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基于热红外成像技术的自走式实时变量灌溉机的设计与试验研究

胡振方  
【摘要】:华北平原春季降水量小,蒸发量大,冬小麦生长期易发生水分亏缺。尤其华北平原本身缺水严重,传统的漫灌方式更加浪费了宝贵的水资源,因此该地区宜发展高产高效的节水农业。虽然大型灌溉机械节水节能效果较好,但是华北平原耕地不统一,水管理较分散,一家一户的耕地面积小,而且大型灌溉机械成本较高,推广难度较大,长期以来该地区的灌溉作业机械化程度较低。使用灌溉机械能够在提高作业效率的同时,减轻劳动量,节约水资源,因而轻小型灌溉机械更适合当地现状,更具有推广使用的价值。本文设计了一种全新的自走式实时变量灌溉机械,与卷盘机相配合,使用低压软管出流的方式完成矩形小地块的精准灌溉。该机器灌溉前,采用遥控控制直流电机作为灌溉机的动力源,向外牵引卷盘机PE软管;灌溉时依靠压力水驱动卷盘机内水涡轮旋转牵引灌溉机回收,依据热红外成像技术获取处方图和灌溉控制系统的指令,能够在冬小麦地进行实时变量灌溉作业,通过PE软管的一拉一收完成边走边灌溉的任务,“直来直去”的灌溉方式能够提高灌溉作业效率,节水节能。本文主要完成了以下的工作: 1.完成了基于热红外成像技术的自走式实时变量灌溉机的整机设计,测试了灌溉机的工作性能,灌溉机行走速度变化率为28.6%,行走方向上基本能保持匀速运动,保证灌溉水分布均匀性;12支管流量的克里斯琴森均匀系数(CU)达到了98.91%,灌溉量能够在10mm-80mm范围内调节,满足冬小麦灌溉定额的要求。实际作业时可以通过调节不同的入口压力和作业速度,调整所需灌溉强度。 2.使用VB语言编写了基于GPS的实时变量灌溉控制系统软件,并使用Protel设计了单片机控制系统电路,烧制了单片机控制程序,印制了控制器电路板,完成整个控制系统软硬件的设计。根据热红外成像技术获取的处方图,结合GPS位置信息,当灌溉机到达指定位置即可按不同需水量控制预设电磁阀组的开闭,进行实时变量灌溉。 3.在2011-2012以及2012-2013两个冬小麦生长季,于中国农业大学河北吴桥实验站,分别以不灌溉和漫灌为对照,使用喷灌,滴灌,以及机械灌溉的方式进行了冬小麦大田灌溉试验,验证了自走式变量灌溉机械的可行性。总体上来说,通过设计合理的灌溉方案,使用灌溉机进行精准灌溉能够保证冬小麦的产量及产量构成的因素,株高,穗长,生物量及收获指数维持在正常的水平,与滴灌在灌溉量相差不大时,产量能够提高3.25%,水分利用效率提高了10.1%,整体作业效果良好。 4.引入了基于热红外成像技术的水分胁迫指数(CWSI)作为评价灌溉效果的指标,通过提前预测冬小麦产量评价实际灌溉效果,验证了使用热红外成像技术获取CWSI的方法的可行性及产量和CWSI较强的负相关关系,结合BP神经网络的方法对冬小麦产量进行了预测,相比于传统的非线性回归函数预测模型,提高了预测精度,效果更好。


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