CN113348842B - 一种基于多线激光雷达的果园自动变量施肥机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于多线激光雷达的果园自动变量施肥机，包括：车身，施肥装置，驱动装置，激光雷达装置和主控装置；车身包括车厢和水平设置在车厢内的隔板；激光雷达装置设置于车厢顶部，并与主控装置电性连接；驱动装置设置于车厢底部；施肥装置与主控装置电性连接，施肥装置设置于车厢外部一侧，并通过固定架与车厢固定连接；主控装置设置于隔板顶面。本发明能够有效解决施肥不均、施肥过量、肥料利用率低的问题，为农业现代化、智能化、无人化发展提供补充。

Description

一种基于多线激光雷达的果园自动变量施肥机

技术领域

本发明涉及果树施肥的技术领域，尤其是指一种基于多线激光雷达的果园自动变量施肥机。

背景技术

激光雷达技术(Lidar)最早于20世纪，70年代应用于航空测绘领域，80年代随着电子器件的成熟逐渐应用于激光雷达成像、航天卫星回收精确定位，当下随着元器件成本不断降低，性能不断提升，普遍开始应用于民用领域，智能机器人、汽车辅助/自动驾驶等，激光雷达作为一种光学探测手段，因为激光的高精度、方向性、单色性、相干性等诸多优点。现阶段用于农业的大多为单线路激光雷达用于测距，超过20m后测量精度变差，同时对于农田复杂地形以及强光或阴暗天气下使用效果不佳。为此，我们采用了一套多线激光雷达装置，能够实时采集周围的三维地理信息，精确度达到厘米级，同时强光和黑暗条件下都可正常操作。

施肥是作物生长发育过程必不可少的步骤，而同一片地的土壤养分分布是不均匀的，目前的施肥过程大多存在施肥不均、化肥利用效率低等问题，容易造成土壤环境污染、作物烧苗、种植成本提高等现象。因此精确化、定量化的变量施肥技术亟待发展，同时，用工成本的不断提高，无人化，智能化的发展趋势势在必行。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于多线激光雷达的果园自动变量施肥机，以解决上述现有技术存在的问题，能够有效解决施肥不均、施肥过量、肥料利用率低的问题，为农业现代化、智能化、无人化发展提供补充。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种基于多线激光雷达的果园自动变量施肥机，包括：车身，施肥装置，驱动装置，激光雷达装置和主控装置；

所述车身包括车厢和水平设置在所述车厢内的隔板；所述激光雷达装置设置于所述车厢顶部，并与所述主控装置电性连接；所述驱动装置设置于所述车厢底部；所述施肥装置与所述主控装置电性连接，所述施肥装置设置于车厢外部一侧，并通过固定架与所述车厢固定连接；所述主控装置设置于所述隔板顶面。

优选的，所述施肥装置包括肥料罐；所述肥料罐分割设置为若干腔体；若干所述腔体分别连通有注肥管；所述注肥管的另一端连通有混液罐，所述注肥管底端固接并连通有第一电磁阀；所述混液罐内腔中心设置有搅拌轴；所述搅拌轴一端贯穿所述混液罐顶面，并传动连接有搅拌电机；所述搅拌电机固接于所述混液罐顶面；所述搅拌轴侧壁固接有螺旋片；所述混液罐底面通过管道依次连通有第二电磁阀和出液口；所述第一电磁阀与所述第二电磁阀与所述主控装置电性连接。

优选的，所述主控装置包括主板，芯片组，USB接口，触控屏，WIFI模块，电源开关和电源模块；所述主板固定安装于所述隔板顶面；所述芯片组，USB接口，触控屏和WIFI模块分别与所述主板相适配并电性连接；所述电源模块通过电源开关与所述主板电性连接；所述第一电磁阀，所述第二电磁阀，所述激光雷达装置，所述驱动装置，所述USB接口，所述触控屏和所述WIFI模块分别与所述主板电性连接；所述触控屏嵌设于所述车厢顶部；所述电源模块固定安装于所述车厢内腔底面。

优选的，所述驱动装置包括驱动轴；所述驱动轴两侧转动连接有驱动轮，所述驱动轴中部固接有被动齿轮，所述被动齿轮贯穿所述车厢底面，且啮合有主动齿轮；所述主动齿轮传动连接有驱动电机；所述驱动电机与所述主板电性连接；所述车厢底面另一侧固定连接有转向装置。

优选的，所述转向装置包括转向机构；所述转向机构两侧与两个所述驱动轮转动连接；所述转向机构与所述转向电机传动连接；所述转向电机与所述主板电性连接。

优选的，所述驱动电机和所述转向电机为伺服电机。

优选的，所述激光雷达装置采用多路激光通道的激光雷达，所述激光雷达装置的量程L为0.5m≤L≤200m，识别精度为±3cm，采用脉冲式测距，360度扫描方式，实时生成三维图像。

优选的，所述激光雷达装置采用无线和有线两种方式同时与所述主板通讯交互。

优选的，所述车厢侧壁中部还固接有若干防撞缓冲垫。

优选的，所述螺旋片的轴线与所述搅拌轴的轴线重合。

本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的施肥机能针对果园不同位置所需的肥料量进行精准化施肥，结合土壤养分分布图来规划施肥路径和施肥点，避免施肥过量和施肥不均，实现智能化、精准化变量施肥，提高施肥效率、肥料利用率并且节省了人力物力；同时针对民用卫星导航精准度较差、户外果园环境复杂的情况，采用多线激光雷达完成定位以及施肥机行进过程的避障动作配合养分分布图定点施肥，使施肥过程更加顺利，施肥效果更好；并且采取不同的采样方法绘制的土壤养分分布图可以适用于不同的地理环境，使施肥机的适应能力更强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明侧视结构示意图。

图2为混液罐主视结构示意图。

图3为转向装置侧视结构示意图。

图4为主控装置侧视结构示意图。

图5为施肥机施肥过程流程图。

其中，主控装置-1，主板-1a，芯片组-1b，USB接口-1c，触控屏-1d，WIFI模块-1e，第一电磁阀-2，第二电磁阀-3，搅拌电机-4，激光雷达装置-5，电源开关-6，隔板-7，防撞缓冲垫-8，转向装置-9，转向机构-91，转向电机-92，电源模块-10，驱动电机-11，出液口-12，混液罐-13，搅拌轴-14，注肥管-15，肥料罐-16，车厢-17，螺旋片-19，固定架-20。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种基于多线激光雷达的果园自动变量施肥机，包括：车身，施肥装置，驱动装置，激光雷达装置5和主控装置1；

车身包括车厢17和水平设置在车厢17内的隔板7；激光雷达装置5设置于车厢17顶部，并与主控装置1电性连接；驱动装置设置于车厢17底部；施肥装置与主控装置1电性连接，施肥装置设置于车厢17外部一侧，并通过固定架20与车厢17固定连接；主控装置1设置于隔板7顶面。

进一步的优化方案，施肥装置包括肥料罐16；肥料罐16分割设置为若干腔体；若干腔体分别连通有注肥管15；注肥管15的另一端连通有混液罐13，注肥管15底端固接并连通有第一电磁阀2；混液罐13内腔中心设置有搅拌轴14；搅拌轴14一端贯穿混液罐13顶面，并传动连接有搅拌电机4；搅拌电机4固接于混液罐13顶面；搅拌轴14侧壁固接有螺旋片19；混液罐13底面通过管道依次连通有第二电磁阀3和出液口12；第一电磁阀2与第二电磁阀3与主控装置1电性连接。

进一步的，第一电磁阀2设置于混液罐13内腔。

进一步的，注肥管15为刚性管且两端分别与肥料罐16和混液罐13固接且连通，为肥料罐16提供了足够的支撑。

进一步的优化方案，主控装置1包括主板1a，芯片组1b，USB接口1c，触控屏1d，WIFI模块1e，电源开关6和电源模块10；主板1a固定安装于隔板7顶面；芯片组1b，USB接口1c，触控屏1d和WIFI模块1e分别与主板1a相适配并电性连接；电源模块10通过电源开关6与主板1a电性连接；第一电磁阀2，第二电磁阀3，激光雷达装置5，驱动装置，USB接口1c，触控屏1d和WIFI模块1e分别与主板1a电性连接；触控屏1d嵌设于车厢17顶部；电源模块10固定安装于车厢17内腔底面。

进一步的，电源开关6嵌设与车厢17的侧面顶部，便于人员操作。

进一步的，养分分布图数据通过USB接口1c导入或者通过WIFI模块1e远程无线传入，同时主控装置1通过WIFI模块1e将采集的地理位置信息传输给远程上位机供工作人员实时监控，上位机的作用为监控施肥机位置和行为；触控屏1d为人工操作终端，作为设备检修维护和远程控制手段失效后的备用操作方式。

进一步的，所述的土壤养分分布图为提前采样，由SPSS19.0软件进行数据统计分析，结合空间变异理论，利用ArcGIS10.0的地统计模块，采用反距离加权插值法建立并绘制土壤养分参数空间变异分布图。所述主控装置1采用的是工业用一体化PC机作为处理器，Win10操作系统，支持触摸操作，变量施肥软件采用c#开发，与激光雷达装置5，第一电磁阀2，驱动电机11，第二电磁阀3，搅拌电机4和转向电机92通过串口通信。

进一步的优化方案，驱动装置包括驱动轴；驱动轴两侧转动连接有驱动轮，驱动轴中部固接有被动齿轮，被动齿轮贯穿车厢17底面，且啮合有主动齿轮；主动齿轮传动连接有驱动电机11；驱动电机11与主板1a电性连接；车厢17底面另一侧固定连接有转向装置9。

进一步的优化方案，转向装置9包括转向机构91；转向机构91两侧与两个驱动轮转动连接；转向机构91与转向电机92传动连接；转向电机92与主板1a电性连接。

进一步的，转向装置9为现有车辆的转向系统，由转向电机92提供动力。

进一步的优化方案，驱动电机11和转向电机92为伺服电机。

进一步的，驱动电机11和转向电机92为高精度直流伺服电机，由电源模块10进行供电，通过主板1a对两者的控制，可以精确的实现车厢17的预定的移动，完成既定的任务。

进一步的优化方案，激光雷达装置5采用多路激光通道的激光雷达，激光雷达装置5的量程L为0.5m≤L≤200m，识别精度为±3cm，采用脉冲式测距，360度扫描方式，实时生成三维图像。

进一步的优化方案，激光雷达装置5采用无线和有线两种方式同时与主板1a通讯交互。

进一步的优化方案，车厢17侧壁中部还固接有若干防撞缓冲垫8。

进一步的优化方案，螺旋片19的轴线与搅拌轴14的轴线重合。

在本发明的实施例1中，在注肥管15上还设置有流量计，流量计与主板1a电性连接，流量计与第一电磁阀2串联设置，肥料罐16中的肥料分别通过流量计和若干第一电磁阀2流向混液罐13，根据初始加入肥料的量和流经流量计的废料量，可以实时监控肥料罐16中的肥料剩余量。

在本发明的实施例2中，本发明提供一种基于激光雷达定位的小型自动变量施肥机，其实施包括下列主要步骤：

步骤1：工作人员给肥料罐16注入肥料，传输土壤养分分布图数据，打开施肥机电源开关6，等待施肥机自检，各部分功能启动。

步骤2：激光雷达装置5启动，完成扫描，将地理数据传输回主控装置1和上位机，结合土壤养分分布图，规划行进路线和施肥点，计算施肥量。

步骤3：行驶至施肥点，完成施肥，并实施反馈肥料罐16内剩余肥料量，判断是否满足下一次施肥。如果满足则进行下一个施肥过程，反之将肥料不足的信号传回上位机提示工作人员，驱动施肥机回到初始点等待加肥。

在本发明的实施例3中，防撞缓冲垫8内还等间距嵌设有若干压力传感器，压力传感器与主板1a电性连接，当本发明在工作过程中，一旦触碰到其它人或物，既可以利用防撞缓冲垫8的缓冲特性，降低对人或物的伤害，也会及时通过防撞缓冲垫8内嵌设的压力传感器及时识别当前的情况，及时进行停机。

在本发明的实施例4中，施肥装置挂在车身后方，通过固定架20固定，驱动装置内置于车身下方，采用直流伺服电机驱动，并与主控装置1相连，通过主控装置1发出驱动信号给驱动装置，驱动施肥机行驶至施肥点以及完成避障行为；激光雷达装置5放置于车厢17顶面靠近本发明前进的方向一侧，与主控装置1相连，用于探测障碍物，并完成定位操作，将获取的位置信息反馈给主控装置1；主控装置1内置于隔板7顶面，控制施肥机的行进及定点施肥。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于多线激光雷达的果园自动变量施肥机，其特征在于，包括：车身，施肥装置，驱动装置，激光雷达装置（5）和主控装置（1）；

所述车身包括车厢（17）和水平设置在所述车厢（17）内的隔板（7）；所述激光雷达装置（5）设置于所述车厢（17）顶部，并与所述主控装置（1）电性连接；所述驱动装置设置于所述车厢（17）底部；所述施肥装置与所述主控装置（1）电性连接，所述施肥装置设置于车厢（17）外部一侧，并通过固定架（20）与所述车厢（17）固定连接；所述主控装置（1）设置于所述隔板（7）顶面；所述施肥装置包括肥料罐（16）；所述肥料罐（16）分割设置为若干腔体；若干所述腔体分别连通有注肥管（15）；所述注肥管（15）的另一端连通有混液罐（13），所述注肥管（15）底端固接并连通有第一电磁阀（2）；所述混液罐（13）内腔中心设置有搅拌轴（14）；所述搅拌轴（14）一端贯穿所述混液罐（13）顶面，并传动连接有搅拌电机（4）；所述搅拌电机（4）固接于所述混液罐（13）顶面；所述搅拌轴（14）侧壁固接有螺旋片（19）；所述混液罐（13）底面通过管道依次连通有第二电磁阀（3）和出液口（12）；所述第一电磁阀（2）与所述第二电磁阀（3）与所述主控装置（1）电性连接；所述主控装置（1）包括主板（1a），芯片组（1b），USB接口（1c），触控屏（1d），WIFI模块（1e），电源开关（6）和电源模块（10）；所述主板（1a）固定安装于所述隔板（7）顶面；所述芯片组（1b），USB接口（1c），触控屏（1d）和WIFI模块（1e）分别与所述主板（1a）相适配并电性连接；所述电源模块（10）通过电源开关（6）与所述主板（1a）电性连接；所述第一电磁阀（2），所述第二电磁阀（3），所述激光雷达装置（5），所述驱动装置，所述USB接口（1c），所述触控屏（1d）和所述WIFI模块（1e）分别与所述主板（1a）电性连接；所述触控屏（1d）嵌设于所述车厢（17）顶部；所述电源模块（10）固定安装于所述车厢（17）内腔底面；养分分布图数据通过USB接口（1c）导入或者通过WIFI模块（1e）远程无线传入；在所述注肥管（15）上还设置有流量计，所述流量计与所述主板（1a）电性连接，所述流量计与所述第一电磁阀（2）串联设置，所述肥料罐（16）中的肥料分别通过所述流量计和若干所述第一电磁阀（2）流向所述混液罐（13）；所述车厢（17）底面另一侧固定连接有转向装置（9）；

上述基于多线激光雷达的果园自动变量施肥机的施肥方法，其实施包括下列主要步骤：

步骤1：工作人员给所述肥料罐（16）注入肥料，传输土壤养分分布图数据，打开所述电源开关（6），等待施肥机自检，各部分功能启动；

步骤2：所述激光雷达装置（5）启动，完成扫描，将地理数据传输回所述主控装置（1）和上位机，结合土壤养分分布图，规划行进路线和施肥点，计算施肥量；

步骤3：行驶至施肥点，完成施肥，并实施反馈所述肥料罐（16）内剩余肥料量，判断是否满足下一次施肥；如果满足则进行下一个施肥过程，反之将肥料不足的信号传回上位机提示工作人员，驱动施肥机回到初始点等待加肥；

土壤养分分布图为提前采样，由SPSS19.0软件进行数据统计分析，结合空间变异理论，利用ArcGIS10.0的地统计模块，采用反距离加权插值法建立并绘制土壤养分参数空间变异分布图；所述主控装置（1）采用的是工业用一体化PC机作为处理器，Win10操作系统，支持触摸操作，变量施肥软件采用c#开发，与所述激光雷达装置（5），所述第一电磁阀（2），所述驱动装置，所述第二电磁阀（3），所述搅拌电机（4）和所述转向装置（9）通过串口通信。

2.根据权利要求1所述的一种基于多线激光雷达的果园自动变量施肥机，其特征在于：所述驱动装置包括驱动轴；所述驱动轴两侧转动连接有驱动轮，所述驱动轴中部固接有被动齿轮，所述被动齿轮贯穿所述车厢（17）底面，且啮合有主动齿轮；所述主动齿轮传动连接有驱动电机（11）；所述驱动电机（11）与所述主板（1a）电性连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于多线激光雷达的果园自动变量施肥机，其特征在于：所述转向装置（9）包括转向机构（91）；所述转向机构（91）两侧与两个所述驱动轮转动连接；所述转向机构（91）传动连接有转向电机（92）；所述转向电机（92）与所述主板（1a）电性连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于多线激光雷达的果园自动变量施肥机，其特征在于：所述驱动电机（11）和所述转向电机（92）为伺服电机。

5.根据权利要求1所述的一种基于多线激光雷达的果园自动变量施肥机，其特征在于：所述激光雷达装置（5）采用多路激光通道的激光雷达，所述激光雷达装置（5）的量程L为0.5m≤L≤200m，识别精度为±3cm，采用脉冲式测距，360度扫描方式，实时生成三维图像。

6.根据权利要求1所述的一种基于多线激光雷达的果园自动变量施肥机，其特征在于：所述激光雷达装置（5）采用无线和有线两种方式同时与所述主板（1a）通讯交互。

7.根据权利要求1所述的一种基于多线激光雷达的果园自动变量施肥机，其特征在于：所述车厢（17）侧壁中部还固接有若干防撞缓冲垫（8）。

8.根据权利要求1所述的一种基于多线激光雷达的果园自动变量施肥机，其特征在于：所述螺旋片（19）的轴线与所述搅拌轴（14）的轴线重合。

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