CN114916298A - 一种农用无人机变量撒播施肥装置及方法 - Google Patents

一种农用无人机变量撒播施肥装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种农用无人机变量撒播施肥装置及方法，该装置包括无人机和撒播施肥机构，所述撒播施肥机构挂载在无人机上，该变量撒播机构包括料箱、流量调节机构和撒播机构；所述流量调节机构包括下料通道、下料挡板以及用于驱动下料挡板靠近或远离下料通道的挡板驱动机构，所述下料通道连通在料箱的出口；所述撒播机构包括撒播转盘、撒播侧板和旋转驱动机构，所述撒播转盘位于下料通道的出口的下方，该撒播转盘的上表面沿着圆周的方向均匀设置有多个分隔条，相邻的两个分隔条之间构成用于承接物料的接料区；所述撒播侧板局部开放地包围在多个分隔条的外侧。本发明能够实现变量撒播施肥，且具有智能化程度高和自动化程度高等优点。

Description

一种农用无人机变量撒播施肥装置及方法
技术领域
本发明涉及农业撒播施肥装置及方法，具体涉及一种农用无人机变量撒播施肥装置及方法。
背景技术
以常见粮食作物水稻为例，为保证水稻的产量与品质，需要在水稻关键生育期进行田间施肥管理。肥料的合理施用可以维持和调节水稻多方面生理功能，使水稻处于最佳的生长状态。例如：氮肥是水稻需要的关键肥料之一，施用不足会减缓叶绿素和蛋白质的生成，阻碍光合作用，严重缺氮情况下还会造成水稻分蘖能力下降，根系发育减弱；施用过量会导致无效分蘖率上升，增加病害发生概率，后期倒伏，最终产量下降。在水稻传统的人工抛洒施肥管理模式下不仅需要大量的人力物力，而且仅依靠田间管理者的经验形成的施肥决策缺乏依据，易造成氮肥施用不均匀，不利于水稻高产稳产。使用地面施肥机具会对追肥区域内作物根系造成破坏，地面机具作业过程中会形成较深的车辙，导致水稻所需营养流失。
随着智慧农业的不断推广，农用无人机的作业模式逐渐被各农村合作社所熟知，农业领域现有用于喷施农药的飞防植保无人机以及用于种子播种的撒播无人机，虽然较为有效地改善了所述人工及地面机具造成的相关问题，但实际应用于田间的农用植保无人机大部分仍然采用较为落后的开关式控制方式，现有农用植保无人机多用于液体农药的喷施，不能实现颗粒状肥料的精准撒播，现有农用撒播无人机功能单一，仅能根据单一定值完成所有地块的追肥作业，不能根据作业地块实际需肥量进行有规划的变量追肥，此外，还存在撒播过程不够智能，现有撒播机构多为机械式撒播，撒播过程中撒播流量以及无人机行进速度等关键因素缺乏一定的配合，极易出现撒播不均等情况，大大影响经济作物整体长势，降低农作物经济收益。
发明内容
本发明的目的在于克服上述存在的问题，提供一种农用无人机变量撒播施肥装置。
本发明的另一个目的在于提供一种农用无人机变量撒播施肥方法，该方法能够实现变量撒播施肥，具有智能化程度高和自动化程度高等优点。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种农用无人机变量撒播施肥装置，包括无人机和撒播施肥机构，所述撒播施肥机构挂载在无人机上，该变量撒播机构包括用于存放物料的料箱、用于调节物料的流量大小的流量调节机构和用于通过离心作用将物料甩飞的撒播机构；
所述流量调节机构包括下料通道、下料挡板以及用于驱动下料挡板靠近或远离下料通道的挡板驱动机构，所述下料通道连通在料箱的出口；
所述撒播机构包括撒播转盘、撒播侧板和用于驱动撒播转盘进行旋转的旋转驱动机构，所述撒播转盘位于下料通道的出口的下方，该撒播转盘的上表面沿着圆周的方向均匀设置有多个分隔条，相邻的两个分隔条之间构成用于承接物料的接料区；所述撒播侧板局部开放地包围在多个分隔条的外侧。
本发明的一个优选方案，其中，所述挡板驱动机构包括挡板驱动电机和挡板传动组件，所述挡板传动组件包括齿轮和齿条，所述齿轮同轴固定在挡板驱动电机的输出轴上，所述齿条与下料挡板固定连接。通过上述结构，在挡板驱动电机的驱动下，下料挡板可以延伸至下料通道中，调节下料通道的流量。
本发明的一个优选方案，其中，所述旋转驱动机构包括旋转驱动电机和传动轴，所述传动轴的两端分别与旋转驱动电机的输出端和撒播转盘固定连接。通过上述结构，在旋转驱动电机的驱动下，撒播转盘可以进行旋转，通过离心作用将接料区上的物料甩飞出去，实现撒播。
本发明的一个优选方案，其中，还包括控制***，该控制***包括数据处理模块、数据传输模块、数据存储模块以及嵌入式模块，所述数据处理模块通过所述嵌入式模块与旋转驱动机构和挡板驱动机构电连接。
进一步，所述控制***还包括用于实时监测无人机前进速度的风压变送器。
进一步，所述控制***还包括用于实时监测撒播转盘的转速的测速模块，该测速模块与数据处理模块连接。
进一步，所述控制***还包括地理信息采集模块，该地理信息采集模块包括用于对农田进行循迹得出农田地块信息的RTK地理信息采集单元和用于存储RTK地理信息采集单元采集到的相关信息的位置网络基站单元；
所述位置网络基站单元通过所述数据传输模块与数据处理模块连接。
进一步，所述控制***还包括稳压模块，该稳压模块与旋转驱动机构以及嵌入式模块电连接。这样，通过稳压模块控制旋转驱动电机的电压更改，嵌入式模块控制旋转驱动电机的转速改变，达到更改撒播幅宽的目标。
进一步，所述控制***还包括视觉传感器模块，该视觉传感器模块捕捉被施肥作物的疏密程度，生长状态，采集到的作物图像在经过所述模糊PID变量撒播算法优化以及所述撒播量函数的分析后，得出被施肥作物的单位面积撒播量。
一种农用无人机变量撒播施肥方法，包括以下步骤：
(1)无人机在作业地块上航行，通过地理信息采集模块的RTK地理信息采集单元采集农田的地块信息；
(2)通过视觉传感器模块捕捉作物的生长状态，并结合模糊PID变量撒播算法，根据撒播量公式计算出作业地块的撒播总量以及作业地块的颗粒肥撒播流量；
(3)通过位置网络基站单元构建撒播区域飞行轨迹后，通过数据传输模块将数据发送给数据处理模块；
(4)数据处理模块接收到以上数据后，结合风压变送器采集到的无人机当前行进速度与测速传感器模块采集到的撒播转盘当前的转速进行耦合；数据处理模块将耦合数据传输给嵌入式模块，嵌入式模块调用PWM占空比模型，将当前撒播转盘的转速与速度对照表的转速进行映射，计算出差值并转换成对应占空比；
(5)对差值进行补偿；嵌入式模块控制稳压模块对旋转驱动电机当前电压进行稳压，该旋转驱动电机的电压在15v-35v之间变化并输出PWM占空比数值对应的转速，作用在撒播转盘上，完成变量撒播作业过程。
本发明的一个优选方案，在步骤(2)中，所述模糊PID变量撒播算法为：
Figure BDA0003547250040000041
式中，k为采样序号，T为采样时间，e为***误差，kp为比例系数，作用是加快***的响应速度，ki积分作用系数，作用是消除***的稳态误差，kd微分作用系数。
本发明的一个优选方案，在步骤(2)中，所述撒播量公式为：
Figure BDA0003547250040000051
式中，Q为排肥总量，t为撒播机工作时间，ni为撒播装置电机输出转速，w为作业幅宽，q为撒播量设定值，m为地块面积，P为撒播装置每转施肥量。
本发明的一个优选方案，在步骤(4)中，所述PWM占空比模型公式为：
T＝t1+t2；
Figure BDA0003547250040000052
式中，T为周期时间，t1为高电平时间，t2为低电平时间，D为占空比。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明通过预先完成撒播地块对象的地理信息采集，包括地块位置以及地块面积等，并生成撒播轨迹，根据作物实际生长情况可变的设置撒播流量及撒播幅宽，使大田追肥效果更加准确。
2、以视觉传感器模块捕捉被施肥作物的实际缺肥量为参照，对前期大田数据采集要求比较低，受外界因素影响小，不需要复杂的处理，就可以进行变量撒播并且结果较准确；操作方法也比检测土样、氮素遥感等检测方法更简单。
3、本发明属于智能农用无人机技术的领域延伸，不损伤大田作物，不再需要人工进入大田撒播作业，避免地面追肥机具追肥后对田块内造成坑洼，导致水量及营养不均匀等情况，农用无人机变量撒播施肥***操作更为便捷，易于推广。
4、本发明的撒播范围较大，撒播结果反馈及时，可对撒播区域进行全覆盖，还可以对多种大田作物(水稻、玉米、花生)进行追肥，具有较强的适用性。
附图说明
图1为本发明的农用无人机变量撒播施肥装置的立体结构示意图。
图2为图1中的流量调节机构和撒播机构的立体结构示意图，其中，流量调节机构显示出内部结构。
图3为图2的侧视图。
图4为本发明的农用无人机变量撒播施肥装置的工作原理流程框图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员很好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述，但本发明的实施方式不仅限于此。
参见图1，本实施例的农用无人机变量撒播施肥装置，包括无人机1、撒播施肥机构以及控制***；所述撒播施肥机构挂载在无人机1上，该变量撒播机构包括用于存放物料的料箱2、用于调节物料的流量大小的流量调节机构和用于通过离心作用将物料甩飞的撒播机构。
参见图1-3，所述流量调节机构包括下料通道3、下料挡板4以及用于驱动下料挡板4靠近或远离下料通道3的挡板驱动机构，所述下料通道3连通在料箱2的出口；为了使固体颗粒更好的聚集，所述料箱2设计为类似倒置等腰梯形的形状，由上向下横截面不断缩小。
进一步，所述挡板驱动机构包括挡板驱动电机8和挡板传动组件，所述挡板传动组件包括齿轮9和齿条10，所述齿轮9同轴固定在挡板驱动电机8的输出轴上，所述齿条10与下料挡板4固定连接。通过上述结构，在挡板驱动电机8的驱动下，下料挡板4可以延伸至下料通道3中，调节下料通道3的流量。
参见图1-3，所述撒播机构包括撒播转盘5、撒播侧板6和用于驱动撒播转盘5进行旋转的旋转驱动机构，所述撒播转盘5位于下料通道3的出口的下方，该撒播转盘5的上表面沿着圆周的方向均匀设置有多个分隔条7，相邻的两个分隔条7之间构成用于承接物料的接料区；所述撒播侧板6局部开放地包围在多个分隔条7的外侧。
进一步，所述旋转驱动机构包括旋转驱动电机11和传动轴，所述传动轴的两端分别与旋转驱动电机11的输出端和撒播转盘5固定连接。通过上述结构，在旋转驱动电机11的驱动下，撒播转盘5可以进行旋转，通过离心作用将接料区上的物料甩飞出去，实现撒播。
其中，所述控制***包括数据处理模块(智能飞控芯片)、数据传输模块、数据存储模块以及嵌入式模块，所述数据处理模块通过所述嵌入式模块与旋转驱动机构和挡板驱动机构电连接。其中，所述数据传输模块为无线通信模块，作用是以分钟为单位，实时发送撒播机构工作状态以及所述无人机1当前地理坐标。
进一步，所述控制***还包括用于实时监测无人机1前进速度的风压变送器。
进一步，所述控制***还包括用于实时监测撒播转盘5的转速的测速模块，该测速模块与数据处理模块连接。其中，测速模块主要作用为实时监测所述撒播转盘5当前转速，以分钟为单位，回传给数据处理模块(智能飞控芯片)，形成速度对照表与所述撒播转盘5转速形成对比，控制下料挡板4实时开合完成所述撒播流量的改变。
进一步，所述控制***还包括地理信息采集模块，该地理信息采集模块包括用于对农田进行循迹得出农田地块信息的RTK地理信息采集单元和用于存储RTK地理信息采集单元采集到的相关信息的位置网络基站单元；所述位置网络基站单元通过所述数据传输模块与数据处理模块连接。其中，农田地块信息包括地理坐标、地块面积以及地块内障碍物等。
进一步，所述控制***还包括液晶显示模块，该液晶显示模块为2.8寸触摸液晶屏幕，主要功能为实时显示所述撒播转盘5转速，以及更改所述PWM占空比模型的占空比，所述转速以及变量模型参数的更改均可通过手指触摸屏幕完成。
进一步，所述控制***还包括稳压模块，该稳压模块与旋转驱动机构以及嵌入式模块电连接。这样，通过稳压模块控制旋转驱动电机11的电压更改，嵌入式模块控制旋转驱动电机11的转速改变，达到更改撒播幅宽的目标。
进一步，所述控制***还包括视觉传感器模块，该视觉传感器模块捕捉被施肥作物的疏密程度，生长状态，采集到的作物图像在经过所述模糊PID变量撒播算法优化以及所述撒播量函数的分析后，得出被施肥作物的单位面积撒播量。
参见图1-4，本实施例的农用无人机变量撒播施肥方法，包括以下步骤：
(1)无人机1在作业地块上航行，通过地理信息采集模块的RTK地理信息采集单元采集农田的地块信息。
(2)通过视觉传感器模块捕捉作物的生长状态，并结合模糊PID变量撒播算法，根据撒播量公式计算出作业地块的撒播总量以及作业地块的颗粒肥撒播流量。
其中，所述模糊PID变量撒播算法为：
Figure BDA0003547250040000081
式中，k为采样序号，T为采样时间，e为***误差，kp为比例系数，作用是加快***的响应速度，ki积分作用系数，作用是消除***的稳态误差，kd微分作用系数。
(3)通过位置网络基站单元构建撒播区域飞行轨迹后，通过数据传输模块将数据发送给数据处理模块。
(4)数据处理模块接收到以上数据后，结合风压变送器采集到的无人机1当前行进速度与测速传感器模块采集到的撒播转盘5当前的转速进行耦合；数据处理模块将耦合数据传输给嵌入式模块，嵌入式模块调用PWM占空比模型，将当前撒播转盘5的转速与速度对照表的转速进行映射，计算出差值并转换成对应占空比。
其中，所述PWM占空比模型公式为：
T＝t1+t2；
Figure BDA0003547250040000091
式中，T为周期时间，t1为高电平时间，t2为低电平时间，D为占空比。
(5)对差值进行补偿；嵌入式模块控制稳压模块对旋转驱动电机11当前电压进行稳压，该旋转驱动电机11的电压在15v-35v之间变化并输出PWM占空比数值对应的转速，作用在撒播转盘5上，完成变量撒播作业过程。
进一步，在步骤(2)中，所述撒播量公式为：
Figure BDA0003547250040000092
式中，Q为排肥总量，t为撒播机工作时间，ni为撒播装置电机输出转速,w为作业幅宽，q为撒播量设定值，m为地块面积，P为撒播装置每转施肥量。
本实施例中，通过设置智能飞控芯片，风压变送器，以及舵机，使得智能飞控芯片能够实时接收无人机1当前行进速度和撒播流量，通过下料挡板4，撒播转盘5，旋转驱动电机11的设计，使每分钟撒播流量以及出料流量受智能飞控芯片实时控制，从而实现三个机构的动态传递，实现变量，准确，智能化撒播，操作简单，便于推广。
上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种农用无人机变量撒播施肥装置，其特征在于，包括无人机和撒播施肥机构，所述撒播施肥机构挂载在无人机上，该变量撒播机构包括用于存放物料的料箱、用于调节物料的流量大小的流量调节机构和用于通过离心作用将物料甩飞的撒播机构；
所述流量调节机构包括下料通道、下料挡板以及用于驱动下料挡板靠近或远离下料通道的挡板驱动机构，所述下料通道连通在料箱的出口；
所述撒播机构包括撒播转盘、撒播侧板和用于驱动撒播转盘进行旋转的旋转驱动机构，所述撒播转盘位于下料通道的出口的下方，该撒播转盘的上表面沿着圆周的方向均匀设置有多个分隔条，相邻的两个分隔条之间构成用于承接物料的接料区；所述撒播侧板局部开放地包围在多个分隔条的外侧。
2.根据权利要求1所述的农用无人机变量撒播施肥装置，其特征在于，还包括控制***，该控制***包括数据处理模块、数据传输模块、数据存储模块以及嵌入式模块，所述数据处理模块通过所述嵌入式模块与旋转驱动机构和挡板驱动机构电连接。
3.根据权利要求2所述的农用无人机变量撒播施肥装置，其特征在于，所述控制***还包括用于实时监测无人机前进速度的风压变送器。
4.根据权利要求2所述的农用无人机变量撒播施肥装置，其特征在于，所述控制***还包括用于实时监测撒播转盘的转速的测速模块，该测速模块与数据处理模块连接。
5.根据权利要求2所述的农用无人机变量撒播施肥装置，其特征在于，所述控制***还包括地理信息采集模块，该地理信息采集模块包括用于对农田进行循迹得出农田地块信息的RTK地理信息采集单元和用于存储RTK地理信息采集单元采集到的相关信息的位置网络基站单元；
所述位置网络基站单元通过所述数据传输模块与数据处理模块连接。
6.根据权利要求2所述的农用无人机变量撒播施肥装置，其特征在于，所述控制***还包括视觉传感器模块，该视觉传感器模块捕捉被施肥作物的疏密程度和生长状态。
7.一种农用无人机变量撒播施肥方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)无人机在作业地块上航行，通过地理信息采集模块的RTK地理信息采集单元采集农田的地块信息；
(2)通过视觉传感器模块捕捉作物的生长状态，并结合模糊PID变量撒播算法，根据撒播量公式计算出作业地块的撒播总量以及作业地块的颗粒肥撒播流量；
(3)通过位置网络基站单元构建撒播区域飞行轨迹后，通过数据传输模块将数据发送给数据处理模块；
(4)数据处理模块接收到以上数据后，结合风压变送器采集到的无人机当前行进速度与测速传感器模块采集到的撒播转盘当前的转速进行耦合；数据处理模块将耦合数据传输给嵌入式模块，嵌入式模块调用PWM占空比模型，将当前撒播转盘的转速与速度对照表的转速进行映射，计算出差值并转换成对应占空比；
(5)对差值进行补偿；嵌入式模块控制稳压模块对旋转驱动电机当前电压进行稳压，该旋转驱动电机的电压在15v-35v之间变化并输出PWM占空比数值对应的转速，作用在撒播转盘上，完成变量撒播作业过程。
8.根据权利要求7所述的农用无人机变量撒播施肥方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述模糊PID变量撒播算法为：
Figure FDA0003547250030000031
式中，k为采样序号，T为采样时间，e为***误差，kp为比例系数，作用是加快***的响应速度，ki积分作用系数，作用是消除***的稳态误差，kd微分作用系数。
9.根据权利要求7所述的农用无人机变量撒播施肥方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述撒播量公式为：
Figure FDA0003547250030000032
式中，Q为排肥总量，t为撒播机工作时间，ni为撒播装置电机输出转速,w为作业幅宽，q为撒播量设定值，m为地块面积，P为撒播装置每转施肥量。
10.根据权利要求7所述的农用无人机变量撒播施肥方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述PWM占空比模型公式为：
T＝t1+t2；
Figure FDA0003547250030000033
式中，T为周期时间，t1为高电平时间，t2为低电平时间，D为占空比。
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