基于處方圖的變量施肥作業(yè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、本文以基于處方圖(Map-based)的變量施肥作業(yè)系統(tǒng)為研究對(duì)象，針對(duì)我國(guó)普遍使用的槽輪式固體顆粒肥料施用機(jī)械，研究基于電液比例控制的變量施肥控制技術(shù)、低成本地速信號(hào)采集處理方法、適合農(nóng)機(jī)機(jī)載環(huán)境的嵌入式作業(yè)控制終端和作業(yè)導(dǎo)航等變量施肥系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，并基丁ISO 11783和定制的應(yīng)用層協(xié)議構(gòu)建分布式變量施肥作業(yè)系統(tǒng)原型，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行基于處方圖的變量施肥作業(yè)系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)試驗(yàn)和誤差分析。主要研究?jī)?nèi)容包括： 1．在研究分析CAN

2、總線(xiàn)技術(shù)和農(nóng)田作業(yè)機(jī)械現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，按照農(nóng)田作業(yè)機(jī)械分布式控制系統(tǒng)和ISO 11783協(xié)議，以多主通信方式設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的通信流程和系統(tǒng)應(yīng)用層通信協(xié)議，包括系統(tǒng)總線(xiàn)數(shù)據(jù)包PDU標(biāo)識(shí)符編碼規(guī)則和報(bào)文編碼方法，設(shè)計(jì)了由機(jī)載作業(yè)控制終端、變量施肥控制器、測(cè)速模塊和導(dǎo)航指示控制模塊等ECU單元構(gòu)成的分布式變量施肥作業(yè)系統(tǒng)原型。 2．研究基于電液比例閥控馬達(dá)的槽輪排肥機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)控制方法，進(jìn)行電液比例閥控馬達(dá)系統(tǒng)計(jì)算選型，設(shè)計(jì)試制了整體式

3、閥控馬達(dá)液壓系統(tǒng)，并構(gòu)建了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和仿真模型。開(kāi)發(fā)了一種基于DSP、具有總線(xiàn)接口的變量施肥控制器，實(shí)現(xiàn)增量式PID控制方法。對(duì)槽輪式排肥控制系統(tǒng)進(jìn)行性能試驗(yàn)，結(jié)果表明：對(duì)試驗(yàn)選用的尿素、復(fù)合肥和磷酸二銨等三種顆粒肥料，槽輪有效工作長(zhǎng)度和排肥軸轉(zhuǎn)速對(duì)排肥性能均有顯著影響；隨著排肥軸轉(zhuǎn)速加大，排肥量呈線(xiàn)性增加。對(duì)于尿素而言，較低的工作轉(zhuǎn)速(＜50rpm)將會(huì)增加排肥不均性，轉(zhuǎn)速對(duì)磷酸二銨和復(fù)合肥排肥均勻性影響不大。通過(guò)性能試驗(yàn)，得出了

4、尿素、磷酸二銨、復(fù)合肥的排肥控制曲線(xiàn)。 3．為了研究不同測(cè)速方法在農(nóng)田作業(yè)環(huán)境卜的性能，選用多背勒雷達(dá)、霍爾元件、RTK-GPS、RTD-GPS和單點(diǎn)定位GPS五種不同測(cè)速方法，在麥地、翻耕地、朱耕地和水泥地等4種典型地表環(huán)境下進(jìn)行農(nóng)田作業(yè)機(jī)械測(cè)速性能對(duì)比分析試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：AgGPS132和AgGPS332輸出的速度值變異系數(shù)較大，雷達(dá)與霍爾元件傳感器輸山的速度值比較平穩(wěn)，與平均速度接近。雷達(dá)測(cè)速受植被覆蓋的影響比較顯著，

5、霍爾元件在翻耕地的地表情況下變異系數(shù)比較大，在水泥地上變異系數(shù)最小。在作業(yè)機(jī)械加速和減速過(guò)程中，GPS測(cè)速延遲和速度誤差比較大。設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種具有總線(xiàn)接口的霍爾元件低成本測(cè)速單元模塊，能滿(mǎn)足變量施肥、施藥等農(nóng)田精準(zhǔn)作業(yè)測(cè)速需要。 4．開(kāi)發(fā)了基于PC104模塊、具有CAN總線(xiàn)接口的農(nóng)機(jī)機(jī)載嵌入式作業(yè)控制終端。定制基于WinCE.net的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)本地Boot Loader、Hive-based注冊(cè)表和多種通信、存儲(chǔ)設(shè)

6、備驅(qū)動(dòng)的配置，形成了軟硬件一體化的農(nóng)機(jī)機(jī)載作業(yè)控制終端。按照面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了變量施肥和作業(yè)導(dǎo)航軟件，并實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)處方圖識(shí)別算法、平行作業(yè)導(dǎo)航和導(dǎo)航線(xiàn)自動(dòng)捕捉算法。 5．參考ASAE S341.2顆粒肥料施用機(jī)械均勻性測(cè)試方法，對(duì)研制的分布式變量施肥系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究。進(jìn)行較低施肥量(75Kg/ha)和較高施肥量(225Kg/ha)的常量施肥試驗(yàn)，總體施肥變異系數(shù)分別為16.83％和8.08％，與目標(biāo)施肥量相比，平均施

7、肥誤差分別為2.98％和1.05％；在施肥機(jī)行駛方向上施肥量變異系數(shù)分別為11.105％和3.764％。進(jìn)行施肥量從0到375Kg/ha的變量施肥試驗(yàn)，系統(tǒng)施肥位置滯后約為3.57m，施肥變化延遲時(shí)間約為1.84秒。此外，使用本系統(tǒng)進(jìn)行田問(wèn)實(shí)際變量施肥作業(yè)，結(jié)果表明：目標(biāo)施肥處方圖和實(shí)際施肥分布圖具有較好的空間一致性，系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足基于處方圖的變量施肥作業(yè)需要。針對(duì)基于處方圖的變量施肥系統(tǒng)，構(gòu)建了一種可以量化計(jì)算系統(tǒng)施肥時(shí)間延遲的模型，為