基于衛(wèi)星定位的玉米高位精播種子著床位置預(yù)測(cè)方法

顏丙新 付衛(wèi)強(qiáng) 武廣偉 肖躍進(jìn) 孟志軍

(北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心， 北京 100097)

0 引言

玉米植株的精確空間位置分布信息可為中耕、植保、對(duì)行收獲等田間精準(zhǔn)作業(yè)提供數(shù)據(jù)源，有助于水、肥、藥的精確施用和植株的對(duì)行因苗管理，能有效提高資源利用率，節(jié)約農(nóng)業(yè)成本，提高農(nóng)民收益[1-6]，是玉米精細(xì)化生產(chǎn)的基礎(chǔ)。

目前，玉米植株位置信息獲取多依靠視覺、激光雷達(dá)等技術(shù)，在苗期直接識(shí)別植株，獲取位置[7-15]。植株識(shí)別過程易受枝葉交錯(cuò)、苗草簇生及自然光照等多變環(huán)境因素的干擾。所得植株位置為基于作業(yè)機(jī)具的相對(duì)位置數(shù)據(jù)，具有即獲取即使用的特點(diǎn)，不能與其他環(huán)節(jié)共享。而玉米精播過程種子著床位置預(yù)測(cè)技術(shù)可以在播種環(huán)節(jié)獲取種子著床絕對(duì)位置信息，間接定位玉米植株。避免了多變環(huán)境因素對(duì)植株識(shí)別的影響，絕對(duì)位置數(shù)據(jù)還可供后續(xù)各環(huán)節(jié)共享使用，一定程度上彌補(bǔ)了苗期玉米植株識(shí)別定位的不足。

精播過程種子著床位置預(yù)測(cè)技術(shù)起源于20世紀(jì)末，伴隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，作物按株作業(yè)隨之興起，準(zhǔn)確獲取高精度種子位置圖成為重要研究?jī)?nèi)容。GRIEPENTROG等[16-17]利用RTK GPS(Real time kinematic global positioning system)改進(jìn)精量播種機(jī)，使開溝器搭載光電種子檢測(cè)傳感器并配合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，進(jìn)行甜菜精量播種和種子定位。NORREMARK等[18-19]在上述研究基礎(chǔ)上，提出了一種提高定位精度的方法，該方法在試驗(yàn)田添加已知位置的標(biāo)識(shí)，并在播種機(jī)上添加識(shí)別該標(biāo)識(shí)的光電傳感器，當(dāng)播種機(jī)經(jīng)過標(biāo)識(shí)時(shí)，定位坐標(biāo)與標(biāo)識(shí)坐標(biāo)進(jìn)行比較，來(lái)校準(zhǔn)定位數(shù)據(jù)，田間試驗(yàn)結(jié)果表明，在作業(yè)速度5.3 km/h時(shí)，95%的甜菜種子在定位位置37.3 mm范圍內(nèi)出苗。PEREZ-RUIZ等[20]將種子著床位置預(yù)測(cè)技術(shù)應(yīng)用在番茄移栽中，田間試驗(yàn)表明，在作業(yè)速度1.6 km/h時(shí)，該控制系統(tǒng)對(duì)番茄主莖定位平均中心誤差為8 mm。國(guó)內(nèi)外學(xué)者還進(jìn)行了大量方法上的嘗試[21-22]，但均基于排種器低位投種(排種器排種口距離種床小于20 cm)，研究中種子檢測(cè)位置即為種子著床位置。

隨著國(guó)內(nèi)保護(hù)性耕作技術(shù)的推廣，玉米免耕播種面積逐年增加，為減小作業(yè)過程土壤顆粒和秸稈對(duì)排種器型孔的阻塞和對(duì)排種檢測(cè)傳感器的遮擋，大量播種機(jī)采用高位投種方式[23](排種器排種口距離種床30～50 cm)，種子離開排種盤，經(jīng)過導(dǎo)種管后著床。而排種檢測(cè)傳感器多安裝在導(dǎo)種管中間，種子檢測(cè)位置距種床較遠(yuǎn)，不宜繼續(xù)采用檢測(cè)位置即著床位置的理論。

本文提出一種基于衛(wèi)星定位的玉米高位精播種子著床位置預(yù)測(cè)方法?；谛l(wèi)星精準(zhǔn)定位播種機(jī)組位置，結(jié)合播種機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)構(gòu)建播種機(jī)組與播種單體相對(duì)位置模型；基于EDEM數(shù)值模擬和動(dòng)態(tài)仿真，構(gòu)建高位精播種子著床補(bǔ)償模型，明確種子從排種檢測(cè)傳感器到種床過程的時(shí)間延遲和位置滯后，搭建種子著床位置預(yù)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)玉米高位精播環(huán)節(jié)種子著床位置的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。

1 系統(tǒng)組成

種子著床位置預(yù)測(cè)系統(tǒng)組成如圖1所示，主要包括：12 V電源(實(shí)際作業(yè)過程中可直接使用拖拉機(jī)12 V電源供電)、主控制器(以STM32F407VGT6微控制器為主芯片)、排種檢測(cè)傳感器[24](對(duì)射式紅外光電傳感器，種子識(shí)別精度97%)、RTK接收機(jī)(聯(lián)適R60U型接收機(jī)，RTK接收機(jī)工作時(shí)用到的固定基站位于作業(yè)地塊2 km范圍內(nèi)，RTK接收機(jī)平面定位精度為±12 mm)、衛(wèi)星天線、電臺(tái)天線和數(shù)據(jù)記錄儀等。所有硬件安裝在由拖拉機(jī)和4行氣吸式播種機(jī)組成的播種機(jī)組上。

2 種子著床位置預(yù)測(cè)原理

種子著床位置預(yù)測(cè)過程可以分為數(shù)據(jù)獲取和位置預(yù)測(cè)兩個(gè)過程。以衛(wèi)星天線在作業(yè)平面的投影位置反映播種機(jī)組位置，排種檢測(cè)傳感器在作業(yè)平面的投影位置反映播種單體位置。種子著床位置預(yù)測(cè)系統(tǒng)原理如圖2所示，播種機(jī)開始作業(yè)時(shí)，RTK接收機(jī)采集來(lái)自衛(wèi)星天線的衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)和來(lái)自電臺(tái)天線的固定基站數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)解析處理，并采用NMEA-0183協(xié)議輸出包含$GPRMC字段的定位數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)播種機(jī)組位置、UTC時(shí)間等信息的精確獲取；各單體排種檢測(cè)傳感器預(yù)先分配行號(hào)，當(dāng)種子經(jīng)過導(dǎo)種管時(shí)，排種檢測(cè)傳感器被觸發(fā)，觸發(fā)信號(hào)和對(duì)應(yīng)行號(hào)被傳遞給主控制器，通過RS232存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)記錄儀，完成數(shù)據(jù)獲取；播種結(jié)束后，綜合UTC時(shí)間、傳感器觸發(fā)時(shí)間以及種子從排種檢測(cè)傳感器到著床過程的時(shí)間延遲，確定種子的著床時(shí)間；以著床時(shí)間為基準(zhǔn)采用等速插值方法，結(jié)合RTK接收機(jī)獲取的位置信息，確定種子著床時(shí)刻播種機(jī)組位置；綜合播種機(jī)組與播種單體相對(duì)位置模型，解算此時(shí)各播種單體位置；最后考慮位置滯后補(bǔ)償確定著床種子最終位置，完成著床種子位置預(yù)測(cè)。

2.1 數(shù)據(jù)獲取過程

數(shù)據(jù)獲取流程如圖3所示，主控制器上電后，對(duì)RTK接收機(jī)、串口、CAN bus、排種檢測(cè)傳感器等外設(shè)進(jìn)行初始化。初始化完成后程序開始接收來(lái)自RTK接收機(jī)的數(shù)據(jù)到緩存器中，并判斷緩存器中的數(shù)據(jù)是否含有$GPRMC字段，沒有則清空緩存器，繼續(xù)接收數(shù)據(jù)，有則將數(shù)據(jù)傳遞給數(shù)據(jù)記錄儀，同時(shí)復(fù)位指定定時(shí)器。兩個(gè)$GPRMC字段之間的時(shí)間間隔為一個(gè)接收周期，在一個(gè)接收周期內(nèi)，當(dāng)排種檢測(cè)傳感器被激活時(shí)，數(shù)據(jù)記錄儀記錄行號(hào)和激活時(shí)刻定時(shí)器時(shí)間，如此循環(huán)直到播種結(jié)束。

2.2 播種機(jī)組與播種單體相對(duì)位置模型構(gòu)建

采用單一衛(wèi)星天線可以簡(jiǎn)化整體結(jié)構(gòu)，降低系統(tǒng)成本，但只能直接獲取一個(gè)定位點(diǎn)數(shù)據(jù)。為預(yù)測(cè)4行播種機(jī)所有種子的位置數(shù)據(jù)，需對(duì)每個(gè)播種單體進(jìn)行定位。HE等[25]將衛(wèi)星天線固定在拖拉機(jī)駕駛室上方，利用單一位置信息，結(jié)合播種機(jī)組的航向，播種機(jī)組與播種單體相對(duì)位置關(guān)系確定了各播種單體的位置。由于播種機(jī)與拖拉機(jī)掛接部位存在鉸接關(guān)系，在作業(yè)過程中播種單體與拖拉機(jī)上的衛(wèi)星天線相對(duì)位置會(huì)發(fā)生變化，同時(shí)相同播種機(jī)掛接到不同拖拉機(jī)上也會(huì)造成相對(duì)位置的變化，需要重新標(biāo)定相對(duì)位置模型。

為了避免以上問題，本研究將衛(wèi)星天線直接固定在播種機(jī)主梁上。播種機(jī)組與播種單體相對(duì)位置示意圖如圖4所示，坐標(biāo)系為高斯-克呂格平面直角坐標(biāo)系。假設(shè)衛(wèi)星天線在作業(yè)平面的投影坐標(biāo)為(x,y)，則第i行播種單體的位置坐標(biāo)(xi,yi)為

(1)

式中m——播種行距，m

L——衛(wèi)星天線與播種單體在播種前進(jìn)方向上的距離，m

d——衛(wèi)星天線與邊緣播種單體在垂直前進(jìn)方向的距離，m

θ——航向角，(°)

2.3 種子從播種單體到著床過程運(yùn)動(dòng)分析

種子經(jīng)過安裝在播種單體上的排種檢測(cè)傳感器后的運(yùn)動(dòng)無(wú)法被系統(tǒng)捕獲。該過程中，種子經(jīng)過導(dǎo)種管的輸運(yùn)后，到達(dá)種床，與種床接觸彈跳或滾動(dòng)釋放多余動(dòng)能后停止，完成著床。

2.3.1運(yùn)動(dòng)軌跡分析

種子從離開排種器到著床過程，種子相對(duì)排種器的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5所示。

在不受導(dǎo)種管約束，接觸種床無(wú)彈跳滾動(dòng)的理想狀態(tài)下，種子從離開排種器到著床過程相對(duì)排種器沿作業(yè)方向的運(yùn)動(dòng)距離ΔS可表示為

ΔS=vhtsinφ

(2)

(3)

種子與播種單體的滯后距離Δs可表示為

Δs=ΔS-ΔL

(4)

種子從排種檢測(cè)傳感器到著床過程的時(shí)間延遲Δt可表示為

Δt=t-t′

(5)

式中v——作業(yè)速度，km/h

vh——種子線速度,m/s

t——著床耗時(shí)(種子從脫離排種器到著床過程耗時(shí))，s

φ——投種角，實(shí)測(cè)值15°

n——排種盤型孔數(shù)，取27個(gè)

r——排種半徑，m

l——播種株距，m

ΔL——投種點(diǎn)與檢測(cè)點(diǎn)距離差，m

t′——檢測(cè)耗時(shí)(種子從脫離排種器到達(dá)排種檢測(cè)傳感器耗時(shí))，s

理想狀況下，對(duì)于特定的播種機(jī)，投種角φ、投種點(diǎn)與檢測(cè)點(diǎn)距離差ΔL不變，滯后距離Δs主要與種子線速度vh和著床耗時(shí)t有關(guān)。種子線速度越大、著床耗時(shí)越長(zhǎng)，滯后距離越大。種子線速度主要與排種半徑r、作業(yè)速度v、排種盤型孔數(shù)n、播種株距l(xiāng)有關(guān)，而排種半徑和排種盤型孔數(shù)一定時(shí)，作業(yè)速度越快、播種株距越小，種子線速度越大。即作業(yè)速度越快、播種株距越小、著床耗時(shí)越長(zhǎng)，滯后距離越大。時(shí)間延遲Δt主要與著床耗時(shí)t和檢測(cè)耗時(shí)t′有關(guān)，著床耗時(shí)和檢測(cè)耗時(shí)越接近，時(shí)間延遲越小。

如圖5紅色軌跡所示，在實(shí)際作業(yè)過程中，定義種子第1次接觸種床的位置為第1落點(diǎn)。以第1落點(diǎn)為參考，將種子從播種單體到著床過程分解為兩部分：種子從排種檢測(cè)傳感器到第1落點(diǎn)為落種過程，種子從第1落點(diǎn)到靜止著床為彈跳移位過程。落種過程種子由于導(dǎo)種管的約束導(dǎo)致與導(dǎo)種管壁發(fā)生多次碰撞，造成種子速度的大小和方向發(fā)生變化，種子的運(yùn)動(dòng)軌跡雜亂無(wú)章[26-28]；另外，種子彈跳移位過程影響種子著床位置預(yù)測(cè)。理想狀態(tài)下的時(shí)間延遲和位置滯后計(jì)算方法不再適用。

實(shí)際作業(yè)過程中

(6)

式中 Δs1——種子著床時(shí)刻，第1落點(diǎn)與排種檢測(cè)傳感器在作業(yè)方向上的距離，m

Δs2——實(shí)際著床位置與第1落點(diǎn)在作業(yè)方向上的距離，m

Δt1——落種過程耗時(shí)，s

Δt2——彈跳移位過程耗時(shí)，s

采用EDEM數(shù)值仿真方法模擬落種過程，并分析彈跳移位過程種子的運(yùn)動(dòng)狀況，以探明種子從播種單體到著床消耗的時(shí)間和相對(duì)排種器的位移，最終預(yù)測(cè)種子著床位置。

2.3.2落種過程分析

EDEM軟件可快速、簡(jiǎn)便地構(gòu)建種子顆粒模型，結(jié)合物料性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)和接觸參數(shù)等準(zhǔn)確計(jì)算種子運(yùn)動(dòng)，仿真模型在近幾年的精量播種過程研究中被廣泛驗(yàn)證和使用[29-32]。

2.3.2.1仿真模型構(gòu)建

以鄭單958玉米種子作為仿真顆粒建模對(duì)象，建模時(shí)將種子分為圓扁型、細(xì)長(zhǎng)型、類球型3類，以提高仿真精度[33]。借助EDEM軟件采用多球面組合填充方式構(gòu)建種子仿真顆粒模型[34-37]。

借助SolidWorks構(gòu)建仿真用幾何模型，如圖6所示，主要包括種床、導(dǎo)種管、排種檢測(cè)傳感器和顆粒工廠。其中，顆粒工廠位于排種器排種口處，與導(dǎo)種管上端相距11 cm，導(dǎo)種管長(zhǎng)度45 cm，導(dǎo)種管下端距離種床4 cm，排種檢測(cè)傳感器距離導(dǎo)種管下端24 cm。仿真過程中，顆粒工廠按圓扁型、細(xì)長(zhǎng)型、類球型3類種子所占比例4∶5∶1[34]，隨機(jī)間隔產(chǎn)生種子顆粒代替排種過程。同時(shí)導(dǎo)種管、排種檢測(cè)傳感器和顆粒工廠沿作業(yè)方向以設(shè)定速度運(yùn)動(dòng)。忽略種子著床彈跳。仿真過程保存時(shí)間間隔設(shè)置為0.001 s，以保證準(zhǔn)確定位種子著床瞬間。

2.3.2.2仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

排種盤型孔數(shù)n=27，型孔所在圓周半徑r=0.07 m，播種株距l(xiāng)取0.2、0.3、0.4 m，作業(yè)速度v取3、5、7 km/h，種子初速度分解為豎直方向初速度和作業(yè)方向初速度，排種頻率q(Hz)、種子豎直方向初速度v0(m/s)和水平方向初速度v′0(m/s)關(guān)系為

(7)

式中vx——種子相對(duì)排種盤的水平方向速度,m/s

vy——種子相對(duì)排種盤的豎直方向速度,m/s

試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 仿真試驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Test parameters of simulation tests

每組試驗(yàn)分別記錄30粒種子的Δt1和Δs1數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，仿真結(jié)果如表2所示。

表2 仿真結(jié)果Tab.2 Results of simulation

方差分析結(jié)果顯示，Δs1、Δt1對(duì)作業(yè)速度和播種株距影響均不顯著(p>0.05)。在著床位置預(yù)測(cè)模型中，取Δs1和Δt1平均值104.5 mm、0.147 3 s進(jìn)行補(bǔ)償。

2.3.3彈跳移位過程分析

以種子第1落點(diǎn)為參考，種子著床位置與第1落點(diǎn)在作業(yè)方向上的位移為Δs2，種子著床位置與第1落點(diǎn)相對(duì)位置存在3種不同情況，如圖7所示。

如圖7a所示，種子著床位置位于第1落點(diǎn)后方，種子接觸種床后向后方彈跳或滾動(dòng)，在著床位置停止。這種情況會(huì)導(dǎo)致預(yù)測(cè)位置位于實(shí)際位置前方。

如圖7b所示，種子著床位置位于第1落點(diǎn)處，種子接觸種床后立即停止運(yùn)動(dòng)。這種情況下種子預(yù)測(cè)位置較為準(zhǔn)確。

如圖7c所示，種子著床位置位于第1落點(diǎn)前方，種子接觸種床后向前方彈跳或滾動(dòng)，在著床位置停止。這種情況會(huì)導(dǎo)致預(yù)測(cè)位置位于實(shí)際位置后方。

綜合上述分析可知，彈跳位移過程造成種子著床位置的差異。這種位置差異因種床土壤類型、顆粒大小、含水率、緊實(shí)度、種子觸土位置、速度等不同，而有差異，暫無(wú)合適手段預(yù)測(cè)，故時(shí)間延遲和位置滯后作近似處理，即

(8)

2.4 種子著床位置預(yù)測(cè)

2.4.1種子著床時(shí)間確定

精確的種子著床時(shí)間是位置預(yù)測(cè)的關(guān)鍵，由圖2可以看出，位置預(yù)測(cè)過程涉及UTC時(shí)間tUTC、傳感器觸發(fā)時(shí)間tT和時(shí)間延遲Δt共3個(gè)時(shí)間量。其中tUTC以衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)的UTC時(shí)間為基準(zhǔn)，而tT和Δt以系統(tǒng)硬件時(shí)間為基準(zhǔn)。為了將不同時(shí)間基準(zhǔn)統(tǒng)一，在系統(tǒng)中單設(shè)定時(shí)器一個(gè)，每當(dāng)系統(tǒng)解析到$GPRMC時(shí)，重置定時(shí)器，以種子觸發(fā)排種檢測(cè)傳感器時(shí)，定時(shí)器的時(shí)間作為傳感器觸發(fā)時(shí)間。在這個(gè)過程中，主控制器從接收到識(shí)別$GPRMC字段存在固定時(shí)延，用ΔT表示，對(duì)于固定系統(tǒng)而言ΔT一定，該系統(tǒng)中為7.73×10-3s。則種子著床時(shí)間T可表示為

T=tUTC+tT+Δt+ΔT

(9)

2.4.2著床時(shí)刻播種機(jī)組定位

RTK接收機(jī)按定位數(shù)據(jù)更新率輸出播種機(jī)組的定位數(shù)據(jù)是點(diǎn)狀信息，很難覆蓋種子著床時(shí)刻所有播種機(jī)組位置，故采用等速插值方法彌補(bǔ)。

假設(shè)T時(shí)刻前后播種機(jī)組位置數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的UTC時(shí)間分別是Tn-1、Tn+1，基于西安80坐標(biāo)系6度帶，經(jīng)過高斯投影變換后對(duì)應(yīng)的平面坐標(biāo)分別為(xn-1,yn-1)、(xn+1,yn+1),播種機(jī)組在兩點(diǎn)之間視為勻速運(yùn)動(dòng)，則T時(shí)刻播種機(jī)組的位置坐標(biāo)(x,y)可表示為

(10)

綜合播種機(jī)組與播種單體相對(duì)位置模型獲取各播種單體的坐標(biāo)(xi,yi)。如圖5所示，在作業(yè)方向上種子著床位置比排種檢測(cè)傳感器位置滯后，結(jié)合仿真獲取的傳感器與著床位置的Δs，著床位置(xzi,yzi)可表示為

(11)

種子著床時(shí)刻航向角θ近似為Tn-1、Tn+1時(shí)刻播種機(jī)組位置坐標(biāo) (xn-1,yn-1)、(xn+1,yn+1)連線與X軸正方向的夾角，計(jì)算式為

(12)

3 系統(tǒng)性能試驗(yàn)

為檢驗(yàn)系統(tǒng)位置預(yù)測(cè)精度，基于4行氣吸式精量播種機(jī)，搭建播種過程種子著床位置預(yù)測(cè)系統(tǒng)，在北京市農(nóng)林科學(xué)院實(shí)驗(yàn)基地(116.46°E,40.18°N)進(jìn)行種子著床位置預(yù)測(cè)試驗(yàn)。試驗(yàn)前對(duì)地塊進(jìn)行旋耕15 cm處理，地表平整無(wú)石塊。

3.1 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

試驗(yàn)過程使用了一臺(tái)4行精量氣吸式播種機(jī)(德邦大為公司,中國(guó))，播種機(jī)風(fēng)機(jī)由液壓泵提供動(dòng)力，排種器作業(yè)風(fēng)壓不低于4 kPa。排種器高位安裝，由地輪提供動(dòng)力，種子從排種器排出后，經(jīng)過導(dǎo)種管著床，排種檢測(cè)傳感器安裝導(dǎo)種管中段；開溝器為雙圓盤開溝器，可形成V形種溝。播種機(jī)由一臺(tái)88 kW拖拉機(jī)(約翰迪爾公司，美國(guó))牽引。如圖8所示。

3.2 種子實(shí)際位置測(cè)量方法與評(píng)價(jià)指標(biāo)

按照GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》,在進(jìn)行播種質(zhì)量檢測(cè)時(shí)，將已播玉米種子表面土壤剝離，露出種子，認(rèn)為露出的種子即為種子著床的位置，本研究采用人工挖種的方式暴露種子的實(shí)際著床位置。利用衛(wèi)星定位機(jī)構(gòu)測(cè)量挖出種子的坐標(biāo)，作為著床種子的實(shí)際位置。將實(shí)際位置與種子著床位置預(yù)測(cè)系統(tǒng)所得預(yù)測(cè)位置進(jìn)行比較，以評(píng)價(jià)系統(tǒng)位置預(yù)測(cè)精度。

種子實(shí)際位置測(cè)量與種子著床位置預(yù)測(cè)采用相同的衛(wèi)星天線、RTK接收機(jī)、數(shù)據(jù)記錄儀等硬件設(shè)備，以避免硬件差異導(dǎo)致的誤差。如圖9所示，將衛(wèi)星天線置于三角架對(duì)中桿上端，調(diào)平三腳架，使得對(duì)中桿下端處于被挖種子正上方， 記錄此時(shí)衛(wèi)星天線的位置，作為種子的實(shí)際位置，為方便比較計(jì)算，種子實(shí)際位置同樣基于西安80坐標(biāo)系6度帶經(jīng)過高斯投影轉(zhuǎn)換為平面坐標(biāo)，表示為(x′zi,y′zi)。

系統(tǒng)預(yù)測(cè)位置與實(shí)際位置越接近，位置預(yù)測(cè)精度越高[17]，定義種子預(yù)測(cè)位置(xzi,yzi)與實(shí)際位置(x′zi,y′zi)的距離差為著床位置偏差DIP(Deviation of implantation position)。所預(yù)測(cè)種子位置主要用于后期植保環(huán)節(jié)按株作業(yè)，為了避免傷苗，玉米按株作業(yè)通常設(shè)置主莖安全區(qū)，以預(yù)測(cè)位置為圓心，半徑5 cm范圍設(shè)置為安全區(qū)，可以實(shí)現(xiàn)93.46%的安全作業(yè)區(qū)域覆蓋(以20 cm株距，60 cm行距的常規(guī)玉米播種為例)[38]。定義落在以預(yù)測(cè)位置為圓心，半徑5 cm范圍內(nèi)的種子數(shù)量所占比例為著床位置預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率AIP(Accuracy of implantation position)。以著床位置偏差和著床位置預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率為指標(biāo)，評(píng)價(jià)位置預(yù)測(cè)系統(tǒng)的工作性能，DIP越小，AIP越大，說明位置預(yù)測(cè)越精確。DIP和AIP計(jì)算式為

(13)

式中N0——落在以預(yù)測(cè)位置為圓心、半徑5 cm范圍內(nèi)的樣本數(shù)量

N——所測(cè)樣本總數(shù)

3.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以作業(yè)速度、株距和定位數(shù)據(jù)更新率為試驗(yàn)因素，開展三因素三水平正交試驗(yàn)，因素水平設(shè)置如表3所示。選用鄭丹958玉米種子，每組播種作業(yè)區(qū)域總長(zhǎng)50 m，前后各10 m分別為啟動(dòng)區(qū)和停止區(qū)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集區(qū)長(zhǎng)度30 m，播種深度設(shè)置3 cm，作業(yè)速度3 km/h。試驗(yàn)過程通過位置預(yù)測(cè)系統(tǒng)采集播種數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)種子著床位置。播種后，在試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集區(qū)隨機(jī)確定采樣起點(diǎn)，進(jìn)行連續(xù)取樣，每行測(cè)量20粒種子的實(shí)際位置。

表3 正交試驗(yàn)因素水平Tab.3 Factor levels of tests

圖10為播種株距0.4 m、作業(yè)速度3 km/h、定位數(shù)據(jù)更新率10 Hz時(shí)實(shí)際位置與預(yù)測(cè)位置對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果。

4 試驗(yàn)結(jié)果與討論

根據(jù)L9(34)正交表設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，如表4所示。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果首先采用極差分析法確定各因素對(duì)DIP和AIP的影響主次關(guān)系。由極差分析結(jié)果可知，各因素對(duì)DIP的影響主次順序?yàn)樽鳂I(yè)速度、定位數(shù)據(jù)更新率、播種株距。根據(jù)DIP越小，位置預(yù)測(cè)越精確的原則，最優(yōu)的方案組合為A1B3C3，即作業(yè)速度3 km/h,播種株距0.4 m、定位數(shù)據(jù)更新率10 Hz。各因素對(duì)AIP的影響主次順序?yàn)樽鳂I(yè)速度、播種株距、定位數(shù)據(jù)更新率。根據(jù)AIP越高，位置預(yù)測(cè)越精確的原則，最優(yōu)的方案組合也是A1B3C3。該方案下的平均著床位置偏差和著床位置預(yù)測(cè)偏差分別為24.3 mm和88.9%。

表4 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果Tab.4 Test scheme and results

為了明確作業(yè)速度、播種株距、定位數(shù)據(jù)更新率對(duì)DIP和AIP影響的重要程度，采用IBM SPSS Statistics對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，如表5所示：作業(yè)速度和定位數(shù)據(jù)更新率對(duì)DIP影響極顯著(p<0.01)，播種株距對(duì)DIP影響顯著(p<0.05)；作業(yè)速度對(duì)AIP影響顯著(p<0.05)，播種株距和定位數(shù)據(jù)更新率對(duì)AIP影響不顯著(p>0.05)。

表5 方差分析結(jié)果Tab.5 ANOVA results

DIP變化曲線如圖11所示。由圖11a可知，隨作業(yè)速度從3 km/h增至7 km/h，平均DIP從32.1 mm增至59.2 mm，增加了84.4%。造成這一現(xiàn)象的可能原因是：隨著作業(yè)速度的增加，種子到達(dá)第1落點(diǎn)時(shí)相對(duì)種床的速度增加，導(dǎo)致在彈跳移位過程中Δs2增加，DIP增大。3 km/h狀態(tài)下的DIP平均值與EHSANI等[22]以相同速度使用低位投種播種機(jī)播種玉米時(shí)的平均距離差34 mm接近，說明高位投種播種機(jī)也可以實(shí)現(xiàn)播種過程種子著床位置的預(yù)測(cè)。

由圖11b可知，隨著播種株距從0.2 m增加到0.4 m，DIP從48.7 mm減小到43.5 mm，減小了10.7%。對(duì)于特定播種機(jī)，播種株距增大，排種盤轉(zhuǎn)速減小，種子到達(dá)第1落點(diǎn)時(shí)相對(duì)種床的速度減小，導(dǎo)致在彈跳移位過程中Δs2減小，因碰撞引起的著床位置偏差變小。BUFTON等[39]研究也證實(shí)了隨著種子著床速度的增加，種子著床彈跳和滾動(dòng)移位隨之增加。

由圖11c可知，隨著定位數(shù)據(jù)更新率從1 Hz增加到10 Hz，DIP從50.8 mm減小到41.3 Hz，減小了18.7%。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的可能原因是隨著定位數(shù)據(jù)更新率的增加，相同時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)可獲取更多定位點(diǎn)信息，根據(jù)式(11)進(jìn)行著床時(shí)刻播種機(jī)組位置預(yù)測(cè)時(shí)，兩已知位置點(diǎn)的距離減小，預(yù)測(cè)位置更加精確。

AIP變化曲線如圖12所示，由圖12a可知，隨作業(yè)速度從3 km/h增加到7 km/h，平均AIP從81.9%下降到43.3%，下降了49.6%。彈跳移位過程Δs2的變化同樣是導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因。

在作業(yè)速度3 km/h時(shí)，AIP最高，但與NORREMARK等[19]以最高5.3 km/h采用低位零速度投種方式播種甜菜時(shí)95%的種子落在預(yù)測(cè)位3.73 cm范圍內(nèi)的結(jié)果相比，存在較大差異。主要原因是：本研究所用高位投種播種機(jī)，種子經(jīng)過導(dǎo)種管后著床，由于種子與導(dǎo)種管內(nèi)壁碰撞，無(wú)法實(shí)現(xiàn)零速投種，導(dǎo)致種子著床彈跳移位，是造成這一結(jié)果的可能原因之一；NORREMARK等[19]在種子位置預(yù)測(cè)過程中，添加已知位置的標(biāo)識(shí)，以校準(zhǔn)動(dòng)態(tài)定位數(shù)據(jù)，是定位精度更高的另一可能原因。播種株距和定位數(shù)據(jù)更新率對(duì)AIP影響不顯著。

綜合上述分析，可見進(jìn)一步減小DIP、提高AIP可以從減小種子著床彈跳移位和改善衛(wèi)星動(dòng)態(tài)定位精度入手。

5 結(jié)論

(1)提出了一種基于衛(wèi)星定位的玉米高位精播種子著床位置預(yù)測(cè)方法，搭建了試驗(yàn)系統(tǒng)，將玉米高位精播種子著床位置的預(yù)測(cè)控制在了厘米級(jí)。

(2)各因素對(duì)著床位置偏差影響的主次順序是：作業(yè)速度、定位數(shù)據(jù)更新率、播種株距，其中作業(yè)速度、定位數(shù)據(jù)更新率對(duì)著床位置偏差影響極顯著(p<0.01)，播種株距對(duì)著床位置偏差影響顯著(p<0.05)；各因素對(duì)著床位置預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率影響的主次順序是：作業(yè)速度、播種株距、定位數(shù)據(jù)更新率，其中作業(yè)速度對(duì)著床位置預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率影響顯著(p<0.05)，播種株距和定位數(shù)據(jù)更新率對(duì)著床位置預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率不顯著(p>0.05)。

(3)正交試驗(yàn)結(jié)果表明：著床位置偏差隨著作業(yè)速度的增加、播種株距的減小、定位數(shù)據(jù)更新率的減小而增加，著床位置預(yù)測(cè)精確率隨作業(yè)速度的增加而減小。作業(yè)速度、播種株距、定位數(shù)據(jù)更新率為3 km/h、0.4 m、10 Hz時(shí)，著床位置預(yù)測(cè)最準(zhǔn)確，著床位置偏差和著床位置預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率分別為24.3 mm和88.9%。