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農(nóng)機所在木薯種植智能化監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)研究方面取得新進展
作者：農(nóng)機所
來源：中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院
日期：2024-12-11
近日，中國熱科院農(nóng)機所在木薯種植智能化監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)研究方面取得新進展。研發(fā)的一種面向精準農(nóng)業(yè)的基于光纖傳感器和旋轉(zhuǎn)編碼器的實時切種式木薯種植機種植質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)顯著提升了木薯種植的智能化和精準化水平，為木薯種植的智能化管理與精準作業(yè)提供了技術(shù)支撐，進一步推動了精準農(nóng)業(yè)在木薯生產(chǎn)機械化領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用。
木薯在全球糧食安全和經(jīng)濟社會發(fā)展中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。木薯種植機在作業(yè)時，操作員無法直接監(jiān)測種植質(zhì)量，種植過程人工操作不當或機器出現(xiàn)異常會造成種莖漏播或切段粘連而重播等問題，導(dǎo)致木薯產(chǎn)量降低。因此，開發(fā)高效的種植質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)至關(guān)重要。
本研究通過分析2CM-2B型木薯聯(lián)合種植機切種裝置工作過程，選擇以對射式光纖傳感器與旋轉(zhuǎn)編碼器作為主要的監(jiān)測元件，以木薯聯(lián)合種植機為載體設(shè)計種植質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)木薯實時切種作業(yè)中可能出現(xiàn)的3種作業(yè)情況，確定監(jiān)測系統(tǒng)針對各栽植狀態(tài)的監(jiān)測算法，準確監(jiān)測木薯種植機的栽植參數(shù)，包括栽植總量、通過的種莖量、漏播的種莖量和切段粘連種莖量。在監(jiān)測過程中，通過提取和處理旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖信號來創(chuàng)建一個監(jiān)控窗口，并根據(jù)監(jiān)控窗口內(nèi)的脈沖寬度信息計算每個相對切割操作后種植的種莖數(shù)量，每個監(jiān)控窗口相互獨立，實現(xiàn)穩(wěn)定的種植質(zhì)量實時監(jiān)測。若出現(xiàn)漏播或切段粘連故障，監(jiān)控窗口內(nèi)的脈沖寬度會顯示異常，系統(tǒng)會立即觸發(fā)聲光報警，確保作業(yè)過程的高效與精準。
研究分別進行了室內(nèi)臺架試驗及室外田間試驗。室內(nèi)試驗結(jié)果顯示，當模擬對向切種刀轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為10-30r/min時，左右兩行播種量監(jiān)測值與實際值的之間的平均絕對誤差2.67，平均相對誤差1.33%。經(jīng)Duncan多重比較分析可得，對向切種刀轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速對監(jiān)測精度影響不顯著。系統(tǒng)故障報警成功率達到了100%，故障報警平均響應(yīng)時間小于0.4s。室內(nèi)臺架試驗表明，監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測精度較高且相對穩(wěn)定，故障報警及時且準確，播種速度對其影響不大。田間試驗結(jié)果顯示，田間自然光照條件對監(jiān)測系統(tǒng)的工作沒有影響，在田間復(fù)雜環(huán)境下可以正常使用。當種植機前進作業(yè)速度為2~4km/h時，播種量監(jiān)測的相對誤差區(qū)間為0.48%~1.46%，平均相對誤差為0.91%，報警成功率為100%。田間試驗結(jié)果表明，監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測誤差在合理范圍內(nèi)，可滿足各種運行速度木薯種植質(zhì)量的實時監(jiān)測需要。
種莖切割裝置和排種裝置布局
種植質(zhì)量監(jiān)測原理圖
種植質(zhì)量監(jiān)測主系統(tǒng)硬件
種植質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成
2CM-2B型木薯聯(lián)合種植機配備智能化監(jiān)測系統(tǒng)進行田間測試
相關(guān)成果以“Design and validation of a real-time cassava planter seed quality monitoring system based on optical fiber sensors and rotary encoders”為題發(fā)表于《Frontiers in Plant Science》。中國熱科院農(nóng)機所顏彬研究實習(xí)員和崔振德副研究員為論文共同第一作者，中國熱科院農(nóng)機所鄧干然研究員和李國杰副研究員為論文共同通訊作者。該研究得到中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項、國家木薯產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系、廣西科技重大專項等項目資助。
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