喷杆高度在线调控设计与试验研究

随着化学农药成本的上涨及对环境问题的日益关注,要求生产出更加先进的喷雾设备以提高喷雾均匀性。喷杆式喷雾机在田间作业时,为保证施药效果,喷杆与作物冠层之间始终保持近似平行保持距适当距离,以避免喷杆倾斜刮伤作物,因而设计了一套喷杆式喷雾机喷杆高度在线调控系统。该系统采用超声波测距传感器和角度传感器相结合的方法,利用超声波测距传感器实时检测喷杆两端与植株冠层的距离并与系统设定的高度值进行比对来控制油缸的伸缩,角度传感器控制喷杆与水平面的倾斜角。本文给出了喷杆式喷雾机样机的总体结构,介绍了喷杆高度液压调节系统的组成和工作原理,并对喷杆高度在线调控系统的调节性能进行了场地和田间试验。     

喷杆式喷雾机喷杆高度及平衡在线调控系统

为保证喷杆式喷雾机工作过程中,喷杆与冠层之间始终保持近似平行并相距适当距离,以保证施药效果,并避免喷杆倾斜刮伤作物,设计了一套喷杆式喷雾机喷杆高度及平衡在线调控系统。该系统采用超声波测距传感器实时检测喷杆两端的实际对地距离,并根据其与喷杆设定作业高度的差别,控制油缸动作,对喷杆高度及喷杆平衡进行实时调整。给出了喷杆式喷雾机样机的总体结构,介绍了喷杆高度液压调节系统的组成和工作原理,详细阐述了喷杆高度及平衡在线调控系统的软、硬件设计方法,设计了一种对地距离检测信号枝叶遮挡干扰的滤波算法,并对喷杆高度及平衡在线调控系统的调节性能进行了场地和田间试验。场地试验表明,该调控系统可以有效改善阶跃激励路面引起的喷杆高度变化,并可以将喷杆高度变化值控制在±3 cm范围内。田间试验表明,喷杆高度信号滤波程序可以有效滤除分行器下方偶有棉花枝叶的干扰,实现喷杆高度及平衡的在线调控。     

基于冠层信息的马铃薯喷雾机喷杆高度控制系统研究

为解决喷杆式喷雾机在对马铃薯等茄科茄属作物进行喷施作业时喷杆相对作物冠层距离精确测量与控制问题，设计了一套马铃薯喷雾机喷杆高度控制系统。该系统采用二维激光雷达扫描田间马铃薯的植株冠层，根据种植模式对田间马铃薯植株进行冠层单元分割，通过融合姿态传感器的数据对雷达输出数据矫正，并基于中值滤波算法、移动最小二乘曲线拟合方法处理冠层点云数据，实时解算出喷杆相对冠层顶部的垂直距离信息，同时融合油缸位移传感器数据设计了双阈值喷杆高度调控策略，实现喷杆相对马铃薯冠层距离的精准调控。系统应用于3WP-1500型喷雾机，通过高度检测精度试验和高度调节试验测试了系统性能。试验结果表明，通过激光雷达检测作物冠层高度的最大相对误差为7.16%，平均相对误差为3.95%。高度调节试验表明，通过确定最优的调节阈值，可以有效降低喷杆高度调节误差，提高系统稳定性，测试高度调节标准偏差为21.81mm，平均相对误差为3.08%，系统运行平稳，满足喷杆相对冠层距离自动控制需求。     

喷杆高度调节系统设计与试验

对喷杆高度进行调节是提高喷杆喷雾机喷雾质量的有效途径。为了使喷杆喷雾机在大田喷雾作业过程中喷雾高度能够随田间地面的起伏变化而变化,设计了3段式的高度自动调节喷杆,采用3个安装在3段喷杆上的接触传感器实时检测喷杆与地面的高度,通过控制器控制液压油缸来调整每段喷杆的高度,从而达到仿形的目的。同时,对喷杆喷雾机的总体布局结构、高度检测关键部件和液压控制系统原理进行了设计分析,阐述了喷杆仿形原理,设计了喷杆高度调节控制系统,并通过试验检测喷杆高度变化范围和田间仿形效果。试验表明,延时时间T1为1s时,喷杆高度能够平稳地保持在45~53.3cm,并且在喷雾机行走速度不大于4.02km/h的情况下,喷杆高度调节系统能够很好地实现大田喷杆仿形功能。     

喷杆喷雾机智能控制系统设计及试验

为提高喷雾均匀性和农药的有效利用率,针对大田作物施药的农艺要求,设计了一种安装于大田常用喷杆喷雾机的喷雾机智能控制系统,并介绍总体方案和工作原理。该系统主要包括变量施药、喷杆高度自动调节等功能,变量施药系统通过变量调节阀调节喷雾流量,通过喷雾量与作业速度自适应控制模型,实现作业过程中药液均匀喷施;喷杆高度调节系统采用超声波传感器检测喷头与作物顶端的距离,根据设定的目标高度,控制电动缸动作,调节喷杆高度。试验表明:变量喷雾控制系统能够根据设定喷量和作业速度的变化准确发出调控指令,控制流量调节阀动作进行流量调节,提高了喷雾作业的均匀性,喷雾精度误差最小为2.24%,能够有效提高喷药作业质量;喷杆高度调节最大误差为5.40%,提高了喷杆与作物顶端距离调整的准确度。     

大型自走式喷雾机喷杆研究现状及发展趋势分析

高地隙自走式喷杆喷雾机是田间施药机械的主要机型,而喷杆是实现喷雾稳定作业的关键机构。近年来,为提高高地隙自走式喷雾机喷杆的精准施药水平,喷杆结构不断得到优化,喷杆减振、平衡技术日趋成熟。本文阐述了喷杆的平面、三角形立体和梯形立体等3种桁架结构,分析国内外自走式喷雾机喷杆的主要结构参数以及减振装置和智能控制系统的技术现状,概述了喷杆在减振、平衡和位姿检测方面的主要研究成果。据统计20m以上喷幅的喷雾机仅占比6.79%,10~14.9m喷幅占比73.30%,表明国内以小型喷杆为主,大型喷雾机占比小。分析了国内喷杆存在的主要问题,指出我国喷杆的发展趋势,即优化喷杆结构、加强喷杆系列产品开发、设置多级多点减振机构、提高自平衡控制水平、实现位姿智能监测调整,为我国喷杆进一步的结构优化和性能提升提供了参考。     

喷杆式喷药机喷杆高度调控系统设计与试验

为提高大田喷雾药液利用率,喷杆式喷药机作业过程中喷杆需要与作物冠层顶端保持某一设定距离并保持近似平行。为此,针对大田喷药喷杆仿形控制应用需求,设计了一种喷杆高度调节闭环控制系统。系统由喷杆机械机构、喷杆高度探测模块、液压调控系统、控制电路和控制软件组成,使用超声波传感器实时探测喷头与作物冠层之间的距离,与用户设定目标距离进行比较后控制液压阀动作,以实时调节喷杆高度。对喷杆高度调控系统调节性能进行了试验,结果表明:调节高度为20～60cm时,系统调节过程无超调,最大调节时间为10.1s,最大稳态误差为3.1%。系统调节精度高,运行稳定,可有效实时调节喷杆高度,为喷杆喷雾机仿形喷雾控制提供了算法支持。     

基于专家控制的喷杆高度智能调节系统研究

针对喷杆喷雾机作业过程中，因田间地表起伏和土壤硬度不同导致喷杆与施药靶标面无法始终保持适当距离、影响施药均匀性和防治效果的问题，设计了一种喷杆高度智能调节系统。该系统采用3个超声波测距传感器获取喷杆不同位置的高度信息并用限幅滑动平均滤波算法对传感器数据进行预处理，同时将双轴倾角传感器分别安装于车体底盘中部和喷杆上，以实时获取喷雾机和喷杆的姿态信息。然后采用基于加权平均的多传感器融合算法对喷杆高度信息进行融合处理。利用专家知识和经验，综合考虑当前喷雾机姿态信息和喷杆高度信息，设计使用不同的控制参数和控制规则，再由专家控制推理机按照制定的控制策略进行推理输出。然后控制机构通过PWM控制电磁比例换向阀动作，驱动喷杆调节油缸对喷杆高度进行调节，使喷杆高度误差快速稳定在允许误差范围内。给出了喷杆系统的机械结构，阐述了系统硬件系统组成、工作原理和喷杆高度智能调节系统的专家控制算法和软件实现。系统通过CAN总线实时获取外部变量施药系统的工作状态信息，实现与变量施药系统的工作同步，同时由触摸屏实现人机交互，设定放大系数、衰减系数、动作阈值等控制参数，再通过CAN总线输送至控制器用于喷杆高度控制。系统应用于课题组研制的3WZG-3000A型大型喷雾机，并针对喷杆高度智能调节系统的调节性能进行了试验。试验结果表明，该系统可以快速跟随阶跃激励引起的喷杆高度调节需求，当喷杆高度控制允许误差设定为8%、阶跃激励为20cm时，最大调节时间不大于0.75s。     

喷杆喷雾机旋翼悬浮式喷杆自动调平控制系统研究

现有的大型喷杆喷雾机的喷杆大多采用传统桁架结构,随着喷杆长度的增加,配套机构、设计复杂度及整机质量相应增加,整机质量大,农田中行走的通过性差,陷车风险高;喷杆平衡控制难度加大,降低了整机的可靠性和便利性;特别是在水田喷施作业中,大型喷杆喷雾机的功能受到很大限制。本文提出了一种旋翼悬浮式喷杆,分别融合地面机械高续航、载重大和空中无人机作业灵活、受地形地貌限制小的优点,并设计了自动调平控制系统以实现喷雾机喷杆在喷施作业过程中保持水平姿态。分析了喷杆的受力情况,对自动调平控制系统进行了辨识和建模,采用“陀螺仪+激光雷达”进行双传感器融合控制的方式,开展了旋翼悬浮式喷杆自动调平控制算法的仿真试验、台架试验和田间试验。试验结果表明：采用双传感器融合的模糊PID控制算法优于单传感器的角度PID控制算法,可较好地避免出现失稳状态;在田间试验中,当喷杆进入稳定状态后,整根喷杆各点离地高度均值在1.4~1.5m之间,标准差不大于0.1027m,具有较好的水平度;所采集的10个不同时刻喷杆各点高度均值的变异系数为1.40%,说明喷杆悬浮高度的稳定性较好。该研究验证了旋翼悬浮式喷杆作业方法的可行性。     

喷杆喷雾机精确对靶施药系统设计与试验

为减少大田施药时农药浪费,有效控制农药残留污染,针对植株行距、株距较大的作物对行施药的农艺要求,设计了喷杆喷雾精确对靶施药系统并进行试验。该系统以大田常用喷杆喷雾机为载体,沿喷杆方向按一定间距布置对应行和垄沟的超声测距传感器,实时采集喷杆到植株冠层以及喷杆到垄沟底部的距离信号;通过信号调幅消除由垄沟凹凸不平以及喷杆自身振动所产生的噪声影响。将调幅后的冠层高度信息依据植株株高、冠层胸径和冠层株高标准差等特征进行模式分析,从而识别靶标位置实现精准对靶。以大田团棵期烟草植株为对象,在烟草植株的株高达到30 cm左右,展开叶达15片左右时开展田间试验。结果表明:设计的精确对靶施药系统在植株平均胸径31 cm,株距比例39.2%的大田里,节省药液30%左右;在植株平均胸径35 cm,株距比例31.6%的大田里,节省药液20%左右。因此,此系统对大田植株间距在15 cm以上的对靶施药作业中具有较好的实用性。