甘蔗种植机田间漏播监测试验

王美美,刘庆庭,区颖刚,张智刚

(1.安阳工学院 机械工程学院,河南 安阳455000;2.华南农业大学大学 南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室,广州 510642)

目前,我国甘蔗生产管理仍属于粗放经营模式,甘蔗种植过程中播种量、均匀性及种植行距主要依靠机手的经验控制,易造成行距不均匀及漏播等问题[1-3].应用精准农业技术改变我国传统农业粗放经营模式,提高农场管理人员工作效率及决策能力将成为未来农业发展的趋势[4-8].

Montoya等[9]开发了一种基于Android系统和Mesh网络的精确农业监测系统,用于采集与监控农田信息.Shelestov等[10]利用中、高分辨率遥感卫星获得的数据和产品进行作物监测,该系统具有自动数据检索和业务逻辑分析的附加功能.Kim等[11]在传感器网络体系结构的基础上开发了一套农业实时监控系统,可以随时检查目前的作物和农场现场情况.张安然[12]开发了一套智能管理系统,实现了农业环境数据的实时监测、存储和查询以及环境控制器的手自动控制.邢秋芬等[13]利用数据库技术、NET框架技术和CBR推理技术构建了寒地水稻种植管理信息系统,使得水稻种植管理相关技术知识查阅更为简便,有效提高了寒地水稻种植管理水平.马志欣[14]针对农场系统技术升级和管理方式创新的需求,设计了基于 Android 平台的水稻生长田间管理辅助决策系统.辛德奎等[15]设计了一种基于北斗和GPS的双模定位系统,可以得到田间作业机车的位置、运行状态和作业状态等信息.

本研究在甘蔗种植机上安装GPS信号接收机及漏播传感器,开发了甘蔗种植机田间作业监测系统.该系统包括辅助导航系统、种植机漏播监测与标识系统,可实时监测甘蔗田间作业行内漏播及种植机作业的行间均匀性.

1 系统总体方案与硬件结构

田间种植管理系统从功能作用上可以分为辅助导航系统和漏播监测与标记系统,总体框架结构如图1所示.

目前，GPS定位系统在农业导航上应用越来越多[16-19],本系统辅助导航采用的是更精确的差分定位,包括DGPS导航系统、工控机图形界面系统,漏播与标记系统包括控制系统、光幕传感器、标记装置.DGPS导航系统主要获取当前的定位信息,GPS移动端接收机通过数传电台接收基准站发来的差分信号,并将最终的定位信息通过RS232总线传输给工控机.工控机图形界面系统主要将车辆当前的实时位置显示在作业地图上,通过查看与规划路径的偏差达到辅助导航的目的,在车辆行驶过程中,界面上可以动态显示播种状态,实时显示时间、车辆位置、速度、可用卫星数等信息,还可回放行走路线,显示漏播和正常播种路径,并将信息存储到数据库中.漏播与标记系统通过监测种植机落种情况,判断漏播发生时启动标记装置在漏播位置进行标记.

图1 系统总体结构框图Fig.1 The system framework and composition

2 系统功能模块设计

2.1 辅助导航系统硬件设计

辅助导航系统主要由GPS移动端、GPS基准站、工控机及电台、天线组成.

本文所采用的GPS移动端由Novatel公司生产OEM615板卡、GPS外置天线、驱动板、单接收内置模块PDL RXO电台和车载天线组成.

GPS基准站由eFix R2手持机、GPS外置天线、大功率基站电台和电台天线组成.基准站电台与电台天线频率范围为406～430 MHz,接口速率设置为38 400 bit/s.

2.2 系统软件设计

系统软件设计思路是利用Visual C++编程工具及地图控件MapObjects在Windows XP操作系统下完成开发,采用多串口CSerialPort类接收漏播信息和定位信息,并对数据进行处理.车辆位置显示、作业路线、漏播点位置显示等都以地图控件MapObjects作为显示平台,并将所有数据存储到Access数据库中.

2.2.1导航数据处理

对GPS接收机输出的NEMA-0813格式标准的字符串信息进行截取,以获得当前时间、有效车辆位置、可见卫星数.GPS接收机输出的WGS-84坐标下的经纬度数据经过高斯投影变换成WGS-84椭球体的高斯平面坐标,便于导航使用.

2.2.2人机交互界面

辅助导航系统时利用VC++平台和MO控件实现,MapObjects是一组基于COM技术的地图应用组件,在标准的Windows编程环境下,能够与其他图形、多媒体、数据库开发技术组成完全独立的综合性应用软件,是基于前端应用业务的良好地图开发环境[20-23].

(1) 底图生成.将GPS基准站设立在作业区域的一个固定点上,在车辆上安装移动端后沿作业边界行驶后,将采集到边界数据导入到ArcView软件中,转换为Shape格式的GIS数据.若作业边界为规则四边形,也可指采集4个边界点坐标,生成Shape文件后,再在系统中绘制底图.

(2) 路径规划.本系统路径规划以四边形作业面为例,以矩形最长边为基准边规划农业机械田间作业路线,且预留了一定的安全距离,以此基准边做一系列平行线,相邻的两条平行线距离为一个作业幅宽.计算这一系列平行线与另两相对短边的交点,记录规划节点(point)坐标,节点(point)按照对应的顺序构成点集(points),再将Points对象放到一个Line对象中,使用DrawShape方法就可以画出一条线段来.如果在Points对象中有N个点,则可以产生一条N-1段的折线,并且在农业机械导航田间作业路线规划平台上显示出来.

(3) 车辆动态显示和路径回放.作业区域底图数据用CMoMapLayer对象表示并挂接在CMoLayers对象上.导航时采用CMoTrackingLayer对象对车辆动态数据、行车轨迹数据统一管理,行车轨迹数据用CMoLine对象表示,车辆的当前位置用CMoPoint对象表示.路径回放功能是将存放在数据库中的数据重新显示出来,便于管理者查看使用.系统还设置了查看种植质量的窗口,可以显示出种植的轨迹和漏播位置.

2.3 漏播监测与标记系统

由于蔗种较大,为避免其他细小杂质造成误检,又能将整个下种截面完全覆盖,因此，采用光幕传感器,16束间隔10 mm的红外线覆盖监测平面,蔗种遮挡其中一束光时发送低电平信号,无蔗种时发送高电平信号.相邻蔗种间隔时间从上一根蔗种离开传感器开始到下一蔗种进入传感器结束.

当系统检测到蔗种下落间隔时间大于正常范围时,立即发送信号给驱动模块启动标记装置播撒石灰.采用石灰作为标记物,石灰与土壤色差较大,便于识别,还可调节蔗田土壤酸碱度.光幕传感器与标记装置在田间试验安装如图2所示.

图2 光幕传感器与标记装置Fig.2 Light curtain sensor and marking device

3 试验分析与应用

3.1 辅助导航系统的标定试验

为测试本系统获得的差分数据的准确性和稳定性,在华南农业大学华山操场对该系统做了标定试验.在操场上铺设了两条长约18 m的导轨,将GPS移动端和计算机放置在平板小车上沿导轨行进,基准站架设在空旷无遮挡物的一固定点.试验数据如表1所示.试验结果表明,定位数据的横向跟踪误差最大值平均为0.030 7 m,平均值为0.010 6 m,标准差为0.010 1 m.甘蔗种植行距为0.9～1.2 m,因此，可满足甘蔗种植行辅助导航系统的精度要求.

3.2 漏播试验

根据文献[2],实验室试验共有53处漏播,田间试验共144处漏播,全部检测到并标记.试验结果表明,漏播标记起点偏差Qp均值为-83 mm,标准误为216.1 mm.终点偏差ZP均值为63 mm,标准误为155.6 mm.表明该系统标记的漏播位置可以为田间种植管理系统提供可靠的漏播位置数据.

3.3 田间试验

为考察甘蔗田间监测系统在田间的应用情况,采用JOHN DEERE 1204拖拉机、HN 2CZD-2型单芽段甘蔗种植机,在广东省湛江农垦广垦农机服务有限公司的试验基地进行了田间甘蔗种植试验,如图3所示.

田间种植漏播监测系统将正常种植和漏种的路径信息分别存储在不同数据表中,并有路径回放功能及种植路径图.甘蔗田间漏播监测系统在田间使用情况如图4所示.

表1 RTK GPS板卡横向跟踪误差统计表Tab.1 Statistics of cross-tracking error of RTK GPS

图3 田间种植试验Fig.3 Field experiment of planting

图4 甘蔗田间漏播监测系统Fig.4 Sowing leakage monitoring system on sugarcane planter in field

根据每亩5 000有效芽的种植要求及试验用拖拉机田间稳定行驶速度范围,转速选取30,40,50 r/min 3个水平,车速选取2,3 km/h两个水平,测试不同转速及车速条件下的田间作业情况.田间均匀性试验指标为漏种率、合格率、重种率:

式中:n为以0.5 m为单位的垄内蔗种数;N为以0.5 m为单位的垄内理论蔗种数;n1为漏种的单位个数;n2为合格的单位个数;n3为重种的单位个数;Sl为漏种率;Sh为合格率;Sc为重种率.

为保证转速稳定,种植机在开好的沟内直接排种,每个转速播种一行,每行50 m,通过统计0.5 m内的蔗种数来计算漏播率、重播率及合格率.试验时驾驶员可根据田间种植管理系统实时查看车辆当前位置与规划路径的偏差、当前车速、漏播实时监测等.试验结束后还可以通过调出田间种植质量图来查看种植情况.

表2 田间均匀性试验结果Tab.2 Results of field experiment of planting uniformity

田间统计0.5 m播行内蔗种数共计427个区段.田间种植试验结果如表2所示.系统漏播率通过计算红色漏播路径占有效播种路径的百分比来统计.由表2可知系统统计漏播率与实际漏播率基本一致,误差较小.

试验结果表明:30 r/min时合格率最低;转速为40 r/min时合格率最高,漏种率最低;转速为50 r/min时,车速增加时对试验指标合格率的影响不大,重种率略有增加.因此，田间试验时转速40 r/min、车速2.26 km/h时的播种均匀性最好,每0.5 m垄内有蔗种3～8个.

4 结论

(1) 辅助导航系统的横向跟踪误差最大值平均为0.030 7 m,平均值为0.010 6 m,标准差为0.010 1 m,因此，可满足甘蔗种植行辅助导航系统的精度要求.

(2) 漏播标记试验表明,该系统标记的漏播位置可以为田间种植管理系统提供可靠的漏播位置数据.

(3) 田间试验表明,该系统漏播率与实际漏播率基本一致,单芽段甘蔗种植机在转速40 r/min、车速2.26 km/h时的播种均匀性最好.该系统可进行路径规划、实时监测车辆动态、回放作业路径和种植质量图,对甘蔗种植管理提供可靠依据.