大豆株间机械除草作业深度控制系统设计与试验研究

发布时间：2020-07-07 22:11

【摘要】：中国是农业大国,而大豆是中国的主要粮食作物之一。东北大豆作物采用垄作双行种植模式,一般每公顷保苗32~38万株,而农田杂草是东北大豆早期生长阶段最主要灾害之一,因此,大豆出苗后,疏松株间表土、除掉幼草,是大豆保苗增产提质的重要措施。株间机械除草是利用作物秧苗相对幼草根系发达且分布深广的特性,通过除草作业部件将株间表层土壤疏松或移位,达到株间除草的目的,所以除草部件入土深度对机械除草作业性能有较大影响。而现有株间除草机部件入土深度均由行走于行间的限深轮控制,不能保证其在株间的定深松土作业,造成株间机械除草作业伤苗率高、除草效果不理想。所以,株间除草部件入土深度控制不可靠是导致上述问题的重要原因之一。因此,为提高大豆株间机械除草装置作业部件入土深度的控制精度,降低伤苗率和埋苗率,该文提出了基于超声波测距的株间机械除草部件松土深度自控方法。在研发的株间除草机构研究基础上,设计了除草部件松土深度自控系统,并在已建室内株间除草试验台上进行了部件松土深度测量与控制试验。主要的研究内容及取得的成果如下。(1)设计了一种作用于株间机械除草机构上的除草部件松土深度自控系统,对其工作原理进行了分析,并为避免垄上苗、草等对超声测距的影响,设计了一套独立的滑橇式仿形台。(2)对自控系统的硬件进行设计,对硬件系统中各模块的选取进行了说明;开发和设计了系统软件,对软件中各模块的工作流程进行了介绍;并对液压系统进行了设计及其各元件的选型,利用图解法系统分析了油缸活塞位移与松土作业深度变化的对应关系。(3)利用Proteus 8.6电子设计仿真软件,对自控系统的电路进行设计与模拟仿真。仿真结果表明:该自控系统的程序文件没有编写错误,接线均没有电气错误,并且该系统能够很好的实现其设定的功能和效果,具有良好的性能,能够满足实际作业要求。(4)对除草部件松土深度自控系统进行了试验研究,试验采用静态试验和动态试验。试验结果表明:利用超声波模块直接对株间地表进行距离测量是不可行的;动态试验中,利用超声波直接对有苗和无苗的地表进行测距均存在一定的缺陷,而应用滑橇式仿形台则不受地表苗、草及土壤特性等影响,在0.278 m/s、0.556 m/s和0.833 m/s三种作业速度下,针对各个样本点的位置应用超声波模块测量与人工测量所获得测量值的平均对照误差分别为:4.95mm、5.36 mm和5.90 mm,最大对照误差分别为:6.6 mm、7.4 mm和8.3 mm。(5)对除草部件松土深度自控系统进行综合性能试验。试验结果表明:该控制系统能够实现株间机械除草作业部件松土深度的稳定控制,随着行进速度增加,深度变化范围相应增加。在行进速度为0.278 m/s时,以设定值270 mm为零点,部件松土深度变化可控制在±10 mm范围内,满足机械除草的深度调节要求。文章的相关研究为解决株间除草部件松土深度准确控制问题提供新思路,亦为研发松土深度自控的大豆株间除草机提供理论与方法参考。
【学位授予单位】：东北农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S224.15
【图文】：

大豆,播种面积

a）大豆营养价值丰富 b）大豆的根瘤共生固氮图 1-1 大豆的重要价值Fig. 1-1 The significant value of soybean由上述可知，大豆在农业产业结构中占有相当重要的地位。我国种植的大豆均为非豆，每年的大豆种植面积有 1 亿亩左右，主要集中在东北和黄淮地区。东北地区是悠久和规模集中的春大豆种植区，每年大豆播种面积为全国总播种面积的 50%以上黑龙江省，因其生态环境好，土质肥沃，光照充足，为发展无公害有机大豆提供了的优越条件，每年的种植面积和产量约占全国的 1/3，成为了全国最大的大豆生产因此，进一步提升东北地区有机大豆的品质和产量，对拉动我国东北三省质量效益

控制系统图,控制系统,除草机,除草效果

随着自动控制、光电传感以及计算机视觉等技术的快速发展和应用，国外致力于对智能除草设备的开发和研究，且取得了颇为丰富的成果，而且部分成果已应用到田间除草作业当中。相关研究成果如下[16-18]：丹麦的 Melander 等人通过图像识别技术使除草机能够避开秧苗除掉株间杂草，并将其与普通机械除草装置进行对比[23]。试验结果表明：对离植株较远的区域除草时，二者的除草效果没有明显差异，但对离植株较近区域除草作业时，前者因能辨别秧苗与杂草，表现出更加优良的性能。Midtiby 等人发明了一套控制系统，用于完成株间除草作业，见图 1-2。除草过程是利用视觉识别对植株所在的位置及形状进行确定，试验表明：甜菜为单叶时，控制系统的检测误差小于 3 mm，甜菜为多叶时，其误差小于 2 mm[24]。Norremark 等人研究了一种基于 GPS 导航的自动避障株间除草机，并对其除草效果进行了定量评估[25-26]。该除草机利用GPS 导航系统实现自动避苗，由机器视觉伺服系统控制除草爪齿的伸缩进行株间除草作业。

松土除草机,玉米

S 导航的自动避障株间除草机，并对其除草效果进行了定量评估[25-26]。该除草机利用航系统实现自动避苗，由机器视觉伺服系统控制除草爪齿的伸缩进行株间除草作业。a）除草作业机械 b）对植株的检测和定位图 1-2 基于计算机视觉的控制系统Fig. 1-2 Control system based on computer vision国的 Cordill 等人设计出一种松土除草机，主要完成对玉米株间除草作业[27]，见图 1-3机利用激光传感器反馈的信号识别玉米茎秆，通过控制锄刀的运动轨迹清除株间杂草土并精确躲避苗株。田间试验表明：在无杂草情况下其伤苗率为 8.8%，当杂草丛生时达 23.7%。

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