产品简介

开发背景：

我国已经有较多科研机构对玉米追肥机械进行研究，但大部分研究还集中在玉米追肥机械中的施肥技术或者施肥机构方面，技术向产品的转化较少，研制出的成熟产品不多。此外，玉米生长阶段追肥农艺对机械性能要求较高，追肥机械田间作业适应性较差，研制的追肥机械市场化相对较低。目前，国内玉米种植中后期追肥作业仍以人工为主，作业效率较低，限制了我国玉米产业的快速发展，加速了玉米追肥机械化的需求。机械化追肥作业能够有效地解放劳动力，显著提高作业效率，减少肥料的浪费。

针对田间玉米追肥的现状，解放人们的劳动力，使施肥工具向智能化方向发展，弥补这类器械在市场上智能化程度不高的情况，特设计本产品。本产品主要结构有：圆盘式槽轮下料转盘、三通接头下料通道软管、丝杆升降机构、摆杆摇摆装置。控制方面采用开源硬件进行设计，保障系统的二次开发，方便程序的微调。

基本思路：

该机器能够在狭窄的田间垄沟内行进、施肥，采用12v电机的驱动配合L298N驱动板，输入12V的电压经降压后给单片机主板供电以确保程序控制带动滚轮行进。2个超声波测距模块分布于摆杆尾部，通过HML5883的电子罗盘定位，以提高精度，保证传回的测距信号准确，撒肥位置合理，不烧根。整个作业过程在控制和管理系统的协调下进行，保证了各部件动作的连贯性，提高了施肥效率，增加了整套系统的流畅度和时效性。

机器在田垄沿预设程序行进，摆杆摇摆装置末端的两个超声波感应模块测得幼苗后，整机预设的驱动电机给其断电信号，电机停止转动，机器停止。控制摆杆的两电机分别向左、向右转动，控制其两摆杆微动15°后停止。控制板给其圆盘式槽轮下料转盘所设的电机信号，驱动转盘顺时针转动0.5s，箱体内的肥料沿力的方向通过自身重力下落至三通接头下料通道软管内。肥料顺着软管下落至地面的落料点，完成肥料的下落任务。任务结束后控制板给其左右摆杆电机驱动板信号，使其两摆杆恢复至原来位置，即两电机分别向右、向左转动－15°后停止，再进行下面的施肥任务，如此往复。

设计说明

国内外研究现状：

发达国家对追肥机械研究的较早，追肥机械发展较为丰富。我国对追肥机械的研制相对较晚，相关学者已对施肥技术进行了大量研究，但成熟的应用机型相对较少。查阅国内外玉米追肥机械的研究与发展相关文献可知，现有玉米追肥机械种类相对较多，按照追肥机械所使用肥料的结构形式可把追肥机械分为固态追肥机械和液态追肥机械。

我国玉米追肥机械种类较少，技术相对落后。我国施肥 机械研究起步较晚，施肥技术研究主要在肥料重直力排和肥料离心抛撒两个方面，施肥技术研究相对落后，初期研制的施肥机械也多为种肥一体作业机械，玉米追肥机械的研究相对较少，且我国玉米种植地域较广，地形复杂多样，玉米种植农艺也存在较大差异，玉米追肥机械的研制相对单一，不能够适用于多种地形条件下玉米追肥作业。我国玉米追肥机械市场化低，适应性能差，

目前，我国已经有较多科研机构对玉米追肥机械进行研究，但大部分研究还集中在玉米追肥机械中的施肥技术或者施肥机构方面，技术向产品的转化较少，研制出的成熟产品不多。此外，玉米生长阶段追肥农艺对机械性能要求较高，追肥机械田间作业适应性较差，研制的追肥机械市场化相对较低。

我国追肥机械集成度不高，自动化程度低。我国现有的玉米追肥机械主要是以中小型中耕追肥机械为主，多采用直槽式外槽轮排肥器排肥，靠肥料重力直排施肥，机械整体结构简单，施肥装置集成度不高，施肥控制部件相对较少，自动化程度较低，但仍需较多的劳动力，劳动强度较大，追肥效率有待于提高。

主要结构参数：

1、圆盘式槽轮下料转盘

此作品的料斗底部安装下料转盘，下料转盘的右边连接12v/10r的直流减速电机，通过电源端给电机供电，用L298n与arduino2560主控板控制电机运行方式，利用超声波测距模块测得与植株距离的数字信号，此信号发回控制板并驱动盒内的齿轮转动，完成重力排肥的操作手续，实现均匀化、合理化落料，减少肥料的损耗，利于向智能方向迈进。

2、三通接头下料通道软管

为了配合两侧下料需求，提高施肥效率，设计三通接头式下料方式，能更好的改变传统单行施肥的不足之处。

3、丝杆升降机构

采用10mm厚的亚克力板作为承重板，连接丝杆以实现结构的升降，四根等长的光轴加上直线滑动轴承来固定亚克力板，丝杆与12v/10r的直流减速电机通过梅花联轴器连接起来，电机驱动丝杆沿螺旋方向转动，使得亚克力板带动左右摆杆机构实现既定运动。丝杆升降机构具有结构简单，传动平稳，结构紧凑等优点，能更好的带动执行部件避开障碍物，保障机器的完整性及安全性。

4、摆杆摇摆装置

利用直线滑轨机构作为固定连接件，左右各安装一摆杆装置，末端设置一超声波传感器，整体装置采用2020铝型材搭建以模拟机械臂结构，实现摆杆的微调摆动。此装置所用的超声波传感器收集到的信号传回主控板后，执行程序的指令动作，实现摆杆的左摆或右摆。

5、Arduino程序控制系统

主控制板采用的是arduino mega2560单片机。arduino单片机的mega2560是采用USB接口的核心电路板，具有54路数字输入输出，适合大量的IO接口设计的开发板。

4v底盘电机的驱动配合L298N驱动板，输入12V的电压经降压后给单片机主板供电以确保程序控制带动滚轮行进。2个超声波测距模块分布于摆杆尾部，通过HML5883的电子罗盘定位，以提高精度，保证传回的测距信号准确，撒肥位置合理，不烧根。

为了保障安全，采用语音识别模块作为危险信号报警器，当人们说出“停止”、“关闭、“关”、“停”等字眼后，语音识别模块会把接收的指令传回主控板并触发“一键急停”程序，使机器各部位停止运行，保证机器避开前方障碍物或机器出现故障时避免机器的二次伤害。

6、理论设计计算

整体尺寸：长650mm、宽350mm、高780mm。

整体重量:约30KG。

电池：3.7v锂电池为Arduino2560开发板供电；12v锂电池为减速电机供电。

减速电机：4058GW31ZY永磁直流。

车轮材料：聚氨酯轮。

使用环境条件：可适用于田垄间，潮湿、干燥地表等场所。

使用最佳温度：0℃~30℃。

使用最低温度：-10℃。

环境湿度：35%～98%（无凝露），日平均湿度≤90% 。

抗地震等级：地震烈度不超过6级。

周围空气应不受腐蚀性或者可燃性气体、水蒸气等明显污染，无严重污秽及经常性的剧烈振动。

工作原理及性能分析：

机器采用开源硬件设计，与现有闭源系统机器相比，利于二次开发。机器能够在狭窄的田间垄沟内行进、施肥，同时下料转盘开口处张合程度能够人工调节，通过车载超声波测距模块进行准确的落料。

需要注意的是，如何确定落料点与幼苗根部的距离恰当？经过查阅资料，化肥的最佳施肥距离为10-12cm，对于玉米专用肥来说，按其说明书上的要求进行施肥，距离会略有变动。所以适当的调整程序就必不可少了。对于一般化肥来说，一列幼苗在纵向上是很难在一条垂直线上生长，每颗幼苗在偏离垂直线的程度上只有几厘米甚至几毫米（可忽略不计），所以，设置的程序可如下所示。

设摆杆尾部中心点为原点O，经15°(8cm)的摆动后摆杆尾部的中

心点为b，O距幼苗距离为d,此时可参考下列说明。

此时相应的程序执行对应的指令。大片幼苗偏差距离非常大时，可提前修改程序来达到距离的要求，或者给出两套方案以供选择。

产品特色

创新点及应用

1、利用超声波传感技术使左右摆杆执行预定指令，胜似人的双手，解放劳动力，这是现有施肥机所不具有的。本结构与丝杆升降装置相连，具有较强的灵活性。

2、遇险后发出的遇险信号能使机器快速停止，保证机器的安全性。

3、圆盘式槽轮下料转盘控肥能力强，旋转角度为给定数值，保证落料点与植株秆留有15cm的距离，精度准确。

4、车体呈窄又长的设计结构，长65cm、宽35cm、高78cm，适用于两列植株间的实地宽度，避免对幼苗时的生长进行二次伤害。

5、用Arduino程序控制系统设定机器的程序，采用开源硬件进行设计，新程序可覆盖旧程序，修改方便，利于二次开发。

6、摆杆摇摆装置与控制板配合，肥料落料点与幼苗距离精度能控制在10-12cm 之间，使肥料既不烧根又不浪费。

我国现有的玉米追肥机多为中小型重力直排机型，缺少施肥控制和排肥监控系统，难以适应不同作业环境。在实地调查发现，留在村里干农活的人大多数为中年人，随着劳动力向城镇转移和老龄化问题加剧，迫切需要追肥机械向自动化、智能化及功能多样化方向发展，以提高追肥机械的工作效率，促进玉米追肥机械的广泛应用。