目前,我国大部分地区为缓解人均耕地压力,普遍采用过量施用化肥的方法提高粮食单产量,造成了耕地有机质含量大幅下降、土壤板结酸化、微生物系统破坏严重等现象,严重破坏了我国的农业资源环境。针对上述现象,为保障我国农业的可持续发展,变量施肥技术逐步成为农业工程领域的学术前沿与研究热点。近年来,国内外学者们提出了诸多技术手段,但均难以实现以实际排肥量作为反馈量,致使变量施肥闭环控制系统精度普遍偏低。因此,为攻克施肥量测量精度难以提高的技术瓶颈,本文设计了基于单线激光雷达的排肥量测量系统,实现了以实际排肥量作为反馈量,显著的提高了施肥量测量精度。本文主要研究内容如下:(1)本文设计了雷达运动控制机构与硬件控制系统,其根据单线激光雷达的成像特点,具备间隔采样、往复周期性运动和高精度等主要功能。雷达运动控制机构主要由同步带直线滑台模组、欧姆龙光电限位开关和雷赛运动控制器SMC606等部件构成。同步带直线滑台模组具有高速匀速运动能力(位置精度:0.1mm),光电限位开关可控制雷达实现往复运动,雷赛运动控制器SMC606对雷达运行状态进行实时控制与监测。本文基于SMC606运动控制器的DLL,编写了雷达运动控制系统软件,可实现人机交互和雷达运动状态实时控制等功能。(2)本文对测量系统的点云算法进行了分析与设计。首先,通过对肥料表面点云的特征研究,提出了点云坐标系转换、中值滤波、外点处理、异常局部点处理、线性插值、高斯平滑和动态区域提取等数据预处理基本流程。第二步,将预处理完成的动态区域点云图像进行Delaunay三角化和体积积分,实现排肥量的体积计算。最后,基于QT编写了排肥量计算系统软件,并结合多线程技术,编写了主线程、数据预处理线程和体积积分线程。通过上述研究,本文设计的测量系统同时具备基本功能参数配置、点云算法处理和排肥量计算等功能。(3)本文对测量系统进行了参数优化试验,以探明系统响应时间、最佳扫描速度与系统测量精度、排肥量测量体积之间的回归关系,并明确各参数最优值。本文运用仿真软件得出采样速度与测量误差之间的关系曲线,明确采样速度对平均有效误差的影响规律,并根据采样速度误差曲线确定扫描速度因素水平范围为200mm/s至500mm/s。通过单因素试验,确定扫描速度最优值为500mm/s,系统响应时间为1154ms,得到P、K、N肥的线性回归公式分别为1 0166 0 0313NM(28).V(10).,2R为0.9958,平均有效误差为2.67%;1 2961 0 1391kM(28).V(10).,2R为0.9966,平均有效误差为2.71%;NM=0.6862V+0.0159,R2为0.9948,平均有效误差为2.64%。(4)为验证参数优化试验结果,以及施肥量测量系统的实际作业效果,本文进行了田间试验。田间试验结果表明,实际作业中磷肥、钾肥和氮肥的平均有效误差分别为2.79%、2.81%和2.83%,且有效误差在一定范围内随着排肥量增大而上升,当排肥量增大到1.75kg后,系统有效误差稳定在3.91%以内。本文所设计的施肥量测量系统可起到显著提升变量施肥精度的作用,相比于吉林大学研制的基于CPLD变量施肥系统可降低有效误差约35%。因此,本研究可为变量施肥作业提供技术与装备支撑。