本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)自動(dòng)化，特別是一種基于北斗定位的智能撒肥控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著全球人口的快速增長(zhǎng)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的壓力日益增加。提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、減少資源浪費(fèi)、保護(hù)環(huán)境成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要發(fā)展方向。傳統(tǒng)的撒肥方式由于缺乏精確控制，存在肥料浪費(fèi)、施肥不均等問(wèn)題，不僅影響作物的生長(zhǎng)，還可能對(duì)土壤和環(huán)境產(chǎn)生不良影響。

2、目前，已有的農(nóng)業(yè)技術(shù)正在向智能化、自動(dòng)化方向發(fā)展，智能農(nóng)機(jī)設(shè)備和無(wú)人機(jī)技術(shù)逐漸在田間管理中得以應(yīng)用。例如，自動(dòng)化播種機(jī)、精準(zhǔn)施肥機(jī)等設(shè)備正在農(nóng)田作業(yè)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。然而，這些設(shè)備大多依賴于人工控制或預(yù)設(shè)參數(shù)，無(wú)法動(dòng)態(tài)適應(yīng)田地的實(shí)際狀況，缺乏靈活的調(diào)控手段，尤其是在撒肥過(guò)程中難以實(shí)現(xiàn)根據(jù)速度、地形和土壤情況進(jìn)行精準(zhǔn)控制。

3、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為中國(guó)自主研發(fā)的全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)，具有高精度、高覆蓋率等顯著優(yōu)勢(shì)，逐步在農(nóng)業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。結(jié)合北斗定位技術(shù)的智能撒肥系統(tǒng)可以有效提升農(nóng)機(jī)設(shè)備的自動(dòng)化和智能化水平，減少施肥過(guò)程中的資源浪費(fèi)，改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益。因此，亟需開(kāi)發(fā)一種基于北斗定位技術(shù)的智能撒肥控制系統(tǒng)，以解決傳統(tǒng)撒肥方式的不足，實(shí)現(xiàn)田間作業(yè)的高效管理。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于上述現(xiàn)有存在的問(wèn)題，提出了本發(fā)明。

2、因此，本發(fā)明提供了一種基于北斗定位的智能撒肥控制系統(tǒng)解決無(wú)法動(dòng)態(tài)適應(yīng)田地的實(shí)際狀況，缺乏靈活的調(diào)控手段，尤其是在撒肥過(guò)程中難以實(shí)現(xiàn)根據(jù)速度、地形和土壤情況進(jìn)行精準(zhǔn)控制的問(wèn)題。

3、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

4、本發(fā)明提供了一種基于北斗定位的智能撒肥控制系統(tǒng)，其包括，

5、模型建立模塊，用于建立施肥仿真模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取撒肥機(jī)開(kāi)盤(pán)大小與施肥量的關(guān)系數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)采集模塊，用于采集土壤分析數(shù)據(jù)和遙感影像數(shù)據(jù)，并進(jìn)行預(yù)處理；處方圖生成模塊，用于根據(jù)田地的土壤特性和作物需求，基于預(yù)處理后的土壤分析數(shù)據(jù)和遙感影像數(shù)據(jù)，生成施肥處方圖；空間標(biāo)定模塊，用于通過(guò)北斗定位系統(tǒng)獲取高精度定位數(shù)據(jù)，將施肥處方圖與高精度定位數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，完成田地空間標(biāo)定；路徑生成模塊，用于基于田地空間標(biāo)定結(jié)果和高精度定位數(shù)據(jù)，采用dijkstra算法生成最優(yōu)撒肥路徑；開(kāi)盤(pán)控制模塊，用于結(jié)合拖拉機(jī)實(shí)時(shí)速度和施肥仿真模型，動(dòng)態(tài)調(diào)控撒肥機(jī)的開(kāi)盤(pán)大小，利用控制算法對(duì)施肥量進(jìn)行精準(zhǔn)控制；狀態(tài)檢測(cè)模塊，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)拖拉機(jī)轉(zhuǎn)角與田塊邊界，自動(dòng)關(guān)閉撒肥機(jī)。

6、作為本發(fā)明所述基于北斗定位的智能撒肥控制系統(tǒng)的一種優(yōu)選方案，其中：建立施肥仿真模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取撒肥機(jī)開(kāi)盤(pán)大小與施肥量的關(guān)系數(shù)據(jù)，包括如下步驟，

7、通過(guò)現(xiàn)有的撒肥機(jī)建立精確的撒肥機(jī)物理模型，將撒肥機(jī)物理模型導(dǎo)入到edem軟件中進(jìn)行仿真；

8、確定撒肥機(jī)所適用的不同肥料種類，在仿真軟件中設(shè)置不同種類的肥料參數(shù)和撒肥機(jī)的開(kāi)盤(pán)大小；

9、在每個(gè)開(kāi)盤(pán)大小的設(shè)置下，進(jìn)行多次仿真實(shí)驗(yàn)，每次改變不同肥料種類的參數(shù)進(jìn)行有限元仿真分析，得到全面的仿真結(jié)果；

10、記錄每種開(kāi)盤(pán)大小下單位時(shí)間內(nèi)撒出的肥料總質(zhì)量，并計(jì)算對(duì)應(yīng)的施肥量；

11、重復(fù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，取施肥量的平均值作為最終數(shù)據(jù)，并記錄對(duì)應(yīng)的開(kāi)盤(pán)大?。?/p>

12、記錄仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的參數(shù)，將仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理成表格，使用matlab繪制開(kāi)盤(pán)大小與施肥量的關(guān)系圖，確定初步趨勢(shì)和線性或非線性關(guān)系，并選擇不同的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行擬合。

13、作為本發(fā)明所述基于北斗定位的智能撒肥控制系統(tǒng)的一種優(yōu)選方案，其中：采集土壤分析數(shù)據(jù)和遙感影像數(shù)據(jù)，并進(jìn)行預(yù)處理，包括如下步驟，

14、在選定的區(qū)域進(jìn)行土壤采樣，并對(duì)土壤樣本進(jìn)行分析；

15、使用衛(wèi)星遙感技術(shù)獲取高分辨率的遙感影像數(shù)據(jù)；

16、對(duì)于采集的遙感影像數(shù)據(jù)，使用matlab軟件進(jìn)行幾何校正、大氣校正和輻射校正；

17、對(duì)土壤分析數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗和標(biāo)準(zhǔn)化處理。

18、作為本發(fā)明所述基于北斗定位的智能撒肥控制系統(tǒng)的一種優(yōu)選方案，其中：根據(jù)田地的土壤特性和作物需求，基于預(yù)處理后的土壤分析數(shù)據(jù)和遙感影像數(shù)據(jù)，利用多目標(biāo)優(yōu)化模型，生成施肥處方圖，包括如下步驟，

19、將土壤分析數(shù)據(jù)與遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行空間配準(zhǔn)，使用qgis3軟件加載土壤分析數(shù)據(jù)和遙感影像數(shù)據(jù)并進(jìn)行空間分析，確定田地的土壤特性和植被指數(shù)指標(biāo)；

20、使用k均值聚類方法對(duì)田地進(jìn)行分區(qū)，根據(jù)聚類結(jié)果生成田地的土壤分區(qū)圖；

21、確定施肥精準(zhǔn)性、施肥成本以及肥料流失風(fēng)險(xiǎn)為優(yōu)化目標(biāo)；

22、設(shè)定滿足作物需求、總施肥量限制和高坡度區(qū)域施肥限制的約束條件；

23、采用粒子群優(yōu)化算法作為多目標(biāo)優(yōu)化模型的優(yōu)化算法；

24、隨機(jī)生成粒子群，為每個(gè)粒子賦予初始速度和位置；

25、計(jì)算每個(gè)粒子的綜合目標(biāo)函數(shù)值，記錄個(gè)體最優(yōu)解和全局最優(yōu)解；

26、根據(jù)粒子當(dāng)前速度和位置更新公式，更新粒子位置和速度；

27、重復(fù)更新粒子，直至達(dá)到最大迭代次數(shù)或目標(biāo)函數(shù)值的變化小于設(shè)定閾值時(shí)，輸出最優(yōu)解；

28、優(yōu)化完成后，將每個(gè)網(wǎng)格單元的施肥量結(jié)果轉(zhuǎn)換為網(wǎng)格化的施肥處方圖，并疊加田塊地圖，輸出最終的施肥處方圖。

29、作為本發(fā)明所述基于北斗定位的智能撒肥控制系統(tǒng)的一種優(yōu)選方案，其中：通過(guò)北斗定位系統(tǒng)獲取高精度定位數(shù)據(jù)，將施肥處方圖與高精度定位數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，完成田地空間標(biāo)定，包括如下步驟，

30、利用北斗定位系統(tǒng)獲取田地邊界的高精度坐標(biāo)，記錄邊界點(diǎn)的經(jīng)緯度信息；獲取田地的中心點(diǎn)坐標(biāo)和邊界面積；

31、通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式，將施肥處方圖的像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為地理坐標(biāo)；

32、將田地邊界和分區(qū)坐標(biāo)疊加到北斗系統(tǒng)中的田塊地圖，檢查施肥處方圖與實(shí)際田地的空間匹配度。

33、作為本發(fā)明所述基于北斗定位的智能撒肥控制系統(tǒng)的一種優(yōu)選方案，其中：基于田地空間標(biāo)定結(jié)果和高精度定位數(shù)據(jù)，采用dijkstra算法生成最優(yōu)撒肥路徑，包括如下步驟，

34、通過(guò)北斗定位系統(tǒng)，獲取田間的高精度定位數(shù)據(jù)，記錄農(nóng)田的邊界和特征點(diǎn)；

35、使用dijkstra算法進(jìn)行撒肥路徑規(guī)劃，使用高精度位置數(shù)據(jù)為撒肥路徑規(guī)劃算法提供起點(diǎn)和終點(diǎn)，將田間的各個(gè)點(diǎn)視作圖中的節(jié)點(diǎn)，邊界視作障礙物；

36、采用bezier曲線或樣條曲線對(duì)撒肥路徑進(jìn)行平滑處理，并對(duì)平滑后的撒肥路徑進(jìn)行驗(yàn)證；

37、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)拖拉機(jī)位置，通過(guò)高精度定位修正路徑，根據(jù)環(huán)境變化重新計(jì)算路徑。

38、作為本發(fā)明所述基于北斗定位的智能撒肥控制系統(tǒng)的一種優(yōu)選方案，其中：結(jié)合拖拉機(jī)實(shí)時(shí)速度和施肥仿真模型，動(dòng)態(tài)調(diào)控撒肥機(jī)的開(kāi)盤(pán)大小，利用控制算法對(duì)施肥量進(jìn)行精準(zhǔn)控制，包括如下步驟，

39、采用基于舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)及連桿系統(tǒng)的撒肥機(jī)開(kāi)盤(pán)大小控制器，通過(guò)下位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)的精準(zhǔn)控制，上位機(jī)接收與處理發(fā)送的開(kāi)盤(pán)大小數(shù)據(jù)；

40、下位機(jī)增加環(huán)境傳感器，在運(yùn)行過(guò)程中檢測(cè)環(huán)境參數(shù)并傳遞給上位機(jī)，確保上位機(jī)有足夠的數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的撒肥機(jī)開(kāi)盤(pán)大小的預(yù)判和路徑規(guī)劃

41、上位機(jī)通過(guò)北斗定位系統(tǒng)獲取拖拉機(jī)的實(shí)時(shí)速度，并根據(jù)仿真模型計(jì)算目標(biāo)開(kāi)盤(pán)大小以及目標(biāo)角度和速度；

42、拖拉機(jī)通過(guò)前輪增加絕對(duì)值編碼器以及后輪增加增量式編碼器，確保接收到數(shù)據(jù)后精準(zhǔn)控制拖拉機(jī)以預(yù)期要求運(yùn)行；

43、通過(guò)調(diào)節(jié)pid控制算法對(duì)拖拉機(jī)角度和速度進(jìn)行把控。

44、作為本發(fā)明所述基于北斗定位的智能撒肥控制系統(tǒng)的一種優(yōu)選方案，其中：所述pid控制算法的計(jì)算公式為：

45、

46、其中，為控制輸出，為當(dāng)前角度或速度的誤差值，為比例系數(shù)，為積分系數(shù)，為微分系數(shù)。

47、作為本發(fā)明所述基于北斗定位的智能撒肥控制系統(tǒng)的一種優(yōu)選方案，其中：還包括狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊，其用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)拖拉機(jī)轉(zhuǎn)角與田塊邊界，自動(dòng)關(guān)閉撒肥機(jī)。

48、作為本發(fā)明所述基于北斗定位的智能撒肥控制系統(tǒng)的一種優(yōu)選方案，其中：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)拖拉機(jī)轉(zhuǎn)角與田塊邊界，自動(dòng)關(guān)閉撒肥機(jī)，包括如下步驟，

49、使用北斗定位系統(tǒng)獲取拖拉機(jī)的實(shí)時(shí)位置和行駛狀態(tài)；

50、設(shè)定轉(zhuǎn)角閾值，判斷拖拉機(jī)轉(zhuǎn)角是否超過(guò)特定角度；

51、當(dāng)拖拉機(jī)的轉(zhuǎn)角大于轉(zhuǎn)角閾值時(shí)，則觸發(fā)撒肥機(jī)暫停操作，當(dāng)拖拉機(jī)的轉(zhuǎn)角小于等于轉(zhuǎn)角且方向穩(wěn)定后，恢復(fù)撒肥作業(yè)；

52、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)拖拉機(jī)的位置，判斷其是否接近田塊邊界，并根據(jù)距離判斷是否關(guān)閉撒肥機(jī)。

53、本發(fā)明有益效果為：通過(guò)北斗定位系統(tǒng)獲取拖拉機(jī)和田地的高精度定位數(shù)據(jù)，將施肥處方圖與定位數(shù)據(jù)融合，對(duì)田地進(jìn)行空間標(biāo)定，明確田塊邊界及施肥區(qū)域的地理位置。通過(guò)將施肥處方圖與北斗定位數(shù)據(jù)相結(jié)合，可以將處方圖中的施肥需求點(diǎn)準(zhǔn)確映射到田地的實(shí)際地理位置，確保撒肥機(jī)能夠在正確的時(shí)間、正確的位置施肥。通過(guò)dijkstra算法，可以規(guī)劃出覆蓋田地所有施肥區(qū)域的最優(yōu)路徑，避免重復(fù)作業(yè)或遺漏區(qū)域，從而提高作業(yè)效率。