送给通讯控制器；5、通讯控制器将各行的电机转速换算为播种量大小，并判断各行是否按处方图进行正常的变量播种，若未进行正常的变量播种，通讯控制器会通过蜂鸣器发出警报，提醒操作人员下车检查。
播种量、前进速度以及每一行播种单体电机转速关系式如下式所示：
式中：
wi——第i行播种单体的电机转速，r/min；
i传——电机与排种器的排种盘之间的传动比；
Qi——查询得到的第i行播种单体的播种量，seeds/ha；
R——播种行距，m；
K——排种盘型孔数；
Vi——第i行播种单体的前进速度，km/h；
n——播种行数。
上述平板电脑需要计算每个播种单体的位置，本发明采用了一种新的播种机播种单体定位方法，具体说明如下：
如图6所示，本发明的播种机各单体直行定位模型中有拖拉机6、定位***接收机11、播种机7，播种单体9。其中播种机7上均匀分布偶数量的播种单体9。
如图6所示，定位***接收机11安装在拖拉机6中心轴线上的位置，播种机7安装在拖拉机6后部，由拖拉机6牵引，播种机7本体中心轴线与拖拉机6中心轴线在地面上的投影重合，播种单体9间隔相同距离在播种机7本体中心轴线两侧均匀设置，且位于同一条直线上，播种机3本体中心轴线左右两侧第一个播种单体4到播种机3本体中心轴线之间的距离均为相邻的播种单体4之间距离的1/2，播种单体9所在直线与播种机7本体中心轴线垂直。在构建各单体定位模型前，需要接收机提供的经纬度坐标、航向角信息；因定位***接收机11定位的经纬度坐标为三维球面的地理坐标系，而在球面上不易求解各单体的位置，因此在主控制器3求解各单***置坐标前，先把经纬度坐标转换为平面投影坐标(x，y)，如图6所示。再结合播种机和拖拉机的尺寸参数得到各播种单体的定位模型。
若第i行播种单体的坐标为(xi，yi)，则各行单体坐标与定位***接收机定位的坐标(x，y)形成向量(xi-x，yi-y)，其与坐标系x轴正轴逆时针方向的夹角θi可表示为
其中，播种行数n为偶数，机具前进的航向角为θ(正北方向(Y轴正轴方向)为0度，顺时针方向角度为正)。L为接收机与播种单体的垂直距离(m)，Lr为播种行距(m)。接收机与第i行单体的距离li为
故第i行单体坐标为
xi＝x+li·cosθi，yi＝y+li·sinθi i∈[1,n] (3)
通过式3依次计算得到所有播种单体在平面坐标系的坐标后，再将其转换为地理坐标系下的坐标即可用于变量播种、区段控制等智能化播种时对各个单体定位需求。
如图7所示，为进一步提高播种控制精度，采用将定位***定位到的坐标(x，y)往前进方向提前一个补偿距离S(米)，其坐标变为(x′，y′)，再使用该提前之后的坐标结合图6的定位模型计算得到各播种单体的位置坐标，以实现对控制***的超前控制，从而减小控制***的滞后距离。
补偿距离S可表示为
S＝V·t滞后/3.6 (4)
其中，V为接收机测得的播种机作业的实时前进速度(千米/小时)，t滞后为***的滞后时间(秒)，通过实时的前进速度计算滞后距离消除了前进速度变大时造成的滞后距离增加的问题。滞后时间的大小可通过田间试验进行标定，也可通过以下公式进行初略计算
t滞后＝t1/2+t2/2+t3+t4 (5)
其中，t1为定位***定位周期，t2为排种器由先前播种量切换到当前播种量花费的时间，t3为执行程序算法花费的时间，t4为种子从排种口下落到种沟所需的时间。
坐标(x′，y′)由下式计算
其中，θ′等于90°-θ。
补偿距离S如图7所示，其在前进方向上，每个播种单体的补偿距离一致。为精简算法，提高各播种单体补偿位置的求解效率，本发明采用的计算策略为：先根据补偿距离S，在前进方向上计算得到定位装置的补偿后的位置，再根据该定位装置的补偿后的位置及播种机各单体定位模型计算得到各播种单体的补偿后的位置；而不是先通过播种机各单体定位模型计算得到各播种单***置，再通过各播种单***置计算得到所有单体的补偿后的位置，因此极大的减小了程序的计算量。
如图5所示，在实时传感器式变量播种模式下，其程序流程为：1、前进速度传感器检测得到播种机的前进速度，通过CAN或RS485的通讯方式发送给通讯控制器；土壤养分传感器检测得到每行的土壤养分后，通过CAN或RS485的通讯方式发送给通讯控制器；2、通讯控制器将接收得到的前进速度、土壤养分信息发送给主控制器3(平板电脑)；3、平板电脑根据接收到的土壤养分计算得到每个单体的播种量，同时根据计算的播种量、前进速度计算得到每一行电机转速，并将各行转速信息通过USB、WiFi或蓝牙发送给通讯控制器，并由通讯控制器通过总线发送给对应行(对应的播种单体)；4、通讯控制器将接收到的平板电脑指令拆分为对应行(对应的播种单体)的单体控制指令，并通过CAN或RS485总线将各指令发送给对应单体控制模块；5、单体控制模块根据接收到的指令控制电机变换到要求的转速，从而实现按主控制器3计算得到的播种量实施变量播种，并通过电机尾部的转速传感器检测电机的实时转速，并将转速值发送给通讯控制器；6、通讯控制器将各行的电机转速换算为播种量大小，并判断各行是否按主控制器3计算得到播种量进行正常的变量播种，当故障时，提醒操作人员进行检查。
本发明的工作过程如下：
工作前，先在变量播种控制模式设置界面上设定要使用的变量播种方式。若进行处方图式变量播种，则先将生成好的变量播种处方图导入到主控制器3中，主控制器3读取处方图并在触摸屏上显示。进入播种参数设置界面对拖拉机和播种机的尺寸参数进行设置。返回主界面，点击“开始”按钮即可进入工作状态。工作时，主控制器3根据定位***接收机1定位到的位置坐标、航向角以及播种机和拖拉机的尺寸参数计算每一个单体的位置，并通过计算的位置坐标在处方图上查询得到每一个播种单体的播种量，结合当前前进速度计算得到电机转速，通过CAN或RS485总线将计算得到的各行单体的电机转速发送给每一个单体控制模块4，从而完成对每个播种单体的独立控制以及变量播种。若进行实时传感器式变量播种，则需进入播种参数设置界面设置实时传感器与播种单体下种口之间的距离，再返回主界面点击“开始”按钮进入工作状态。工作时，土壤养分传感器实时检测土壤养分含量，而主控制器3根据检测到的土壤养分含量并结合自带的播种决策***得到每个播种单体的处方播种量，并将播种控制指令发送给各播种单体，从而完成变量播种。
本发明请求保护的范围并不仅限于所述实施方式，凡与本实施例等效的技术方案均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种变量播种控制***，包括定位装置、通讯控制器、主控制器和单体控制模块，其特征在于：所述定位装置包括定位***接收机，和/或前进速度传感器和土壤养分传感器；通讯控制器用于在主控制器和定位装置、单体控制模块之间进行通信。
2.根据权利要求1所述的控制***，其特征在于：单体控制模块包括单体控制器、电机和排种器，其中单体控制器用于驱动和控制电机转速；电机用于驱动和控制排种器的播种量。
3.根据权利要求1所述的控制***，其特征在于：在处方图式变量播种模式下，定位***接收机定位得到播种机当前播种位置的经纬度，并根据定位位置、频率计算得到播种机的前进速度、航向角，将得到的经纬度、前进速度、航向角发送给通讯控制器；通讯控制器接收并提取定位***发送的经纬度、前进速度、航向角信息，并将其发送给主控制器；主控制器根据接收到信息计算得到每个排种器的位置；再根据每个排种器位置在处方图上查询得到该排种器的播种量，同时通过前进速度计算得到每一行电机转速；最后将每个排种器的转速信息发送给通讯控制器，并由通讯控制器通过发送给对应的单体控制模块。
4.根据权利要求3所述的控制***，其特征在于：单体控制器根据接收到的指令控制电机达到要求的转速，从而实现按处方图上的播种量实施变量播种。
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