基于处方图的变量喷药系统研究

【摘要】： 农药作为农田病虫草害防治最为有效的手段,在可预见时间内对农业增产增收仍起着至关重要的作用。农药的使用离不开植保机械的发展,植保机械落后,农药使用不当,不仅会引发农作物药害、激发病虫草害的抗药性、降低农产品品质,增加农产品生产成本,而且会造成全球性环境恶化。因此,为提高农药利用率,减少农药对生态环境的污染,本文以ARM7系列的S3C44B0X微处理器为核心,将电子技术、可变量控制技术和信息技术应用于农田植保机械,完成了“基于处方图的变量喷药系统”研究,旨在根据农田杂草分布情况实现“按需喷药”。 本文结合导师主持的国家“863”高科技研究发展计划资助项目(2006AA10A309)及“十一五”国家科技支持计划重大项目(2006BAD11A08)进行变量喷药系统研究与开发。研究的主要工作与结果如下: (1)变量喷药系统设计。本变量喷药系统由变量喷药控制系统和喷药管路两部分组成。本文通过对比压力控制式、流量控制式和药液浓度调节控制式三种喷头喷药量控制方法,确定该系统变量控制方案为“压力控制式”。并根据分支管路中不可压缩性流体流动的特点,研制出“旁路压力控制式”变量喷药管路,即通过控制位于旁路回流管上的电动调节阀阀门开启度来控制喷头喷药量。通过试验研究发现本文中电动调节阀控制电压有效作用范围为0.0～2.0V,电动调节阀控制电压与喷头喷药压力,电动调节阀控制电压与喷头喷药量间均存在指数函数关系。 (2)变量喷药控制系统研制。本变量喷药控制系统硬件由变量喷药控制器、实时信号采集系统、变量执行器、车载电源配电系统四部分组成。本文以ARM7系列的S3C44B0X微处理器为核心开发变量喷药控制器,用于完成系统作业位置、行进速度、喷头喷药量等信号处理、压力反馈信号的比较计算以及电动调节阀控制信号输出;采用移位寄存器芯片74HC595、数模转换芯片DAC0832、运算放大器μA741等构建电动调节阀驱动电路,用于电动调节阀控制信号放大调整;采用光电隔离芯片TLP521和六非门施密特触发器74HC14制作数字信号整形调整电路,用于速度传感器和流量传感器检测信号的采集与处理;采用运算放大器OP07、高精度稳压芯片TL431设计模拟信号调整放大电路,对压力信号实现采集与处理;应用12VDC～220VAC逆变电源、220VAC～24VAC变压器、5VDC电源模块和24VDC电源模块等设计车载电源配电系统,解决各组成器件用电需求,并对各部分电路设计进行详细说明。 (3)在UCOS-Ⅱ操作系统环境下,使用C语言和ARM汇编语言开发变量喷药控制系统软件。该软件由实时信号采集与处理模块、处方图及网格识别读取模块、电动调节阀驱动模块、作业参数实时保存模块、触摸屏输入模块五部分组成。实现了手动控制、GPS定位自动控制和推算定位自动控制三种工作模式。其中实时信号采集与处理模块中,GPS信号采集处理模块接收DGPS接收机发送的GPRMC语句对作业机具进行实时定时、定位和测速;机具速度和喷头喷药量信号采集处理模块采用定时器定时和中断计数相配合的方法完成速度和流量信号采集与处理;喷头喷药压力采集处理模块采用S3C44B0X微处理器内置A/D转换器采集压力信号。同时,为实现变量喷药系统闭环控制,本文以喷头喷药压力信号为反馈信号,采用欠松弛法对电动调节阀控制电压进行修正。当系统在田间作业时,变量喷药控制器可根据所选工作模式,调用不同程序模块实施变量喷药作业。此外,为保证系统出现异常中断后仍能恢复正常工作,本文设计了断电保护、暂停、恢复等系统附加功能。 (4)本文结合系统对处方图信息存储格式要求,在AutoCAD平台上应用ARX开发出一款简便可行的农田作业网格划分软件,简化了本文作业处方图制作过程。此外,在GPS定位网格识别过程中,本文采用旋转坐标和行列扫描法推导出一种正交网格识别算法,并以网格识别因子为参数,提出两种倾斜网格识别方法。在推算定位网格识别过程中,本文在“虚拟GPS精确农业变量深施肥系统”专利指导下,推导出一种推算定位网格识别算法。 (5)进行变量喷药系统性能测试研究与应用,并获得如下结论。 ①通过变量喷药系统性能测试知,电动调节阀控制电压在0.0V～2.0V内变化时,本系统喷洒药液的雾滴有效粒径比、喷头喷雾角、雾滴在靶标上的沉积量均随电动调节阀控制电压的增大而减小;喷杆安装高度为603mm时,可避免系统出现漏喷现象;系统喷洒药液雾滴分布均匀性变异系数≤5.31%。手动控制系统延时时间为1.81s;GPS定位自动控制系统延时时间为1.57s;推算定位自动控制系统延时时间为1.51s。 ②2009年和2010年6月在吉林省榆树市弓棚镇13号村3号地进行10hm2变量喷药作业结果表明:在40m×40m作业网格内,本系统GPS定位网格识别误差3%。在土壤含水率为17.30%,地表下6cm处平均土壤坚实度为26.74kg,平均压强为1909.2kPa,地表下16cm处平均土壤坚实度为44.46kg,平均压强为1934.4kPa条件下,40m×40m作业网格,当垄长1440m时,系统推算定位误差6%。当喷药处方量在275kg/hm2～600kg/hm2范围内变化时,采用本系统实施变量喷药作业,系统喷头喷药量控制误差5%。 本文创新点在于以ARM7系列的S3C44B0X微处理器为核心研究出一套具有手动控制、GPS定位自动控制和推算定位自动控制三种工作模式的变量喷药系统,且系统具有断电保护、暂停、恢复以及作业参数实时保存功能。同时,本文结合实际需求和本系统特点,提出GPS定位网格识别算法和推算定位网格识别算法。并在AutoCAD平台上应用ARX开发出农田作业网格划分软件。该研究的意义在于:与以往变量喷药系统相比,系统不仅功能完善、操作方便,对操作人员专业技能要求低,而且机械结构简单,变量控制精度高,适合我国现阶段农田杂草防治使用现状。