基于BAS-PID控制的精准变量施药系统仿真与试验

精准变量施药技术是精准农业的重要内容之一,为解决当前常用的变量施药方式存在的控制精度低、超调量大等不足,提出将天牛须搜索(Beetle Antennae Search,BAS)算法与常规PID控制结合形成BAS-PID控制算法,用于变量施药系统控制。首先建立施药控制系统机理模型并基于Matlab平台进行软件仿真,仿真试验结果表明,BAS-PID算法的超调量为0.024 1,绝对误差为1.14%,均低于常规PID和模糊PID,控制效果更好。在吉林农业大学试验田进行了田间施药试验,根据试验数据分析,BAS-PID、模糊PID以及常规PID的平均施药误差分别为0.016 L/min、0.020 L/min、0.238 L/min,平均超调量分别为0.006 L/min、0.016 L/min、0.238 L/min。BAS-PID控制算法的施药误差仅在0.01~0.02 L/min内,误差范围小,总体而言,该算法的施药误差和平均超调量都低于模糊PID和常规PID,系统应用效果好。试验结果表明:本文提出的BAS-PID算法提高了PID算法的参数适用性,施药控制精度高,超调量小,改善了变量施药系统的施药效果,可为推动精准变量施药技术的发展提供新的技术方案。     

无人机精准施药关键技术综述

无人机施药技术具有快速、高效、适应性广和操控人员安全等显著特点,近年来在我国发展迅猛,已成为一个具有中国特色的新兴产业。无人机精准施药技术针对田间作物的生长发育阶段和病虫草害状况,按需对作物喷施农药,可显著提高施药作业效率、增加农药的有效利用率,并减少对人体的危害和对环境的污染,精准施药技术得到了植保行业的高度重视。该文从无人机机体、无人机飞控导航避障技术、田间作物信息获取和航空变量施药技术方面,综述实现无人机精准施药的关键技术及其发展现状,分析目前在指导实际田间无人机精准施药过程中存在的问题,即缺乏针对具体作物和病虫害的药剂及药量配方指导、所需雾化特性参数和应有的飞行参数的系统研究,提出应将人工智能AI（Artificial Intelligence）技术有效引入无人机精准施药系统中,提高系统的自适应性和鲁棒性,使农业从业者容易操纵植保无人机精准施药系统,推动无人机精准施药技术尽快得到应用、推广和普及。      

PWM变量喷施压力稳定控制系统

0引言常规机动农药喷施作业无法因地制宜、按需施药,变量喷施技术因其可根据施药区域病虫草害情况按需施药,提高农药的有效利用率成为了施药技术重要的发展方向[1-3]。变量喷施技术主要分压力调节式、浓度调节式和PWM间歇喷雾流量调节式3种[4],PWM间歇喷雾流量调节式动态特性好、控制精度高,具有更加广阔的应用前景[5-7]。     

车载喷雾机变量施药控制系统的设计

将基于单片机的控制系统应用于农业生产过程中,实现了变量施药作业,提高了农药利用率,减少农药残留和环境污染。该系统采用单片机作为控制核心,能够根据需要自动地调节喷雾量。为此,阐述了施药系统的变量原理,重点介绍了控制系统硬件电路和软件程序的设计。仿真和田间实验表明,该系统稳定可靠,可操作性好,能够满足农业生产的要求。     

无人机变量施药实时监控系统设计与试验

在航空施药过程中,为保证单位面积施药量的一致性、实现施药流量的实时控制,提出一种航空变量施药分级控制算法。该算法根据各参数的等级和阀门开度建立分级控制表,再结合分级控制公式计算作业参数变化时阀门对应的开度,从而计算出施药流量,实现施药流量的自动调节。基于该算法设计了基于单片机多信息融合的航空变量施药实时监控系统,通过软硬件设计实现了对作业航迹、作业高度、作业速度、施药流量及药液余量等信息的实时监测,进行了航迹监测试验、施药流量监测试验、液位监测试验和变量施药控制试验等。结果表明,该系统可以准确监测多种作业参数,并可根据参数变化精准调控施药流量;飞行航迹监测平均偏差为0.98 m,施药流量监测平均误差为3.57%,液位监测平均误差为1.97%,系统对流量控制的最大误差为9.26%。     

精准施药技术与装备发展现状分析

精准施药以提高农药利用率、降低农药残留对食品和环境污染为目的,是施药发展的方向。为此,首先介绍了国内外精准施药技术发展现状,包括变量施药控制系统、控制算法、对靶施药控制技术和基于处方图施药技术现状分析。其次,分析了国内外精准施药装备发展现状:普遍应用于果园的风送施药机极大提高了工作效率及喷雾均匀性;风幕式喷杆喷雾机适用于大田喷雾,在减小劳动强度的同时提高了喷雾均匀性,降低了药液漂失量;循环喷雾机以回收利用沉积药液为目的,可提高药液的利用效率,减轻对环境的污染。最后,通过比较国内外相关领域的研究现状,指出国内精准施药技术研究不足,需要利用电子信息和自动化技术进一步提升精准施药装备水平。     

基于北斗定位的农田变量处方施药喷雾系统

为实现喷雾机组在田间按照处方图在线变量施药,提高农药有效利用率,降低农药带来的环境及人体健康危害,研制了一套基于北斗定位技术的嵌入式车载变量喷雾机的田间信息处理系统.系统以EPCS-8980型ARM工控机和嵌入式GIS系统作为信息处理中心,以北斗接收装置为定位工具,霍尔式接近开关传感器为车速检测装置,集成系统硬件;车载电脑通过RS-232接口接收北斗定位信息,通过CAN总线与其他设备通讯;嵌入式GIS系统由e Supermap开发并在Windows CE 5.0操作系统上运行.系统可完成农田信息分布图生成、变量施药处方图解译以及机组行走速度检测,施药处方图的生成则由计算机完成.针对系统功能设计相应的试验方案,对其功能进行测试及分析,试验结果表明:处方图解译时间小于1 s;网格判别误差小于0.75 m;机组速度检测误差为±0.1 km/h;系统能够较好地完成预设功能,实现在线变量处方农作施药.     

基于电动比例调节阀的变量施药装置

利用电动比例调节阀作为流量调节执行器,以PLC为控制器,设计了基于流量直接控制方式的变量施药装置,并开发了相应的测控软件。通过试验得出了施药流量与电动比例调节阀开口度的关系,设计出适用于本装置的流量控制算法。试验显示,流量控制时最大平均误差为0.35L/min,最小平均误差为0.01L/min,表明装置能满足变量施药的要求。     

喷药机变量施药控制系统的研究

为了提高我国农业植保技术、解决农药的有效利用率低、减少环境污染、改善生态环境以及避免农业资源浪费等问题,以某型喷药机为基础,分析变量施药性能的主要影响因素,介绍了变量施药控制系统总体技术方案和系统运行的基本原理,建立变量施药控制系统结构,为喷药机的变量施药控制系统的研究提供了一定的理论参考。     

基于模糊PI控制的变量施药系统设计与试验

针对国内现有农田喷药机的定量施药方式,设计了一套基于模糊PI控制的变量施药系统。该系统采用多传感器实时采集喷药机车速、流量、压力等参数,并以此为控制依据,通过改变比例阀开度实时调整管道内药液流量,同时控制多组喷头的开闭。该系统采用主路流量调节方案,5组开关电磁阀控制多组喷头。喷药机喷头流量控制试验与田间喷药试验结果表明,单个喷头流量误差＜2.5%,模糊PI控制优于传统PI控制,田间喷药误差＜2.2%。      

植保机可变量喷雾鲁棒控制

为了减少农药对环境的污染程度,可变量喷雾技术是当前植保机械研发的重要内容和发展方向,该技术可根据喷药目标的要求,通过提高农药的利用率来减少对环境的污染问题。本文针对植保机变量喷药系统的输出流量进行控制,建立了喷药系统的数学模型,控制电磁阀的输出流量,并设计了最优鲁棒输出跟踪控制器,实现实际输出流量跟踪到目标值。同时,利用Mat Lab对系统进行了仿真,结果表明:采用鲁棒控制方法,能够进行良好的系统跟踪,并能达到很好的控制效果。     

茶树植保机械及减量施药技术研究进展

农药防治是茶树病虫害综合防治的重要组成部分,其在病虫害突发或爆发时具有快速高效的防治优势。茶树叶片表面具有亲水性,常量施药会造成茶叶农残超标、生态环境破坏等问题,实现茶树减量施药是减少茶叶农残的有效手段。系统综述了茶树生物特性、茶树病虫害预测诊断及防治方法、茶树植保机械及施药技术,强调提高茶树低容量喷雾的农药有效利用率是实现茶树减量施药的关键。针对目前茶园地面工况复杂及农药利用率低的问题,本文从低容量仿形喷雾机、茶树病虫害喷雾决策及智能终端等六个方面提出茶树病虫害施药技术及装备的研究建议,指出低量化、精准化及智能化是未来茶树植保喷雾机械及施药技术的发展方向。     

智能化无人机植保作业关键技术及研究进展

搭载高性能传感器和施药装备的农业植保无人机系统是精准农业领域具有代表性的智能装备之一。本研究首先从前端田间作业环境动态感知技术出发,阐述了无人机光谱成像遥感、多传感器融合的SLAM实时环境建模等技术在无人机植保作业方面的应用情况;然后对精准施药过程建模与优化控制有关的前沿技术进行了分析,包括旋翼下方风场结构演化及雾滴沉积过程仿真建模、多区域全覆盖条件下的智能作业路径规划、精准变量施药控制等;最后论述了作业效果评估与过程监管相关技术的发展现状,包括施药作业质量评价方法、基于云平台数据管理的全过程可视化监管等。在总结现有技术发展现状基础上,对未来智能化无人机植保关键技术发展趋势进行了预测,阐明了光谱图像获取与计算智能的深度学习识别聚类、基于高精度雾滴谱和风场模型预测的精准变量施药作业路径规划、基于传感器实时数据的作业质量评估和作业监管等新技术手段,将在遥感信息反演、药液飘移抑制、作业效率优化、施药过程管控等方面带来革命性的进步,使植保作业数据化、透明化,全过程可观化可控制,推动农业生产管理从机械化向智能化和智慧化迈进。     

基于单神经元PID的变量喷雾系统精准控制方法研究

针对现存农用无人机变量喷雾系统响应时间较长、超调量较大、跟随效果不稳定等问题,设计一种基于单神经元PID控制的农用无人机变量喷雾系统.该系统采用传感器检测流量信息作为控制依据,运用单神经元自学习能力不断调整PID参数精确调控喷雾流量,实现变量调节快速稳定的目标.为验证本系统控制算法的实际变量控制效果,采用Matlab平...     

植保机变量施药鲁棒H∞最优控制

提出了一种基于电控伺服变量柱塞泵的植保机变量施药控制方法,推导并建立了包含参数不确定性和扰动的施药流量模型,设计了鲁棒H∞最优控制器并证明其鲁棒稳定性,并转化为线性矩阵不等式求解控制器参数。本研究弥补了传统优化控制方法对于不确定性反应较为敏感的不足,与传统的线性二次型最优控制相比具有一定的快速性和鲁棒性优势,能够满足复杂作业条件下植保机精准变量施药要求,有效提高了农药利用率。     

基于靶标叶面积密度参数的变量喷雾控制系统开发与性能试验

变量喷雾技术是提高农药利用率、节省农药用量的重要手段之一。为达到果园施药减量增效的效果,本研究开发了一种变量喷雾控制系统,提出了叶面积密度参数与执行机构脉宽调制（Pulse Width Modulation,PWM）占空比的计算方法。该系统上位机基于激光LiDAR传感器探测的点云密度表征叶面积密度作为施药参数,并根据喷药处方计算各喷头对应电磁阀的PWM占空比,通过RS485通讯实时发送施药处方到下位机的可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller,PLC）,下位机PLC根据接收的PWM占空比控制对应电磁阀的开关频率实现喷头喷雾流量的调节。通过试验测量了施药单元网格尺寸、系统延时时间以及PWM占空比与喷头流量之间的模型参数三部分关键系统参数。结果表明在0.2、0.3和0.4 MPa压力下PWM占空比与喷头流量之间均为线性关系,线性拟合优度均在0.98以上。最后,通过喷雾试验验证变量喷雾样机的有效性,试验结果表明,采样点水敏纸上单位面积（cm²）最少雾滴个数为35滴,达到了有效喷雾效果;当靶标冠幅与总冠幅比为39.9%时,变量喷雾模式相比于连续恒定式喷雾省药71.96%,相比于对靶开关式喷雾省药29.72%,达到了减量效果。     

基于指数平滑预测的高效变量喷灌方法

针对现有灌溉系统只能实现大田经验均一灌溉、缺乏决策指导的问题,基于田间ZigBee无线网络实时采集的田间预埋水分传感器信息,提出一种基于二次平滑预测算法的变量灌溉指导数据处理方法,根据理论设定值自行调整平滑权重,使其预测数据达到最优,得到变量作业处方图;研制了基于PLC的喷灌机变量控制系统,通过模拟百分率计时器对喷灌机逐跨调节,并实时调整行走步长与速度,实现变量灌溉。田间对比试验结果表明,变量灌溉效率及节水方面均优于传统灌溉。     

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。