基于GPS技術(shù)的水稻精準(zhǔn)種植機械設(shè)計與實現(xiàn)

邊海生

(方正縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心,黑龍江 方正 150800)

0 引言

隨著世界人口的增加,對食物的需求量也在增加,食品安全問題日益受到重視。水稻作為世界上最大的糧食作物,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位。為滿足日益增長的食物需求,如何提高農(nóng)作物產(chǎn)量是當(dāng)前亟待解決的問題。在此背景下,對水稻播種機的研究與開發(fā)越來越重視[1-3]。水稻種植機械是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的核心裝備,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。但是,目前水稻播種機械在我國的推廣應(yīng)用還面臨著播種精度不高,作業(yè)效率低,設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜,能耗大,對環(huán)境的影響大等問題。針對上述問題,對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,對于促進(jìn)我國水稻播種機技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展具有重要意義[4-7]。

當(dāng)前,精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)已經(jīng)成為我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)覆蓋很多領(lǐng)域,例如采用傳感器、互聯(lián)網(wǎng)和GPS定位技術(shù)實現(xiàn)精準(zhǔn)變量播種和施肥。所以,研制一套水稻播種機監(jiān)控系統(tǒng),可以提高播種質(zhì)量。在播種機定位方面,國外主要采用 GPS定位技術(shù)來監(jiān)測播種機的位置。約翰迪爾公司的AutoTrae全自動導(dǎo)航系統(tǒng),以綠色星32630顯示屏監(jiān)控種苗位置,并使用了星火6000接收機和SF3訊號,其準(zhǔn)確度達(dá)到2.5 cm,具有4～5倍的高效能。美國精密播種公司生產(chǎn)的20/20SeedSense,不但可以準(zhǔn)確地定位種子的位置,還可以準(zhǔn)確地判斷漏播面積,同時還可以檢測出土壤水分、溫度,以及鎮(zhèn)壓情況[8-11]。石河子大學(xué)實現(xiàn)了對播報信息的實時監(jiān)控,并利用報警燈光和蜂鳴器對漏播情況進(jìn)行實時預(yù)警,以便駕駛?cè)藛T能夠在最短時間內(nèi)作出正確的應(yīng)對[12]。吉林大學(xué)利用GPS和GPRS技術(shù),對種子進(jìn)行了實時監(jiān)控[13]。河南理工大學(xué)利用GPS定位技術(shù),對其進(jìn)行了精確的分割施肥[14]。目前,我國的相關(guān)研究多是針對種子的漏播、重播等情況,而針對結(jié)合GPS的水稻種子的位置監(jiān)測研究較少。

本文設(shè)計了一種基于GPS技術(shù)的水稻精準(zhǔn)種植機械,主要包含播種機械的關(guān)鍵部件,以及通過兩套光電傳感器和GPS的組合,完成了種子種植位置的推算,并將推算結(jié)果及漏播和重播區(qū)域等其他播種操作信息顯示在云端平臺上,并進(jìn)行田間試驗。

1 水稻精準(zhǔn)種植機械關(guān)鍵部件設(shè)計

1.1 種子箱

本研究以龍粳31為水稻品種,進(jìn)行播種試驗。研究了水稻在不同含水率條件下,滑動摩擦角范圍為20°～40°,并以此為依據(jù),考慮種箱內(nèi)摩擦力和下滑力的關(guān)系,如圖1所示。其最佳的θ角為60°,且種槽底部呈一特定的斜角,方便種子直接進(jìn)入型孔中。此外,在種子盒底部裝有一個擋板,用來調(diào)整播種量。

1. 種子箱;2.從動帶輪;3.充種帶圖1 種植機械機構(gòu)圖

1.2 錐型孔

錐型孔的設(shè)計參數(shù)是種植機械的中心,它的設(shè)計參數(shù)對種子填充質(zhì)量有直接影響[15]。帶狀排種器的特點是能使填充距離增大,能更好地滿足錐型孔對精密填充的技術(shù)指標(biāo)的要求。在此基礎(chǔ)上,以龍粳31水稻種子為材料,對水稻種子進(jìn)行了物理性狀測試,獲得了水稻種子的平均三軸度:長7.54 mm、寬3 mm、高2.4 mm。最大休止角和最大滑動角分別為49°和26°。清種后,2～3粒種子留在型孔內(nèi),實現(xiàn)了精確播種。

1.3 充種帶

為方便監(jiān)測,避免因打滑而造成的漏播,充種皮帶由同步皮帶組成,其寬度為25 mm,根據(jù)皮帶輪數(shù)及設(shè)計要求而定。由于同步皮帶太細(xì),只能滿足輸送要求,不能形成大到足以填充種子的型孔。因此,為了制造出型孔,還需要在膠帶上涂上一層軟橡膠材料。皮帶長度為370 mm,兩列37個小孔。同步皮帶的每個孔徑都是2 mm,便于檢驗,而且不會有種子泄漏出來。

1.4 護(hù)種裝置

水稻在直播作業(yè)時,一般都會露出白色的芽種,相對來說,它更容易受到傷害[15-17]。因此,播種時需安裝護(hù)種設(shè)備,降低種子的損傷概率。常規(guī)護(hù)種設(shè)備在護(hù)種時,種子滑落過程與護(hù)種設(shè)備接觸容易產(chǎn)生摩擦。因此,在種植機械中加入護(hù)種裝置,護(hù)種裝置上面有護(hù)種帶,它是由主動帶輪驅(qū)動實現(xiàn)作業(yè)。此外,護(hù)種帶上面涂有柔性材料,能夠降低種子的接觸損傷,同時也能降低摩擦,有效保證播種精度。

1.護(hù)種帶;2.主動帶輪;3.護(hù)種帶輪圖2 護(hù)種裝置

2 基于GPS技術(shù)的種植機械系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

在上述研究的基礎(chǔ)上,本文提出了一種基于云計算的水稻種植機械系統(tǒng),如圖3所示。其中,利用光電傳感器對播種過程進(jìn)行實時監(jiān)控,實現(xiàn)了漏播指數(shù)、重播指數(shù)、合格指數(shù)和播種位置的實時監(jiān)控。在采集到各傳感器的數(shù)據(jù)后,通過CAN總線對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析,并將數(shù)據(jù)發(fā)送給車載終端,最后將數(shù)據(jù)上傳至云端。水稻種子的位置主要是利用兩套光電傳感器和GPS的定位來計算水稻種子的位置,并把計算結(jié)果顯示在云平臺上,系統(tǒng)界面中地圖上也會顯示出漏播種子的面積。

圖3 水稻播種位置監(jiān)測系統(tǒng)原理圖

2.2 播種位置監(jiān)測原理

為了確定播種的具體位置,以地面分界線為原點,建立了一套平面坐標(biāo)系統(tǒng),如圖4所示。對各種子點的定位進(jìn)行了計算,得到了各水稻種子點的X和Y方向的偏移量。在播種管中,安裝了兩套光電傳感裝置,傳感裝置A與種子管口相距200 mm,傳感裝置B與種子管口之間的距離為L。試驗采用了改變排種盤轉(zhuǎn)速的方法,來模擬種植機械的行駛速度過程。當(dāng)水稻種子從排種管中流出的時候,就會啟動高速攝像,對其進(jìn)行拍攝,并記錄下水稻種子的排種軌跡,并計算出種子從排種管中流出的速度和兩個傳感器間的平均速度。

圖4 種植機械坐標(biāo)系

3 田間試驗

為檢驗該系統(tǒng)的精確度和控制精度,于2022年6月在方正縣水稻科技園區(qū)農(nóng)機推廣試驗示范基地進(jìn)行了現(xiàn)場測試,并采用雷沃M1204 D型牽引車作為動力裝置,對該裝置進(jìn)行了現(xiàn)場測試。以龍稻31號為供試材料,利康農(nóng)復(fù)合肥為供試材料,以2 hm2為地塊面積。在檢測播位的準(zhǔn)確度時,將播位轉(zhuǎn)化為水稻間距,因為播位處于設(shè)定好的虛擬座標(biāo)中,在Y方向上基本不存在任何偏差。在設(shè)置好株距后,啟動播種機,播后,隨機選取15個采樣點,計算已經(jīng)作業(yè)位置的實際播種量與云平臺中所記錄的播種量進(jìn)行比較。試驗以當(dāng)?shù)剞r(nóng)藝要求為依據(jù),將作業(yè)速度設(shè)定為6 km/h,株距誤差在0～2 cm范圍內(nèi)屬于合格。試驗結(jié)果顯示,播種合格率可以達(dá)到95%,漏播率為3.2%,重播率為1.8%,能夠滿足水稻種植的需要。由于種子在落種時會出現(xiàn)翻滾反彈,播種機未及時制止,以及播位監(jiān)控系統(tǒng)未進(jìn)行翻滾反彈距離的計算,導(dǎo)致一些水稻播種量的實際值與平臺記錄值出現(xiàn)誤差。

4 結(jié)論

本文結(jié)合水稻種植機械目前的研究現(xiàn)狀,設(shè)計了一種基于GPS技術(shù)的水稻精準(zhǔn)種植機械。對種子箱、錐型孔、充種帶和護(hù)種裝置進(jìn)行優(yōu)化參數(shù)設(shè)計,提高了播種效率。此外,通過兩套光電傳感器和 GPS的組合,完成了種子的種植位置的推算,并將推算結(jié)果展示在云端平臺上,并將漏播和重播區(qū)域等其他播種操作信息顯示在云端平臺上。田間試驗結(jié)果表明,播種合格率能達(dá)到95%,漏播率3.2%,重播率1.8%,滿足水稻種植要求。