基于近地光谱技术的冬小麦精准变量施肥机的研制

发布时间：2019-07-29 09:43

【摘要】：氮肥是影响冬小麦生长发育最为活跃的因素之一,合理科学地施用氮肥有助于提高冬小麦的品质和产量,过量增施氮肥不仅无法发挥其增产增质的特性,而且易造成肥料浪费、引发环境问题甚至降低粮食产量和品质。变量施肥技术是实现氮肥科学合理施用的有效途径。但目前的变量施肥机械多采用测土配方技术,应用于底肥施用环节,而关于冬小麦拔节期精准变量施肥机的研究较少,缺乏基于作物长势的在线实时控制的变量施肥机具。因此,本文针对冬小麦拔节期增施氮肥的农艺要求和技术指标,基于近地光谱探测技术研究开发了应用于冬小麦拔节期增施氮肥的精准变量施肥机,构建了变量施肥机智能控制系统,并对变量施肥机具进行了系统的试验验证。本文的主要研究内容及结论如下:(1)提出了基于近地光谱技术的、轴分段式、双变量调节的技术方案,设计研制了相关的变量施肥机。研究了变量排肥执行机构,采用直流电动机控制排肥器的转速,采用步进电动机驱动丝杆滑轨调节排肥器的开度。变量施肥机设置了左右两个独立的控制单元,能够各自实现排肥器转速和开度自适应控制,达到在线实时调整排肥量的目的。(2)研究设计了变量施肥机智能控制系统。采用STM32单片机作为下位机,完成变量施肥作业控制、数据采集、分析、处理与存储,通过各相关传感器实时监测变量施肥机械田间作业参数,并将其反馈给控制器形成闭环反馈控制;采用组态软件设计开发变量施肥机人机交互界面,实现变量施肥参数设定、实时数据显示以及历史数据查询等功能;应用模块化程序设计原理,开发了变量施肥机配套软件系统。(3)探讨了变量施肥机的最佳光谱采样频率,在确保光谱数据客观反映田间小麦长势空间差异性的前提下,降低变量控制系统数据处理负荷,提高系统的执行效率,试验确定了最佳采样频率为1Hz;提出了基于改进的Ruan模型氮肥需求量优化算法,分11个等级指导田间施肥作业,当冬小麦冠层的归一化植被指数值低于0.25或高于0.75时目标施肥量为0,当其值介于0.25与0.75之间则间隔0.05划分为一个等级进行施肥作业。(4)通过分析外槽轮排肥器的工作原理以及不同转速、开度下排肥量的标定,应用Bisquare估计稳健回归方法构建排肥器排肥量的数学模型;对比了通过排肥量标定数据均值建模与控制单元内各排肥器回归模型加权平均建模得到的排肥器控制模型的优劣,确定了变量施肥机排肥量的控制模型。分析了变量施肥机双变量调节的控制策略,设计了转速优先控制、开度优先控制以及转速开度自适应控制三种控制策略;制定双变量自适应控制策略中目标控制序列的生成规则,构建了双变量目标控制序列的最佳组合表,施肥作业过程中通过查表法获得系统的目标控制序列。(5)研究了基于模糊PID的变量施肥优化控制算法,分析了转速和开度控制子单元的系统模型和传递函数,设计了模糊PID控制器。采用粒子群优化算法,以ITAE准则作为适应度函数确定PID控制器3个参数的初始值。分析比较模糊PID与常规控制的差异,试验表明模糊PID控制系统能够实现精准变量施肥控制。研究分析变量施肥机的施肥位置滞后模型,并对其进行了修正。(6)对变量施肥机进行性能测试验证试验。试验结果表明:变量施肥机测速精度高,系统测速误差均值低于0.26m/s;光谱监测系统具有较高的鲁棒性,多次测量结果的变异系数低于0.86%;变量施肥左右控制系统的平均控制误差分别为9.85%和9.63%,整机的平均控制误差为9.74%,控制精度可达90%以上,系统的性能良好。(7)应用本文开发的变量施肥机开展田间变量施肥试验。试验结果表明:控制系统的性能良好,能够实现冬小麦拔节期精准施肥的要求;变量施肥有利于改善冬小麦的群体结构,产量趋于均衡,而传统定量施肥作业区冬小麦群体结构差,产量的变异性较大;精准变量施肥小区的产量略低于传统定量施肥管理区,但产量差异小,变量施肥能够实现冬小麦的高产;不同底肥施用的变量施肥小区间,随着底肥施用量的增加,冬小麦产量也相应提高;对于不同品种的冬小麦,实施变量施肥作业的效益存在差异性。
【图文】：

，肥量在线调节，从而达到变量施肥的目标。但是，目前国内关于此类变量施肥机械研逡逑究较少，特别是缺乏基于作物长势的在线实时控制的变量施肥机具。因此本文针对冬逡逑小麦拔节期增施氮肥的农艺要求和技术指标，基于近地光谱探测技术研究开发了应用逡逑于冬小麦拔节期的、可根据冬小麦长势空间差异性进行按需精准变量施肥的施肥机。逡逑１．２施肥机械及变量施肥技术逡逑１．２．邋１施肥机械逡逑施肥机械作为农业生产施肥作业环节的执行机构，根据撒施肥料的类型可以分为逡逑液态肥施用机械、固体颗粒肥施用机械和厩肥撒播机械［１２］。冬小麦在拔节期增施的氮逡逑肥通常为尿素，属于固体颗粒肥，因此本文研宄的变量施肥机械属于固体颗粒肥施用逡逑机械。该类施用机械又可分为全面撒施的抛撒施肥机和拥有条播的施肥机械［１３］。全面逡逑抛撒的施肥机一次性施肥面积大，，生产效率高，但是其均匀性较差，不适合小地块作逡逑业，如图Ｍ（ａ）所示。条播的施肥机械，由肥箱、排肥器、排肥驱动机构、机架以逡逑及开沟器组成，施肥幅度较小，适合小地块作业，如图ｌ－ｌ（ｂ）所示。逡逑逦邋？——0ｍｍｍ邋？ｉ邋ｔ逡逑

基于近地光谱技术的冬小麦精准变量施肥机的研制

逡逑本低廉。其结构示意图如图１－２所示。逡逑＿遍逡逑图１－２外槽轮式肥器逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ邋ｓｏｗｉｎｇ邋ａｍｏｕｎｔ逡逑随着农业机械化水平的发展，自动控制技术越来越多地被应用到施肥机械上用于逡逑构建施肥控制系统，以实现施肥机械的智能化控制。市场上的变量施肥机械通常配备逡逑有智能控制系统，控制系统采用车载计算机、嵌入式系统、单片机等设备作为控制终逡逑端，采集施肥作业的相关信息，自动调整化学肥料的施用量［１５？］。同时，变量施肥机逡逑械还装备有定位系统，如ＧＰＳ、ＤＧＰＳ以及ＢＤＳ，用于识别田间作业位置１２＜Ｗ４〗。而逡逑施肥执行机构通常采用液压马达系统、步进电动机、直流电动机以及伺服电动机驱动逡逑调节固体颗粒肥施用；采用电磁阀调整液体肥施用
【学位授予单位】：南京农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O657.3;S224.2

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