本发明涉及农业施肥机械设备领域，具体涉及一种采用机器视觉与超声波探测技术，能够自适应行距的玉米变量施肥机。
背景技术：
玉米是重要的粮食作物和饲料来源，在解决人类粮食问题中意义重大。施用化肥是实现农业高产、高效与粮食安全的重要保证。实践证明，大喇叭口期是养分需求最大的时期，在该时期合理追氮肥能够有效促进玉米生长，提高玉米产量。但是由于该时期玉米植株比较高大，普通机械进地困难，因此目前往往采用人工追肥或小型追肥器追肥。人工追肥效率低下，肥料撒施地表利用率低，污染环境，威胁人类饮水安全；小型追肥器主要靠人工操作，劳动强度大，且追肥量难以精确控制，造成肥料浪费，利用率差。由于当前无法精确预测作物所需氮量，氮肥施用量普遍偏高，这使得化肥不能被植物充分利用而造成土壤板结、水体富营养化等各种环境污染。已有研究表明，受污染的水中超标氮与磷的大多数都来自于农业污染，其程度远远超过工业污染。另外，将化肥施在最佳施肥位置本身就比较困难，而且拖拉机在行进时前进方向会有小幅度左右调整，导致实际施肥位置偏离最佳施肥位置，从而致使化肥利用率较低，而且容易造成伤苗现象。本发明针对现存的问题，研制了一种自适应行距的玉米变量施肥机。
技术实现要素：
针对目前市场上玉米追肥机械所存在的不足，本发明旨在提供一种采用机器视觉与超声波探测技术，能够自适应行距的玉米变量施肥机。该变量施肥机挂接在髙地隙拖拉机上，采用机器视觉技术，上位机能够根据植株的长势信息输出不同频率的脉冲给变量施肥装置，从而实现变量施肥，有效节约化肥，提高化肥利用率。同时，该变量施肥机还采用超声波探测技术，利用超声波探测器探测到与植株的距离，上位机根据该距离值通过行距调节装置实时调整施肥位置，从而可以适应不同行距，保证最佳施肥效果，有效解决了市场现有技术的不足。
本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
本发明所述的一种自适应行距的玉米变量施肥机，该变量施肥机主要由图像摄取装置、行距调节装置、超声波探测装置、变量施肥装置、覆土镇压机构、四杆仿形机构、机架(2)及肥箱(1)组成。
图像摄取装置是由摄像头(25)、减震机构(26)和连接架(27)组成。减震机构(26)通过连接架(27)固接在机架(2)上，摄像头(25)安装在减震机构(26)上，其能有效缓解机具行进所带来的摄像头(25)抖动，从而保证拍摄质量，提高识别正确率。
行距调节装置是由箱体(20)、箱盖(14)、电动推杆(16)、导杆滑块机构组成，导杆滑块机构包括导杆(17)和滑块(18)。箱体(20)由钢板焊接而成，用以支撑和连接其他组件。滑块(18)固接在箱体(20)上，导杆(17)末端与排肥管(9)固连在一起。电动推杆(16)固连在箱盖(14)上，推杆末端与排肥管(9)连接在一起。箱盖(14)通过螺栓连接固接在箱体(20)两侧。
超声波探测装置由超声波探测器(12)及其处理模块组成。超声波探测器(12)固接在箱体(20)外侧，用以探测与植株的距离，两个超声波探测器(12)相向安装。
变量施肥装置由步进电机(5)、排肥管(9)、螺旋杆(28)、连接台(15)、开沟器(8)组成。步进电机(5)与排肥管(9)上端固接在一起，步进电机(5)轴与螺旋杆(28)固接，动力从步进电机(5)输出轴传递到螺旋杆(28)上。排肥管(9)的中心是一圆形通孔，用以安装螺旋杆(28)，其上端还有一进肥口(24)，进肥口(24)通过输肥管与肥箱(1)连接，以使化肥能够从肥箱(1)流到变量施肥装置。进肥口(24)轴线与排肥管(9)呈45°，其下端固接开沟器(8)。排肥管(9)通过连接台(15)与导杆(16)连接。
覆土镇压机构由覆土器(22)、镇压轮(7)、连杆(11)、弹簧(6)、镇压轮杆(21)、垫片(23)组成。覆土器(22)与连杆(11)的下端一同固接在排肥管(9)的下端，连杆(11)上装有弹簧(6)，弹簧(6)两端装有垫片(23)；镇压轮杆(21)上端铰接在排肥管(9)上，下端连接镇压轮(7)，中间受到安装在连杆(11)上弹簧(6)的压力，使镇压轮(7)一直压在地面上。
四杆仿形机构由中间连杆(3)、镇压弹簧(4)、下连杆(10)、镇压杆(13)、连接块(19)组成。下连杆(10)是由u型钢做成，其被固接在箱体(20)的上表面，并与两个中间连杆(3)下端铰接在一起，中间连杆(3)的上端铰接在机架(2)上。镇压杆(13)的下端穿过箱体(20)的安装孔，并安装有销，其中间部位安装镇压弹簧(4)，其上端铰接在连接块(19)上，连接块(19)固接在机架(2)上。
机架(2)由型钢焊接而成，用以支撑和固连各部分机构。肥箱(1)由钢板焊接而成，并固接在机架(2)上。
在一些实施方式中，其中：机具同时作业宽度为四行，整机装有两个株距调节装置，每个株距调节装置两侧分别安装一组变量施肥装置。作业时，株距调节装置位于两行植株之间，两组变量施肥装置分别对各自一侧的植株施肥。其有益效果是：提高施肥作业效率，降低伤苗概率。
在一些实施方式中，其中：图像摄取装置拍摄到植株后，摄像头拍摄到植株的图像以后，经过图像处理，根据其茎秆直径和植株的覆盖面积来确定施肥量，并通过给步进电机不同频率的脉冲来控制控制步进电机转速，步进电机带动螺旋杆转动，从而控制施肥量。其有益效果是：有针对性地对植株进行施肥，能有效减少化肥浪费，提高化肥利用率。
在一些实施方式中，其中：超声波探测器探测到与植株的距离后，在导杆滑块机构引导下，电动推杆会自动调节变量施肥装置的位置。其有益效果是：能保证变量施肥装置施肥在最佳施肥位置，提高化肥利用率，减少伤苗。
发明与现有技术比较，有如下优点：
该变量施肥机采用机器视觉技术，上位机能够根据植株的长势信息输出不同频率的脉冲给变量施肥装置，从而实现变量施肥，有效节约化肥，提高化肥利用率。同时，该变量施肥机还采用超声波探测技术，利用超声波探测器探测到与植株的距离，上位机根据该距离值通过行距调节装置实时调整施肥位置，从而可以适应不同行距，保证最佳施肥效果。
附图说明
参见附图
图1为本发明的整体结构示意图
图2为本发明的整体结构前斜视示意图
图3为本发明的半个工作单元示意图
图4为行距调节装置内部示意图
图5为施肥工作单元示意图
图6为图像摄取装置示意图
图7为螺旋杆示意图
图1中，1、肥箱；2、机架；3、中间连杆；4、镇压弹簧；5、步进电机；6、弹簧；7、镇压轮；8、开沟器；9、排肥管；10、下连杆。
图2中，11、连杆；12、超声波探测器；13、镇压杆。
图3中，14、箱盖；15、连接台；16、电动推杆；17、导杆。
图4中，16、电动推杆；17、导杆；18、滑块；19、连接块；20、箱体。
图5中，21、镇压轮杆；22、覆土器；23、垫片；24、进肥口。
图6中，25、摄像头；26、减震机构；27、连接架。
图7中，28、螺旋杆。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细阐述。
本发明所述的一种自适应行距的玉米变量施肥机，该变量施肥机主要由图像摄取装置、行距调节装置、超声波探测装置、变量施肥装置、覆土镇压机构、四杆仿形机构、机架(2)及肥箱(1)组成。
图像摄取装置是由摄像头(25)、减震机构(26)和连接架(27)组成。减震机构(26)通过连接架(27)固接在机架(2)上，摄像头(25)安装在减震机构(26)上，其能有效缓解机具行进所带来的摄像头(25)抖动，从而保证拍摄质量，提高识别正确率。
行距调节装置是由箱体(20)、箱盖(14)、电动推杆(16)、导杆滑块机构组成，导杆滑块机构包括导杆(17)和滑块(18)。箱体(20)由钢板焊接而成，用以支撑和连接其他组件。滑块(18)固接在箱体(20)上，导杆(17)末端与排肥管(9)固连在一起。电动推杆(16)固连在箱盖(14)上，推杆末端与排肥管(9)连接在一起。箱盖(14)通过螺栓连接固接在箱体(20)两侧。
超声波探测装置由超声波探测器(12)及其处理模块组成。超声波探测器(12)固接在箱体(20)外侧，用以探测与植株的距离，两个超声波探测器(12)相向安装。
变量施肥装置由步进电机(5)、排肥管(9)、螺旋杆(28)、连接台(15)、开沟器(8)组成。步进电机(5)与排肥管(9)上端固接在一起，步进电机(5)轴与螺旋杆(28)固接，动力从步进电机(5)输出轴传递到螺旋杆(28)上。排肥管(9)的中心是一圆形通孔，用以安装螺旋杆(28)，其上端还有一进肥口(24)，进肥口(24)通过输肥管与肥箱(1)连接，以使化肥能够从肥箱(1)流到变量施肥装置。进肥口(24)轴线与排肥管(9)呈45°，其下端固接开沟器(8)。排肥管(9)通过连接台(15)与导杆(16)连接。
覆土镇压机构由覆土器(22)、镇压轮(7)、连杆(11)、弹簧(6)、镇压轮杆(21)、垫片(23)组成。覆土器(22)与连杆(11)的下端一同固接在排肥管(9)的下端，连杆(11)上装有弹簧(6)，弹簧(6)两端装有垫片(23)；镇压轮杆(21)上端铰接在排肥管(9)上，下端连接镇压轮(7)，中间受到安装在连杆(11)上弹簧(6)的压力，使镇压轮(7)一直压在地面上。
四杆仿形机构由中间连杆(3)、镇压弹簧(4)、下连杆(10)、镇压杆(13)、连接块(19)组成。下连杆(10)是由u型钢做成，其被固接在箱体(20)的上表面，并与两个中间连杆(3)下端铰接在一起，中间连杆(3)的上端铰接在机架(2)上。镇压杆(13)的下端穿过箱体(20)的安装孔，并安装有销，其中间部位安装镇压弹簧(4)，其上端铰接在连接块(19)上，连接块(19)固接在机架(2)上。
机架(2)由型钢焊接而成，用以支撑和固连各部分机构。肥箱(1)由钢板焊接而成，并固接在机架(2)上。
在使用时，首先需要将该机具挂接到髙地隙拖拉机上，然后将肥箱内装满肥料，化肥通过排肥管由肥箱流到变量施肥装置的进肥口。作业时，随着机具的前进，超声波探测装置探测到与植株的距离后，上位机会与预先设定的最佳施肥距离进行比较，从而发送信号控制电动推杆对变量施肥装置的位置实时进行调节。同时，图像摄取装置拍摄到玉米植株的生长状态信息后，通过上位机图像处理单元分析植株图片，根据其茎秆直径和叶片表面积来确定施肥量，输出相应不同频率的脉冲给步进电机，从而控制步进电机的转速。步进电机带动螺旋杆转动，螺旋管上的凹槽将化肥从进肥口通过排肥管排入到开沟器所开的沟里。之后覆土镇压装置进行覆土镇压，以使化肥埋在土里。步进电机转速快，排出的肥量就多，步进电机转速慢，排出的肥量就少。当拖拉机前进方向有些偏斜时，或者植株行距发生变化时，变量施肥装置的位置也会相应改变以保证一直在最佳施肥距离。