基于超声波传感器阵列的小麦追肥精准评估系统研发

作     者：颜森 

作者单位：广西大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李修华;安晓飞

授予年度：2021年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 0802[工学-机械工程] 

主      题：小麦追肥 超声波传感器 评估系统 作业精度 偏移距离 偏移误判率 

摘      要：小麦种植面积仅次于水稻和玉米,在我国粮食生产种植中占有举足轻重的地位,小麦生产在向绿色、高质和高效方向发展。针对小麦追肥作业过程中开沟器易损苗伤根、追肥位置准确性无法评估的问题,基于超声波传感器设计了小麦追肥精准评估系统,提出一种基于超声波传感器阵列探测小麦追肥行的方法,实时评估追肥机具作业精度。评估系统由作业轨迹检测部分、数据采集部分和数据分析评估部分组成,将4个超声波传感器安装在追肥机具上,通过调整各个超声波传感器的安装角度组合成交叉模式和垂直模式,扫描小麦追肥行,检测追肥机具作业轨迹。处理器实时接收各个超声波传感器数据,采用阈值滤波算法对异常数据进行筛选和剔除;利用卡尔曼滤波算法最优估计当前时刻电压;根据目标电压和最优估计电压计算追肥机具的偏移距离,使用对行精度和标准差来量化评估追肥机具作业精度。根据评估系统的需求与设计目标,基于C#MFC框架开发了评估系统的界面,实现在终端界面进行参数设置、GPS数据解析、实时显示等功能。为了验证评估系统的准确性,在北京小汤山国家精准农业研究示范基地进行超声波传感器性能测试试验、评估系统测试试验、田间试验。超声波传感器性能测试试验表明,超声波传感器在标定距离范围内输出电压和测量距离呈线性关系,决定系数为0.9999,平均相对误差为1.33%,平均标准差为0.29 cm,说明超声波传感器具有较高的精度和稳定性,满足田间作业要求。交叉模式和垂直模式的偏移误判率分别为7%和9%,平均误差距离分别为0.99 cm和1.07 cm,最大误差距离分别为2.39 cm和2.78 cm,说明交叉模式能更准确检测出追肥机具作业精度且可靠性更高。由偏移距离的概率密度得出,随着作业速度的增加,追肥机具的偏移距离波动幅度增大,满足正态分布的概率逐渐减小,稳定性逐渐降低。田间试验表明,评估系统的平均偏移误判率为9%,最大误差距离为3.15 cm,误差距离在2 cm之间的占比超过90%,标准差为2.10 cm,与实际作业情况相符,因此本评估系统可以实现在小麦追肥作业过程中,实时对追肥机具作业精度量化评估,为小麦精准对行追肥作业精度评价提供一种新的测量手段。