基于双天线GNSS的精准平地控制系统试验研究

为了提高土地的平整度,达到提高肥料利用效率和降低土壤水土流失的目的,以黑龙江垦区平地机械为基础,研发了一套基于双天线GNSS的精准平地系统。该系统的主要目的是为了提高平地机在不同地形作业的精度、效率及农作物产量,减少水土流失对土壤和环境的损害,降低劳动强度。此系统的研发设计为平地机在大地块进行精准作业提供了技术储备,该系统可以完成精准平地软件的调试和平地机精准作业的监测工作。基于双天线GNSS的精准平地系统试验台由司南双天线定位系统、车载式触控一体机、四路控制器、液压系统及两个液压油缸组成。试验结果表明:精准平地软件无误,两个液压油缸单独上升、下降,调平精准无误,机具设计结构合理。     

GNSS平地机研究现状及趋势展望

节约农业用水是实现农业可持续发展的重要途径,研究发现通过精细平地技术平整后的土地最大高差小,能有效节约水资源,提高农药、化肥的利用率.GNSS精细平地技术对比激光控制平地技术特点突出,优势明显,如工作范围广、受环境因素影响小,且随着我国自主研发的BD(北斗)卫星定位导航系统的发展完善,适用于我国农业生产的GNSS平地设...     

基于GNSS的农田平地系统试验研究

土地平整对发展现代农业具有非常重要的意义。进行农田土地平整,可以有效改善农田表面状况,提高农田灌溉水的利用率,有利于控制杂草和虫害,提高化肥使用效率,减少环境污染,实现精细地面灌溉。为了解决使用传统方法进行土地平整地费工费时及作业质量差的问题,研发了新型GNSS平地系统,进行了平地作业试验研究,为基于GNSS的农田平地系统的研发提供经验与数据。     

GNSS精准平地机发展现状与趋势

GNSS精准平地机在现代精准平地过程中起着越来越重要的作用,其主要优点在于GNSS基准站可发送RTK差分信号,定位精度可以达到厘米级,GNSS移动站测量平地铲的高程和姿态角发送给精准控制软件,软件实时发送信号进行调节。作业稳定性好,土地平整度高。     

激光控制平地系统设计与试验分析

开发了用于农田平地的激光接收与控制装置、液压调节装置、平地铲等。利用该系统与Trimble公司的激光控制平地系统进行了平地对比试验。试验结果表明，该系统工作性能稳定，与国产中等功率拖拉机液压动力输出匹配较好。     

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。     

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。     

基于GNSS农田平整全局路径规划方法与试验

针对全球导航卫星系统(Global navigation satellite system,GNSS)农田平整系统缺少作业指导且效率低等问题,提出了一种基于GNSS农田平整全局路径规划方法。分析农田实际平整条件,创建适用于土地平整的农田地形环境模型,生成农田地势信息图,研究整块农田地势高程分布特征,以平地作业中空载、满载的无效作业状态最少,转向操作与重复行走最少为条件,生成遍历整个农田的土地平整路径,并通过拉力传感器实时监测铲车载荷。仿真试验结果表明,相对于常规平整方法,所提方法空载、满载率显著减小,达到目标平整度时间节省50%以上。该方法可以规划有效路径,减少无效作业时间,平地效率提高30%以上。     

水田激光平地铲的研究与应用

设计了适用于南方水田的激光平地机平地铲运设备,确定了平地铲的铲宽、铲高铲长、切土角等重要参数。初步试验表明,平地铲工作正常,基本符合水田平整的工作要求。     

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。     

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。     

电控玉米排种系统设计与试验

传统精量玉米播种机作业时,排种器的动力由地轮提供,针对由于田间作业工况复杂导致地轮打滑而造成漏播率增加等问题,设计了电控玉米排种系统。该系统在田间播种作业时,由雷达测速仪采集播种作业速度,结合所需粒距得到排种器理论转速;通过编码器采集排种器实时转速,利用控制器控制策略,进行转速的最优控制,从而得到目标排种转速,提高排种精度。田间试验结果表明:应用该电控排种系统进行田间玉米播种作业时,排种合格指数平均值为92.40%,与传统排种相比提高3.63个百分点;漏播指数平均值为4.82%,与传统排种相比降低2.04个百分点;不同播种作业工况下粒距变异系数均小于4.20%,播种效果好。     

果园多风道喷雾机送风系统设计优化与试验

针对果园多风道喷雾机内部气流分布不均导致由出风口吹出的气流紊乱、影响使雾滴在果树冠层上均匀沉积的问题,对多风道喷雾机内部导流板长度参数进行了优化。应用计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）技术,基于Star-CCM+软件对喷雾机送风系统内部气流进行了模拟分析,得到出风口1~6的风速在不同导流板长度的标准差分别为0.7468、0.6776、1.4441、5.1305、4.5768和0.8209。对风速标准差较大的出风口3、出风口4、出风口5进行响应面分析,最终确定导流板1长度200.00 mm、导流板2长度60.00 mm、导流板3长度50.00 mm为最优参数组合。在最优组合参数下,计算得到对称出风口3和出风口6的风速值分别为39.135和41.320 m/s,相对偏差为5.58%;出风口4和出风口5的风速值分别为33.022和34.328 m/s,相对偏差为3.95%,符合设计要求。室内风速试验结果表明,在距离喷雾机出风口1.25 m处,风场风速由上层到下层逐渐增大,实现风场按果树冠层形状分布,喷雾机左右两侧风场对称分布,气流分布均匀。果园多风道喷雾机设计满足要求,可为同类设计提供参考。     

履带式拖拉机运动控制系统设计与试验

我国拖拉机主要以手动操作为主,为提高拖拉机的作业强度、精度和效率,替代人工操作,为无线远距离控制、高精度自主导航、机械视觉导航和物联网等相关作业技术提供拖拉机运动控制接口,提出了在柴油发动机驱动履带式拖拉机底盘上搭载电子油门控制装置和电控液压转向装置的设计方案,可实现远程无线遥控固定角度转向、车速控制和实时返回状态数据等功能。试验表明:电子油门控制装置对油门拉杆控制响应速度快、控制准确,固定角度转向误差在±3°范围内,调试遥控器稳定控制距离350m,上位机无线接收稳定数据距离200 m。研究成果可为拖拉机运动控制系统设计与改进提供参考。     

播种机气动式下压力控制系统设计与试验

为保证播种机适宜的压实力和稳定的播种深度,提高种子出苗品质,促进后期生长发育,针对现有下压力测量方式灵敏度低、且缺少快速有效精准控制模型的问题,提出一种基于气囊压力和仿形四连杆倾角的播种下压力控制方法。采用一阶低通滤波的轴销传感器下压力监测方式,设计了气动式下压力监控系统,包括气压驱动装置、倾角传感器、数据采集控制卡及上位机控制软件等,轴销传感器和倾角传感器分别实时测量限深轮对地下压力和仿形四连杆倾角,并反馈给上位机,经过模型计算后控制数据采集控制卡发送信号调节气压驱动装置,保证限深轮对地下压力在设定范围内。室内建模和响应测试结果表明,在不同气囊压力和四连杆倾角设置下,建立的播种下压力控制模型校正决定系数为0. 974 3,均方根误差为49. 41 N,试验验证模型预测均方根误差为39. 51 N,对播种下压力具有较好的控制准确性;在0. 1～0. 6 MPa压力设定下,气囊充气阶跃响应平均超调量3. 83%,平均稳态误差0. 005 2 MPa,平均调节时间0. 42 s,满足作业需求。田间播种深度控制性能试验结果表明,在6～10 km/h作业速度范围内,气动式下压力控制系统对播种深度具有稳定可靠的控制性能,系统播种深度合格率不小于98. 91%,特别是在10 km/h高速作业时,播种深度标准差为3. 46 mm,变异系数为6. 97%,显著优于被动弹簧式下压力调节方式。     

电动力喷雾机控制系统设计与试验

针对现代电动力农业机械自动化发展不成熟的现状,为弥补电动力喷雾机在远程智能控制方面的不足,设计了自走式电动力喷雾机控制系统。通过各部件需求分析和计算,研制了电动力输出装置和远程控制系统,实现了各部件协调工作及远程遥控喷雾作业。整机动力来源为60V铅酸蓄电池串联组,通过控制系统工作试验可知:整机电动力传输效率为88.8%,遥控信号接收并处理成功率达99%;整机电动力利用率较高,续航时间达2.98 h。     

小麦播种机电控系统的设计与试验

针对小麦播种时发生地轮传动失效而造成漏播和播量不均等问题,设计了一种电控小麦播种系统。系统工作时能够结合设置的播种参数和检测的作业速度信号获得排种器的理论转速,并通过采集驱动器的脉冲输出频率计算出排种器的实时转速,将理论转速与实际转速形成的偏差e及偏差变化率ec作为输入变量,利用模糊PID自整定控制器进行电机转速的精准控制,使排种器到达目标转速,从而提高播种精度。室内试验结果表明:在中速及中高速状态下,小麦播种机电控系统的性能最为稳定,平均偏差在2.5%以内,控制精度为1.49%,并求得排种器在不同工作长度下排种量与转速的函数关系。田间试验结果表明:应用本电控系统进行田间小麦播种作业时,小麦播种机的总排种量变异系数为1.14%,各行排种量变异系数为2.89%,播种均匀性变异系数为5.64%,播深合格率为90%,电控播种系统能有效地提高小麦播种机的播种均匀性。     

烟草打顶抑芽机无线控制系统设计与试验

为改进现有智能烟草打顶机数据传输和烟草打顶高度精准识别不足等问题,增强检测算法的实用性和鲁棒性,设计了烟草打顶抑芽机无线控制系统。首先利用无线路由系统进行图像采集;然后采用MSRCR算法对图像进行预处理,消除光照对烟草高度识别的影响;再通过同心圆摄像机标定算法对烟花进行定位,确定打顶高度;最后通过单片机控制步进电动机和电磁阀分别进行打顶作业和抑芽剂的喷施。试验结果表明:该高度检测算法在静态试验下烟花识别率达到98.5%,摄像机标定精确度达96%,打顶准确率达95%。打顶准确率高,抑芽剂喷施精准,系统运行稳定可靠,满足烟草打顶的农艺要求。     

柴油机Urea-SCR控制系统设计与试验

SCR后处理技术是目前降低柴油机NOx排放量的主流技术,首先基于自主开发的SCR控制系统,阐述了系统的组成、工作及反应原理。其次通过协调控制策略以确保系统内部各模块运转正常,通过原机排放模型和化学反应动力学模型作为前馈控制得到尿素基本供给量,通过排温修正模型进行瞬态排温修正,利用发动机排温和储氨量的对应关系对氨泄漏进行有效控制,根据OBD法规要求当发动机NOx排放量超标时进行报错。最后对系统中的各类传感器、执行器特性及原机排放MAP、目标转化效率MAP进行了标定。系统与某型号发动机匹配良好,经ESC循环测试NOx比排放量为1.52 g/(k W·h),ETC循环测试NOx比排放量为2.09 g/(k W·h),控制系统能够有效地降低NOx排放量,满足国Ⅳ排放法规。