CN115191195A - 一种大田变量施肥装置和变量施肥控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及农业生产技术领域，提供一种大田变量施肥装置和变量施肥控制方法。上述大田变量施肥装置包括电导率检测装置、测速装置、牵引机具、控制装置和施肥机具；电导率检测装置设于牵引机具的前端，施肥机具设于牵引机具的后端；电导率检测装置和测速装置分别与控制装置连接，控制装置和施肥机具连接。本发明能够根据田块不同区域的土壤肥力需求进行肥料的按需施用，可提高肥料的利用率，降低肥料的施用成本，减少对环境的污染。

Description

一种大田变量施肥装置和变量施肥控制方法

技术领域

本发明涉及农业生产技术领域，尤其涉及一种大田变量施肥装置和变量施肥控制方法。

背景技术

经研究发现，不同作物对氮、磷、钾等营养元素的需求不同。在对作物种植前，为保证土壤肥力，并促进种子的出苗效果和后期作物的生长需求，需对大田进行追肥作业，以保证土壤肥力。

传统追肥作业主要采用专用的追肥机具，对大田开沟覆土追肥或者抛撒追肥，这种追肥方式存在过量施肥的问题，不仅浪费肥料，而且会对土壤造成污染。

近年来，随着农业作业机具智能化水平的提高，出现了精准变量施肥技术，主要根据作业速度变化进行变量施肥控制。这种施肥方案虽然在一定程度上提高了施肥均匀性，但是，仍然不能根据土壤肥力需求进行肥料的按需施用。

发明内容

本发明提供一种大田变量施肥装置和变量施肥控制方法，用以解决现有的大田施肥方案不能根据土壤肥力需求进行肥料的按需施用的问题。

本发明提供一种大田变量施肥装置，包括：电导率检测装置、测速装置、牵引机具、控制装置和施肥机具；

所述电导率检测装置设于所述牵引机具的前端，所述施肥机具设于所述牵引机具的后端；所述电导率检测装置和所述测速装置分别与所述控制装置连接，所述控制装置和所述施肥机具连接；

所述电导率检测装置用于检测作业区域的土壤的电导率信息，所述测速装置用于检测所述牵引机具的速度信息；

所述控制装置根据所述电导率信息确定对所述作业区域的施肥信息，根据所述速度信息确定所述牵引机具的作业位置，在确定所述施肥机具到达所述作业区域的情形下，控制所述施肥机具按照所述施肥信息对所述作业区域进行施肥。

本发明还提供一种如上任一项所述的大田变量施肥装置的变量施肥控制方法，包括：

获取作业区域的土壤的电导率信息和牵引机具的速度信息；

将所述作业区域划分为多个网格，根据所述速度信息确定所述网格的位置信息，将各个所述网格的位置信息和电导率信息绑定，并按照作业顺序以消息队列的形式依次存储；

在所述施肥机具到达目标网格的位置时，从所述消息队列中获取所述目标网格对应的电导率信息，根据所述目标网格的电导率信息确定对所述目标网格的施肥信息，控制所述施肥机具按照所述施肥信息对所述目标网格进行施肥。

本发明提供的一种大田变量施肥装置和变量施肥控制方法，通过设置于牵引机具前端的电导率检测装置，实时在线获取作业区域的土壤的电导率，可根据电导率与土壤养分之间的对应关系，确定作业区域的施肥信息；与此同时，根据牵引机具的作业速度，可确定大田变量施肥装置的作业位置，从而在牵引机具后端的施肥机具到达作业区域时，控制施肥机具按照施肥信息对作业区域进行施肥，实现根据田块不同区域的土壤肥力需求进行肥料的按需施用，可提高肥料的利用率，降低肥料的施用成本，减少对环境的污染。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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是本发明提供的大田变量施肥装置的结构示意图之一；

图2是本发明提供的大田变量施肥装置的结构示意图之二；

图3是本发明提供的电导率检测装置的结构示意图之一；

图4是本发明提供的电导率检测装置的结构示意图之二；

图5是本发明提供的电导率检测装置的结构示意图之三；

图6是本发明提供的对电导率检测装置配置的液压驱动***的结构示意图；

图7是本发明提供的电极检测单元的结构示意图之一；

图8是本发明提供的电极检测单元的结构示意图之二；

图9是本发明提供的第一限深轮和圆盘电极的第一种配合状态的示意图；

图10是本发明提供的第一限深轮和圆盘电极的第二种配合状态的示意图；

图11是本发明提供的施肥机具的结构示意图之一；

图12是本发明提供的施肥机具的结构示意图之二；

图13是本发明提供的大田变量施肥装置的控制结构框图；

图14是本发明提供的信号发生电路的电路示意图；

图15是本发明提供的增益放大电路的电路示意图；

图16是本发明提供的恒流源电路的电路示意图；

图17是本发明提供的差分放大电路的电路示意图；

图18是本发明提供的交直流转换电路的电路示意图；

图19是本发明提供的人机交互模块的操作界面的示意图；

图20是本发明提供的基于大田变量施肥装置的变量施肥控制方法的流程示意图；

图21是本发明提供的大田变量施肥装置沿着作业区域的各个网格进行施肥作业的示意图；

图22是本发明提供的对各个网格的位置信息和电导率信息按照作业顺序以消息队列的形式进行存储的示意图。

附图标记：

10、牵引机具；20、测速装置；30、控制装置；

40、电导率检测装置；401、转接架；402、平行四连杆机构；403、横梁；404、圆盘电极组件；405、超声波传感器；406、限深轮组件；407、液压驱动***；421、第一连杆；422、第二连杆；423、第三连杆；424、第四连杆；425、升降调节油缸；4041、电极检测单元； 441、第一固定臂；442、第一浮动臂；443、拉杆；444、缓冲弹簧；445、圆盘电极；461、第二固定臂；462、第二浮动臂；463、深度调节油缸；464、第一限深轮；471、油箱；472、液压马达；473、第一换向阀；474、第二换向阀；475、单向阀；476、过滤器；477、泄压阀；478、液压锁；

50、施肥机具；501、三点悬挂装置；502、支撑架；503、输肥装置；504、施肥铲；505、第二限深轮；531、肥料箱；532、排肥机构；533、风机；534、排肥管；

141、信号发生电路；142、增益放大电路；143、恒流源电路；

151、差分放大电路；152、交直流转换电路。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明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。

下面结合图1至图22描述本发明的一种大田变量施肥装置和变量施肥控制方法。

如图1至图2所示，本实施例提供一种大田变量施肥装置，包括：电导率检测装置40、测速装置20、牵引机具10、控制装置30和施肥机具50。

其中，牵引机具10可以采用本领域公知的拖拉机，测速装置20可采用设置于牵引机具10上的码表，控制装置30可采用牵引机具10上的行车电脑（Electronic ControlUnit，ECU），也可选用单片机或PLC控制器。

电导率检测装置40设于牵引机具10的前端，施肥机具50设于牵引机具10的后端；电导率检测装置40和测速装置20分别与控制装置30连接，控制装置30和施肥机具50连接。

进一步地，电导率检测装置40用于检测作业区域的土壤的电导率信息，测速装置20用于检测牵引机具10的速度信息；控制装置30根据电导率信息确定对作业区域的施肥信息，根据速度信息确定牵引机具10的作业位置，在确定施肥机具50到达作业区域的情形下，控制施肥机具50按照施肥信息对作业区域进行施肥。

由上可知，在大田变量施肥装置对大田或田块施肥作业的过程中，随着牵引机具10的行进，可通过设置于牵引机具10前端的电导率检测装置40实时在线获取作业区域土壤的电导率，根据电导率与土壤养分之间的对应关系，可确定作业区域的施肥信息；与此同时，根据牵引机具10的作业速度，可确定大田变量施肥装置的作业位置，从而在牵引机具10后端的施肥机具50到达作业区域时，可控制施肥机具50按照施肥信息对作业区域进行施肥，实现根据田块不同区域的土壤肥力需求进行肥料的按需施用，可提高肥料的利用率，降低肥料的施用成本，减少对环境的污染。

在一些实施例中，如图3至图5所示，本实施例的电导率检测装置40包括转接架401、平行四连杆机构402、横梁403和圆盘电极组件404。

其中，圆盘电极组件404设置有多个成对布置的圆盘电极445，在进行土壤电导率的检测时，圆盘电极445伸入至土壤中；基于圆盘电极组件404，可采用“电流-电压”四端法进行土壤电导率在线实时检测。

进一步地，牵引机具10的前端和转接架401连接，转接架401和平行四连杆机构402的一端连接，平行四连杆机构402的另一端和横梁403连接，平行四连杆机构402可驱动横梁403上升或下降；圆盘电极组件404设于横梁403的下侧，平行四连杆机构402和圆盘电极组件404分别与控制装置30连接。

具体地，平行四连杆机构402包括第一连杆421、第二连杆422、第三连杆423、第四连杆424和升降调节油缸425；第一连杆421、第二连杆422、第三连杆423和第四连杆424依次首尾铰接；第一连杆421和第三连杆423的长度相等，并呈平行设置；第二连杆422和第四连杆424的长度相等，并呈平行设置。其中，转接架401和第一连杆421连接，横梁403和第三连杆423连接，升降调节油缸425的一端和第二连杆422转动连接，另一端和第四连杆424转动连接。

如此，在第一连杆421和第三连杆423呈竖直布置的情形下，由于第一连杆421相对于转接架401的安装位置保持不变，通过控制升降调节油缸425的活塞杆的伸缩长度，可使得第三连杆423在竖直平面上下移动，从而使得横梁403在第三连杆423的带动下相对于地面升降。

在大田变量施肥装置没有进行施肥作业时，可通过平行四连杆机构402控制横梁403上升，使得圆盘电极组件404与地面分离，以确保大田变量施肥装置的通过性。相应地，在大田变量施肥装置进行施肥作业时，可通过平行四连杆机构402控制横梁403下降，使得圆盘电极组件404的圆盘电极445伸入至土壤中，以实现对作业区域土壤的电导率检测。

为提高电导率的检测精度，电导率检测装置40还设置有超声波传感器405；超声波传感器405设于横梁403上，超声波传感器405用于检测圆盘电极组件404当中圆盘电极445的入土深度，超声波传感器405和控制装置30连接。

其中，超声波传感器405可通过检测预设时间段内横梁403相对于地面的高度的变化值，确定圆盘电极445的入土深度。

在一些实施例中，本实施例的圆盘电极组件404包括多个电极检测单元4041；多个电极检测单元4041成对设置于横梁403上。例如，本实施例的圆盘电极组件404包括四个电极检测单元4041，四个电极检测单元4041沿横梁403的延伸方向依次间隔设置。

进一步地，如图7和图8所示，本实施例的每个电极检测单元4041包括第一固定臂441、第一浮动臂442、拉杆443、缓冲弹簧444和圆盘电极445。

具体地，第一固定臂441的第一端设有止挡部，第一浮动臂442的第一端设有联动部；第一固定臂441的第一端和第一浮动臂442的第一端转动连接，第一固定臂441的第二端和横梁403连接，第一浮动臂442的第二端和圆盘电极445转动连接；拉杆443穿设于缓冲弹簧444中，拉杆443的一端和缓冲弹簧444的一端连接，缓冲弹簧444的另一端抵接于止挡部，拉杆443的另一端穿过止挡部，并与联动部活动连接。

在实际应用的过程中，本实施例基于对圆盘电极445的安装设置，确保圆盘电极445能够在土壤中达到预设深度，当圆盘电极445在移动过程中遇到坚硬的物体时，圆盘电极445被缓冲抬起，基于缓冲弹簧444提供的浮动缓冲，对圆盘电极445达到较好的保护效果。

其中，本实施例的第一固定臂441的第二端通过绝缘垫和横梁403连接，以确保圆盘电极445和横梁403电气隔离。本实施例可将圆盘电极445通过多个轴承安装于第一浮动臂442的第二端，确保圆盘电极445转动的顺滑性，防止圆盘电极445在转动中发生侧向摆动。

在一些实施例中，为控制圆盘电极445的入土深度，本实施例的电导率检测装置40还设置有限深轮组件406。

如图5所示，限深轮组件406包括第二固定臂461、第二浮动臂462、深度调节油缸463和第一限深轮464；第二固定臂461的第一端和横梁403连接，第二固定臂461的第二端和第二浮动臂462的第一端转动连接，第二浮动臂462的第二端和第一限深轮464转动连接；深度调节油缸463的一端和第二固定臂461转动连接，另一端和第二浮动臂462转动连接；深度调节油缸463和控制装置30连接。

其中，通过调节深度调节油缸463的活塞杆的伸缩长度，可调节第一限深轮464的升降，实现对圆盘电极445的入土深度的调节。

如图9所示，在圆盘电极445处于工作状态时，可通过深度调节油缸463驱动第一限深轮464上升预设高度，使得第一限深轮464与地面接触时，圆盘电极445伸入至土壤中。

如图10所示，在圆盘电极445处于非工作状态时，可通过深度调节油缸463驱动第一限深轮464下降预设高度，使得第一限深轮464与地面接触时，圆盘电极445与地面分离。

在一些实施例中，为确保横梁403相对于地面升降的稳定性，平行四连杆机构402设置有两个，两个平行四连杆机构402沿牵引机具10的宽度方向间隔设置。

如图2和图6所示，为便于驱动两个平行四连杆机构402当中升降调节油缸425的同步动作，以及驱动两个限深轮组件406当中深度调节油缸463的同步动作，本实施例对两个升降调节油缸425和两个深度调节油缸463配置有液压驱动***407。

如图3、图5和图6所示，液压驱动***407包括油箱471、液压马达472、第一换向阀473和第二换向阀474；油箱471和液压马达472的进油端连通，液压马达472的出油端分别与第一换向阀473的进油口和第二换向阀474的进油口连通；第一换向阀473的其中一个工作油口与两个平行四连杆机构402对应的升降调节油缸425的无杆腔连通，第一换向阀473的另一个工作油口与两个平行四连杆机构402对应的升降调节油缸425的有杆腔连通；其中，两个平行四连杆机构402对应的升降调节油缸425可分别标识为OC11和OC12。

与此同时，第二换向阀474的其中一个工作油口与两个限深轮组件406对应的深度调节油缸463的无杆腔连通，第二换向阀474的另一个工作油口与两个限深轮组件406对应的深度调节油缸463的有杆腔连通；其中，两个限深轮组件406对应的深度调节油缸463可分别标识为OC21和OC22。

进一步地，第一换向阀473的回油口和第二换向阀474的回油口分别与油箱471连通。

为了确保液压油定向地从液压马达472流向第一换向阀473和第二换向阀474，将液压马达472通过单向阀475分别与第一换向阀473和第二换向阀474连通，在单向阀475的两端并联有过滤器476。

为了确保液压驱动***407工作的安全性，防止操作中***压力过大损坏液压元器件，将第一换向阀473的进油口和第二换向阀474的进油口共同通过泄压阀477与油箱471连通。

为防止工作过程中升降调节油缸425因地面阻力作用发生晃动，在第一换向阀473与两个平行四连杆机构402的升降调节油缸之间的油路上，以及在第二换向阀474与两个限深轮组件406的深度调节油缸之间的油路上均设置有液压锁478。

如此，在大田变量施肥装置不需要进行施肥作业时，控制装置30可控制第一换向阀473的切换状态，使得两个平行四连杆机构402的升降调节油缸425的活塞杆同步伸长，使得圆盘电极445与地面保持一定距离，确保电导率检测装置40处于不工作状态时，牵引机具10可在路面安全移动。

在大田变量施肥装置到达工作区域后，控制装置30再次控制第一换向阀473的切换状态，使得圆盘电极组件404下落，并通过超声波传感器405检测圆盘电极445的入土深度，然后，通过第二换向阀474控制两个第一限深轮464的下落高度，确保圆盘电极445的入土深度大于10cm。

由于地势起伏，圆盘电极445在作业过程中的入土深度会不断发生变化，此时通过超声波传感器405实时监测圆盘电极445的入土深度变化，根据圆盘电极445的入土深度，对第一换向阀473和第二换向阀474进行协同控制，从而实现对圆盘电极445的入土深度的精确调节。

在一些实施例中，如图3、图7及图13所示，本实施例的控制装置30包括控制模块、恒流源电路模块和信号处理模块。

具体地，控制模块和恒流源电路模块连接，恒流源电路模块和圆盘电极组件404当中的一部分圆盘电极445连接，圆盘电极组件404当中的另一部分圆盘电极445和信号处理模块连接，信号处理模块和控制模块连接，控制模块和施肥机具50连接。

如图14至图16所示，恒流源电路模块用于为圆盘电极445提供恒流源信号，恒流源电路模块包括信号发生电路141、增益放大电路142和恒流源电路143，上述控制模块分别与信号发生电路141和增益放大电路142连接，信号发生电路141、增益放大电路142和恒流源电路143依次连接，恒流源电路143和圆盘电极组件404连接。

如图14所示，信号发生电路141采用高精度的型号为AD9833的数字可编程的信号发生器，信号发生器的输出端通过电压跟随器连接增益放大电路，可基于电压跟随器增大信号发生器产生信号的驱动能力及抗干扰能力，提高稳定性。

如图15所示，增益放大电路142采用相连接的压控增益芯片和D/A转化芯片，压控增益芯片的型号为VCA821，D/A转化芯片的型号为TLV5618，上述控制模块和D/A转化芯片连接，D/A转化芯片和电压跟随器分别与压控增益芯片连接。增益放大电路142的输出端连接由高精度、低温漂的运算放大器OP27构成的增益微调电路，把增益放大电路的增益大小微调至所需比例，获得稳定频率、幅值可调的交流电压信号。

如图16所示，恒流源电路143可采用型号为INA333的芯片，恒流源电路143可将增益放大电路142输出的交流电压信号转换成恒流信号，并输送给两个圆盘电极445，这两个圆盘电极445在图13标识为圆盘电极J和圆盘电极K。

如图17至图18所示，信号处理模块包括差分放大电路151、交直流转换电路152和模数转换电路，圆盘电极组件404和差分放大电路151连接，差分放大电路151、交直流转换电路152和模数转换电路依次连接，模数转换电路和上述控制模块连接。

如图17所示，差分放大电路151选用低成本、高精度的集成芯片，集成芯片的型号为AD620，集成芯片的电压信号输入端口和输出端口设置有低通滤波电路，以滤除高频杂波信号。

在圆盘电极J和圆盘电极K之间设置有圆盘电极M和圆盘电极N，圆盘电极M和圆盘电极N分别与差分放大电路151的输入侧连接，差分放大电路151将检测到的圆盘电极M和圆盘电极N输出的电压信号进行差分放大，提高信号精度。

如图18所示，交直流转换电路152选用型号为AD637的电压转换芯片，交直流转换电路152将差分放大电路151输出的交流电压信号转换为直流电压信号。

模数转换电路选用16位的模数转换芯片，模数转换芯片的型号为ADS1115，模数转换电路将直流电压信号转化成数字信号后，输出到控制模块，控制模块通过IIC通信实现对数字信号的读取。

在工作时，恒流源电路模块产生的恒流信号通过圆盘电极组件404当中处于外侧的两个圆盘电极445流入大地后，会在两个圆盘电极445之间产生交变恒流电场，圆盘电极组件404当中处于内侧的两个圆盘电极445的电压值将随着土壤电导率的变化而变化。圆盘电极组件404当中处于内侧的两个圆盘电极445产生的电压信号经信号处理模块进行放大并转化成直流信号，信号处理模块不断采集直流信号，并将直流信号转化成数字信号后输送至控制模块，控制模块根据下述公式计算出作业区域土壤的电导率。

在上式中，

为土壤的电导率，单位为μS/cm；X为圆盘电极输出的电压值，单 位为mV ；Y为土壤的含水率；Z为圆盘电极的入土深度，单位为mm；T为土壤的温度值，单位为 ℃。

在一些实施例中，如图13所示，控制装置30还包括定位模块、人机交互模块和存储模块；定位模块、人机交互模块和存储模块分别与控制模块连接。

其中，控制模块可采用单片机，定位模块可以采用本领域公知的GPS定位模块或北斗定位模块，人机交互模块可采用本领域公知的触摸屏控制器，存储模块可采用SD卡。

如此，在获取作业区域的土壤的电导率信息后，控制模块可根据电导率信息与土壤养分之间的对应关系，获取作业区域的施肥信息。在施肥机具50到达作业区域时，可控制施肥机具50按照施肥信息对作业区域进行施肥，根据田块不同区域的土壤肥力需求进行肥料的按需施用，从而实现精准变量施肥。

与此同时，由于控制模块可通过定位模块获取作业区域的位置信息，从而将作业区域的位置信息分别与作业区域的电导率信息和施肥信息绑定，可得到作业区域的电导率分布图和施肥量分布图，存储模块可对电导率分布图和施肥量分布图进行存储，便于后续数据的分析与查询。

另外，为了便于作业参数输入和作业数据显示，本实施例可基于人机交互模块设置***的操作界面。

如图19所示，在人机交互模块的操作界面设置有通讯参数设置区、土壤电导率参数区、施肥作业参数区、电导率检测装置升降控制区和作业控制区。操作人员可通过人机交互模块的操作界面设置通讯参数、土壤电导率参数和变量施肥参数，控制电导率检测装置的升降，以及进行施肥作业的启停控制。

其中，通讯参数设置区用于连接电导率检测装置和施肥机具。土壤电导率参数区可输入圆盘电极的入土深度、土壤含水率、土壤温度参数，根据圆盘电极输出的电压信号可实时计算土壤电导率；为了提高电导检测精度，增加了电导率系数校准功能。施肥作业参数区既可进行施肥量、实时施肥量、排肥转速和作业速度的实时显示，也可进行作业幅宽、排肥系数和PID参数的输入。电导率检测装置升降控制区可便于操作人员控制圆盘电极的升起和降落。作业控制区便于操作人员控制整机的启停作业。

在一些实施例中，如图11和图12所示，本实施例的施肥机具50包括三点悬挂装置501、支撑架502、输肥装置503和施肥铲504；三点悬挂装置501和牵引机具10的后端连接，支撑架502和三点悬挂装置501连接，输肥装置503设于支撑架502上，施肥铲504设于支撑架502的下侧；输肥装置503和控制装置30连接，以在控制装置30的控制下向施肥铲504所在的位置输送肥料。其中，支撑架502的下侧还设有第二限深轮505，在沿牵引机具10的行进方向，三点悬挂装置501、第二限深轮505和施肥铲504从前往后依次设置。

具体地，输肥装置503包括肥料箱531、排肥机构532、风机533和排肥管534；排肥机构532设于肥料箱531的出肥口，排肥机构532和控制装置30连接，以在控制装置30的控制下将肥料箱531内的肥料排放至排肥管534中；风机533和排肥管534的一端连通，排肥管534的另一端延伸至施肥铲504所在的位置。其中，本实施例的排肥管534设置有四根，排肥管534和施肥铲504一一相对设置。

与此同时，排肥机构532包括排肥电机和排肥轮，排肥轮和排肥电机的输出轴连接，排肥轮设于肥料箱531的出肥口，肥料箱531的出肥口和排肥管534连通。如此，在排肥电机控制排肥轮转动时，可通过排肥轮控制施肥机具50输出的排肥量。

另外，本实施例通过设置风机533，可利用风机533工作时产生的高速气流将肥料箱531的出肥口处的肥料吸入至排肥管534中。显然，风机533输出的气流在实现辅助排肥的同时，可防止肥料下落过程中堵塞排肥口，还可利用风机533产生的风压和风速保证肥料下落的流畅性。

如图13所示，本实施例的施肥机具50设置有第一驱动电路和第二驱动电路，控制模块通过第一驱动电路和排肥电机连接，控制模块通过第二驱动电路和风机533连接。

当控制模块获取作业区域的施肥信息时，可根据施肥信息确定排肥电机的目标转速，从而在施肥机具50到达作业区域，控制模块可通过第一驱动电路驱动排肥电机按照目标转速转动，以定量地控制施肥机具50的排肥量。

其中，排肥电机配置有编码器，编码器通过频率采集电路和控制模块连接。如此，控制模块可根据编码器反馈的转速信息，对排肥电机进行PID控制，以使得排肥电机按照目标转速转动。

与此同时，在排肥电机启动运行时，控制模块也可通过第二驱动电路控制风机533转动，以基于风机533提供的风压确保排肥管534排肥的顺畅性。

如图20所示，本实施例还提供一种如上任一项所述的大田变量施肥装置的变量施肥控制方法，包括如下步骤：

步骤201，获取作业区域的土壤的电导率信息和牵引机具的速度信息。

步骤202，将作业区域划分为多个网格，根据速度信息确定网格的位置信息，将各个网格的位置信息和电导率信息绑定，并按照作业顺序以消息队列的形式依次存储。

步骤203，在施肥机具到达目标网格的位置时，从消息队列中获取目标网格对应的电导率信息，根据目标网格的电导率信息确定对目标网格的施肥信息，控制施肥机具按照施肥信息对目标网格进行施肥。

在此应指出的是，当施肥机具从当前网格到达下一个网格的过程中，由于施肥机具设置于牵引机具的后端，施肥机具对应的排肥电机存在一定响应滞后，进而影响网格交替位置处的施肥量控制精度。为克服这一问题，在施肥控制***中加入延时补偿算法。当施肥机具距离相邻的两个网格交替位置达到预设距离（20cm）时，提前根据下一个网格所需施肥量对施肥机具的排肥电机进行调控，通过对排肥电机的超前调控，减小排肥电机滞后响应带来的施肥控制误差。

如图21所示，在施肥作业时，本实施例可根据大田变量施肥装置的作业速度对作业区域进行网格划分。例如，本实施例可将作业区域划分为12个网格，12个网格呈阵列排布，每个网格的宽度可设置为2m。在施肥过程中，牵引机具通常沿各个网格的排布方向进行直线行走，使得整套机具既可以依次对网格5、网格6、网格7和网格8进行施肥，也可以依次对网格4、网格3、网格2和网格1进行施肥，还可以依次对网格9、网格10、网格11和网格12进行施肥。

其中，上述需要进行施肥的网格称之为目标网格。例如，在图21所示的作业情形下，输肥装置位于网格5中，并正在对网格5所在区域施肥，则网格5为目标网格。

在对作业区域施肥的过程中，在牵引机具相对于目标网格移动的距离大于或等于L时，可确定施肥机具到达目标网格的位置。其中，L为电导率检测装置和施肥机具沿牵引机具的行进方向的间距。

如图21和图22所示，由于电导率检测装置设置于施肥机具的前侧，在施肥的过程中，电导率检测装置先到达目标网格，对目标网格所在区域的土壤进行电导率检测，施肥机具后到达目标网格，对目标网格所在区域进行施肥。因此，在施肥作业的过程中，本实施例在将各个网格的位置信息与各个网格的电导率信息和施肥信息绑定后，将这些信息以消息队列的形式进行存储。

在此，本实施例可利用消息队列先入先出的特点，当确定施肥机具到达目标网格的位置时，控制装置调用目标网格的电导率信息，利用下述公式获取排肥电机的目标转速，并下发给控制装置的控制模块，控制模块根据编码器反馈的转速信息，对排肥电机进行PID控制，以使得排肥电机按照目标转速转动，从而实现向目标网格所在的位置定量地施肥；当施肥机具到达下一个目标网格的位置时，重复上述操作，直至对各个网格完成施肥作业。

在施肥作业过程中，对各个网格的位置信息、电导率信息及施肥信息进行实时存储，作业结束后，利用数据分析软件生成整个作业田块内的电导率分布图和施肥量分布图。与此同时，该施肥装置还可根据整个作业田块内的电导率分布图和施肥量分布图，对后续变量施肥的效果进行评价，待完成变量施肥预设时间后，利用电导率检测装置对大田再次进行土壤电导率在线检测，根据电导率检测结果对上一次施肥作业的施肥效果做出评价。

其中，本实施例可采用下述公式获取排肥电机的目标转速N _rpm ：

上式中：v为作业速度，单位为km/h；c为施肥机具的排肥管的个数，单位为个；p为 排肥机构在排肥电机每转1圈时的施肥量，单位为g/r；L为大田变量施肥装置的作业幅宽， 单位为m；

为大田作业区域的土壤的电导率，单位为μS/cm；f ₁为电导率与施肥量之间 的换算系数。

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 (10)

1.一种大田变量施肥装置，其特征在于，包括：电导率检测装置、测速装置、牵引机具、控制装置和施肥机具；

所述电导率检测装置设于所述牵引机具的前端，所述施肥机具设于所述牵引机具的后端；所述电导率检测装置和所述测速装置分别与所述控制装置连接，所述控制装置和所述施肥机具连接；

所述电导率检测装置用于检测作业区域的土壤的电导率信息，所述测速装置用于检测所述牵引机具的速度信息；

所述控制装置根据所述电导率信息确定对所述作业区域的施肥信息，根据所述速度信息确定所述牵引机具的作业位置，在确定所述施肥机具到达所述作业区域的情形下，控制所述施肥机具按照所述施肥信息对所述作业区域进行施肥。

2.根据权利要求1所述的大田变量施肥装置，其特征在于，所述电导率检测装置包括平行四连杆机构、横梁和圆盘电极组件；

所述牵引机具的前端和所述平行四连杆机构的一端连接，所述平行四连杆机构的另一端和所述横梁连接，所述平行四连杆机构可驱动所述横梁上升或下降；所述圆盘电极组件设于所述横梁的下侧，所述平行四连杆机构和所述圆盘电极组件分别与所述控制装置连接。

3.根据权利要求2所述的大田变量施肥装置，其特征在于，所述电导率检测装置还包括：超声波传感器；

所述超声波传感器设于所述横梁上，所述超声波传感器用于检测所述圆盘电极组件当中圆盘电极的入土深度，所述超声波传感器和所述控制装置连接。

4.根据权利要求2所述的大田变量施肥装置，其特征在于，所述圆盘电极组件包括多个电极检测单元；所述多个电极检测单元成对设置于所述横梁上，每个所述电极检测单元包括第一固定臂、第一浮动臂、拉杆、缓冲弹簧和圆盘电极；

所述第一固定臂的第一端设有止挡部，所述第一浮动臂的第一端设有联动部；所述第一固定臂的第一端和所述第一浮动臂的第一端转动连接，所述第一固定臂的第二端和所述横梁连接，所述第一浮动臂的第二端和所述圆盘电极转动连接；所述拉杆穿设于所述缓冲弹簧中，所述拉杆的一端和所述缓冲弹簧的一端连接，所述缓冲弹簧的另一端抵接于所述止挡部，所述拉杆的另一端穿过所述止挡部，并与所述联动部活动连接。

5.根据权利要求2所述的大田变量施肥装置，其特征在于，所述电导率检测装置还包括：限深轮组件；

所述限深轮组件包括第二固定臂、第二浮动臂、深度调节油缸和第一限深轮；所述第二固定臂的第一端和所述横梁连接，所述第二固定臂的第二端和所述第二浮动臂的第一端转动连接，所述第二浮动臂的第二端和所述第一限深轮转动连接；所述深度调节油缸的一端和所述第二固定臂转动连接，另一端和所述第二浮动臂转动连接；所述深度调节油缸和所述控制装置连接。

6.根据权利要求2至5任一项所述的大田变量施肥装置，其特征在于，所述控制装置包括控制模块、恒流源电路模块和信号处理模块；所述控制模块和所述恒流源电路模块连接，所述恒流源电路模块和所述圆盘电极组件当中的一部分圆盘电极连接，所述圆盘电极组件当中的另一部分圆盘电极和所述信号处理模块连接，所述信号处理模块和所述控制模块连接，所述控制模块和所述施肥机具连接。

7.根据权利要求6所述的大田变量施肥装置，其特征在于，所述控制装置还包括定位模块、人机交互模块和存储模块；所述定位模块、所述人机交互模块和所述存储模块分别与所述控制模块连接。

8.根据权利要求1至5任一项所述的大田变量施肥装置，其特征在于，所述施肥机具包括三点悬挂装置、支撑架、输肥装置和施肥铲；所述三点悬挂装置和所述牵引机具的后端连接，所述支撑架和所述三点悬挂装置连接，所述输肥装置设于所述支撑架上，所述施肥铲设于所述支撑架的下侧；所述输肥装置和所述控制装置连接，以在所述控制装置的控制下向所述施肥铲所在的位置输送肥料。

9.根据权利要求8所述的大田变量施肥装置，其特征在于，所述输肥装置包括肥料箱、排肥机构、风机和排肥管；

所述排肥机构设于所述肥料箱的出肥口，所述排肥机构和所述控制装置连接，以在所述控制装置的控制下将所述肥料箱内的肥料排放至所述排肥管中；所述风机和所述排肥管的一端连通，所述排肥管的另一端延伸至所述施肥铲所在的位置。

10.一种如权利要求1至9任一项所述的大田变量施肥装置的变量施肥控制方法，其特征在于，包括：

获取作业区域的土壤的电导率信息和牵引机具的速度信息；

将所述作业区域划分为多个网格，根据所述速度信息确定所述电导率检测装置所经过的网格的位置信息，将各个所述网格的位置信息和电导率信息绑定，并按照作业顺序以消息队列的形式依次存储；

在所述施肥机具到达目标网格的位置时，从所述消息队列中获取所述目标网格对应的电导率信息，根据所述目标网格的电导率信息确定对所述目标网格的施肥信息，控制所述施肥机具按照所述施肥信息对所述目标网格进行施肥。

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