2BFJ-24型小麦精量播种变量施肥机设计与试验

为了提高冬小麦播种质量与种肥利用率,降低生产成本,针对中原地区冬小麦适度规模种植种肥同播作业方式粗放、效能低的特点,基于CAN总线通信协议下的车载传感器与PIC控制融合技术,设计了2BFJ-24型小麦精量播种变量施肥机,由播种施肥机械部件、种子漏播监测系统、肥料堵塞监测系统、变量施肥控制系统及车载计算机组成。通过红外光电检测可实时监测排种管种子流量情况,通过检测排肥管下端口内介电常数变化可实时获取肥料下落信号;通过集成GPS模块获取机器田间位置信息,结合预先加载的田块处方图,确定当前位置目标施肥量,并基于压力传感与微机控制解算当前施肥量和流量信息,按照机器前进速度实时调整施肥量;最终实现作业过程漏播、堵塞声光报警与精准施肥目的。田间试验结果表明,整机监控系统能够适应复杂田间环境,漏播监测准确率可达91%,肥料堵塞报警误差小于2%,变量施肥准确率超过96%,具有较好的实用性和经济性。     

无人机变量施药实时监控系统设计与试验

在航空施药过程中,为保证单位面积施药量的一致性、实现施药流量的实时控制,提出一种航空变量施药分级控制算法。该算法根据各参数的等级和阀门开度建立分级控制表,再结合分级控制公式计算作业参数变化时阀门对应的开度,从而计算出施药流量,实现施药流量的自动调节。基于该算法设计了基于单片机多信息融合的航空变量施药实时监控系统,通过软硬件设计实现了对作业航迹、作业高度、作业速度、施药流量及药液余量等信息的实时监测,进行了航迹监测试验、施药流量监测试验、液位监测试验和变量施药控制试验等。结果表明,该系统可以准确监测多种作业参数,并可根据参数变化精准调控施药流量;飞行航迹监测平均偏差为0.98 m,施药流量监测平均误差为3.57%,液位监测平均误差为1.97%,系统对流量控制的最大误差为9.26%。     

一种电学控制特性下的变量施肥装置研究

以单片机为基础，设计一种电学控制的变量施肥控制系统装置。工作时，通过系统通信总线接收上位机指令信息和地理环境数据，单片机生成实时指令，对变量施肥装置电液比例系统执行机构进行控制，并对农田中不同位置进行变量施肥控制。系统试验表明：装置进行变量施肥过程中，能够对施肥量进行精准可靠控制，施肥作业过程具有较高的可靠性，施肥控制精度误差小于4%。     

基于农药喷施溯源的精准变量喷药监控系统设计与试验

针对现有大田精准施药系统主要以药量变量控制为主,缺乏农药喷施作业数据远程监测与溯源管理等问题,本文设计了基于农药喷施溯源的精准变量喷药监控系统,可实现农药精准变量喷施,作业地块、作业时间、作业面积、农药种类与配比、喷施药量、喷雾压力、实时流量和作业速度等信息的在线监测、实时显示和溯源管理。基于该系统分别开展了施药量计算精度、作业面积计算精度、物联网数据传输稳定性、变量调控系统动态响应、变量调控精度和农药喷施均匀性等试验。试验结果表明,北斗定位测速最大误差为1.33%,平均误差为0.82%,施药量计算误差为1.73%,作业面积计算误差为2.61%,数据丢失率为3.51%;速度连续变化下系统稳定调节时间为4～5 s;不同设定施药量和作业速度下,变量调控精度误差为2.45%;雾滴沉积点密度大于20滴/cm²下,在喷雾机行走和喷雾方向上的喷雾覆盖率变异系数均小于10%,满足精准变量作业要求。本研究可在实现药量变量调控下对农药喷施数据进行溯源管理,为后续开展大田作物农药残留风险评估提供支撑。     

基于DSP和单片机的实时变量喷药系统设计

为防治玉米农田杂草危害,设计了一种基于DSP识别和单片机控制的杂草实时变量喷药系统。数字信号处理器(DSP)实时数据处理能力强,单片机控制能力强。DSP作为喷药系统上位机图像处理模块的CPU,对田间玉米杂草图像实时采集、处理,分离出杂草,生成杂草位置信息表,发送给作为系统下位机控制模块CPU的单片机;单片机通过电磁阀控制6个喷头的开闭实现精准变量喷药。田间试验表明:系统在室外田间复杂情况下可以满足实时精准喷药要求,在作业机械速度为4km/h时,喷药精确度可以达到91.4%。     

拖拉机作业工况参数检测系统研究

拖拉机田间作业工况参数实时、同步、适宜频率的采集对于可靠性分析与优化具有重要意义。本文设计了基于NI-C DAQ控制器的拖拉机作业工况参数检测系统,对所需传感器进行了选型、设计及安装,并结合LabVIEW平台开发了检测软件和远程监控平台。该系统由传感器、数据采集控制器和数据采集监测平台组成,可实现对发动机、车轮/桥、悬挂系统和机具等多种机构的参数测取。此外,该系统可通过便携式触摸屏远程控制和实时监测。为了验证检测系统的准确性和稳定性,开展了信号误差测试和典型参数田间试验。信号误差测试结果表明,各类信号的采集误差、丢包率以及初始误差均能满足参数检测系统的要求。在田间测试中,拖拉机车轮速度和实际速度测量值的最大相对误差为3.1%;悬挂系统水平牵引力的计算值与测量值的最大相对误差为4.5%;根据测取的车轮加速度,辨识田间作业地面类型的准确率为96%;根据悬挂位置拟合耕作深度的决定系数R2为0.99156。最后,开展了检测系统田间作业24h连续运行试验,该系统能始终保持运行稳定与数据准确。开发的拖拉机作业工况信息检测系统相比于同类系统,采集的参数更多,操作更为方便,可为可靠性分析与优化提供有效的数据测取依据。     

基于多传感器的秸秆打捆机计数监测系统

为实现打捆机作业数量的精准计数,对其他打捆机计数方法进行分析,设计了基于多传感器的秸秆打捆机计数监测系统。系统以STC15W4K61S4为微处理器为核心,集成角度传感器模块、霍尔传感器模块及全网通模块,可实现对打捆机作业量的精准计数与实时查看,并根据卡尔曼滤波算法对角度传感器舱门检测进行优化,实现打包计数精准上传。系统测试结果表明:使用接近开关计数方法计数误差为5.3%,未进行滤波处理的计数误差为2.5%,使用卡尔曼滤波器后计数误差为0%,使用卡尔曼滤波器优化后的角度值进行舱门检测可使打捆机打包计数精准度达到100%。最后,对系统进行了实地作业试验,结果表明:系统在长时间作业情况下工作效果良好,满足系统设计需求。     

基于Android平台的变量施肥无线控制系统设计与试验

为推动施肥机具向智能化方向发展,本文基于Android平台设计一款变量施肥控制系统,该系统主要包括施肥监控APP和施肥执行控制器。施肥监控APP于Android Studio平台开发,主要完成施肥参数设置、目标排肥转速计算和施肥状态的监测和显示,系统作业时APP通过WiFi与施肥执行控制器进行数据交互。施肥执行控制器主要包括数据采集模块、信号转换模块、排肥驱动器和排肥驱动电机。系统启动后施肥监控APP向施肥执行控制器循环发送控制指令,实现施肥机的控制和作业状态的监控。最后通过试验室试验对系统性能进行验证,试验结果得出系统控制排肥驱动电动机的样本标准偏差均值为0.39,系统具备良好的跟随能力,监测车速信号的相对误差为3.164%,车速监测水平较为精确。排肥精确度的准确率平均值为94.65%,说明本系统满足精准施肥要求。本系统实现了手机APP替代施肥控制器主机的功能,用户通过手机安装APP实现精准施肥监控,降低投入成本,为实现精准施肥推广和大数据获取提供借鉴。     

支持故障报警的果园对靶变量排肥系统

针对果园条开沟连续施肥造成肥料浪费,而挖穴施肥作业过程繁琐的问题,基于普通条开沟施肥机具设计了果园对靶变量排肥系统,该系统主要包括果园穴施肥精量排肥器和对靶变量施肥控制器。利用高速摄影技术获得了不同排肥口截面积排肥下落时间,使用间歇旋转机构实现定量穴排肥,提出了扇叶旋转落肥感知方法并设计了排肥故障监测装置,进而设计了果园穴施肥精量排肥器。使用光电传感器实时感知果树树干以获得排肥位置,利用接近开关感知地轮转速计算行进速度,以STC12C5A60S2单片机为核心设计了对靶变量施肥控制器。搭建了试验平台,进行了实验室试验,结果表明,1~5排肥量挡位下,平均排肥量与理论排肥量最大误差为10 g,最大变异系数为4.6%;平均排肥长度为20.2~40.9 cm;偏移距离绝对值最大为5.5 cm,最小为0.6 cm,偏移距离标准差平均值为4.26 cm;单次排肥故障监测装置最少感知落肥通断信号次数为2次,故障监测准确率达到100%。果园试验表明,针对100棵枸杞树进行对靶施肥,其排肥准确率为97%。该系统实现了果园靶标实时探测、对靶精量排肥控制和排肥故障报警功能,达到了条开沟对靶穴施肥的果园作业要求。     

稻麦变量施肥机控制系统设计与试验

针对稻麦变量施肥智能化程度低、通信系统可靠性和兼容性差等问题,研究设计了一种稻麦变量施肥机控制系统。该系统以CAN总线通讯作为现场总线,实现各控制节点之间的实时通信;通过GPS导航和处方图得到当前位置需肥量,根据变量施肥数学模型,通过步进电机节点实时调节外槽轮排肥器开度,实现施肥变量调节。试验结果表明:该系统机械结构设计合理,动作响应迅速,定位精准,各行排肥器之间排肥量变异系数最大为1. 78%,变量施肥精度达97%以上,作业效果良好。其控制程序稳定可靠,各控制节点之间通信及时、准确,整机设计合理,系统工作稳定,智能化程度高,各项技术指标满足农艺要求。     

基于PLC的变量施肥控制系统设计与试验

提出了一个以PLC为主机,集成光学传感器和控制装置的变量施肥控制系统。根据实时监测的作物光谱信息和施肥机具的实际前进速度调节施肥量。系统采用无损测试技术和模糊控制算法,通过归一化植被差异指数测量仪实时获取归一化植被差异指数,结合施肥机具行进速度调节执行机构中的电磁阀,实现实时变量施肥。     

基于光谱探测的小麦精准追肥机设计与试验

为了实现小麦生长过程中的实时变量追肥,使用近地光谱探测技术,设计了大田实时变量追肥机。追肥光谱监测系统实时获取作物冠层归一化植被指数,结合追肥策略计算出当前的目标施肥量,采用测速和测距法反馈肥料流量信息,并根据追肥机实际行进速度,实时调整追肥量,实现精准变量追肥。试验结果表明,田间小麦长势存在空间差异性,冠层的归一化植被指数可以解析此差异性;追肥机追肥控制精度达到90%以上,可以满足精准追肥的要求;变量追肥比定量均匀追肥增施氮肥28 kg/hm2左右。     

基于有效氮现场快速检测的水肥一体化系统设计

为了提高肥料利用率,将近红外光谱检测技术与水肥一体化技术结合,研究设计一套基于有效氮现场快速检测的水肥一体化系统,主要包括数据监测模块、灌溉施肥模块及控制模块。该系统可以根据实时氮素监测,并综合EC值、pH值及作物环境参数数据,实现精准定量施肥灌溉,提高农作物产量和品质,减少环境污染。     

变量施肥处方图识别与位置滞后修正方法

处方图变量施肥作业系统的技术关键在于根据处方图精确一致地“按图作业”.基于面向对象方法,设计并实现了变量施肥作业系统控制软件,提出基于作业机械位置的实时处方图识别算法,测试结果表明,单位处方识别时间不超过100 ms,能够满足实际系统作业的需要.在分析位置滞后原因的基础上,建立了变量施肥作业系统的位置滞后模型,通过田间实测试验,施肥时间延迟为1.84s.     

小麦种行肥行精准拟合变量施肥控制系统研究

针对黄淮海地区化肥施用过量和肥料利用率低的问题,基于GNSS拖拉机自动导航技术和液压控制技术,提出一种小麦种行、肥行精准拟合的新模式,设计了一种小麦种肥精准拟合变量施肥控制系统。通过安装在拖拉机上的自动导航系统进行施肥作业,记录导航线和施肥作业轨迹,根据机具幅宽和肥(种)管位置分布,对施肥导航线进行平移,从而完成导航播种作业,同时记录播种导航线和播种作业轨迹,实现种行、肥行精准对行作业。小麦种行、肥行精准拟合变量施肥控制系统可以根据用户设置的目标施肥量,实时计算液压电动机目标转速,同步将目标转速指令发送给施肥控制器,控制器根据光电编码器反馈的电动机转速信号,调节电液比例阀开度,进而驱动液压电动机带动排肥执行机构进行排肥,实现液压电动机转速的闭环控制,一次完成带施、旋耕、深层条施的同步变量施用。田间试验结果表明,种、肥精准对行误差最大为6 cm,误差在3 cm以内占90%以上,完全满足黄淮海地区宽窄行种植模式下的作业需求;浅层排肥量最大误差为2. 70%,变异系数最大为0. 05;深层排肥量最大误差为7. 95%,变异系数最大为0. 08,完全满足田间试验需要。田间试验设置常规施量、减量12%施肥二水平三重复,测产结果表明,与常规施肥3 900 kg/hm~2的产量相比,减量12%施肥的产量达到3 945 kg/hm~2。     

园林移动施药实时监测系统设计与试验

由于园林作物复杂,对不同植物病虫害需要的施药量以及药品类型不同,为实现实时监测,做好园林植保作业,本文以STM32F103VCT6单片机为信息处理控制器,设计园林移动施药实时监测系统,并通过车体结构设计,构建监测施药作业体系。系统由移动车体、药箱、微控制器、GPS定位系统、GSM无线通信模块、液位传感器、流量传感器、显示屏和按键构成。基于多信息融合技术,系统实现了对植保车行驶轨迹、车速、施药流量和药液余量等信息的实时监测,以量化小车在不同的位置喷洒药液的情况。试验结果表明:轨迹监测平均误差为4.75%;施药速度监测平均误差为2.17%;流量监测平均误差为1.54%;液位监测平均误差为0.44%,本研究对于园林移动施药参数实时监测提供了理论依据与应用参考。     

基于冠层信息的马铃薯喷雾机喷杆高度控制系统研究

为解决喷杆式喷雾机在对马铃薯等茄科茄属作物进行喷施作业时喷杆相对作物冠层距离精确测量与控制问题，设计了一套马铃薯喷雾机喷杆高度控制系统。该系统采用二维激光雷达扫描田间马铃薯的植株冠层，根据种植模式对田间马铃薯植株进行冠层单元分割，通过融合姿态传感器的数据对雷达输出数据矫正，并基于中值滤波算法、移动最小二乘曲线拟合方法处理冠层点云数据，实时解算出喷杆相对冠层顶部的垂直距离信息，同时融合油缸位移传感器数据设计了双阈值喷杆高度调控策略，实现喷杆相对马铃薯冠层距离的精准调控。系统应用于3WP-1500型喷雾机，通过高度检测精度试验和高度调节试验测试了系统性能。试验结果表明，通过激光雷达检测作物冠层高度的最大相对误差为7.16%，平均相对误差为3.95%。高度调节试验表明，通过确定最优的调节阈值，可以有效降低喷杆高度调节误差，提高系统稳定性，测试高度调节标准偏差为21.81mm，平均相对误差为3.08%，系统运行平稳，满足喷杆相对冠层距离自动控制需求。     

灌溉泵智能运行监测系统的研发

为了实时获取农业灌溉泵的性能参数信息以及农业灌溉用水水质信息,以达到优化灌溉泵运行,降低灌溉泵能耗,减少灌溉泵安全隐患,保证灌溉用水水质,防止农作物污染的目的,研发了一种基于STM32F103ZET6单片机设计的灌溉泵智能运行监测系统.该系统主要包括MCU核心控制模块,水质监测模块,驱动电动机电压电流信号采集模块,GPRS通讯模块,监测信息显示模块以及供电模块共6大功能模块.对各个功能模块进行了软件设计与硬件设计,实现了对灌溉泵多项运行参数信息的实时监测与多信息平台显示.同时,为了验证灌溉泵智能运行监测系统的运行可靠性,制作了灌溉泵智能运行监测系统样机并进行了样机实测验证,结果表明:该监测系统能够正常工作,监测信息的刷新频率能够稳定保持在2 000 Hz,系统能够实现对各监测参数的精准计算,对各监测参数的监测误差能够控制在0.5%以内.     

冬小麦精准追肥机专家决策系统

为了实现小麦生长过程中的实时变量追肥,研究了光谱数据处理策略及目标追肥量的计算模型,开发了基于近地光谱探测技术的实时变量追肥专家决策系统,结合小麦冠层归一化植被指数(NDVI)、追肥机实际行进速度和肥料反馈量,双通道独立控制施肥机构的转速和开度,从而实时调整追肥量,实现精准变量追肥。试验结果表明,专家决策系统的控制精度达到90%以上,可以满足精准追肥的要求;拔节期,变量追肥比定量均匀施肥增施氮肥28 kg/hm2左右;变量施肥有利于改善小麦群体结构,降低产量差异性。     

基于姿态实时监测的多路精准排肥播种控制系统研究

针对现有精准排肥播种控制系统缺少对机具姿态进行监测判别的现状,在现有精准排肥播种控制系统架构基础上,增加了机具作业姿态实时监测模块,使系统可以根据机具的实时前进速度和作业姿态自动控制排肥量和播种量,减少人员对系统的操作。该系统主要由车载控制终端、PID控制器、多路集成比例阀、光电转速测试码盘、机具姿态解析模块、机具位置与速度解析模块、液压马达等组成,其中机具姿态解析模块采用MPU6050芯片实时测量下拉杆与机架的俯仰角,应用STM32F103MCU芯片实时获取MPU6050芯片的输出数据,并反馈到车载控制终端,封装后的机具姿态解析模块安装在拖拉机三点悬挂的下拉杆中部,对下拉杆与水平面的夹角数据进行实时记录和反馈,判别机具的作业姿态是否处于工作状态。将该控制系统安装在小麦基肥精准分层施肥播种机上,在北京市昌平区小汤山国家精准农业研究示范基地,对该控制系统进行静态标定和动态试验,以检测可靠性和稳定性。静态标定试验结果显示,马达转速与系统的排肥排种量存在一元线性关系,此时浅层肥料、深层肥料和种子的单圈排量分别为16.97、29.31、11.2g;姿态标定结果表明,设置临界角为5.3°时,系统的机具姿态提示信息正确,能够满足姿态监测的要求;动态试验表明,机具工作状态下,浅层肥料、深层肥料和种子排量变异系数分别为3.5%、3.8%和3%,3路的排量偏差都控制在5%以内,机具抬升状态下,排肥排种轴处于静止状态,说明该系统的运行过程总体比较稳定,能够满足小麦基肥分层施肥播种机具的精量排肥排种的作业要求,同时能够减少人为操作流程。