一種變量施肥調節裝置及其控制方法與流程

(一)技術領域

本發明涉及一種變量施肥調節裝置及其控制方法，屬于農業機械技術領域。

(二)

背景技術：

變量施肥是精準農業中的關鍵環節。在稻麥基肥施用階段，傳統施肥方式是在種植區大面積施用等量的肥料，但不同地塊土壤肥力情況不同，施用相同劑量的肥料，會造成很大浪費，造成燒種、燒苗，還會產生一系列環境污染等問題。因此應根據不同地塊、不同土壤和不同作物生長環境的需要，采用變量施肥的施肥方式。

國外變量施肥機械多針對液態肥，只有少數變量施肥機型針對的是固態顆粒肥，其對固態顆粒肥的變量控制主要采用電控、液壓控制、氣動控制和機械式的無級變速等控制方式。但是由于國內外稻麥種植的農藝要求等不同，這些技術無法直接引進推廣。國內，2005年上海交通大學的劉成良教授研制成功了基于全球定位系統的自動播種、施肥、旋耕一體機。2007年，吉林農業大學研制設計了由變量液壓馬達實現變量作業的自動變量施肥機，變量液壓馬達的轉速與其容積成反比，系統通過控制變量液壓馬達的容積來實現液壓馬達轉速控制，實現變量施肥。石河子大學的張立新教授發明了一種雙變量施肥機液壓無極調速系統，該系統利用液壓馬達改變排肥軸的轉速和軸向位移來實現雙變量參數控制施肥。

國內變量施肥機械還處于試驗研究階段，現有的變量機構大多采用液壓來控制外槽輪式排肥器，通過控制外槽輪的轉速或開度(有效工作長度)，實現排肥量的變化，控制過程復雜，精準性差并且液壓設備價格昂貴，難以在我國大范圍推廣。

(三)

技術實現要素：

為了解決現有變量施肥機械中存在的問題，本發明提供了一種變量施肥調節裝置及其控制方法，該裝置具有穩定可靠和施肥量精度高的特點，利用步進電機和絲杠螺母機構按需肥量進行精準施肥。

本發明采用的技術方案如下：

一種變量施肥調節裝置，包括機架及固定在機架上的肥料箱、施肥執行裝置和開度調節裝置。

所述的施肥執行裝置包括排肥器和排肥軸。所述的排肥器多個并排設在肥料箱的下方；排肥器由排肥盒和外槽輪構成，外槽輪安裝在排肥盒內部且能轉動，將排肥盒內的肥料帶動排出。所述的外槽輪與排肥軸同軸固定在排肥軸上，外槽輪與排肥軸同向轉動。所述的排肥軸安裝在肥料箱的下方，排肥軸通過鏈條與排肥機的地輪連接。地輪與地面摩擦產生轉動，進而通過排肥軸帶動外槽輪轉動。多個排肥器中的外槽輪同時固定在同一個排肥軸上，使得排肥軸同時控制多個外槽輪轉動和軸向運動，統一進行施肥量變量調節，能夠實現寬幅多行施肥。

所述的開度調節裝置，包括減速機構、絲杠螺母機構、撥片和步進電機及其控制系統。所述的減速機構安裝在排肥軸下方，固定在機架側壁上。所述的減速機構由蝸輪、蝸桿和行星輪機構組成，蝸桿通過聯軸器與步進電機相連。所述蝸輪為圓環狀，內圓周和外圓周都設有齒。所述蝸輪外圓周與蝸桿嚙合，蝸輪內圓周上的齒和設置于內圓周內的若干齒輪構成行星齒輪系。所述行星齒輪系包括一個中心輪和三個行星輪，三個行星輪沿中心輪圓周以120°為間隔均勻布置；所述的三個行星輪與蝸輪內圓周上的齒嚙合；在三個行星輪中間設有中心輪，所述中心輪分別與三個行星輪同時嚙合轉動。由步進電機作為源動力，通過蝸桿帶動蝸輪轉動，蝸輪作為齒圈帶動三個行星輪轉動進而使中心輪產生轉動。蝸桿的導程角小于蝸輪輪齒之間的當量摩擦角，使得蝸輪蝸桿機構具有自鎖性，避免行進過程中撥片因震動等原因隨意產生移動。

所述的絲杠螺母機構包括絲杠和撥片。所述的絲杠一端通過鍵與所述的中心輪連接，絲杠能隨著中心輪的轉動而轉動。絲杠平行設置在排肥軸下方。所述撥片的一端與排肥軸相連；撥片的另一端設有螺紋孔，與絲杠配合連接。撥片與排肥軸之間通過并排設置的兩個止推軸承連接，兩個止推軸承反向安裝，分別對排肥軸施加兩個相反方向的軸向推力，且不會影響排肥軸的轉動。由于螺旋傳動原理，撥片會隨著絲杠的轉動產生沿著絲杠的軸向運動，進而帶動排肥軸做軸向運動，從而改變外槽輪的開度對排肥量進行調節。

所述的步進電機及其控制系統包括stm32單片機、步進電機驅動器、步進電機、gps定位模塊、轉速檢測模塊和紅外測距傳感器。stm32單片機、步進電機驅動器和步進電機由牽引拖拉機自帶的蓄電池經過電源轉換模塊變壓后供電；所述的stm32單片機、步進電機驅動器和gps定位模塊設置在拖拉機駕駛室內。所述的轉速檢測模塊由霍爾傳感器和感應轉盤組成。所述感應轉盤為一直徑80mm的圓形鋁合金薄片，感應轉盤和排肥軸的軸心同心固定在排肥軸左端，隨著排肥軸的轉動而轉動。所述感應轉盤邊緣固定有一塊直徑為10mm的圓形磁鋼，磁鋼隨著圓盤的轉動而轉動。所述的霍爾傳感器固定在機架側壁上，霍爾傳感器探頭正對著感應轉盤上磁鋼轉動所經過的位置；感應轉盤在排肥軸的帶動下產生轉動時，磁鋼每經過一次霍爾傳感器探頭，霍爾傳感器會產生一次信號，通過單位時間內產生的信號數量，即可計算出排肥軸轉速。所述的紅外測距傳感器設置在減速機構的外殼上，使紅外測距傳感器的探頭正對著撥片，實時檢測撥片沿絲杠運動的距離，進而計算出外槽輪的有效工作長度。

所述的步進電機驅動器、gps定位模塊、霍爾傳感器和紅外測距傳感器通過gpio口連接到stm32單片機上，通過gpio口將采集數據傳遞給stm32單片機。所述的步進電機控制系統，根據減速機構的傳動比和絲杠的導程，并結合步進電機的步距角和細分，得到一個由電機脈沖數到外槽輪開度的公式，通過精確控制步進電機的脈沖來調節外槽輪開度，進而精確控制排肥量。

基于上述結構，本發明提出了一種變量施肥控制方法，具體步驟如下：

步驟1：在肥料箱中加滿肥料，啟動拖拉機，啟動控制系統，將變量施肥處方圖導入單片機控制系統中。

步驟2：通過gps定位模塊獲取當前位置坐標，結合處方圖獲取當前位置土壤需肥量信息。轉速檢測模塊實時檢測當前排肥軸的轉速，紅外測距傳感器監測當前外槽輪開度l，并反饋給步進電機控制系統。

步驟3：控制系統結合當前位置需肥量、當前排肥軸的轉速計算出預期外槽輪開度l0，通過公式(1)計算出對應的步進電機脈沖數m，并控制步進電機轉動改變外槽輪開度，進而實時的調節施肥量。

電機脈沖數到外槽輪開度的公式如下：

式中：m――電機脈沖數，單位(個)

q――需要調節的外槽輪開度(正值則電機正轉，負值則電機反轉)，單位(mm)

l0――預期外槽輪開度,單位(mm)

l――當前外槽輪開度,單位(mm)

θ――步進電機步距角,單位(°)

n――步進電機細分

i――減速機構傳動比

p――絲杠導程,單位(mm)

δ――回程間隙補償(實驗標定獲得)，單位(mm)

步驟4：機車行進過程中重復步驟2、步驟3直至完成施肥作業。

本發明與現有變量施肥裝置相比所具有的優點和有益效果是：

本發明采用步進電機進行控制，結構簡單，控制精度高，穩定性好，并且相對于液壓馬達的成本低便于大范圍推廣。本發明中加入了行星輪減速機構，增加了扭矩，減輕了步進電機的負荷，提高變量施肥裝置的動態精度。選取合適的蝸輪蝸桿和絲杠，具有自鎖功能，將機構的運動限定為只能由蝸桿帶動蝸輪運動，實現步進電動機轉動精準控制排肥軸的軸向運動，且無失步現象，防止震動等情況影響排肥精度。

(四)附圖說明

圖1是本發明整體結構主視圖

圖2是本發明整體結構左視圖

圖3是排肥器結構主視圖

圖4排肥器結構左視圖

圖5蝸輪蝸桿減速機構結構圖

圖6是撥片結構主視圖

圖7撥片結構左視圖

圖8控制系統原理圖

圖中：1.肥料箱2.機架側壁3.霍爾傳感器4.感應轉盤5.磁鋼6.排肥軸7.石墨軸套8.減速機構9.聯軸器10.步進電機11.紅外測距傳感器12.絲杠13.撥片14.排肥盒15.外槽輪16.減速裝置外殼17.蝸桿18.蝸輪19.絲杠20.中心輪21.行星輪22.行星架23.撥片框架24.止推軸承25.撥片螺紋

(五)具體實施方式

下面結合附圖，詳細說明一下本發明的具體實施方式。以下具體實施方式用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。

實施例1：

如圖1所示，本發明的整體結構由肥料箱1、機架2、石墨軸套7、排肥軸6、減速機構8、聯軸器9、步進電機10、絲杠12、撥片13、排肥盒14、外槽輪15等幾部分構成。

肥料箱1、減速機構8和步進電機10固定在機架側壁2上。排肥軸6通過石墨軸套7與機架側壁相連，既不影響排肥軸的轉動，又不影響軸向運動。絲杠12與排肥軸6平行安裝，使得撥片13沿絲杠軸向移動的時候能夠帶動排肥軸做軸向移動。排肥盒14設置在肥料箱下方；外槽輪15固定在排肥軸上與排肥軸形成一個整體，隨著排肥軸的運動而運動。所述的排肥軸6的轉動由地輪帶動，本裝置變量調節只是對外槽輪15的開度進行調節。

所述的減速機構8由蝸輪18、蝸桿17和行星輪機構結合做成，蝸桿17通過聯軸器9與步進電機10相連。蝸輪18外圈與蝸桿17嚙合，內部則包含一個行星齒輪系。所述的蝸輪18外圈齒數z1為48齒，蝸桿17頭數z2為2頭，蝸輪18內圈齒數z3為45齒，中心輪20和行星輪21的齒數z4都是15齒，則減速機構的減速比為i＝(z2×z4)/(z1×z3)＝8。整個機構起到減速增扭的作用，減小步進電機的負荷。蝸桿17的導程角小于蝸輪輪齒間的當量摩擦角，這樣機構具有自鎖性，不會因為震動等原因改變排肥輪開度。所述的行星齒輪系中的中心輪20通過鍵與絲杠12連接，使絲杠隨著中心輪的轉動而轉動。所述的絲杠12螺距為4mm。

所述的撥片13分為兩端，一端與排肥軸6相連；另一端有螺紋孔，與絲杠12配合。撥片13與排肥軸6相連的一端用止推軸承24連接，能夠對排肥軸施加軸向推力，又不會影響排肥軸的轉動。撥片與絲杠12配合的一端由于螺旋傳動原理，會隨著絲杠的轉動產生沿著絲杠的軸向運動，進而帶動排肥軸6做軸向運動，從而改變外槽輪15的開度對排肥量進行調節。

如圖5所示，所述的步進電機及其控制系統包括電源模塊、stm32單片機、步進電機驅動器、步進電機、gps定位模塊、轉速檢測模塊和紅外測距傳感器。所述的stm32單片機、步進電機驅動器、步進電機、gps定位模塊和紅外測距傳感器均可在市場購買獲得。所述的電源模塊由牽引拖拉機自帶的蓄電池和若干電源轉換模塊構成。所述的蓄電池經過電源轉換模塊變壓，給stm32單片機、步進電機驅動器和步進電機供電。所述的stm32單片機、步進電機驅動器和gps定位模塊設置在拖拉機駕駛室內。所述的步進電機采用普菲德86byg250h型步進電機，最大能夠輸出12.5n.m的扭矩，步距角為1.8°，所述步進電機驅動器采用與步進電機配套的普菲德ma860h驅動器。所述的轉速檢測模塊由霍爾傳感器和感應轉盤組成。所述感應轉盤為直徑80mm的圓形鋁合金薄片，感應轉盤和排肥軸同軸心，固定在排肥軸左端，隨著排肥軸的轉動而轉動。所述感應轉盤邊緣上固定有一塊直徑為10mm的圓形磁鋼，磁鋼隨著圓盤的轉動而轉動。所述的霍爾傳感器探頭正對著感應轉盤上的磁鋼轉動所經過的位置，固定在機架側壁上。感應轉盤在排肥軸的帶動下產生轉動時，磁鋼每經過一次傳感器探頭，傳感器會產生一次信號，通過單位時間內產生的信號數量，即可計算出排肥軸轉速。所述的紅外測距傳感器設置在減速機構的外殼上，使紅外測距傳感器的探頭正對著撥片，實時檢測撥片沿絲杠運動的距離，進而計算出外槽輪的開度。

所述的步進電機驅動器、gps定位模塊、霍爾傳感器和紅外測距傳感器通過gpio口連接到單片機上，通過gpio口將采集數據傳遞給單片機。所述的步進電機控制系統，根據減速機構的傳動比和絲杠的導程，并結合步進電機的步距角和細分，得到一個由電機脈沖數到外槽輪開度的公式，通過精確控制步進電機的脈沖來調節外槽輪開度，進而精確控制排肥量。

所述的步進電機脈沖數到外槽輪開度的公式如下：

式中：m――電機脈沖數

q――需要調節的外槽輪開度(正值則電機正轉，負值則電機反轉)

l0――預期外槽輪開度

l――當前外槽輪開度

θ――步進電機步距角

n――步進電機細分

i――減速機構傳動比

p――絲杠導程

δ――回程間隙補償(需要實驗數據進行標定)

實施例2：

基于實施例1所述結構，提出了一種變量施肥控制方法，具體步驟如下：

步驟1：在肥料箱中加滿肥料，啟動拖拉機，啟動控制系統，將變量施肥處方圖導入單片機控制系統中。

步驟2：通過gps定位模塊獲取當前位置坐標，結合處方圖獲取當前位置土壤需肥量信息。轉速檢測模塊實時檢測當前排肥軸的轉速，紅外測距傳感器監測當前外槽輪開度l，并反饋給步進電機控制系統。

步驟3：控制系統結合當前位置需肥量、當前排肥軸的轉速計算出預期外槽輪開度l0，通過公式(1)計算出對應的步進電機脈沖數m，并控制步進電機轉動改變外槽輪開度，進而實時的調節施肥量。

步驟4：機車行進過程中重復步驟2、步驟3直至完成施肥作業。

上述僅為本發明的具體實施方式，在不脫離本發明的構思和范圍的情況下做出的各種變化和變型、所有等同的技術方案也屬于本發明的范疇。