GPS面积测量仪进入农机化作业领域

最近,在浙江省桐庐县惠民农机专业合作社正在试验刚引进的8台GPS面积测量仪的准确度。GPS面积测量仪能准确测量农田面积,方便农机户准确测量作业面积,核算作业费用。     

基于多普勒与贪心策略的农机作业路径优化研究

在进行大规模农田作业时,农业机械及其行走路线的选择不能再依靠传统经验。为实现精准农业及提高农机作业效率、降低作业成本,采用模拟退火算法进行农机作业路径优化,并改进模拟退火算法,提出一种基于多普勒与贪心策略模拟退火算法,从矩形农田、梯形农田、不同农机三方面对农机作业路径进行优化,并与贪心算法优化结果进行对比。试验结果表明,相比贪心算法,SA算法和SADG算法均能找到更优的农机作业路径,同时SADG算法较SA算法优化性能及寻优效率更高;在矩形农田中,SA算法和SADG算法平均优化性能比贪心算法提高均超过8%;在梯形农田中,随着作业角β增大,SA算法和SADG算法农机作业路径优化性能呈递增趋势,平均优化性能比贪心算法提高均超过9%;在不同农机参数下(作业幅宽w,最小转弯半径r),当2r/w2时,随着农机最小转弯半径的增大,优化性能呈递减趋势,SA算法和SADG算法平均优化性能比贪心算法提高了9%左右。该研究为优化农机作业路径、提高农机作业效率、降低农机作业成本提供了一种更加高效、可行的方法。     

基于高斯面积公式和GPS数据的农机作业面积计量算法

为了计算农机作业区域面积,研制了GPS数据采集装置,应用GPS数据采集装置采集农机作业区域边界点经纬度坐标,采用高斯投影正算将经纬度坐标转换到平面直角坐标系中得到平面坐标,利用高斯面积公式实现农机作业区域面积计算。试验结果表明:当农机作业区域测量面积为2720㎡、3570㎡、7140㎡时,相对计算误差分别为2.28%、1.82%、1.09%。即基于高斯面积公式和GPS数据的农机作业面积计量算法,可有效计算出农机作业区域面积,且面积计量算法误差随着农机作业区域面积的增大而减小。     

北斗导航农机作业面积管理系统设计与试验

针对农机精准作业规模化管理与农机作业服务计费需要准确的农机作业面积,设计北斗导航农机作业面积管理系统,其中包括北斗导航农机作业面积管理终端和北斗导航农机作业面积管理平台,实现农机作业面积测量与管理。基于北斗卫星导航定位系统、北斗地基增强系统及ARM32位Cortex-M3处理器设计并开发管理终端,采集农机作业位置信息;同时采用C#、JAVA语言及SQL Server 2008数据库设计并开发前后端分离结构的管理平台,实现农机作业监控、面积测量、数据统计等功能。通过田间试验,检验管理终端定位误差和管理平台面积测量精度。试验结果表明,该系统能够实现农机工作时间、工作地点、作业面积、作业轨迹等信息实时记录和回放。北斗导航农机作业面积管理终端水平定位误差仅为2.7 cm,作业面积平均测量误差为1.818%。该系统能够精准测量农机作业面积。     

基于GNSS的农田平整定位精度优化与试验

基于全球卫星导航系统（Global navigation satellite system, GNSS）农田平整作业中,GNSS定位数据不仅是地形测量和基准面设计的基础,而且在平地作业中实时影响农田平整的精度。针对当前GNSS定位数据误差分析较少,提出一种基于联合滤波算法的GNSS定位数据分析处理方法。分析平地作业过程中GNSS定位数据的误差源,结合多路径效应和随机噪声,提出因地形起伏引起的振动误差校正方法,利用卡尔曼、小波变换联合滤波算法,校正数据误差提高定位精度,农田定位对比试验分析表明,高程定位精度明显提高,平地工作中,GNSS定位实际高度波动范围缩小20%,能够更好的指导农田平整工作。     

农机作业面积快速定位测量仪的开发与应用

利用GPS的定位功能,开发了农机作业面积快速测量仪。测量仪由低成本的GPS模块、单片机数据采集板、键盘及LCD 显示等组成,给出了测量仪的软硬件设计原理等。试验结果表明测量仪能够快速方便地测量任意形状农田的面积,相对测量误差小于2％,满足农机作业面积测量的要求。     

机群协同作业路径动态优化

随着我国农业机械化不断发展,智能农机应运而生,其作业路径被农机大数据中心实时监测、调控。合理的作业路径不仅可以提高作业效率,而且当车队运行状态或农田环境改变后,能实现精准作业,因此,研究如何动态优化车队协同作业具有十分重要的理论意义和实用价值。以总作业时间和作业时长综合最短为优化目标,同时避免作业冲突,构建机群协同作业路径动态优化模型,设计冲突检测规则,提出一种机群协同作业路径动态优化(DOFOP)算法。试验结果表明,当有农机发生故障时,重新优化后的作业时长、总作业时间比并排作业均减少2.52%,平均作业农田能力AEFC、农田效率FE比并排作业平均提高2.63%、2.59%;当有农机作业速率发生改变时,重新优化后的作业时长、总作业时间比原作业分别降低7.22%、2.73%,AEFC、FE比原作业分别提高7.99%、2.82%;当农田面积发生改变时,重新优化后的作业时长、总作业时间比原作业降低6.26%、0.1%,AEFC、FE比原作业分别提高6.48%、0.1%。当机群作业状态发生改变时,DOFOP算法能有效动态优化机群作业路径,提高机群作业效率,实现机群精准作业。     

基于改进蚁群算法的农田平地导航三维路径规划方法

为解决农田平地机无人驾驶作业时缺乏局部规划,进而实现平地路径在线调整的问题,以平地作业土方合理运卸且路径最短为目的,提出了一种基于改进蚁群算法的农田平地导航三维路径规划方法。基于农田三维地势模型,采用改进的蚁群算法规划三维路径：以平地作业土方运载为决策方向,建立新的路径搜索节点,对比平地机作业时平地铲运载土方量和经过栅格计算所需的挖填土方量,根据土方运载任务设置信息素更新规则和启发函数,获取农田平地的最佳三维路径;基于平地机的运动学模型,设置农田平地机转向约束条件,根据约束条件对路径进行平滑优化,并建立三维路径规划的效果评价标准。仿真结果表明：相比于原始蚁群算法,该方法的路径规划效果评价指标提高33.3%以上,可以更好地指导农田平地机实现局部平地任务,而且大大缩短了路径生成时间和路径长度,使路径更为平滑,更适用于辅助农田平地的自动导航作业。     

基于GNSS的农田快速平整系统设计与试验

针对当前全球导航卫星系统（GNSS）农田土地平整过程中,操作复杂,地形测量费时费力的问题,设计了基于GNSS的农田快速平整系统。该系统可实现快速农田基准设计,农田水平平整,农田坡面平整等功能。农田坡度设计算法在前期系统算法基础上进行了优化,提出适用于快速平整系统的坡面平整算法,坡面平整后可以达到灌溉时水流速度快、水量覆盖均匀,减少挖填土方量、提高平整速度的目的。平整试验结果表明,水平面平整后最大高程差从18.9cm降到8.1cm,高程标准差从11.2cm降到5.5cm,平地误差小于5cm的测点累积百分比从75.693%上升到90.674%;坡面平整后,农田实际坡度与设计坡度基本一致,平整速度快,平整效果良好。     

农田精准平整过程中三维地形实时测量方法研究

为提高农田平整作业过程中平后区域田面地形实时测量精度，本文提出一种农田精准平整过程中三维地形实时测量方法(Real-time 3D terrain measurement, Rt3DTM)。以安装有GNSS双天线和姿态传感器的支撑轮式旱地平地机为地形测量平台，利用卡尔曼滤波器融合GNSS与加速度提高定位精度，通过建立平地铲运动学模型获得支撑轮底点的车体坐标，结合平地铲位姿信息对支撑轮底点进行世界坐标解算，并利用最邻近插值法生成地形图。静态试验表明，Rt3DTM方法能准确解算支撑轮底点坐标，平面测量均方根误差小于10 mm,高程测量均方根误差不大于20 mm。水泥路面试验结果表明，在3组不同车速下测量同一段水泥路面三维地形，与真值的高差均方根误差均小于30 mm。田间试验结果表明，Rt3DTM测量的高程均方根误差为16.5 mm,平整度为16 mm,小于30 mm的高差分布列为95.8%,相比机载GNSS测量方法的均方根误差准确性提高29.5%,平整度准确性提高11.1%,高差分布列准确性提高9.5%。提出的Rt3DTM方法能实时准确地获取平整作业过程中平后区域的地形信息，为无人化农田平...     

“脱图”农机作业信息管理终端及管理系统的设计与实现

针对目前农机作业信息化管理存在的作业监控设备造价成本高、无法与相关的信息管理系统进行实时通信,也无法与“农机”“农田”“农机手”形成多要素的统一集中管理等问题,课题组设计了在“脱图”且不依赖GPS卫星定位系统的环境下正常使用的农机作业信息管理终端及其管理系统。研究结果表明：1)其硬件终端安装在农机或者农机具上,可实现农机或农机具的标识、共享管理、安全管理、状态监控、作业定位、拍照等过程记录和作业业绩测量等,也可以通过农机手登陆安装在农机或者农机具上的终端在作业时绑定作业农机,将农机手、农机、作业地块实时绑定,实现农机手的作业统计、田亩测量、提成计提和接受调机等工作;2)其软件系统可以实现基于经度值和纬度值的“脱图”与“脱网”计算相应的农田面积,降低了终端的运算资源的占用,每套总成本不超过280元,解决了农田面积测量、农机调度和农机手计提与管理的“农田”“农机”“农机手”三大要素融合的农机社会化服务问题。本研究对促进我国农业生产社会化服务迈向新发展阶段,为农机社会化服务走向普及化提供了又一种解决方案。     

基于改进纯追踪模型的农机路径跟踪算法研究

为提高农机作业时直线行驶的精度,提出了一种基于改进纯追踪模型的农机路径跟踪算法。在建立了运动学模型和纯追踪模型的基础上,对农机直线跟踪方法进行研究;针对GPS导航精度易受噪声干扰的问题,通过卡尔曼滤波对航向误差以及横向误差进行了平滑处理,以获取更高精度的航向误差和横向误差;为提高纯追踪模型的自适应能力,以横向误差和航向误差的均方根误差为基础,构建适应度函数,并设计了权重函数,采用横向误差作为主要决策参数,通过粒子群优化(Particle swarm optimization,PSO)算法实时确定纯追踪模型中的前视距离;为使粒子群减少计算时间、尽快进行局部搜索,对PSO算法中惯性权重系数进行了改进。以东方红1104-C型拖拉机为试验平台,设计了农机自动导航控制系统,进行了农田播种试验。结果表明:当农机行驶速度为0.7 m/s时,采用基于改进纯追踪模型的农机路径跟踪算法,直线跟踪的最大横向误差为0.09 m;当行驶距离超过5 m后,最大横向误差为0.02 m,该算法能够有效地提高农机作业时的直线行驶精度。     

农业运输机械田间路径协同分配模型研究

田间任务分配是多农机协同工作分配中的核心问题,在农忙时期,需要多种农业机械配合完成多项田间作业任务。为了提高田间农业机械工作效率及协同管理,在充分考虑供需匹配、农机作业能力、作业周期和路径成本的基础上,提出了基于蚁群算法下多机任务协同分配模型,并以农作物收获试验为例,通过MatLab对改进蚁群算法的多台农机协作的动态和静态任务分配进行了仿真分析。研究结果表明：当任务数量设置为11时,谷物联合收获机和农业运输机械的成本分别降低了50%和22%,表明改进的蚁群算法可以有效降低路径成本;当任务数量设置为5、11、16、22时,农业机械平均运行周期分别缩短了65%、38%、56%、56%,可以避免田间部分农机超载和其他农机闲置等问题,缩短了农业机械作业周期。研究结果可为解决复杂农田作业时多农机协同调度管理问题提供技术参考与应用依据。     

智能化农机装备补贴体系设计——以广东植保无人机补贴为例

我国是全球植保无人机保有量最多、无人机植保应用面积最大的国家,但是丘陵山区、小块农田的无人机植保普及率不到5%。为研究政府补贴对中小规模农田、丘陵山区无人机植保服务的作用,对广东省现有的植保无人机补贴体系效果进行试验。试验结果发现:现有的政府补贴能显著提升小块农田无人机植保普及率,但对丘陵山区植保作业的促进作用有限。由此提出完善购置补贴、分类细化作业补贴的植保无人机补贴体系设计方案。     

基于小波变换的农田图像光照不变特征提取算法

提出了基于小波变换的农田图像光照不变特征的提取算法。采用Retinex光照模型,对原始农田图像进行剪裁和归一化等预处理,选用Haar小波基多级分解预处理后的图像,从而得到图像的高低频成分;通过阈值法更新小波分解后的高频系数,重构获得多尺度反射模型,以提取光照不变特征;进行了光照不变特征提取和农作物航线获取试验。结果表明,该算法提取的特征图受自然光照的影响很小,且能够极大程度保留场景中的物体特征。同时,农作物航线提取在不同光照条件下均具有较高精度,航线误差在±2°以内,能够满足农机导航的精度要求。在NVIDIA的Jetson TX2硬件平台上,该算法总耗时在300 ms以内,相机前视距离可达20 m,满足农机正常作业的实时性要求。     

基于无效目标滤除的毫米波雷达农田障碍物检测方法

农田障碍物检测是农机自动驾驶的前提，针对毫米波雷达的农田障碍物检测，本文提出一种无效目标滤除的算法。首先对毫米波雷达所输出的目标信息进行解析并提取农田目标障碍物信息，然后使用无效目标滤除算法对解析后的空目标、伪目标、非威胁数据进行滤除。对雷达数据中目标距离为零的空目标直接滤除；对因雷达工作性能或回波信号不稳定而产生的伪目标通过雷达有效目标生命周期法进行过滤；对超出横向距离阈值和纵向距离阈值的非威胁目标直接滤除。试验结果表明，所提算法在静止状态，平均滤除率达到85%以上。当速度为3 km/h时，未作业状态的平均滤除率为85.24%,旋耕为84.23%;当速度为5 km/h时，未作业为84.22%,旋耕为84.18%;当速度为7 km/h时，未作业为84.19%,旋耕为84.16%。尽管在行驶状态下，随着速度的提升或悬挂旋耕机，滤除率有一定的下降，但本文所提算法在各种状态下的平均滤除率均可达到84%以上。     

基于GNSS的农田平整自动导航路径规划方法

为了提高农田平整作业工作效率,分析了基于全球导航卫星系统（Global navigation satellite system,GNSS）的农田平整自动导航解决方案的可行性,改进了系统硬件设计,提出了一种基于GNSS的农田平整自动导航路径规划方法。该方法将全局路径规划和局部实时路径规划相结合,以铲车空载或满载时间最短为最优评价基准,融合K 均值与密度均值,聚类农田栅格;根据设计的铲车挖高填低方法和局部搜索策略得到平地路径全局规划,在实际作业中根据拉力传感器反映的实时载荷进行局部调整和规划。通过仿真试验和农田路径规划平地对比试验分析表明,最大高度差从22.8cm降到2.7cm,平整度从12.6cm降到1.5cm,高差分布列从81%上升到97%,平整效果能满足精细灌溉需求。该方法能够较好地实现路径规划,实现拖拉机高效平地作业,其中铲车的满载和空载率较其他方法小,满载和空载率总和在20%左右,增加了有效工作时间,降低了人工劳作强度,提高了平地效率。     

农机深松整地作业监测系统的设计与实现

针对广东省土地深松补贴工作的有效整地深度和深松面积核查的实际需要,开发一种农机深松整地作业监测系统:采用角度传感器组,通过机械式固定解算算法,提供精确可靠的农机耕地深度数据,测量平均相对误差小于3%;利用高精度GPS,绘制农机作业轨迹,发展基于轨迹的缓冲区面积计算方法,有效识别交叠的作业轨迹和重复作业地块;搭建基于JavaEE分布式深松作业管理服务平台,实现农机耕作情况的远程监控和政府补贴资金的自动计算与核实。     

基于GPS的农田坡面平整技术与试验

设计了一种基于GPS的农田土地坡面平整系统,该系统由自主差分GPS接收设备、车载式工控机、控制转换器、液压系统、铲运装备等几部分硬件组成,以Visual C++60为系统软件开发环境;系统可对农田进行动态地势测量及坡面平整作业．首先,将GPS接收设备安置在铲运设备上,利用拖拉机牵引铲运设备对农田进行动态蛇形测量,并通过相应的校正算法对测得的GPS数据进行误差校正;然后,根据校正后的数据,对农田进行三维地形成图及坡面建模,得到农田坡面期望高程;最后,将实时接收的农田实际高程与坡面期望高程进行比较,通过控制转换器输出液压控制信号驱动铲运设备进行挖填土方的平地作业．在田间试验条件下,根据农业工作者要求对纵向长度为180 m的地块进行1／1 000纵向坡降的平地试验,结果表明,平地后标准偏差值在5 cm左右,坡低的平均相对高程约为4062 m,坡顶的平均相对高程约为4078 m,坡面高差为16 cm,其理论坡面高差为18 cm,有效改善了农田坡面地形．     

基于二维码的农机机组作业监测方法研究与试验

随着农机合作社对农机的拥有数量不断增加,对农机作业管理、机组监测提出新的要求.本文提出一种新的基于二维码的农机机组作业监测的方法,开发一款基于Android平台的农机助手APP.设计对比试验,验证手机定位精度能够满足农机作业轨迹监测的需求;设计五种作业面积计算方法,通过设计对比试验认为,最大作业垂直里程×往返次数×机具...