一种基于处方图的变量施肥方法与施肥控制器与流程

1.本发明涉及变量施肥技术领域，特别是涉及一种基于处方图的变量施肥方法与施肥控制器。


背景技术：

2.施用化肥是粮食增产的重要途径，我国是最大的化肥消费国，科学合理地施用化肥，实现化肥施用减量增效，是保证我国粮食安全的重要措施，也是实现现代化农业可持续发展的关键。传统施肥方式多采用大范围、均一化的投入方式，无法根据土壤和作物营养状况按需变量投入肥料，造成局部肥料施用过量，导致成本上升、环境污染和土质退化。
3.现有技术中，cn114568077a中公开了一种基于动态处方图的变量播种控制系统及方法，其将gps接收机安装在拖拉机上，通过gps接收机获取的位置信息计算各播种点的位置，并根据播种点的位置查询处方图据此变量播种，该专利中，根据土壤养分动态调节播种量，虽然能够使养分与播种量相适配，但是会造成播种不均，后续农作物疏密也不均匀。另外，该专利中，gps接收机安装在拖拉机上，拖拉机与播种机构之间通过悬挂装置连接，这样，根据拖拉机gps接收机获取的位置信息与播种口之间的转换关系较为复杂，且转向时，gps接收机与播种机构相对转动，会导致位置信息与播种口之间的转换发生变化，影响计算的精确性，此为第一方面技术问题。
4.专利cn113330882a提供了一种种基于处方图的油菜变量施肥装置及方法，其公开了利用处方图，根据施肥装置的位置与信号动态调整施肥量的方法。该方案以及专利cn114568077a中每次播种或施肥之前均需要通过传感器对土壤肥力数据进行采集，以计算得到处方图，这种方式较为费时，且成本高，此为第二方面问题。
5.此外，传统施肥机械作业缺乏有效的监控手段，多通过机手观察来保证作业质量，作业过程中肥箱缺肥、导肥管堵塞如不能及时发现会导致大面积漏施现象，影响施肥作业效率，此为第三方面问题。
6.以下

技术实现要素：
以上述第一方面问题为主要技术问题展开。
发明内容
7.发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种位置探测元件获取的位置信息与落肥口位置换算关系简单，且不会因机具转弯等因素影响计算准确性的基于处方图的变量施肥方法与施肥控制器。
8.技术方案：为实现上述目的，本发明的基于处方图的变量施肥方法，其应用于施肥机，所述施肥机具有直线等距排列的多个施肥单体，各所述施肥单体均通过导肥管连接落肥口；所述施肥机上安装有位置探测元件；
9.所述方法包括：
10.获取处方图数据；
11.根据所述位置探测元件获取的位置信息(x,y)与航向角θ计算各排肥口的位置数
据；
12.根据所述位置数据在所述处方图数据中查询对应于各所述排肥口的目标排肥量；
13.根据所述目标排肥量控制对应于所述排肥口的施肥单体运转；
14.在俯视方向上，所述位置探测元件安装在第一行落肥口与最后一行落肥口连线的中点位置；
15.所述根据所述位置探测元件获取的位置信息(x,y)与航向角θ实时计算各排肥口的位置数据包括：
16.根据算式以及算式分别计算第一行落肥口及最后一行落肥口的坐标位置；其中，n为总行数；(x
r1
,y
r1
)为第一行落肥口的位置坐标；(x
rn
,y
rn
)为最后一行落肥口的位置坐标；d为相邻两个所述落肥口之间的间距；
17.根据算式计算中间各所述落肥口的位置；其中，(x
ri
,y
ri
)为第i行落肥口的位置坐标，i＝2,3,
…
n-1。
18.进一步地，所述获取处方图数据之前还包括：
19.获取上一次施肥作业的作业数据，所述作业数据包括处方图与施肥策略数据；
20.基于所述作业数据，根据肥效消耗模型与消耗进程参数分布图，计算田地中各位置的剩余肥效；其中，消耗进程参数分布图描述了作业田地中不同区域内肥效的消耗进程参数；
21.基于剩余肥效与新的施肥策略数据，生成新的处方图。
22.进一步地，所述计算田地中各位置的剩余肥效包括：
23.根据上一次施肥作业的所述作业数据计算，根据肥效消耗模型与消耗进程参数分布图计算得到第一剩余肥效；
24.根据上一次施肥作业前的基础肥效，基于均匀消耗模型计算得到第二剩余肥效；
25.综合所述第一剩余肥效与所述第二剩余肥效，得到所述剩余肥效。
26.进一步地，每个施肥单体均具有多个施肥单元，各施肥单元排出的肥料不一致，且每个施肥单元均由一个施肥电机独立控制；所述施肥策略数据包括土壤所需元素数据，所述基于剩余肥效与新的施肥策略数据，生成新的处方图包括：
27.根据所述施肥策略数据与当前区域土壤的剩余肥效，计算当前区域土壤的需求信息，所述需求信息包括需补充的元素信息以及元素的需求量；
28.根据所述需求信息计算当前区域土壤的处方数据，所述处方数据包括需施用的肥料种类以及各种肥料的需使用量；
29.基于此，所述根据所述目标排肥量控制对应于所述排肥口的施肥单体运转包括：
30.根据所述处方数据及施肥机的运行速度计算所需的肥料对应的所述施肥电机的目标转速；
31.根据所述目标转速控制各所述施肥电机运转。
32.进一步地，所述方法还包括：
33.获取所述堵缺肥传感器的采集数据；
34.根据所述采集数据判断是否发生导肥管堵塞或肥箱缺肥，是则发出警报信息。
35.进一步地，所述位置探测元件获取的位置数据为wgs-84地理坐标系下的经纬度坐标，所述位置信息是通过高斯-克吕格投影将位置数据转换为平面坐标系而得到。
36.一种施肥控制器，其用于实施上述的基于处方图的变量施肥方法，其包括电源电路、芯片基本电路、上位机通讯电路、施肥电机驱动器总线通讯电路、处方图存储电路、程序调试电路、堵缺肥传感器信号接收与处理电路、位置速度信号接收与处理电路；芯片基本电路分别和上位机通讯电路、施肥电机驱动器总线通讯电路、处方图存储电路、程序调试电路、位置速度信号接收与处理电路相连。
37.进一步地，所述电源电路支持12v-24v宽电压输入，且能够提供3.3v、5v、12v的电压输出；3.3v电压输出连接所述芯片基本电路，为控制器芯片提供电源；5v电压输出分别连接所述位置速度信号接收与处理电路的gps信号接收电路和转速编码器电路，为gps接收器和转速编码器提供电源；12v电压输出连接到所述位置速度信号接收与处理电路的测速雷达信号解析电路和所述堵肥缺肥传感器信号接收电路，为测速雷达和堵缺肥传感器提供电源。
38.进一步地，所述施肥电机驱动器总线通讯电路包括can总线通讯电路、485总线通讯电路；其中所述can总线通讯电路连接所述芯片基本电路、各施肥电机驱动器以及所述堵肥缺肥传感器信号接收电路上的对应引脚；所述485总线通讯电路连接所述芯片基本电路、各个所述施肥电机驱动器以及所述堵肥缺肥传感器信号接收电路上的对应引脚。
39.有益效果：本发明的基于处方图的变量施肥方法与施肥控制器具有如下技术效果：
40.(1)将位置探测元件安装在第一行落肥口与最后一行落肥口连线的中点位置，并据此推算出统一的落肥口算式，位置探测元件获取的位置信息与落肥口位置换算关系简单，且不会因机具转弯等因素影响计算准确性；
41.(2)能够根据肥效消耗模型、消耗进程参数分布图与上一次施肥作业的作业数据计算出新的处方图，如此，不需要每次施肥之前均通过传感器重新测一遍田地各位置的肥效数据，可降低处方图的获取成本，提升效率；
42.(3)能够根据土壤中所缺的元素，根据处方图动态对多种肥料进行配比施肥，满足土壤的多元素动态需求；
43.(4)配备了堵缺肥传感器对排肥情况进行实时监控，防止因堵缺肥引起的大范围漏投。
附图说明
44.图1为施肥机的结构及其在坐标系中的参数示意图；
45.图2为施肥控制器的构成图；
46.图3为can通信电路的构成图；
47.图4为485通信电路的构成图；
48.图5为基于处方图的变量施肥方法的流程示意图。
49.图中：1-电源电路；2-芯片基本电路；3-上位机通讯电路；4-施肥电机驱动器总线通讯电路；41-can总线通讯电路；42-485总线通讯电路；5-处方图存储电路；6-程序调试电路；7-堵缺肥传感器信号接收与处理电路；8-位置速度信号接收与处理电路；81-测速雷达信号解析电路；82-gps信号接收电路；83-转速编码器电路。
具体实施方式
50.下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
51.基于处方图的变量施肥方法，其应用于施肥机，如图1所示，所述施肥机包括拖拉机与施肥组件，施肥组件包括横向支架，横向支架上具有在左右方向上直线等距排列的多个施肥单体，各所述施肥单体均通过导肥管连接落肥口；施肥单体由施肥电机控制运转，通过改变排肥电机的转速能够改变施肥单体的排肥量实现变量施肥；所述施肥机上安装有位置探测元件、堵缺肥传感器以及测速雷达，其中，位置探测元件基于gps、北斗或其他gnss导航设备进行位置信息的采集，本实施例中位置探测元件为gps接受器；堵缺肥传感器用于检测施肥单体的肥箱是否缺肥以及检测导肥管是否发生堵塞，测速雷达用于检测施肥机的运行速度；
52.本发明之基于处方图的变量施肥方法由施肥控制器实施，如图2所示，施肥控制器由电源电路1、芯片基本电路2、上位机通讯电路3、施肥电机驱动器总线通讯电路4、处方图存储电路5、程序调试电路6、堵缺肥传感器信号接收与处理电路7、位置速度信号接收与处理电路8组成；其中电源电路1支持12v-24v宽电压输入，输入口连接到拖拉机电源，经电源电路变压后，可提供3.3v、5v、12v的电压输出，3.3v电压输出连接到芯片基本电路2，为控制器芯片提供电源；5v电压输出分别连接到位置速度信号接收与处理电路8的gps信号接收电路82和转速编码器电路83，为gps接收器和转速编码器提供电源；12v电压输出连接到位置速度信号接收与处理电路8的测速雷达信号解析电路81和堵肥缺肥传感器信号接收电路7，为测速雷达和堵缺肥传感器提供电源；芯片基本电路2分别和上位机通讯电路3、施肥电机驱动器总线通讯电路4、处方图存储电路5、程序调试电路6、位置速度信号接收与处理电路8相连。
53.施肥电机驱动器总线通讯电路4具有多种通讯电路，包括can总线通讯电路41、485总线通讯电路42，以保证可与当前市场上主流电机驱动器实现通讯。如图3所示，其中can总线通讯电路41的can_tx和can_rx端口分别连接到芯片基本电路2中芯片的can_tx和can_rx引脚上，can_h和can_l端口连接到各个施肥电机驱动器以及堵肥缺肥传感器信号接收电路的can_h和can_l引脚上，c1为保护电容，用以滤除输入电压的杂波，稳定输入电压，r1为终端电阻，用以吸收信号反射及回波，保证阻抗连续；如图4所示，485总线通讯电路42的485_rx和485_tx端口分别连接到芯片基本电路2中芯片的485_rx和485_tx引脚上，485_a和485_b端口分别连接到各个施肥电机驱动器以及堵肥缺肥传感器信号接收电路的485_a和485_b引脚上，c2为电源保护电容，用以滤杂波，稳定输入电压，r2为终端电阻，用以减少线路上传输信号的反射。
54.堵缺肥传感器信号接收与处理电路7由多个单体监控模块71,72,73组成，每个单体监控模块与一路堵缺肥传感器相连，为堵缺肥传感器提供电源，同时接收各堵缺肥传感
器的状态信号，处理后经施肥电机驱动器总线通讯电路4的can总线通讯电路或485总线通讯电路将信息上传到芯片基本电路2。单体监控模块71,72,73的个数可根据施肥机实际施肥单体的个数进行灵活拓展。
55.位置速度信号接收与处理电路8可根据施肥机实际情况适应多种测速场合，包括测速雷达信号解析电路81、gps信号接收电路82和转速编码器电路83，可分别连接到测速雷达、gps接收器、旋转编码器等测速设备，获取到速度信号后传输至芯片基本电路2。
56.上位机通讯电路3与芯片基本电路2相连，用以设置施肥作业参数，展示施肥机作业状态。
57.采用该控制器进行变量施肥作业时，首先由用户通过上位机输入施肥作业参数，包括施肥机结构参数、目标施肥量、排肥口数、施肥机行距、肥量转速比、地轮直径、滑移率等，并将施肥处方图文件存储至处方图存储电路5。作业过程中，位置速度信号接收与处理电路8不断接收gps接收机发送的导航报文，芯片基本电路2的芯片从中解析出速度和经纬度坐标后，通过gps接收机安装点坐标和施肥机结构参数计算出各施肥单体落肥点的坐标位置，后从处方图文件中查询该点对应的目标施肥量，再结合排肥口数、施肥机行距、肥量转速比参数计算出各个各个施肥驱动电机的目标转速，再将转速指令发送到can总线通讯电路41上，每个转速指令都有独特的can-id号码，各施肥驱动电机驱动器从can总线上接收并过滤到针对自身的转速调节指令，各施肥驱动电机驱动器接收到转速指令后，控制施肥电机进行排肥作业。
58.基于此，具体地，如图5所示，所述方法包括：
59.步骤s101，获取处方图数据；所述处方图数据记录了田地中坐标点位置与目标施肥量的对应信息；
60.步骤s102，根据所述位置探测元件获取的位置信息(x,y)与航向角θ计算各排肥口的位置数据；
61.本步骤中，所述位置探测元件获取的位置数据为wgs-84地理坐标系下的经纬度坐标，所述位置信息是通过高斯-克吕格投影将位置数据转换为平面坐标系而得到。
62.步骤s103，根据所述位置数据在所述处方图数据中查询对应于各所述排肥口的目标排肥量；
63.步骤s104，根据所述目标排肥量控制对应于所述排肥口的施肥单体运转；
64.本步骤中，获取到施肥机的运行速度后，上位机通讯电路3根据施肥电机和施肥单体参数(也即单位周期排肥量)，计算出施肥电机的目标转速，再由施肥电机驱动器总线通讯电路4将速度指令下发至排肥电机驱动器，由驱动器驱动排肥电机完成变量排肥作业。
65.在俯视方向上，所述位置探测元件安装在第一行落肥口与最后一行落肥口连线的中点位置；
66.如图1所示，利用施肥单体落肥口所在坐标位置点的连线分别构造直角三角形abc和cde，上述步骤s103中所述根据所述位置探测元件获取的位置信息(x,y)与航向角θ实时计算各排肥口的位置数据包括如下步骤s201-s202：
67.步骤s201，根据算式以及算式分别计算第一行落肥口及最后一行落肥口的坐标位置；其中，n为总行数；(x
r1
,y
r1
)为第一行落肥口的位置坐标；(x
rn
,y
rn
)为最后一行落肥口的位置坐标；d为相邻两个所述落肥口之间的间距；
68.步骤s202，根据算式计算中间各所述落肥口的位置；其中，(x
ri
,y
ri
)为第i行落肥口的位置坐标，i＝2,3,
…
n-1。
69.本发明中，通过将位置探测元件安装至首尾两行排肥口的中点位置，第一方面可使位置探测元件获取的位置数据与首尾排肥口连线之间没有距离差，因此不需要考虑延时问题，基于位置探测元件获取的位置数据得到的各落肥点位置信息的算式也更为简单；另一方面，由于位置探测元件安装位置的改变，拖拉机与施肥组件之间发生相对转动时不会影响各排肥口位置计算的准确性，可有效保证精准施肥。
70.此外，作业过程中，堵缺肥传感器信号接收与处理电路7会实时接收各堵缺肥传感器的检测数据，监控施肥机肥箱和各导肥管状态，一旦出现堵缺肥现象，会及时将信息发送至上位机，提醒机手停机检查。
71.优选地，所述获取处方图数据之前还包括如下步骤s301-s303：
72.步骤s301，获取上一次施肥作业的作业数据，所述作业数据包括处方图与施肥策略数据；
73.本步骤中，根据处方图能够获知上一次施肥作业中对田地各位置的施肥量；另外，综合上一次施肥作业的处方图与施肥策略数据可以得到上一次施肥作业之前田地各位置的基础肥效。
74.步骤s302，基于所述作业数据，根据肥效消耗模型与消耗进程参数分布图，计算田地中各位置的剩余肥效；其中，消耗进程参数分布图描述了作业田地中不同区域内肥效的消耗进程参数；
75.本步骤中，肥效消耗模型描述了预设环境条件下肥料入土后其剩余肥效与时间的对应关系，也即描述了标准的肥效消耗进程，其中预设环境条件囊括了温度、土壤、光照、水分等自然因素。由于作业田地中，不同区域的温度、土壤、光照、水分等情况不同，造成了作业田地中不同区域土壤中肥效消耗的进程不一致，因此设置了消耗进程参数以标准的肥效消耗进程进行调整，使得各区域的肥效消耗进程得以根据标准的肥效消耗模型进行加快或减慢，消耗进程参数分布图中作业田地划分为多个区域，每个区域对应一个消耗进程参数，如：某区域的消耗进程参数为1.5，则说明该区域内肥效参照肥效消耗模型的1.5倍速进行消耗，消耗进程加快；某区域的消耗进程参数为0.7，则说明该区域内肥效参照肥效消耗模型的0.7倍速进行消耗，消耗进程减慢。
76.因此，根据上述作业数据、肥效消耗模型与消耗进程参数分布图，可有效得出田地
中各位置的剩余肥效。消耗进程参数可在田地的不同典型区域内设置肥效监测传感器定期采集数据，并根据采集的数据与标准的肥效消耗进程进行比对得出。
77.步骤s303，基于剩余肥效与新的施肥策略数据，生成新的处方图。
78.优选地，上述步骤s302中所述计算田地中各位置的剩余肥效包括如下步骤s401-s403：
79.步骤s401，根据上一次施肥作业的所述作业数据计算，根据肥效消耗模型与消耗进程参数分布图计算得到第一剩余肥效；
80.步骤s402，根据上一次施肥作业前的基础肥效，也即上一次施肥作业之前的剩余肥效，基于均匀消耗模型计算得到第二剩余肥效；本步骤中，均匀消耗模型为：随着时间推移，肥效等比例消耗，每过去一个特定时间段，即消耗掉固定比例的肥效。由于自然条件的不同，基础肥效的消耗进程也可综合消耗进程参数分布图进行计算。
81.步骤s403，综合所述第一剩余肥效与所述第二剩余肥效，得到所述剩余肥效。
82.由于每次施肥后，新施的肥较为集中且靠近土壤表层，因此消耗较快，随着时间的推移，肥料才逐渐均匀融入土壤，因此新施的肥的肥效消耗速度与基础肥效的消耗速度不一样，上述步骤s401-s403中，充分考虑了基础肥效与新施肥料消耗模型不同的问题，得到的剩余肥效更为精确。
83.优选地，实际作物生长过程中，在作物不同生长阶段，需要的肥料种类一般不一样，且有的生长阶段往往同时需要多种促进生长的元素，因此，需要根据土壤中的剩余肥效动态进行配肥。为了解决该问题，本实施例中，每个施肥单体均具有多个施肥单元，各施肥单元排出的肥料不一致，且每个施肥单元均由一个施肥电机独立控制；所述施肥策略数据包括土壤所需元素数据，上述步骤s303中所述基于剩余肥效与新的施肥策略数据，生成新的处方图包括如下步骤s501-s502：
84.步骤s501，根据所述施肥策略数据与当前区域土壤的剩余肥效，计算当前区域土壤的需求信息，所述需求信息包括需补充的元素信息以及元素的需求量；
85.步骤s502，根据所述需求信息计算当前区域土壤的处方数据，所述处方数据包括需施用的肥料种类以及各种肥料的需使用量；
86.上述步骤s501-s502中，充分考虑了经历多次施肥作业后，土壤中剩余的元素分布不均导致施肥作业复杂化的情形，可对多种肥料进行现场配比施用，以满足对多种元素的动态需求。
87.基于此，上述步骤s104中所述根据所述目标排肥量控制对应于所述排肥口的施肥单体运转包括如下步骤s601-s602：
88.步骤s601，根据所述处方数据及施肥机的运行速度计算所需的肥料对应的所述施肥电机的目标转速；
89.步骤s602，根据所述目标转速控制各所述施肥电机运转。
90.优选地，所述方法还包括：
91.获取所述堵缺肥传感器的采集数据；
92.根据所述采集数据判断是否发生导肥管堵塞或肥箱缺肥，是则发出警报信息。
93.实际实施中，安装在各施肥单体导肥管上的堵缺肥传感器会将光信号转换成电信号，当有肥料流经传感器时，传感器发射端发出的光线会被遮挡，电平信号将由低电平转为
高电平，电平状态的变换会经单体监控模块71,72,73处理后经can总线通讯电路41发送到芯片基本电路2的芯片，一旦出现漏施、堵塞等故障，会立即将报警信息经上位机通讯电路3发送至上位机，及时提醒用户停机检查。
94.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。