CN105248015B - 一种果园对靶变量环形开沟施肥装置 - Google Patents
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Abstract
一种果园对靶变量环形开沟施肥装置，包括液压传动系统、环形开沟施肥装置、传感器探测系统和控制器，液压传动系统带动环形开沟施肥装置实现开沟铲按照开沟轨迹运动；环形开沟施肥装置针对果树靶标进行半环形开沟、肥量控制和覆土；传感器探测系统获取施肥机行驶速度、果树与施肥机相对位置和树冠宽度信息；控制器设置每棵果树排肥量信息，处理传感器探测系统探测信息，计算开沟轨迹和排肥速率，控制环形开沟施肥装置沿开沟轨迹进行环形开沟和沿环形沟均匀施肥；本发明根据施肥量设置和传感器探测系统获取的信息，计算对靶开沟轨迹和排肥速率，实现施肥机连续行驶中针对果树靶标的半环形开沟，并沿开沟轨迹均匀施肥，增大了肥料利用率及作业效率。
Description
技术领域
本发明属于农业机械技术领域，特别涉及一种果园对靶变量环形开沟施肥装置。
背景技术
现代果园管理中，施肥成为促进果树产量的一个重要环节。果园施肥作业中大多采用挖穴施肥、条开沟施肥、放射开沟施肥和环状开沟施肥的方法，环状开沟施肥具有将肥料沿果树根系均匀分布和促使植物根系生长匀称的优点，被广大果农们采用。但果园的环状开沟施肥基本上采用人工挖穴后将肥料撒施再覆盖的方式，劳动强度大，作业效率较低。由于机械化作业过程中，果树与施肥机相对位置难以确定、环形开沟半径难以调整和果树环形开沟装置缺乏等综合性技术难题，目前国内仍未出现针对果园进行对靶环形开沟施肥作业的智能机械化装置。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种果园对靶变量环形开沟施肥装置，采用液压传动系统、环形开沟施肥装置、传感器探测系统和控制器，施肥机沿行向连续行驶时，可根据果树位置和树型大小自动调整半环形开沟位置和开沟半径，通过排肥器转速和排肥速率的关系，沿环形开沟半径均匀施肥，并完成覆土，提高了肥料的利用效率，为果园对靶环形开沟施肥机械提供了一种解决办法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种果园对靶变量环形开沟施肥装置，包括液压传动系统、环形开沟施肥装置、传感器探测系统和控制器4，其特征在于，
所述液压传动系统包括液压油箱2，设置于拖拉机1前端，通过过滤器33向液压泵24供油，液压泵24由拖拉机1的发动机25提供动力，通过溢流阀32进行限压保护，流经开停阀34通过分流器21向四个3位4通电磁换向阀22供油，调整电磁换向阀22的油路流向，向左右两侧水平位移液压缸9、竖直位移液压缸8供油，分别用于开沟位置和开沟深度的调整，水平位移液压缸9连接竖直导轨15，竖直导轨15前端水平横梁在水平导轨29内运动，末端安装竖直位移液压缸8，竖直位移液压缸8连接竖直伸缩臂14，在竖直导轨15末端竖直导轨内移动；
所述环形开沟施肥装置包括肥箱5、排肥装置和开沟装置，经连接轴3由拖拉机1牵引，所述肥箱5后部固定有排肥装置，排肥装置包括排肥器6，由驱动电机16提供动力，排肥器6的肥料经导肥管7进入开沟装置，开沟装置包括开沟铲11和开沟铲11后侧的覆土板10；
所述传感器探测系统包括施肥机行驶速度探测装置和果树靶标探测装置；
所述控制器4设置于肥箱5前端，以单片机为控制核心，用于设置单棵果树排肥量信息，接收传感器探测系统的信息，计算施肥机行进速度信息、果树与施肥机相对位置和树冠宽度信息，获得开沟轨迹和排肥速率，控制驱动电机16的转速以调节排肥速率，控制电磁换向阀22实现水平位移液压缸9和竖直位移液压缸8伸缩运动，带动开沟铲11沿开沟轨迹运动。
所述水平位移液压缸9为多级伸缩式液压缸，以增大环形开沟半径，使安装结构紧凑。
所述水平导轨29上安装有直线位移传感器30，直线位移传感器30的探测拉杆跟随竖直导轨15的水平横梁移动，用于反馈水平方向伸缩距离信息。
所述开沟铲11上端设有开沟铲连接套筒12，通过万向轴13与竖直伸缩臂14下端面连接，实现绕竖直伸缩臂14自由转动。
所述开沟铲11与开沟铲连接套筒12下端安装有限位座30，相差180°安装于开沟铲11两侧，使开沟铲11在施肥机行进方向±90°的范围内转动。
所述开沟铲11与开沟铲连接套筒12通过向一侧倾斜的连接臂连接，使开沟铲11以万向轴13为中心产生力矩，当开沟铲11受力时铲尖自动指向实际运动速度方向。
所述施肥机行驶速度探测装置包括速度传感器20和若干个探测点19，探测点19均匀分布于支撑轮17的转轴18上，探测点19每靠近一次速度传感器20即产生一次脉冲信号，实现施肥机速度检测；果树靶标探测装置包括固定于拖拉机1前端的传感器固定杆26、用于果树冠层探测的超声波传感器28和用于树干探测的果树红外测距传感器27，实现果树靶标信息获取。
所述超声波传感器28和红外测距传感器27扩展为多个，以提高探测系统的探测精度及适用范围。
所述控制器4中排肥量信息为人为输入信息。
所述控制器4连接排肥器6的驱动电机16，控制驱动电机16转速变化从而改变排肥器6排肥速率的改变，在设定排肥量不变的情况下根据环形开沟半径的变化，进行排肥速率的调控，实现在环形开沟范围内均匀的将所需排肥量排出。
本发明与现有施肥机相比，由于设有可随施肥机行进速度和水平伸缩速度的合速度自动变化转向的环形开沟装置，综合变量施肥和对靶施肥技术，能够实现施肥机沿果园果树行向行驶过程中有针对性的间接半环形开沟均匀施肥，为果园环形开沟施肥提供了一种机械化的解决方案，有利于果树对肥料的充分吸收，增大了现有环形开沟施肥方案的作业效率。
附图说明
图1为本发明整机结构正视图。
图2为本发明整体结构左视图。
图3为本发明液压传动系统简图。
图4为本发明果树靶标探测装置信息采集示意图。
图中附图标记的含义：
1-拖拉机；2-液压油箱；3-连接轴；4-控制器；5-肥箱；6-排肥器；7-导肥管；8-竖直位移液压缸；9-水平位移液压缸；10-覆土板；11-开沟铲；12-开沟铲连接套筒；13-万向轴；14-竖直伸缩臂；15-竖直导轨；16-驱动电机；17-支撑轮；18-转轴；19-探测点；20-速度传感器；21-分流器；22-电磁换向阀；23-油管；24-液压泵；25-发动机；26-传感器固定杆；27-红外测距传感器；28-超声波传感器；29-水平导轨；30-直线位移传感器；31-限位座；32-溢流阀；33-过滤器；34-开停阀。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1、图2和图3所示，为本实施例提供一种果园对靶变量环形开沟施肥装置，包括液压传动系统、环形开沟施肥装置、传感器探测系统和控制器4。
其中，液压传动系统包括液压油箱2，设置于拖拉机1前端，通过过滤器33向液压泵24供油，液压泵24由拖拉机1发动机25经变速装置提供动力，通过油管23经溢流阀32进行限压保护，流经开停阀34通过分流器21向四个3位4通电磁换向阀22供油，调整电磁换向阀22的油路流向，向左右两侧水平位移液压缸9、竖直位移液压缸8供油。水平位移液压缸9为多级伸缩式液压缸，增大了环形开沟半径，并使安装结构紧凑。水平位移液压缸9连接竖直导轨15，竖直导轨15前端水平横梁在水平导轨29内运动，水平导轨29固定在拖拉机机架上，水平导轨29上安装有直线位移传感器30，可选用电阻式位移传感器，直线位移传感器30的探测拉杆跟随竖直导轨15的水平横梁移动，用于实时反馈水平方向伸缩距离信息。竖直导轨15末端安装竖直位移液压缸8，竖直位移液压缸8连接竖直伸缩臂14，在竖直导轨15末端竖直导轨内移动。
其中，环形开沟施肥装置包括肥箱5、排肥装置和开沟装置，经连接轴3由拖拉机1牵引，所述肥箱5后部固定有排肥装置，排肥装置包括排肥器6，由驱动电机16提供动力，排肥器可为外槽轮排肥器，要求槽轮体积较小，从而获得较小肥量变化的最小单位，通过扩大排肥轮转速的调节范围可以实现沿半环形开沟均匀的施肥，肥料经导肥管7进入开沟装置，开沟装置包括开沟铲11和后侧的覆土板10，开沟铲11上端设有开沟铲连接套筒12，通过万向轴13与竖直伸缩臂14下端面连接，沟铲11与开沟铲连接套筒12下端安装有限位座30，相差180°安装于开沟铲11两侧，开沟铲11与开沟铲连接套筒12通过向一侧倾斜的连接臂连接，使开沟铲11以万向轴13为中心产生力矩，从而开沟铲11受力时自动铲尖指向实际运动速度方向，能够绕竖直伸缩臂14在与施肥机行进方向±90°范围内自由转动，覆土板10沿施肥机行进方向成外扩角形状，能够将开沟土壤收拢，用于覆土。
其中，传感器探测系统包括施肥机行驶速度探测装置和果树靶标探测装置，所述施肥机行驶速度探测装置包括速度传感器20和若干个探测点19，探测点19均匀分布于支撑轮17的转轴18上，探测点19每靠近一次速度传感器20即产生一次脉冲信号，通过计算两个脉冲信号之间的时间间隔获得施肥机行进速度，果树靶标探测装置包括固定于拖拉机1前端的传感器固定杆26、超声波传感器28和红外测距传感器27，超声波传感器28探测范围广，红外测距传感器27探测位置精准，分别用于果树冠层和树干探测，提高探测系统的探测精度及适用范围，可扩展为多个。
其中，控制器4设置于肥箱5前端，以单片机为处理核心，用于设置每棵果树排肥量信息，接收传感器探测系统的信息，计算施肥机行进速度信息、果树与施肥机相对位置和树冠宽度信息，树冠宽度信息乘以经验值即作为果树半圆形开沟轨迹半径，获得排肥速率信息，控制驱动电机16的转速以调节排肥速率，控制电磁换向阀22实现水平位移液压缸9和竖直位移液压缸8伸缩运动，带动开沟铲11的开沟位置沿开沟轨迹运动。控制器4连接电磁换向阀22，根据环形开沟轨迹，并通过直线位移传感器30实时反馈水平液压缸9伸缩距离，进行闭环控制，控制水平位移液压缸9伸缩距离，根据施肥机行进速度信息得出水平位移液压缸9伸缩的速度和竖直位移液压缸8伸缩的位置，带动开沟铲11实现开沟半径和开沟位置的调节。控制器4能够人为输入排肥量信息，连接排肥器6驱动电机16，控制驱动电机16转速变化从而带动排肥器6排肥速率的改变，在设定排肥量不变的情况下根据环形开沟半径的变化，进行排肥速率的调整，实现在环形开沟范围内均匀的将所需排肥量排出。
如图4所示，为传感器探测系统信息采集示意图，图中v为施肥机行进速度方向，圆O为超声波传感器28探测果树树冠的某一截面，当超声波传感器28发出超声波探测到果树伸展枝条时即返回距离信号，随着施肥机的行进，根据果树枝条变化情况，距离信号随之发生变化，选取距离信号最短的距离值L1为最终值，多个超声波传感器28探测信号时，以所有数据最小L1值为准。红外测距传感器27探测主干得到施肥机距离果树中心O距离值L，则认为树冠宽度直径d＝2*(L-L1)，根据树冠宽度乘以经验值作为系数得出环形开沟半径和开沟位置，控制竖直位移液压缸8和水平位移液压缸9伸缩，带动开沟铲11按照所求开沟轨迹进行开沟，因果树类型和果园管理等因素差异，上述传感器探测信息采集方法作为参考可做出相应调整以获得开沟轨迹，利用上述环形开沟施肥装置，实现环形开沟施肥。
本发明的工作过程如下：
根据果树树形情况，调整红外测距传感器27至探测果树树干高度位置，超声波传感器28至果树树冠的高度位置，启动控制器4，设置每棵果树的排肥量信息，开动拖拉机1沿果树行中心方向行驶，通过超声波传感器28获得果树树冠宽度，红外测距传感器27获得果树中心位置及施肥机距离树干中心的距离，速度传感器20探测获得施肥机行进速度，控制器4计算获得开沟轨迹，控制竖直位移液压缸8外伸完成开沟铲的入土，结合直线位移传感器30获得的水平位移液压缸9的伸缩距离，控制水平位移液压缸9沿开沟轨迹移动，开沟铲11根据所受力矩方向自动转动进行环形开沟，根据每棵果树施肥量除以开沟轨迹长度得到的单位距离施肥量信息，控制驱动电机16带动排肥器6进行转速的调节，沿环形开沟均匀施肥，开沟完成后，控制竖直位移液压缸8方向运动，实现开沟铲11的出土操作，完成一次对靶变量环形开沟施肥，循环运行至其他果树进行环形开沟施肥操作。
Claims (9)
1.一种果园对靶变量环形开沟施肥装置，包括液压传动系统、环形开沟施肥装置、传感器探测系统和控制器(4)，其特征在于，
所述液压传动系统包括液压油箱(2)，设置于拖拉机(1)前端，通过过滤器(33)向液压泵(24)供油，液压泵(24)由拖拉机(1)的发动机(25)提供动力，通过溢流阀(32)进行限压保护，流经开停阀(34)通过分流器(21)向四个3位4通电磁换向阀(22)供油，调整电磁换向阀(22)的油路流向，向左右两侧水平位移液压缸(9)用于开沟位置的调整，向竖直位移液压缸(8)供油用于开沟深度的调整，水平位移液压缸(9)连接竖直导轨(15)，竖直导轨(15)前端水平横梁在水平导轨(29)内运动，末端安装竖直位移液压缸(8)，竖直位移液压缸(8)连接竖直伸缩臂(14)，在竖直导轨(15)末端竖直导轨内移动；
所述环形开沟施肥装置包括肥箱(5)、排肥装置和开沟装置，经连接轴(3)由拖拉机(1)牵引，所述肥箱(5)后部固定有排肥装置，排肥装置包括排肥器(6)，由驱动电机(16)提供动力，排肥器(6)的肥料经导肥管(7)进入开沟装置，开沟装置包括开沟铲(11)和开沟铲(11)后侧的覆土板(10)；
所述传感器探测系统包括施肥机行驶速度探测装置和果树靶标探测装置；
所述控制器(4)设置于肥箱(5)前端，以单片机为控制核心，用于设置单棵果树排肥量信息，接收传感器探测系统的信息，计算施肥机行进速度信息、果树与施肥机相对位置和树冠宽度信息，获得开沟轨迹和排肥速率，控制驱动电机(16)的转速以调节排肥速率，控制电磁换向阀(22)实现水平位移液压缸(9)和竖直位移液压缸(8)伸缩运动，带动开沟铲(11)沿开沟轨迹运动；
所述施肥机行驶速度探测装置包括速度传感器(20)和若干个探测点(19)，探测点(19)均匀分布于支撑轮(17)的转轴(18)上，探测点(19)每靠近一次速度传感器(20)即产生一次脉冲信号，实现施肥机速度检测；果树靶标探测装置包括固定于拖拉机(1)前端的传感器固定杆(26)、用于果树冠层探测的超声波传感器(28)和用于树干探测的果树红外测距传感器(27)，实现果树靶标信息获取。
2.根据权利要求1所述果园对靶变量环形开沟施肥装置，其特征在于，所述水平位移液压缸(9)为多级伸缩式液压缸，以增大环形开沟半径，使安装结构紧凑。
3.根据权利要求1所述果园对靶变量环形开沟施肥装置，其特征在于，所述水平导轨(29)上安装有直线位移传感器(30)，直线位移传感器(30)的探测拉杆跟随竖直导轨(15)的水平横梁移动，用于反馈水平方向伸缩距离信息。
4.根据权利要求1所述果园对靶变量环形开沟施肥装置，其特征在于，所述开沟铲(11)上端设有开沟铲连接套筒(12)，通过万向轴(13)与竖直伸缩臂(14)下端面连接，实现绕竖直伸缩臂(14)自由转动。
5.根据权利要求4所述果园对靶变量环形开沟施肥装置，其特征在于，所述开沟铲(11)与开沟铲连接套筒(12)下端安装有限位座(30)，相差180°安装于开沟铲(11)两侧，使开沟铲(11)在施肥机行进方向±90°的范围内转动。
6.根据权利要求4所述果园对靶变量环形开沟施肥装置，其特征在于，所述开沟铲(11)与开沟铲连接套筒(12)通过向一侧倾斜的连接臂连接，使开沟铲(11)以万向轴(13)为中心产生力矩，当开沟铲(11)受力时铲尖自动指向实际运动速度方向。
7.根据权利要求1所述果园对靶变量环形开沟施肥装置，其特征在于，所述超声波传感器(28)和红外测距传感器(27)扩展为多个，以提高探测系统的探测精度及适用范围。
8.根据权利要求1所述果园对靶变量环形开沟施肥装置，其特征在于，所述控制器(4)中排肥量信息为人为输入信息。
9.根据权利要求1所述果园对靶变量环形开沟施肥装置，其特征在于，所述控制器(4)连接排肥器(6)的驱动电机(16)，控制驱动电机(16)转速变化从而改变排肥器(6)排肥速率的改变，在设定排肥量不变的情况下根据环形开沟半径的变化，进行排肥速率的调控，实现在环形开沟范围内均匀的将所需排肥量排出。
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