智能變量施肥控制系統及控制方法與流程

文檔序號：12661717閱讀：947來源：國知局

本發明涉及。本發明涉及農業自動化與智能化，具體用于精密變量施肥的智能變量施肥控制系統及控制方法。

背景技術：

“精準農業”是當今世界農業發展的新潮流，是由信息技術支持的根據空間變異，定位、定時、定量地實施一整套現代化農事操作技術與管理的系統。變量施肥技術，是精準農業的重要組成部分，它根據作物實際需要，基于科學施肥方法，應用電子計算機指導施肥，確定對作物的變量投入。以最少的或最節省的投入達到同等收入或更高的收入，并改善環境，高效地利用各類農業資源，取得經濟效益和環境效益。

精準農業變量控制的基礎是大田塊細化為小田塊，在細分的過程中進行差異性的作業決策，從而使作業更加精細。國內外目前使用的高效率變量施肥控制器多為田間計算機，但由于成本高，體積大，不僅增加了投入成本，也使能耗提高，相對普及的單片機與PLC控制器卻由于效率低，功能局限而未能適應市場。

為了提高作物產量，必須結合控制系統進行科學的施肥作業，在GPS定位模塊、速度傳感器、陀螺儀、施肥處方圖、步進電機反饋信息的共同決策下，針對作物的生長特性，合理地科學施肥，為了實現智能變量施肥，本發明提供了一種ARM控制的智能變量施肥控制系統，本發明不僅解決了農田化肥的施撒不均勻，使用量較大但利用率低的問題，而且在相應的控制系統下，提高自動化智能化水平，增加作業效率，降低成本投入。

技術實現要素：

針對現有的施肥機械存在的問題，特別是其執行機構存在的缺陷及問題，本發明使用ARM控制器集合了計算機與單片機的優點，利用步進電機的閉環反饋增加施肥精度，提供一種多信息融合決策的神經網絡算法模型，以及設置相鄰施肥區域的矯正緩沖。該控制系統不僅結構簡易，成本較低，操作方便，更容易運用于常規的施肥機械中，實現精密變量施肥。

為解決以上技術問題，本發明采用的具體技術方案如下：

智能變量施肥控制系統，其特征在于，包括控制器、信息采集模塊、作業執行模塊、GPS定位模塊、數據讀寫模塊、顯示模塊和人機交互模塊，所述控制器安裝于牽引拖拉機駕駛室內，顯示模塊和人機交互模塊與控制器連接；

所述作業執行模塊包括步進電機驅動電路、步進電機，步進電機驅動電路通過用戶輸入輸出端口與控制器相連接；所述步進電機安裝于施肥機肥箱底部的排肥軸端部，并通過連軸器與排肥軸端剛性連接；

所述GPS定位模塊設置有GPS定位信息接收天線、信號處理電路，通過TTL串行端口與控制器相連接；

所述信息采集模塊包括分別通過用戶輸入輸出端口與控制器相連接的速度傳感器、拉桿式直線位移傳感器、陀螺儀、轉速傳感器，所述速度傳感器安裝在牽引拖拉機的車輪驅動軸端部，用于測量機具的行走速度；拉桿式直線位移傳感器安裝在田間作業一體機的開溝鏟拉伸桿處，用于測量開溝鏟的開溝深度；陀螺儀安裝在牽引拖拉機駕駛室內方向盤處，用于機具運動狀態監測；所述轉速傳感器裝在排肥軸處，用于測量步進電機的轉速；

所述數據讀寫模塊設置有USB存儲卡，通過USB設備讀寫端口與控制器相連接；所述USB存儲卡用于存儲不同地塊需肥量信息，分別對應有地塊區域的經緯度定位范圍與需肥量對應的驅動電機轉速信息；

所述控制器內置基于神經網絡數據融合算法的多信息決策控制方法，根據采集的測得的行走速度、機具運動狀態、電機轉速進行神經網絡數據融合，并與USB存儲卡中的處方圖信息比較，提取相應的施肥信息，由控制器發出相應的PWM脈沖數給步進電機驅動電路，進而帶動步進電機調速，最終實現執行機構的變量作業。

進一步地，所述的控制器選用ARM，以S3C系列芯片為控制核心；采用GPS通信控制模塊定位；USB存儲設備讀寫控制模塊采用USB總線通用接口芯片。

進一步地，智能變量施肥控制系統選擇WINCE、android或linux操作系統。

進一步地，所述速度傳感器選用多圈絕對式角度傳感器，采用變壓器原理測角度，由標定信息進行機具速度計算。

進一步地，所述作業執行模塊中步進電機驅動電路輸入端通過用戶輸入輸出端口與控制器連接，接收控制器的脈沖控制信號，輸出端通過兩相四線接口與步進電機接線端連接，發送四路電信號控制電機轉速；所述步進電機控制端與驅動電路兩相四線接口相連，反饋接口由用戶輸入輸出端與控制器連接，實時反饋轉速信息。

所述的智能變量施肥控制系統的控制方法，其特征在于：包括以下步驟：作業機具前進時，GPS定位模塊接收實時定位信息，速度傳感器、陀螺儀、直線位移傳感器、步進電機反饋分別實時檢測機具的速度、行駛狀態、開溝深度以及步進電機的轉速；控制器結合定位信息、機具的速度、行駛狀態及步進電機的轉速進行神經網絡數據融合，并與USB存儲卡中的處方圖信息比較，提取相應的施肥信息，由控制器發出相應的PWM脈沖數給步進電機驅動電路，進而帶動步進電機調速，即排肥軸的轉動的速度，變量施撒肥料；實現執行機構的變量作業；

所述神經網絡數據融合算法中，速度傳感器、陀螺儀、步進電機反饋信號的激活函數采用閾值函數分別為f₁(v)，f₂(t)，f₃(x)；

其中K₁、b₁為速度計算常參數，v₁、v₂分別為機具行進速度的兩個閾值；

其中t₀為陀螺儀信號閾值；

其中K₃、b₃為步進電機轉速反饋信號計算常參數，x₁、x₂分別為反饋信號的兩個閾值；

得出f＝w₁₁f₁(v)+w₁₂f₂(t)+w₁₃f₃(x)，其中f為控制決策函數，施肥區域信息采用閾值函數其中K₄、b₄為施肥區域信息計算常參數，y₁、y₂分別為施肥區域信息的兩個閾值；

由f函數和f₄(y)函數擬合得出執行函數F＝w₂₁f+w₂₂f₄(y)；

其中w₁₁+w₁₂+w₁₃＝1，w₂₁+w₂₂＝1，w₁₁、w₁₂、w₁₃分別為速度傳感器、陀螺儀、步進電機反饋信號的激活函數權系數，w₂₁、w₂₂分別為、f₄(x)擬合權系數。

進一步地，所述控制器內置施肥誤差矯正方法，為區域性緩沖矯正法，對相鄰地塊A、B施肥時，對交叉施肥的部分，對兩部分的施肥決策函數F_A和F_B取加權均值F_X，作為此交叉區域的施肥決策，即滿足函數w₃₁、w₃₂分別為F_A、F_B的擬合權系數。

進一步地，作業過程中，控制器會將整個作業過程中的信息生成文本保存在USB存儲卡中，用于后期的分析處理。

智能變量施肥控制系統，包括支持液晶顯示屏的ARM控制器，經用戶輸入輸出端口與其連接的速度傳感器、直線位移傳感器、步進電機反饋、陀螺儀，經TTL串口與其連接的GPS通信模塊，經USB接口與其連接的寫入施肥處方圖的USB存儲卡，控制器的用戶輸入輸出端口連接有步進電機驅動電路，步進電機對執行機構實施調節控制。

工作前，通過調節開溝鏟的深度，可以選擇種肥和苗肥的不同層深，由直線位移傳感器測量得到實時數據并顯示在ARM控制器的液晶屏幕，將存儲有本地施肥處方圖信息的USB存儲卡插入控制器USB端口，完成施肥前準備。

作業時，通過點擊屏幕開關開啟系統，作業機具前進，GPS接收實時定位信息，當進入一個小田塊時，可以結合測得的速度信息、陀螺儀信息、電機反饋信息進行神經網絡數據融合，并與USB存儲卡中的處方圖信息比較，提取相應的施肥信息，由ARM控制器發出相應的PWM脈沖數給步進電機驅動電路，進而帶動步進電機的差異性調速，最終實現執行機構的變量作業，即排肥軸的轉動，變量施撒肥料。

作業后，控制器會將整個作業過程中的信息打印生成文本保存在USB存儲卡中，便于后期的分析處理。

作業中，陀螺儀可以有效的檢測出機具的行駛狀態，并根據檢測出的狀態是方向調節或轉彎，相應的改變算法中的權值，以提高作業精度。步進電機的反饋信息使整個控制系統一個閉環控制系統，能夠使電機控制實現PID調節，有效的降低作業過程中的誤差。當機具行駛通過相鄰兩個小田塊區域時，由于GPS存在一定的定位誤差，以及步進電機的轉速突變，也會相應的產生作業誤差，為此，控制器的內置算法中設置有一個矯正緩沖，即通過本區域，對施肥的決策信息進行一定的修正，以提高作業的精密性。

附圖說明

圖1為本發明所述智能變量施肥控制系統結構圖；

圖2為本發明的控制流程圖；

圖3為本發明的控制原理圖；

圖4為數據擬合算法原理圖；

圖5為本發明的矯正緩沖示意圖。

圖中：

1-控制器，2-陀螺儀，3-GPS定位模塊，4-拉桿式直線位移傳感器，5-速度傳感器，6-儲肥箱，7-步進電機驅動電路，8-步進電機，9-開溝鏟，10-排肥軸，11-排肥管，12-連軸器，13-轉速傳感器。

具體實施方式

下面結合附圖以及具體實施例對本發明作進一步的說明，但本發明的保護范圍并不限于此。

如圖1、圖2、圖3所示，所述智能變量施肥控制系統包括控制器、信息采集模塊、作業執行模塊、GPS定位模塊、數據讀寫模塊、顯示模塊和人機交互模塊。所述作業執行模塊包括步進電機驅動電路7、步進電機8，步進電機驅動電路7通過用戶輸入輸出端口與控制器1相連接；所述步進電機8安裝于施肥機儲肥箱6底部的排肥軸10端部，并通過連軸器12與排肥軸10端剛性連接。所述GPS定位模塊3設置有GPS定位信息接收天線、信號處理電路，通過TTL串行端口與控制器相連接。

所述信息采集模塊包括分別通過用戶輸入輸出端口與控制器相連接的速度傳感器5、拉桿式直線位移傳感器4、陀螺儀2、轉速傳感器13，所述速度傳感器5安裝在牽引拖拉機的車輪驅動軸端部，用于測量機具的行走速度；所述速度傳感器5選用多圈絕對式角度傳感器，采用變壓器原理測角度，由標定信息進行機具速度計算。拉桿式直線位移傳感器4安裝在田間作業一體機的開溝鏟拉伸桿處，用于測量開溝鏟的開溝深度；陀螺儀2安裝在牽引拖拉機駕駛室內方向盤處，用于機具運動狀態監測；所述轉速傳感器13裝在排肥軸處，用于測量步進電機的轉速。所述作業執行模塊中步進電機驅動電路7輸入端通過用戶輸入輸出端口與控制器連接，接收控制器的脈沖控制信號，輸出端通過兩相四線接口與步進電機8接線端連接，發送四路電信號控制電機轉速；所述步進電機控制端與驅動電路兩相四線接口相連，反饋接口由用戶輸入輸出端與控制器連接，實時反饋轉速信息。

所述數據讀寫模塊設置有USB存儲卡，通過USB設備讀寫端口與控制器相連接；所述USB存儲卡用于存儲不同地塊需肥量信息，分別對應有地塊區域的經緯度定位范圍與需肥量對應的驅動電機轉速信息。

所述控制器內置基于神經網絡數據融合算法的多信息決策控制方法與施肥誤差矯正方法，根據采集的行走速度、機具運動狀態、步進電機轉速進行神經網絡數據融合，并與USB存儲卡中的處方圖信息比較，提取相應的施肥信息，由控制器發出相應的PWM脈沖數給步進電機驅動電路，進而帶動步進電機調速，最終實現執行機構的變量精密作業。

所述的控制器1選用ARM，以S3C系列芯片為控制核心；采用GPS通信控制模塊定位；USB存儲設備讀寫控制模塊采用USB總線通用接口芯片。所述控制器1安裝于拖拉機駕駛室內，支持液晶顯示屏，通過軟件編程實現人機交互。智能變量施肥控制系統選擇WINCE、android或linux操作系統。可從液晶顯示屏中讀取當前的參數信息，也可選擇施肥系統的工作停止狀態。通過調節開溝鏟9的深度，可以選擇種肥和苗肥的不同層深，由拉桿式直線位移傳感器4測量得到實時數據并顯示在控制器1的液晶屏幕，作業中肥量可以施入所選肥層。將存儲有本地施肥處方圖信息的USB存儲卡插入控制器USB端口，完成施肥前準備。開啟施肥系統，作業機具前進，GPS3接收實時定位信息，并且將接收到的信息進行解析，提取所需字段，用于顯示和對比處方圖。當機具進入一個小田塊時，可以結合速度傳感器5實時測得的速度信息，陀螺儀2測得的行進信息，轉速傳感器13測得步進電機8反饋的信息，同時傳輸到控制器1控制器進行融合計算，并與USB存儲卡中的處方圖信息比較，得到相應的施肥信息，由控制器1控制器發出相匹配的PWM脈沖數給步進電機驅動電路7，進而帶動肥箱6底部邊緣的步進電機8的差異性調速，最終實現執行機構的變量作業，即通過連軸器12帶動排肥軸10的轉動，肥料經過排肥軸10，進入排肥管11，排肥管伸至開溝鏟9后部，深施入土壤，達到變量施肥。整個作業過程的施肥數據，控制器會打印生成文本保存在USB存儲卡中，便于后期的分析處理。

GPS接收模塊與ARM控制器的連接通過TTL連接，包括VCC、GND、TXD、RXD四個接口，分別對應供電、共地、數據發送、數據接收的功能。控制器與定位模塊的數據交換在TXD與RXD兩引腳間進行。接收到的報文為NMEA-0183協議的標準格式，由于多種報文同時存在，且都以“$”開頭，所以要提取出當中有用的信息才能顯示和利用。本發明以數組的形式，分別提取出時間、緯度、經度等信息，在顯示屏上顯示，并與處方圖進行對比決策。

由于田間作業時機具會存在大方向掉頭轉彎與小方向直行調節兩種狀態，此時的施肥系統必然會受到影響，造成較大偏差，本發明采用陀螺儀可以有效的檢測出機具的行駛狀態，并根據檢測出的信號判斷是小方向直行調節或大方向掉頭轉彎，進而相應的改變整體算法中各部分的權值，進行修正決策施肥量，以提高作業精度。

步進電機的開環性質，容易造成整體控制系統的大偏差，本發明采用閉環反饋的方式，使整個控制系統形成一個閉環系統，以使電機控制可以實現閉環的PID調節，有效的降低作業過程中因電機失步造成的誤差。

當機具行駛通過相鄰兩個小田塊區域時，由于GPS定位模塊3存在一定的定位誤差，以及步進電機的轉速突變，也會相應的產生較大施肥誤差，為此，控制器的內置算法中設置有一個矯正緩沖，即通過本區域時，對施肥的決策信息進行一定的修正，以提高作業的精密性。兩部分的施肥決策函數F_A和F_B取加權均值F_X，作為此交叉區域的施肥決策，即滿足函數w₃₁、w₃₁分別為F_A、F_B的擬合權系數。

所述控制器的所述控制器內置的神經網絡擬合控制方法，速度傳感器、陀螺儀、步進電機反饋信號的激活函數采用閾值函數分別為f₁(v)，f₂(t)，f₃(x)。

其中K₁、b₁為速度計算常參數，v₁、v₂分別為機具行進速度的兩個閾值；

其中t₀為陀螺儀信號閾值；

其中K₃、b₃為步進電機轉速反饋信號計算常參數，x₁、x₂分別為反饋信號的兩個閾值；