基于CAN总线的变量施肥控制系统

为降低化肥过量施用对农产品安全的危害,研究了变量施肥技术,设计试制了一种基于CAN总线的变量施肥控制系统,重点研究了电液比例方向阀控马达的槽轮排肥机构驱动控制方法,设计试制了整体式阀控马达液压系统,并构建了系统的数学模型和仿真模型,对研制的分布式变量施肥控制系统进行仿真、标定与田间试验研究。试验结果表明:目标施肥处方和实际施肥分布图具有较好的空间一致性,系统能够满足基于处方图的变量施肥作业需要。

面向农机自动驾驶的农田边界线预测方法

农田边界的快速准确提取是自动驾驶农机在田间自主安全作业的基础,也能为农场数字化管理提供基础数据。传统的农田边界线图像特征提取精度不高且边界线提取不完整。本研究构建了农田图像标注数据集并提出了一种基于无人机遥感图像的农田边界获取方法,设计了一种基于DeeplabV3+的改进语义分割模型,利用边界追踪函数追踪二值图像边界,剔除离群点后通过最小二乘算法得到拟合后的边界线。田间试验结果表明,在作物覆盖农田与未被作物覆盖农田上,该网络的交并比分别为92.78%和92.69%,平均像素精度为93.96%,提取边界线的平均垂直误差和平均角度误差分别为4%和0.62°。本研究可为农机自动驾驶的定位与路径规划提供技术支撑。

土壤改良剂变量撒施控制系统设计

为了提高土壤改良剂的利用效率,降低土壤改良成本,设计了针对土壤改良剂的变量作业系统。重点研究开发了外槽轮式土壤改良剂撒施机构的液压驱动与电控系统;构建了控制系统的数学模型,通过数字仿真对控制参数进行了整定;对液压转速控制系统性能进行了测试。结果表明,该系统的实际控制效果可以满足土壤改良剂变量撒施的精度要求。

具有CAN接口的低成本农用测速模块开发

针对一般轮速测量模块无CAN总线接口且低速性能差价格高的问题,开发了一种具有CAN总线接口的农用低成本轮速传感器模块。该模块采用51系列单片机,通过测量安装在车轮附近的霍尔接近开关产生的脉冲周期信号来计算轮速,并通过CAN总线接口按照专用通信协议将速度值传送到其他控制设备,为变量作业控制设备提供实时可靠的速度信息。同时,通过专用通讯协议,能够对其进行参数设定,并在LCD屏上显示相关信息。所开发的测速模块实用性强、准确度高,具有广阔的应用前景。

玉米播种单体下压力控制系统设计与试验

针对机械式仿形压力调节机构的不足,开展了基于力反馈的播种深度一致性控制方法研究,研制了播种单体下压力控制系统。本系统由安装在播种单体平行四连杆仿形机构上的下压液压缸、电液减压阀、下压力感知传感器,以及控制器、车载计算机组成。在播种作业过程中,控制器实时采集力传感器信息,与设定的下压力阈值相比较,计算并输出控制量到液压阀组驱动液压缸实时调整平行四连杆仿形机构,使限深轮与地表的压力值在设定的阈值区间内,从而保证播种深度的一致性。田间试验结果表明,在播种深度判定标准为(5.0±1.0)cm时,下压力机械调节方式和下压力电控调节方式下的播种深度合格率均值分别为77.04%和90.37%,下压力电控调节方式下的播种深度合格率均值比机械调节方式高13.33个百分点。将播种深度判定标准提高至(5.0±0.5)cm后,对应播种深度合格率分别为31.11%和56.30%,下压力控制装置的播种深度合格率比机械调节方式高25.19个百分点。可见,下压力电控系统能保持种子播种深度的稳定性,提高了种子深度一致性。

基于玉米播深控制的农田地形模拟系统设计与试验

开展了玉米播种单体试验台用仿形机构研究,设计了一种可适用于地形上下起伏和地形倾斜的农田地形模拟系统。系统由地形模拟机构、液压系统、电控系统等组成。重点对地形模拟机构进行数学建模,得出了被仿形地形倾斜角与液压缸伸缩的几何关系,并计算确定了地形模拟机构机械尺寸参数。对液压缸进行受力分析,在此基础上对仿形机构的液压系统参数进行了理论计算,确定了液压系统参数,集成电控系统形成了农田地形模拟系统。对农田模拟系统进行了地形模拟试验,在2.0 m/s作业速度下高程模拟误差平均值为1.61 mm,坡度模拟误差平均值为0.56°。试验结果表明,农田地形模拟系统对地形高程和坡度模拟的快速性和准确性能满足农田地形模拟的要求,为播种播深控制系统试验提供了试验平台。

小麦播种实时监控系统设计与试验（英文）

为实现小麦播种作业性能实时监控,设计了一种基于CAN总线的小麦精密播种机播种实时监控系统,阐述了系统总体结构,设计了系统硬件和软件,并进行了田间试验。该系统包括传感器信号采集单元、播种监测模块、CAN模块和播种监测终端,能够实时监测种管状态、机具前进速度和排种轴转速。采用光电传感器和霍尔传感器分别检测排种管落种状态和地轮转速并输出电压或脉冲信号,播种监测模块根据传感器输出的信号,判断排种管播种状态(正常、堵塞和空管),计算出地轮转速和排种轴转速,并计算出机具前进速度,以上信息通过CAN总线传输给播种监测终端并实时显示。试验结果表明,该系统故障状态监测准确率为>98%,堵塞响应时间<0.2 s,空管报警响应时间<0.5 s。系统工作稳定可靠,抗尘、抗震能力强,能够有效监测小麦播种作业性能。该研究成果能满足小麦播种性能实时监测要求,有助于提高小麦播种作业质量。

基于处方图的变量施肥作业系统设计与实现

设计一种由机载作业控制终端、DGPS、变量施肥控制器、电液比例阀及液压马达系统、地速信号采集单元和辅助平行作业导航单元等组成的变量施肥作业系统.设计基于PC104 CPU模块的机载作业控制终端并开发了基于处方图的变量作业控制和辅助导航软件.采用TI 2407型DSP开发变量施肥控制器,实现对阀控液压马达系统转速的闭环增量式PID控制算法.通过田间试验分析了系统的作业性能,结果表明:75 kg/hm2和225 kg/hm2两个常量施肥试验的施肥变异系数分别为16.83%和8.08%,与目标施肥量相比,平均施肥误差分别为2.98%和1.05%;0到375 kg/hm2的变量施肥试验表明,系统施肥位置滞后约为3.57 m,施肥变化延迟时间约为1.84 s.

基于自适应模糊控制的拖拉机自动导航系统

阐述了一种基于自适应模糊控制的拖拉机自动导航系统。由PLC、电控开关液压阀和比例方向液压阀组成自动转向控制系统,设计了PD转向控制算法;为提高拖拉机自动导航的精度和稳定性,提出了一种基于遗传算法的自适应模糊控制方法,采用遗传算法在线优化模糊控制规则以及输出比例因子,既保留了传统模糊控制的优点,又有效改善了系统的控制品质;仿真和田间试验结果表明,该方法可以迅速消除跟踪误差,响应速度快,超调小,系统工作稳定,稳态跟踪误差不超过10 cm。

基于CAN总线的变量施肥控制器设计

阐述了基于CAN总线的变量施肥作业系统的组成及电液比例阀控液压马达排肥驱动系统,设计了变量施肥控制器和基于电液比例阀的闭环PID控制算法。利用阶跃响应对PID参数进行整定并分析了闭环控制系统的性能,同时制定了基于CAN总线的通讯协议;推导了施肥量控制公式,并对尿素、磷酸二铵和复合肥3种常用颗粒肥料的控制曲线进行了标定,田间常量和变量施肥试验表明,所设计的变量施肥控制器能满足变量作业的要求。

农田作业机械测速方法试验

实时对地速度测量是精准农业智能装备必备的一项功能。该研究的目的是评价不同农田作业机械地速测量传感器的性能情况,选用多普勒雷达、霍尔元件、RTK-GPS、RTD-GPS和单点定位GPS5种不同测速设备,在小麦地、翻耕地、未耕地和水泥地等4种典型地表环境下进行农田作业机械测速性能试验。试验结果表明:在作业机械匀速行驶过程中,差分GPS(RTK-GPS和RTD-GPS)输出的速度值变异系数较大,单点定位GPS、雷达与霍尔元件传感器输出的速度值相对稳定,与平均速度接近。而在作业机械加速和减速过程中,各种传感器测速误差均增大,其中单点定位GPS速度误差和测速延迟显著增大。田间试验和分析表明,低成本单点定位GPS和霍尔元件在正常旱田作业条件下,可以作为精准农业智能装备有效的测速手段。

基于农机空间运行轨迹的作业状态自动识别试验

以物联网为代表的现代信息技术在农机作业管理领域的发展应用,实现了农机作业过程的定位监控,但现有农机远程监管系统对海量农机空间位置数据仅实现了远程存储、显示和简单分析,难以满足农机精准管理和数据智能处理的要求。该文采用数据挖掘中的聚类和空间数据分析方法,结合农机空间运行轨迹的特点,研究了基于空间运行轨迹点的农机作业状态自动识别算法;设计实现了典型农机运行状态自动识别方法,定量分析了农机作业班次内田间作业时间、空行转移时间、停歇时间的量化构成。农机试验表明:发展的基于空间索引和网格密度的聚类算法精度达89%以上。农机作业状态自动识别为农机作业生产率、农机利用率和作业成本核算提供了定量依据。

农田作业机械路径优化方法

提出了一种面向农田作业机械的地块全区域覆盖路径优化方法。基于农田地块几何形状、作业机具参数、地头转弯模式等先验信息,将田间作业划分为不同区域,根据选择不同的路径优化目标:转弯数最少、作业消耗最小、总作业路径最短或有效作业路径比最大,计算出最优作业方向,生成最优作业路径。基于地块全区域覆盖路径优化算法,设计开发了农田作业机械的路径规划软件,并选取了4块典型的凸四边形农田地块进行作业路径规划测试。测试结果表明,最优作业方向上的路径优化目标量比其他作业方向上有显著减少;对于上述4个地块,按照不同优化目标计算所得的最优作业方向均与地块某个边的方向角相同,对于长宽比较大的地块,最长边方向通常为最优作业方向。

1KY-40型液压驱动农田水渠开沟机设计与试验

针对我国缺乏农田水渠开沟专用装备的现状,设计了1KY-40型液压驱动农田水渠开沟机。该设备采用牵引式结构,开沟作业的动力由独立的液压系统提供,利用液压马达带动开沟刀盘旋转,开沟刀盘能同时实现切土和抛土的功能,开挖出梯形截面水渠。同时,设备集成了GPS拖拉机自动导航系统,提高了开沟直线度。田间试验结果表明,在土壤含水率15.8%,土壤坚实度0.31 MPa情况下,样机作业速度能够达到0.12 m/s,开沟深度407 mm,梯形断面的沟面宽度984 mm,沟底宽度305 mm,开沟深度稳定性可以达到97.1%,在使用拖拉机GPS自动导航的情况下,开沟最大直线偏差能控制在90 mm以内,机具能够稳定地一次性开挖梯形断面水渠,设备在北京、江苏、黑龙江等地开展了田间试验,均能在当地土壤条件下完成梯形截面水渠的开沟作业。

基于GPS轨迹的农机垄间作业重叠与遗漏评价

为了有效评估农机作业过程的重漏程度,该文采用地理信息系统的空间分析方法,基于GPS轨迹数据分析农机垄间作业重叠区域面积和作业遗漏区域面积,提出表征农机作业完整性、无重叠的量化评估指标,即作业重叠率和作业遗漏率。基于农田作业机械GPS轨迹的历史数据,分别计算多个地块不同农作管理过程中的作业重叠率和作业遗漏率。其中,小麦收获作业重叠率高于遗漏率,最高作业重叠率达13.30%;施肥作业遗漏率高于重叠率,最高作业遗漏率达13.80%;喷药作业重叠率高于遗漏率,最高作业重叠率达12.93%,上述结果与实际作业情况相符。结果表明,农田作业机械无导航情况下的作业重叠与遗漏显著,导致作业成本高、作业效率低,甚至会影响农田环境安全。该研究方法为农机作业过程监管提供有效地评价技术手段。

面向农田信息采集的数字照片空间标识索引方法

针对精准农业多源信息采集管理应用的实际需求,提出一种基于时间阈值的数字照片自动空间位置标识方法和基于空间位置的数字照片索引及热链接方法。利用该方法开发了面向精准农业的农田空间多媒体信息采集管理软件,软件将数字照片采集、空间标识、快速索引、热链接表达和数据转换等环节作为一个完整的流程处理,支持普通数码照相机配合手持GPS设备、GPS数码相机和具有定位拍照功能手持设备等多种数据采集方式下的空间多媒体数据采集、空间位置标识索引和数据交换,实现了地理信息系统环境下的数字照片动态索引和关联,并给出了匹配照片时间阈值ε的取值范围。通过精准农业农田基础设施空间多媒体数据采集融合实际应用,验证了该方法的有效性和实用性。

防抱制动系统自寻优控制的半物理仿真研究

采用德州仪器的2407ADSP处理器设计了汽车防抱制动系统自寻优控制器。建立了单、双轮汽车防抱制动过程的实时仿真系统,并将自寻优控制器连接到该系统中在多种路面状况下进行半物理仿真,验证了该自寻优控制器的可行性与有效性。

东北地区土壤温度和湿度空间变异特性研究

于2015年4月在黑龙江农垦赵光农场,使用20套无线传感器网络节点部署在赵光农场一面积为33.4 hm2的玉米地块,并通过2个手持式移动节点进行加密测量。根据这一方案,获得了从4月5—29日在240 m×240 m、120 m×120 m、60 m×60 m和30 m×30 m网格下的土壤温度和土壤湿度数据。在此基础上,基于统计半方差函数理论和GIS空间Kriging插值方法分别分析了土壤温度和土壤湿度各向同性、各向异性变化特征及分布模式。结合土壤温度和土壤湿度在不同尺度下的Kriging插值结果,确定了两者最佳采样间距。试验结果表明,土壤温度和土壤湿度的半方差函数分别适用于球形模型和指数模型,两者均有很强的空间自相关。其中,土壤温度自相关距离为51.56 m,土壤湿度的自相关距离为154.16 m。土壤温度在45°、90°方向变化明显大于0°、135°方向;土壤湿度拟合决定系数(R^2)为0.77,在0°、135°方向上变化较大,土壤温度和土壤湿度最佳采样间距分别为60 m和100 m。

静液压传动拖拉机定速巡航控制系统设计与试验

针对现有农机速度调节策略功率匹配度不高、燃油经济性差的问题,以静液压传动拖拉机为平台,基于CAN总线设计了拖拉机定速巡航控制系统。该系统由拖拉机工况采集、负载检测、油门控制、变量泵排量调节、作业负载调节、通信等模块组成。设计了油门调节机构和负载调节装置,获取并解析了拖拉机工况数据,建立了静液压传动拖拉机油门开度、变量泵排量与速度对应的数学模型,制定了发动机转速与变量泵排量协同控制策略。分别在水泥路面空载、田间空载和平地作业3种工况下进行了协同控制策略试验,在平地作业工况下进行了定油门控制策略、油门排量耦合控制策略和油门排量协同控制策略试验。结果表明,3种工况下,协同控制策略的速度控制绝对误差分别为0.005、0.007、0.012 m/s;在达到相同目标速度的前提下油门排量协同控制策略降低了发动机转速。拖拉机定速巡航控制系统能够在保证速度控制精度的前提下,减小燃油消耗。

农业装备自动驾驶技术研究现状与展望

农业装备自动驾驶技术可以显著提升作业质量,提高作业效率,降低作业成本,减轻劳动强度,已成为智能农业装备发展的重要方向。在政策和市场的共同推动下,我国农业装备自动驾驶技术发展迅速,并通过多场景、多层次的示范和应用推动技术熟化,逐步建立了完整的技术体系。农业装备自动驾驶技术系统主要包括环境感知、工况感知、决策规划、横向控制、纵向控制等关键技术。本文首先阐述了农业装备自动驾驶关键技术研究的现状,分析归纳了各技术领域有待解决的关键科学技术问题;结合农业装备自动导航技术产品和自动驾驶技术集成应用两方面,介绍了国内外农业装备自动驾驶技术研发和应用情况;从自动驾驶技术分级研究和建立标准规范角度,对比分析了农业装备自动驾驶与智能网联汽车行业的差距,指出了农业装备自动驾驶等级划分的迫切需求。为应对智慧农业生产非结构环境、高精度农艺和强农时约束三大挑战,建议突出农业生产应用中作业精准化和驾驶自动化双重需求的特点,有针对性地开展农业装备自动驾驶技术研发、应用示范和技术分级等方面工作。