CN111587647B - 一种施肥方法及*** - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种施肥方法及***，该方法包括：根据传感器预设组合模式、每一传感器在目标农机上的安装角度、当前追肥行的宽度、传感器安装间距和目标农作物的高度，获取每一传感器在所述目标农机上的安装高度；对每一传感器采集的数据进行卡尔曼滤波处理，获取最优估算距离和最优预测距离；根据最优估算距离和最优预测距离，获取偏移方向；根据最优估算距离、最优预测距离、传感器安装角度、第一预设距离和第二预设距离，获取偏移距离；根据偏移方向和偏移距离，改变所述目标农机的当前位置，以使得对目标农作物进行施肥。本发明实施例利用不同的超声波传感器组合模式，实时扫描目标农作物的追肥行，实现目标农作物追肥行精准对行的方法。

Description

一种施肥方法及***
技术领域
本发明涉及农业技术领域，尤其涉及一种施肥方法及***。
背景技术
小麦种植面积仅次于水稻和玉米，在我国粮食生产种植中占有举足轻重的地位。小麦生产对我国的粮食安全及小麦种植区增加农业产值与提高农民收入有直接影响。2018年我国小麦播种面积为24266.19千公顷，总产量为13144.05万吨，与2005年产量相比增长25.87％，播种面积占全国粮食作物的22％。化肥作为粮食增产的决定因子促进了农作物产量的增长，***粮食及农业组织(FAD)统计数据表明，化肥对农作物的增产效果最大约占到40％-60％。
据统计，1996-2009年间我国农田化肥的使用量增长了41.2％，而对应的粮食总产量的增长率只有5.1％，源源不断的化肥投入并没有带来粮食产量的稳定增长，造成这种结果的重要原因是由于化肥投入过多、肥料利用率降低而导致增产效应的下降。2015年中国农业部表示，目前中国化肥平均使用量较高，每亩作物平均化肥使用量达到21.9kg，远高于每亩8kg的世界平均水平，是美国的2.6倍，欧盟的2.5倍。更严重的是化肥施用过量，引发了环境问题，许多地区农作物出现倒伏减产，土壤酸化和板结问题日益严重。
目前我国常用的小麦追肥精准对行技术大致可以分为机器视觉导航、卫星导航两类。机器视觉导航通过图像传感器收集图像信息，提取麦苗行中心线。但是机器视觉导航成本高，而且在非结构化的复杂环境，视觉传感器容易受到环境噪音信号的影响和作物缺失造成图像信息缺失，导致存在实时性问题，***适应性也较差。
目前基于卫星定位导航的应用已经普及，但在卫星定位信号微弱或地图信息不完整的场所如偏远农场、室内定位导航就无法基于卫星定位信号。卫星导航的作业精度很容易受到外部环境因素的影响，包括地理位置、作业地面起伏程度等，可靠性低，实施成本高，安装调试复杂等问题。
小麦属于密植作物，目前小麦追肥以人工为主，机械施肥仅占主要农作物种植面积的30％左右，现有的追肥机械以撒施为主，撒肥后不及时灌溉会导致化肥利用率降低，而追肥机械的开沟器进地，容易损伤小麦根部及幼苗。追肥机械作业过程中因对行精度低，导致开沟器损伤麦苗及根部等问题。
小麦苗根部损伤易造成麦苗根部悬空、水分、养分缺乏、导致苗稀、苗黄、苗枯死等现象，造成小麦产量下降，长此以往致使土壤板结、土地酸化，引起环境和水体的污染。
因此，亟需一种对农作物施肥时进行精准对行的方法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明实施例提供一种施肥方法及***。
第一方面，本发明实施例提供一种施肥方法，包括：
根据传感器预设组合模式、每一传感器在目标农机上的安装角度、当前追肥行的宽度、传感器安装间距和目标农作物的高度，获取每一传感器在所述目标农机上的安装高度；
对于当前时刻所述目标农机的当前位置，对每一传感器采集的数据进行卡尔曼滤波处理，获取最优估算距离和最优预测距离；
根据所述最优估算距离和所述最优预测距离，获取所述目标农机的偏移方向；
根据所述最优估算距离、所述最优预测距离、传感器安装角度、第一预设距离和第二预设距离，获取所述目标农机的偏移距离；
根据所述偏移方向和所述偏移距离，改变所述目标农机的当前位置，以使得对所述目标农作物进行施肥。
优选地，所述根据传感器预设组合模式、每一传感器在目标农机上的安装角度、当前追肥行的宽度、传感器安装间距和目标农作物的高度，获取每一传感器在所述目标农机上的安装高度，具体包括：
所述目标农机上安装有第一传感器、第二传感器、第三传感器和第四传感器，所述第一传感器和所述第二传感器均安装在所述目标农机前轴中点的一侧，所述第三传感器和所述第四传感器均安装在所述目标农机前轴中点的另一侧，所述第一传感器、所述第四传感器与所述目标农机前轴中点的距离相等，所述第二传感器、所述第三传感器与所述目标农机前轴中点的距离相等，所有传感器的安装高度相同；
若所述传感器预设组合模式为行边缘交叉模式，所有传感器的安装角度相同，所述行边缘交叉组合模式具体为所述第一传感器扫描所述当前追肥行的一边、所述第二传感器扫描所述当前追肥行的相邻追肥行，所述第三传感器扫描所述当前追肥行的另一相邻追肥行，所述第四传感器扫描所述当前追肥行的另一边；
根据如下公式计算每一传感器的安装高度：
Figure BDA0002468361630000031
其中，H表示所述第一传感器的安装高度，x表示所述当前追肥行的宽度，w表示所述第一传感器和所述第二传感器的安装间距，θ表示所述第一传感器的安装角度，h表示所述目标农作物的高度。
优选地，所述根据传感器预设组合模式、每一传感器在目标农机上的安装角度、当前追肥行的宽度、传感器安装间距和目标农作物的高度，获取每一传感器在所述目标农机上的安装高度，具体包括：
所述目标农机上安装有第一传感器、第二传感器、第三传感器和第四传感器，所述第一传感器和所述第二传感器均安装在所述目标农机前轴中点的一侧，所述第三传感器和所述第四传感器均安装在所述目标农机前轴中点的另一侧，所述第一传感器、所述第四传感器与所述目标农机前轴中点的距离相等，所述第二传感器、所述第三传感器与所述目标农机前轴中点的距离相等，所有传感器的安装高度相同；
若所述传感器预设组合模式为边缘校正模式，所述行边缘校正组合模式具体为所述第一传感器以预设角度扫描所述当前追肥行的相邻追肥行、所述第二传感器垂直扫描所述当前追肥行的一边，所述第三传感器垂直扫描所述当前追肥行的另一边，所述第四传感器以所述预设角度扫描所述当前追肥行的另一相邻追肥行；
根据如下公式计算每一传感器的安装高度：
H＝cotθ×(x-w)+h，
其中，H表示所述第一传感器的安装高度，x表示所述当前追肥行的宽度，w表示所述第一传感器和所述第二传感器的安装间距，θ表示所述第一传感器的安装角度，h表示所述目标农作物的高度。
优选地，所述根据传感器预设组合模式、每一传感器在目标农机上的安装角度、当前追肥行的宽度、传感器安装间距和目标农作物的高度，获取每一传感器在所述目标农机上的安装高度，具体包括：
所述目标农机上安装有第一传感器、第二传感器、第三传感器和第四传感器，所述第一传感器和所述第二传感器均安装在所述目标农机前轴中点的一侧，所述第三传感器和所述第四传感器均安装在所述目标农机前轴中点的另一侧，所述第一传感器、所述第四传感器与所述目标农机前轴中点的距离相等，所述第二传感器、所述第三传感器与所述目标农机前轴中点的距离相等，所有传感器的安装高度相同；
若所述传感器预设组合模式为并行组合模式，所述并行组合模式具体为所述第一传感器垂直扫描所述当前追肥行的相邻追肥行，所述第二传感器垂直扫描所述当前追肥行的一边，所述第三传感器垂直扫描所述当前追肥行的另一边，所述第四传感器垂直扫描所述当前追肥行的另一相邻追肥行；
根据预设高度确定所述安装高度。
优选地，所述根据所述最优估算距离、所述最优预测距离、传感器安装角度、第一预设距离和第二预设距离，获取所述目标农机的偏移距离，具体包括：
Figure BDA0002468361630000051
其中，d表示所述偏移距离，θ表示所述传感器的安装角度，y5表示所述第一预设距离，y0表示所述第二预设距离，Z(K)表示所述最优预测距离，X(K)表示所述最优估算距离。
优选地，所述第一预设距离通过如下方式获得：
在传感器输出5V的地方放置第一标定物；
将传感器测量距离作为所述第一预设距离。
优选地，所述第二预设距离通过如下方式确定：
在传感器输出0V的地方放置第二标定物；
将传感器测量距离作为所述第二预设距离。
第二方面，本发明实施例提供一种施肥***，包括：
安装模块，用于根据传感器预设组合模式、每一传感器在目标农机上的安装角度、当前追肥行的宽度、传感器安装间距和目标农作物的高度，获取每一传感器在所述目标农机上的安装高度；
卡尔曼模块，用于对于当前时刻所述目标农机的当前位置，对每一传感器采集的数据进行卡尔曼滤波处理，获取最优估算距离和最优预测距离；
偏移方向模块，用于根据所述最优估算距离和所述最优预测距离，获取所述目标农机的偏移方向；
偏移距离模块，用于根据所述最优估算距离、所述最优预测距离、传感器安装角度、第一预设距离和第二预设距离，获取所述目标农机的偏移距离；
施肥模块，用于根据所述偏移方向和所述偏移距离，改变所述目标农机的当前位置，以使得对所述目标农作物进行施肥。
第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现本发明第一方面提供的一种施肥方法的步骤。
第四方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现本发明第一方面提供的一种施肥方法的步骤。
本发明实施例提供的一种施肥方法及***，利用不同的超声波传感器组合模式，实时扫描目标农作物的追肥行，为农户提高一种更加安全、可靠、成本低、对行精度高，目标农作物追肥行精准对行的方法。在加强农艺农机融合，提高追肥对行精度，减低农作物损失率，提高化肥利用率同时，提高农作物产量品质促进追肥技术研究和装备的研制具有重要的意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种施肥方法的流程图；
图2为本发明实施例中传感器安装方式示意图；
图3为本发明实施例中边缘校正模式的示意图；
图4为本发明实施例中并行组合模式的示意图；
图5为本发明实施例提供的一种施肥方法的应用示意图；
图6为本发明实施例提供的一种施肥***的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种电子设备的实体结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
小麦属于密植作物，目前小麦追肥以人工为主，机械施肥仅占主要农作物种植面积的30％左右，现有的追肥机械以撒施为主，撒肥后不及时灌溉会导致化肥利用率降低，而追肥机械的开沟器进地，容易损伤小麦根部及幼苗。追肥机械作业过程中因对行精度低，导致开沟器损伤麦苗及根部等问题。
本发明实施例提供一种可靠、使用方便、成本低、精度高的基于超声波传感器的小麦追肥精准对行的方法，加强农艺农机融合，提高追肥对行精度，减低小麦损失率，提高化肥利用率。
图1为本发明实施例提供的一种施肥方法的流程图，如图1所示，该方法包括：
S1，根据传感器预设组合模式、每一传感器在目标农机上的安装角度、当前追肥行的宽度、传感器安装间距和目标农作物的高度，获取每一传感器在所述目标农机上的安装高度；
S2，对于当前时刻所述目标农机的当前位置，对每一传感器采集的数据进行卡尔曼滤波处理，获取最优估算距离和最优预测距离；
S3，根据所述最优估算距离和所述最优预测距离，获取所述目标农机的偏移方向；
S4，根据所述最优估算距离、所述最优预测距离、传感器安装角度、第一预设距离和第二预设距离，获取所述目标农机的偏移距离；
S5，根据所述偏移方向和所述偏移距离，改变所述目标农机的当前位置，以使得对所述目标农作物进行施肥。
本发明实施例中以对小麦施肥、目标农机为施肥机具、施肥机具上安装4个传感器为例进行说明，具体地，安装的传感器为超声波传感器，传感器的数目可以根据实际需要来确定。
首先要初始化超声波传感器，对超声波传感器进行标定，本发明实施例中超声波传感器有两种模拟量输出方式，分别为上升模式和下降模式，在输出5V的地方放一个被测物进行标定，在输出0V的地方放一个被测物进行标定。
在超声波传感器测量范围内，超声波输出的距离是一个线性输出方式，根据标定的数值计算出超声波传感器线性输出关系表达式：
Figure BDA0002468361630000081
其中，y表示传感器的输出距离(mm)，y5为在标定过程中超声波传感器输出5V模拟电压时的测量距离，y0为标定过程中输出0V模拟电压时的距离，x代表输出模拟电压值(v)。
图2为本发明实施例中传感器安装方式示意图，如图2所示，使用安装支架将超声波传感器S1、S2、S3和S4安装在施肥机具行进方向从左往右的位置，将前轴距的中点定义为中心点，确保S2与S3安装位置到中心点的距离相等，即a1＝a2，S1与S4安装位置到中心点的距离相等，即b1＝b2，通过调整超声波传感器的安装高度和角度，组合成为不同预设组合模式。
首先根据四个传感器的不同预设组合模式，确定每个传感器在施肥机具上的安装角度。具体地，不同的预设组合模式中每个传感器的安装角度不同，从而对小麦追肥行的扫描方式不同。
不同的预设组合模式，其对应的计算公式不同，根据每个传感器在施肥机具上的安装角度、小麦追肥行的宽度、传感器之间的安装间距和小面的高度，选择相应的计算公式，计算出每个传感器在施肥机具上的安装高度。
对于当前时刻施肥机具的当前位置，每个传感器采集当前数据，根据每个传感器采集的数据，进行卡尔曼融合，得到最优估算距离和最优预测距离。具体地，进行卡尔曼融合的步骤如下：
启动采样定时器，同时采集各个超声波传感器的数据，根据超声波传感器数据计算状态协方差矩阵P和过程协方差矩阵Q，测量噪声协方差的来源是传感器测量误差，使用时传感器厂商给出精度指标，该指标就是测量协方差R，通过卡尔曼滤波方法把采集的超声波传感器数据进行融合，得到最优估算距离和最优预测距离。
然后根据最优估算距离和最优预测距离之间的差值，根据差值的正负，来判断施肥机具所在位置的偏移方向，以施肥机具行径方向为指导，如果差值为正，说明小麦追肥行右偏，如果差值为负，说明小麦追肥行左偏。
根据最优估算距离、最优预测距离、传感器安装角度、第一预设距离和第二预设距离，计算出施肥机具的偏移距离，然后根据偏移方向和偏移距离，改变施肥机具的当前位置，使得能对小麦进行精准施肥。
本发明实施例提供的一种施肥方法，利用不同的超声波传感器，实时扫描目标农作物的追肥行，为农户提高一种更加安全、可靠、成本低、对行精度高，目标农作物追肥行精准对行的方法。在加强农艺农机融合，提高追肥对行精度，减低农作物损失率，提高化肥利用率同时，提高农作物产量品质促进追肥技术研究和装备的研制具有重要的意义。
在上述实施例的基础上，优选地，所述根据传感器预设组合模式、每一传感器在目标农机上的安装角度、当前追肥行的宽度、传感器安装间距和目标农作物的高度，获取每一传感器在所述目标农机上的安装高度，具体包括：
所述目标农机上安装有第一传感器、第二传感器、第三传感器和第四传感器，所述第一传感器和所述第二传感器均安装在所述目标农机前轴中点的一侧，所述第三传感器和所述第四传感器均安装在所述目标农机前轴中点的另一侧，所述第一传感器、所述第四传感器与所述目标农机前轴中点的距离相等，所述第二传感器、所述第三传感器与所述目标农机前轴中点的距离相等，所有传感器的安装高度相同；
若所述传感器预设组合模式为行边缘交叉模式，所述行边缘交叉组合模式具体为：所述第一传感器扫描所述当前追肥行的一边、所述第二传感器扫描所述当前追肥行的相邻追肥行，所述第三传感器扫描所述当前追肥行的另一相邻追肥行，所述第四传感器扫描所述当前追肥行的另一边；
根据如下公式计算每一传感器的安装高度：
Figure BDA0002468361630000101
其中，H表示所述第一传感器的安装高度，x表示所述当前追肥行的宽度，w表示所述第一传感器和所述第二传感器的安装间距，θ表示所述第一传感器的安装角度，h表示所述目标农作物的高度。
具体地，如果传感器的预设组合模式为行边缘交叉模式，图2中传感器的安装模式即为行边缘交叉模式，该模式中每个传感器的安装角度都相同，该模式具体为：图2中中间的两行为第一当前追肥行和第二当前追肥行，最左边的行为相邻追肥行，最右边的行为另一相邻追肥行，第一传感器S1以一定角度扫描第一当前追肥行，第二传感器S2也以一定角度扫描相邻追肥行，第三传感器S3以同样的角度扫描另一相邻追肥行，第四传感器S4以同样的角度扫描第二当前追肥行。
行边缘交叉模式下，根据每个传感器在目标农机上的安装角度、小麦追肥行的宽度、传感器之间的安装距离和小麦的高度，根据如下计算公式得到每个传感器在施肥机具上的安装高度：
Figure BDA0002468361630000102
其中，每个传感器的安装高度相同，H表示传感器的安装高度，x表示当前追肥行的宽度，w表示第一传感器和第二传感器的安装间距，θ表示第一传感器的安装角度，h表示目标农作物的高度。
图3为本发明实施例中边缘校正模式的示意图，如图3所示，在上述实施例的基础上，优选地，所述根据传感器预设组合模式、每一传感器在目标农机上的安装角度、当前追肥行的宽度、传感器安装间距和目标农作物的高度，获取每一传感器在所述目标农机上的安装高度，具体包括：
所述目标农机上安装有第一传感器、第二传感器、第三传感器和第四传感器，所述第一传感器和所述第二传感器均安装在所述目标农机前轴中点的一侧，所述第三传感器和所述第四传感器均安装在所述目标农机前轴中点的另一侧，所述第一传感器、所述第四传感器与所述目标农机前轴中点的距离相等，所述第二传感器、所述第三传感器与所述目标农机前轴中点的距离相等，所有传感器的安装高度相同；
若所述传感器预设组合模式为边缘校正模式，所述边缘校正模式具体为所述第一传感器以预设角度扫描所述当前追肥行的相邻追肥行、所述第二传感器垂直扫描所述当前追肥行的一边，所述第三传感器垂直扫描所述当前追肥行的另一边，所述第四传感器以所述预设角度扫描所述当前追肥行的另一相邻追肥行；
根据如下公式计算每一传感器的安装高度：
H＝cotθ×(x-w)+h，
其中，H表示所述第一传感器的安装高度，x表示所述当前追肥行的宽度，w表示所述第一传感器和所述第二传感器的安装间距，θ表示所述第一传感器的安装角度，h表示所述目标农作物的高度。
具体地，图3中中间行表示当前追肥行，左边行表示相邻追肥行，右边行表示另一相邻追肥行，如果传感器的预设组合模式为边缘校正模式，该边缘校正模式的具体内容为：第一传感器以预设角度扫描相邻追肥行，第二传感器垂直扫描当前追肥行的一边，第三传感器垂直扫描当前追肥行的另一边，第四传感器以预设角度扫描另一相邻追肥行。
然后根据如下公式计算每个传感器的安装高度：
H＝cotθ×(x-w)+h，
其中，每个传感器的安装高度都是相同的，H表示传感器的安装高度，x表示当前追肥行的宽度，w表示第一传感器和第二传感器的安装间距，θ表示第一传感器的安装角度，h表示目标农作物的高度。
图4为本发明实施例中并行组合模式的示意图，如图4所示，在上述实施例的基础上，优选地，所述根据传感器预设组合模式、每一传感器在目标农机上的安装角度、当前追肥行的宽度、传感器安装间距和目标农作物的高度，获取每一传感器在所述目标农机上的安装高度，具体包括：
所述目标农机上安装有第一传感器、第二传感器、第三传感器和第四传感器，所述第一传感器和所述第二传感器均安装在所述目标农机前轴中点的一侧，所述第三传感器和所述第四传感器均安装在所述目标农机前轴中点的另一侧，所述第一传感器、所述第四传感器与所述目标农机前轴中点的距离相等，所述第二传感器、所述第三传感器与所述目标农机前轴中点的距离相等，所有传感器的安装高度相同；
若所述传感器预设组合模式为并行组合模式，所述并行组合模式具体为所述第一传感器垂直扫描所述当前追肥行的相邻追肥行，所述第二传感器垂直扫描所述当前追肥行的一边，所述第三传感器垂直扫描所述当前追肥行的另一边，所述第四传感器垂直扫描所述当前追肥行的另一相邻追肥行；
根据预设高度确定所述安装高度。
具体地，图4中安装有6个传感器，这6个传感器的安装高度都相同，在施肥机具前轴中点的左边安装有三个传感器，右边安装有三个传感器，左边三个传感器垂直扫描当前追肥行的一边，右边三个传感器垂直扫描当前追肥行的另一边，此种模式下各个传感器的安装高度H为30-40cm之间，并确保各个传感器安装高度保持一致。
在上述实施例的基础上，优选地，所述根据所述最优估算距离、所述最优预测距离、传感器安装角度、第一预设距离和第二预设距离，获取所述目标农机的偏移距离，具体包括：
Figure BDA0002468361630000121
其中，d表示所述偏移距离，θ表示所述传感器的安装角度，y5表示所述第一预设距离，y0表示所述第二预设距离，Z(K)表示所述最优预测距离，X(K)表示所述最优估算距离。
具体地，最优预测距离和最优估算距离的确定方法如下：
步骤一、状态协方差矩阵P是状态之间的协方差组成的矩阵，对角元素是各个状态的方差，其余元素是各个状态的协方差，状态协方差可以是一个多维矩阵，维数和状态数一致。
Figure BDA0002468361630000131
步骤二、根据传感器数据获取每个状态X误差，记为Xe。
Xe＝[X1e,X2e,X3e,X4e]T，
步骤三、过程协方差矩阵Q是状态X的元素误差之间的协方差，组成的协方差矩阵。
Figure BDA0002468361630000132
步骤一中各个状态X的协方差，通过以下公式获取：
Figure BDA0002468361630000133
其中，n为每次滤波的个数，X1i为S1传感器输出的模拟电压值，X2i为S2传感器输出的模拟电压值，
Figure BDA0002468361630000134
为S1传感器输出模拟电压值的平均值，
Figure BDA0002468361630000135
为S2传感器输出模拟电压值的平均值。
步骤二中各个状态X的误差，通过以下公式获取：
Figure BDA0002468361630000141
其中，n为每次滤波的个数，Xi为各个传感器输出的模拟电压值，
Figure BDA0002468361630000142
为传感器输出模拟电压值的平均值。
步骤三中测量噪声协方差R，通过以下公式获取：
Figure BDA0002468361630000143
对传感器采集的数据进行卡尔曼滤波融合的具体步骤包括：
首先利用***的过程模型，预测下一状态的***。假设现在的***状态是k，根据***的模型可以基于***的上一状态而预测出现在状态：
X(k|k-1)＝AX(k-1|k-1)+BU(k)。
X(k|k-1)是上一状态预测的结果，X(k-1|k-1)是上一状态最优的结果，A和B是***参数，U(k)为现在状态的控制量，如果没有控制量，它可以为0。
然后更新状态协方差矩阵P：
P(K|K-1)＝A P(K-1|K-1)AT+Q，
其中，P(k|k-1)是X(k|k-1)对应的协方差，P(k-1|k-1)是X(k-1|k-1)对应的协方差，AT表示A的转置矩阵，Q是***过程的协方差。
接着结合预测值Z(K)和各个传感器测量值，得到现在状态(k)的最优化估算值X(k|k)。
X(k|k)＝X(k|k-1)+Kg(k)(Z(k)-H X(k|k-1))，
其中，Kg为卡尔曼增益，H是测量***的参数，X(k|k-1)是上一状态预测的结果，X(k-1|k-1)是上一状态最优的结果,。
再接着计算卡尔曼增益Kg。
Kg(k)＝P(k|k-1)HT/(H P(k|k-1)HT+R)，
其中，H是测量***的参数,P(k|k-1)是X(k|k-1)对应的协方差，P(k-1|k-1)是X(k-1|k-1)对应的协方差，R是测量噪声协方差。
最后更新k状态下X(k|k)的协方差P(k|k)。
P(k|k)＝(I-Kg(k)H)P(k|k-1)，
其中，H是测量***的参数,P(k|k-1)是X(k|k-1)对应的协方差，Kg为卡尔曼增益，I为单位矩阵。
在上述实施例的基础上，优选地，所述第一预设距离通过如下方式获得：
在传感器输出5V的地方放置第一标定物；
将传感器测量距离作为所述第一预设距离。
上述公式中的y5即为本发明实施例的第一预设距离。
在上述实施例的基础上，优选地，所述第二预设距离通过如下方式确定：
在传感器输出0V的地方放置第二标定物；
将传感器测量距离作为所述第二预设距离。
上述公式中的y0即为本发明实施例的第一预设距离。
本发明实施例还包括：将小麦追肥行偏移距离的数据上传到接口***，接口***将采集到的数据根据接入设备的不同通信方式，以相应的通信方式，将小麦行偏移距离上传到接入设备，并且实时显示出来。
图5为本发明实施例提供的一种施肥方法的应用示意图，如图5所示，该方法包括信息处理中心1、显示单元2、S1超声波传感器3、S2超声波传感器4、S3超声波传感器5，S4超声波传感器6，其中整个***安装在农业车辆上，所述S1、S2、S3、S4超声波传感器分别扫描小麦追肥行信息。信息处理中心1采集小麦追肥行信息，采用卡尔曼数据融合的方法得到小麦追肥行偏移距离，并将所得到的偏移数据上传到接入设备中，并实时显示。
所述超声波传感器选用工作电压、测量精度、盲区等参数相同超声波传感器，超声波传感器型号为CUM18-M1DV，其工作电压为10-30VDC，测量距离为50-1000mm，超声波接收发送模块的扩散角不大于15度，采集数据的频率为20HZ。
本发明实施例的技术方案包括一种基于超声波传感器的小麦追肥精准对行方法，该方法包括：
S1初始化，初始化超声波传感器，并对其进行标定，通过交互界面对精准对行***多个运行参数进行自定义设置；
S2安装步骤，使用安装支架将超声波传感器S1、S2、S3和S4安装在目标农机行进方向从左往右的位置，通过调整超声波传感器的安装高度和角度，组合成为不同精准对行模式；
S3信息处理步骤，启动采样定时器后采集超声波数据，对所采集的超声波传感器数据进行卡尔曼数据融合，计算得出小麦追肥行偏移的距离；
S4显示步骤，根据接入设备的不同通信方式，以相应的通信方式，将小麦追肥行偏移距离上传到接入设备，并在接入设备显示出来。
根据实列，小麦追肥行宽度x为20cm，S1与S2传感器安装间距为10cm，S1传感器安装的角度θ为45°，小麦高度h为8cm。
行边缘交叉模式传感器安装高度H,通过行边缘交叉模式对应的公式获取传感器的安装高度，计算出行边缘交叉模式传感器安装高度H为23cm。
边缘校正模式传感器安装高度H,通过边缘校正模式对应的公式获取传感器的安装高度，计算出边缘校正模式传感器安装高度H为18cm。
并行组合模式各个传感器安装高度H为30-40cm之间，并确保各个传感器安装高度保持一致。
根据本发明实施例提供的行边缘交叉模式传感器安装方法，S1、S2、S3、S4超声波传感器安装的角度θ为45°和高度H为23cm可以组合成为行边缘交叉模式，该模式确保传感器S1与S2扫描相邻追肥行，S3与S4扫描另一相邻追肥行。
根据本发明实施例提供的边缘校正模式传感器安装方法，S1和S3超声波传感器安装的角度θ为45°和S2和S4超声波传感器安装的角度θ为90高度H为18cm，组合成为边缘校正模式，该模式确保S1和S3扫描相邻追肥行左侧，S2和S4垂直向下扫描相邻追肥行右侧。
根据本发明实施例提供的并行组合模式传感器安装方法，S1、S2、S3超声波传感器安装的角度θ为90°和高度H为30cm可以组合成为并行组合模式，该模式确保传感器S1扫描相邻追肥行左侧，S2垂直向下扫描追肥行的中心位置，S3扫描相邻追肥行右侧。
农户可以根据实际情况，调整超声波传感器高低位置和角度，组合成几种不同的探测模式，来满足不同生长时期的追肥实际需求。
图6为本发明实施例提供的一种施肥***的结构示意图，如图6所示，该***包括：安装模块601、卡尔曼模块602、偏移方向模块603、偏移距离模块604和施肥模块605，其中：
安装模块601用于根据传感器预设组合模式、每一传感器在目标农机上的安装角度、当前追肥行的宽度、传感器安装间距和目标农作物的高度，获取每一传感器在所述目标农机上的安装高度；
卡尔曼模块602用于对于当前时刻所述目标农机的当前位置，对每一传感器采集的数据进行卡尔曼滤波处理，获取最优估算距离和最优预测距离；
偏移方向模块603用于根据所述最优估算距离和所述最优预测距离，获取所述目标农机的偏移方向；
偏移距离模块604用于根据所述最优估算距离、所述最优预测距离、传感器安装角度、第一预设距离和第二预设距离，获取所述目标农机的偏移距离；
施肥模块605用于根据所述偏移方向和所述偏移距离，改变所述目标农机的当前位置，以使得对所述目标农作物进行施肥。
本***实施例是为了实现上述各方法实施例的，具体流程和详细内容请参照上述方法实施例，此处不再赘述。
图7为本发明实施例提供的一种电子设备的实体结构示意图，如图7所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)701、通信接口(Communications Interface)702、存储器(memory)703和总线704，其中，处理器701，通信接口702，存储器703通过总线704完成相互间的通信。通信接口702可以用于电子设备的信息传输。处理器701可以调用存储器703中的逻辑指令，以执行包括如下的方法：
根据传感器预设组合模式、每一传感器在目标农机上的安装角度、当前追肥行的宽度、传感器安装间距和目标农作物的高度，获取每一传感器在所述目标农机上的安装高度；
对于当前时刻所述目标农机的当前位置，对每一传感器采集的数据进行卡尔曼滤波处理，获取最优估算距离和最优预测距离；
根据所述最优估算距离和所述最优预测距离，获取所述目标农机的偏移方向；
根据所述最优估算距离、所述最优预测距离、传感器安装角度、第一预设距离和第二预设距离，获取所述目标农机的偏移距离；
根据所述偏移方向和所述偏移距离，改变所述目标农机的当前位置，以使得对所述目标农作物进行施肥。
此外，上述的存储器703中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明上述各方法实施例的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的传输方法，例如包括：
根据传感器预设组合模式、每一传感器在目标农机上的安装角度、当前追肥行的宽度、传感器安装间距和目标农作物的高度，获取每一传感器在所述目标农机上的安装高度；
对于当前时刻所述目标农机的当前位置，对每一传感器采集的数据进行卡尔曼滤波处理，获取最优估算距离和最优预测距离；
根据所述最优估算距离和所述最优预测距离，获取所述目标农机的偏移方向；
根据所述最优估算距离、所述最优预测距离、传感器安装角度、第一预设距离和第二预设距离，获取所述目标农机的偏移距离；
根据所述偏移方向和所述偏移距离，改变所述目标农机的当前位置，以使得对所述目标农作物进行施肥。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种施肥方法，其特征在于，包括：
根据传感器预设组合模式、每一传感器在目标农机上的安装角度、当前追肥行的宽度、传感器安装间距和目标农作物的高度，获取每一传感器在所述目标农机上的安装高度；
根据传感器预设组合模式、每一传感器在目标农机上的安装角度、当前追肥行的宽度、传感器安装间距和目标农作物的高度，获取每一传感器在所述目标农机上的安装高度，具体包括：
所述目标农机上安装有第一传感器、第二传感器、第三传感器和第四传感器，所述第一传感器和所述第二传感器均安装在所述目标农机前轴中点的一侧，所述第三传感器和所述第四传感器均安装在所述目标农机前轴中点的另一侧，所述第一传感器、所述第四传感器与所述目标农机前轴中点的距离相等，所述第二传感器、所述第三传感器与所述目标农机前轴中点的距离相等，所有传感器的安装高度相同；
若所述传感器预设组合模式为行边缘交叉模式，所有传感器的安装角度相同，所述行边缘交叉组合模式具体为所述第一传感器扫描所述当前追肥行的一边、所述第二传感器扫描所述当前追肥行的相邻追肥行，所述第三传感器扫描所述当前追肥行的另一相邻追肥行，所述第四传感器扫描所述当前追肥行的另一边；
根据如下公式计算每一传感器的安装高度：
Figure FDA0003274755770000011
其中，H表示所述第一传感器的安装高度，x表示所述当前追肥行的宽度，w表示所述第一传感器和所述第二传感器的安装间距，θ表示所述第一传感器的安装角度，h表示所述目标农作物的高度；
若所述传感器预设组合模式为边缘校正模式，所述边缘校正模式具体为所述第一传感器以预设角度扫描所述当前追肥行的相邻追肥行、所述第二传感器垂直扫描所述当前追肥行的一边，所述第三传感器垂直扫描所述当前追肥行的另一边，所述第四传感器以所述预设角度扫描所述当前追肥行的另一相邻追肥行；
根据如下公式计算每一传感器的安装高度：
H＝cotθ×(x-w)+h，
其中，H表示所述第一传感器的安装高度，x表示所述当前追肥行的宽度，w表示所述第一传感器和所述第二传感器的安装间距，θ表示所述第一传感器的安装角度，h表示所述目标农作物的高度；
若所述传感器预设组合模式为并行组合模式，所述并行组合模式具体为所述第一传感器垂直扫描所述当前追肥行的相邻追肥行，所述第二传感器垂直扫描所述当前追肥行的一边，所述第三传感器垂直扫描所述当前追肥行的另一边，所述第四传感器垂直扫描所述当前追肥行的另一相邻追肥行；
根据预设高度确定所述安装高度；
对于当前时刻所述目标农机的当前位置，对每一传感器采集的数据进行卡尔曼滤波处理，获取最优估算距离和最优预测距离；
根据所述最优估算距离和所述最优预测距离差值的正负，获取所述目标农机的偏移方向；
根据所述最优估算距离、所述最优预测距离、传感器安装角度、第一预设距离和第二预设距离，获取所述目标农机的偏移距离；
根据所述偏移方向和所述偏移距离，改变所述目标农机的当前位置，以使得对所述目标农作物进行施肥；
所述根据所述最优估算距离、所述最优预测距离、传感器安装角度、第一预设距离和第二预设距离，获取所述目标农机的偏移距离，具体包括：
Figure FDA0003274755770000021
其中，d表示所述偏移距离，θ表示所述第一传感器的安装角度，y5表示所述第一预设距离，y0表示所述第二预设距离，Z(K)表示所述最优预测距离，X(K)表示所述最优估算距离；
所述第一预设距离通过如下方式获得：
在传感器输出5V的地方放置第一标定物；
将传感器测量距离作为所述第一预设距离；
所述第二预设距离通过如下方式确定：
在传感器输出0V的地方放置第二标定物；
将传感器测量距离作为所述第二预设距离；
其中，所述传感器为超声波传感器，所述作物包括小麦。
2.一种施肥***，其特征在于，包括：
安装模块，用于根据传感器预设组合模式、每一传感器在目标农机上的安装角度、当前追肥行的宽度、传感器安装间距和目标农作物的高度，获取每一传感器在所述目标农机上的安装高度；
卡尔曼模块，用于对于当前时刻所述目标农机的当前位置，对每一传感器采集的数据进行卡尔曼滤波处理，获取最优估算距离和最优预测距离；
偏移方向模块，用于根据所述最优估算距离和所述最优预测距离差值的正负，获取所述目标农机的偏移方向；
偏移距离模块，用于根据所述最优估算距离、所述最优预测距离、传感器安装角度、第一预设距离和第二预设距离，获取所述目标农机的偏移距离；
施肥模块，用于根据所述偏移方向和所述偏移距离，改变所述目标农机的当前位置，以使得对所述目标农作物进行施肥；
根据传感器预设组合模式、每一传感器在目标农机上的安装角度、当前追肥行的宽度、传感器安装间距和目标农作物的高度，获取每一传感器在所述目标农机上的安装高度，具体包括：
所述目标农机上安装有第一传感器、第二传感器、第三传感器和第四传感器，所述第一传感器和所述第二传感器均安装在所述目标农机前轴中点的一侧，所述第三传感器和所述第四传感器均安装在所述目标农机前轴中点的另一侧，所述第一传感器、所述第四传感器与所述目标农机前轴中点的距离相等，所述第二传感器、所述第三传感器与所述目标农机前轴中点的距离相等，所有传感器的安装高度相同；
若所述传感器预设组合模式为行边缘交叉模式，所有传感器的安装角度相同，所述行边缘交叉组合模式具体为所述第一传感器扫描所述当前追肥行的一边、所述第二传感器扫描所述当前追肥行的相邻追肥行，所述第三传感器扫描所述当前追肥行的另一相邻追肥行，所述第四传感器扫描所述当前追肥行的另一边；
根据如下公式计算每一传感器的安装高度：
Figure FDA0003274755770000041
其中，H表示所述第一传感器的安装高度，x表示所述当前追肥行的宽度，w表示所述第一传感器和所述第二传感器的安装间距，θ表示所述第一传感器的安装角度，h表示所述目标农作物的高度；
若所述传感器预设组合模式为边缘校正模式，所述边缘校正模式具体为所述第一传感器以预设角度扫描所述当前追肥行的相邻追肥行、所述第二传感器垂直扫描所述当前追肥行的一边，所述第三传感器垂直扫描所述当前追肥行的另一边，所述第四传感器以所述预设角度扫描所述当前追肥行的另一相邻追肥行；
根据如下公式计算每一传感器的安装高度：
H＝cotθ×(x-w)+h，
其中，H表示所述第一传感器的安装高度，x表示所述当前追肥行的宽度，w表示所述第一传感器和所述第二传感器的安装间距，θ表示所述第一传感器的安装角度，h表示所述目标农作物的高度；
若所述传感器预设组合模式为并行组合模式，所述并行组合模式具体为所述第一传感器垂直扫描所述当前追肥行的相邻追肥行，所述第二传感器垂直扫描所述当前追肥行的一边，所述第三传感器垂直扫描所述当前追肥行的另一边，所述第四传感器垂直扫描所述当前追肥行的另一相邻追肥行；
根据预设高度确定所述安装高度；
所述根据所述最优估算距离、所述最优预测距离、传感器安装角度、第一预设距离和第二预设距离，获取所述目标农机的偏移距离，具体包括：
Figure FDA0003274755770000051
其中，d表示所述偏移距离，θ表示所述第一传感器的安装角度，y5表示所述第一预设距离，y0表示所述第二预设距离，Z(K)表示所述最优预测距离，X(K)表示所述最优估算距离；
所述第一预设距离通过如下方式获得：
在传感器输出5V的地方放置第一标定物；
将传感器测量距离作为所述第一预设距离；
所述第二预设距离通过如下方式确定：
在传感器输出0V的地方放置第二标定物；
将传感器测量距离作为所述第二预设距离；
其中，所述传感器为超声波传感器，所述作物包括小麦。
3.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1所述的施肥方法的步骤。
4.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1所述的施肥方法的步骤。
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