果园对靶喷药控制系统的设计及试验

针对目前果园喷药作业现状,设计了果园对靶喷药控制系统。该系统根据霍尔(测速)传感器实时检测拖拉的行驶速度,采用红外传感器列阵探测果树树冠,根据靶标检测信息和行驶速度来控制电磁阀的频率与占空比,从而调节喷头流量,实现了基于果树树冠检测的对靶变量施药。室外对靶施药试验结果显示:在传感器探测范围内,果树靶标识别率100%,喷药覆盖率100%;当拖拉机速率不超过1.16m/s时,对于同一靶标区域,速度几乎不影响靶标的检测宽度;同等条件下,速度越大,喷药宽度的相对误差越小。     

果园自动变距精准施药系统设计与试验

针对我国北方果园施药设备自动化程度不高、农药利用率低、适应性差等问题,设计了基于冠层体积估算的果园自动变距精准施药系统。施药系统的喷施臂在控制系统的控制下可以在水平和垂直方向调整喷雾距离和喷施高度,以适应不同果园的果树特征。为实现精准喷施,利用红外测距传感器组成了传感器阵列,通过该阵列探测冠层,将测得的数据用数学方法构建了冠层体积估算模型,并设计了喷雾参数调整方案,使得喷雾距离与喷雾量可进行相应调整。为验证施药系统的性能,测试了喷施臂在接收到移动指令时的响应时间与运动实际耗时以及冠层体积估算模型的准确率,并选用仿真桃树进行了定距和变距两组自动对靶喷施试验。结果表明,喷施臂的移动可实现瞬间响应,运动实际耗时与理论耗时几乎一致,冠层体积估算模型的相对误差为11.27%;与定距对靶喷雾相比,自动变距对靶喷施的农药附着率提高了18.66%,节约了30.25%的药液。     

基于超声靶标探测的果园变量喷药控制系统设计

开发了一套基于超声波靶标探测的果园变量喷药控制系统,采用超声波传感器列阵探测果树靶标,通过对调压阀的PID调节来稳定管道压力,通过高压电磁阀的PWM驱动来调节喷头施药量,实现了果园对靶变量施药。喷药主控制系统以西门子S7-224XP作为控制核心,电磁阀驱动模块控制核心采用mega16单片机,二者通过485总线进行数据交互。果园施药试验结果表明:系统可以在一定程度上稳定管道压力,并根据果树靶标探测数据实现了变量施药,单喷头流量调节最大误差为9.5%。     

三种果园施药机械施药效果研究

使用药液沉积变异系数Cv、农药有效利用率、地面药液沉积率和飘失率作为衡量指标,对比常用喷枪、改进喷枪和果园自动对靶喷雾机的施药效果进行研究。研究结果表明:改进喷枪和果园自动对靶喷雾机都能提高药液在果树冠层中的沉积均匀性,减少药液在地面的流失量,果园自动对靶喷雾机效果最佳。改进喷枪比常用喷枪的施药效果略有提高,果园自动对靶喷雾机会显著提高药液沉积均匀性和农药利用率。     

果园变量施药系统设计

针对果园变量施药以及果园内果树生长状况的监测和评估等问题,设计了一款基于ROS(机器人操作系统)且能在果树田间实现自动导航的果园变量施药系统。利用三维雷达通过SLAM(同步定位与建图)进行果园环境及果树的感知与避障;通过多光谱相机及搭载的高速CPU硬件设备进行作物长势及病虫害的实时分析,并发送果树病虫害状况处方图至施药车,施药车根据监测车传送的处方图对每棵果树进行变量施药,最终总结出果园变量施药系统的设计方案。     

履带自走式果园自动对靶风送喷雾机研究

为提高较小树龄或稀疏果园的雾滴沉积量和省药率,将风送施药技术与物联网技术相结合,设计了履带自走式果园自动对靶风送喷雾机。该机主要由机架、操控系统、动力部分、行走系统、传动系统和风送系统等组成,其中控制部分由超声波传感器感知层、单片机数据处理层、Wi-Fi无线传输层及手机上位机控制层组成。手机能实时显示施药状态参数并向微处理器发送操控指令。对样机进行了性能试验,试验结果表明：有风送时雾滴沉积量相对无风送时提高了34.57%,变异系数降低了13.39个百分点;自动对靶风送喷雾比普通喷雾综合省药率大于30%;风机气流提高了雾滴的靶标附着率和沉积均匀性;超声波传感器及在线处理喷药状态参数的控制系统实现了对有效靶标的间歇性喷药,节省了农药使用量,降低了农药残留量。该机尺寸小、行动灵活、通过性强,满足矮化果园植保机械作业要求。     

基于物联网农业病虫害智能监控的自动喷药机研究

为了实现果园大面积自动化喷药,提高喷药装置智能化选择重点病虫害果树目标的能力,基于物联网和智能监控技术,设计了一种新的果园自动对靶喷药装置。利用新式的自动喷药装置,可以结合病虫害实时监控数据,对果树有选择性地进行自动喷药,利用红外线扫描技术可以精确地喷药对靶,采用AT89S52单片机实现了整个系统的自动化控制。模拟实际果树喷药环境,在实验室对喷药装置的自动对靶功能进行了实验研究,实验过程中分别采用了3种不同颜色的标的物。实验结果表明:在实验10m的范围内,智能喷药装置可以准确地识别3种颜色的盆栽目标,标准差最大仅为0.12,识别精度和效率较高,为果园自动喷药装置的研发提供了技术支持。     

基于激光扫描的果树树形重构系统研究

为了实现果园机械自动对靶喷药中树形的识别,采用激光测距传感器进行果树二维图像的绘制,通过对车载激光传感器采集的果树点云信息的筛选和变换,完成果树点距离信息的选取;利用MATLAB的绘图功能,将筛选后的距离信息与二维图像的灰度值进行融合,实现扫描距离到图像灰度值的转变.实验表明,该系统可以很好地将扫描距离信息融人到二维灰度图像的绘制当中,使图像中所包含的信息量更大、更全面.     

果园移动机器人曲线路径导航控制

为实现移动机器人在果园非结构化环境下的自动行走,对果园移动机器人在复杂环境中的导航控制进行了研究。利用激光扫描获取果树位置信息,提出了一种果园环境下曲线导航路径的拟合算法;构建了以横向偏差和航向偏差为输入的模糊控制器;实现了移动机器人在曲线路径中的自动行走。机器人以0.54 m/s的速度沿正弦曲线行走,最大横向偏差为0.40 m,平均偏差为0.12 m。试验结果表明该系统路径拟合和导航控制算法性能良好。     

自动对靶精准施药机研究——基于图像边缘检测和目标识别

为了提高施药作业的效率和实际着药量,降低喷药成本和给环境造成的负担,提出了准确精量的对靶施药系统的设计理念,并给出了施药平台的原理和结构构成,最后对施药平台的图像处理系统进行了重点设计。为了验证方案的可行性,以传统的施药机械为搭载平台,将PC图像处理器嵌入到了精准对靶控制系统中,选择地势平坦的果园为实验场地,对施药平台进行了实验研究。实验结果表明:基于图像边缘检测和目标识别的自动对靶施药平台即使在光线不好的条件下,仍可以准确地得到果树果实和枝叶的位置信息,施药平台的实际着药量要比传统施药平台更高,而成本却更低,从而验证了方案的可行性。     

果园双摆弥雾施药系统设计

针对现有果园施药装备体积与功耗过大、药液浪费严重等问题,设计了果园双摆弥雾施药系统。通过驱动布置方案和自由度分析,设计了由直流电动机驱动的对称双曲柄机构和驱动点与支点万向节-滑轨多级运动副所构成的平面-空间混合型机构,实现了双弥雾机的摆动扩幅。为方便操纵并避免药液反流等现象的发生,设计了单片机自动控制系统,实现了双摆弥雾施药系统复杂启停动作流程的一键控制。根据果园规格,分别以车身尺寸最小为目标,以弥雾施药对树冠的有效覆盖为约束条件,通过非线性规划确定了曲柄长度、曲柄转动中心高度、支点高度、曲柄中心距、支点中心距等结构参数。进而根据果树施药量和弥雾均匀度要求,以施药作业效率最高为目标,确定了系统行进速度和曲柄转速。该施药系统可实现弥雾半径仅400 mm小型弥雾机对高度1 500~4 300 mm和横向5 500 mm的树冠范围的有效覆盖,并有效保证果树双侧弥雾喷施的均匀度和药量条件,作业效率可达2.33~2.67 hm2/h,实现了果园机载施药系统的节能节药和小型化,为果园植保提供了新型的施药装备。     

自适应升降喷杆施药系统的研发

针对传统简易施药机易造成人员中毒、药液喷洒过多易造成环境污染等问题,以及现在温室内用施药机在自适应作物高矮、自主行走、精准施药等方面仍存在一定的局限,北京京鹏环球科技股份有限公司研发了一种自适应升降喷杆施药系统,包括喷药系统、雾化系统、喷杆自动调节系统、控制系统及无轨道自走式底盘等。该施药系统创新性在于温室内与无轨道自走式底盘配合使用,可实现路径导航的自动化、智能化;其喷杆自动调节系统创新性地采用超声波传感器用于探测施药机与农作物施药目标的距离,以便进行精准施药,拟为解决狭小温室空间内自主行走及施药问题提供参考,实现温室内施药的无人化、机械化、自动化、精准化,提高温室内植保装备的机械化水平,改善劳动环境,提高劳动效率。     

3WGZ-500型喷雾机对靶喷雾系统设计与试验

为了提高果园喷雾的农药利用率,减少因农药地面流失而造成的环境污染,针对果园传统连续喷雾作业时存在过量喷洒和树间无效喷雾的特点,基于3WGZ-500型风送自走式喷雾机设计了自动对靶喷雾系统。该系统采用超声波传感器测距方式探测果树(传感器量程为0.35~2 m,发射角为60°,喷药机两侧分别以15°均布5个)。根据传感器信号,控制与相应位置喷头对应的上、中、下3组管路电磁阀的开合,实现自动对靶喷雾。以5 a树龄的苹果园为试验对象,在喷雾压力0.5 MPa时,开展不同作业速度(1.3、1.7、4.5、7.2 km/h)下果树冠层的有、无对靶喷雾试验,并与传统喷雾机喷药对照,结果表明:作业速度对3WGZ-500型喷雾机有、无对靶喷雾时的农药利用率影响不大,自动对靶喷雾系统开启时的农药利用率为35.8%,比关闭时的27.6%提高了29.7%,较传统喷雾机18.7%的农药利用率提高了91.4%,可大幅减少农药用量;3WGZ-500型喷雾机在不同作业速度的农药地面流失率十分接近,有对靶时地面流失率平均13.3%,相对无对靶时的18.86%降低了42%,说明对靶喷雾系统有效降低了对生态环境的污染。     

基于BDS的果园施药机自动导航控制系统

根据果园施药机自动导航喷药作业需求,设计了一种基于北斗卫星导航系统(BDS)的施药机自动导航控制系统。该系统主要包括RTK-BDS接收机、导航控制器、转向控制器、电控气动转向系统和三轴电子罗盘。其中转向控制器、电控气动转向系统和三轴电子罗盘构成转向角闭环控制回路,该回路可根据导航控制器发送的施药机期望转向角实现转向角的随动控制。将施药机的运动学模型和纯追踪模型相结合,设计了施药机直线跟踪导航控制器,输入为位置坐标和方位角,输出为期望转向角。针对果园地形特点对施药机进行了导航路径规划,并在果园进行现场试验。试验结果表明:所设计的导航控制系统,在施药机行进速度为2 km/h时,直线跟踪最大误差不大于0.13 m,平均跟踪误差不大于0.03 m,能满足果园自动导航作业精度要求。     

基于AT89C52单片机的变量喷雾控制系统的设计

以AT89C52单片机为核心,由信息采集处理系统、自动控制系统组成,通过流量、速度传感器采集的速度、流量计算出实际的单位面积施药量,与设定的施药量相比较,自动控制系统根据比较结果自动调节电动调节阀,从而达到变量喷雾施药的目的.系统能够根据施药机车行走的速度和田间苗情自动变更喷药量,实现变量施药.基于AT89C52单片机的控制系统可以应用于自动变量施药作业,符合当前农业生产的实际情况.     

果园喷雾靶标探测技术现状分析

果园靶标探测技术是果园精准施药技术的关键。为此,分析了红外探测技术、超声波探测技术、激光探测技术及图像技术等在靶标探测中的应用。同时,介绍了基于红外光电技术实现最基本的靶标有无探测和靶标距离测量的靶标探测系统;介绍了利用超声波传感器和激光雷达扫描仪对靶标进行距离扫描,通过获得的靶标距离点云数据构建了靶标的数字三维模型方法;介绍了利用图像处理技术获取靶标叶面积指数和三维模型的探测系统。靶标探测技术虽有一定的发展,但还处于试验研究阶段,其将朝着实用化、产品化和低成本化方向发展,为对靶精准施药提供更有力的变量控制依据。     

基于激光传感器检测树冠大小的实验平台设计

为实现果树的对靶变量喷药,需要实时监测果树的树冠大小,因此设计精确检测果树体积的靶标体积检测系统。该系统通过PC机调节步进电机的转速及激光传感器的扫描频率,利用步进电机带动激光传感器精确运动来检测果树的体积,同时PC机完成数据的显示、存储及分析。在相同实验条件下,通过设置不同的电机转速和传感器扫描频率,做了相应的体积检测实验。实验结果表明,该系统可以实现对果树体积的有效测量。     

丘陵果园自走式小型靶标跟随喷雾机设计与试验

针对丘陵果园传统大型施药装备入园难、施药劳动强度大、作业效率低及药液浪费严重等问题，根据丘陵果园农艺特点和病虫害防治需求，设计一种丘陵果园自走式小型靶标跟随喷雾机，可配合植保无人机作业，提升果树冠层药液覆盖效果。喷雾机上集成靶标探测追踪系统与自主导航系统，靶标跟随喷雾机构采用双喷头联动式设计，喷雾角度与高度的调节范围根据雾滴运动规律进行确定，实现了果园植保自主作业。果园试验结果表明，对靶喷雾时果树冠层不同高度叶片正面的平均雾滴沉积个数变异系数为34.22%，同一高度不同采样点叶片正面的平均雾滴沉积个数变异系数为34.56%，相比于非对靶喷雾，喷施用水量、地面流失量与冠后飘移流失量分别降低26.70%、84.93%和53.50%，在减少药液浪费的同时，有效提高了果树冠层中下部叶片正面的雾滴分布均匀性。     

全地形果园仿形弥雾机器人的设计

近年来,果园植保机具通过应用现代化技术改善了施药效果,但由于受到果树品种、培育方法和药剂使用等因素的限制,作业效率低下的现象越发显著,基于此,设计了一种高效的果园仿形弥雾机器人.针对果园复杂地形因素,设计了轮履复合式行进结构的全向电动底盘,以实现全地形全方向快速移动和转场;采用仿形风送式喷雾施药系统,在保证施药均匀性的...     

基于激光导航的果园移动机器人自动控制系统

以实现果园作业自动化为目的,开发了一种履带式移动机器人作为作业移动平台。机器人采用激光测距仪实现对果树位置信息实现实时的采集,采用霍夫变换规划机器人导航路径,实现了树行直线方程的提取。机器人的航向偏差和横向偏差作为比例控制器的输入量,以机器人实际偏转的角度为输出量,实现机器人沿导航路径自动直线行走。机器人以0.14m/s速度直线行驶25m,最大横向偏差0.26m。试验结果表明,该系统导航控制算法性能良好。