基于GPS技術的水稻精準種植機械設計與實現

邊海生

(方正縣農業技術推廣中心,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,在農業生產中占有重要地位。為滿足日益增長的食物需求,如何提高農作物產量是當前亟待解決的問題。在此背景下,對水稻播種機的研究與開發越來越重視[1-3]。水稻種植機械是農業生產的核心裝備,在農業生產中發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用還面臨著播種精度不高,作業效率低,設備結構復雜,能耗大,對環境的影響大等問題。針對上述問題,對其進行優化設計,對于促進我國水稻播種機技術的創新與發展具有重要意義[4-7]。

當前,精準農業已經成為我國農業發展的趨勢。精準農業覆蓋很多領域,例如采用傳感器、互聯網和GPS定位技術實現精準變量播種和施肥。所以,研制一套水稻播種機監控系統,可以提高播種質量。在播種機定位方面,國外主要采用 GPS定位技術來監測播種機的位置。約翰迪爾公司的AutoTrae全自動導航系統,以綠色星32630顯示屏監控種苗位置,并使用了星火6000接收機和SF3訊號,其準確度達到2.5 cm,具有4～5倍的高效能。美國精密播種公司生產的20/20SeedSense,不但可以準確地定位種子的位置,還可以準確地判斷漏播面積,同時還可以檢測出土壤水分、溫度,以及鎮壓情況[8-11]。石河子大學實現了對播報信息的實時監控,并利用報警燈光和蜂鳴器對漏播情況進行實時預警,以便駕駛人員能夠在最短時間內作出正確的應對[12]。吉林大學利用GPS和GPRS技術,對種子進行了實時監控[13]。河南理工大學利用GPS定位技術,對其進行了精確的分割施肥[14]。目前,我國的相關研究多是針對種子的漏播、重播等情況,而針對結合GPS的水稻種子的位置監測研究較少。

本文設計了一種基于GPS技術的水稻精準種植機械,主要包含播種機械的關鍵部件,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,并將推算結果及漏播和重播區域等其他播種操作信息顯示在云端平臺上,并進行田間試驗。

1 水稻精準種植機械關鍵部件設計

1.1 種子箱

本研究以龍粳31為水稻品種,進行播種試驗。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,考慮種箱內摩擦力和下滑力的關系,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,方便種子直接進入型孔中。此外,在種子盒底部裝有一個擋板,用來調整播種量。

1. 種子箱;2.從動帶輪;3.充種帶圖1 種植機械機構圖

1.2 錐型孔

錐型孔的設計參數是種植機械的中心,它的設計參數對種子填充質量有直接影響[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指標的要求。在此基礎上,以龍粳31水稻種子為材料,對水稻種子進行了物理性狀測試,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,實現了精確播種。

1.3 充種帶

為方便監測,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,根據皮帶輪數及設計要求而定。由于同步皮帶太細,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 護種裝置

水稻在直播作業時,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,播種時需安裝護種設備,降低種子的損傷概率。常規護種設備在護種時,種子滑落過程與護種設備接觸容易產生摩擦。因此,在種植機械中加入護種裝置,護種裝置上面有護種帶,它是由主動帶輪驅動實現作業。此外,護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.護種帶;2.主動帶輪;3.護種帶輪圖2 護種裝置

2 基于GPS技術的種植機械系統設計

2.1 系統設計

在上述研究的基礎上,本文提出了一種基于云計算的水稻種植機械系統,如圖3所示。其中,利用光電傳感器對播種過程進行實時監控,實現了漏播指數、重播指數、合格指數和播種位置的實時監控。在采集到各傳感器的數據后,通過CAN總線對數據進行處理和分析,并將數據發送給車載終端,最后將數據上傳至云端。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,并把計算結果顯示在云平臺上,系統界面中地圖上也會顯示出漏播種子的面積。

圖3 水稻播種位置監測系統原理圖

2.2 播種位置監測原理

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系統,如圖4所示。對各種子點的定位進行了計算,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速的方法,來模擬種植機械的行駛速度過程。當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 種植機械坐標系

3 田間試驗

為檢驗該系統的精確度和控制精度,于2022年6月在方正縣水稻科技園區農機推廣試驗示范基地進行了現場測試,并采用雷沃M1204 D型牽引車作為動力裝置,對該裝置進行了現場測試。以龍稻31號為供試材料,利康農復合肥為供試材料,以2 hm2為地塊面積。在檢測播位的準確度時,將播位轉化為水稻間距,因為播位處于設定好的虛擬座標中,在Y方向上基本不存在任何偏差。在設置好株距后,啟動播種機,播后,隨機選取15個采樣點,計算已經作業位置的實際播種量與云平臺中所記錄的播種量進行比較。試驗以當地農藝要求為依據,將作業速度設定為6 km/h,株距誤差在0～2 cm范圍內屬于合格。試驗結果顯示,播種合格率可以達到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翻滾反彈,播種機未及時制止,以及播位監控系統未進行翻滾反彈距離的計算,導致一些水稻播種量的實際值與平臺記錄值出現誤差。

4 結論

本文結合水稻種植機械目前的研究現狀,設計了一種基于GPS技術的水稻精準種植機械。對種子箱、錐型孔、充種帶和護種裝置進行優化參數設計,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,并將推算結果展示在云端平臺上,并將漏播和重播區域等其他播種操作信息顯示在云端平臺上。田間試驗結果表明,播種合格率能達到95%,漏播率3.2%,重播率1.8%,滿足水稻種植要求。