CN111373908A - 利用北斗导航实现精密播种施肥的控制系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了利用北斗导航实现精密播种施肥的控制系统及其方法，包括数据采集系统，对于信号进行捕捉跟踪、定位解算，并获得高精度的伪距与载波相位观测数据；用户操作指令界面，用于显示上述数据采集系统采集的信号并实现界面操作；电机控制处理器，用于控制伺服电机装置；上位机，用于接收、处理数据采集系统采集的信号，并通过用户操作指令界面操作指令控制电机控制处理器；本发明利用北斗导航系统和速度传感器测量系统精准测量播种施肥机整机的行走速度，将行走速度转化为电机控制量，驱动伺服电机转动，伺服电机再驱动排种器、排肥器工作，实现整机前进速度与播种施肥量相匹配。同时能实时监控播种施肥机的作业面机、作业位置，以及各项作业参数，实现小麦精变量播种施肥。
Description
技术领域
本发明具体涉及利用北斗导航实现精密播种施肥的控制系统及其方法，属于智能化农机装备技术领域。
背景技术
随着技术水平的不断提高，关于农业的机械化及自动化的生产也越来越普及，农业生产越来越驱向于智能化发展。然而传统的播种施肥播种机，远不能适应现代的农业发展。
传统的精量播种施肥机器由拖拉机拖动，在镇压轮与播种器的转轴之间用链条连接，利用镇压轮在田地里的滚动从而带动链条，进而带动播种施肥轴转动，使得播种施肥的速度与拖拉机前进的速度相匹配，从而完成作业。但在农田耕作的过程中，镇压轮在田地里滚动时会沾有泥土，从而导致其半径变大，使得镇压轮在相同前进速度下转动一圈的时间不相同，从而导致播种施肥轴承转速不同，带来种子间距不均。另外镇压轮在快速作业的时候，在田地里会出现打滑的现象，也会影响播种器播种，从而造成播种株距时大时小，种子粒距不均，施肥量忽大忽小，难以保证播种施肥质量。
播种作业的质量直接影响后期的长势，进而会影响到农作物的产量，使得庄稼收益降低。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目是为了提供一种利用北斗导航来控制播种施肥机进行精密播种施肥的控制系统及其方法。
具体采用如下技术方案：
利用北斗导航实现精密播种施肥的控制系统，包括
数据采集系统，对于信号进行捕捉跟踪、定位解算，并获得高精度的伪距与载波相位观测数据；
用户操作指令界面，用于显示上述数据采集系统采集的信号并实现界面操作；
电机控制处理器，用于控制伺服电机装置；
上位机，用于接收、处理数据采集系统采集的信号，并通过用户操作指令界面操作指令控制电机控制处理器；
所述上位机分别连接数据采集系统、用户操作指令界面以及电机控制处理器，所述数据采集系统包括北斗信号处理系统和信号调理系统，北斗信号处理系统连接北斗信号接收器，信号调理系统连接物料位置传感器和速度传感器；电机控制处理器通过伺服电机驱动装置控制播种伺服电机和施肥伺服电机，播种伺服电机和施肥伺服电机与电机控制处理器之间分别通过增量式光电编码器连接，用户操作指令界面与数据采集系统之间设有警报器。
优选地，所述数据采集系统通过RS232接口与上位机连接。
优选地，电机控制处理器与上位机通过以太网串口连接，电机控制处理器采用可编辑门阵列FPGA芯片的MCU。
优选地，播种伺服电机和施肥伺服电机，分别安置于播种箱与施肥箱底端。
一种利用北斗导航实现精密播种施肥的控制方法，所述方法如下：
S1、北斗信号接收器接收卫星信号，卫星信号经过北斗信号处理系统处理，速度传感器测得机体前进速度信号后经过信号调理系统调节处理；
S2、将北斗信号处理系统处理后的数据和信号调理系统调节处理后的数据统一由数据采集系统收集传递到上位机；
S3、上位机将上述两者数据测得速度进行比对、分析，采用加权平均和数值拟合法进行计算，得出整机准确的前进速度值，将此值用来控制播种施肥电机转速的依据；
S4、将上述计算后的数据结果在用户操作指令界面显示；
S5、上位机进行设置播种总量，播种的速度，并将指令传递给电机控制器，生成控制信号，传递给伺服电机驱动排种器、排肥器进行播种施肥作业；
S6、增量式光电编码器测量电机转轴的位置信息反馈给电机控制处理器，根据电机转轴位置及同步时间信号计算电机的实时运转速度，通过PID算法实现对伺服电机转速的闭环反馈控制；
S7、物料位置传感器放置于种箱内用于检测种子余量，种子余量信息经数据采集系统传输至上位机进行收集、计算和分析；
S8、上位机将种子余量信息传递给用户操作指令界面显示，当种子余量低于预定数值时，报警器发出警报声。
优选地，电机控制处理器采用FPGA伺服电机控制系统，通过以太网通信方式实现FPGA与上位机之间的数据交换。
优选地，在电流传递之间安装电流传感器，在伺服电机处安装位置传感器测算转子的位置，位置传感器采用增量式光电编码器，可以将角位移转变为电信号。。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：
本发明利用北斗导航系统和速度传感器测量系统精准测量播种施肥机整机的行走速度，将行走速度转化为电机控制量，驱动伺服电机转动，伺服电机再驱动排种器、排肥器工作，实现整机前进速度与播种施肥量相匹配。同时能实时监控播种施肥机的作业面机、作业位置，以及各项作业参数，实现小麦精变量播种施肥。
电机控制处理器选用以FPGA芯片为核心的微控制器，以Verilog或VHDL等硬件描述语言为编程语言，直接由硬件实现逻辑，它可以并行执行，运算速度快，编程简易，所述位置传感器选用增量式光电编码器，能将转子的角位移转化为电信号，反馈到所述FPGA处理器实现PID闭环控制 ，所述伺服电机具有响应快、速度稳定、可靠性强等优点,所述排种器选用外槽轮式排种器，其播种量稳定, 受地面不平度、种子箱内种子存量及机器前进速度的影响较小，结构简单，制造容易。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明基于北斗导航的精密施肥播种机控制系统的示意图。
图2为本发明基于FPGA的伺服电机转速闭环控制示意图。
图3为本发明播种施肥机示意图。
图4为本发明播种施肥机俯视图。
其中，1北斗信号接收器，2物料位置传感器，3速度传感器，4北斗信号处理系统，5数据采集系统，6上位机，7电机控制处理器，8伺服电机驱动装置，9排种伺服电机，10施肥伺服电机，11报警器，12用户操作指令界面，13增量式光电编码器，14信号调理系统，15播种器，16排肥器。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创作性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护的范围。
如图1-4所示，利用北斗导航实现精密播种施肥的控制系统，包括上位机6、北斗信号接收器1、物料位置传感器2、速度传感器3、北斗信号处理器4、数据采集系统5、电机控制处理器7、伺服电机驱动装置8、用户操作指令界面12、增量式光电编码器13、信号调理系统14。
北斗导航的精密播种施肥机的控制系统采用PC作为上位机，所述上位机6分别与数据采集系统5、用户操作指令界面12和电机控制处理器7通过串口进行通讯，北斗测量天线接收BDS导航信号，将信号放大滤波后送给所述北斗信号接收器1，北斗信号收集系统4进行数据转换成整机的前进速度，以及X、Y、Z坐标信息，数据采集系统5对于信号进行捕捉跟踪、定位解算，并获得高精度的伪距与载波相位观测数据。定位结算结果、伪距、载波相位观测数据通过RS232接口传送给PC上位机6，编写读取串口数据程序，包括北斗导航的位置坐标X、Y、Z坐标和前进速度信号、当前种箱的种量等数据。由于北斗卫星的定位误差目前难以满足高精度播种施肥机的定位要求，所以需要速度传感器来辅助，速度传感器3测量牵引机车轮转速信号，信号调理系统14将信号转变为模拟信号，由RS232串口传到所述上位机6，通过加权平均方法对北斗信号接收器1数据与速度传感器3数据进行拟合运算，得出伺服电机速度指令，上位机6将北斗信号、传感器参数进行处理分析，将作业效率、作业面积、播种施肥量实时显示，上位机6通过以太网接口与所述电机控制器7连接，电机控制器7采用以FPGA芯片为核心的微控制器。
具体而言，北斗信号接收器1接收卫星信号，经北斗信号处理系统4处理，再由数据采集系统5将数据统一收集，并将收集到的前进速度、坐标位置、种子余量等信息传递到所述上位机6。速度传感器3测得机体前进速度信号经过信号调理系统14调节，由所述信息收集系统5收集，传至所述上位机6，由所述上位机6将两者测得速度进行比对、分析，采用加权平均和数值拟合法进行计算，得出整机准确的前进速度值，将此值用来控制播种施肥电机转速的依据。并将计算后的结果在用户操作指令界面12显示，LED显示屏将显示农机的前进速度、种子余量、位置坐标、播种面积、播种总量，报警器状态。上位机6可以进行人工设置播种总量，播种的速度，并将指令传递给所述伺服电机控制系统7，生成控制信号，传递给所述伺服电机驱动排种器、排肥器进行播种施肥作业，所述物料位置传感器2放置于种箱内用于检测种子余量，种子余量信息经数据收集器5收集传输至所述上位机6进行收集、计算和分析，在LED显示器显示，当种子余量低于一定的数值时，上位机6将信号传递给LED显示器的同时，控制所述报警器7发出警报声，在LED显示器可以触发指令终止所述警报器7。伺服电机包括：播种伺服电机9和施肥伺服电机10，分别安置于播种箱与施肥箱底端（图3所示），驱动播种轴与排肥轴转动，完成播种施肥作业，从而实现精量播种施肥。
基于FPGA伺服电机控制系统，上位机6软件控制下，FPGA向伺服电机发出速度指令，驱动电机转动。在电机转动过程中，增量式光电编码器测量电机转轴的位置信息，并在FPGA时钟脉冲驱动下，通过RS422串行通信总线将编码序列传输至FPGA，FPGA根据电机转轴位置及同步时间信号计算电机的实时运转速度，通过PID算法实现对伺服电机转速的闭环反馈控制。为减小数据传输延时造成的测量误差，本文采用高速以太网通信方式实现FPGA与上位机之间的数据交换。
速度传感器3测得机器前进速度，与北斗信号接收器1测出的前进速度信息，经过信号调节电路调节，通过总线RS232与所述上位机6连接实现对数据的传输，通过加权平均算法进行数据的对比计算，得出伺服电机适用播种施肥的转动速度，并将速度信号传至所述电机控制处理器7，转换成脉冲信号，使所述伺服电机驱动装置8驱动电机转动，所述增量式光电编码器13将伺服电机的实际转动速度反馈给所述电机控制处理器7，通过PID算法实现对伺服电机的闭环控制。所述上位机6进行加权平均算法可以有效的得出播种施肥伺服电机的转动速度，降低北斗定位误差带来的影响，实现机器的精密定位与精准播种施肥。
电机控制处理器7，采用可编辑门阵列FPGA芯片的MCU，用于接收所述上位机6发出的速度命令，经电压转换器放大形成脉冲，驱动电机转动，并在电流传递之间安装电流传感器，在伺服电机处安装位置传感器测算转子的位置，位置传感器采用增量式光电编码器13，其可以将角位移转变为电信号，并在FPGA的时钟脉冲下，所述FPGA通过读取编码器的二进制编码序列，并将其反馈给所述上位机6，FPGA根据电机转轴位置及同步时间信号计算电机的实时运行速度，通过PID算法实现对伺服电机的闭环控制，伺服电机保持稳定转动，使得机器播种施肥均匀，有效的避免了漏播，少播，重复播种与种距不均等问题。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.利用北斗导航实现精密播种施肥的控制系统，其特征在于：包括
数据采集系统，对于信号进行捕捉跟踪、定位解算，并获得高精度的伪距与载波相位观测数据；
用户操作指令界面，用于显示上述数据采集系统采集的信号并实现界面操作；
电机控制处理器，用于控制伺服电机装置；
上位机，用于接收、处理数据采集系统采集的信号，并通过用户操作指令界面操作指令控制电机控制处理器；
所述上位机分别连接数据采集系统、用户操作指令界面以及电机控制处理器，所述数据采集系统包括北斗信号处理系统和信号调理系统，北斗信号处理系统连接北斗信号接收器，信号调理系统连接物料位置传感器和速度传感器；电机控制处理器通过伺服电机驱动装置控制播种伺服电机和施肥伺服电机，播种伺服电机和施肥伺服电机与电机控制处理器之间分别通过增量式光电编码器连接，用户操作指令界面与数据采集系统之间设有警报器。
2.根据权利要求1所述的利用北斗导航实现精密播种施肥的控制系统，其特征在于：所述数据采集系统通过RS232接口与上位机连接。
3.根据权利要求1所述的利用北斗导航实现精密播种施肥的控制系统，其特征在于：电机控制处理器与上位机通过以太网串口连接，电机控制处理器采用可编辑门阵列FPGA芯片的MCU。
4.根据权利要求1所述的利用北斗导航实现精密播种施肥的控制系统，其特征在于：播种伺服电机和施肥伺服电机，分别安置于播种箱与施肥箱底端。
5.一种利用北斗导航实现精密播种施肥的控制方法，其特征在于：所述方法如下：
S1、北斗信号接收器接收卫星信号，卫星信号经过北斗信号处理系统处理，速度传感器测得机体前进速度信号后经过信号调理系统调节处理；
S2、将北斗信号处理系统处理后的数据和信号调理系统调节处理后的数据统一由数据采集系统收集传递到上位机；
S3、上位机将上述两者数据测得速度进行比对、分析，采用加权平均和数值拟合法进行计算，得出整机准确的前进速度值，将此值用来控制播种施肥电机转速的依据；
S4、将上述计算后的数据结果在用户操作指令界面显示；
S5、上位机进行设置播种总量，播种的速度，并将指令传递给电机控制器，生成控制信号，传递给伺服电机驱动排种器、排肥器进行播种施肥作业；
S6、增量式光电编码器测量电机转轴的位置信息反馈给电机控制处理器，根据电机转轴位置及同步时间信号计算电机的实时运转速度，通过PID 算法来实现对伺服电机转速的闭环反馈控制；
S7、物料位置传感器放置于种箱内用于检测种子余量，种子余量信息经数据采集系统传输至上位机进行收集、计算和分析；
S8、上位机将种子余量信息传递给用户操作指令界面显示，当种子余量低于预定数值时，报警器发出警报声。
6.根据权利要求5所述的一种利用北斗导航实现精密播种施肥的控制方法，其特征在于：电机控制处理器采用FPGA伺服电机控制系统，通过以太网通信方式实现FPGA与上位机之间的数据交换。
7.根据权利要求5所述的一种利用北斗导航实现精密播种施肥的控制方法，其特征在于：在电流传递之间安装电流传感器，在伺服电机处安装位置传感器测算转子的位置，位置传感器采用增量式光电编码器，可以将角位移转变为电信号。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200707 |
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