王美美,劉慶庭,區(qū)穎剛,張智剛

(1.安陽工學(xué)院 機(jī)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(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jī)手的經(jīng)驗(yàn)控制,易造成行距不均勻及漏播等問題[1-3].應(yīng)用精準(zhǔn)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(shì)[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(jìn)行作物監(jiān)測,該系統(tǒng)具有自動(dòng)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(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng),可以隨時(shí)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(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、存儲(chǔ)和查詢以及環(huán)境控制器的手自動(dòng)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(shí)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(duì)農(nóng)場系統(tǒng)技術(shù)升級(jí)和管理方式創(chuàng)新的需求,設(shè)計(jì)了基于 Android 平臺(tái)的水稻生長田間管理輔助決策系統(tǒng).辛德奎等[15]設(shè)計(jì)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(jī)車的位置、運(yùn)行狀態(tài)和作業(yè)狀態(tài)等信息.

本研究在甘蔗種植機(jī)上安裝GPS信號(hào)接收機(jī)及漏播傳感器,開發(fā)了甘蔗種植機(jī)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(jī)漏播監(jiān)測與標(biāo)識(shí)系統(tǒng),可實(shí)時(shí)監(jiān)測甘蔗田間作業(yè)行內(nèi)漏播及種植機(jī)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(biāo)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(jī)圖形界面系統(tǒng),漏播與標(biāo)記系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)、光幕傳感器、標(biāo)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(dòng)端接收機(jī)通過數(shù)傳電臺(tái)接收基準(zhǔn)站發(fā)來的差分信號(hào),并將最終的定位信息通過RS232總線傳輸給工控機(jī).工控機(jī)圖形界面系統(tǒng)主要將車輛當(dāng)前的實(shí)時(shí)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(dá)到輔助導(dǎo)航的目的,在車輛行駛過程中,界面上可以動(dòng)態(tài)顯示播種狀態(tài),實(shí)時(shí)顯示時(shí)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(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中.漏播與標(biāo)記系統(tǒng)通過監(jiān)測種植機(jī)落種情況,判斷漏播發(fā)生時(shí)啟動(dòng)標(biāo)記裝置在漏播位置進(jìn)行標(biāo)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(jì)

2.1 輔助導(dǎo)航系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

輔助導(dǎo)航系統(tǒng)主要由GPS移動(dòng)端、GPS基準(zhǔn)站、工控機(jī)及電臺(tái)、天線組成.

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

GPS基準(zhǔn)站由eFix R2手持機(jī)、GPS外置天線、大功率基站電臺(tái)和電臺(tái)天線組成.基準(zhǔn)站電臺(tái)與電臺(tái)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(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.車輛位置顯示、作業(yè)路線、漏播點(diǎn)位置顯示等都以地圖控件MapObjects作為顯示平臺(tái),并將所有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到Access數(shù)據(jù)庫中.

2.2.1導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理

對(duì)GPS接收機(jī)輸出的NEMA-0813格式標(biāo)準(zhǔn)的字符串信息進(jìn)行截取,以獲得當(dāng)前時(shí)間、有效車輛位置、可見衛(wèi)星數(shù).GPS接收機(jī)輸出的WGS-84坐標(biāo)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(biāo),便于導(dǎo)航使用.

2.2.2人機(jī)交互界面

輔助導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)利用VC++平臺(tái)和MO控件實(shí)現(xiàn),MapObjects是一組基于COM技術(shù)的地圖應(yīng)用組件,在標(biāo)準(zhǔn)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(dú)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(zhǔn)站設(shè)立在作業(yè)區(qū)域的一個(gè)固定點(diǎn)上,在車輛上安裝移動(dòng)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(gè)邊界點(diǎn)坐標(biāo),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(zhǔn)邊規(guī)劃農(nóng)業(yè)機(jī)械田間作業(yè)路線,且預(yù)留了一定的安全距離,以此基準(zhǔn)邊做一系列平行線,相鄰的兩條平行線距離為一個(gè)作業(yè)幅寬.計(jì)算這一系列平行線與另兩相對(duì)短邊的交點(diǎn),記錄規(guī)劃節(jié)點(diǎn)(point)坐標(biāo),節(jié)點(diǎn)(point)按照對(duì)應(yīng)的順序構(gòu)成點(diǎn)集(points),再將Points對(duì)象放到一個(gè)Line對(duì)象中,使用DrawShape方法就可以畫出一條線段來.如果在Points對(duì)象中有N個(gè)點(diǎn),則可以產(chǎn)生一條N-1段的折線,并且在農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航田間作業(yè)路線規(guī)劃平臺(tái)上顯示出來.

(3) 車輛動(dòng)態(tài)顯示和路徑回放.作業(yè)區(qū)域底圖數(shù)據(jù)用CMoMapLayer對(duì)象表示并掛接在CMoLayers對(duì)象上.導(dǎo)航時(shí)采用CMoTrackingLayer對(duì)象對(duì)車輛動(dòng)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(duì)象表示,車輛的當(dāng)前位置用CMoPoint對(duì)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(biāo)記系統(tǒng)

由于蔗種較大,為避免其他細(xì)小雜質(zhì)造成誤檢,又能將整個(gè)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(shí)發(fā)送低電平信號(hào),無蔗種時(shí)發(fā)送高電平信號(hào).相鄰蔗種間隔時(shí)間從上一根蔗種離開傳感器開始到下一蔗種進(jìn)入傳感器結(jié)束.

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

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

3 試驗(yàn)分析與應(yīng)用

3.1 輔助導(dǎo)航系統(tǒng)的標(biāo)定試驗(yàn)

為測試本系統(tǒng)獲得的差分?jǐn)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性,在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)華山操場對(duì)該系統(tǒng)做了標(biāo)定試驗(yàn).在操場上鋪設(shè)了兩條長約18 m的導(dǎo)軌,將GPS移動(dòng)端和計(jì)算機(jī)放置在平板小車上沿導(dǎo)軌行進(jìn),基準(zhǔn)站架設(shè)在空曠無遮擋物的一固定點(diǎn).試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示.試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)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(yàn)

根據(jù)文獻(xiàn)[2],實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)共有53處漏播,田間試驗(yàn)共144處漏播,全部檢測到并標(biāo)記.試驗(yàn)結(jié)果表明,漏播標(biāo)記起點(diǎn)偏差Qp均值為-83 mm,標(biāo)準(zhǔn)誤為216.1 mm.終點(diǎn)偏差ZP均值為63 mm,標(biāo)準(zhǔn)誤為155.6 mm.表明該系統(tǒng)標(biāo)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(yàn)

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(jī)、HN 2CZD-2型單芽段甘蔗種植機(jī),在廣東省湛江農(nóng)墾廣墾農(nóng)機(jī)服務(wù)有限公司的試驗(yàn)基地進(jìn)行了田間甘蔗種植試驗(yàn),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(chǔ)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(jì)表Tab.1 Statistics of cross-tracking error of RTK GPS

圖3 田間種植試驗(yàn)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(yàn)用拖拉機(jī)田間穩(wěn)定行駛速度范圍,轉(zhuǎn)速選取30,40,50 r/min 3個(gè)水平,車速選取2,3 km/h兩個(gè)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(yàn)指標(biāo)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(gè)數(shù);n2為合格的單位個(gè)數(shù);n3為重種的單位個(gè)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(jī)在開好的溝內(nèi)直接排種,每個(gè)轉(zhuǎn)速播種一行,每行50 m,通過統(tǒng)計(jì)0.5 m內(nèi)的蔗種數(shù)來計(jì)算漏播率、重播率及合格率.試驗(yàn)時(shí)駕駛員可根據(jù)田間種植管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)測等.試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of field experiment of planting uniformity

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

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

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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)記試驗(yàn)表明,該系統(tǒng)標(biāo)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(yàn)表明,該系統(tǒng)漏播率與實(shí)際漏播率基本一致,單芽段甘蔗種植機(jī)在轉(zhuǎn)速40 r/min、車速2.26 km/h時(shí)的播種均勻性最好.該系統(tǒng)可進(jìn)行路徑規(guī)劃、實(shí)時(shí)監(jiān)測車輛動(dòng)態(tài)、回放作業(yè)路徑和種植質(zhì)量圖,對(duì)甘蔗種植管理提供可靠依據(jù).