一种用于固体肥料播撒的农用空气动力船及其播撒方法与流程

本发明涉及农业自动化技术领域，具体地说，涉及一种用于固体肥料播撒的农用空气动力船及其播撒方法。

背景技术：

我国是稻米和水生蔬菜生产大国，农业生产中需要对农作物进行多次施肥作业，且常使用固态颗粒肥料。当前应用于稻田环境实施播撒固体肥料作业的设备主要有以下三类：

其一是背包式设备，如公布号为cn108770448a的中国专利文献公开的一种农田种植用颗粒状化肥播撒装置，需要操作员人工播撒。在大区块的稻田环境下，有较大劳动强度，且播撒均匀度、与目标值的误差也较大。

其二是农机式设备，通过小型农机进行播撒作业，如公告号为cn208490224u的中国专利文献公开的一种农业用固体颗粒肥料播撒装置，其对水稻种植间距有较高要求，且车轮易陷入水田淤泥中，操作不便，容易压坏水稻，破坏水田泥面平整性。另外，该装置无法对水生蔬菜田进行作业。

其三是无人机播撒设备，其负载有限，且续航时间较短，同时存在较大的播撒漂移问题，成本较高等缺陷。

现有技术中，还存在一种水产养殖船载自动投饵系统，结合了普通船只与撒播机的理念，利用离心运动产生的离心力将抛盘上的固体饵料抛出，播撒范围较大而且相对平均。普通船能够满足撒播范围大并且自由的目的。(参考文献《河蟹养殖船载自动均匀投饵系统的设计以及实验效果》)。但是，该装置并没有考虑环境中风的干扰对饵料撒播时的均匀性的影响。河蟹养殖投饵系统中船体本身就因为自身重量原因在行驶过程中受风(微风)的影响较小，但是饵料由于质量较小受风的影响较大。

技术实现要素：

本发明的目的为提供一种用于固体肥料播撒的农用空气动力船及其播撒方法，克服了现有技术中固体肥料或除草剂播撒劳动强度大和肥料受环境风影响造成漂移所带来的播撒不均等问题，同时实现水田施肥、除草的无人化、自动化和高效化。

为了实现上述目的，本发明提供的用于固体肥料播撒的农用空气动力船包括船体和安装在所述船体上的播撒装置，播撒装置包括：

存放固体肥料的料箱，料箱的底部设有出料通道；

旋转的抛盘，承接出料通道输出的固体肥料，并在离心力的作用下向外播撒；

活动安装在抛盘两侧的左挡板和右挡板，用于调节肥料播撒的范围。

上述技术方案中，料箱中的固体肥料经储料通道掉落到旋转的抛盘上后，在抛盘离心力的作用下向外抛撒，通过控制左右挡板的张角，从而控制固体肥料的抛射方向和张角的大小。解决了固体肥料或除草剂播撒劳动强度大和肥料受风易造成漂移所带来的播撒不均的问题。

为了控制固体肥料的出料速度，作为优选，料箱的底部设有与出料通道对应的开口，开口处活动安装有活动式插片，用于控制开口的尺度。

作为优选，料箱的底部为漏斗状，开口位于漏斗颈部，便于肥料的集中排出。作为优选，播撒装置还包括一托盘，抛盘在托盘的上方，托盘上安装有左挡板和右挡板。

作为优选，船体上安装有风向传感器、风速传感器和控制器；控制器根据接收到的风向和风速信息调节所述抛盘的转速和左挡板、右挡板的角度。

作为优选，控制器在控制抛盘和左右挡板时执行以下步骤：

1)设定固体肥料抛射范围为以抛盘为中心点的扇形区域，定义扇形圆弧两端点的距离为a，扇形的顶点距离抛盘的距离为b；根据播撒密度目标值和a、b设定值初始化各电子设备运行参数；

2)获取风向信息和风速信息；

3)判断风向，若为正向风，则进行正向风调整；若为侧向风，则进行侧向风调整；

4)根据控制器接收的指令，判断是否完成播撒任务，若完成，则结束播撒；若未完成，则按重复步骤2)和步骤3)，继续播撒，直至播撒任务完成。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明用于固体肥料播撒的农用空气动力船及其播撒方法实现了水田施肥、除草的无人化、自动化和高效化。并解决了现有技术中固体肥料或除草剂播撒劳动强度大和肥料受环境风影响造成漂移所带来的播撒不均等问题。

附图说明

图1为本发明实施例的农用空气动力船的整体结构示意图；

图2为本发明实施例的播撒装置的结构示意图；

图3为本发明实施例的托盘的机构示意图；

图4为本发明实施例的正向风调控示意图；

图5为本发明实施例的侧向风调控示意图；

图6为本发明实施例的抗风播撒实现方法流程图；

图7为本发明实施例的正向风调控公式解释说明图；

图8为本发明实施例的侧向风调控公式解释说明图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。

实施例

参见图1至图3，本实施例的用于固体肥料播撒的农用空气动力船包括船体08、动力系统06、播撒装置03、风环境感知系统和电机控制系统。

其中动力系统06由发动机机架、发动机、空气螺旋桨及蓄电池组成，其中蓄电池同时为播撒装置03等其他船载设备供电。发动机提供动力输出，带动空气螺旋桨转动产生推力，并由尾舵07控制方向。船体08上还设有通信模块04和控制系统05，用于远程控制船只运行。

播撒装置的电机控制系统的核心是控制器3，其通过通信模块04与船载主控制器进行交互，接收播撒目标密度等指令，进行电机自动控制。环境风感知系统包括安置在船头迎风处的风向传感器01和风速传感器02，在播撒作业中实时向控制器3回传环境风信息。

播撒装置03包括箱体7、托盘13和抛盘14，托盘13上设有张角可控的左挡板133和右挡板134。箱体7的上部为用于存放固体肥料的料箱10，箱体03一侧设有用于容纳托盘13和抛盘14的空腔，料箱10的底部设有与空腔连通的储料通道，料箱的顶部设有上盖11。左挡板133和右挡板134的上下侧分别与托盘13和储料通道之间存在间隙。料箱10的底部设有用舵机8控制的用于储料通道开合比例的移动式插片9。

本实施例总共设置三台舵机和一台电机，其中左挡板133和右挡板134各由一台舵机(131和132)控制，共同控制抛射水平方向和张角大小。料箱开口控制舵机8通过连杆与插片9连接，控制料箱开口大小，进而控制抛盘14的进料量，进而控制单位时间播撒量。抛盘电机12为直流电机，通过联轴器与抛盘14连接，通过设定抛盘电机转速调节固体肥料抛射速度。所有电机均通过驱动模块6接受控制器3的控制。肥料通路供肥料输送，与电机控制系统等其他子系统隔离。

托盘角度控制舵机组合5包括用于控制左挡板133张角的左托盘张角控制舵机131和用于控制右挡板134的右托盘张角控制舵机132。托盘13为一连续平面，位于抛盘14下方，与图2中的箱体7相连。挡板具有一定高度，下侧和上侧分别与托盘13和肥料通路间隙配合，以限制颗粒肥料的抛射方向和张角大小。

以下为本发明的抗风播撒实现方法如图6所示，包括以下步骤：

步骤1)根据接收的播撒密度目标值和a、b设定值初始化各个电子设备运行参数，使其运转正常，且使播撒效果在理想状态下满足各目标值。

步骤2)通过风向传感器获取风向信息。

步骤3)判断风向，若为正向风，则进一步获取风速信息，进行正向风调整控制。

步骤4)若为侧向风，则进一步获取风速信息，进行侧向风调整控制。

步骤5)根据控制器接收的指令，判断是否完成播撒任务(具体指令由操作员判断播撒完成后，通过船体主控制器发送给播撒装置控制器)。若完成，则结束播撒；若未完成，则按步骤2)接受风向信息，继续播撒。

播撒控制理论方法如下：

首先，通过数学模型处理，在理想状态下，限制抛射角度，肥料抛射范围为一扇形区域，如图4中阴影区域所示，定义其宽度为a，顶点距抛盘为b(抛盘相对于抛射范围尺度较小，视为一点)。定义此区域左右两侧边线为侧线，上下两边界线分别为顶线和底线。由于播撒作业过程中无法实时检测播撒落点范围，只能提前提供a值和b值，并假定此值稳定不变，进而进行航行路径规划。所以在复杂环境风中进行播撒作业，只需保持a值和b值稳定不变，即可实现较好的播撒效果，实现抗风播撒。具体调控方法依风向有所不同，分为正向风调控和侧向风调控两种。空气动力船在无风或环境风向与航线平行的水域航行过程中播撒效果主要受正向风影响。如图4所示，预期播撒范围及其a、b值见图中阴影部分。若此时受正向风影响，不加以调控，播撒范围的a值不变，b值下降，见图中b值最小的区域。为使a、b值稳定不变，需要减小抛射张角大小，并提高抛射速度，使理想状态下的播撒范围为最高b值所对应的扇形区域，再考虑正向风对b值的降低作用，可使b值不变。通过使a值保持不变，b值高于预期值，才能在正向风环境中保持a、b值不变。

以下以图7作为具体实现例子对正向风调控过程做进一步阐释：

只考虑正向风或者逆向风情况下的落地点关系表达式，其中，设h为抛物运动的竖直方向的位移，即撒料盘的高度，l为水平位移，v0是抛出速度。

由于v²＝2ax

竖直方向上：

其中，a是加速度，m是单个固体肥颗粒的质量，g是重力加速度，k＝cρs(其中c为空气阻力系数，ρ为空气密度，s为物体迎风面积)，ay是固体肥颗粒抛物运动时竖直方向的加速度，vy是固体肥颗粒落地时竖直方向的速度，

有关时间：(通过竖直方向上来考虑)

积分得：

则固体肥颗粒从撒料盘抛出至落地的时间为：

则固体肥颗粒从撒料盘抛出点与落地点的水平距离为：

其中，ax是固体肥颗粒做抛物线运动时水平方向上的运动加速度，vx是固体肥颗粒落地时水平方向上的速度；

且

现通过对颗粒在抛盘上的加速运动分析求v0对应范围：

v²＝w²(r²-r²)

w是抛盘转动的角速度，r是转盘的半径，r是固体肥颗粒在抛盘上的落点与抛盘圆心的距离；

径向速度为：

因切向速度为：

ωr

初速度最大值：

初速度最小值：

(其中t为抛料口半径)

若托盘开口角度为θ，则

当空气动力船播撒作业过程中受侧向风影响时，侧向风会使肥料产生垂直于航线方向上的漂移位移，且使a增大，同时其正向风分量会使b值降低。如图5所示，阴影部分区域为最终调控预期效果，图中a、b值为设定的预期值。需要根据风向和风速，改变抛射张角大小和角度，并提高抛射速度，使理想状态下的播撒范围为图中最高b值、最小a值所对应的扇形区域，再考虑正向风分量对b值的降低作用、垂直航线方向的风对a值的增大作用及漂移位移，使最终抛射效果为阴影所示区域，使a值保持不变，b值基本保持不变。

现考虑如何求得在侧向风作用下所需的修正角度β：

设风速为vk，p1、p2分别为无风情况下抛撒范围的展宽方向的两端点，v1、v2分别为p1处风速的切向和径向分量，v1’和v2’分别为p2处风速的切向和径向分量。x1和x1’分别为两个区域端点p1、p2在垂直于径向上的偏移，l1’和l2’为假设只有风径向分量的作用下，落水点离抛盘原点的距离。

原假设调整角度为β，

对p1求径向速度最终值(落水时)

其中，

x1用积分方法算得。

同理，对p2求解如下，

x1'用积分方法算得。

参见图8，先用几何关系求得β2，由得β，因图8中各角度以及线段长度均已求得，β唯一确定，具体数学推导过程在此不赘述。