专利名称：一种水稻智能变量施肥机及其变量施肥方法
技术领域：
本发明涉及一种用于水稻生长期施肥的变量施肥技术，具体地说是一种水稻智能
变量施肥机及其变量施肥方法。
背景技术：
精确农业变量施肥技术(简称精确施肥或变量施肥)是以作物生长模型、作物营 养专家系统为支持，以高产、优质、环保为目的的施肥技术，要求对农业生态系统进行养分 平衡研究，从而可以实现在每一操作单元上因作物营养水平的差异而按需施肥，有效控制 物质循环中养分的输入和输出，减少化肥对环境的污染和破坏，大大提高了肥料的利用率， 降低生产成本，增加了农民收入。 水稻作为我国主要的粮食作物之一，在幼苗期、分叶期、拔节期、孕穗期、抽穗期等
生长阶段对各种营养元素的需求，随着水稻品种、气候、土壤和施肥技术等条件的不同而变
化，特别是不同生育时期水稻对氮、磷、钾三种主要营养元素需要量大，吸收量的差异十分
显著，单纯依靠土壤供给，不能满足水稻生长发育的需要，必须另外施用。 基于全球定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)、遥感技术(RS)、计算机自动控制
等技术，国内外已对农作物变量施肥技术开展了大量研究工作，取得一些研究成果，如中
国专利ZL02149019. 8， ZL200910095897. X、 ZL200710175341. 2，日本专利JP20030154427、
JP19980080779等。这些施肥技术大多应用GPS、GIS技术，通过测定往年土壤养分、地形地
貌、作物产量等信息，获取土壤变量施肥处方图，指导当季作物生长施肥，往往只变量控制
一种肥料的施用量(如氮肥)，而水稻生长期土壤养份构成已经发生很大变化，且单位面积
作物的N、P、K元素的需求比例不同，需要实时精确控制。国外已有撒施液态肥的变量技术
成果，采用液压驱动控制技术，系统结构简单，但在我国液态化肥的品种和生产量很少、运
输不便，推广应用受限，不适合我国化肥供应以颗粒、粉末状为主的实际情况；现有变量施
肥机具多与通用的拖拉机悬挂连接，两轮驱动，底盘低，采用普通轮胎，不适合水田行走要
求的过埂通过性、高地隙、转弯半径小的工作要求。 随着高光谱遥感技术和机器视觉技术的发展，对作物生长期实施精确变量施肥成 为可能。而目前研究大多只应用单一的技术手段，如光谱遥感技术或机器视觉技术来采集 作物生长状态信息，信息采集的准确性和可靠度不高，且研究方向主要集中于小麦、大豆、 番茄等农作物的施肥施药，而综合应用高光谱遥感和机器视觉的多信息融合技术对水稻生 长期变量施肥的应用研究成果未见报道。 因而，目前需要一种适合作物生长全周期的变量施肥机械与施肥方法，尤其是一 种适合水稻生长期撒施颗粒、粉末状化肥的智能变量施肥方法和适合水田行走的变量施肥 机械。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种水稻智能变量施肥机及其变量施肥方法，该变量施肥机为自走式变量施肥机械，施肥精确、可控性好，适合水 稻生长期施肥；该变量施肥方法可以实时监测水稻的生长状态，根据水稻在不同生长期的 营养需求，进行动态的实时精确施肥，真正实现自动化的按需精确施肥。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的 —种水稻智能变量施肥机，其特征在于该变量施肥机包括高光谱遥感系统、图像 采集系统、牵引机体、连接悬挂结构、变量施肥单元、摊肥机构、液压驱动系统、GPS天线、GPS 流动站、支撑机架、地轮、测速传感器和控制系统，高光谱遥感系统和图像采集系统设置在 牵引机体的前端；支撑机架通过连接悬挂结构与牵引机体连接；变量施肥单元设置在支撑 机架的上部；摊肥机构与变量施肥单元连接并设置在支撑机架的下部；在支撑机架的底部 设有地轮；在地轮上设有测速传感器；变量施肥单元和摊肥机构与液压驱动系统连接；在 牵引机体内设有与高光谱遥感系统和图像采集系统进行通讯的GPS天线和GPS流动站；对 数据进行处理并控制变量施肥单元和摊肥机构动作的控制系统设置在牵引机体内。
—种水稻智能变量施肥机的变量施肥方法，其特征在于该方法通过高光谱遥感 系统和图像采集系统的信息融合，实时检测水稻的N、 P、 K含量，并根据其营养盈亏状况对 水稻进行按需施肥，具体步骤如下 1)变量施肥机在水田前行过程中，通过置于机器前端的高光谱遥感系统和图像采 集系统进行水稻生长状态信息采集，得到小麦冠层反射光谱的"面状"信息，水稻叶片、茎秆 的形貌特征； 2)将采集的信息传送给控制系统，控制系统利用基于光谱特征参数和图像特征的 营养诊断模型计算水稻实际的N、 P、 K含量，通过与控制系统中设定的水稻营养智能专家系 统信息的比较，计算出当前N、 P、 K追肥需求量，对预先设定的土壤施肥处方图进行修正；
3)控制系统根据生成的追肥处方图、行走轮测速传感器测定的机器速度及GPS系 统测定的位置参数得出氮肥箱、磷肥箱、钾肥箱内的输肥搅龙在各输肥单元的输肥速度和 输肥量。 本发明的智能变量施肥方法采用了基于高光谱遥感和机器视觉的多信息融合技
术实时检测水稻的N、 P、 K含量，根据其营养盈亏状况对水稻进行按需施肥。 本发明所述的高光谱遥系统与图像采集系统置于伸縮式支撑杆前端，伸縮式支撑
杆置于牵引机体前端，通过支撑架与牵引机体连接并呈一定仰角前伸，伸縮式支撑杆由液
压驱动系统驱动可自由伸縮，以适应不同的施肥工况要求，保证给予控制系统、变量施肥单
元足够的动态反应时间， 牵引机体由发动机、前桥、后桥、前轮、后轮等组成。牵引机体采用采用高地隙(前
后高立轴支撑方式)、窄轮(每个轮胎7cm宽)、四轮驱动的一体化底盘结构，保证机器不轮
陷、正常过埂，且360度转弯、转弯半径小，操作简便，适合水田作业要求。 所述的变量施肥单元与支撑机架固连并支承于支撑台上，支撑台与地轮的支座固
连，变量施肥单元通过支撑机架和支撑台与连接悬挂结构连接，连接悬挂结构前端连接于
牵引机体。 所述的变量施肥单元由输肥绞龙、输肥液压马达、氮肥箱、磷肥箱、钾肥箱、搅肥螺 旋、搅肥液压马达、混流室、电磁式排肥活门、过渡箱、肥料箱、外槽轮式排肥器、排肥液压马 达、散肥器等组成。氮肥箱、磷肥箱、钾肥箱、混流室与支撑机架通过螺栓连接，过渡箱与肥料箱螺栓连接，肥料箱与支撑台固连。氮、磷、钾肥的输肥绞龙分别置于相应的肥箱底部，由 输肥液压马达驱动，输肥绞龙分别将氮、磷、钾肥输送至混流室中，搅肥液压马达驱动搅肥 螺旋转动，搅肥螺旋自上而下截面逐渐增大，对落于混流室中的氮、磷、钾肥进行混合搅匀 操作。所述的电磁式排肥活门置于混流室下部，由电磁驱动系统控制开合，当失电后排肥活 门在肥料重力作用下自动打开，混合均匀后的氮、磷、钾肥落于肥料箱中，得电后，排肥活门 合上，混流室底部密闭。 所述的摊肥机构置于肥料箱上方，对混流室落下的混合肥料进行摊匀操作，由摊
肥铲、液压升降杆、行走小车、滚轮、方杆轨道、液压马达、滚筒、牵引钢丝绳、定滑轮等组成。
牵引钢丝绳缠绕于滚筒绳槽中，其一端与行走小车相连，另一端通过定滑轮与行走小车另
一侧连接，摊肥铲通过液压升降杆与行走小车相连，摊肥铲的工作高度由液压升降杆通过
液压驱动系统调节，行走小车由滚轮支撑并沿方杆轨道行走，方杆轨道对称置于肥料箱上
部两侧，定滑轮与滚筒、液压马达分别置于肥料箱左、右两侧。摊肥机构工作时，液压马达驱
动滚筒匀速正反转，缠绕于滚筒上的牵引钢丝绳牵引行走小车移动，摊肥铲随之左右匀速
移动，摊肥铲前行过程中摊平落于肥料箱的混合肥料，使每一施肥单元均匀施肥。 由摊肥机构摊匀的混合肥由外槽轮式排肥器排入散肥器，散肥器将化肥均匀撒入
单元作业面积的水田中，外槽轮式排肥器由排肥液压马达驱动。 本发明的变量施肥机为自走式变量施肥机械，施肥精确、可控性好，适合水稻生长 期施肥；变量施肥方法可以实时监测水稻的生长状态，根据水稻在不同生长期的营养需求， 进行动态的实时精确施肥，真正实现自动化的按需精确施肥。
与现有技术相比，本发明显著优点是 1)基于高光谱遥感技术、机器视觉技术和GPS技术，根据水稻在不同生长期的生 长状态，计算出N、 P、 K元素的追肥需求量，对原来的处方图作出修正，避免现有变量施肥技 术过度依赖作业前预先设定的变量处方图的状况，使水稻生长期实施精确变量施肥成为可 能。 2)多路通道N、 P、 K输肥，并自动配比，充分混合后再由摊肥机构摊平均匀后由排 肥器排肥，进行动态的实时精确施肥，适合水稻生长期撒施颗粒、粉末状化肥。
3)排肥活门采用电磁驱动，输肥搅龙、搅肥螺旋、排肥器、摊肥机构等工作部件全 部采用液压驱动，无复杂的机械传动链，工作平稳，可控性好，易于实现系统集成智能自动 控制，且系统效率高，噪声污染小。 4)整机采用自走乘坐式，高地隙、四轮驱动底盘及窄轮行走，可实现360度转弯， 转弯半径小，操作方便，过埂通过性好，不轮陷，完全适合水田作业要求。
图l是本发明中变』 图2是本发明中变j 图3是本发明中变j 图4是本发明中变』 图5是本发明中变』 图6是本发明中变j
t施肥机的结构示意图； t施肥机的俯视示意图； t施肥方法的原理图； t施肥机的变量施肥单元的结构示意图； t施肥机的变量施肥单元的侧视示意图； t施肥机的肥料箱摊肥机构的结构示意图
6
图7是本发明中变量施肥机的肥料箱摊肥机构的俯视示意图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。 如图1、图2所示，本发明所述的一种智能变量施肥机，该变量施肥机由置于前端 的高光谱遥感系统1与图像采集系统2、牵引机体3、连接悬挂结构5、变量施肥单元6、液压 驱动系统7、摊肥机构8、支撑机架9、支撑台10、地轮11、测速传感器12、GPS流动站13、GPS 天线4、电源14、控制系统15组成。 高光谱遥系统1与图像采集系统2置于伸縮式支撑杆16前端，伸縮式支撑杆16置 于牵引机体3前端，通过支撑架与牵引机体3连接并呈一定仰角前伸，伸縮式支撑杆16由 液压驱动系统7驱动可自由伸縮，以适应不同的施肥工况要求，保证给予控制系统、变量施 肥单元足够的动态反应时间。 牵引机体3由发动机31、前桥33、后桥34、前轮32、后轮35等组成。牵引机体3采 用采用高地隙(前后高立轴支撑方式)、窄轮(每个轮胎7cm宽)、四轮驱动的一体化底盘结 构，保证机器不轮陷、正常过埂，且360度转弯，转弯半径小，操作简便，适合水田作业要求。
变量施肥单元6与支撑机架9固连并支承于支撑台10上，支撑台10与地轮11的 支座固连，变量施肥单元6通过支撑机架9和支撑台10与连接悬挂结构5连接，连接悬挂 结构5前端连接于牵引机体3。 如图4、图5所示，变量施肥单元6由输肥绞龙62、输肥液压马达61、氮肥箱63、磷 肥箱64、钾肥箱65、搅肥螺旋67、搅肥液压马达66、混流室611、电磁式排肥活门612、过渡 箱68、肥料箱69、外槽轮式排肥器613、排肥液压马达614、散肥器610等组成。氮肥箱63、 磷肥箱64、钾肥箱65、混流室611与支撑机架9通过螺栓连接，过渡箱68与肥料箱69螺栓 连接，肥料箱69与支撑台IO固连。氮、磷、钾肥的输肥绞龙62分别置于相应的肥箱底部， 由输肥液压马达61驱动，输肥绞龙62分别将氮、磷、钾肥输送至混流室611中，搅肥液压马 达66驱动搅肥螺旋67转动，搅肥螺旋67自上而下截面逐渐增大，对落于混流室611中的 氮、磷、钾肥进行混合搅匀操作。所述的电磁式排肥活门612置于混流室611下部，由电磁 驱动系统控制开合，当失电后排肥活门612在肥料重力作用下自动打开，混合均匀后的氮、 磷、钾肥落于肥料箱69中，得电后，排肥活门612合上，混流室611底部密闭。
如图6和图7所示，摊肥机构8置于肥料箱69上方，对混流室611落下的混合肥 料进行摊匀操作，摊肥机构8由摊肥铲82、液压升降杆83、行走小车84、滚轮85、方杆轨道 86、液压马达89、滚筒88、牵引钢丝绳87、定滑轮81等组成。牵引钢丝绳87缠绕于滚筒88 绳槽中，其一端与行走小车84相连，另一端通过定滑轮81与行走小车84另一侧连接，摊肥 铲82通过液压升降杆83与行走小车84相连，摊肥铲82的工作高度由液压升降杆83通过 液压驱动系统7调节，行走小车84由2组滚轮85支撑并沿方杆轨道86行走，方杆轨道86 对称置于肥料箱69上部两侧，定滑轮81与滚筒88、液压马达89分别置于肥料箱69左、右 两侧。摊肥机构8工作时，液压马达89驱动滚筒88匀速正反转，缠绕于滚筒88上的牵引 钢丝绳87牵引行走小车84移动，摊肥铲82随之左右匀速移动，摊肥铲82前行过程中摊平 落于肥料箱69中的混合肥料，使每一施肥单元均匀施肥。 由摊肥机构8摊匀的混合肥由外槽轮式排肥器613排入散肥器610，散肥器610将
7化肥均匀撒入单元作业面积的水田中，外槽轮式排肥器613由排肥液压马达614驱动。
—种智能变量施肥方法，采用了基于高光谱遥感和机器视觉的多信息融合技术实 时检测水稻的N、 P、 K含量，根据其营养盈亏状况对水稻进行按需施肥。 变量施肥机在水田前行过程中，通过置于机器前端的高光谱遥感系统1的光谱传 感器和图像采集系统2的高分辨率相机进行水稻生长状态信息采集，高光谱传感器主要采 集小麦冠层反射光谱的"面状"信息，高分辨率相机主要采集水稻叶片、茎秆的形貌特征，采 集后的信息通过控制系统15利用基于光谱特征参数和图像特征的营养诊断模型计算水稻 实际的N、P、K含量，通过与控制系统15中水稻营养智能专家系统信息的比较，计算出当前 N、P、K追肥需求量，对预先设定的土壤施肥处方图进行修正。各输肥搅龙62在各输肥单元 的输肥速度和输肥量由控制系统15根据生成的追肥处方图、行走轮测速传感器12测定的 机器速度及GPS系统测定的位置参数计算得出。 进行某一单元施肥工作时，控制系统15对前端高光谱遥感系统1和图像采集系统 2采集的信息进行处理后，通过液压驱动系统7控制输肥液压马达61分别驱动氮肥箱、磷肥 箱和钾肥箱内的输肥搅龙62工作，下一施肥单元所需的N、P、K肥排入混流室611，在混流室 611内三种化肥经搅肥螺旋67充分混合均匀，当前施肥单元施肥结束后，混流室611下部 的电磁式排肥活门612打开，下一单元N、P、K混合肥流入肥料箱69，肥料箱69上部的摊肥 机构8连续工作，摊平均匀后的混合肥经外槽轮式排肥器613排出，进入下一单元的施肥工 作。同时，高光谱遥感系统1和图像采集系统2、数据处理系统、控制系统15及N、P、K输肥 单元又为后续单元施肥工作做必要的准备，如此循环有序按节拍工作，进行精确变量施肥。
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。
权利要求
一种水稻智能变量施肥机，其特征在于该变量施肥机包括高光谱遥感系统(1)、图像采集系统(2)、牵引机体(3)、连接悬挂结构(5)、变量施肥单元(6)、摊肥机构(8)、液压驱动系统(7)、GPS天线(4)、GPS流动站(13)、支撑机架(9)、地轮(11)、测速传感器(12)和控制系统(15)，高光谱遥感系统(1)和图像采集系统(2)设置在牵引机体(3)的前端；支撑机架(9)通过连接悬挂结构(5)与牵引机体(3)连接；变量施肥单元(6)设置在支撑机架(9)的上部；摊肥机构(8)与变量施肥单元(6)连接并设置在支撑机架(9)的下部；在支撑机架(9)的底部设有地轮(11)；在地轮(11)上设有测速传感器(12)；变量施肥单元(6)和摊肥机构(8)与液压驱动系统(7)连接；在牵引机体(3)内设有与高光谱遥感系统(1)和图像采集系统(2)进行通讯的GPS天线(4)和GPS流动站(13)；对数据进行处理并控制变量施肥单元(6)和摊肥机构(8)动作的控制系统(15)设置在牵引机体(3)内。
2. 根据权利要求l所述的水稻智能变量施肥机，其特征在于所述高光谱遥感系统(1) 与图像采集系统(2)通过伸縮式支撑杆(16)设置在牵引机体(3)的前端并呈一定仰角向 前伸展。
3. 根据权利要求2所述的水稻智能变量施肥机，其特征在于所述伸縮式支撑杆(16) 与液压驱动系统(7)连接。
4. 根据权利要求1所述的水稻智能变量施肥机，其特征在于所述牵引机体(3)采用 前后高立轴支撑方式、窄轮、四轮驱动的一体化底盘结构。
5. 根据权利要求1所述的水稻智能变量施肥机，其特征在于所述变量施肥单元(6)包括输肥液压马达(61)、输肥绞龙(62)、氮肥箱(63)、磷肥箱(64)、钾肥箱(65)、搅肥液压 马达(66)、搅肥螺旋(67)、过渡箱(68)、肥料箱(69)、散肥器(610)、混流室(611)、电磁式 排肥活门(612)、排肥液压马达(613)和外槽轮式排肥器(614);氮肥箱(63)、磷肥箱(64) 和钾肥箱(65)均与混流室(611)相通；输肥绞龙(62)分别设置在氮肥箱(63)、磷肥箱(64) 和钾肥箱(65)的底部；搅肥螺旋(67)设置在混流室(611)内；混流室(611)通过过渡箱 (68)与肥料箱(69)相通；在混流室(611)与过渡箱(68)之间设有电磁式排肥活门(612); 外槽轮式排肥器(614)设置在肥料箱(69)内并与散肥器(610)连接；输肥绞龙(62)与输 肥液压马达(61)连接；搅肥螺旋(67)与搅肥液压马达(66)连接；外槽轮式排肥器(614) 与排肥液压马达(613)连接。
6. 根据权利要求1所述的水稻智能变量施肥机，其特征在于所述摊肥机构(8)包括 定滑轮(81)、摊肥铲(82)、液压升降杆(83)、行走小车(S4)、滚轮(85)、方杆轨道(86)、牵 引钢丝绳(S7)、滚筒(88)和液压马达(89)，牵引钢丝绳(87)缠绕在滚筒(88)的绳槽中， 牵引钢丝绳(87)的一端与行走小车(84)相连，另一端通过定滑轮(81)与行走小车(84) 另一侧连接；摊肥铲(82)通过液压升降杆(83)与行走小车(84)相连；行走小车(84)由滚 轮(85)支撑并沿方杆轨道(86)行走，方杆轨道(86)对称置于肥料箱(69)上部两侧，定滑 轮(81)与滚筒(88)、液压马达(89)分别置于肥料箱(69)左、右两侧。
7. —种水稻智能变量施肥机的变量施肥方法，其特征在于该方法通过高光谱遥感系 统和图像采集系统的信息融合，实时检测水稻的N、 P、 K含量，并根据其营养盈亏状况对水 稻进行按需施肥，具体步骤如下1)变量施肥机在水田前行过程中，通过置于机器前端的高光谱遥感系统和图像采集系 统进行水稻生长状态信息采集，得到小麦冠层反射光谱的"面状"信息，水稻叶片、茎秆的形貌特征；2) 将采集的信息传送给控制系统，控制系统利用基于光谱特征参数和图像特征的营养 诊断模型计算水稻实际的N、 P、 K含量，通过与控制系统中设定的水稻营养智能专家系统信 息的比较，计算出当前N、 P、 K追肥需求量，对预先设定的土壤施肥处方图进行修正；3) 控制系统根据生成的追肥处方图、行走轮测速传感器测定的机器速度及GPS系统测 定的位置参数得出氮肥箱、磷肥箱、钾肥箱内的输肥搅龙在各输肥单元的输肥速度和输肥
全文摘要
本发明公开了一种水稻智能变量施肥机及其变量施肥方法，该变量施肥机中的高光谱遥感系统和图像采集系统设置在牵引机体的前端；变量施肥单元设置在支撑机架的上部；摊肥机构与变量施肥单元连接并设置在支撑机架的下部；在地轮上设有测速传感器；变量施肥单元和摊肥机构与液压驱动系统连接；在牵引机体内设有与高光谱遥感系统和图像采集系统进行通讯的GPS天线和GPS流动站；控制系统对数据进行处理并控制变量施肥单元和摊肥机构动作。变量施肥方法通过高光谱遥感系统和图像采集系统的信息融合，实时检测水稻的N、P、K含量，并根据其营养盈亏状况对水稻进行按需施肥。本发明施肥精确、可控性好，适合水稻生长期施肥。
文档编号A01C21/00GK101773016SQ201010017129
公开日2010年7月14日 申请日期2010年1月7日 优先权日2010年1月7日
发明者张石平, 李宗岭, 杨进, 陈书法 申请人:淮海工学院