基于多轴运动控制的变量施肥作业系统设计与试验

基于多轴运动控制的变量施肥作业系统设计与试验

然而，近年来，由于化肥用量不足、污染严重、资源压力和环境破坏，化学肥布在我国农业生产中发挥着重要作用。通过改变对不同区域施瓦肥料的需求，可以提高肥料的利用效率，减少浪费，减少对耕地和地下水的污染。随着20世纪90年代外国精确农业技术的兴起，作为解决农业科技成果的必要因素，变量施肥技术引起了许多研究人员的兴趣，并进行了大量关于变量施肥作业系统的研究工作。与国外的研究相比，中国在这一领域的研究主要是引进和吸收的，而且缺乏对支持农业变量联合支持平台技术的多因素联合支持。如农业机械高效网络系统、变量操作机械电子控制单元和基于线技术的系统整合开发等。以实现基于西南角的嵌入式变量施肥作业系统的适应性。采用农业机械车载控制终端和变量作业控制系统的适应性，根据最小干扰率控制排便装置的电子控制单元，以及基于土地速度信号采集模块和辅助平行动动行动导航模块的分布式变量配置肥系统原型。在此基础上，对变量施肥作业系统进行了常量施肥试验和变量施肥试验，分析了系统运行的精度和动态响应性能。1系统设计1.1分布式变量施肥作业系统根据系统的作业原理不同,变量施肥作业系统分为基于处方图和基于实时传感器等两种.文中研究的系统为基于处方图的变量施肥作业系统,系统包括差分GPS(DGPS)、机载作业控制终端、变量施肥控制器、速度采集模块、液压驱动执行机构、平行作业辅助导航模块等主要部分.按照分布式系统设计思想,将系统主要功能模块封装为相应的电子作业控制单元(electroniccontrolunit,ECU),基于CAN总线和ISO11783协议,构建一个基于处方图的分布式变量施肥作业系统,系统结构如图1所示.分布式变量施肥作业系统使用施肥控制消息、实际施肥量消息、地速消息和导航控制消息等实现各个ECU节点之间的通信.施肥控制消息是机载控制终端发送给变量施肥控制器的施肥控制指令;实际施肥量信息是变量施肥控制器反馈给机载控制终端的数据;地速消息是测速模块实时检测到的拖拉机行驶速度数据,作为在总线上广播的数据;导航控制消息是机载控制终端发送给导航指示控制器的偏航显示指令.按照ISO11783通信协议的定义,每个消息单元由29位的标识符和64位的报文单元组成.根据基于处方图的分布式变量施肥作业系统实际需要,设计了系统常用的报文数据格式,目前报文数据格式包括20条语句.从功能上分数据传输语句、控制指令语句、查询语句、应答语句等.根据传输数据的需要,报文长度均设计为8个字节.内容包括起始位、语句类型、参数和结束符等.起始位用一个字节“$”表示,第二位表示语句类型,以ASCII码来表示,如V代表地速信息,F代表施肥控制语句等.报文第3—5位为该语句的具体参数,第8位是“#”,作为报文的结束位.1.2车载作业控制终端系统机载作业控制终端作为系统的人机交互接口,负责显示存储作业处方图和相关作业过程数据.本研究以PC-104嵌入式主板为核心,集成存储、显示、输入、输出和CAN适配卡等功能组件,构建适合作业控制、监视功能需求的嵌入式机载作业控制终端.终端的总体结构如图2所示.通过对Microsoft32位实时嵌入式操作系统WinCE.net进行开发,定制了适合嵌入式机载作业控制终端的实时多任务操作系统.机载作业控制终端操作系统的开发涉及到硬件层的构建、OEM层OAL的选择、BootLoader开发、配置文件的定制和部分硬件驱动程序开发;在操作系统层,主要利用PlatformBuilder进行基于操作系统最小内核的功能模块裁减定制.经过系统硬件平台的搭建和操作系统的裁剪定制,开发了适合变量施肥作业系统需要的机载作业控制终端设备.图3所示为本研究试制的田间作业计算机实物.利用eMbeddedVisualC++集成开发环境,开发了运行于机载作业控制终端的变量施肥和导航控制软件系统.采用嵌入式地理信息系统软件组件eSuperMap,在机载作业控制终端上实现施肥处方图的显示、分级渲染、缩放操作等功能.针对田间变量实施作业的需要,按照ISO11783总线通讯协议,实现CAN通信的初始化、基于GPS位置的施肥处方数据提取和实时变量施肥作业控制等功能.1.3控制系统和原理变量施肥控制器的主要任务就是实时接收机载控制终端的施肥量控制信号并根据当前作业速度和作业幅宽计算出排肥驱动机构的目标工作转速,同时检测排肥驱动机构转速反馈信号,通过数字PID控制算法,执行对排肥驱动机构转速的闭环控制,形成功能相对完整的电子控制单元模块.变量施肥控制器采用TI2407DSP作为微处理器,TI2407DSP片上集成了SPI,CAN接口等,处理速度快、外设资源丰富、性能稳定、易于实现许多先进的控制算法.DSP2407的控制信号通过SPI接口进行D/A转换和功率放大,产生控制电液比例阀的电信号,实现液压系统流量调节进而改变液压马达转速,达到控制排肥机构转速和颗粒肥料瞬时流量的目的.液压马达的转速通过光电码盘检测并输入到DSP作为反馈信号,控制器应用增量式PID控制算法进行闭环转速控制.系统工作原理如图4所示.TI2407DSP内置CAN总线控制器,通过外加CAN收发器82C250,可以方便地实现与总线上其他节点进行高速可靠的通讯.此外,通过外接LCD和汉字库的支持,使主控制器具有中文字符显示功能,能显示系统运行及与用户交互的状态.1.4轮速信号采集模块的实现轮速传感器测速法是一种低成本、简单实用的农田作业机械速度测量方法,通过适当的标定可以达到较高的精度,能够满足变量施肥作业系统的需要.本研究设计开发了一种基于CAN总线的拖拉机轮速信号采集模块.随着拖拉机从动轮的转动,固定在轮毂上的磁钢靠近霍尔接近开关时便产生脉冲信号,将脉冲信号通过光电隔离器进行隔离,然后输入到单片机的计数器进行计数.采用周期测量法,即在被测信号周期T内,对某一基准脉冲进行计数,基准时间与计数值的乘积便是周期T,由下式可得出轮速V=2πR/TN其中R为被测车轮轴心到地面的距离;N为被测车轮上磁钢个数.2系统测试2.1试验材料和方法2.1.1施肥量试验设计本试验包括常量施肥试验和变量施肥试验.设计了较低施肥量和较高施肥量两个常量施肥试验和一个变量施肥试验.具体试验设计如下:①常量施肥,施肥量75kg/hm2;②常量施肥,施肥量225kg/hm2;③变量施肥,施肥量0~375kg/hm数据收集(1)塑料盘的设计m×24m的矩形区域,参照ASAE341.2标准,设计了一个16×6的托盘矩阵(图5)进行肥料收集.托盘为长36.5cm、宽26.5cm、高15cm的矩形塑料盘.(2)施肥量和施肥效果的测试m×20m范围内布置34×6阵列的托盘.其中纵向10m范围内施肥量为0kg/hm2,另外10m范围内施肥量为375kg/hm2.为了测试系统的延迟时间和动态响应性能,在施肥量变化分区交界线的两侧连续无间隔摆放托盘.在系统施肥完成后,将各个塑料盘内的肥料颗粒分别装袋收集编号,在实验室采用感量为0.01g的电子天平进行称量记录.2.2结果分析2.2.1安施量和施肥量的空间分布将施肥量为75kg/hm2,225kg/hm2共4次试验(每次试验有一次重复)结果进行汇总统计,并将重复试验的结果进行平均,得出如表1所示的统计结果.由表1可以看出,两次常量施肥试验的平均误差都比较低,但施肥量为75kg/hm2的试验各个肥料样品盘采集施肥量变异系数较大.主要是因为施肥量较低时,落在各个接肥盘中的肥料较少,受试验环境影响,采集肥料样品过程中土粒等其他杂物落入肥料盘,对整个称重结果有一定影响.将两次常量施肥各个样品盘肥料重量进行空间插值,可以看出施肥量的空间分布情况,如图6,7所示.2.2.2系统施肥试验验证系统施肥时间延迟参数是系统动态特性的重要指标,获取系统施肥延迟特性参数可以为系统校正和修正作业误差提供依据.为了测试系统施肥滞后距离和延迟时间,通过在施肥量变化的交界线两边加密托盘的方式来捕捉施肥量的变化过程.试验过程发现,第一次试验在编号为97的托盘开始有肥料颗粒出现,对应的为第17排接肥托盘,即沿拖拉机行走方向上11.38m处开始排肥.第二次试验在编号为91号盘(沿拖拉机行走方向上11.015m处)开始有肥料颗粒出现,两次试验系统开始响应排肥的时间不太一致,主要是因为拖拉机的行驶速度稍有不同,导致系统响应时间的变化.施肥量从0~375kg/hm2的试验结果的空间分布如图8所示,从图上可以看出系统存在施肥位置延迟.系统施肥滞后距离的起点应从施肥量变化的10m交界线处算起.根据常量施肥试验结果,系统平均施肥误差不超过5%,同时考虑试验环境引起的肥料样品取样误差,取实际施肥量达到目标施肥量的95%处为施肥滞后距离的结束点.从图9可以看出,施肥滞后结束点为沿施肥机行走方向上13.57m处,此处的平均施肥量首次超过了目标施肥量的95%.由此可以估算出系统施肥滞后距离约为3.57m.机载作业控制终端记录此区段的平均速度为1.9425m/s,可以估算出系统施肥时间延迟约为1.84s.3分布式变量施肥作业控制系统(1)在分析国内精准农业研究和现代农业生产对变量施肥技术需求的基础上,研究开发了一种基于ISO11783协议的处方图变量施肥作业系统.开发试制了机载作业控制终端、变量施肥控制器、地速信号采集模块、辅助平行作业导航模块和电液比例阀控马达系统.设计了符合ISO11783协议的系统典型通信消息报文标识和报文格式,构建了分布式变量施肥作业控制系统.(2)田间测试表明,系统各个ECU节点能同步稳定工作.目标施肥量为75和225kg/hm2两个常量施肥试验施肥变异系数分别为16.83%和8.08%;与目标施肥量相