一种基于Android平台的山地智能农用一体机及其控制方法与流程

本发明属于农业机械领域，尤其是一种基于Android平台的山地智能农用一体机及其控制方法。

背景技术：

国外从20世纪40年代初已开始保护性耕作的研究，形成了各种型式的配套机具。随着化学除草剂和一体机具的发展和成熟，保护性耕作得到了大面积的推广应用。日前国外的培垄施肥覆膜一体机以联合作业机为主，一次完成破茬、松土、开沟、播种、施肥、撤药等多项作业。国外农场的土地面积一般比较大，拖拉机的功率也较大，一体机一般是牵引式的，播种机横梁多，多排开沟器，各开沟器之间间隔大，播种机又宽又重，播种机是气力式的，土壤工作部件比较复杂，但是由于种植方式、土地条件以及经济发展等多种因素，国外的一体机从其结构和工作性能等方面均不能适应我国生产条件。

我国地块比较小，一体机一般都设计为悬挂式，且不能太重，但是免耕地表有残茬覆盖，土壤容重一般较高，故要求播种机单体必须有一定的重量才能达到入土开沟的目的。20世纪90年代之前主要研究玉米培垄施肥覆膜一体机，其中2BQM-6A型一体机的通过性能经测定在小麦秸秆经粉碎后覆盖量为9650kg/mh2，秸秆含水率为64.3％时，通过性系数0.97。

20世纪90年代以后，以中国农业大学保护性耕作研究中心为代表，在玉米、小麦一体机方面研究较多。但是目前用于山区农业耕作的农机因为山区经济、地形地貌等因素研究的比较少，现有的机械采用的是单体仿形，开沟铲前面配有仿形草圆盘，仿形机构为四连杆机构，9行一体机整机重量达900kg，如果将这种机械用于山地，会存在结构复杂、调整困难、机具过重等问题，而且山区地形崎岖，庞大的机械笨重、不宜转移。

通过检索相应的专利CN201310346238.5CN201310082919.5CN201310346240.2，发现上述机械结构复杂，很难在山地转移的情况有所改进。传统纯机械结构的一体机，结构相对复杂，稳定性不高，大部分靠人工操作，工作量大，播种的种子间距大小不一等精度不高，同时也没有检测种子是否堵住种盘等功能。

基于此现状，有必要改进农机的操作模式，对机械机构进行创新同时结合现有的电子信息技术，实现了功能的集成化、多样化以及智能化，并可更进一步升级为基于云计算、大数据的现代“互联网+”型农业机械。

技术实现要素：

本发明针对传统纯机械农机作业需要靠人工操作，精度不高，且作业过程不能实时自动监测等问题，提出了一种基于Android平台的山地智能农用一体机及其控制方法。

实现本发明的技术方案如下：

一种基于Android平台的山地智能农用一体机，包括坡地开沟播种施肥一体机；所述坡地开沟播种施肥一体机的车架上设有第一电机、第二电机；所述第一电机的输出轴连接所述坡地开沟播种施肥一体机的行走轴；所述第一电机带动所述行走轴转动，在实现一体机行走的同时带动供种供肥装置运行；所述第二电机的输出轴连接转动轴、并带动所述转动轴转动，所述转动轴焊接在开沟爬坡机构的穿轴孔之间，所述转动轴的转动能够带动开沟爬坡机构做圆弧形上下运动；

所述坡地开沟播种施肥一体机的前端设有超声波测距离传感器、过料孔处设有光电门装置；所述超声波测距离传感器、所述光电门装置均与控制器相连接，所述控制器还与所述第一电机和所述第二电机相连；所述控制器通过蓝牙与智能安卓设备连接；所述控制器接收所述智能安卓设备的控制指令，驱动第一电机和第二电机转动，实现所述山地智能农用一体机的行走、开沟、播种施肥、遇到障碍物时越障、播种不成功时报警。

进一步地，所述智能农用一体机还包括覆膜机构和第三电机；所述第三电机固定在一体机的车架上，所述第三电机输出轴通过丝杠装置连接所述覆膜机构的前支架；所述第三电机与所述控制器相连并接受控制器的驱动指令；所述第三电机的转动带动所述丝杠装置上下运动，进而带动所述覆膜机构上下运动。

进一步地，所述第一电机通过联轴器与所述行走轴相连，所述第二电机通过联轴器与所述转动轴相连。

进一步地，所述第一电机、所述第二电机以及所述第三电机为测速电机。

进一步地，所述控制器采用STM32控制器实现；所述智能安卓设备为智能手机或PAD，所述智能安卓设备安装APP软件。

本发明还提出了一种适用于所述智能农用一体机的控制方法，包括如下几种情况：

(a)当实现一体机行走时，使用安卓设备通过蓝牙向控制器发射指令，控制器驱动第三电机转动，进而驱动丝杠旋转带动覆膜机构向上运动，使覆膜机构离地；控制器同时驱动第二电机，使开沟爬坡机构抬起离地；

(b)当实现一体机耕作时，使用安卓设备通过蓝牙向控制器发射指令，控制器驱动第一电机和第二电机转动，第一电机的转动带动一体机向前行走的同时进行播种施肥，第二电机的转动使开沟爬坡机构向下运动接触耕地；一体机在前行时，前端的开沟爬坡机构进行开沟，紧接着播种施肥机构上的圆盘转动使圆盘上的排种排肥孔与播种箱上的小孔对齐，种子与肥料从播种箱中通过排种排肥的小孔落入排种排肥管道中，顺着管道滑入开好的沟中，随后弧形铲挖出的泥土在圆盘转过180°后落入导向槽中，顺着导向槽滑落将种子和肥料覆盖；

(c)当实现一体机跨越障碍时，利用超声波测距离传感器实时检测一体机前方路况，当有障碍物时，通过控制器将障碍信息发送到安卓设备；安卓设备接收到障碍物信息后，通过蓝牙向控制器发射相应的指令，控制第三电机驱动覆膜机构的丝杠旋转，使覆膜机构向上运动脱离地面，同时驱动第二电机转动，使得开沟爬坡机构绕转动轴做圆弧向下运动使之脱离地面；

(d)当一体机耕作过程出现种子堵塞时，位于种盘下面的光电门装置没有接收到种子滑落的信号，此时将信息通过控制器发送至安卓设备并报警。

进一步地，所述(b)还包括：在种子需覆膜时，安卓设备通过蓝牙向控制器发送指令以驱动第三电机转动，使覆膜机构下降并完成覆膜。

进一步地，所述(c)还包括：当开沟爬坡机构的带锯齿状的圆盘位置达到障碍物的一端时，安卓设备发送指令给控制器，驱动第二电机使开沟爬坡机构降下，开沟爬坡机构上面带锯齿状的圆盘压向障碍物的一端；继续驱动第三电机，使开沟爬坡机构产生一个向地的抓力，实现辅助越障爬坡。

本发明的有益效果是：

1、通过对机械结构的创新设计实现的效果：

(1)用一个机构完成开沟覆土和越障爬坡功能；

(2)合理安排开沟机构、覆膜机等机构的安装位置，使机身更小型和轻便；

2、通过现代电子信息技术和传统机械的结合实现的效果：

(1)利用超声波传感器和STM32微控制器，形成“发现—处理—动作”自动反馈控制回路，代替传统手动换挡越障；

(2)在播种盘处安装传感器，根据反馈的信息，能够检测种盘堵塞和缺种等具体情况；

(3)基于Android系统，通过蓝牙收发指令，利用STM32微控制器和步进电机控制覆膜机构的升降，代替手动操作；

(4)根据种间距离、土地性质、培垄要求等具体情况，在手机APP上十分便捷地修改农机的相关运行参数，使之灵活地适应不同作物的耕作要求。

附图说明

图1是本发明一体机模块结构示意图；

图2是开沟爬坡机构；

图3是传动机构；

图4是播种施肥机构；

图5是覆膜机构；

图6是整体模块工作流程示意图；

图7是智能越障动作流程图。

标记说明：

图2中：2-1轮轴，2-2轮架，2-3链轮，2-4开沟轮，2-5穿轴孔，2-6销栓，2-7挖斗，2-8排种排肥管道，2-9覆土导槽，2-10轴承座；

图3中：3-1轴环，3-2惰轮，3-3第五链轮，3-4主齿轮，3-5行走轴，3-6轴承座，3-7支撑架，3-8锥齿轮，3-9，3-10皮带，3-11第二齿轮轴，3-12啮合齿轮，3-13第四链轮，3-14主链轮，3-15啮合链轮，3-16第三链，3-17主动轴，3-18第一齿轮轴，3-19飞轮，3-20第一链轮，3-21第二齿轮，3-22导杆，3-23销钉，3-24连杆，3-25第二销钉，3-26连接块，3-27第一销钉，3-28拨叉，3-29螺栓，3-30操作杆，3-31第一齿轮，3-32惰轮轴；

图4中：4-1第一圆盘，4-2第四带轮，4-3第三带轮，4-4第三带轮轴，4-5第三圆盘，4-6第二圆盘，4-7第四圆盘，4-8第一带轮，4-9第四带轮轴，4-10第二带轮，4-11第一锥齿轮，4-12第二皮带，4-13第一皮带，4-14第二带轮轴，4-15第六带轮，4-16第一带轮轴，4-17第三皮带，4-18第五带轮；

图5中：1前挂杆，2移动框，3.模架，4前支架，5机架，6机架孔，7定位方孔，8定位销钉，9销钉，10第一压膜轮杆，11后支架，12压膜轮，13第二压膜轮杆，14弹簧。

具体实施方式

本发明针对现有机械机构结合电子信息技术，解决山区农机耕作时机具笨重转移不便，越障能力薄弱等问题，实现农机的进一步智能化，本发明的具体实施如下：

1.开沟爬坡机构

将开沟机构设计成圆盘形式，在圆盘上安装弧形铲，使圆盘在转动时，圆盘上的弧形铲将土铲起，达到开沟目的；同时在遇到障碍物或爬坡时，能够辅助抓地，便于越障或爬坡。

具体结构：如图2，开沟爬坡机构主要由开沟轮、轮轴、轮架及覆土导槽组成，轮轴2-1两端通过轴承座2-10安装于轮架2-2上，轮架2-2一侧安装有销栓2-6。链轮2-3安装于轮轴2-1的中间，轮轴2-1均匀固定安装有四个开沟轮2-4，开沟轮2-4上周向均匀安装有挖斗2-7，开沟轮2-4两侧板周边呈锯齿状。穿轴孔2-5，用于放置转动轴，转动轴通过焊接与之形成整体，覆土导槽2-9设有与开沟轮相对应的四个导槽，覆土导槽2-9上开有四个排肥排种孔，排肥排种管道2-8固定于排肥排种孔的下方。覆土导槽2-9两端都通过类似销栓2-6安装于轮架2-2上。将第二电机安装在轮架2-2的一侧，第二电机输出轴通过联轴器连接转动轴，故通过第二电机可以使转动轴旋转，进而调节该机构的高度。

工作原理：

在不农耕时，用开发的Android手机APP通过蓝牙向基于STM32的控制板发射使开沟爬坡机构脱离地面的指令，减少行进阻力；

在农耕时，用开发的Android手机APP通过蓝牙向基于STM32的控制板发射使开沟爬坡机构接触耕地的指令，农机在前行时，机械前端的开沟爬坡机构进行开沟，紧接着播种施肥机构上的圆盘转动使圆盘上的排种排肥孔与播种箱上的小孔对齐，种子与肥料从播种箱中通过排种、排肥的小孔落入排种排肥管道中，顺着管道滑入开好的沟中，随后之前弧形铲挖出的泥土在轮盘转过180°后泥土落入导向槽中，顺着导向槽滑落将种子和肥料覆盖。

在越障时，利用超声波传感器和STM32微控制器，形成了“发现—处理—动作”自动反馈控制回路，可以代替传统手动换挡越障，Android设备接收到超声波模块感应前方障碍物的情况，通过蓝牙向控制板发射相应的指令将覆膜机构的丝杠旋转使覆膜机构向上运动脱离地面，同时驱动开沟爬坡机构侧边的第二电机，使该机构绕转动轴做圆弧运动使之脱离地面，当开沟爬坡机构的带锯齿状的圆盘位置能达到障碍的一端，驱动第二电机使开沟爬坡机构降下，将开沟爬坡机构的上面带锯齿状的圆盘压向障碍物，此时继续驱动第二电机，使锯齿状圆盘在越障的过程中产生一个向地的抓力，从而辅助越障爬坡，智能越障动作流程图如图7。

2.传动机构

如图3，动力传动机构由齿轮传动和链传动组成，主动轴3-17、第一齿轮轴3-18、第二齿轮轴3-11通过轴两端的轴承座安装于两侧支撑架3-7上，行走轴3-5中间段安装有轴承座3-6，轴承座3-6固定安装于支撑架3-7末端。主动轴3-17上固定安装有主齿轮3-4、啮合齿轮3-12、主链轮3-14和啮合链轮3-15；惰轮3-2固定安装于惰轮轴3-32上，惰轮轴3-32通过轴承座安装于支撑架3-7上，惰轮3-2与主齿轮3-4相啮合；第一齿轮3-31及第二齿轮3-21通过旋转副安装于第一齿轮轴3-18上，即第一齿轮3-31及第二齿轮3-21可以相对第一齿轮轴3-18空转，第一齿轮3-31和第二齿轮3-21一侧分别开有齿孔，第二齿轮3-21与第三齿轮3-12相啮合，第一齿轮3-31与惰轮3-2相啮合。

第一齿轮轴3-18是花键轴，轴环3-1两侧设有犬齿，轴环3-1内圈开有齿槽，轴环3-1通过齿槽与第一齿轮轴3-18相连，并与第一齿轮轴3-18一起转动，轴环3-1也可以沿着第一齿轮轴3-18在一定范围内左右滑动；拨叉3-28与轴环3-1通过旋转副相连，轴环3-1可在拨叉3-28内圈转动，拨叉3-28另一端安装于导杆3-22上，导杆3-22固定安装于支撑架3-7上，连接块3-26与拨叉3-28固定在一起，连接块3-26通过销钉3-23与连杆3-24相连，操作杆3-30通过第一销钉3-27安装于支撑架3-7上，操作杆3-30一端通过第二销钉3-25与连杆3-24相连，转动操作杆3-30即可实现轴环3-1的左右滑动，操作杆3-30的位置通过螺栓3-29固定；第一链轮3-20和飞轮3-19固定安装于第一齿轮轴3-18上，第一链轮3-20通过链与开沟覆土机构轮轴2-1上的第二链轮2-3相连，飞轮3-19通过第三链3-16与第四链轮3-13相连，当第一齿轮轴3-18顺时针转动时，飞轮3-19外圈随内圈的转动而转动，飞轮3-19通过第三链3-16带动第四链轮3-13转动，当第一齿轮轴3-18逆时针转动时，飞轮3-19内圈动而外圈不动，飞轮3-19不会带动第四链轮3-13转动。第四链轮3-13和锥齿轮3-8固定安装于第二齿轮轴3-11上，行走轴3-5两端分别固定安装有两第五链轮3-3，3-10为皮带用于连接主动轴3-17和行走轴3-5。

3.播种施肥机构

考虑农作物种植的行距要求以及播种、施肥这两项农耕工序的时间差，将机械底座上设计有左右两组圆盘，每组各三个。左边一组圆盘执行排种功能，右边一组圆盘执行施肥功能。当需要密集播种时，可以将左边三个圆盘都投入使用，以达到密集播种目的；当需要稀疏播种时，可以只将左边三个圆盘中两个圆盘投入使用，以达到稀疏播种目的。在播种时，通过调速机构控制排种以及施肥速度。

具体结构设计：如图4，播种施肥机构采用圆盘式机构，第一圆盘4-1和第二圆盘4-6为排肥盘，第三圆盘4-5和第四圆盘4-7为排种盘，第一圆盘4-1和第二圆盘4-6上分别均匀设有四个装肥槽，第三圆盘4-5和第四圆盘4-7分别均匀设有四个装种槽，第一圆盘4-1和第二圆盘4-6分别固定安装于第一带轮轴4-16和第二带轮轴4-14上，第三圆盘4-5和第四圆盘4-7分别固定安装于第三带轮轴4-4和第四带轮轴4-9上，四根带轮轴下端均通过轴承座安装于支撑架3-7上，上端通过轴承座安装于种肥箱底部，各轴直接通过同步带传动，第一锥齿轮4-11、第一带轮4-8和第二带轮4-10分别固定安装于第四带轮轴4-9上，第一锥齿轮4-11与第二锥齿轮3-8啮合，第三带轮4-3和第四带轮4-2分别固定安装于第三带轮轴4-4上，第五带轮4-18固定安装于第一带轮轴4-16上，第六带轮4-15固定安装于第二带轮轴4-14上，第一带轮4-8与第六带轮4-15通过第一皮带4-13连接，第二带轮4-10与第四带轮4-2通过第二皮带4-12连接，第三带轮4-3与第五带轮4-18通过第三皮带4-17连接。第二锥齿轮3-8转动带动第四带轮轴4-9转动，从而带动各轴一起同向转动。

工作原理：圆盘转动，第三圆盘4-5和第四圆盘4-7的装种槽与装种箱5-9上的第一排种孔5-10和第二排种孔5-2对齐时，装种箱里面的种子通过第一排种孔5-10和第二排种孔5-2进入装种槽，圆盘继续转动，圆盘上的装种槽与挡板上的第一下种口6-4和第二下种口6-5相对齐时，装种槽中的种子通过第一下种口6-4和第二下种口6-5进入排种管，通过排种管排到沟中。由于左边与右边圆盘在安装上存在一个45°的角度差，使得工作时排肥与排种相间进行，保证了播种与施肥的均匀准确性，排肥原理与排肥原理相同。

4.覆膜机构

覆膜部分主要由压膜轮、覆土圆盘，膜架、机架等组成，其中，对覆膜机构的安装采用将覆膜机架和丝杠进行焊接，使丝杠和覆膜机成为一体，安装在第三电机上面，第三电机安装在车架上，通过第三电机可驱动丝杠的旋转运动，从而达到对覆膜机的升降。在农作物不需要使用时可将其升起，脱离地面。

具体结构设计：

如图5中，覆膜装置主要由压膜轮12、覆土圆盘13，膜架3、机架5等组成，同时覆膜装置的机架和丝杠滑台通过焊接的方式与之形成整体，实现覆膜、压膜和覆土三个功能。首先根据垄宽调节安装膜的宽度，然后将膜卷卡在膜架3上，接着将膜的自由端拉至压膜轮12的前端，并用土压住。随机组的前进，膜卷转动，膜被拉伸铺在垄上，压膜轮12将膜两侧边缘紧压在垄两侧壁的埋膜沟内，之后覆土圆盘13起土压盖在地膜的两侧边缘上，从而达到固定封严地膜的作用，同时完成了铺膜作业。

工作原理：

工作时，首先将膜卷卡在膜架上，然后将膜的自由端拉至压膜轮的前端。随着机组的前进，膜卷被抽拉而转动，从而将膜连续的铺放在垄面上。受机组前进的牵引力的作用，膜在纵向被延伸并拉紧；膜两侧的边缘部分被配置在膜架后方的左右两侧的压膜轮紧压在垄侧壁的埋膜沟内，使地膜沿着垄侧壁横向延伸，并紧绷在垄面上。

为防止覆两侧因固定不牢而影响其平整度以及覆膜效果，设置了一处覆土装置。在压膜完成后，配置压膜轮后的覆土圆盘起土压盖在地膜的两侧边缘上，从而达到固定封严地膜的作用，同时完成了铺膜作业。

5.电控模块设计

在耕作过程中，一体机需要正常行走的同时，要实现开沟、播种、施肥、覆膜、越障爬坡等一系列功能，每项功能都需要相应的驱动源头，本发明设计3个驱动测速电机，通过设计程序和算法实现一体机的协调运行。电控结构示意图如图1和图6所示。

具体模块设计：

第一电机的输出轴通过联轴器与行走轴相连，安装于行走轴的右侧，同时固定在一体机机架上；设计好齿轮组和链轮的传动比，实现一体机行走的同时驱动播种施肥机构，完成播种施肥。

第二电机的输出轴通过联轴器连接于开沟爬坡机构的转动轴的左侧，同时固定在一体机的机架上，通过控制第二电机的转动来实现开沟爬坡机构绕转动轴的圆弧运动，从而实现开沟爬坡机构接触耕地和离开耕地，完成在耕种时开沟的功能和遇障时辅助越障的功能。

第三电机的输出轴通过联轴器与覆膜机构上的丝杠滑台相连，安装在覆膜机构的下面同时通过相应的机构固定于机架上，通过驱动电机的转动使之驱动丝杠旋转，从而实现覆膜机的升降。

同时在一体机前端安装超声波传感器，用于探测前方障碍物；在播种施肥机构的播种圆盘下方安装光电门装置，用于检测种子是否落下。

如图1所示，所述3个测试电机、所述超声波传感器、所述光电门装置均与STM32微控制器相连，所述控制器通过蓝牙与安卓设备APP通信，上传数据给APP并接受APP下发的指令，控制器通过驱动电路实现驱动3个测速电机，驱动电路和控制器之间为串口连接。

工作原理：

超声波传感器和光电门装置可以反馈关于障碍和种子下落的情况，3个测速电机分别都带有测速功能，故可以通过上述模块得到当前电机的转动速度，当前种子是否卡住以及障碍物与一体机的距离等信息，同时以上信息均通过蓝牙经STM32的控制器发送到编写有APP的Android设备上，当Android设备接收信号时，客户根据具体的情况去决策需要进行的指令，通过对控制器发送相应的指令，控制器再通过串口将指令传给驱动电路，决策3个测速电机的运行状态。从而实现农机的运行以及一系列的功能，整体各模块的动作协调控制如图6。

如图6，本发明一体机的工作过程和控制方法如下：

当一体机实现正常的行走时，通过Android设备通过蓝牙向控制板发射指令驱动与覆膜机构连接的电机，通过丝杠旋转实现覆膜机的上下运动，使机构离地，同时驱动开沟爬坡机构侧边的电机，使机构抬起使机构离地，代替手动操作；

当一体机实现正常耕作时，使用Android设备通过蓝牙向控制板发射与上述相反的指令，使开沟爬坡机构接触耕地，农机在前行时，机械前端的开沟爬坡机构进行开沟，紧接着播种施肥机构上的圆盘转动使圆盘上的排种、排肥孔与播种箱上的小孔对齐，种子与肥料从播种箱中通过排种、排肥的小孔落入排种排肥管道中，顺着管道滑入挖好的小沟中，随后之前弧形铲挖出的泥土在轮盘转过180°后泥土落入导向槽中，顺着导向槽滑落将种子和肥料覆盖，若根据种子具体情况如需覆膜，用开发的Android手机APP通过蓝牙向基于STM32的控制板发射使膜机构下降的指令，使之实现覆膜功能，代替手动操作；

如图7，当一体机实现跨越障碍时，利用超声波传感器和STM32微控制器，形成了“发现—处理—动作”自动反馈控制回路，可以代替传统手动换挡越障，Android设备接收到超声波模块感应前方障碍物的情况，通过蓝牙向控制板发射相应的指令将覆膜机构的丝杠旋转使覆膜机构向上运动脱离地面，同时驱动开沟爬坡机构侧边的电机，使该机构绕转动轴做圆弧运动使之脱离地面，当开沟爬坡机构的带锯齿状的圆盘位置能达到障碍的另一端，驱动电机使爬坡机构降下，将沟爬坡机构的上面带锯齿状的圆盘压向障碍的另一端，继续驱动开沟爬坡机构的电机，在越障的过程中产生一个向地的抓力，从而辅助越障爬坡。

当一体机耕作出现种子堵塞时，由于设计在种盘下面的光电门没有接收到种子滑落的信号，在客户端APP界面会显示没有种子下落，从而发生报警，提醒耕作者检查种盘排除故障，从而实现耕作的顺利进行。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。