本發(fā)明涉及。本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)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(tǒng)及控制方法。

背景技術(shù)：

“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”是當(dāng)今世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的新潮流，是由信息技術(shù)支持的根據(jù)空間變異，定位、定時、定量地實施一整套現(xiàn)代化農(nóng)事操作技術(shù)與管理的系統(tǒng)。變量施肥技術(shù)，是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的重要組成部分，它根據(jù)作物實際需要，基于科學(xué)施肥方法，應(yīng)用電子計算機指導(dǎo)施肥，確定對作物的變量投入。以最少的或最節(jié)省的投入達(dá)到同等收入或更高的收入，并改善環(huán)境，高效地利用各類農(nóng)業(yè)資源，取得經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)變量控制的基礎(chǔ)是大田塊細(xì)化為小田塊，在細(xì)分的過程中進(jìn)行差異性的作業(yè)決策，從而使作業(yè)更加精細(xì)。國內(nèi)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(yīng)市場。

為了提高作物產(chǎn)量，必須結(jié)合控制系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)的施肥作業(yè)，在GPS定位模塊、速度傳感器、陀螺儀、施肥處方圖、步進(jìn)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(xué)施肥，為了實現(xiàn)智能變量施肥，本發(fā)明提供了一種ARM控制的智能變量施肥控制系統(tǒng)，本發(fā)明不僅解決了農(nóng)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(yīng)的控制系統(tǒng)下，提高自動化智能化水平，增加作業(yè)效率，降低成本投入。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有的施肥機械存在的問題，特別是其執(zhí)行機構(gòu)存在的缺陷及問題，本發(fā)明使用ARM控制器集合了計算機與單片機的優(yōu)點，利用步進(jìn)電機的閉環(huán)反饋增加施肥精度，提供一種多信息融合決策的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法模型，以及設(shè)置相鄰施肥區(qū)域的矯正緩沖。該控制系統(tǒng)不僅結(jié)構(gòu)簡易，成本較低，操作方便，更容易運用于常規(guī)的施肥機械中，實現(xiàn)精密變量施肥。

為解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明采用的具體技術(shù)方案如下：

智能變量施肥控制系統(tǒng)，其特征在于，包括控制器、信息采集模塊、作業(yè)執(zhí)行模塊、GPS定位模塊、數(shù)據(jù)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(nèi)，顯示模塊和人機交互模塊與控制器連接；

所述作業(yè)執(zhí)行模塊包括步進(jìn)電機驅(qū)動電路、步進(jìn)電機，步進(jìn)電機驅(qū)動電路通過用戶輸入輸出端口與控制器相連接；所述步進(jìn)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(shè)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(zhuǎn)速傳感器，所述速度傳感器安裝在牽引拖拉機的車輪驅(qū)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(yè)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(nèi)方向盤處，用于機具運動狀態(tài)監(jiān)測；所述轉(zhuǎn)速傳感器裝在排肥軸處，用于測量步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速；

所述數(shù)據(jù)讀寫模塊設(shè)置有USB存儲卡，通過USB設(shè)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(yīng)有地塊區(qū)域的經(jīng)緯度定位范圍與需肥量對應(yīng)的驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速信息；

所述控制器內(nèi)置基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合算法的多信息決策控制方法，根據(jù)采集的測得的行走速度、機具運動狀態(tài)、電機轉(zhuǎn)速進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合，并與USB存儲卡中的處方圖信息比較，提取相應(yīng)的施肥信息，由控制器發(fā)出相應(yīng)的PWM脈沖數(shù)給步進(jìn)電機驅(qū)動電路，進(jìn)而帶動步進(jìn)電機調(diào)速，最終實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)的變量作業(yè)。

進(jìn)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(shè)備讀寫控制模塊采用USB總線通用接口芯片。

進(jìn)一步地，智能變量施肥控制系統(tǒng)選擇WINCE、android或linux操作系統(tǒng)。

進(jìn)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(biāo)定信息進(jìn)行機具速度計算。

進(jìn)一步地，所述作業(yè)執(zhí)行模塊中步進(jìn)電機驅(qū)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(jìn)電機接線端連接，發(fā)送四路電信號控制電機轉(zhuǎn)速；所述步進(jìn)電機控制端與驅(qū)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(zhuǎn)速信息。

所述的智能變量施肥控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于：包括以下步驟：作業(yè)機具前進(jìn)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(jìn)電機反饋分別實時檢測機具的速度、行駛狀態(tài)、開溝深度以及步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速；控制器結(jié)合定位信息、機具的速度、行駛狀態(tài)及步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合，并與USB存儲卡中的處方圖信息比較，提取相應(yīng)的施肥信息，由控制器發(fā)出相應(yīng)的PWM脈沖數(shù)給步進(jìn)電機驅(qū)動電路，進(jìn)而帶動步進(jìn)電機調(diào)速，即排肥軸的轉(zhuǎn)動的速度，變量施撒肥料；實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)的變量作業(yè)；

所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合算法中，速度傳感器、陀螺儀、步進(jìn)電機反饋信號的激活函數(shù)采用閾值函數(shù)分別為f₁(v)，f₂(t)，f₃(x)；

其中K₁、b₁為速度計算常參數(shù)，v₁、v₂分別為機具行進(jìn)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(jìn)電機轉(zhuǎn)速反饋信號計算常參數(shù)，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(shù)，施肥區(qū)域信息采用閾值函數(shù)其中K₄、b₄為施肥區(qū)域信息計算常參數(shù)，y₁、y₂分別為施肥區(qū)域信息的兩個閾值；

由f函數(shù)和f₄(y)函數(shù)擬合得出執(zhí)行函數(shù)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(jìn)電機反饋信號的激活函數(shù)權(quán)系數(shù)，w₂₁、w₂₂分別為、f₄(x)擬合權(quán)系數(shù)。

進(jìn)一步地，所述控制器內(nèi)置施肥誤差矯正方法，為區(qū)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(shù)F_A和F_B取加權(quán)均值F_X，作為此交叉區(qū)域的施肥決策，即滿足函數(shù)w₃₁、w₃₂分別為F_A、F_B的擬合權(quán)系數(shù)。

進(jìn)一步地，作業(yè)過程中，控制器會將整個作業(yè)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(tǒng)，包括支持液晶顯示屏的ARM控制器，經(jīng)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(jìn)電機反饋、陀螺儀，經(jīng)TTL串口與其連接的GPS通信模塊，經(jīng)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(jìn)電機驅(qū)動電路，步進(jìn)電機對執(zhí)行機構(gòu)實施調(diào)節(jié)控制。

工作前，通過調(diào)節(jié)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(shù)據(jù)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(zhǔn)備。

作業(yè)時，通過點擊屏幕開關(guān)開啟系統(tǒng)，作業(yè)機具前進(jìn)，GPS接收實時定位信息，當(dāng)進(jìn)入一個小田塊時，可以結(jié)合測得的速度信息、陀螺儀信息、電機反饋信息進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合，并與USB存儲卡中的處方圖信息比較，提取相應(yīng)的施肥信息，由ARM控制器發(fā)出相應(yīng)的PWM脈沖數(shù)給步進(jìn)電機驅(qū)動電路，進(jìn)而帶動步進(jìn)電機的差異性調(diào)速，最終實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)的變量作業(yè)，即排肥軸的轉(zhuǎn)動，變量施撒肥料。

作業(yè)后，控制器會將整個作業(yè)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(yè)中，陀螺儀可以有效的檢測出機具的行駛狀態(tài)，并根據(jù)檢測出的狀態(tài)是方向調(diào)節(jié)或轉(zhuǎn)彎，相應(yīng)的改變算法中的權(quán)值，以提高作業(yè)精度。步進(jìn)電機的反饋信息使整個控制系統(tǒng)一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，能夠使電機控制實現(xiàn)PID調(diào)節(jié)，有效的降低作業(yè)過程中的誤差。當(dāng)機具行駛通過相鄰兩個小田塊區(qū)域時，由于GPS存在一定的定位誤差，以及步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速突變，也會相應(yīng)的產(chǎn)生作業(yè)誤差，為此，控制器的內(nèi)置算法中設(shè)置有一個矯正緩沖，即通過本區(qū)域，對施肥的決策信息進(jìn)行一定的修正，以提高作業(yè)的精密性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述智能變量施肥控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明的控制流程圖；

圖3為本發(fā)明的控制原理圖；

圖4為數(shù)據(jù)擬合算法原理圖；

圖5為本發(fā)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(jìn)電機驅(qū)動電路，8-步進(jìn)電機，9-開溝鏟，10-排肥軸，11-排肥管，12-連軸器，13-轉(zhuǎn)速傳感器。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖以及具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但本發(fā)明的保護(hù)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(tǒng)包括控制器、信息采集模塊、作業(yè)執(zhí)行模塊、GPS定位模塊、數(shù)據(jù)讀寫模塊、顯示模塊和人機交互模塊。所述作業(yè)執(zhí)行模塊包括步進(jìn)電機驅(qū)動電路7、步進(jìn)電機8，步進(jìn)電機驅(qū)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(jìn)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(shè)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(zhuǎn)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(qū)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(biāo)定信息進(jìn)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(yè)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(nèi)方向盤處，用于機具運動狀態(tài)監(jiān)測；所述轉(zhuǎn)速傳感器13裝在排肥軸處，用于測量步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速。所述作業(yè)執(zhí)行模塊中步進(jìn)電機驅(qū)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(jìn)電機8接線端連接，發(fā)送四路電信號控制電機轉(zhuǎn)速；所述步進(jìn)電機控制端與驅(qū)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(zhuǎn)速信息。

所述數(shù)據(jù)讀寫模塊設(shè)置有USB存儲卡，通過USB設(shè)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(yīng)有地塊區(qū)域的經(jīng)緯度定位范圍與需肥量對應(yīng)的驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速信息。

所述控制器內(nèi)置基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)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(jù)采集的行走速度、機具運動狀態(tài)、步進(jìn)電機轉(zhuǎn)速進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合，并與USB存儲卡中的處方圖信息比較，提取相應(yīng)的施肥信息，由控制器發(fā)出相應(yīng)的PWM脈沖數(shù)給步進(jìn)電機驅(qū)動電路，進(jìn)而帶動步進(jìn)電機調(diào)速，最終實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)的變量精密作業(yè)。

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(shè)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(nèi)，支持液晶顯示屏，通過軟件編程實現(xiàn)人機交互。智能變量施肥控制系統(tǒng)選擇WINCE、android或linux操作系統(tǒng)。可從液晶顯示屏中讀取當(dāng)前的參數(shù)信息，也可選擇施肥系統(tǒng)的工作停止?fàn)顟B(tài)。通過調(diào)節(jié)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(shù)據(jù)并顯示在控制器1的液晶屏幕，作業(yè)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(zhǔn)備。開啟施肥系統(tǒng)，作業(yè)機具前進(jìn)，GPS3接收實時定位信息，并且將接收到的信息進(jìn)行解析，提取所需字段，用于顯示和對比處方圖。當(dāng)機具進(jìn)入一個小田塊時，可以結(jié)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(jìn)信息，轉(zhuǎn)速傳感器13測得步進(jìn)電機8反饋的信息，同時傳輸?shù)娇刂破?控制器進(jìn)行融合計算，并與USB存儲卡中的處方圖信息比較，得到相應(yīng)的施肥信息，由控制器1控制器發(fā)出相匹配的PWM脈沖數(shù)給步進(jìn)電機驅(qū)動電路7，進(jìn)而帶動肥箱6底部邊緣的步進(jìn)電機8的差異性調(diào)速，最終實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)的變量作業(yè)，即通過連軸器12帶動排肥軸10的轉(zhuǎn)動，肥料經(jīng)過排肥軸10，進(jìn)入排肥管11，排肥管伸至開溝鏟9后部，深施入土壤，達(dá)到變量施肥。整個作業(yè)過程的施肥數(shù)據(jù)，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(yīng)供電、共地、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收的功能?？刂破髋c定位模塊的數(shù)據(jù)交換在TXD與RXD兩引腳間進(jìn)行。接收到的報文為NMEA-0183協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)格式，由于多種報文同時存在，且都以“$”開頭，所以要提取出當(dāng)中有用的信息才能顯示和利用。本發(fā)明以數(shù)組的形式，分別提取出時間、緯度、經(jīng)度等信息，在顯示屏上顯示，并與處方圖進(jìn)行對比決策。

由于田間作業(yè)時機具會存在大方向掉頭轉(zhuǎn)彎與小方向直行調(diào)節(jié)兩種狀態(tài)，此時的施肥系統(tǒng)必然會受到影響，造成較大偏差，本發(fā)明采用陀螺儀可以有效的檢測出機具的行駛狀態(tài)，并根據(jù)檢測出的信號判斷是小方向直行調(diào)節(jié)或大方向掉頭轉(zhuǎn)彎，進(jìn)而相應(yīng)的改變整體算法中各部分的權(quán)值，進(jìn)行修正決策施肥量，以提高作業(yè)精度。

步進(jìn)電機的開環(huán)性質(zhì)，容易造成整體控制系統(tǒng)的大偏差，本發(fā)明采用閉環(huán)反饋的方式，使整個控制系統(tǒng)形成一個閉環(huán)系統(tǒng)，以使電機控制可以實現(xiàn)閉環(huán)的PID調(diào)節(jié)，有效的降低作業(yè)過程中因電機失步造成的誤差。

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

所述控制器的所述控制器內(nèi)置的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合控制方法，速度傳感器、陀螺儀、步進(jìn)電機反饋信號的激活函數(shù)采用閾值函數(shù)分別為f₁(v)，f₂(t)，f₃(x)。

其中K₁、b₁為速度計算常參數(shù)，v₁、v₂分別為機具行進(jìn)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(jìn)電機轉(zhuǎn)速反饋信號計算常參數(shù)，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(shù)，施肥區(qū)域信息采用閾值函數(shù)其中K₄、b₄為施肥區(qū)域信息計算常參數(shù)，y₁、y₂分別為施肥區(qū)域信息的兩個閾值；

由f函數(shù)和f₄(y)函數(shù)擬合得出執(zhí)行函數(shù)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(jìn)電機反饋信號的激活函數(shù)權(quán)系數(shù)，w₂₁、w₂₂分別為、f₄(x)擬合權(quán)系數(shù)。

通過本算法的擬合處理進(jìn)行的決策控制，可以有效的提高肥量施撒的精度，從而提高肥料利用率。

所述實施例為本發(fā)明的優(yōu)選的實施方式，但本發(fā)明并不限于上述實施方式，在不背離本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠做出的任何顯而易見的改進(jìn)、替換或變型均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。