自动水肥深施系统及控制方法与流程

本发明涉及农田管理设备领域，特别是一种自动水肥深施系统及控制方法。

背景技术：

水肥深施，能够直接向作物根部提供养料，且能避免肥料的浪费，并确保作物高产和优质，减少因施肥过量对土壤性质的影响。现有的水肥深施操作多采用人工操作的作业方式，将水肥管扎入土中，然后压入水肥。作业效率低，劳动强度高。例如中国专利文献cn2664363y记载的一种液压式水肥枪，中国专利文献cn204014480u记载的一种移动式灌溉深施肥装置，这些结构都需要人工将装置插入土壤，人工注入，人工移动，导致劳动强度高，效率低，推广非常困难。难以使施肥作业方式发挥出优势。现有技术中未见能够实现自动水肥深施的设备。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种自动水肥深施系统及控制方法，能够实现自动化的水肥深施作业，降低劳动强度，提高作业效率。能够大幅提高作物质量，减少施肥过量对土壤性质的影响。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种自动水肥深施系统，包括行走车架，在行走车架上设有多个悬臂，悬臂上设有可转动的水肥深施装置；

所述的水肥深施装置上设有由压缩空气驱动的滑动水肥杆，滑动水肥杆用于插入到土壤中，滑动水肥杆为中空结构，滑动水肥杆通过管路与水肥储箱连接。

优选的方案中，水肥深施装置的结构为：筒体上设有活塞腔，活塞腔的两端固设有第一端盖和第二端盖，滑动水肥杆上固设有活塞，活塞滑动安装在活塞腔内，滑动水肥杆的两端分别穿过第一端盖和第二端盖，滑动水肥杆并与第一端盖和第二端盖滑动密封连接，在活塞腔靠近第一端盖和第二端盖的内侧设有进气口，两个进气口分别与活塞腔的两端连通，两个进气口通过管路与电磁换向阀连接，电磁换向阀与压缩空气源连通。

优选的方案中，所述的电磁换向阀安装在靠近活塞腔的位置；

在电磁换向阀的进口还设有缓冲气罐。

优选的方案中，所述的筒体端头设有转销，转销与悬臂可转动的连接；

第一端盖和第二端盖中的一个位于筒体端头的位置，另一个位于筒体中间的位置。

优选的方案中，两个进气口分别与第一端盖和第二端盖之间具有一段缓冲高度，以缓冲滑动水肥杆的滑动冲击。

优选的方案中，水肥深施装置的结构为：活塞腔的一端与两个悬挂板连接，悬挂板端头设有转销，转销与悬臂可转动的连接；

活塞腔的两端固设有第一端盖和第二端盖，滑动水肥杆上固设有活塞，活塞滑动安装在活塞腔内，滑动水肥杆的两端分别穿过第一端盖和第二端盖，滑动水肥杆并与第一端盖和第二端盖滑动密封连接，在活塞腔靠近第一端盖的内侧设有进气口，进气口与电磁截止阀连通，电磁截止阀与压缩空气源连通；

在活塞与第二端盖之间设有弹簧。

优选的方案中，所述的水肥深施装置与悬臂通过转销折叠连接，当折起时，滑动水肥杆的自由端朝上，当放下时，滑动水肥杆的自由端倾斜朝下；

每个悬臂分别设有两个水肥深施装置，每个水肥深施装置放下时分别倾斜朝向悬臂的两侧。

优选的方案中，所述的行走车架上设有燃油机，燃油机与发电机连接，发电机与行走装置电连接，用于驱动行走装置行走；

发电机还与空压机连接，空压机作为压缩空气源；

水肥的驱动方式包括设置在水肥管路上的水肥泵；或者空压机通过管路与水肥储箱连接，通过压缩空气将水肥压入到滑动水肥杆。

优选的方案中，还设有主控装置，主控装置与行程传感器和光电传感器中的一种或多种电连接，行程传感器用于检测行走车架的行驶里程，光电传感器用于检测植株；

主控装置与行走装置电连接，用于控制行走车架的行走和停止动作；

主控装置与电磁换向阀或电磁截止阀电连接，用于控制气路的通断以使水肥深施装置的滑动水肥杆扎入到土壤中或者从土壤中拔出；

主控装置与水肥自动阀电连接，用于控制水肥注入到土壤中。

一种采用上所述的自动水肥深施系统的控制方法，包括以下步骤：

s1、将行走车架行走至工作现场，根据现场状况将水肥深施装置调整为朝下合适的倾角，以使水肥施放在靠近植物根部合适的位置；

s2、设定不同的步进方式，以步进的方式行走；

s3、在预设的位置，轮流给各个悬臂的水肥深施装置的活塞腔通入压缩空气，使滑动水肥杆的自由端进入到土壤中；

s4、依次开启水肥自动阀，通过各个滑动水肥杆在土壤内注入预设的量的水肥；

通过以上步骤实现自动化的水肥深施作业。

本发明提供了一种自动水肥深施系统及控制方法，通过采用将水肥深施装置安装在行走车架上，并利用压缩空气驱动水肥深施装置的方案，实现了水肥深施作业的自动操作，大幅降低劳动强度，提高作业效率，便于实现水肥深施作业的推广。能够大幅提高作物质量，减少施肥过量对土壤性质的影响。本发明的控制方法简便易行，可靠性高。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的整体结构立面示意图。

图2为本发明中悬臂和水肥深施装置的局部放大立面示意图。

图3为本发明中悬臂和水肥深施装置的局部放大侧面示意图。

图4为本发明中水肥深施装置的剖视示意图。

图5为本发明中水肥深施装置另一可选方案的的剖视示意图。

图6为本发明中控制部分的连接框图。

图7为本发明中动力部分的连接框图。

图中：行走车架1，水肥储箱2，悬臂3，锁扣31，限位块32，倾角限位螺栓33，水肥深施装置4，转销41，筒体42，第一端盖43，滑动水肥杆44，活塞腔45，活塞46，水肥深施头47，悬挂板48，弹簧49，第二端盖40，电磁换向阀5，水肥管路6，压缩空气管路7，缓冲高度8，电磁截止阀9，水肥自动阀10，缓冲气罐11。

具体实施方式

实施例1：

如图1~4中，一种自动水肥深施系统，包括行走车架1，在行走车架1上设有多个悬臂3，悬臂3上设有可转动的水肥深施装置4；

所述的水肥深施装置4上设有由压缩空气驱动的滑动水肥杆44，滑动水肥杆44用于插入到土壤中，滑动水肥杆44为中空结构，滑动水肥杆44通过管路与水肥储箱2连接。由此结构，利用行走车架1行走在田间的垄间，利用压缩空气使滑动水肥杆44插入到土壤中，并将水肥储箱2中的水肥自动输入到靠近根部的土壤中。从而实现大规模的自动化水肥深施操作。采用本发明的系统还能避免某些水肥的气味对空气造成污染，例如气味较大的人畜粪便以及利用榨油残渣生产的沤肥。

优选的方案如图1、7中，所述的行走车架1上设有燃油机，燃油机与发电机连接，发电机与行走装置电连接，用于驱动行走装置行走，行走装置采用由电机驱动的轮式行走装置；采用燃油机发电驱动的方案，能够提高行走车架1的控制精度，尤其是在水肥深施作业过程中，需要行走车架1停止运行，这样频繁启停的步进行走方式，采用燃油机发电驱动的方案能够大幅降低能耗。还设有电池系统，用于储存发电机发出的电能，以进一步提高燃油机的能量转化效率。

发电机还与空压机连接，空压机采用活塞式空压机，压力为0.3~0.6兆帕，空压机作为压缩空气源；

水肥的驱动方式包括设置在水肥管路6上的水肥泵，例如隔膜泵或离心泵驱动水肥进入到水肥管路6中，；或者空压机通过管路与水肥储箱2连接，使水肥储箱2内的压力大于大气压，从而通过压缩空气将水肥压入到滑动水肥杆44。本例中优选采用压缩空气驱动。这样的优点是成本更低，而且需要水肥储箱2实现密封，避免气味外泄。

优选的方案如图2~4中，水肥深施装置4的结构为：如图4中，筒体42上设有活塞腔45，活塞腔45位于靠近筒体42下方的位置，活塞腔45的两端固设有第一端盖43和第二端盖40，滑动水肥杆44上固设有活塞46，活塞46滑动安装在活塞腔45内，并与活塞腔45形成密封，滑动水肥杆44的两端分别穿过第一端盖43和第二端盖40，滑动水肥杆44并与第一端盖43和第二端盖40滑动密封连接，在活塞腔45靠近第一端盖43和第二端盖40的内侧设有进气口，两个进气口分别与活塞腔45的两端连通，两个进气口通过管路与电磁换向阀5连接，电磁换向阀5与压缩空气源连通。优选的方案如图4中，两个进气口分别与第一端盖43和第二端盖40之间具有一段缓冲高度8，优选的，缓冲高度8为1~2cm，以缓冲滑动水肥杆44的滑动冲击，避免损坏活塞。

优选的如图4中，滑动水肥杆44的自由端设有水肥深施头47，水肥深施头47一端具有锥形的尖端，在锥形的尖端锥面上设有多个孔，多个孔与水肥深施头47内的盲孔连通，盲孔与滑动水肥杆44连通。水肥深施头47与滑动水肥杆44螺纹连接。

优选的方案如图4中，所述的电磁换向阀5安装在靠近活塞腔45的位置；本例中的电磁换向阀5为三位电磁换向阀，一位为顺向、一位为截止位，还有一位为换向。将电磁换向阀5安装在靠近活塞腔45的位置，甚至直接安装在筒体42表面，这样有助于缩短管路长度，从而提高反应速度，提高控制精度。

优选的如图4，在电磁换向阀5的进口还设有缓冲气罐11。由此结构，以进一步提高反应速度，设置的缓冲气罐11在进口的位置设有进气单向阀，压缩空气只能进入到缓冲气罐11内，而不能返回，从而确保缓冲气罐11的压力始终保持足够大，以避免其他水肥深施装置4在弹射滑动水肥杆44时，管路中的压力降低。从而确保滑动水肥杆44的前端能够完全的插入到土壤中。

优选的方案如图2~4中，所述的筒体42端头设有转销41，转销41与悬臂3可转动的连接；由此结构，便于将水肥深施装置4折叠在悬臂3中，以便于行走车架1的移动。进一步优选的，悬臂3采用“m”型的结构，水肥深施装置4安装在两个侧板之间，在悬臂3上设有限位块32和锁扣31，用于固定水肥深施装置4折叠状态。在悬臂3靠近转销41的位置设有倾角限位螺栓33，在筒体42上焊接有一块限位板，通过将倾角限位螺栓33顶在限位板上不同的位置，用于限定水肥深施装置4的倾角，以确保水肥深施装置4的滑动水肥杆44的端头位于土壤中合适的位置。倾角调节也可以采用其他调节方式，例如用钢丝绳悬挂的方式，通过调节钢丝绳的长度以调节倾角。

如图4中，第一端盖43和第二端盖40中的一个位于筒体42端头的位置，另一个位于筒体42中间的位置。由此结构，以获得足够长的折叠和伸展长度。

优选的方案如图5中，水肥深施装置4的结构为：活塞腔45的一端与两个悬挂板48连接，悬挂板48端头设有转销41，转销41与悬臂3可转动的连接；

活塞腔45的两端固设有第一端盖43和第二端盖40，滑动水肥杆44上固设有活塞46，活塞46滑动安装在活塞腔45内，滑动水肥杆44的两端分别穿过第一端盖43和第二端盖40，滑动水肥杆44并与第一端盖43和第二端盖40滑动密封连接，在活塞腔45靠近第一端盖43的内侧设有进气口，进气口与电磁截止阀9连通，电磁截止阀9与压缩空气源连通；

在活塞46与第二端盖40之间设有弹簧49。由此结构，仅需一个进气口供气，简化了操作管路，降低了成本。优选的，本例中，电磁截止阀9的进口设有缓冲气罐11。以进一步提高反应速度，设置的缓冲气罐11在进口的位置设有进气单向阀，压缩空气只能进入到缓冲气罐11内，而不能返回，从而确保缓冲气罐11的压力始终保持足够大。

优选的方案中，所述的水肥深施装置4与悬臂3通过转销41折叠连接，当折起时，滑动水肥杆44的自由端朝上，当放下时，滑动水肥杆44的自由端倾斜朝下；

每个悬臂3分别设有两个水肥深施装置4，每个水肥深施装置4放下时分别倾斜朝向悬臂3的两侧，如图1、3中。倾角通过倾角限位螺栓33进行调节。

优选的方案如图6中，还设有主控装置，主控装置优选采用plc或者单片机，例如stm32f系列单片机，本例中的系统控制较为简单，因此采用单片机进行控制也是可行的。主控装置与行程传感器和光电传感器中的一种或多种电连接，行程传感器用于检测行走车架1的行驶里程，例如设置在行走装置的编码器或者利用磁传感器、霍尔传感器检测轮子的转角，从而计算出行走里程，实现根据里程的施肥作业，例如行走60公分施肥一次。光电传感器用于检测植株，当检测到存在植株，例如果树时，即可停下施肥。从而实现经过一排植株施肥一次的作业。

主控装置与行走装置电连接，用于控制行走车架1的行走和停止动作；

主控装置与电磁换向阀5或电磁截止阀9电连接，用于控制气路的通断以使水肥深施装置4的滑动水肥杆44扎入到土壤中或者从土壤中拔出；

主控装置与水肥自动阀10电连接，水肥自动阀10采用电控或气动阀门，用于控制水肥注入到土壤中。

实施例2：

一种采用上所述的自动水肥深施系统的控制方法，包括以下步骤：

s1、将行走车架1行走至工作现场，根据现场状况将水肥深施装置4调整为朝下合适的倾角，以使水肥施放在靠近植物根部合适的位置；

s2、设定不同的步进方式，以步进的方式行走；如果以里程为步进方式，根据行程传感器检测行走里程，行驶一段距离后，行走车架1即停下进行施肥操作。如果以植株为步进方式，则对射的光电传感器被植株阻挡一次，行走车架1即停下进行施肥操作。

s3、在预设的位置，主控装置控制电磁换向阀5或电磁截止阀9，依次接通，压缩空气进入活塞腔45的上部腔体，推动活塞46向下运动，滑动水肥杆44随之向下运动，插入到土中，轮流给各个悬臂3的水肥深施装置4的活塞腔45通入压缩空气，使滑动水肥杆44的自由端进入到土壤中；依次接通电磁换向阀5或电磁截止阀9是避免压缩空气的压力瞬时降低。

s4、主控装置依次开启水肥自动阀10，通过各个滑动水肥杆44在土壤内注入预设的量的水肥；这由主控装置设定的开启时间加以限定。依次开启水肥自动阀10，也是避免水肥管路6中的压力瞬时降低，以确保水肥具有足够的压力被注入到土壤中，从而确保水肥在土壤中被扩散到足够大的范围。

通过以上步骤实现自动化的水肥深施作业。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。