CN111279868A - 一种水稻实时精准喷施方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种水稻实时精准喷施方法，用于水田高地隙喷雾机，采用调压阀稳定喷施管路压力，包括如下步骤：a.通过传感器检测水稻生长信息并决策出单位面积喷施量；b.决策出的单位面积喷施量与速度信息匹配得到速度匹配喷施量；c.速度匹配喷施量经喷头‑控制阀喷施模型和喷施压力误差进行补偿后，决策得到精准喷施控制阀控制量；d.根据精准喷施控制阀控制量实时调节喷头喷施量。本发明通过实时感知水稻冠层光谱信息以获得水稻长势，获得水稻生长所需肥量，通过控制喷头准确喷施到对应水稻叶面，为水稻液体肥精准喷施提供了方法，减少肥料浪费，提高肥料利用率，属于智能农机领域。

Description

一种水稻实时精准喷施方法
技术领域
本发明涉及智能农机领域，具体涉及一种水稻实时精准喷施方法。
背景技术
变量作业是以作物产量数据、田间养分差异、病虫草害等信息为依据建立作物生长模型或处方图，按需喷施相应的肥料/农药，以提高肥料/农药利用率，在减少肥料/农药施用的前提下实现产量最大化。目前，变量施肥方法主要是采用固体肥，CN107771487A公开了一种冬小麦变量施肥机控制***，根据近地光谱传感器Green Seeker采集的小麦养分需求信息，以电动机驱动槽轮排肥。CN104699010A公开了基于GPRS的变量施肥机控制***，根据车速和GIS决策信息控制槽轮排肥。CN103814664A公开了一种氮磷钾施肥机及其根据土壤养分生成氮磷钾施肥量作业处方的确定方法。以上变量施肥机、施肥***和作业处方确定方法都采用固体肥。
变量喷施***是根据处方图或喷施机作业速度通过调节流量实现进行喷施时调节。水稻液体肥和营养液等已在水稻生产中应用，但缺少水稻液体肥和营养液喷施技术，更没有基于水稻长势感知和需肥时决策的实时精准喷施方法，虽然部分无人机可进行变量喷施农药，但受载荷等影响难以实现液体肥精准喷施。为此有必要提出一种与水田高地隙喷雾机配套的水稻实时精准喷施方法。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种采用液体肥进行精准变量作业的水稻实时精准喷施方法。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种水稻实时精准喷施方法，用于水田高地隙喷雾机，采用调压阀稳定喷施管路压力，包括如下步骤：a.通过传感器检测水稻生长信息并决策出单位面积喷施量；b.决策出的单位面积喷施量与速度信息匹配得到速度匹配喷施量；c.速度匹配喷施量经喷头-控制阀喷施模型和喷施压力误差进行补偿后，决策得到精准喷施控制阀控制量；d.根据精准喷施控制阀控制量实时调节喷头喷施量。
作为一种优选，步骤a中，采用光谱传感器检测喷雾机前方水稻冠层氮素充分指数表征水稻生长信息。
作为一种优选，步骤a中，单位面积喷施量由水稻生长需肥模型和水稻生长信息计算出；水稻生长需肥模型根据水稻品种建立各生长时期单位面积喷施量、光谱传感器氮素充分指数值和水稻植株氮含量之间的相关关系；单位面积喷施量计算方法为：分蘖期和抽穗期水稻的光谱传感器氮素充分指数值x与单位面积喷施量y数据进行曲线拟合得到回归拟合方程y＝f(x)，各个时期单位面积喷施量根据y＝f(x)施入。
作为一种优选，计算出的单位面积喷施量与对应水稻区域的全球卫星定位坐标进行位置信息标记。
作为一种优选，采用压力传感器检测喷施管路压力；根据实时检测的压力和设定工作压力的压力差调节调压阀，保证喷施管路压力稳定。
作为一种优选，步骤b中，速度匹配喷施量由决策出的单位面积喷施量通过喷雾机作业速度进行匹配，计算方法为：
Figure BDA0002445330730000021
其中z为与速度匹配的单位时间内单个喷头喷施量，y为单位面积喷施量，v为作业速度，a为喷头喷幅，b为肥水混合比例；速度信息由全球卫星定位***提供。
作为一种优选，步骤c中，喷头-控制阀喷施模型是由与喷头喷施量与输入控制阀的占空比和喷施管道压力的相关关系建立；喷施压力误差由喷施管路的肥液压力与设定压力的压力差减少管路压力变化对喷量的影响。
作为一种优选，步骤d中，精准喷施控制阀控制量作用到喷头-控制阀上，实现喷头喷出的肥量为***最终决策喷施量。
作为一种优选，若干喷头排成的喷施幅宽覆盖步骤a中传感器的检测宽度。
作为一种优选，精准喷施控制阀控制量错时施加在各喷头-控制阀上，避免多个控制阀同时开关引起安装控制阀和喷头的喷杆振动。
本发明提出一种水稻实时精准喷施方法，该实时精准喷施方法通过传感器检测喷雾机前方水稻冠层氮素充分指数数据，依据建立的水稻生长需肥模型决策出单位面积喷施量；采用传感器检测喷施管道压力并通过调压阀调节稳定喷施压力；决策出的单位面积喷施量与速度信息得到速度匹配喷施量，速度匹配喷施量经喷头-控制阀喷施模型和喷施压力误差进行补偿后，决策得到精准喷施控制阀控制量，以实时调节喷头喷施量。
总的说来，本发明具有如下优点：
(1)本发明通过实时感知水稻冠层光谱信息以获得水稻长势，获得水稻生长所需肥量，通过控制喷头准确喷施到对应水稻叶面，为水稻液体肥精准喷施提供了方法，减少肥料浪费，提高肥料利用率。
(2)该实时精准喷施方法与水田高地隙喷雾机适应，解决目前水稻液体肥精准喷施问题，满足水稻追肥需要。
(3)通过压力稳定调节方法，减少水田机械在水田中行走动力变化所带来的喷施管路肥液压力变化，再通过喷头受压力变化进一步对喷施量进行补偿，提高了喷施精度。
(4)若干喷头喷幅覆盖光谱传感器检测宽度，且控制阀控制量错时施加在各喷头控制阀上，避免多个开关阀同时开关引起喷杆振动，提高了喷施稳定性。
附图说明
图1是一种水稻实时精准喷施方法的流程图。
图2是一种水稻实时精准喷施结构的原理图。
图3是实验组A、B、C布置图。
图4第一次喷肥实验组A、B、C的水稻氮素充分指数图。
图5第二次喷肥实验组A、B、C的水稻氮素充分指数图。
图6第三次喷肥实验组A、B、C的水稻氮素充分指数图。
图7第三次喷肥后实验组A、B、C的水稻氮素充分指数图。
其中，1为液体肥箱、2为水泵、3为调压阀、4为压力传感器、5.1-5.n为控制阀、6.1-6.n为喷头、7为卫星定位信号接收器、8为控制器，9为光谱传感器。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示，一种水稻实时精准喷施方法通过传感器检测水稻生长信息并决策出单位面积液体肥喷施量；采用调压阀稳定喷施管路压力；决策出的单位面积液体肥喷施量与速度信息匹配得到速度匹配喷施量，速度匹配喷施量经喷头-控制阀喷施模型和喷施压力误差进行补偿后，决策得到精准喷施控制阀控制量，以实时调节喷头喷施量。
如图2所示，一种水稻实时精准喷施结构包括：液体肥箱、水泵、调压阀组、压力传感器、卫星定位信号接收器、光谱传感器、控制器、控制阀和喷头。其中水田高地隙喷雾机(高地隙喷杆喷雾机)作为本发明的一种水稻实时精准喷施方法的作业载体和动力驱动装置，液体肥箱和水泵由喷雾机提供，喷施压力为0-3Mpa；调压阀用于稳定喷施管路压力；压力传感器用于检测喷施管路压力；光谱传感器用于检测水稻生长信息；卫星定位信号接收器用于定位作业区域和提供速度信息；控制器可用于接收光谱传感器信息、压力传感器信息、卫星定位信号接收器信息，可设定喷施压力，根据实时检测喷施管路压力和预先设定喷施压力差调节调压阀，可输出PWM信号控制喷头-控制阀进行喷施作业。具体的连接方式为：液体肥箱、水泵、调压阀依次通过管路相接，调压阀后的管路由一路分为n路，n路喷头-控制阀管路相互并联，每路均设有控制阀和喷头；调压阀后的管路设有压力传感器，压力传感器和调压阀均与控制器相接；卫星定位信号接收器和光谱传感器均与控制器相接。
一种水稻实时精准喷施方法，采用光谱传感器检测水田高地隙喷雾机前方水稻冠层氮素充分指数表征水稻生长信息。光谱传感器氮素充分指数值S1由光谱波段808nm反射率和光谱波段735nm反射率计算得出：
Figure BDA0002445330730000041
其中，R808为近红外光808nm光谱波段的反射率，R735为红光735nm波段的反射率。
单位面积液体肥喷施量由水稻生长需肥模型和水稻生长信息计算出。水稻生长需肥模型是以水稻品种象牙香占为研究对象，设计不同施肥梯度的小区实验，基肥、蘖肥、穗肥按照一定比例施入，由各个时期单位面积施肥量与光谱传感器氮素充分指数值和水稻植株氮含量之间的相关关系建立。
单位面积液体肥喷施量计算方法为：由分蘖期、抽穗期水稻的光谱传感器氮素充分指数值(x)与单位面积液体肥喷施量(y)数据进行曲线拟合的得到回归拟合方程y＝f(x)，各个时期单位面积液体肥喷施量根据y＝f(x)施入。
计算出的单位面积液体肥喷施量与对应水稻区域的全球卫星定位坐标进行位置信息标记。采用压力传感器检测喷施管路喷施压力。根据实时检测的压力和设定工作压力的压力差调节调压阀，保证喷施管路压力稳定。
速度信息由全球卫星定位***提供，速度匹配施肥量由决策出的单位面积液体肥喷施量通过喷施机作业速度进行匹配，计算方法为：
Figure BDA0002445330730000051
其中，z为与速度匹配的单位时间内单个喷头喷施量，y为单位面积液体肥喷施量，v为作业速度，a为喷头喷幅，b为肥水混合比例。
喷头-控制阀喷施模型由与喷头喷施量与输入控制阀的占空比和喷施管道压力的相关关系建立。以水模拟液体肥，固定频率30Hz，设置喷雾压力分别为1公斤、1.2公斤、2.5公斤、3.8公斤、4公斤，占空比依次分别为100％、94.9％，60％、25.1％、20％，统计时间30s，经3次重复试验，统计10个喷头-控制阀喷施量，采用二元二次回归正交方法得到各个喷头的喷施量与喷施管路压力、占空比的关系模型：
y1＝1.1898c+0.0166d+4.047
y2＝1.1573c+0.0169d+3.693
y3＝1.29c-0.006d+4.764
y4＝1.0474c+0.012d+4.0544
y5＝1.064c+0.02d+5.5567
y6＝0.34c2-0.6528c+0.019d+7.715
y7＝1.07c+0.0115d+5.731
y8＝0.995c+0.016d+5.387
y9＝0.88c+0.0172d+5.518
y10＝0.945c+0.0174d+5.247
其中y1-y10为对应10个喷头-控制阀的喷施量，c为喷施管道压力，d为PWM占空比。
喷施压力误差是由喷施管路的肥液压力与设定压力的压力差减少管路压力变化对喷量的影响。
精准喷施控制阀控制量作用到喷头-控制阀上，实现喷头喷出的肥量为***最终决策喷施量。
若干喷头排成的喷施幅宽覆盖光谱传感器检测宽度。
控制阀控制量错时施加在各喷头控制阀上，避免多个开关阀同时开关引起喷杆振动。
为了验证水稻实时精准施肥方法施肥效果，进行了田间试验，实验组A基肥施氮肥(尿素)19.6kg/亩，实验组B基肥施氮肥(尿素)9.8kg/亩，实验组C基肥施尿素0kg/亩，并对实验区抽穗期水稻进行三次喷施液体肥，如图3-7所示为实验组A、B、C三组氮素充分指数图，经过三次喷施液体肥的氮素充分指数最大偏差和氮素充分指数标准偏差如下表所示：
Figure BDA0002445330730000061
经过三次喷施液体肥，氮素充分指数的最大偏差由4.564降至1.517，标准偏差由2.14降至1.04，表明按需变量喷施肥减小了水稻长势差异。
对实验组A、B、C水稻产量及其产量构成因素进行测定，结果如下表所示：
Figure BDA0002445330730000062
试验结果表明：对比三个实验组，每穴有效穗数、每穗空粒数、每穗实粒数、每穗总粒数、千粒重、结实率、实际产量、理论产量差异不大。
而现有全田统一均施肥的方法难以针对水稻需肥量进行施用，水稻长势差异增大，导致水稻品质不均匀。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水稻实时精准喷施方法，用于水田高地隙喷雾机，其特征在于：采用调压阀稳定喷施管路压力，包括如下步骤：a.通过传感器检测水稻生长信息并决策出单位面积喷施量；b.决策出的单位面积喷施量与速度信息匹配得到速度匹配喷施量；c.速度匹配喷施量经喷头-控制阀喷施模型和喷施压力误差进行补偿后，决策得到精准喷施控制阀控制量；d.根据精准喷施控制阀控制量实时调节喷头喷施量。
2.按照权利要求1所述的一种水稻实时精准喷施方法，其特征在于：步骤a中，采用光谱传感器检测喷雾机前方水稻冠层氮素充分指数表征水稻生长信息。
3.按照权利要求2所述的一种水稻实时精准喷施方法，其特征在于：步骤a中，单位面积喷施量由水稻生长需肥模型和水稻生长信息计算出；水稻生长需肥模型根据水稻品种建立各生长时期单位面积喷施量、光谱传感器氮素充分指数值和水稻植株氮含量之间的相关关系；单位面积喷施量计算方法为：分蘖期和抽穗期水稻的光谱传感器氮素充分指数值x与单位面积喷施量y数据进行曲线拟合得到回归拟合方程y＝f(x)，各个时期单位面积喷施量根据y＝f(x)施入。
4.按照权利要求2所述的一种水稻实时精准喷施方法，其特征在于：计算出的单位面积喷施量与对应水稻区域的全球卫星定位坐标进行位置信息标记。
5.按照权利要求1所述的一种水稻实时精准喷施方法，其特征在于：采用压力传感器检测喷施管路压力；根据实时检测的压力和设定工作压力的压力差调节调压阀，保证喷施管路压力稳定。
6.按照权利要求1所述的一种水稻实时精准喷施方法，其特征在于：步骤b中，速度匹配喷施量由决策出的单位面积喷施量通过喷雾机作业速度进行匹配，计算方法为：
Figure FDA0002445330720000011
其中z为与速度匹配的单位时间内单个喷头喷施量，y为单位面积喷施量，v为作业速度，a为喷头喷幅，b为肥水混合比例；速度信息由全球卫星定位***提供。
7.按照权利要求1所述的一种水稻实时精准喷施方法，其特征在于：步骤c中，喷头-控制阀喷施模型是由与喷头喷施量与输入控制阀的占空比和喷施管道压力的相关关系建立；喷施压力误差由喷施管路的肥液压力与设定压力的压力差减少管路压力变化对喷量的影响。
8.按照权利要求1所述的一种水稻实时精准喷施方法，其特征在于：步骤d中，精准喷施控制阀控制量作用到喷头-控制阀上，实现喷头喷出的肥量为***最终决策喷施量。
9.按照权利要求8所述的一种水稻实时精准喷施方法，其特征在于：若干喷头排成的喷施幅宽覆盖步骤a中传感器的检测宽度。
10.按照权利要求8所述的一种水稻实时精准喷施方法，其特征在于：精准喷施控制阀控制量错时施加在各喷头-控制阀上，避免多个控制阀同时开关引起安装控制阀和喷头的喷杆振动。
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