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用于实时地测量土壤特性的感测系统

阅读:342发布:2021-06-15

专利汇可以提供用于实时地测量土壤特性的感测系统专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本文公开一种实时地获得 土壤 特性的梯度的感测系统, 土壤特性 的梯度是关于土壤深度的函数。感测系统包括 支撑 结构,该支撑结构联接到农具并且能够相对于农具的 框架 围绕旋 转轴 线旋转。 传感器 被布置在支撑结构的表面上,并且构造成基于感测到的电容的变化来生成指示所测量的土壤特性的输出 信号 ,该电容的变化对应于与传感器相互作用的被测量的土壤样品的介电特性的变化。测量单元联接到至少一个传感器,并且处理由所述至少一个传感器实时地生成的 输出信号 以便显示在 用户界面 上,土壤特性的梯度分布是一个或多个深度的函数。,下面是用于实时地测量土壤特性的感测系统专利的具体信息内容。

1.一种用于实时地获得土壤特性的梯度的感测系统,所述土壤特性的梯度是关于土壤深度的函数,所述感测系统包括:
支撑结构,所述支撑结构适于与地面接合和联接到农具,其中,所述支撑结构能够相对于所述农具的框架围绕旋转轴线旋转;
至少一个传感器,所述至少一个传感器布置在所述支撑结构上,其中,所述至少一个传感器构造成感测电容的变化,所述电容的变化对应于与所述至少一个传感器相互作用的被测量的土壤样品的介电特性的变化,并且其中,所述至少一个传感器构造成生成指示所测量的土壤特性的输出信号;以及
测量单元,所述测量单元联接到所述至少一个传感器,其中,所述测量单元构造成处理由所述至少一个传感器生成的所述输出信号,并且实时地生成土壤特性的梯度分布以便显示在用户界面上,所述土壤特性的梯度分布是关于距田地的土壤表面的一个或多个相应深度的函数。
2.根据权利要求1所述的感测系统,其中,所述至少一个传感器包括布置在所述支撑结构上的两个或更多个传感器。
3.根据权利要求1所述的感测系统,其中,所述至少一个传感器包括至少两个导电元件,所述至少两个导电元件彼此等距离地隔开并且偏离所述支撑结构的中心轴线。
4.根据权利要求3所述的感测系统,其中,所述至少两个导电元件包括材料、金材料、材料或其组合中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的感测系统,还包括第二传感器,所述第二传感器是从由温度传感器、度传感器及其组合所构成的组中选出的。
6.根据权利要求1所述的感测系统,其中,所述支撑结构包括轮结构,所述轮结构具有布置于其中的至少一个孔。
7.根据权利要求1所述的感测系统,其中,所述支撑结构包括开沟器组件的至少一个或多个开沟盘。
8.根据权利要求1所述的感测系统,其中,所述支撑结构包括多个突出元件,所述多个突出元件布置成邻近所述支撑结构的外周围绕所述支撑结构的感测表面延伸,以便于所测量的土壤样品的制备,并且其中,所述至少一个传感器包括多个传感器,所述多个传感器分别布置在所述多个突出元件中的每一个突出元件上。
9.根据权利要求1所述的感测系统,其中,所述至少一个传感器布置在所述支撑结构的外周的底面上。
10.根据权利要求1所述的感测系统,其中,所测量的土壤特性包括以下特性中的一种或多种特性:土壤湿度、土壤密度、土壤温度、离子迁移率、土壤pH值。
11.根据权利要求1所述的感测系统,还包括卫星导航接收器,所述卫星导航接收器用于确定所述至少一个传感器的各个位置及其关联的土壤特性的相应测量值。
12.根据权利要求11所述的感测系统,其中,所述卫星导航接收器适于确定所述农具或车辆的竖直高度,所述竖直高度与所述至少一个传感器的各个位置及其关联的土壤特性的相应的测量值相关联。
13.一种用于实时地生成土壤特性的梯度的方法,所述土壤特性的梯度是关于土壤深度的函数,所述方法包括:
提供布置在支撑结构上的至少一个传感器,其中,所述支撑结构联接到农具并且适于与土壤旋转地接合;
当所述农具在田地里移动时,利用所述至少一个传感器来感测电容的变化,所述电容的变化指示所测量的土壤样品的介电特性的变化;以及
利用处理器实时地确定所测量的土壤样品的介电特性,以生成所确定的土壤特性的梯度分布,所述土壤特性的梯度分布是深度的函数。

说明书全文

用于实时地测量土壤特性的感测系统

技术领域

[0001] 本公开总体上涉及利用实时数据测量来获得土壤性质的梯度分布的感测系统。

背景技术

[0002] 在农业应用中,当农民正在执行种植或耕种等任务时,通常希望实时地了解土壤的某些特性。这些特性可能包括湿度、压实度、温度和沟槽深度;这些特性中的每一个特性在确保最佳产量方面都是极为重要的。例如,湿度或温度不足的条件可能会对农作物的生产带来不利的影响,从而导致产量下降。
[0003] 然而,一些现有技术方法的缺点包括成本高或者传感器解析度低。因此,在本领域中需要一种以较低的成本提供高解析度的传感器系统发明内容
[0004] 根据实施例,提供了一种用于实时地获得土壤特性的梯度的感测系统,所述土壤特性的梯度是关于土壤深度的函数。所述感测系统包括支撑结构,所述支撑结构联接到农具并且能够相对于所述农具的框架围绕旋转轴线旋转。所述支撑结构适于与地面接合并且传感器布置在所述支撑结构的表面上。所述传感器构造成感测电容的变化,所述电容的变化对应于与所述传感器相互作用的被测量的土壤样品的介电特性的变化,并且所述传感器构造成生成指示所测量的土壤特性的输出信号。测量单元联接到至少一个传感器,并且构造成处理由所述至少一个传感器实时地生成的输出信号以便显示在用户界面上,所述土壤特性的梯度分布是一个或多个深度的函数。附图说明
[0005] 图1是根据实施例的传感器系统的框图
[0006] 图2A是根据实施例的合并到图1的传感器系统中的传感器的正视图;
[0007] 图2B是根据实施例的合并到图1的传感器系统中的传感器的正视图;
[0008] 图3是根据实施例的传感器系统的框图;
[0009] 图4A是根据实施例的种植机单元的侧视图,该种植机单元中合并了图1的传感器系统;
[0010] 图4B是根据实施例的种植机单元的侧视图,该种植机单元中合并了图1的传感器系统;
[0011] 图5是利用图1的感测系统获得土壤特性的梯度的方法的流程图
[0012] 在多幅附图中,使用相同的附图标记表示相同的元件。

具体实施方式

[0013] 为了清楚起见,本公开将对应用在种植机单元中的情况进行描述。然而,应该注意的是,本公开还可以应用于各种种植和/或土壤制备应用中,这些应用包括但不限于耕种、播种等。参考图1至图2B,根据实施例示出了用于实时地确定土壤特性的感测系统100。在实施例中,感测系统100可以包括至少一个传感器106,该传感器设置在支撑结构102(在图2A中)上并且可操作地联接到测量单元108。支撑结构102可以适于联接到农具(例如图4A中的种植机单元400)并且被布置成使得当工具在田地里移动时,支撑结构102旋转地接合或穿透周围的土壤。在一些实施例中,支撑结构102可以包括盘状部或另外的轮状结构(参见例如图2A),所述盘状部或另外的轮状结构包括形成在其中的至少一个孔118,用以接收农具的轴杆426或轴承。在一些实施例中,支撑结构102可以沿着轴426的旋转轴线424与至少一个开沟盘422(参见图4A和图4B)同轴地对准。在其它实施例中,支撑结构102可以包括开沟盘,例如具有被布置在开沟盘的外表面上的传感器106的开沟盘422。仍然在其它实施例中,支撑结构102可以旋转地或者固定地联接到第二轴(未示出)并且布置在开沟盘422之后。
[0014] 所述至少一个传感器106可以布置在感测表面105上的支撑结构102的外周107(图2A中)附近,以便在进行测量时向传感器106提供更强的土壤相互作用。在一些实施例中,当传感器106与土壤相互作用时,传感器106可以构造成响应电容变化的电容传感器,该电容变化与周围土壤的介电特性的变化相关。例如,传感器106可以包括第一导电元件112,第一导电元件112与第二导电元件114隔开预定的距离,使得第一导电元件112和第二导电元件
114各自通常布置成偏离支撑结构102的中心轴线150,以便形成电容器。第一导电元件112和第二导电元件114可以包括例如金、镍、合金、它们的组合等金属材料,或者任何其它适当的电流承载材料。电源110经由引线111电联接到传感器106,电源110可以包括例如收获能量源或交流电源或直流电源。电源110向第一导电元件或第二导电元件中的至少一个导电元件传输电源信号(例如交变或脉冲电信号),以便在导电元件112和114附近产生电场,该电场可以被土壤的介电特性影响。例如,土壤的介电特性可以根据距离土壤表面的深度或者传感器106获取传感器测量值的地理位置而改变。例如,当传感器106与土壤相互作用时,具有均匀的或者可变的介电特性的土壤样品将会穿过第一导电元件112和第二导电元件114的间隔区域,从而使电场失真并导致电容的变化。由此产生的电容的变化被测量单元108测得。
[0015] 如图所示,同样由电源110或适当的直流电源供电的测量单元108可以构造成基于测得的电容或测得的其它土壤特性来接收和处理由传感器106输出的与各种土壤特性(例如土壤湿度、密度、温度、离子迁移率、pH值、深度等)有关的数据信号。在一些实施例中,测量单元108可以包括安装在操作者的车辆(例如拖拉机)的驾驶室内的便携式通讯系统和/或计算设备,农具附接到该车辆上。在其它实施例中,测量单元108可以远程地位于远程数据处理设施处,如稍后参考图3所论述的那样。测量单元108可以包括电子数据处理器120、联接到处理器120的数据存储单元122、以及用于显示由处理器120处理的数据的显示器124。处理器120可以包括微处理器、微控制器数字信号处理器、可编程逻辑控制器、或者能够实时地处理传感器数据的其它适当的计算设备。例如,处理器120可以基于所测得的电容来确定土壤的介电特性,并且可以示出对应于土壤表面下面的一个或多个相应的土壤深度的土壤特性的梯度分布,以便显示在显示器124上(例如作为土壤特性关于田地中的位置的图),以允许操作者实时地查看这样的信息。在其它实施例中,处理后的传感器数据可以存储在存储器122中,存储器122可以包括但不限于随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、光学数据存储器、动态数据存储器和/或它们的组合。例如,在一些实施例中,处理器120可以检索存储在存储器122中的数据,以允许操作者将这些数据用于诊断、校准或历史性目的。
[0016] 关于图1至图2B,本领域的技术人员将会理解的是,图1至图2B没有按比例绘制,并且仅用于说明的目的。值得注意的是,在其它实施例中,各组件的大小、尺寸、结构布局和数量都可以并且将会变化。例如,在一些实施例中,支撑结构(例如支撑结构202)可以包括多个突出元件216,如图2B所示,所述多个突出元件216被布置为邻近支撑结构202的感测表面205围绕外周207等距地延伸,以便当工具在田地中移动时促进土壤的制备。在其它实施例中,感测系统100可以包括:多个传感器106,这些传感器沿着中心轴线150轴向地对齐或者布置在每个突出元件216上;或者至少两排传感器106,这些传感器围绕支撑结构102的旋转轴线或中心孔118同心地布置在支撑结构102上。在其它实施例中,感测系统100还可以包括一个或多个第二传感器(例如温度传感器),以允许同时监测温度和其它相关的土壤特性。
[0017] 现在参考图3,图中示出了感测系统300,感测系统300基本上类似于参考图1论述的感测系统100。在实施例中,感测系统300可以包括电源310,电源310电联接到传感器306、测量单元308和本地收发器312。本地收发器312可以构造成通过网络314(该网络可以包括因特网)无线地向一个或多个远程收发器332传输数据传输并且从该网络接收数据传输。例如,如图所示,本地收发器312可以将来自测量单元308的传感器数据传输到具有远程收发器332的远程处理单元330。收发器312和332可以与IEEE 802.11和/或蓝牙协议兼容,并且可以例如经由局域网(LAN)、广域网(WAN)、无线局域网(WLAN)或适当的通信网络来提供对网络314的访问。在一些实施例中,远程处理单元330可以执行以上关于测量单元108所描述的功能。在其它实施例中,远程处理单元330可以构造成执行附加处理或数据分析,该附加处理或数据分析能够被二级用户或二级操作者获取。
[0018] 在图4中,示出了根据实施例的合并了传感器106的种植机单元400。种植机单元400可以包括以大致直立的姿态布置的漏斗402,漏斗402安装到框架404。包括连杆408和致动装置410的并联臂装置406可以以悬臂状构造安装到框架404,使得并联臂装置406向外延伸并远离框架404。在一些实施例中,致动装置410可以联接到连杆408中的至少一个连杆并且可以包括机械的、气动的、液压的或其它适当的致动器,以便向种植机单元400施加升和/或下压力。具有大致圆形构造的计量单元412可以布置在漏斗402下方,并且可以构造成将从漏斗402接收的种子分配到种子管414中。种子管414将从计量单元412接收的种子引导到由开沟器组件420形成在地面中的土壤开口450。
[0019] 开沟器组件420可以包括至少一个开沟盘422,开沟盘422被布置成在与土壤接合时创设土壤开口450,用以在预定深度处接收种子或其它材料。在一些实施例中,如参考图1所论述的,支撑结构102可以沿着轴426的旋转轴线与至少一个开沟盘422同轴地对准。至少两个调节轮(gauge wheel)424安装在开沟器组件420附近,以便由调节轮424来调节开沟盘422和支撑结构102的土壤穿透深度。例如,如前文所论述的,致动装置410运转,以便向种植机单元400施加下压力,种植机单元400继而将适用的下压力施加到每个地面接合设备(即,调节轮424、开沟盘422和支撑结构102)。一旦设备降低,调节轮调整机构413就能使调节轮
424相对于开沟盘422和支撑结构102的竖直位置被调节,由此确定开沟盘422和支撑结构
102插入土壤中的深度(即,土壤开口450的深度)。闭合轮组件428可以布置在开沟器组件
420、支撑结构102和调节轮424之后,并且可操作地闭合由开沟器组件420形成的土壤开口
450。在其它实施例中,现在参考图4B,种植机单元400还可以包括安装到种植机单元400并构造成提供田地位置数据的定位接收器(location-determining receiver)452,例如卫星导航接收器。例如,定位接收器452可以用于确定获得每个土壤测量值的田地位置,使得可以生成田地位置和相应的土壤特性的二维或三维图。在其它实施例中,种植机单元400还可以包括机械地联接到轴杆426的铲土机单元427,铲土机单元427构造成从支撑结构102和导电元件112、114去除多余的泥土或其它残留积聚物。例如,在淤泥土壤条件下,泥或其它类似的材料可能粘在支撑结构102上并且干扰传感器106的感测精度。因此,为了防止这种干扰,铲土机单元427会在支撑结构102和导电元件112、114在地面上旋转时运转,以便清除来自支撑结构102和导电元件112、114的多余材料。
[0020] 在图5中,示出了用于执行本公开的方法500的流程图。在步骤502中并且在操作之前,可以在传感器106位于地面上方时测量第一基准电容并且将其存储在存储器122中。然而,在其它实施例中,可以在制造期间测量和存储第一基准电容。一旦进行了测量,操作者就可以在步骤504中通过显示器124的用户界面输入命令,以使调节轮424的竖直位置能够进行调节(即,升高或降低),进而调节开沟盘422和布置有传感器106的支撑结构102竖直位置。这样确定了开沟盘422和支撑结构102插入土壤中的穿透深度,即,土壤开口450的深度。在插入时,当种植机单元400处于静止状态时,可以测量第二基准电容并且将其存储在存储器122中。
[0021] 一旦种植机单元400运转并且在田地中移动,则在步骤506中,多个电容测量值被传感器106获取并被传输到测量单元108。例如,随着支撑结构在土壤中旋转,在土壤上方和下方获取多个电容测量值,并且与第一基准电容及第二基准电容进行比较,以确定传感器106的电容的总体变化。例如,当支撑结构102正在旋转时,由于空气(~1)、土壤(~3至~5)和(~80)之间的介电常数的差异相当大,所以当传感器106进入土壤(即,电介质由空气变为土壤)和离开土壤(即,电介质由土壤变为空气)时,差异将会是相当明显的。
[0022] 接下来在步骤508中,生成所测量的土壤特性的梯度分布。例如,测量单元108处理所测量的电容,以确定相应的土壤特性(例如温度、水分含量、密度),相应的土壤特性可以存储在存储器122中或者关于深度以二维曲线的形式绘制在显示器124上,以便生成梯度。值得注意的是,所显示的深度测量值(该测量值可以以多种方式来确定)将会包括从土壤的表面向下取得的测量值(即,一旦传感器进入土壤就取得的测量值)。例如,在一些实施例中,感测系统100还可以包括联接到轴杆426的度传感器(未示出),该角度传感器用于基于支撑结构102的角度位置来确定传感器106定位在土壤中的深度。在这种构造中,角度传感器可以构造成生成正弦曲线型输出信号(即,余弦信号和正弦信号),该输出信号用于确定支撑结构102的角度位置。例如,测量单元108可以构造成利用上述输出信号来计算反正切函数,以确定相应的旋转角度。在其它实施例中,可以使用支撑结构的旋转速度来确定深度。此外,在支撑结构包括开沟盘的实施例中,可以通过感测空气和土壤之间的阻抗的突然变化以及支撑结构的角行程来确定深度。
[0023] 不以任何方式限制随附的权利要求书的范围、解释或实用性,本文所公开的一个或多个示例实施例的技术效果是用于实时地获得土壤特性的梯度的传感器系统和方法。尽管在附图和以上描述中已经详细地说明和描述了本发明,但这种说明和描述在特征上不是限制性的,应当理解的是,已经示出和描述的说明性实施例以及处于本公开的精神内的所有变化和修改都期望得到保护。本公开的替代性实施例可能不包括所描述的全部特征,但仍然受益于这些特征的至少一些优点。本领域的普通技术人员可以设计出他们自己的实施方案,这些实施方案包括本公开的一个或多个特征并且落入随附的权利要求书的精神和范围内。
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