基于无人机的风送式变量施肥装置

1.本发明涉及农用机械技术领域，尤其涉及一种基于无人机的风送式变量施肥装置。


背景技术：

2.航空撒播作业是现代农业植保作业的重要手段，在航空撒播作业领域中无人机精准穴播和撒肥是重要的技术发展趋势。
3.在撒播颗粒肥或穴播种子时，通常采用离心盘式和开放风送式式撒肥装置，离心盘式撒肥装置具有播撒量大，作业效率高的特点，但是由于肥粒是扇形随机甩出，其施肥均匀性差。普通风送式播撒装置，物料直接开口输送，在输送管道上方导入加速气流，将肥粒扩散喷撒出，这种风送施肥方式风力较为扩散，肥粒靠风力撒出，肥粒速度较低，容易残留在叶面上。


技术实现要素：

4.本发明提供一种基于无人机的风送式变量施肥装置，用以解决现有技术中施肥装置施肥速度低以及均匀性差的缺陷。
5.本发明提供一种基于无人机的风送式变量施肥装置，包括：无人机、施肥机构以及控制主板；所述施肥机构设于所述无人机的底部，所述施肥机构包括送肥组件和送风组件，所述送肥组件包括肥料箱、施肥器以及肥料变速管，所述肥料箱的出口与所述施肥器的进口连通，所述施肥器的出口与所述肥料变速管的进口连通，所述送风组件与所述肥料变速管的进风口连接，所述控制主板被配置为根据作物生长信息控制所述施肥器的施肥量和所述送风组件的送风量。
6.根据本发明提供的一种基于无人机的风送式变量施肥装置，所述送风组件包括送风管和风机，所述送风管与所述肥料变速管的进风口连通，所述送风管与所述肥料变速管垂直连接，所述风机能够将外界气体通过所述送风管输送至所述肥料变速管内；所述控制主板被配置为根据作物生长信息控制所述风机的送风量。
7.根据本发明提供的一种基于无人机的风送式变量施肥装置，所述肥料变速管包括壳体，所述壳体内设有依次连接的收缩段和喉管段，所述喉管段的下方齐平设置有扩散段，所述扩散段的尺寸大于所述喉管段的尺寸，所述肥料变速管的进口形成于所述收缩段，所述肥料变速管的进风口形成于所述扩散段的内壁和所述喉管段的外周之间。
8.根据本发明提供的一种基于无人机的风送式变量施肥装置，在所述送风组件将外界气体输送至所述肥料变速管的内部的情形下，所述肥料变速管的进口处能够对肥料产生吸附力，所述肥料变速管的出口处能够对肥料产生推力。
9.根据本发明提供的一种基于无人机的风送式变量施肥装置，所述施肥机构还包括软管、第一输料管和第二输料管，所述施肥器的出口依次通过所述软管和所述第一输料管
与所述肥料变速管的进口连通，所述肥料变速管的出口连接有所述第二输料管。
10.根据本发明提供的一种基于无人机的风送式变量施肥装置，所述施肥机构还包括容量传感器，所述容量传感器设于所述肥料箱，且靠近所述肥料箱的出口；和/或，所述施肥机构还包括堵塞传感器，所述堵塞传感器设于所述第二输料管。
11.根据本发明提供的一种基于无人机的风送式变量施肥装置，所述控制主板还被配置为根据作物生长信息和所述无人机的飞行速度中的至少一者控制所述肥料箱的出口的尺寸大小。
12.根据本发明提供的一种基于无人机的风送式变量施肥装置，所述基于无人机的风送式变量施肥装置还包括导航模块、视觉模块和测高模块；所述导航模块，用于获取所述无人机的经纬度信息；所述视觉模块，用于获取作业目标的实时影像；所述测高模块，用于获取所述无人机相对于作业目标的高度信息。
13.根据本发明提供的一种基于无人机的风送式变量施肥装置，所述控制主板还被配置为根据所述无人机的飞行速度控制所述施肥器的施肥量和所述送风组件的送风量。
14.根据本发明提供的一种基于无人机的风送式变量施肥装置，所述无人机的底部设有安装轴，所述施肥机构为多个，每个所述施肥机构对应的所述肥料箱滑动设于所述安装轴。
15.本发明提供的基于无人机的风送式变量施肥装置，无人机移动至目标区域后，控制主板根据目标区域的作物生长情况，控制伺服电机以合适转速运转并带动施肥器工作，并且控制主板控制送风组件产生高速气流，高速气流进入肥料变速管并对其中的颗粒肥精或者种子进行加速，使得种子以及颗粒肥精对准目标区域快速喷出，并以条带状形式均匀集中的施加于目标区域，有利于目标作物根系对于肥力的吸收，实现变量施肥作业。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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他的附图。
17.图1为本发明实施例提供的基于无人机的风送式变量施肥装置的结构示意图之一；图2为本发明实施例提供的基于无人机的风送式变量施肥装置的结构示意图之二；图3为本发明实施例提供的肥料变速管的结构示意图。
18.附图标记：1、无人机；11、安装轴；2、施肥机构；21、送肥组件；211、肥料箱；212、施肥器；213、肥料变速管；2131、收缩段；2132、喉管段；2133、扩散段；22、送风组件；221、送风管；222、风机；23、软管；24、第一输料管；25、第二输料管；26、容量传感器；27、堵塞传感器；3、控制主板；4、导航模块；5、视觉模块；6、测高模块。
具体实施方式
19.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.参见图1和图2，本发明实施例的基于无人机的风送式变量施肥装置，包括：无人机1、施肥机构2以及控制主板3。无人机1作为载体，施肥机构2以及控制主板3均设于无人机1上。
21.施肥机构2设于无人机1的底部，示例性地，多个施肥机构2呈长方形阵列均匀布设于无人机1底部，相邻施肥机构2之间间距根据作业目标的生长信息进行调节，例如作业目标的栽种密度。
22.施肥机构2包括送肥组件21和送风组件22，送肥组件21包括肥料箱211、施肥器212以及肥料变速管213。其中，肥料箱211、施肥器212以及肥料变速管213依次连接，肥料箱211的出口与施肥器212的进口连通，施肥器212的出口与肥料变速管213的进口连通。送风组件22与肥料变速管213的进风口连接。
23.具体而言，肥料箱211为中空结构，内部设有容纳腔以存放颗粒肥精或者种子。肥料箱211材质可以为金属材料、木材、塑料等，其硬度满足颗粒肥精的存放即可。肥料箱211的顶部设有开口，颗粒肥精或者种子通过开口进入容纳腔，肥料箱211的的底部设有出口，出口与施肥器212的进口连通，颗粒肥精或者种子经由施肥器212的进口进入施肥器212中，施肥器212内设有排肥轮，排肥轮安装在转轴上，转轴与伺服电机传动连接，伺服电机控制转轴转动，颗粒肥精或者种子在排肥轮的旋转作用下向下排入至肥料变速管213中。
24.肥料变速管213的进风口与送风组件22连接，送风组件22可形成高速气流，高速气流经由进风口进入肥料变速管213中，并对肥料变速管213上部的颗粒肥精产生吸附力，对下部的颗粒肥精产生推力。总的来说，供风状态下，送风组件22可对肥料变速管213中的颗粒肥精加速，使颗粒肥精能够高速精准的喷射至目标区域，并以条带状形式均匀集中的施加于目标作物。
25.进一步地，无人机1上安装有控制主板3，控制主板3被配置为根据作物生长信息控制施肥器212的施肥量和送风组件22的送风量。
26.具体地，当作物生长信息显示目标作物需要较多肥料时，控制主板3控制伺服电机提高转速，从而增大施肥器212排出的肥量以及施肥速度；另外，控制主板3控制送风组件22提高送风量，从而使得肥料变速管213中的颗粒肥精或者种子获得更高速度并从肥料变速管213中喷射至目标区域。
27.在本发明实施例中，无人机1移动至目标区域后，控制主板3根据目标区域的作物生长情况，控制伺服电机以合适转速运转并带动施肥器212工作，控制主板3控制送风组件22产生高速气流，高速气流进入肥料变速管213并对其中的颗粒肥精或者种子进行加速，使得颗粒肥精以及种子对准目标区域快速喷出，并以条带状形式均匀集中的施加于目标区域，有利于目标作物根系对于肥力的吸收，实现变量施肥作业。
28.在可选的实施例中，如图1和图2所示，送风组件22包括送风管221和风机222，送风管221与肥料变速管213的进风口连通，送风管221与肥料变速管213垂直连接，风机222能够
将外界气体通过送风管221输送至肥料变速管213内。
29.具体地，风机222产生的高速气流经由送风管221进入肥料变速管213。送风管221的中心轴线与肥料变速管213的中心轴线相垂直，高速气流通过送风管221进入肥料变速管213中，分化形成上下两股气流，一部分气流向下运动并对下部的肥料产生推力；一部分气流向上运动并在进风口附近产生负压，从而对肥料变速管213上部的肥料产生吸附力。
30.进一步地，控制主板3被配置为根据作物生长信息控制风机222的送风量。具体而言，控制主板3可控制风机222的启停以及转速，也就是说，控制主板3根据反馈的作物生长信息，通过调节风机222转速从而控制进风量的大小。
31.具体地，当作物生长信息显示作业目标缺乏肥料时，控制主板3控制风机转动速度加快，从而使得高速气流流量增大，进而增大送风量。
32.在可选的实施例中，如图3所示，肥料变速管213包括壳体，壳体为一中空结构，壳体内设有依次连接的收缩段2131和喉管段2132，喉管段2132的下方齐平设置有扩散段2133，扩散段2133的进口尺寸大于喉管段2132的出口尺寸，肥料变速管213的进口形成于收缩段2131，肥料变速管213的进风口形成于扩散段2133的内壁和喉管段2132的外周之间。换言之，通过扩散段2133的进口尺寸大于喉管段2132的出口尺寸以形成肥料变速管213的进风口。
33.具体而言，收缩段2131为内部中空的倒圆台结构，换句话说，随着收缩段2131朝向喉管段2132方向延伸，收缩段2131截面积逐渐减小。收缩段2131上下两端呈敞口设置，收缩段2131上端形成有肥料变速管213的进口，肥料由进口进入肥料变速管213。收缩段2131下端与喉管段2132上端连通，其中，喉管段2132为内部中空的圆柱体结构，其截面大小与收缩段2131底部截面积相等，喉管段2132下端呈敞口设置。
34.喉管段2132底部与扩散段2133顶部齐平设置，扩散段2133整体为内部中空的圆台状结构，换句话说，随着扩散段2133朝着远离喉管段2132方向延伸，扩散段2133截面积逐渐增大。并且扩散段2133上端截面积大于喉管段2132下端截面积，也就是说，扩散段2133顶部与喉管段2132底部之间形成有进风口，气流经由该进风口进入扩散段2133。
35.具体地，高速气流经由进风口进入扩散段2133，高速气流进入扩散段2133后会分化形成两股气流，一部分高速气流向下纵深运动，进入扩散段2133并对肥料变速管213下部的肥料产生推力；另一部分高速气流向上运动，并进入窄截面的喉管段2132以及变截面的收缩段2131，可以理解的是，高速气流进入截面积较小的喉管段2132后，气流流速加快。根据伯努利原理可知，流速越高，压强越小，因此，喉管段2132成为压强最低的区域，并产生负压，从而对肥料变速管213上部的肥料产生吸附力。
36.在可选的实施例中，如图3所示，在送风组件22将外界气体输送至肥料变速管213的内部的情形下，肥料变速管213的进口处能够对肥料产生吸附力，肥料变速管213的出口处能够对肥料产生推力。
37.具体而言，送风管221延伸至壳体内，喉管段2132穿设于送风管221，送风管221的出口朝向扩散段2133的进口，送风管221的出口尺寸等于扩散段2133的进口尺寸，送风组件22产生的高速气流，经由进风口进入扩散段2133，一部分高速气流向下纵深运动，进入扩散段2133并对肥料变速管213下部的肥料产生推力；另一部分高速气流向上运动，进入窄截面的喉管段2132以及收缩段2131，并形成负压，从而对肥料变速管213上部的肥料产生吸附
力。
38.在可选的实施例中，如图1所示，施肥机构2还包括软管23、第一输料管24和第二输料管25，施肥器212的出口依次通过软管23和第一输料管24与肥料变速管213的进口连通，肥料变速管213的出口连接有第二输料管25。
39.具体而言，软管23、第一输料管24、肥料变速器以及第二输料管25依次连接。其中，第一输料管24以及第二输料管25的管径相同，长度以肥料变速管213进口处能够对肥料产生的吸附力以及肥料变速管213的出口处能够对肥料产生的推力为依据设定，示例性地，若肥料变速管213出口处产生的推力大于肥料变速管213进口处产生的吸附力，则第二输料管25的长度可略长于第一输料管24，以使肥料变速管上推下吸的作用效果达到充分利用。
40.可以理解的是，第一输料管24以及第二输料管25的设置不仅可充分利用肥料变速器上吸下推的性质，且有利于颗粒肥精或者种子以条状带的形式集中的喷射于目标区域。
41.特别需要指出的是，软管23为弹塑性材料构成，软管23的设置有利于增强施肥机构2的连接弹性，对施肥机构2运动过程中受到的压缩、拉伸以及扭转变形起到较好的位移补偿作用，一定程度减少刚性变形以及裂纹的产生。
42.在本发明实施例中，肥料变速管213设于第一输料管24以及第二输料管25中间，送风过程中，肥料变速管213进口处能够对设于其上的第一输料管24中的肥料产生吸附力；肥料变速管213出口处对设于其下的第二输料管25的肥料产生推力，从而使得肥料对准目标区域快速精准喷出，并喷射进入目标区域土壤中，从而有利于目标作物根茎对肥料的吸收。
43.在可选的实施例中，如图1所示，施肥机构2还包括容量传感器26，容量传感器26设于肥料箱211，且靠近肥料箱211的出口；和/或，施肥机构2还包括堵塞传感器27，堵塞传感器27设于第二输料管25。
44.具体而言，容量传感器26可设于肥料箱211底部靠近肥料箱211出口处，容量传感器26可以采集肥料箱211中肥料的容量信息，并将肥料的容量信息传输至控制主板3，控制主板3根据肥料的容量信息控制施肥器212的施肥量和送风组件22的送风量。例如，容量传感器26可以为电容式传感器。
45.另外，堵塞传感器27可设于第二输料管25的底部周侧，堵塞传感器27可采集施肥机构2的通堵信息并将其传输至控制主板3，控制主板3根据通堵信息控制施肥装置的启停。其中，堵塞传感器27可以为对射式光电传感器。
46.具体地，当容量传感器26反馈的肥料容量信息显示肥料不足以覆盖容量传感器26，或者，堵塞传感器27反馈的通堵信息显示施肥装置存在堵塞时，控制主板3控制基于无人机的风送式变量施肥装置关闭并返航。
47.在可选的实施例中，如图1至图2所示，控制主板3还被配置为根据作物生长信息和无人机1的飞行速度中的至少一者控制肥料箱211的出口的尺寸大小。
48.具体地，肥料箱211的出口处设有挡板，挡板与肥料箱211的出口滑动连接，例如肥料箱211出口相对两侧设有滑槽，挡板对应位置设有导向部，导向部与滑槽相适配，挡板可相对于出口滑动。挡板与驱动件连接，在驱动件作用下，挡板可相对于肥料箱211的出口滑动，控制主板3可通过控制驱动件的运动控制挡板相对于出口滑动，以调节出口大小。其中，驱动件形式多样，例如电动推杆、气缸以及丝杠传动等。
49.具体而言，当作物生长信息显示作业目标缺少肥料时，控制主板3控制挡板向远离
出口的一端滑动以使得肥料箱211出口口径增大，从而增大目标区域整体获得的施肥量；或者，当速度信息显示无人机1的飞行速度较快时，控制主板3控制挡板向远离出口的一端滑动以使得肥料箱211出口口径增大，以使得施肥量与无人机1的飞行速度保持一致，从而使得单位面积的目标作物获得的施肥量基本相同，进而保证施肥的均匀性。
50.在可选的实施例中，如图2所示，基于无人机的风送式变量施肥装置还包括导航模块4、视觉模块5和测高模块6，导航模块4、视觉模块5以及测高模块6均设于无人机1上，并与控制主板3电性连接。
51.其中，导航模块4用于获取无人机1的经纬度信息，并能够对无人机1的移动路径进行规划，示例性地，无人机1能够根据导航模块4规划的路径，由出发地移动至目标区域。
52.视觉模块5用于获取作业目标的实时影像，示例性地，能够获取无人机1周围的环境信息以及作业目标的生长信息，并能够进行图像识别，判断作业目标的相对误差。
53.测高模块6用于获取无人机1相对于作业目标的高度信息。示例性地，测高模块6可为激光雷达。
54.具体而言，导航模块4根据无人机1的实时坐标位置以及目标位置生成路径规划，控制主板3根据规划的行走路径控制无人机1移动至目标区域，当接近目标区域后，结合经纬度坐标和视觉模块5图像识别导引的行为信息，判断是否接近施肥点。当无人机1接近目标位置时，控制主板3根据作物生长信息控制施肥器212的施肥量和送风组件22的送风量。
55.需要说明的是，无人机1飞行过程中，测高模块6可采集无人机1的实时飞行高度并将高度信息发送至控制主板3，控制主板3根据测高模块6反馈的高度信息控制无人机1的飞行高度满足目标飞行高度。
56.在可选的实施例中，如图1以及图2所示，控制主板3还被配置为根据无人机1的飞行速度控制施肥器212的施肥量和送风组件22的送风量。
57.其中，导航模块4可用于获取无人机1的实施飞行速度，导航模块4将飞行速度传输至控制主板3，控制主板3根据无人机1的速度信息控制施肥器212的施肥量和送风组件22的送风量。
58.具体而言，当导航模块4反馈的速度信息显示飞行速度较快时，控制主板3控制挡板向远离出口的一端滑动以使得肥料箱211出口增大，并且控制伺服电机转速加快，从而增大施肥量。另外，控制主板3控制送风组件22增大送风量，从而增大施肥速度，以使得单位面积的作业目标获得的施肥量基本相同，进而保证施肥的均匀性。
59.在可选的实施例中，如图1所示，无人机1的底部设有安装轴11，施肥机构2为多个，每个施肥机构2对应的肥料箱211滑动设于安装轴11。
60.安装轴11沿水平方向设置于无人机1底部，为便于安装轴11的维修以及更换，安装轴11与无人机1可拆卸连接，例如，螺栓连接、插拔连接等。
61.其中，安装轴11的形状、材质不限，其材质的钢度以及硬度满足对多个施肥机构2的承载能力即可，例如安装轴11可为截面形状呈矩形的条状钢材，并横向设于无人机1的底部。
62.多个肥料箱211沿安装轴11长度延伸方向滑动设于安装轴11，例如肥料箱211可通过活扣固定在安装轴11上，肥料箱211间间距根据目标区域的作物种类、密度等实际情况对应调整。示例性地，在目标区域栽种密度较大时，可适当减小肥料箱211间的间距。
63.可以理解的是，在无人机1的飞行过程中，施肥机构2可对各自投影面积覆盖的目标作物实现条施施肥，多个施肥机构2并排设置可在无人机1飞行过程中对一片目标区域实现均匀集中的条施。
64.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种基于无人机的风送式变量施肥装置，其特征在于，包括：无人机、施肥机构以及控制主板；所述施肥机构设于所述无人机的底部，所述施肥机构包括送肥组件和送风组件，所述送肥组件包括肥料箱、施肥器以及肥料变速管，所述肥料箱的出口与所述施肥器的进口连通，所述施肥器的出口与所述肥料变速管的进口连通，所述送风组件与所述肥料变速管的进风口连接，所述控制主板被配置为根据作物生长信息控制所述施肥器的施肥量和所述送风组件的送风量。2.根据权利要求1所述的基于无人机的风送式变量施肥装置，其特征在于，所述送风组件包括送风管和风机，所述送风管与所述肥料变速管的进风口连通，所述送风管与所述肥料变速管垂直连接，所述风机能够将外界气体通过所述送风管输送至所述肥料变速管内；所述控制主板被配置为根据作物生长信息控制所述风机的送风量。3.根据权利要求1所述的基于无人机的风送式变量施肥装置，其特征在于，所述肥料变速管包括壳体，所述壳体内设有依次连接的收缩段和喉管段，所述喉管段的下方齐平设置有扩散段，所述扩散段的尺寸大于所述喉管段的尺寸，所述肥料变速管的进口形成于所述收缩段，所述肥料变速管的进风口形成于所述扩散段的内壁和所述喉管段的外周之间。4.根据权利要求1所述的基于无人机的风送式变量施肥装置，其特征在于，在所述送风组件将外界气体输送至所述肥料变速管的内部的情形下，所述肥料变速管的进口处能够对肥料产生吸附力，所述肥料变速管的出口处能够对肥料产生推力。5.根据权利要求1至4任一项所述的基于无人机的风送式变量施肥装置，其特征在于，所述施肥机构还包括软管、第一输料管和第二输料管，所述施肥器的出口依次通过所述软管和所述第一输料管与所述肥料变速管的进口连通，所述肥料变速管的出口连接有所述第二输料管。6.根据权利要求5所述的基于无人机的风送式变量施肥装置，其特征在于，所述施肥机构还包括容量传感器，所述容量传感器设于所述肥料箱，且靠近所述肥料箱的出口；和/或，所述施肥机构还包括堵塞传感器，所述堵塞传感器设于所述第二输料管。7.根据权利要求1至4任一项所述的基于无人机的风送式变量施肥装置，其特征在于，所述控制主板还被配置为根据作物生长信息和所述无人机的飞行速度中的至少一者控制所述肥料箱的出口的尺寸大小。8.根据权利要求1至4任一项所述的基于无人机的风送式变量施肥装置，其特征在于，所述基于无人机的风送式变量施肥装置还包括导航模块、视觉模块和测高模块；所述导航模块，用于获取所述无人机的经纬度信息；所述视觉模块，用于获取作业目标的实时影像；所述测高模块，用于获取所述无人机相对于作业目标的高度信息。9.根据权利要求1至4任一项所述的基于无人机的风送式变量施肥装置，其特征在于，所述控制主板还被配置为根据所述无人机的飞行速度控制所述施肥器的施肥量和所述送风组件的送风量。10.根据权利要求1至4任一项所述的基于无人机的风送式变量施肥装置，其特征在于，所述无人机的底部设有安装轴，所述施肥机构为多个，每个所述施肥机构对应的所述肥料箱滑动设于所述安装轴。

技术总结
本发明涉及农用机械技术领域，提供一种基于无人机的风送式变量施肥装置，包括无人机、施肥机构和控制主板；施肥机构设于无人机的底部，施肥机构包括送肥组件和送风组件，送肥组件包括肥料箱、施肥器和肥料变速管，肥料箱的出口与施肥器的进口连通，施肥器的出口与肥料变速管的进口连通，送风组件与肥料变速管的进风口连接，控制主板被配置为根据作物生长信息控制施肥器的施肥量和送风组件的送风量。控制主板根据目标区域的作物生长情况，控制伺服电机转动并带动施肥器工作，并且控制送风组件产生高速气流，并对肥料变速管中的颗粒肥精进行加速，将颗粒肥精以条带状形式均匀集中的施加于目标区域，有利于目标作物根系对于肥力的吸收。收。收。


技术研发人员：陈立平 张瑞瑞 伊铜川 丁晨琛 张林焕 吴明齐
受保护的技术使用者：北京市农林科学院智能装备技术研究中心
技术研发日：2023.07.11
技术公布日：2023/8/9