王美美,劉慶庭,區(qū)穎剛,張智剛

(1.安陽工學(xué)院 機械工程學(xué)院,河南 安陽455000;2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)大學(xué) 南方農(nóng)業(yè)機械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點實驗室,廣州 510642)

目前,我國甘蔗生產(chǎn)管理仍屬于粗放經(jīng)營模式,甘蔗種植過程中播種量、均勻性及種植行距主要依靠機手的經(jīng)驗控制,易造成行距不均勻及漏播等問題[1-3].應(yīng)用精準農(nóng)業(yè)技術(shù)改變我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)粗放經(jīng)營模式,提高農(nóng)場管理人員工作效率及決策能力將成為未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢[4-8].

Montoya等[9]開發(fā)了一種基于Android系統(tǒng)和Mesh網(wǎng)絡(luò)的精確農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng),用于采集與監(jiān)控農(nóng)田信息.Shelestov等[10]利用中、高分辨率遙感衛(wèi)星獲得的數(shù)據(jù)和產(chǎn)品進行作物監(jiān)測,該系統(tǒng)具有自動數(shù)據(jù)檢索和業(yè)務(wù)邏輯分析的附加功能.Kim等[11]在傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上開發(fā)了一套農(nóng)業(yè)實時監(jiān)控系統(tǒng),可以隨時檢查目前的作物和農(nóng)場現(xiàn)場情況.張安然[12]開發(fā)了一套智能管理系統(tǒng),實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測、存儲和查詢以及環(huán)境控制器的手自動控制.邢秋芬等[13]利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)、NET框架技術(shù)和CBR推理技術(shù)構(gòu)建了寒地水稻種植管理信息系統(tǒng),使得水稻種植管理相關(guān)技術(shù)知識查閱更為簡便,有效提高了寒地水稻種植管理水平.馬志欣[14]針對農(nóng)場系統(tǒng)技術(shù)升級和管理方式創(chuàng)新的需求,設(shè)計了基于 Android 平臺的水稻生長田間管理輔助決策系統(tǒng).辛德奎等[15]設(shè)計了一種基于北斗和GPS的雙模定位系統(tǒng),可以得到田間作業(yè)機車的位置、運行狀態(tài)和作業(yè)狀態(tài)等信息.

本研究在甘蔗種植機上安裝GPS信號接收機及漏播傳感器,開發(fā)了甘蔗種植機田間作業(yè)監(jiān)測系統(tǒng).該系統(tǒng)包括輔助導(dǎo)航系統(tǒng)、種植機漏播監(jiān)測與標識系統(tǒng),可實時監(jiān)測甘蔗田間作業(yè)行內(nèi)漏播及種植機作業(yè)的行間均勻性.

1 系統(tǒng)總體方案與硬件結(jié)構(gòu)

田間種植管理系統(tǒng)從功能作用上可以分為輔助導(dǎo)航系統(tǒng)和漏播監(jiān)測與標記系統(tǒng),總體框架結(jié)構(gòu)如圖1所示.

目前，GPS定位系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)導(dǎo)航上應(yīng)用越來越多[16-19],本系統(tǒng)輔助導(dǎo)航采用的是更精確的差分定位,包括DGPS導(dǎo)航系統(tǒng)、工控機圖形界面系統(tǒng),漏播與標記系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)、光幕傳感器、標記裝置.DGPS導(dǎo)航系統(tǒng)主要獲取當(dāng)前的定位信息,GPS移動端接收機通過數(shù)傳電臺接收基準站發(fā)來的差分信號,并將最終的定位信息通過RS232總線傳輸給工控機.工控機圖形界面系統(tǒng)主要將車輛當(dāng)前的實時位置顯示在作業(yè)地圖上,通過查看與規(guī)劃路徑的偏差達到輔助導(dǎo)航的目的,在車輛行駛過程中,界面上可以動態(tài)顯示播種狀態(tài),實時顯示時間、車輛位置、速度、可用衛(wèi)星數(shù)等信息,還可回放行走路線,顯示漏播和正常播種路徑,并將信息存儲到數(shù)據(jù)庫中.漏播與標記系統(tǒng)通過監(jiān)測種植機落種情況,判斷漏播發(fā)生時啟動標記裝置在漏播位置進行標記.

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 The system framework and composition

2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

2.1 輔助導(dǎo)航系統(tǒng)硬件設(shè)計

輔助導(dǎo)航系統(tǒng)主要由GPS移動端、GPS基準站、工控機及電臺、天線組成.

本文所采用的GPS移動端由Novatel公司生產(chǎn)OEM615板卡、GPS外置天線、驅(qū)動板、單接收內(nèi)置模塊PDL RXO電臺和車載天線組成.

GPS基準站由eFix R2手持機、GPS外置天線、大功率基站電臺和電臺天線組成.基準站電臺與電臺天線頻率范圍為406～430 MHz,接口速率設(shè)置為38 400 bit/s.

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計思路是利用Visual C++編程工具及地圖控件MapObjects在Windows XP操作系統(tǒng)下完成開發(fā),采用多串口CSerialPort類接收漏播信息和定位信息,并對數(shù)據(jù)進行處理.車輛位置顯示、作業(yè)路線、漏播點位置顯示等都以地圖控件MapObjects作為顯示平臺,并將所有數(shù)據(jù)存儲到Access數(shù)據(jù)庫中.

2.2.1導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理

對GPS接收機輸出的NEMA-0813格式標準的字符串信息進行截取,以獲得當(dāng)前時間、有效車輛位置、可見衛(wèi)星數(shù).GPS接收機輸出的WGS-84坐標下的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)經(jīng)過高斯投影變換成WGS-84橢球體的高斯平面坐標,便于導(dǎo)航使用.

2.2.2人機交互界面

輔助導(dǎo)航系統(tǒng)時利用VC++平臺和MO控件實現(xiàn),MapObjects是一組基于COM技術(shù)的地圖應(yīng)用組件,在標準的Windows編程環(huán)境下,能夠與其他圖形、多媒體、數(shù)據(jù)庫開發(fā)技術(shù)組成完全獨立的綜合性應(yīng)用軟件,是基于前端應(yīng)用業(yè)務(wù)的良好地圖開發(fā)環(huán)境[20-23].

(1) 底圖生成.將GPS基準站設(shè)立在作業(yè)區(qū)域的一個固定點上,在車輛上安裝移動端后沿作業(yè)邊界行駛后,將采集到邊界數(shù)據(jù)導(dǎo)入到ArcView軟件中,轉(zhuǎn)換為Shape格式的GIS數(shù)據(jù).若作業(yè)邊界為規(guī)則四邊形,也可指采集4個邊界點坐標,生成Shape文件后,再在系統(tǒng)中繪制底圖.

(2) 路徑規(guī)劃.本系統(tǒng)路徑規(guī)劃以四邊形作業(yè)面為例,以矩形最長邊為基準邊規(guī)劃農(nóng)業(yè)機械田間作業(yè)路線,且預(yù)留了一定的安全距離,以此基準邊做一系列平行線,相鄰的兩條平行線距離為一個作業(yè)幅寬.計算這一系列平行線與另兩相對短邊的交點,記錄規(guī)劃節(jié)點(point)坐標,節(jié)點(point)按照對應(yīng)的順序構(gòu)成點集(points),再將Points對象放到一個Line對象中,使用DrawShape方法就可以畫出一條線段來.如果在Points對象中有N個點,則可以產(chǎn)生一條N-1段的折線,并且在農(nóng)業(yè)機械導(dǎo)航田間作業(yè)路線規(guī)劃平臺上顯示出來.

(3) 車輛動態(tài)顯示和路徑回放.作業(yè)區(qū)域底圖數(shù)據(jù)用CMoMapLayer對象表示并掛接在CMoLayers對象上.導(dǎo)航時采用CMoTrackingLayer對象對車輛動態(tài)數(shù)據(jù)、行車軌跡數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理,行車軌跡數(shù)據(jù)用CMoLine對象表示,車輛的當(dāng)前位置用CMoPoint對象表示.路徑回放功能是將存放在數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)重新顯示出來,便于管理者查看使用.系統(tǒng)還設(shè)置了查看種植質(zhì)量的窗口,可以顯示出種植的軌跡和漏播位置.

2.3 漏播監(jiān)測與標記系統(tǒng)

由于蔗種較大,為避免其他細小雜質(zhì)造成誤檢,又能將整個下種截面完全覆蓋,因此，采用光幕傳感器,16束間隔10 mm的紅外線覆蓋監(jiān)測平面,蔗種遮擋其中一束光時發(fā)送低電平信號,無蔗種時發(fā)送高電平信號.相鄰蔗種間隔時間從上一根蔗種離開傳感器開始到下一蔗種進入傳感器結(jié)束.

當(dāng)系統(tǒng)檢測到蔗種下落間隔時間大于正常范圍時,立即發(fā)送信號給驅(qū)動模塊啟動標記裝置播撒石灰.采用石灰作為標記物,石灰與土壤色差較大,便于識別,還可調(diào)節(jié)蔗田土壤酸堿度.光幕傳感器與標記裝置在田間試驗安裝如圖2所示.

圖2 光幕傳感器與標記裝置Fig.2 Light curtain sensor and marking device

3 試驗分析與應(yīng)用

3.1 輔助導(dǎo)航系統(tǒng)的標定試驗

為測試本系統(tǒng)獲得的差分數(shù)據(jù)的準確性和穩(wěn)定性,在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)華山操場對該系統(tǒng)做了標定試驗.在操場上鋪設(shè)了兩條長約18 m的導(dǎo)軌,將GPS移動端和計算機放置在平板小車上沿導(dǎo)軌行進,基準站架設(shè)在空曠無遮擋物的一固定點.試驗數(shù)據(jù)如表1所示.試驗結(jié)果表明,定位數(shù)據(jù)的橫向跟蹤誤差最大值平均為0.030 7 m,平均值為0.010 6 m,標準差為0.010 1 m.甘蔗種植行距為0.9～1.2 m,因此，可滿足甘蔗種植行輔助導(dǎo)航系統(tǒng)的精度要求.

3.2 漏播試驗

根據(jù)文獻[2],實驗室試驗共有53處漏播,田間試驗共144處漏播,全部檢測到并標記.試驗結(jié)果表明,漏播標記起點偏差Qp均值為-83 mm,標準誤為216.1 mm.終點偏差ZP均值為63 mm,標準誤為155.6 mm.表明該系統(tǒng)標記的漏播位置可以為田間種植管理系統(tǒng)提供可靠的漏播位置數(shù)據(jù).

3.3 田間試驗

為考察甘蔗田間監(jiān)測系統(tǒng)在田間的應(yīng)用情況,采用JOHN DEERE 1204拖拉機、HN 2CZD-2型單芽段甘蔗種植機,在廣東省湛江農(nóng)墾廣墾農(nóng)機服務(wù)有限公司的試驗基地進行了田間甘蔗種植試驗,如圖3所示.

田間種植漏播監(jiān)測系統(tǒng)將正常種植和漏種的路徑信息分別存儲在不同數(shù)據(jù)表中,并有路徑回放功能及種植路徑圖.甘蔗田間漏播監(jiān)測系統(tǒng)在田間使用情況如圖4所示.

表1 RTK GPS板卡橫向跟蹤誤差統(tǒng)計表Tab.1 Statistics of cross-tracking error of RTK GPS

圖3 田間種植試驗Fig.3 Field experiment of planting

圖4 甘蔗田間漏播監(jiān)測系統(tǒng)Fig.4 Sowing leakage monitoring system on sugarcane planter in field

根據(jù)每畝5 000有效芽的種植要求及試驗用拖拉機田間穩(wěn)定行駛速度范圍,轉(zhuǎn)速選取30,40,50 r/min 3個水平,車速選取2,3 km/h兩個水平,測試不同轉(zhuǎn)速及車速條件下的田間作業(yè)情況.田間均勻性試驗指標為漏種率、合格率、重種率:

式中:n為以0.5 m為單位的壟內(nèi)蔗種數(shù);N為以0.5 m為單位的壟內(nèi)理論蔗種數(shù);n1為漏種的單位個數(shù);n2為合格的單位個數(shù);n3為重種的單位個數(shù);Sl為漏種率;Sh為合格率;Sc為重種率.

為保證轉(zhuǎn)速穩(wěn)定,種植機在開好的溝內(nèi)直接排種,每個轉(zhuǎn)速播種一行,每行50 m,通過統(tǒng)計0.5 m內(nèi)的蔗種數(shù)來計算漏播率、重播率及合格率.試驗時駕駛員可根據(jù)田間種植管理系統(tǒng)實時查看車輛當(dāng)前位置與規(guī)劃路徑的偏差、當(dāng)前車速、漏播實時監(jiān)測等.試驗結(jié)束后還可以通過調(diào)出田間種植質(zhì)量圖來查看種植情況.

表2 田間均勻性試驗結(jié)果Tab.2 Results of field experiment of planting uniformity

田間統(tǒng)計0.5 m播行內(nèi)蔗種數(shù)共計427個區(qū)段.田間種植試驗結(jié)果如表2所示.系統(tǒng)漏播率通過計算紅色漏播路徑占有效播種路徑的百分比來統(tǒng)計.由表2可知系統(tǒng)統(tǒng)計漏播率與實際漏播率基本一致,誤差較小.

試驗結(jié)果表明:30 r/min時合格率最低;轉(zhuǎn)速為40 r/min時合格率最高,漏種率最低;轉(zhuǎn)速為50 r/min時,車速增加時對試驗指標合格率的影響不大,重種率略有增加.因此，田間試驗時轉(zhuǎn)速40 r/min、車速2.26 km/h時的播種均勻性最好,每0.5 m壟內(nèi)有蔗種3～8個.

4 結(jié)論

(1) 輔助導(dǎo)航系統(tǒng)的橫向跟蹤誤差最大值平均為0.030 7 m,平均值為0.010 6 m,標準差為0.010 1 m,因此，可滿足甘蔗種植行輔助導(dǎo)航系統(tǒng)的精度要求.

(2) 漏播標記試驗表明,該系統(tǒng)標記的漏播位置可以為田間種植管理系統(tǒng)提供可靠的漏播位置數(shù)據(jù).

(3) 田間試驗表明,該系統(tǒng)漏播率與實際漏播率基本一致,單芽段甘蔗種植機在轉(zhuǎn)速40 r/min、車速2.26 km/h時的播種均勻性最好.該系統(tǒng)可進行路徑規(guī)劃、實時監(jiān)測車輛動態(tài)、回放作業(yè)路徑和種植質(zhì)量圖,對甘蔗種植管理提供可靠依據(jù).