精准农业智能变量作业装备研究开发

分类：论文范文 发表时间：2021-11-11 10:56

　　摘要:针对精准农业的多用途应用场合设计了高可靠测量与控制装置，并在大型变量施肥机的实时配肥技术、基于计算机视觉技术的杂草自动识别技术和联合收割机产量分布实时检测方法方面实现了重大突破，创立了具有我国自主知识产权的联合收割机粮食流量测量方法。在水稻智能对行插秧机和变量自动配肥施肥机方面，推出我国原始创新的实用化重大产品。试验表明该类产品具有技术含量高、成本较低、测量精度较高和实用性较强的综合优势。

　　关键词:精准农业;计算机视觉;传感器;联合收割机

　　引言

　　精准农业是基于3S技术、决策支持技术和智能装备对农业生产进行定量决策、变量投入并精确定位实施的现代农业生产管理技术系统，其充分体现了因地制宜、科学管理的思想理念，对于最大限度挖掘耕地生产潜力、实现农业生产要素高效利用和保护农田生态环境具有重大意义，成为当今世界现代农业发展的前沿［1］。

　　1主要技术装备的研究开发

　　课题以GPS导航、机载CAN总线标准的控制装备以及计算机视觉技术为基础，从精准农业变量施肥、播种和插秧，中耕变量施肥、喷药和除草，到收获小麦、水稻和大豆的联合收割机智能测产，实现了农业装备智能化系统性的研究。总体装备开发体系框图如图1所示。

　　1.1精准农业专用自动控制装置

　　课题针对精准农业的多用途应用场合设计了高可靠测量装置和系列化控制装置，突破了精准农业要求抗恶劣环境能力高以及不同配置下的高性价比的机载控制系统的技术难题。研制了高抗干扰屏蔽制造工艺，试验研究表明其在50Hz～5GHz的连续全谱强电磁干扰条件下长时间可靠。设计了高性价比的工控机级自动控制装置，12～19V宽单电压供电，功耗11.5W，工作环境温度为－10℃～75℃，工作相对湿度为10%～95%，无冷凝。开发了基于ARMCPU技术的嵌入式控制装置，对于精准农业应用测量信号处理和控制算法不复杂的场合，课题研制了基于ARMCPU技术的嵌入式低成本控制装置。

　　1.2小麦变量免耕播种机

　　根据现有的小麦免耕播种施肥机，主要从4个方面进行设计:基于处方图的变量播种和施肥技术，基于电容法的排种管和排肥管流量技术，基于压力传感器的种箱和肥箱质量实时监测技术;基于反馈控制的精准播种和施肥技术。基于GPS和作业处方图的变量播种和施肥技术，使变量施肥播种机实现了按作业处方图精确变量作业的功能。图3为24行免耕变量播种施肥机的控制装置。实现了在GPS导航和播种施肥作业处方图的指导下，按预先设定的播种量进行精密播种，按照预先设定的施肥作业处方图根据土壤养分需求精确施肥。

　　1.3玉米变量免耕播种机

　　基于GPS和作业处方图的变量播种和施肥技术，根据播种作业处方图，可以实现自动和半自动调整播种量的作业模式，提高播种质量。由此设计了变量播种反馈控制系统，以及按处方图精准施肥的控制系统。该系统运行需要在播种机上安装GPS接收机、排种管和配肥管检测传感器、种箱和肥箱质量传感器、排种轴和排肥轴转速控制电机以及控制电路等装置，在排种管和排肥管上安装压力传感器和电容传感器。

　　2应用推广与示范

　　2.1自动导航智能化插秧机

　　使用水稻插秧种植方式的主要集中在亚洲，目前生产插秧机的也全部在亚洲，主要是日本和韩国。日本是世界上水稻插秧机械化水平最高的，也是插秧机械研究和制造水平最高的，插秧机技术和产品均处于领先地位。近年来，在国内插秧机市场需求牵引下，引进和自主开发的产品发展很快，主要有步进式、乘坐式和独轮乘坐式3种类型，步进式插秧机主要是合资企业的产品。国内生产的主要是独轮乘坐式插秧机，自主开发的步进式插秧机这两年也发展起来，目前插秧机市场的竞争主要来自国外产品。通过研究GPS自动导航技术、液压驱动技术、电液调控技术、传感器技术和人机环境工程模块化技术，集成开发配套动力为13.23kW(18hps)的可自动对行、自动调节株距的智能插秧机。能保证插秧机在田间作业过程中自动对行行走，根据行走速度自动调节株距，根据泥地软硬程度自动调节插秧深度，以实现精准插秧和减少劳动力的目的。2010年在天津宁河县棘坨镇市农机推广中心试验站进行了应用示范。自动导航的偏航距离＜9cm，可以达到用户田间作业要求。

　　2.2大型智能化变量喷药机

　　据农业部门统计，2006年全国农药销售量总计324166.79t(有效含量100%)，病虫草害防治面积达到4.95亿hm2，防治任务十分繁重。随着我国农村城镇化建设速度的加快，以及强壮劳动力外出务工等多种因素影响的加剧，农村劳动力结构性短缺现象将越来越严重，农业从农户分散化经营向集约化规模经营转变是大势所趋，施药装备的大型化、机械化、自动化成为现代农业生产的必然要求。在以科学化为核心、集约化为方向、产业化为目标的现代农业的发展进程中，大型、高效、环保型植保机械的需求量将会有较大的增加。2011年该系统安装在黑龙江农垦建三江管局胜利农场五连进行了应用示范。杂草自动识别率超过85%，可以满足用户田间生产需要。

　　结论

　　施用化肥和农药能提高农作物产量，但粗放型的农业生产对环境造成了很大的危害。精准农业充分利用电子、自动控制和传感器技术与农机工程装备技术相结合，实现变量平衡配方施肥、精少量对靶喷药以及精少量播种等，在保证农作物产量的基础上，大大降低农药和化肥的施用量，是具有特色现代化农业的必然发展趋势［11-12］。

　　研究了播种、施肥、中耕、植保和收获等环节作业装备的精准智能变量测控技术，取得了多项创新性成果，其中基于电容法的排种与排肥量自动检测技术、基于质量与流量信息反馈式变量配肥施肥控制技术、基于称重法的联合收割机智能测产技术等有重大突破。联合收割机粮食产量流量监视方法和田间杂草自动识别的方法获发明专利授权，研制的小麦、玉米变量免耕施肥播种机变量控制精度优于95%，能实现免耕破茬开沟播种、精量排种以及变量施肥;自动导航智能化插秧机具有GPS全自动导航和行走速度、插秧深度、株距等自动调节等功能，自动对行精度小于10cm;智能化自动变量配肥施肥机能实现变量施肥和实时配肥施肥控制;智能化自动对靶除草机能实现杂草识别和自动对靶除草的功能，行间杂草识别准确率优于95%;大型智能化变量喷药机能实现喷杆折叠、升降及倾斜自动平衡，可进行对靶施药;联合收割机智能测产系统技术具有我国自主知识产权，称量误差小于5.0%。

　　精准免耕播种技术实用性强，具有省种、省工、增产、低耗的显著特点。自动对行高速插秧机对提高我国插秧技术与替代进口作用显著。变量配肥施肥、对靶喷药和自动对靶除草机具有节约成本、提高产量、减少地下水以及环境污染的作用，推广应用前景广阔。智能测产对于精准农业效果评价和指导下一年生产具有极其重要的意义。课题研制的产品已在黑龙江、河北、天津、内蒙等地进行了示范与应用，成果的广泛应用必将推动我国现代农业技术的高速发展。

　　参考文献

　　［1］汪懋华．“精细农业”发展与工程技术创新［J］．农业工程学报，1999，15(3):1-4．WangMaohua．Developmentofprecisionagricultureandinnovationofengineeringtechnologies［J］．TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering，1999，15(3):1-4．

　　［2］张小超，王一鸣，方宪法，等．精准农业的信息获取技术［J］．农业机械学报，2002，33(6):126-128．ZhangXiaochao，WangYiming，FangXianfa，etal．Informationacquisitiontechniquesofprecisionagriculture［J］．TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalMachinery，2002，33(6):126-128．

　　［3］WilliamC，DonaldP，CharlesE，etal．Precisionagriculture:yieldmonitors［J］．WaterQuality，1998，1-4．

　　［4］张小超，胡小安，张银桥，等．联合收获机粮食产量分布信息获取技术［J］．农业机械学报，2009，40(Z1):173-176．ZhangXiaochao，HuXiaoan，ZhangYinqiao，etal．Distributioninformationmeasurementforgraincombineharvester［J］．TransactionsoftheChineseSocietyforAgriculturalMachinery，2009，40(Z1):173-176

　　张小超，胡小安，苑严伟，赵博，伟利国

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