精准农业变量施肥控制技术研究
本文选题：精准农业 切入点：变量施肥 出处：《中国科学技术大学》2016年博士论文
【摘要】：变量施肥技术是精准农业的核心技术之一,是一种根据土壤肥力和作物需求,实现定时、定位、按需投入肥料的新型技术体系和生产模式。发展变量施肥技术是为了提高化肥利用率,减少因不合理的施肥造成的生态环境破坏,实现农业生产的可持续发展。国外变量施肥研究起步较早,已形成比较成熟的技术体系,开发了一些用于生产的变量施肥应用系统。近年来中国在变量施肥技术研究上取得一些成果,但是变量施肥应用发展缓慢,因此研究适用于我国实际需要的、低成本的变量施肥系统,构建与中国实际需要相适应的变量施肥技术体系和技术框架具有重要意义。本文以外槽轮式排肥器为主要研究对象,针对其模型特点,对排肥量和排肥器结构参数关系进行分析建模,研究变量施肥的相关控制参数,得到两种可用于外槽轮式排肥器的变量施肥控制策略：调节外槽轮有效工作长度的控制策略和调节外槽轮与施肥机地轮传动比的控制策略。基于这两种控制策略分别进行变量施肥应用系统的探索。本文以搭载外槽轮式排肥器的库恩气吸式点播机和约翰迪尔1910种肥车为机械平台,分别阐述两种控制变量施肥的控制策略进行变量施肥系统设计的一般方法。根据施肥机械结构以及测试实验数据,推理变量施肥关系模型,配合对施肥执行机构的精确控制,完成变量施肥硬件系统的构建。基于Android+ArcGIS框架构建嵌入式车载控制终端软件平台,设计基于处方图的变量施肥软件系统,实现变量施肥工作流程和工作状态的可视化。为了实现空间网格的离线识别,给出两种空间网格离线识别方案,并提出了一种分层嵌套式的网格识别方法,解决网格识别效率低的问题。采用ZigBee技术实现嵌入式车载控制终端软件系统与变量施肥控制器之间的无线通信,避免农机布线的不便。本文对基于空间变异数据的变量施肥处方图的生成进行研究,通过对实验地块进行土壤采样检测,获得土壤养分数据,应用Shapiro-Wilk检验、Q-Q图和直方图对土壤养分数据进行正态分布检验并对土壤空间相关性和变异性进行分析,插值生成土壤养分空间分布图。利用自主开发的精准农业产量数据采集器对作物产量数据进行采集,通过误差处理、插值后生成产量空间分布图。利用土壤养分-目标产量施肥模型生成基于地块网格单元的施肥处方图。对基于调节外槽轮有效工作长度的变量施肥系统进行施肥均匀性评估和变量调整响应时间分析,结果表明系统具有较好的施肥均匀性,且变量调节响应速度满足设计需求；对基于调节外槽轮和地轮转速比的变量施肥系统进行施肥校准实验并对变量施肥控制器的控制误差进行分析,结果表明系统能够满足变量施肥作业的需求。
[Abstract]:Variable rate fertilization technology is one of the core technologies of precision agriculture. It is a new technology system and production mode which can realize timing positioning and input fertilizer according to soil fertility and crop demand.The purpose of developing variable rate fertilization technology is to improve the utilization rate of chemical fertilizer, reduce the ecological environment damage caused by unreasonable fertilization, and realize the sustainable development of agricultural production.The research on variable rate fertilization in foreign countries started early and has formed a mature technical system. Some application systems of variable rate fertilization for production have been developed.In recent years, some achievements have been made in the research of variable rate fertilization technology in China, but the application of variable rate fertilization has developed slowly. Therefore, the study is suitable for the low cost variable rate fertilization system, which is needed in our country.It is of great significance to set up a variable-variable fertilization technology system and a technical framework adapted to the actual needs of China.According to the characteristics of the model, the relationship between the quantity of fertilizer discharge and the structural parameters of the device is analyzed and modeled, and the related control parameters of variable rate fertilization are studied.Two kinds of variable rate fertilization control strategies can be used in the external groove wheel row fertilizer device: the control strategy to adjust the effective working length of the outer groove wheel and the control strategy to adjust the drive ratio between the outer slot wheel and the ground wheel of the fertilizer application machine.Based on these two control strategies, the application system of variable rate fertilization was explored.In this paper, based on Kuhn air-sucking on-demand seeder and 1910 kinds of fertiliser with outer grooves as the mechanical platform, the general methods of designing variable rate fertilization system based on two control strategies of variable rate fertilization are described respectively.According to the mechanical structure of fertilization and the experimental data, the relationship model of variable rate fertilization is deduced, and the hardware system of variable rate fertilization is constructed with the precise control of the fertilizer executing mechanism.Based on Android ArcGIS framework, an embedded vehicle control terminal software platform is constructed, and a variable rate fertilization software system based on prescription diagram is designed to realize the visualization of variable rate fertilization workflow and working state.In order to realize off-line recognition of spatial meshes, two off-line recognition schemes of spatial meshes are presented, and a hierarchical and nested mesh recognition method is proposed to solve the problem of low efficiency of grid recognition.The wireless communication between the embedded vehicle control terminal software system and the variable fertilizer controller is realized by using ZigBee technology to avoid the inconvenience of agricultural machinery wiring.In this paper, the generation of variable fertilizer prescription map based on spatial variation data was studied. Soil nutrient data were obtained by soil sampling and detection of experimental plots.The Shapiro-Wilk test Q-Q and histogram were used to test the normal distribution of soil nutrient data, the spatial correlation and variability of soil were analyzed, and the spatial distribution map of soil nutrient was generated by interpolation.The crop yield data were collected by using the self-developed precision agricultural yield data collector. The spatial distribution map of crop yield was generated by error processing and interpolation.Fertilizer prescription map based on grid unit was generated by soil nutrient-target yield fertilization model.The variable rate fertilization system based on adjusting the effective working length of external grooves is evaluated and the response time of variable adjustment is analyzed. The results show that the system has better fertilization uniformity and variable adjusting response speed meets the design requirements.The variable rate fertilization system based on adjusting the ratio of external groove wheel and ground wheel speed is calibrated and the control error of variable rate fertilization controller is analyzed. The results show that the system can meet the demand of variable rate fertilization operation.
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S147;TP273
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，本文编号：1719634
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