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从精准农业到自主农业:商品技术如何实现革命性影响
发布时间:2019-09-03        浏览次数:        

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  农业作为低技术的流行概念可悲地过时了。现代农民是高科技运营商:他们使用GIS软件来规划他们的田地,GPS用于指导现场操作,以及自动驾驶系统使拖拉机在没有人手的情况下遵循GPS导航。鉴于这种技术基础,向完全自治的过渡已经在进行中,利用商品部件和高级软件比其他许多领域更快地实现目标。

  本文概述了使用Kinze自主谷物收获系统作为案例研究的一些支持自主农业的关键技术。

  Jaybridge Robotics在工业领域(包括农业和采矿业)实现无人驾驶操作的车辆自动化。我们使用商业的,现成的(COTS)组件和我们的软件来做到这一点。我们相信软件是使车辆机器人具有成本效益和可靠性的最大挑战。在过去几年中,我们一直与Kinze Manufacturing合作,实现其农业设备系列的自动化(见上图)。在本文中,我将解释为什么农民在技术上处于有利位置以利用自动化农用车辆。我还将提供Kinze自主谷物收获系统背后技术的案例研究

  尽管都市人仍然认为农业是低技术,落后的职业,但美国和其他发达国家的大量专业农业已经走向高科技。特别是过去十年,精密农业的一般标签下,高科技的迅速普及。

  农民收集并处理大量数据。来自卫星的全球定位系统(GPS)数据(见图1)是精确农业的核心。农民使用农场管理软件(例如FarmWorks))和GPS接收器绘制他们的田地,并跟踪他们从每平方米得到的产量(作物的数量)。他们可以使用各种其他信息来增加这个产量数据。例如,他们还可以进行详细的土壤取样调查,以确定土壤不同区域的土壤养分组合。植物健康可以部分通过植物着色来评估,因此一些农民将购买卫星或飞机飞越图像,使他们能够在一年中的不同时间确定其植物的健康状况。当然,所有这些附加信息都会进入计算机绘图软件。

  根据收集和绘制的地理参考数据,农民可以生成处方图,指明在田地的每个区域施用多少肥料,在该区域种植种子的密度等等,以便优化产量和最小化不必要的化学品。

  为了充分利用处方地图,许多现代农具都是由计算机控制的。顾名思义,种植者将种子放在地上。如图2所示的播种机可以具有独立可控的行单元,使得每个单元能够独立地打开和关闭,或者调整其种植率。

  鉴于这种播种机,处方图被装载到拖拉机上的计算机上,拖拉机驱动器只是......驱动。驾驶员操纵拖拉机,拖拉机拉动播种机,车载计算机根据播种机在野外的位置控制播种率。计算机还会跟踪已经应用种子的位置,因此如果驾驶员必须通过已播种的区域,则不会进行双种子播种。

  同样的策略也适用于其他作物维护活动,如施肥和其他化学应用。计算机监控车辆位置并确保仅在规定的地方施加化学品,并根据特定区域定制剂量。这给农民带来了成本效益 - 减少使用的化学品节省了资金 - 并且还具有环境效益,因为使用的化学品越少,就越有可能潜入周围生态系统的化学品。

  当将种子放入地下,然后回来收获时,重要的是收割机遵循与播种机几个月前相同的路径。当然,收割机和播种机知道它们的位置与智能手机知道您的位置相同:GPS。

  但是,您可能已经注意到,您的手机可能已经关闭了很多。与农用车辆的不同之处在于,虽然您手机或车内的GPS装置可以在几码之内知道您所在的位置,但现代拖拉机中的高精度增强型GPS可以在几英寸内知道它的位置。这种准确性具有深远的影响

  首先,它允许拖拉机驾驶员一遍又一遍地重现路线。种植时,种子会进入地下。处理时,肥料直接施加到种子区域 - 不应用于行之间的非种子区域。最后,在收获时,驾驶员通过在收割机的行中准确地获得高效率而获得高效率。

  从历史上看,精确制导驱动器由“光条”辅助 - 一条LED线,可实时指示车辆是否在轨道上或是否需要转向校正。如今,先进的拖拉机只是沿着路线行驶。

  自动驾驶系统适用于各种拖拉机型号,包括内置和售后市场。大多数当前的自动驾驶系统只能驱动行,需要在每行结束时进行驱动程序干预,但某些供应商的高级系统现在可以处理某些简单的转弯。即使使用自动驾驶,驾驶员仍然需要观察障碍物并监控设备,尽管当驾驶员可以为“长排”进行“放手”时,工作量会减少很多。虽然农民仍然设置油门并注意碰撞,但系统无疑是自动驾驶自己。

  ?他们的拖拉机已经部分驱动,这意味着计算机已经可以控制关??键功能,如转向。

  Kinze Manufacturing生产用于行作物的谷物推车和种植机。在过去的几年里,Jaybridge Robotics一直与Kinze合作,自动化拖拉机牵引谷物推车生产Kinze自主谷物收获系统,如开幕视频和图3所示。在本案例研究中,我们将更加接近看看Kinze系统如何构建现有技术和Jaybridge的软件。

  Jaybridge Robotics的高级概述如图4所示。我们的软件利用商品组件执行关键的车辆自动化任务,包括:

  用户界面(如图5所示)在触摸屏Android平板电脑上运行。与Kinze合作,确定了四个主要工作流程元素。在卸载时,谷物推车与联合收割机串联驱动,同时联合收割机同时收获并将农作物倾倒入谷物推车。在跟随中,谷物推车沿着联合收割机后面跟随,例如当联合收割机经过狭窄区域时。在公园,一辆谷物推车开往一个指定的停车场,在那里遇到一个半路,将谷物向前运送。当然,在空闲模式下,谷物推车闲置等待进一步指导。这些关键工作流程元素在屏幕右侧的主要按钮中实现,而手动裁剪编辑和障碍物表示等附加功能则在底部提供。

  路径规划,车辆控制,导航和障碍物检测都可以在牵引谷物车的拖拉机上的嵌入式计算机上实时进行。

  当联合收割机移动时,路径计划会实时适应-请记住,组合运动不仅可以移动谷物车的目的地(在跟随或卸载模式下),还可以清除作物,从而创建额外的可行驶区域。该计划可能必须具有复杂的操作,例如图6,其中收获在梯田中进行。路径规划器依赖于导航系统识别谷物车的位置,方向和速度。当用联合收割机进行串联驱动时,它还依靠车辆之间的高速通信来交换位置信息。路径规划者必须不断考虑车辆位置和可行驶区域地图,以及车辆的物理能力。

  图6:谷物推车围绕露台急转弯的路径计划。资料来源:Jaybridge Robotics

  车辆控制也是实时进行的,确保车辆遵循计划的路径。与路径规划一样,控制在板载嵌入式计算机上运行,??同步油门,制动器和转向以实现所需的路径。

  导航系统将来自工厂标准高精度GPS系统的数据与其他车辆信息融合,以提供对车辆状态的极其准确的估计。

  障碍物检测系统依赖于旋转激光测距仪(LIDAR)和更典型地用于自适应巡航控制的汽车雷达。来自两个传感器的数据被融合以增强检测能力。

  车辆间通信通过两个不同的渠道进行。在较远的范围内,谷物推车和联合收割机通过细胞数据进行通信,利用普遍的细胞覆盖范围,进一步深入农场中心。在近距离,特别是在串联驾驶时,使用短距离高带宽无线电来交换数据以协调驾驶。

  值得注意的是,硬件组件是商用现货(COTS)部件:从嵌入式计算机到激光雷达再到单元调制解调器,这种技术现在以非常合理的价格点存在。Jaybridge的软件将它们从一系列零件转变为全自动谷物收割系统。

  工业机械必须可靠。农业机械也不例外。因此,Jaybridge Robotics工作的一个关键方面是确保自动车辆和控制它们的软件可靠。Jaybridge依赖于许多技术,包括正式代码检查,单元测试,回归测试和大规模仿线),以便在软件进入真实硬件之前对其进行验证。特别是模拟是我们工具库中的一个强有力的工具:它为每个Jaybridge工程师提供了一个完整的系统,无需为一堆拖拉机找到停车位。

  2011年,Kinze自主谷物收获系统向公众揭幕。2012年,玉米和大豆的秋季收获使多个系统落入真正的伊利诺伊州农民手中。2013年,系统再次实现收获,具有更强的功能和更强大的稳健性。随着我们继续沿着技术路线图,我们期待进一步提高Kinze自主谷物收获系统的能力和稳健性。神算网赛马会论坛