胡應(yīng)占，郭素娜，余良俊

(1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽(yáng)　473000；2.武漢工程科技學(xué)院，武漢　430200；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 機(jī)械與電子信息學(xué)院，武漢　430070 )

?

基于傳感和信息采集的自主導(dǎo)航免耕播種機(jī)設(shè)計(jì)

胡應(yīng)占1，郭素娜1，余良俊2,3

(1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽(yáng)473000；2.武漢工程科技學(xué)院，武漢430200；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 機(jī)械與電子信息學(xué)院，武漢430070 )

摘要：為了提高免耕播種機(jī)的自動(dòng)化程度，設(shè)計(jì)了一款新的具有自主導(dǎo)航和路徑規(guī)劃功能的免耕播種機(jī)。該播種機(jī)能夠很好地估算出入射信號(hào)的個(gè)數(shù)和方向，克服了傳統(tǒng)定位精度低的缺點(diǎn)，可以有效解決密集信號(hào)環(huán)境中多個(gè)輻射源的高分辨率、高精度測(cè)向定位問題。為了驗(yàn)證免耕播種機(jī)的性能，對(duì)使用DOA估計(jì)信號(hào)后的播種機(jī)進(jìn)行了性能測(cè)試。測(cè)試發(fā)現(xiàn)：其播種誤差要明顯小于單純使用最小二乘法和雙曲線測(cè)量法，播種合格率最高達(dá)到了98.7%，變異系數(shù)最低為1.35%，播種的精確性和穩(wěn)定性較高。通過對(duì)比傳統(tǒng)播種機(jī)和本文設(shè)計(jì)播種機(jī)的播種時(shí)間，本文設(shè)計(jì)的播種機(jī)播種時(shí)間有所縮短，播種效率有了大幅度的提高，免耕播種性能好，可以在自動(dòng)化播種作業(yè)中進(jìn)行推廣。

關(guān)鍵詞：免耕播種；自主導(dǎo)航；DOA估計(jì)；分辨率；穩(wěn)定性

0引言

保護(hù)性耕作播種通過對(duì)農(nóng)田實(shí)行免耕、少耕等方式保護(hù)田間地表，減少土壤風(fēng)蝕、水蝕對(duì)地表的傷害，從而提高土壤的肥力和抗干旱的能力。但是，當(dāng)遇到春節(jié)播種時(shí)間氣溫低和雨水少的情況時(shí)，會(huì)阻礙農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。為了提高種子的發(fā)芽率，壟作成為春季播種種植的主要模式。一般傳統(tǒng)的春季播種種植方式先對(duì)田間進(jìn)行起壟，然后使用播種機(jī)進(jìn)行播種、修復(fù)田壟，最后進(jìn)行鎮(zhèn)壓等。該種植方式對(duì)土壤的擾動(dòng)很大、土壤失水嚴(yán)重、土壤風(fēng)蝕加重，機(jī)具反復(fù)進(jìn)入田間增加了能耗，提高了作業(yè)成本、破壞了土壤的自身基本結(jié)果，不利于現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，采用保護(hù)性免耕播種，不僅可以提高作業(yè)效率，而且可以保護(hù)地表和土壤肥力，增收增產(chǎn)。為此，本文對(duì)一款免耕播種機(jī)的自主導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，以期提高免耕播種的精度和速度。

1自主導(dǎo)航免耕播種機(jī)總體設(shè)計(jì)

目前，在壟作地實(shí)行保護(hù)性耕作技術(shù)還缺少相應(yīng)的能夠較好滿足農(nóng)藝要求套播種機(jī)具。因此，為了更好地促進(jìn)保護(hù)性耕作技術(shù)與壟作技術(shù)相結(jié)合，需要研制一種能夠在原壟上實(shí)現(xiàn)免耕播種作業(yè)且對(duì)壟形破壞小及播種后壟形保持好的新型壟作免耕播種機(jī)。本文設(shè)計(jì)了一種新的具有自主導(dǎo)航能力的免耕播種機(jī)，總體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

圖1　自主導(dǎo)航免耕播種機(jī)設(shè)計(jì)

圖1中，定位方式使用雙曲線定位，信號(hào)的方向使用DOA進(jìn)行估計(jì)，通過信號(hào)的方向使用A/D轉(zhuǎn)換功能調(diào)整伺服控制電機(jī)，從而完成自主導(dǎo)航和路徑規(guī)劃功能，流程如圖2所示。

圖2　耕播監(jiān)控分機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成

耕播監(jiān)控分機(jī)系統(tǒng)以STC12C5A60S2作為主控芯片，外圍的有nRF905無(wú)線模塊、鏤腿堵塞檢測(cè)電路及模擬量信號(hào)調(diào)理電路，發(fā)送函數(shù)占用主函數(shù)運(yùn)行時(shí)間。當(dāng)向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，CPU完全被發(fā)送函數(shù)占用，直到發(fā)送完成。

免耕播種機(jī)定位通信的原理如圖3所示。首先免耕播種機(jī)向上位機(jī)發(fā)送字節(jié)，CPU之前處于等待狀態(tài)，當(dāng)接受到字節(jié)后，對(duì)發(fā)送字節(jié)的位置開始搜索，最終完成定位功能。

圖3　通信原理圖

2免耕播種機(jī)結(jié)構(gòu)和自主導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

免耕播種機(jī)的主要機(jī)械結(jié)構(gòu)和部件包括孔式的排種器，主要由輸肥管、導(dǎo)種管、輸種管、開溝器、覆土器和鎮(zhèn)壓器等組成，來(lái)實(shí)現(xiàn)播種機(jī)的一次性播種(包括開溝、施肥、播種、壓種和覆土)的全過程。

圖4為新款的播種機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖。在機(jī)架總成裝有攝像頭和傳感器，通過攝像頭可以完圖像的采集。要實(shí)現(xiàn)播種機(jī)的自主導(dǎo)航系統(tǒng)，首先需要設(shè)計(jì)排種器的結(jié)構(gòu)和形狀，如圖5所示。

1.傳動(dòng)裝配　2.肥箱裝配　3.機(jī)架總成　4.支承輪裝配

圖5　排種器設(shè)計(jì)圖

(1)

而M到AP1和到各其他AP的距離差為

(2)

求解上述二元方程組就可以得到兩個(gè)解，即雙曲線的兩個(gè)交點(diǎn)。其中，一個(gè)為M點(diǎn)的坐標(biāo)。對(duì)于信號(hào)可以使用濾波算法降低噪聲信號(hào)的干擾，其基本原理是去除小概率的數(shù)據(jù)，降低隨機(jī)干擾數(shù)據(jù)的誤差。假設(shè)對(duì)數(shù)正態(tài)分布模型可對(duì)電磁波田間傳播情況進(jìn)行如下近似，則有

(3)

其中，d為定位距離，ζ是遮蔽因子，PL是距離為d時(shí)信號(hào)損耗，γ是路徑損耗系數(shù)，Pr是接收到的信號(hào)功率，Pt是發(fā)射機(jī)發(fā)送的功率，d0是參考距離，PL0是距離為d0時(shí)的信號(hào)損耗，用自由空間傳播模型來(lái)得到PL0值。

為了實(shí)現(xiàn)濾波功能，使用DOA估計(jì)算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，假設(shè)DOA估計(jì)的目標(biāo)是在給定N個(gè)快拍數(shù)據(jù)x(1)，…，x(N)，用某種算法估計(jì)k個(gè)信號(hào)的DOA值θ1,…,θk，其信號(hào)估計(jì)的基本原理如圖6所示。

圖6　DOA估計(jì)原理圖

圖6中，考慮兩個(gè)陣元，d為陣元間的距離，c為光速，θ為遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)的入射角，φ為陣元間的相位延遲，則天線所接收的信號(hào)由于波程差為

(4)

從而可得兩陣元間的相位差為

(5)

其中，f0表示指中心頻率，對(duì)于窄帶信號(hào)，相位差為

(6)

其中，λ為信號(hào)波長(zhǎng)。因此，只要知道信號(hào)的相位延遲，就可以求出信號(hào)的來(lái)向，從而實(shí)現(xiàn)免耕播種機(jī)的自主導(dǎo)航和定位功能。

3自主導(dǎo)航免耕播種機(jī)性能測(cè)試

為了測(cè)試本文設(shè)計(jì)的免耕播種機(jī)的自主導(dǎo)航能力，對(duì)其接受信號(hào)DOA估計(jì)、系統(tǒng)響應(yīng)誤差及播種效果和播種效率進(jìn)行了測(cè)試。首先測(cè)試面耕播種機(jī)導(dǎo)航的抗干擾能力，在信號(hào)接受的噪聲方面使用高斯白噪聲，陣元間距為入射信號(hào)波長(zhǎng)的1/2，信噪比為30dB，陣元數(shù)為8，采樣快拍次數(shù)為300。通過仿真計(jì)算得到了DOA譜函數(shù)分布，如圖7所示。

圖7　ROOT-MUSIC算法的DOA估計(jì)譜

由圖7可以看出：采用ROOT-MUSIC算法可以有效地繪制譜峰，從而能夠很好地估算出入射信號(hào)的個(gè)數(shù)和方向，克服了傳統(tǒng)定位精度低的缺點(diǎn)，可以有效解決密集信號(hào)環(huán)境中多個(gè)輻射源的高分辨率、高精度測(cè)向定位問題。

圖8為在不同算法情況下播種誤差的對(duì)比結(jié)果曲線。由圖8可以看出：使用DOA估計(jì)信號(hào)后，其播種誤差要明顯小于單純使用最小二乘法和雙曲線測(cè)量法。對(duì)播種效果進(jìn)行測(cè)試后，得到了表1所示的結(jié)果。

圖8　播種誤差不同算法對(duì)比

通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)：播種的深度可以達(dá)到41 mm，施肥深度85mm，肥料之間的間距是43mm，合格率最高達(dá)到了98.7%，變異系數(shù)最低為1.35%。表明使用本文設(shè)計(jì)的免耕播種機(jī)播種效果較好。通過對(duì)比傳統(tǒng)播種機(jī)和本文設(shè)計(jì)播種機(jī)的播種時(shí)間，得到了如表2所示的結(jié)果。

表1免耕播種機(jī)播種效果

Table 1The seeding effect of no-till planter

項(xiàng)目測(cè)試值/cm合格率/%變異系數(shù)/%免耕播種平均深度4.196.81.25施肥深度8.597.22.36種肥間距4.395.61.35粒距3.298.72.32

表2　播種時(shí)間測(cè)試結(jié)果

由表2可以看出：相對(duì)于傳統(tǒng)的播種機(jī)，本文設(shè)計(jì)的免耕播種機(jī)播種時(shí)間有所縮短，播種效率有了大幅度提高。

4結(jié)論

1)采用雙曲線定位和信號(hào)DOA估計(jì)，設(shè)計(jì)了一款新的具有自主導(dǎo)航和路徑規(guī)劃功能的免耕播種機(jī)，能夠很好地估算出入射信號(hào)的個(gè)數(shù)和方向，提高了定位的精度和分辨率。

2)為了驗(yàn)證免耕播種機(jī)的性能，對(duì)免耕播種機(jī)進(jìn)行了性能測(cè)試。通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)：其播種誤差較小，播種合格率最高達(dá)到了98.7%，變異系數(shù)最低為1.35%，播種的精確性和穩(wěn)定性較高。通過對(duì)比傳統(tǒng)播種機(jī)和本文設(shè)計(jì)播種機(jī)的播種時(shí)間，播種效率有了大幅度的提高。

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Design of Autonomous Navigation No-till Planter Based on Sensing and Information Collection

Hu Yingzhan1, Guo Suna1,Yu Liangjun2,3

(1.Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000, China; 2.Wuhan University of Engineering Science,Wuhan 430200, China;3.Faculty of Mechanical & Electronic Information,China University of Geosciences,Wuhan 430074, China)

Abstract：In order to enhance the automation of no-till planter, a new no-till planter having function of autonomous navigation and path planning has been designed, the planter can good estimate the number of the incoming signal and direction, and overcome the shortcomings of traditional low positioning accuracy, which can effectively solve the dense signal environment, multiple sources of high resolution, high accuracy direction-finding location problem. In order to verify the performance of no-till planter, the use of signal DOA estimation of seeder was carried out after the performance test, through test, found that the seeding error significantly less than simply using least square method and hyperbola method, seeding rate reached 98.7%, the highest coefficient of variation of the lowest 1.35%, seeding accuracy and high stability, and design in this paper by comparing the sowing time of traditional planter, the planter designed in this paper sowing time was shortened, sowing efficiency has improved greatly, the no-till seeding performance is good, which can be replicated in automation in the planting operation.

Key words：no-till seeding; autonomous navigation； DOA estimation；resolution; stability

文章編號(hào)：1003-188X(2016)07-0035-05

中圖分類號(hào)：S223.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：胡應(yīng)占(1972-)，男，河南舞鋼人，副教授，碩士。通訊作者：余良俊(1984-)，女，武漢人，副教授，博士研究生，(E-mail)yuliangjun1984@126.com。

基金項(xiàng)目：湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014CFC1079);2.湖北省自然科學(xué)基金計(jì)劃面上項(xiàng)目(2013CFB418)

收稿日期：2015-05-29