Development of a low-cost attitude sensor for agricultural vehicles

The objective of this research was to develop a low-cost attitude sensor for agricultural vehicles. The attitude sensor was composed of three vibratory gyroscopes and two inclinometers. A sensor fusion algorithm was developed to estimate tilt angles (roll and pitch) by least-squares method. In the algorithm, the drift error of the gyroscopes was estimated using the inclinometers. In addition to tilt angles, the attitude sensor also estimated the absolute heading angle and position with inclination error correction by integrating a GPS. Tests were conducted on a flat field, a sloping ground and a bumpy road. Results showed that the attitude sensor was able to estimate the roll angle with the maximum root mean square error of 0.43°, the pitch angle with 0.61° and the heading angle with 0.64°. Moreover, the attitude sensor dramatically improved the positioning accuracy from 25.9 cm to 3.0 cm in the sloping ground test and from 8.4 cm to 3.7 cm in the bumpy road test. The proposed technology used in the attitude sensor will help to develop advanced agricultural applications.     

Maximum benefit of a precise nitrogen application system for wheat

Research is ongoing to develop sensor-based systems to determine crop nitrogen needs. To be economic and to achieve wide adoption, a sensor-based site-specific application system must be sufficiently efficient to overcome both the cost disadvantage of dry and liquid sources of nitrogen relative to applications before planting of anhydrous ammonia and possible losses if weather prevents applications during the growing season. The objective of this study is to determine the expected maximum benefit of a precision N application system for winter wheat that senses and applies N to the growing crop in the spring relative to a uniform system that applies N before planting. An estimate of the maximum benefit would be useful to provide researchers with an upper bound on the cost of delivering an economically viable precision technology. Sixty five site-years of data from two dryland winter wheat nitrogen fertility experiments at experimental stations in the Southern Plains of the U.S.A. were used to estimate the expected returns from both a conventional uniform rate anhydrous ammonia (NH₃) application system before planting and a precise topdressing system to determine the value of the latter. For prices of $0.55 and $0.33 kg⁻¹ N for urea-ammonium nitrate (UAN) and NH₃, respectively, the maximum net value of a system of precise sensor-based nitrogen application for winter wheat was about $22–$31 ha⁻¹ depending upon location and assumptions regarding the existence of a plateau. However, for prices of $1.10 and $0.66 kg⁻¹ N for UAN and NH₃, respectively, the value was approximately $33 ha⁻¹. The benefit of precise N application is sensitive to both the absolute and relative prices of UAN and NH₃.This is journal paper AEJ-260 of the Oklahoma Agricultural Experiment Station, project H-2574.     

简易型温室温湿度控制器设计

分析了中国温室种植现状,介绍了一种简易型温湿度控制器.它以AT89C51单片机为核心,对温室环境进行多点实时动态采集,经过AD转换,送入单片机处理,驱动排风扇、水泵,从而实现温室环境的自动调节;数据采集精度高,控制简易、方便,性价比高.     

基于农户模型的粮食补贴政策绩效模拟研究

基于粮食主产区安徽省塘溪村的农户调查数据,采用数学规划方法,构建农户模型,并根据调查地区的现实状况,设置补贴强度、农资要素价格、农产品价格以及土地经营规模变化等情景条件,模拟研究粮食补贴政策在不同情景条件下对农户粮食生产和家庭收入的影响。结果显示,粮食补贴政策的增产增收效应与农产品价格变化呈现出正比关系,但与要素价格变化呈现反比关系,且粮食生产成本提高的负面影响明显超过粮食补贴政策的激励效应;扩大土地经营规模,有助于发挥粮食补贴政策对农户粮食增产和家庭增收的乘数效应。建议提高粮食补贴标准,进一步推进农村土地流转,促进粮食规模化生产经营;规范农业生产资料市场,逐步建立粮食补贴与农产品价格、尤其是生产要素价格的联动机制。     

农田精确施肥决策支持系统的设计和实现

 采用GIS组件Mapobjects,以作物管理知识模型为智能决策支撑,将GIS、GPS和模型进行耦合与集成,建立基于田区作物产量、土壤养分和苗情监测的农田精确施肥决策支持系统。本系统可接受GPS信号、录入与修改属性数据,查询和分析农田信息的时空差异,生成基于田区差异的肥料运筹和播种密度处方。系统在南京六合水稻示范区进行了模拟应用。结果表明,该区在产量提高的同时,施氮量由采用农户常规管理220 kg·ha-1减少为183.4kg·ha-1,在空间尺度上,既有效补充了严重缺氮的地块,也避免了在不需再投或只需少投     

油菜直播机组自动对厢作业控制器设计与试验

针对基于视觉的油菜直播机组自动对厢作业控制,本研究提出了结合模糊控制和带死区的PD控制的组合控制器,其中模糊控制器作为对厢作业路径跟踪控制器,带死区的PD控制器作为直播机组转向控制器。根据直播机组运动模型和相机成像模型,分析了图像路径参数跟随直播机组运动的变化规律,并设计模糊控制器的控制规则。同时,在图像中将直播机组与目标厢沟相对位置没有偏差时的图像路径标定出来作为图像目标路径,据此以图像实时检测路径与图像目标路径的角度偏差和截距偏差设计为模糊控制器输入,前轮目标转角为模糊控制器输出。对直播机组前轮转向控制则设计了带死区的PD控制器,通过两者的有机结合实现了直播机组的自动对厢作业。田间试验结果表明:油菜直播机以0.5或0.8m/s的速度行驶时,直线导航跟踪的横向偏差小于6cm,以1.0m/s的速度行驶时,横向偏差小于10cm。     

手持式播种(施肥)机的设计研究

大中型播种机在小块地、山坡地或套种作物行间进行播种时难以适应,而传统人工播种的劳动强度较大,效率低,播种质量差,针对这种情况,应用人机工程学的原理研究设计了一种手持式播种(施肥)机,该机也可在作物根部进行追肥。主要由控制器、种(肥)箱、排种(肥)系统、鸭嘴式开沟器等零部件组成,适用于谷物穴播或追肥,可使传统的人工播种(施肥)操作变为半机械化操作,将开沟、播种(施肥)、覆土一次完成。它采用了简单可靠的机构和通用的零、部件,具有携带方便、使用可靠,耗材少、易加工、成本低等特点。     

精密排种器排种质量的机器视觉检测与分析

为开发具有较高效率和精度的精密排种器试验检测系统,研究了一种机器视觉检测技术,它采用视觉传感器采集排种口动态种子流下落时的序列图像,通过图像处理、排种时间检测、型孔种子数识别等过程,获得型孔种子数的频率分布,进而计算合格指数、重播指数、漏播指数等排种质量指标。研究结果表明,采用平稳随机过程模型描述排种时间和型孔种子数序列,采用帧间隔及最大帧种子时间与排种间隔合理匹配的图像采集模式以使种子重复成像,既可保留有用信息,又可在较宽范围内选用帧频率,能够在25~30 Hz常见帧频率下对单粒播和穴播排种器的排种质量进行有效检测。     

外槽轮排种器性能检测及分析

采用机器视觉方法,检测了外槽轮排种器的排种过程,以期对该排种器性能进行较精确地评价。小麦试验结果表明,排种量呈某种性质的离散分布,其条形图一般非对称,峰值偏左。排种器转速和槽轮工作长度愈大,则排种均匀性愈好,条形图趋于对称。两个参数对排种能力及排种均匀性均存在极为显著的影响,显著性检验尾概率的最大值分别达0 0007和0 0016,效应模型的决定系数最小值为0 9185。排种量的均值达17 0343粒/s～165 9395粒/s,标准差达13 6025粒/s～27 4819粒/s,变异系数达15 6797%～79 8534%。排种量的极差变化较小。槽轮工作长度值18mm可能处于排种量跃升的临界状态附近。     

无刷直流电机模糊与PI双闭环调速系统的研究

根据无刷直流电机的发展,将转速外环模糊控制和电流内环PI控制相结合,设计了双闭环直流调速系统控制方案。通过模块化、集成设计,试制了无刷直流电机控制器样板,以C语言编程实现了转速环模糊控制算法和电流环PI控制算法。搭建了无刷直流电机调速系统试验平台,试验结果表明所设计的无刷直流电机控制器,响应快、超调小、实时性好,保证了良好的稳态和动态性能。     

几种典型精密排种器的对比分析

对国内外几种典型精密排种器的工作原理、性能特点及适用范围作了对比分析,为精密排种器和播种机的设计制造、选型配套及使用维护提供参考。     

基于拟人驾驶模型的联合收获机导航控制器设计与试验

为了解决轮式联合收获机在水稻收获作业中操作繁琐及作业质量和效率低的问题,通过采集熟练驾驶员驾驶时收获机位姿信息和驾驶员操作信息,运用神经网络构建了拟人驾驶模型并设计了一种基于拟人驾驶模型的联合收获机导航控制器。根据收获作业需求设计了一种田间套行作业路径规划方法,在保证转弯精度的同时,较好的完成收获作业;与传统PID和常规纯追踪模型相比,拟人驾驶模型控制收敛速度快0.42 s、超调减小4.0 cm,具有收敛速度快、超调小等特点。路面直角路线转向试验结果表明,当联合收获机行驶速度分别为0.62、0.82、1.02 m/s时,转弯后超调量不大于3.93 cm,在不同行驶速度下仍具有较高的鲁棒性。田间试验结果表明,联合收获机在水稻田中以0.6、0.8、1.0 m/s的速度前进时,直角转向导航跟踪转向后超调量分别不大于8.1、8.9、9.6 cm,直线跟踪部分平均绝对偏差分别不大于3.1、3.0、3.3 cm。试验结果表明,所设计的拟人驾驶模型导航控制器能较好地完成水稻收获作业自动导航。     

电动拖拉机机械电磁式振动馈能装置设计与性能研究

【目的】基于能量回收再利用的原理提出一种机械电磁式振动馈能装置,为解决电动拖拉机电池电量匮乏与持续工作时间短等问题提供参考。【方法】采用双单向离合器和齿轮齿条机构设计机械电磁式振动馈能装置,将其安装在电动拖拉机底盘与动力电池组之间,对装置的机械传动进行理论分析,考虑齿轮啮合副的啮合阻尼、时变啮合刚度、齿侧间隙、综合传递误差以及单向离合器储备间隙等因素,建立振动馈能装置的动力学模型。对该模型特性进行分析,并就位移激励频率、振幅和外部负载对装置能量回收性能的影响规律进行仿真分析。最后试制样机,进行台架试验。【结果】仿真和台架试验结果显示,在位移激励频率为4 Hz、振幅为6.0 mm和外部负载为120 Ω的工况下,振动馈能装置的能量回收率最大,分别为34.94%和33.04%。同时,根据装置的电能再生率曲线可知,当位移激励一定时,电能再生率随外部负载的增大而增大;位移激励振幅越大,频率越大,装置的电能再生率也越大。【结论】所设计的机械电磁式振动馈能装置可以满足电动拖拉机振动能量回收的要求,具有明显的能量回收性能,能够为电动拖拉机振动能量的回收和电能补给提供技术支撑。     

Development of an Image Processing System and a Fuzzy Algorithm for Site-Specific Herbicide Applications

In precision farming, image analysis techniques can aid farmers in the site-specific application of herbicides, and thus lower the risk of soil and water pollution by reducing the amount of chemicals applied. Using weed maps built with image analysis techniques, farmers can learn about the weed distribution within the crop. In this study, a digital camera was used to take a series of grid-based images covering the soil between rows of corn in a field in southwestern Quebec in May of 1999. Weed coverage was determined from each image using a greenness method in which the red, green, and blue intensities of each pixel were compared. Weed coverage and weed patchiness were estimated based on the percent of greenness area in the images. This information was used to create a weed map. Using weed coverage and weed patchiness as inputs, a fuzzy logic model was developed for use in determining site-specific herbicide application rates. A herbicide application map was then created for further evaluation of herbicide application strategy. Simulations indicated that significant amounts of herbicide could be saved using this approach.     

通用型太阳能供电式寒地水稻育秧棚采控器设计

针对现有水稻育秧棚监控现状的不足,设计了一套通用型太阳能供电式寒地水稻育秧棚采控器.该系统可实现寒地水稻育秧过程育秧棚内环境参数的自动检测、显示、存储,并根据采集的数据、不同育秧阶段秧苗的生理需求进行自动通风和灌溉,采控器硬件采用低功耗器件构成,降低了设备运行耗电量,太阳能备用供电方式保障了电能质量与供电可靠性,使系统安全稳定运行,设备采用4～20 mA、0～2 V、数字信号等通用传感器接口,增强了设备的通用性.系统可有效保障寒地水稻育秧期的不同生产需求,对培养壮秧、提高水稻产量与品质具有重要意义.该采控器具有体积小、运算速度快、精度高、存储容量大,运行可靠、精确控制、耐低温高湿等特点.     

农耕文化资源价值评估模型与应用研究——基于产业开发的视角

农耕文化资源价值评估是农耕文化资源产业化运作的关键。在分析农耕文化资源价值影响因素的基础上,建立农耕文化资源价值评估指标体系,运用层次分析法获得各层次指标的权重,结合终极指标的得分方法构建我国农耕文化资源价值评估模型,并从农耕文化资源产业开发的可行性及其产业开发模式两方面对该模型进行应用分析,提出3种产业开发模式:政府驱动开发模式、企业驱动开发模式和政府与企业双驱动开发模式。     

加速宁夏农用无人机开发应用 促进精准农业发展

根据长期从事农业和在农用无人机研发和应用领域的经验与体会,提出,随着现代农业和规模化经营的发展,宁夏应抓住农用无人机在精准农业中作用日益重要、并正上升为农机行业新星的机遇,加速农用无人机开发和应用。并结合宁夏当地农业和农村特点,提出农用无人机的开发应用可分"农业预警机"和"农事作业机"两个方面统筹兼顾,分步执行,最后建成一个具有世界先进水平的高度信息化、自动化的农业生产管理体系。     

未来气温和降水变化对山西冬小麦产量的影响

【目的】冬小麦是山西省重要的粮食作物,气候变化对冬小麦产量影响显著。利用模型模拟评估气候变化对山西省冬小麦产量的影响,为山西省冬小麦种植规划提供重要科学依据。【方法】利用山西省 2017—2018 年气象资料和 2018 年县级冬小麦产量数据,采用 DNDC 区域模拟方法,对山西省冬小麦种植区单产进行模拟和验证;模拟未来 8 种气候变化情景（温度上升 1、2℃,降水减少 20%、10% 以及温度和降水耦合）对冬小麦产量产生的影响。【结果】DNDC 模型可以较好模拟出山西省冬小麦产量整体水平（4 335.6 kg/hm2）,总体平均误差为 4.63%,空间上的模拟误差主要由于山西省地形和气候差异导致。【结论】未来气候变化背景下,不同程度的增温对产量的影响不一,在温度平均升高 1℃情况下,山西省冬小麦单产下降 4.60%,而气温上升 2℃情景下,单产增加 16.44%;降水减少 10% 和 20% 情景下,产量均降低,说明水分依然是制约冬小麦产量的重要因子;但在增温和降水减少的耦合作用下产量增加 7.41%~15.84%。未来还需根据山西省种植特点,从轮作角度评估气候变化对农业的影响。     

苗圃田间自走式电动双轨运输机设计与试验

为实现苗圃田间果树钵苗的快速搬运,研制了一种适用于苗圃田间的自走式电动双轨运输机。针对运输机的应用环境、果树钵苗质量大小等需求,分析提出运输机应具备的装载量、电机功率、运输速度等设计参数;并根据技术参数要求,提出运输机的总体结构并对关键部件进行设计;最后,对运输机进行了实验室与田间试验。试验结果显示,运输机载重能力为750 kg,空载每百米能耗为9.16 W·h,满载每百米能耗为27.6 W·h,运行速度为0.564～0.718 m/s,运输机从起步到匀速行驶所用时间小于2.5 s,紧急制动距离小于0.05 m,振动加速度振幅总体小于0.4 g。以上结果表明,研制的运输机可以满足实现苗圃田间作业需求,可以有效提高作业效率、降低劳动强度。     

基于PLC的船舶燃油锅炉模拟新型实验系统

针对船舶燃油锅炉控制对象多元性的特点,构建了一种基于PLC的新型船舶燃油锅炉实验模拟系统.为了逼真反映船舶燃油锅炉工作原理和工作过程,建立了锅炉本体及燃油锅炉控制箱的仿真实物模型,设计了燃烧、水位信号检测电路,利用PLC开发了燃烧过程和水位控制程序.实际应用验证了该模拟系统的可行性.