本发明涉及农业，特别涉及一种覆土量和镇压力智能调控的玉米种肥垂直分层播施装置。
背景技术：
1、为避免种肥间距过小导致烧种烧苗，现有玉米播种机械多采用侧位分层施肥的方式，即施肥开沟器用于开沟施肥、播种开沟器用于开沟播种，但多个开沟器作业增大了土壤扰动和作业阻力。正位垂直分层施肥可以使种、肥同沟不同深以改善上述问题，目前主要有借助自然回土进行被动覆土、增设覆土机构进行主动覆土两种方式。“一种种肥分施装置”(申请号cn201710988639.9)和“一种基于双圆盘覆土的种肥播施装置”(申请号cn201820169008.4)为实现种肥分层效果均采用双圆盘进行主动覆土，但是无法根据实际作业情况实时调整对肥料的覆土量，即无法保证种肥垂直间距的稳定性。
2、覆土和镇压直接影响种子生长的土壤环境，进而影响种子的发芽和出苗。现有玉米播种覆土、镇压分体式装置结构复杂、作业稳定性差，兼具覆土和镇压功能的覆土镇压一体式装置可以简化结构、减少触土部件个数、提高作业质量。现有覆土镇压一体装置存在以下不足：①无法根据实际土壤情况及时调节镇压力，不利于种子对土壤中水分和养分的充分吸收利用；②覆土镇压器表面粘附土壤，影响播种深度，增加作业阻力。
技术实现思路
1、针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种覆土量和镇压力智能调控的玉米种肥垂直分层播施装置，该装置可进行开沟、施肥、播种、覆土、镇压全过程作业，应用智能测控技术提高种肥垂直间距稳定性和覆土镇压均匀性，提高玉米播种质量。
2、为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
3、一种覆土量和镇压力智能调控的玉米种肥垂直分层播施装置，包括芯铧式开沟器1、种肥垂直分层覆土调控机构、控制器4、导种管11和镇压力实时调控机构。
4、所述芯铧式开沟器1包括铲尖101、铲体102、防缠辊103、铲柄104、固定卡105、导肥管106和挡土板107；所述铲尖101固接在铲体102的底端；所述铲柄104固接在铲体102的顶端后部；所述防缠辊103竖直且可转动地安装在铲体102的顶端前部；所述固定卡105固接在铲柄104的上部；所述导肥管106固接在铲柄104的后端面上，并与肥箱连接；两个挡土板107固接在铲体102的后端，位于导肥管106的左右两侧。
5、所述种肥垂直分层覆土调控机构包括伺服电机2、控制器4、激光测距传感器12、电机安装架13、最速降线覆土圆盘14、圆盘轴15、转动轴16、行星减速器17、固定套18、固定板19、轴承套21和深沟球轴承22。
6、沿机具纵轴向方向水平布置的固定板19的前端与铲柄104后端面的中部固接；两个电机安装架13高度可调地固接在固定板19的左右两侧的中部，每个电机安装架13上均安装有一组伺服电机2和行星减速器17；所述伺服电机2固接在电机安装架13的上部，所述行星减速器17固接在电机安装架13的下部，伺服电机2的动力输出轴与行星减速器17的动力输入轴连接，所述行星减速器17的动力输出轴与竖直布置的转动轴16的顶端连接；所述转动轴16的底端与水平布置的固定套18的外表面固接；所述圆盘轴15的外端固接在固定套18内部；所述轴承套21通过深沟球轴承22安装在圆盘轴15的内端；所述最速降线覆土圆盘14固接在轴承套21上；通过伺服电机2驱动转动轴16转动，改变最速降线覆土圆盘14的偏角，进而调整覆土量。
7、所述激光测距传感器12固接在固定板19的后部下端面，用于检测对肥料的覆土厚度。
8、所述导种管11固接在固定板19的后端，与排种器的排种口连接。
9、所述最速降线覆土圆盘14为凹面缺口圆盘，盘面边缘均匀设有多个缺口。
10、所述最速降线覆土圆盘14的缺口轮廓由直线段ab、最速降线段bc和圆弧段ca组成，其中直线段ab的长度为20mm，圆弧段ca的圆弧半径为90mm，最速降线段bc的参数解析方程为θ为最速降线理论中运动质点的转角，此处的质点为土壤颗粒；(x,y)为质点坐标。
11、所述镇压力实时调控机构包括固定连接架3、电动推杆5、s型拉压力传感器6、镇压轮臂7、轮轴8、鸡爪型仿生覆土镇压轮9、方形座轴承10和传感器固定板20。
12、所述固定连接架3为一矩形框架，包括前横梁、后横梁和左右纵梁；所述固定连接架3布置在固定板19的上方，前横梁固接在铲柄103上；一对镇压轮臂7的上端分别轴与固定连接架3的左右纵梁的后端铰接；所述轮轴8的左右两端通过方形座轴承10安装在镇压轮臂7的下端；所述鸡爪型仿生覆土镇压轮9固接在轮轴8的中部；所述传感器固定板20的左右两端与两个镇压轮臂7的中部固接；所述电动推杆5的腔体端铰接在固定连接架3的后横梁上，推杆端与s型拉压力传感器6连接，所述s型拉压力传感器6固接在传感器固定板20上。
13、所述鸡爪型仿生覆土镇压轮9包括轮盘901和多根固接在轮盘901左右两侧的镇压指902；其中两根镇压指902为一组，对称固接在轮盘901左右两侧，并与轮盘901的边缘相切，构成鸡爪状。
14、所述控制器4固接在固定连接架3上，控制器4分别与激光测距传感器12、s型拉压力传感器6、伺服电机2和电动推杆5连接；激光测距传感器12检测覆土厚度并发送至控制器4，控制器4根据覆土厚度发送相应指令给伺服电机2，伺服电机2动作改变最速降线覆土圆盘14的偏角，进而增大或减小覆土厚度；s型拉压力传感器6实时检测鸡爪型仿生覆土镇压轮11对播种带的镇压力，并将信息传输到控制器4，控制器4根据镇压力大小发送相应指令到电动推杆5，电动推杆5伸长或缩短以改变镇压力大小。
15、两个挡土板107相互平行；所述挡土板107的长度为12cm，以保持开沟后的沟型完整，降低土壤自然回流对施肥后覆土量控制精度的影响。
16、所述圆盘轴15的内端设有用于对深沟球轴承22起限位作用的弹性挡圈23。
17、所述最速降线覆土圆盘14的盘面半径r1为90mm；凹面曲率半径为170mm，圆盘厚度为4mm，缺口个数为10；所述轴承套21的安装半径r2为50mm。
18、所述导种管11的导种曲线由直线段de和最速降线段ef组成，其中最速降线段ef的参数解析方程为θ为最速降线理论中运动质点的转角，此处的质点为玉米种子；(x,y)为质点坐标；
19、所述轮盘901上共设有10组镇压指902；所述轮盘901的直径为200mm，厚度为10mm；所述镇压指902的直径为10mm。
20、所述最速降线覆土圆盘14的最低点与芯铧式开沟器1的底部的垂直高度差为11～14cm；所述导种管11的最低点与芯铧式开沟器1的底部的垂直高度差为13cm；鸡爪型仿生覆土镇压轮9与芯铧式开沟器1的底部的最大高度差小于10cm。
21、一种覆土量和镇压力智能调控的玉米种肥垂直分层播施方法，包括如下步骤：
22、s1、芯铧式开沟器1开出深度为10cm的深沟；
23、s2、肥料经导肥管106落入沟底；
24、s3、种肥垂直分层覆土调控机构的最速降线覆土圆盘14覆土将肥料掩盖，覆土厚度设定值为5cm；
25、s4、玉米种子经导种管11落入沟内；
26、s5、在与地表相互摩擦作用下镇压力实时调控机构的鸡爪型仿生覆土镇压轮9逆时针转动，对玉米种子覆土和镇压；
27、所述步骤s3中，激光测距传感器12实时检测覆土厚度，当覆土厚度小于覆土厚度设定值时，伺服电机2正转，使最速降线覆土圆盘14的偏角变大，覆土量增加；当覆土厚度大于覆土厚度设定值时，伺服电机2反转，使最速降线覆土圆盘14的偏角变小，覆土量减少；
28、所述步骤s5中，s型拉压力传感器6实时检测鸡爪型仿生覆土镇压轮9对播种带的镇压力大小，当镇压力小于适宜作物生长镇压力范围最小值时，电动推杆5伸长，增大镇压力；当镇压力大于适宜作物生长镇压力范围最大值时，电动推杆5缩短，减小镇压力。
29、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
30、1)基于芯铧式开沟器设计的玉米种肥垂直分层施肥装置一次作业可完成开沟、施肥、播种、覆土和镇压，种肥同沟不同深和覆土镇压一体的设计思路减少了开沟器等触土作业部件的个数，进而减小了作业阻力和土壤扰动。
31、2)包括最速降线覆土圆盘、激光测距传感器、伺服电机和控制器在内的种肥垂直分层覆土调控机构可根据实际作业情况及时调节对肥料的覆土量，精准控制种肥垂直间距，以保证种肥垂直间距的稳定性，防止烧苗。
32、3)以最速降线为缺口主要轮廓曲线的最速降线覆土圆盘，在保证足够覆土量的前提下，通过减少圆盘与土壤的相对运动时间和增加漏土量，以达到减小覆土作业阻力的目的。
33、4)包括鸡爪型仿生覆土镇压轮、s型拉压力传感器、电动推杆和控制器在内的镇压力实时调控机构可根据实际作业情况及时调节对播种带的镇压力，使镇压力始终处于最佳范围，以促进种子对水分和养分的吸收利用，有利于作物生长。
34、5)以鸡爪为仿生设计原型的覆土镇压轮一次作业可完成覆土和镇压，具有结构简单、不易粘附土壤的优点，模仿鸡爪的作用力施加方式可以制备松紧适宜的苗床，鸡爪的结构特点可以减小因土壤粘附导致的前进阻力。
35、6)根据最速降线理论，将导种曲线下端设计为最速降线可以使种子在较短时间内获得更大的运动速度，以平衡装置作业方向的前进速度，减少种子落至种床时的弹跳。
1.一种覆土量和镇压力智能调控的玉米种肥垂直分层播施装置，其特征在于，所述玉米种肥垂直分层播施装置包括芯铧式开沟器(1)、种肥垂直分层覆土调控机构、控制器(4)、导种管(11)和镇压力实时调控机构；
2.根据权利要求1所述的覆土量和镇压力智能调控的玉米种肥垂直分层播施装置，其特征在于，两个挡土板(107)相互平行；所述挡土板(107)的长度为12cm，以保持开沟后的沟型完整，降低土壤自然回流对施肥后覆土量控制精度的影响。
3.根据权利要求1所述的覆土量和镇压力智能调控的玉米种肥垂直分层播施装置，其特征在于，所述圆盘轴(15)的内端设有用于对深沟球轴承(22)起限位作用的弹性挡圈(23)。
4.根据权利要求1所述的覆土量和镇压力智能调控的玉米种肥垂直分层播施装置，其特征在于，所述最速降线覆土圆盘(14)的盘面半径r1为90mm；凹面曲率半径为170mm，圆盘厚度为4mm，缺口个数为10；所述轴承套(21)的安装半径r2为50mm。
5.根据权利要求1所述的覆土量和镇压力智能调控的玉米种肥垂直分层播施装置，其特征在于，所述最速降线覆土圆盘(14)的直线段ab的长度为20mm，圆弧段ca的圆弧半径为90mm，最速降线段bc的参数解析方程为θ为最速降线理论中运动质点的转角，此处的质点为土壤颗粒；(x,y)为质点坐标。
6.根据权利要求1所述的覆土量和镇压力智能调控的玉米种肥垂直分层播施装置，其特征在于，所述导种管(11)的导种曲线由直线段de和最速降线段ef组成，其中最速降线段ef的参数解析方程为θ为最速降线理论中运动质点的转角，此处的质点为玉米种子；(x,y)为质点坐标。
7.根据权利要求1所述的覆土量和镇压力智能调控的玉米种肥垂直分层播施装置，其特征在于，所述轮盘(901)上共设有10组镇压指(902)；所述轮盘(901)的直径为200mm，厚度为10mm；所述镇压指(902)的直径为10mm。
8.根据权利要求1所述的覆土量和镇压力智能调控的玉米种肥垂直分层播施装置，其特征在于，所述最速降线覆土圆盘(14)的最低点与芯铧式开沟器(1)的底部的垂直高度差为11～14cm；所述导种管(11)的最低点与芯铧式开沟器(1)的底部的垂直高度差为13cm；鸡爪型仿生覆土镇压轮(9)与芯铧式开沟器(1)的底部的最大高度差小于10cm。
9.一种利用如权利要求1-8任一项所述的覆土量和镇压力智能调控的玉米种肥垂直分层播施装置的玉米种肥垂直分层播施方法，其特征在于，所述玉米种肥垂直分层播施方法包括如下步骤：
