变量穴灌穴播机的设计

摘要

我国秦岭、昆仑山脉及淮河以北的地区的北方干旱半干旱地区约占我国国土总面积的百分之五十，该地区的耕地面积占我国耕地总面积百分之四十左右，但是这些地区水资源极度缺乏，水资源总量不到全国水资源总量的百分之二十，而且降雨量年际不均匀，季节变化率大，导致旱灾频发，在这一地区发展抗旱节水技术与装备是当前亟待解决的问题。
　　采用穴播穴灌机具对解决我国北方旱区因播种期干旱缺水而无法播种、或种后无苗的问题切实有效，但均一的施水量不能达到最优的节水效果。针对变量施水问题，国内一些高等院校和科研院所开展了相关具备抗旱节水功能的变量施水作业装备和技术的研究，这些设备和技术研究在一定程度上起到了节水、抗旱及增产的作用，但是它们在结构上共同点都是利用机械式装置来实现变量施水以及水种同步施播，普遍采用手工的方式来调控施水量，全部通过硬件来改进施水播种机的作业性能，存在调控施水量的自由度小及操作复杂等缺陷。而且，在抗旱节水装备与技术领域，欧美国家开发的智能化变量灌溉农作机械都采用连续施水方式，通过微控制器控制流量阀的开度进行变量施水，尚未查到有关间歇变量穴施水相关的研究内容。
　　针对这一问题，本课题组人员前期研制了基于GPS/GIS的玉米变量穴灌穴播机，工况下该机具作业前人工采集农田土壤湿度信息和位置信息，然后将该信息通过GIS软件生成施水决策文件，机具作业时控制器通过GPS获取位置信息的同时读取施水决策文件，获取该位置的施水量，当传感器检测到落种后控制施水，完成水种施播。田间节水性能试验结果表明，样机采用变量施水方式分别与条灌及本机具定量施水方式相比，具有较好的节水效果。但该机具的推广应用存在以下两个问题:首先，田间土壤含水量随时间和空间的变率大，而上述机具不能实现实时采集土壤含水量并实时改变施水量，因此不能达到最优的节水效果;其次，机具作业前期需要用采集田间位置信息和土壤湿度信息，工作量较大;而且，该机具需装备GPS/GIS系统，作业时需上位机软件施水模式决策系统的支持，既提高了装备作业成本，又对使用者有较高的文化科技水平要求。
　　据此，本课题在前期研究成果的基础上，进一步开展了基于传感器的变量穴施水穴播的融合技术研究，研制了变量穴灌穴播机。本课题中本人设计了水分测试系统，该系统的传感器实时采集的田间土壤含水量;设计了水种同步控制系统，施水控制模块根据落种检测模块检测到的落种信号控制施水时刻，实现水种同步施播，同时施水决策模块根据土壤湿度信号调控施水量，实现按需变量施水，达到最优的节水效果;研究了电磁阀施水量数学模型，为变量穴灌穴播机施水决策模块的优化设计提供了参考。同时开展了相关试验研究，试验结果表明水分测试系统能稳定可靠地完成土壤水分检测，该系统的测量值与近似真实值的绝对误差仅为0.22，具有很高的精度和稳定性;落种检测模块落种检出率达到98％以上，具有较高的检出率，为水种同步奠定了基础;数学模型得到的数据与实验数据的相关系数达到0.99以上，验证结果表明电磁阀施水量数学模型准确性较高，可以作为参考进一步优化施水决策模块。

目录

声明

论文说明

摘要

第一章 概述

1．1 研究的意义

1．2 研究的现状

1．2 研究的内容

1．3 研究的目标

第二章 变量穴灌穴播机的结构及工作原理

2．1 变量穴灌穴播机的结构

2．2 机械部分的组成

2．3 控制部分的组成

2．4 变量穴灌穴播机的工作原理

第三章 机械部分的结构设计

3．1 行走机构的设计

3．2 开沟机构的设计

3．2 排种机构的设计

3．4 覆土机构的设计

3．5 施水机构的设计

第四章 水分测试系统的设计

4．1 水分测试系统的组成及工作原理

4．2 水分传感器驱动模块的设计

4．3 水分传感器测量电极针尖的纵向位移分析

4．4 测量电极针尖的零速分析

4．5 水分检测模块设计

第五章 水种同步控制系统的设计

5．1 水种同步控制系统组成及工作原理

5．2 水种同步控制硬件设计

5．3 落种检测模块硬件设计

5．4 变量施水决策原理

5．5 施水控制模块硬件设计

第六章 电磁阀施水量数学模型研究

6．1 电磁阀施水试验

6．2 施水量数学建模

6．3 施水量数学模型修正

6．4 基于电磁阀2试验数据验证数学模型准确性

第七章 结论及展望

7．1 结论

7．2 设计中的不足

7．3 展望

参考文献

致谢

作者简介

读研期间发表论文

读研期间申请专利

读研期间参研项目

附录