(一)技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種變量施肥調(diào)節(jié)裝置及其控制方法，屬于農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域。

(二)

背景技術(shù)：

變量施肥是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在稻麥基肥施用階段，傳統(tǒng)施肥方式是在種植區(qū)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(fèi)，造成燒種、燒苗，還會產(chǎn)生一系列環(huán)境污染等問題。因此應(yīng)根據(jù)不同地塊、不同土壤和不同作物生長環(huán)境的需要，采用變量施肥的施肥方式。

國外變量施肥機(jī)械多針對液態(tài)肥，只有少數(shù)變量施肥機(jī)型針對的是固態(tài)顆粒肥，其對固態(tài)顆粒肥的變量控制主要采用電控、液壓控制、氣動控制和機(jī)械式的無級變速等控制方式。但是由于國內(nèi)外稻麥種植的農(nóng)藝要求等不同，這些技術(shù)無法直接引進(jìn)推廣。國內(nèi)，2005年上海交通大學(xué)的劉成良教授研制成功了基于全球定位系統(tǒng)的自動播種、施肥、旋耕一體機(jī)。2007年，吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)研制設(shè)計(jì)了由變量液壓馬達(dá)實(shí)現(xiàn)變量作業(yè)的自動變量施肥機(jī)，變量液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速與其容積成反比，系統(tǒng)通過控制變量液壓馬達(dá)的容積來實(shí)現(xiàn)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速控制，實(shí)現(xiàn)變量施肥。石河子大學(xué)的張立新教授發(fā)明了一種雙變量施肥機(jī)液壓無極調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用液壓馬達(dá)改變排肥軸的轉(zhuǎn)速和軸向位移來實(shí)現(xiàn)雙變量參數(shù)控制施肥。

國內(nèi)變量施肥機(jī)械還處于試驗(yàn)研究階段，現(xiàn)有的變量機(jī)構(gòu)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(zhuǎn)速或開度(有效工作長度)，實(shí)現(xiàn)排肥量的變化，控制過程復(fù)雜，精準(zhǔn)性差并且液壓設(shè)備價(jià)格昂貴，難以在我國大范圍推廣。

(三)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有變量施肥機(jī)械中存在的問題，本發(fā)明提供了一種變量施肥調(diào)節(jié)裝置及其控制方法，該裝置具有穩(wěn)定可靠和施肥量精度高的特點(diǎn)，利用步進(jìn)電機(jī)和絲杠螺母機(jī)構(gòu)按需肥量進(jìn)行精準(zhǔn)施肥。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種變量施肥調(diào)節(jié)裝置，包括機(jī)架及固定在機(jī)架上的肥料箱、施肥執(zhí)行裝置和開度調(diào)節(jié)裝置。

所述的施肥執(zhí)行裝置包括排肥器和排肥軸。所述的排肥器多個并排設(shè)在肥料箱的下方；排肥器由排肥盒和外槽輪構(gòu)成，外槽輪安裝在排肥盒內(nèi)部且能轉(zhuǎn)動，將排肥盒內(nèi)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(zhuǎn)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(jī)的地輪連接。地輪與地面摩擦產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，進(jìn)而通過排肥軸帶動外槽輪轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動和軸向運(yùn)動，統(tǒng)一進(jìn)行施肥量變量調(diào)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)寬幅多行施肥。

所述的開度調(diào)節(jié)裝置，包括減速機(jī)構(gòu)、絲杠螺母機(jī)構(gòu)、撥片和步進(jìn)電機(jī)及其控制系統(tǒng)。所述的減速機(jī)構(gòu)安裝在排肥軸下方，固定在機(jī)架側(cè)壁上。所述的減速機(jī)構(gòu)由蝸輪、蝸桿和行星輪機(jī)構(gòu)組成，蝸桿通過聯(lián)軸器與步進(jìn)電機(jī)相連。所述蝸輪為圓環(huán)狀，內(nèi)圓周和外圓周都設(shè)有齒。所述蝸輪外圓周與蝸桿嚙合，蝸輪內(nèi)圓周上的齒和設(shè)置于內(nèi)圓周內(nèi)的若干齒輪構(gòu)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(nèi)圓周上的齒嚙合；在三個行星輪中間設(shè)有中心輪，所述中心輪分別與三個行星輪同時嚙合轉(zhuǎn)動。由步進(jìn)電機(jī)作為源動力，通過蝸桿帶動蝸輪轉(zhuǎn)動，蝸輪作為齒圈帶動三個行星輪轉(zhuǎn)動進(jìn)而使中心輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。蝸桿的導(dǎo)程角小于蝸輪輪齒之間的當(dāng)量摩擦角，使得蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)具有自鎖性，避免行進(jìn)過程中撥片因震動等原因隨意產(chǎn)生移動。

所述的絲杠螺母機(jī)構(gòu)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(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動。絲杠平行設(shè)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(shè)有螺紋孔，與絲杠配合連接。撥片與排肥軸之間通過并排設(shè)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(zhuǎn)動。由于螺旋傳動原理，撥片會隨著絲杠的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生沿著絲杠的軸向運(yùn)動，進(jìn)而帶動排肥軸做軸向運(yùn)動，從而改變外槽輪的開度對排肥量進(jìn)行調(diào)節(jié)。

所述的步進(jìn)電機(jī)及其控制系統(tǒng)包括stm32單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、步進(jìn)電機(jī)、gps定位模塊、轉(zhuǎn)速檢測模塊和紅外測距傳感器。stm32單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器和步進(jìn)電機(jī)由牽引拖拉機(jī)自帶的蓄電池經(jīng)過電源轉(zhuǎn)換模塊變壓后供電；所述的stm32單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器和gps定位模塊設(shè)置在拖拉機(jī)駕駛室內(nèi)。所述的轉(zhuǎn)速檢測模塊由霍爾傳感器和感應(yīng)轉(zhuǎn)盤組成。所述感應(yīng)轉(zhuǎn)盤為一直徑80mm的圓形鋁合金薄片，感應(yīng)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動。所述感應(yīng)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動。所述的霍爾傳感器固定在機(jī)架側(cè)壁上，霍爾傳感器探頭正對著感應(yīng)轉(zhuǎn)盤上磁鋼轉(zhuǎn)動所經(jīng)過的位置；感應(yīng)轉(zhuǎn)盤在排肥軸的帶動下產(chǎn)生轉(zhuǎn)動時，磁鋼每經(jīng)過一次霍爾傳感器探頭，霍爾傳感器會產(chǎn)生一次信號，通過單位時間內(nèi)產(chǎn)生的信號數(shù)量，即可計(jì)算出排肥軸轉(zhuǎn)速。所述的紅外測距傳感器設(shè)置在減速機(jī)構(gòu)的外殼上，使紅外測距傳感器的探頭正對著撥片，實(shí)時檢測撥片沿絲杠運(yùn)動的距離，進(jìn)而計(jì)算出外槽輪的有效工作長度。

所述的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)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(jī)上，通過gpio口將采集數(shù)據(jù)傳遞給stm32單片機(jī)。所述的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，根據(jù)減速機(jī)構(gòu)的傳動比和絲杠的導(dǎo)程，并結(jié)合步進(jìn)電機(jī)的步距角和細(xì)分，得到一個由電機(jī)脈沖數(shù)到外槽輪開度的公式，通過精確控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖來調(diào)節(jié)外槽輪開度，進(jìn)而精確控制排肥量。

基于上述結(jié)構(gòu)，本發(fā)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(jī)，啟動控制系統(tǒng)，將變量施肥處方圖導(dǎo)入單片機(jī)控制系統(tǒng)中。

步驟2：通過gps定位模塊獲取當(dāng)前位置坐標(biāo)，結(jié)合處方圖獲取當(dāng)前位置土壤需肥量信息。轉(zhuǎn)速檢測模塊實(shí)時檢測當(dāng)前排肥軸的轉(zhuǎn)速，紅外測距傳感器監(jiān)測當(dāng)前外槽輪開度l，并反饋給步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。

步驟3：控制系統(tǒng)結(jié)合當(dāng)前位置需肥量、當(dāng)前排肥軸的轉(zhuǎn)速計(jì)算出預(yù)期外槽輪開度l0，通過公式(1)計(jì)算出對應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)脈沖數(shù)m，并控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動改變外槽輪開度，進(jìn)而實(shí)時的調(diào)節(jié)施肥量。

電機(jī)脈沖數(shù)到外槽輪開度的公式如下：

式中：m――電機(jī)脈沖數(shù)，單位(個)

q――需要調(diào)節(jié)的外槽輪開度(正值則電機(jī)正轉(zhuǎn)，負(fù)值則電機(jī)反轉(zhuǎn))，單位(mm)

l0――預(yù)期外槽輪開度,單位(mm)

l――當(dāng)前外槽輪開度,單位(mm)

θ――步進(jìn)電機(jī)步距角,單位(°)

n――步進(jìn)電機(jī)細(xì)分

i――減速機(jī)構(gòu)傳動比

p――絲杠導(dǎo)程,單位(mm)

δ――回程間隙補(bǔ)償(實(shí)驗(yàn)標(biāo)定獲得)，單位(mm)

步驟4：機(jī)車行進(jìn)過程中重復(fù)步驟2、步驟3直至完成施肥作業(yè)。

本發(fā)明與現(xiàn)有變量施肥裝置相比所具有的優(yōu)點(diǎn)和有益效果是：

本發(fā)明采用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，結(jié)構(gòu)簡單，控制精度高，穩(wěn)定性好，并且相對于液壓馬達(dá)的成本低便于大范圍推廣。本發(fā)明中加入了行星輪減速機(jī)構(gòu)，增加了扭矩，減輕了步進(jìn)電機(jī)的負(fù)荷，提高變量施肥裝置的動態(tài)精度。選取合適的蝸輪蝸桿和絲杠，具有自鎖功能，將機(jī)構(gòu)的運(yùn)動限定為只能由蝸桿帶動蝸輪運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)動精準(zhǔn)控制排肥軸的軸向運(yùn)動，且無失步現(xiàn)象，防止震動等情況影響排肥精度。

(四)附圖說明

圖1是本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)主視圖

圖2是本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)左視圖

圖3是排肥器結(jié)構(gòu)主視圖

圖4排肥器結(jié)構(gòu)左視圖

圖5蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

圖6是撥片結(jié)構(gòu)主視圖

圖7撥片結(jié)構(gòu)左視圖

圖8控制系統(tǒng)原理圖

圖中：1.肥料箱2.機(jī)架側(cè)壁3.霍爾傳感器4.感應(yīng)轉(zhuǎn)盤5.磁鋼6.排肥軸7.石墨軸套8.減速機(jī)構(gòu)9.聯(lián)軸器10.步進(jìn)電機(jī)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(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，詳細(xì)說明一下本發(fā)明的具體實(shí)施方式。以下具體實(shí)施方式用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

實(shí)施例1：

如圖1所示，本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)由肥料箱1、機(jī)架2、石墨軸套7、排肥軸6、減速機(jī)構(gòu)8、聯(lián)軸器9、步進(jìn)電機(jī)10、絲杠12、撥片13、排肥盒14、外槽輪15等幾部分構(gòu)成。

肥料箱1、減速機(jī)構(gòu)8和步進(jìn)電機(jī)10固定在機(jī)架側(cè)壁2上。排肥軸6通過石墨軸套7與機(jī)架側(cè)壁相連，既不影響排肥軸的轉(zhuǎn)動，又不影響軸向運(yùn)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(shè)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(yùn)動而運(yùn)動。所述的排肥軸6的轉(zhuǎn)動由地輪帶動，本裝置變量調(diào)節(jié)只是對外槽輪15的開度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

所述的減速機(jī)構(gòu)8由蝸輪18、蝸桿17和行星輪機(jī)構(gòu)結(jié)合做成，蝸桿17通過聯(lián)軸器9與步進(jìn)電機(jī)10相連。蝸輪18外圈與蝸桿17嚙合，內(nèi)部則包含一個行星齒輪系。所述的蝸輪18外圈齒數(shù)z1為48齒，蝸桿17頭數(shù)z2為2頭，蝸輪18內(nèi)圈齒數(shù)z3為45齒，中心輪20和行星輪21的齒數(shù)z4都是15齒，則減速機(jī)構(gòu)的減速比為i＝(z2×z4)/(z1×z3)＝8。整個機(jī)構(gòu)起到減速增扭的作用，減小步進(jìn)電機(jī)的負(fù)荷。蝸桿17的導(dǎo)程角小于蝸輪輪齒間的當(dāng)量摩擦角，這樣機(jī)構(gòu)具有自鎖性，不會因?yàn)檎饎拥仍蚋淖兣欧瘦嗛_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(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)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?qū)ε欧瘦S施加軸向推力，又不會影響排肥軸的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動產(chǎn)生沿著絲杠的軸向運(yùn)動，進(jìn)而帶動排肥軸6做軸向運(yùn)動，從而改變外槽輪15的開度對排肥量進(jìn)行調(diào)節(jié)。

如圖5所示，所述的步進(jìn)電機(jī)及其控制系統(tǒng)包括電源模塊、stm32單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、步進(jìn)電機(jī)、gps定位模塊、轉(zhuǎn)速檢測模塊和紅外測距傳感器。所述的stm32單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、步進(jìn)電機(jī)、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(jī)自帶的蓄電池和若干電源轉(zhuǎn)換模塊構(gòu)成。所述的蓄電池經(jīng)過電源轉(zhuǎn)換模塊變壓，給stm32單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器和步進(jìn)電機(jī)供電。所述的stm32單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器和gps定位模塊設(shè)置在拖拉機(jī)駕駛室內(nèi)。所述的步進(jìn)電機(jī)采用普菲德86byg250h型步進(jìn)電機(jī)，最大能夠輸出12.5n.m的扭矩，步距角為1.8°，所述步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器采用與步進(jìn)電機(jī)配套的普菲德ma860h驅(qū)動器。所述的轉(zhuǎn)速檢測模塊由霍爾傳感器和感應(yīng)轉(zhuǎn)盤組成。所述感應(yīng)轉(zhuǎn)盤為直徑80mm的圓形鋁合金薄片，感應(yīng)轉(zhuǎn)盤和排肥軸同軸心，固定在排肥軸左端，隨著排肥軸的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動。所述感應(yīng)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動。所述的霍爾傳感器探頭正對著感應(yīng)轉(zhuǎn)盤上的磁鋼轉(zhuǎn)動所經(jīng)過的位置，固定在機(jī)架側(cè)壁上。感應(yīng)轉(zhuǎn)盤在排肥軸的帶動下產(chǎn)生轉(zhuǎn)動時，磁鋼每經(jīng)過一次傳感器探頭，傳感器會產(chǎn)生一次信號，通過單位時間內(nèi)產(chǎn)生的信號數(shù)量，即可計(jì)算出排肥軸轉(zhuǎn)速。所述的紅外測距傳感器設(shè)置在減速機(jī)構(gòu)的外殼上，使紅外測距傳感器的探頭正對著撥片，實(shí)時檢測撥片沿絲杠運(yùn)動的距離，進(jìn)而計(jì)算出外槽輪的開度。

所述的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)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(jī)上，通過gpio口將采集數(shù)據(jù)傳遞給單片機(jī)。所述的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，根據(jù)減速機(jī)構(gòu)的傳動比和絲杠的導(dǎo)程，并結(jié)合步進(jìn)電機(jī)的步距角和細(xì)分，得到一個由電機(jī)脈沖數(shù)到外槽輪開度的公式，通過精確控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖來調(diào)節(jié)外槽輪開度，進(jìn)而精確控制排肥量。

所述的步進(jìn)電機(jī)脈沖數(shù)到外槽輪開度的公式如下：

式中：m――電機(jī)脈沖數(shù)

q――需要調(diào)節(jié)的外槽輪開度(正值則電機(jī)正轉(zhuǎn)，負(fù)值則電機(jī)反轉(zhuǎn))

l0――預(yù)期外槽輪開度

l――當(dāng)前外槽輪開度

θ――步進(jìn)電機(jī)步距角

n――步進(jìn)電機(jī)細(xì)分

i――減速機(jī)構(gòu)傳動比

p――絲杠導(dǎo)程

δ――回程間隙補(bǔ)償(需要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定)

實(shí)施例2：

基于實(shí)施例1所述結(jié)構(gòu)，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(jī)，啟動控制系統(tǒng)，將變量施肥處方圖導(dǎo)入單片機(jī)控制系統(tǒng)中。

步驟2：通過gps定位模塊獲取當(dāng)前位置坐標(biāo)，結(jié)合處方圖獲取當(dāng)前位置土壤需肥量信息。轉(zhuǎn)速檢測模塊實(shí)時檢測當(dāng)前排肥軸的轉(zhuǎn)速，紅外測距傳感器監(jiān)測當(dāng)前外槽輪開度l，并反饋給步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。

步驟3：控制系統(tǒng)結(jié)合當(dāng)前位置需肥量、當(dāng)前排肥軸的轉(zhuǎn)速計(jì)算出預(yù)期外槽輪開度l0，通過公式(1)計(jì)算出對應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)脈沖數(shù)m，并控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動改變外槽輪開度，進(jìn)而實(shí)時的調(diào)節(jié)施肥量。

步驟4：機(jī)車行進(jìn)過程中重復(fù)步驟2、步驟3直至完成施肥作業(yè)。

上述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，在不脫離本發(fā)明的構(gòu)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(shù)方案也屬于本發(fā)明的范疇。