基于can總線和iso11開發(fā)式變量噴霧機的設(shè)計

基于can總線和iso11開發(fā)式變量噴霧機的設(shè)計

變量用藥技術(shù)根據(jù)變量分析信息的來源，變量應(yīng)用技術(shù)可分為兩種類型：基于處方圖和基于傳感器的變量技術(shù)。國內(nèi)外植保工作者對基于處方圖的變量施藥技術(shù)作了大量研究。美國MICRO-TRAK公司研究生產(chǎn)了MT系列自動變量控制系統(tǒng)。邱白晶等研制了一種基于GIS的自動對靶變量施藥裝置。史萬蘋等分析了基于GPS和GIS的變量噴藥控制系統(tǒng)組成及其控制技術(shù)。國內(nèi)外的研究學(xué)者對基于傳感器的變量施藥技術(shù)也作了很多研究。變量施藥系統(tǒng)根據(jù)變量實現(xiàn)原理可以分為藥劑注入式控制系統(tǒng)與藥劑和水并列注入式控制系統(tǒng)。普渡大學(xué)Ess等提出藥劑注入式控制系統(tǒng)。Rehfeld設(shè)計了定比同軸直注裝置。WomacAR等設(shè)計了藥劑和水并列式控制系統(tǒng)。郭宇波等將靜態(tài)混合器應(yīng)用于直注式變量施藥系統(tǒng)。周海燕等提出了一種新型的注入式變比變量施藥系統(tǒng)。我國在變量施藥技術(shù)方面的研究還處于起步階段,由于缺乏對農(nóng)田變量施藥系統(tǒng)共性支撐平臺技術(shù)的研究和開發(fā),應(yīng)用研究的實用性和整體水平難以提高。本文將基于處方圖的變量施藥技術(shù)和注入式變量施藥控制系統(tǒng)結(jié)合,設(shè)計一套基于處方圖的直接注入式變量噴霧機,并通過田間試驗檢測其性能。1噴霧機直注式結(jié)構(gòu)設(shè)計1.1變量噴霧機的主體結(jié)構(gòu)典型的處方圖變量施藥作業(yè)系統(tǒng)包括DGPS、機載作業(yè)控制終端、變量施藥控制模塊、測速模塊以及施藥架等主要組成部分。集成上述主要功能模塊,結(jié)合CAN總線和ISO11783協(xié)議,設(shè)計了一臺基于處方圖的直注式變量噴霧機,其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。直接注入式噴霧機通過三點懸掛機構(gòu)與拖拉機相連(拖拉機選用北京弗雷森拖拉機有限公司生產(chǎn)的FS-720型拖拉機),其噴灑噴桿由5段獨立的部分組成,每段均由單獨的電磁閥進行控制。拖拉機后動力輸出軸與噴霧機的隔膜加壓泵通過萬向連軸器連接在一起,整個噴桿的高度能根據(jù)作物情況進行上、下自由調(diào)整。在施藥作業(yè)過程中,機載作業(yè)控制終端根據(jù)作業(yè)處方圖、噴霧機前進速度以及GPS定位信息分別控制農(nóng)藥(兩種不同的農(nóng)藥分別控制)和清水的注入量。其中,清水由隔膜加壓泵加壓注入,而兩種農(nóng)藥則通過各自的注入泵加壓注入,最終三者都注入到主管路中,由流體在主管路中的自身運行以及旋轉(zhuǎn)式混藥器混合均勻。1.2軟件通信流程直注式變量噴霧系統(tǒng)采用CAN總線連接各模塊,控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中:控制器1控制水的注入量,流量泵1和2分別控制兩種農(nóng)藥的注入量,測速雷達測量噴霧機的前進速度?？偩€控制系統(tǒng)硬件選用如下:GPS系統(tǒng)為美國Trimble公司生產(chǎn)的AgGPS132接收系統(tǒng);施藥作業(yè)控制終端為Ravenviper2;流量泵為RavenInjetionpump510型計量泵;流量傳感器為WL-40型渦輪傳感器;流量控制閥為RAVENC-SD(標(biāo)準(zhǔn)控制閥);電磁閥為Teejet450FB;壓力傳感器為壓阻式壓力傳感器;測速雷達為四束多普勒雷達。直注式變量噴霧機各模塊之間通過總線連接,按照ISO11783通信協(xié)議進行通信?？偩€系統(tǒng)先進行初始化,初始化完成后進入正常作業(yè)過程,執(zhí)行如下通信流程:①機載作業(yè)控制終端解析GPS定位信息,運行實時處方圖識別程序,得出當(dāng)前位置的用藥和用水量,作為控制指令發(fā)送給變量施藥控制模塊(流量泵和注水控制節(jié)點)。②機載作業(yè)控制終端等待變量施藥控制模塊應(yīng)答。③變量施藥控制模塊接收來自機載作業(yè)控制終端的注藥和注水控制指令,同時向測速模塊發(fā)送速度數(shù)據(jù)請求信息。④變量施藥控制模塊得到測速模塊當(dāng)前作業(yè)機械速度數(shù)據(jù),同時檢測到流量泵和流量控制閥反饋信息,運行控制程序,輸出模擬控制信號。⑤變量施藥控制模塊檢測各流量數(shù)據(jù),根據(jù)標(biāo)定的用水和用藥控制曲線,計算出當(dāng)前實際用藥和用水量,發(fā)送到機載作業(yè)控制終端。⑥機載作業(yè)控制終端保存當(dāng)前位置、實際用水和用藥量數(shù)據(jù)。⑦系統(tǒng)繼續(xù)進行下一位置作業(yè)控制任務(wù)。2直接注釋變量噴霧機噴霧機的地面應(yīng)用試驗2.1平均施量及分級試驗包括常量施藥試驗和變量施藥試驗。設(shè)計較低施藥量0.36L/hm2和較高施藥量0.90L/hm2兩個常量施藥試驗和一個變量施藥試驗。變量施藥試驗參照北京市精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)示范基地小麥的通常施藥情況(敵敵畏0.75L/hm2),設(shè)定施藥量為0～0.90L/hm2,按照平均分級原則,分為0.18、0.36、0.54、0.72和0.90L/hm25個等級。對一個工作中的噴桿噴霧機,單位面積上的施藥液量取決于其行駛速度、噴幅寬度及噴頭的噴量,它們之間關(guān)系為G=QBv600(1)G=QBv600(1)其中G=gnB=dn式中G——所有噴頭的噴量,L/minQ——施藥液量,L/hm2g——單個噴頭的噴量,L/minn——噴頭個數(shù)B——噴霧機作業(yè)幅寬,md——相鄰噴頭間間距,mv——機組作業(yè)速度,km/h常量和變量施藥試驗過程中噴霧機均保持勻速行駛,設(shè)定其行駛速度v為6km/h,單位面積施藥液量為225L/hm2(由于注藥量遠小于注水量,所以忽略不計藥量),所有試驗過程均保持注水量恒定。2.2采樣區(qū)域與研發(fā)方法直接注入式噴霧機田間施藥試驗于2009年3月17日～3月20日,在北京市精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)示范基地進行,試驗步驟如下:(1)對噴霧機的雷達測速傳感器和流量泵進行校核,以減小誤差,并將施藥工作壓力調(diào)整為常用額定工作壓力276kPa(試驗中采用teejetXR8003噴頭)。(2)試驗以質(zhì)量濃度為1g/L若丹明WT為示蹤劑檢測各采集樣本上的藥液沉積量。(3)參照J(rèn)B/T9805.2,噴霧機上的噴頭離地高度調(diào)整為0.5m,并測定施藥幅寬。(4)選擇一塊地面平坦的區(qū)域布置采樣濾紙,用Trimble5700GPS接收機測量試驗區(qū)域的一個基準(zhǔn)點,然后以此為基點在各個采樣單元內(nèi)隨機地布置濾紙。根據(jù)直接注入式噴霧機機組的結(jié)構(gòu)尺寸(噴霧機噴幅12m),以及氣象條件(試驗時氣溫為27.0℃,相對濕度為67.5%,自然風(fēng)速為0.10～0.25m/s,風(fēng)向為北風(fēng))設(shè)計長100m,寬24m的采樣區(qū)域。試驗采樣區(qū)域分順風(fēng)和逆風(fēng)兩部分采樣區(qū),每個采樣區(qū)沿作業(yè)方向平均劃分為50個采集單元(間隔2m),每個單元內(nèi)隨機布置3張直徑為9.0cm的濾紙組成該單元的藥液采集樣本組,均用雙面膠粘貼在鐵片上以防止被風(fēng)吹走。順風(fēng)采樣區(qū)采集樣本編號為S01-X～S50-X,逆風(fēng)采樣區(qū)為N50-X～N01-X(X為每個采樣單元內(nèi)各樣點的編號)。各采集樣本的布置方案及布置位置如圖3所示。(5)根據(jù)選定的采樣區(qū)域分別制作常量施藥處方圖和變量施藥處方圖。①常量施藥:以北京小湯山國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)示范基地的基礎(chǔ)地理信息圖層為底圖圖層,在ArcMap中創(chuàng)建一個100m×24m的施藥區(qū)域圖層(采樣區(qū)域),設(shè)置施藥量為0.36L/hm2。并將底圖圖層和施藥區(qū)圖層分別導(dǎo)入Viper2系統(tǒng)創(chuàng)建的工程文件中,形成一個常量施藥作業(yè)工程,所有的空間數(shù)據(jù)均為WGS-84坐標(biāo)。以同樣的方法制作施藥量為0.90L/hm2的常量施藥處方圖。②變量施藥:與常量施藥類似,只是將施藥區(qū)域圖層劃分成多個矩形小區(qū)塊,不同區(qū)塊施藥量各異。圖4為直接注入式噴霧機的常量施藥和變量施藥試驗處方圖,常量和變量施藥試驗的試驗區(qū)域相同,均為圖4a所示“試驗區(qū)域”,只是作業(yè)處方圖中的施藥量不同。圖4b為變量施藥試驗處方圖,不同顏色區(qū)塊按照不同的施藥量進行噴施,分別為0.18、0.36、0.54、0.72和0.90L/hm2。(6)試驗測得直接注入式噴霧機在勻速行駛情況下其延時時間為11.3～12.1s;另外,根據(jù)AnglundEA等的研究成果得出了GPS判斷位置的信號延時是0.5s,所以在控制器中設(shè)定12.2s的時間提前量,并將處方圖導(dǎo)入控制器生成作業(yè)工程。(7)田間施藥試驗,拖拉機由順風(fēng)方向進入采樣區(qū),然后再從采樣區(qū)末端轉(zhuǎn)彎逆風(fēng)進入另一半采樣區(qū)進行試驗,拖拉機在行進過程中盡量保持恒定的作業(yè)速度。(8)每次施藥后10min左右,將所有濾紙快速收集起來分別裝入事先編好號的采樣瓶中,在每個采樣瓶中加入25mL自來水輕搖15s,然后密閉保存4h后用熒光儀進行測量。經(jīng)測量得到各采樣點的樣本洗取液濃度,然后計算出采樣點所在區(qū)域單位面積的實際噴量GA=C2VARC1(2)GA=C2VARC1(2)式中GA——單位面積的噴量,L/hm2C1——原液質(zhì)量濃度,g/LC2——洗取液質(zhì)量濃度,g/LV——洗取液體積,LA——濾紙面積,hm2R——回收率,%試驗測得:陰天無遮蓋條件下,施藥后10min左右進行濾紙回收,若丹明WT沉積于濾紙的回收率最佳,其值為99.45%。因此,本試驗選擇在陰天無遮蓋條件下進行,且施藥后10min左右進行濾紙回收。2.3試驗結(jié)果及分析2.3.1噴霧機的變異性將施藥量0.36L/hm2和0.90L/hm2在采樣區(qū)內(nèi)各進行一次試驗,分別對每個采樣單元內(nèi)的3片濾紙采集到的數(shù)據(jù)進行平均,統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。加拿大普拉雷農(nóng)業(yè)機械研究所的研究報告認(rèn)為:變異系數(shù)小于10%,其施藥分布是非常一致的;變異系數(shù)為10%～15%的施藥分布可以接受或能用;而變異系數(shù)大于15%時分布模型將無法在田間使用。由表1可以看出,兩次常量施藥試驗的變異系數(shù)均小于10%,說明直接注入式噴霧機的施藥分布均勻性很好,適合進行田間作業(yè)。順風(fēng)和逆風(fēng)兩種條件下試驗結(jié)果差異較小,主要是由于試驗時風(fēng)力較小,對噴霧作業(yè)的影響不大。兩種不同的施藥量,總體施藥變異系數(shù)幾乎相同,說明施藥量對施藥均勻性影響很小。2.3.2變量作業(yè)精準(zhǔn)度實際施藥量與預(yù)期噴量進行比較如表2所示。由表可知:逆風(fēng)作業(yè)方向的誤差比順風(fēng)作業(yè)方向的小,可能原因是拖拉機對風(fēng)有一定的阻礙作用,減小了飄移;施藥誤差在15%以上的采樣區(qū)較小,如果在實際田間作業(yè)時將施藥量進行適當(dāng)?shù)男拚?可以使其作業(yè)效果得到較大改善(比如設(shè)置修正系數(shù)為1.15)。目前,變量施藥技術(shù)施藥精準(zhǔn)度還沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),本文參考常規(guī)噴霧分布均勻性應(yīng)在10%以內(nèi)的要求,并根據(jù)變量噴霧的特點,設(shè)定實際施藥量與預(yù)期施藥量相差在15%以內(nèi)的采樣點都認(rèn)為是施藥認(rèn)可量,則該噴霧機變量施藥靶標(biāo)精準(zhǔn)度大于86%。圖5為變量作業(yè)施藥量變化曲線。由圖可以得出:實際噴藥量能夠及時響應(yīng)處方變化量(期望噴藥量);在實際作業(yè)時,雖響應(yīng)及時,但相對來說,與預(yù)期噴藥量的偏差要較其他的時間段大一些