基于ZigBee的液肥变量深施系统设计与试验

为了提高液肥深施效率,设计了一种基于ZigBee的液肥变量深施系统.该系统采用远程电脑终端与STM32F103RET6控制器同步结合实现液肥输出监测与控制:监控液肥水位值的同时利用流量传感器采集当前流量值,并通过ZigBee无线通讯协议传输数据;根据流量预设值,利用增量式PID算法动态调整变频器频率,最终使试验系统能够精确控制液肥流量输出.在试验系统的基础上,通过液肥深施试验以探讨施肥深度、变频器频率、注肥压力、系统用泵的回水开度等参数对流量精确控制的影响,并利用试验数据建立精准控制流量的数学模型.果园试验结果表明,液肥变量深施系统整机施肥精度最高可达99.52%,单次施肥的液肥损耗量最大值为0.22 L/min;在改变施肥深度的情况下,系统液肥输出流量的最大差值为0.15 L/min,变频器频率的最大差值为0.79 Hz.在改变回水开度的情况下,确定了试验中系统的最佳工作参数,即回水开度在40%时,系统工作最为稳定,流量输出误差小,液肥损耗量少.     

果园液体肥深施机械研究进展

果园液体肥深施机械是果园生产机械化的重要内容之一。概述我国果园生产和施肥机械研究现状,介绍施肥机械的类型、结构及工作原理,总结国内外液体肥深施机械研究成果,探讨施用液体肥的必要性,提出对果园开沟设计的研究需求,指出液体肥深施机械的发展方向,以期为提高果园生产效率、实现果业快速发展提供参考。     

1KF-40型葡萄有机肥深施机的研制

针对新疆兵团葡萄产业发展所面临的问题,通过分析对比国内外葡萄有机肥深施技术与装备的特点,综合考虑新疆葡萄种植模式及葡萄有机肥深施农艺要求,完成了1KF-40型有机肥深施机的研制,解决了人工深施有机肥存在的劳动强度大、效率低等问题,实现了葡萄有机肥深施的机械化作业。田间作业结果表明:装备工作平稳、性能可靠、生产率高、施肥均匀,开沟深度达4 1 0mm,开沟宽度2 8 0mm,覆土厚度2 4 0mm,施肥量1 241kg/hm2,生产率3.7hm2/h,符合葡萄有机肥深施机械化作业要求。     

果园肥料深施机研究现状与发展趋势

果园肥料深施作业劳动强度大,目前存在劳动力短缺、劳动力成本不断提高的问题。果园施肥机械化需求越来越高,而我国现有果园肥料深施机远远满足不了果园对施肥机械的要求。为此,阐述了国内外果园肥料深施机的主要类型、作业原理及特点,介绍了果园肥料深施机的发展现状,并指出了现有机型存在的问题,展望了果园肥料深施机的发展趋势。     

变量撒肥机设计参数研究及控制系统设计

为了提高变量撒肥机的施肥精度,尽可能地减少肥料浪费和对环境造成的污染,对变量撒肥机的关键设计参数进行了研究。结果表明,肥箱内肥料高度对排肥量影响不显著,排肥口开度和施肥量呈比例函数关系,并在此基础上设计了一种用于变量撒肥机控制系统。该系统可以根据撒肥机的车速变化控制排肥口的大小,提高施肥质量。实验为变量撒肥机具的控制系统设计提供了依据,所设计的变量撒肥机具有更好的施肥性能。     

果园有机肥深施圆盘开沟机研究现状及发展对策

我国的林果业种植面积日趋增长,而现有果园开沟施肥机械已经不能满足当今劳动力短缺的现状,因而加强果园开沟施肥机的研究对降低劳动力及提高作业效率等有重要意义。为此,阐述了国内外果园有机肥深施圆盘开沟机的现状,并针对不同结构圆盘式开沟机进行研究分析,根据有机肥深施圆盘开沟机存在的问题,提出了相应的对策。     

猕猴桃果园有机肥免开沟施肥机设计与试验

针对猕猴桃等藤架式果园狭小空间对有机肥施肥机的限制及现有施肥方式费工费时、肥效低的问题,结合猕猴桃根系浅层分布的生长特点,提出了一种机械化有机肥免开沟施肥方法。该方法包括撒肥、肥-土混合和覆土3个一体化连续步骤,施肥过程不开沟,地表不露肥。基于此,设计了有机肥免开沟施肥机,整机高度1.5 m,配套动力37.5 kW,肥箱容积1.2 m³,主要包括低矮侧座拖拉机、施肥拖车、抛肥装置、混肥装置、抗扭装置、卷轴装置。混肥装置旋转切土,实现肥-土混合以及混合层的土壤覆盖。确定了抗扭轮半径以平衡混肥装置单侧布置产生的扭矩,设计的卷轴装置可同步收放混肥与抗扭装置,并根据地形调整混肥装置倾角。通过混肥装置离散元仿真确定最优的刀机速比为32。试验结果表明,在最大设计施肥深度150 mm、施肥量5 kg/m工况下,肥-土全层混合,施肥深度的相对误差小于等于7.73%,露肥率小于等于5.56%,混肥装置平均功耗为4.7 kW,满足猕猴桃果园有机肥施肥要求。     

四要素变量施肥机肥箱施肥量控制算法设计与试验

针对黑龙江农垦地区垄作玉米施肥过程中遇到的肥料分层问题,设计了一种四要素变量施肥控制系统。系统采用电液比例控制技术,主要由液晶显示终端、变量施肥控制器、4路液压马达和编码器、4路排肥机构（排肥轴和外槽轮）和GNSS模块组成。为了实现氮肥、磷肥、钾肥和微肥的一次性及时、准确施用,提出了一种基于复合交叉原则的各路施肥量确定策略,基于PID技术设计了液压马达控制算法。根据用户在变量施肥控制软件中设置的目标施肥量,系统自动确定各肥箱精确施肥量,基于PID液压马达控制算法,实时计算4路液压马达的目标转速,同步向控制器发送4路转速指令,一次性完成氮肥、磷肥、钾肥和微肥4种肥料的同步变量施用。为了验证各路施肥量控制算法的效果,分别进行了PID算法响应时间和精度试验、变量施肥系统单质肥排肥性能验证试验和作业条件下各肥箱施肥量控制算法验证试验。试验结果表明,基于PID技术的排肥轴转速控制算法响应时间不大于0.5s;变量施肥系统单质肥排肥性能误差绝对值不大于3%;作业条件下各路施肥量控制算法显著减少了氮素的施用量,实现了氮肥、磷肥、钾肥的精确投入。四要素变量施肥机各路施肥量控制算法完全满足了垦区玉米施肥精确、均匀施用的要求。     

支持故障报警的果园对靶变量排肥系统

针对果园条开沟连续施肥造成肥料浪费,而挖穴施肥作业过程繁琐的问题,基于普通条开沟施肥机具设计了果园对靶变量排肥系统,该系统主要包括果园穴施肥精量排肥器和对靶变量施肥控制器。利用高速摄影技术获得了不同排肥口截面积排肥下落时间,使用间歇旋转机构实现定量穴排肥,提出了扇叶旋转落肥感知方法并设计了排肥故障监测装置,进而设计了果园穴施肥精量排肥器。使用光电传感器实时感知果树树干以获得排肥位置,利用接近开关感知地轮转速计算行进速度,以STC12C5A60S2单片机为核心设计了对靶变量施肥控制器。搭建了试验平台,进行了实验室试验,结果表明,1~5排肥量挡位下,平均排肥量与理论排肥量最大误差为10 g,最大变异系数为4.6%;平均排肥长度为20.2~40.9 cm;偏移距离绝对值最大为5.5 cm,最小为0.6 cm,偏移距离标准差平均值为4.26 cm;单次排肥故障监测装置最少感知落肥通断信号次数为2次,故障监测准确率达到100%。果园试验表明,针对100棵枸杞树进行对靶施肥,其排肥准确率为97%。该系统实现了果园靶标实时探测、对靶精量排肥控制和排肥故障报警功能,达到了条开沟对靶穴施肥的果园作业要求。     

变量施肥机具的设计

从分步实施精确农业的思路出发,分别进行了手控变量施肥机和自控变量施肥机的研究。重点阐述了手控变量施肥机的工作原理及关键部件设计。试验表明,该机施肥量调节方便,性能稳定,有应用前景。分析了能够实现精确农业意义上的自动变量施肥系统。     

基于自动导航的小麦精准对行深施追肥机设计与试验

针对冬小麦返青期地表追施氮肥使氮素挥发导致肥料利用率低的问题,结合目前在小麦追肥过程中缺少深施氮肥作业装备的现状,进行了基于拖拉机自动导航技术实现精准对行深施氮肥的技术研究,设计了小麦精准对行精量深施追肥机。追肥机采用安装有自动导航系统的拖拉机牵引实现精准对行,以RTK-GNSS接收机测取的作业速度为基准,通过液压系统驱动排肥机构工作,双圆盘开沟器开沟深施,采用PID控制排肥轴转速与车辆行驶速度实现实时匹配,达到精量控制追肥量的目的。田间试验结果表明:设置目标追肥量为200 kg/hm2,车辆行驶速度为5 km/h时,追肥机能完成对行深施追肥作业,机具对行作业误差在±6 cm以内,追肥量偏差小于9%,可满足实际生产需求;对照撒肥机表层撒肥作业,每公顷减施氮肥25 kg左右,小麦每公顷增产486.5 kg左右。     

稻麦变量施肥机控制系统设计与试验

针对稻麦变量施肥智能化程度低、通信系统可靠性和兼容性差等问题,研究设计了一种稻麦变量施肥机控制系统。该系统以CAN总线通讯作为现场总线,实现各控制节点之间的实时通信;通过GPS导航和处方图得到当前位置需肥量,根据变量施肥数学模型,通过步进电机节点实时调节外槽轮排肥器开度,实现施肥变量调节。试验结果表明:该系统机械结构设计合理,动作响应迅速,定位精准,各行排肥器之间排肥量变异系数最大为1. 78%,变量施肥精度达97%以上,作业效果良好。其控制程序稳定可靠,各控制节点之间通信及时、准确,整机设计合理,系统工作稳定,智能化程度高,各项技术指标满足农艺要求。     

基于传感器的变量施肥机定位方法

简述了一种应用传感器代替GPS的变量施肥机定位方法。控制器读取传感器的脉冲信号,计算施肥机的行走距离,由自动网格识别算法实现施肥机自动网格识别。本文给出了传感器测距累积误差校正方法以提高定位精度。对于垄长为40m的网格,要使定位误差小于6%,累积误差应小于2.4m。实验结果表明,经过校正,拖拉机行走距离为250 m的时候,光电编码器和接近开关传感器测距累积误差分别为2.32 m和2.34 m(定位误差小于6%)。如果在此定位误差条件下,增加操作单元垄长方向划分的距离,可满足更长地块作业的定位要求。     

小型固态有机肥施肥机的设计

有机肥的使用有利于实现农业生产的可持续发展。为了普及有机肥的使用,主要针对小农经济模式下的山地丘陵地貌的小型分散耕地上的施肥作业,设计了一款小型固态有机肥施肥机。本设计主要特点是在机具行走移动过程中,施肥量不因行走速度而改变,始终保证施肥量为预设值。试验结果表明:机具实际施肥量与预设值误差较小,满足使用需求。     

施肥播种机肥料流量分段式PID控制系统设计与试验

施肥稳定性是评价变量施肥系统性能的重要指标,针对常规外槽轮式排肥器排肥时脉动性明显导致排肥均匀性差的问题,提出了基于肥料流量反馈的分段式PID控制方法,并设计了施肥播种机高精度肥料流量控制系统,系统采用肥料流量检测模块获取实时肥料流量并作为反馈输入,结合目标肥料流量,根据分段式PID控制算法得到控制输出量,驱动施肥电机,实现肥料流量的准确控制。搭建了施肥试验台,进行了肥料流量变化阶跃响应与施肥精度的台架试验,结果表明,肥料流量控制系统的阶跃响应时间最大值为1.42 s,均值为0.98 s,超调量最大值为3.49%,均值为2.82%,稳态误差最大值为0.89%,均值为0.64%,施肥量控制精度最小值为97.83%,均值为98.14%。在不同试验条件下,肥料流量控制系统的肥料流量控制精度与施肥精度均优于恒定转速系统。田间试验表明,当车速为4、6、8 km/h时,肥料流量控制系统的施肥量控制精度分别为97.84%、97.78%和97.82%,施肥量控制精度平均值为97.81%,标准偏差为0.28%,能够满足高精度施肥需求。     

基于光谱探测的小麦精准追肥机设计与试验

为了实现小麦生长过程中的实时变量追肥,使用近地光谱探测技术,设计了大田实时变量追肥机。追肥光谱监测系统实时获取作物冠层归一化植被指数,结合追肥策略计算出当前的目标施肥量,采用测速和测距法反馈肥料流量信息,并根据追肥机实际行进速度,实时调整追肥量,实现精准变量追肥。试验结果表明,田间小麦长势存在空间差异性,冠层的归一化植被指数可以解析此差异性;追肥机追肥控制精度达到90%以上,可以满足精准追肥的要求;变量追肥比定量均匀追肥增施氮肥28 kg/hm2左右。