树冠环绕式仿形对靶施药机设计与试验

针对树冠横切面形状引起施药机喷头与树冠间距发生动态变化从而导致树冠内、外和两侧、中部等区域喷药量不均匀、较多药液喷洒在无效空间区域的问题,该研究提出一种基于激光雷达树干定位的树冠环绕式仿形对靶喷药方式。首先,基于喷头环绕树冠的运动需求,设计对称交叉布置的两自由度仿形机构,并建立喷头运动学模型,采用基于二环PID算法对喷杆伸缩和喷头旋转进行精准控制,通过匹配施药机前进速度实现喷头半圆和多边形轨迹仿形控制;然后采用平面激光雷达对树干高度的水平面进行扫描,提出基于DBSCAN(dnsity-based spatial clustering of applications with noise)密度聚类和3点树干形状拟合的树干动态识别和定位方法;再次,在FreeRTOS框架下搭建双层控制系统,对树干定位感知、动态喷头仿形轨迹控制、数据通信和操控交互等多任务进行并行处理,实现基于激光雷达树干位置信息的喷头动态伺服仿形控制。最后,以雾滴沉积量、雾滴密度、药液覆盖率和雾滴体积中值直径作为量化指标,在树冠不同区域布置10个检测点,对环绕式和定距施药开展6组对比试验。雾滴结果表明,树干纵向和横向定位误...     

智能喷雾机器人的喷雾性能试验评价

摘要：该文对智能喷雾机器人温室对靶喷雾性能进行了试验评价。喷雾机器人采用视觉传感器采集植株和病害图像,提供病灶定位和病情信息。3自由度直角坐标系施药机械臂驱动变量喷嘴进行施药,根据病灶位置和病害程度选择性开闭喷嘴。试验对喷杆定位精度定量和药液节省率进行了试验分析。温室对靶施药机器人在3种病情等级下进行了试验,与传统施药方式相比,药液节省率达到60%以上,实现了对黄瓜等篱笆型植物精准施药。     

秸秆集行模式下精准喷药装置搭建与试验

保护性耕作秸秆集行模式下作物苗前除草作业时,传统全覆盖喷药方式下喷洒在秸秆条带的药液无法到达地表而造成药液浪费和环境污染。针对该问题,该研究提出了一种基于图像识别的精准喷药装置。首先,使用搭载在植保机前端的摄像头采集田间图像,采用智能优化多阈值算法分割图像中的秸秆和种植带,计算种植带的定位线坐标。然后,控制器根据种植带定位线坐标驱动步进电机滑台带动喷头移动到种植带上方进行对行喷药;为防止喷药过程中横向与纵向气流影响使雾滴飘移至秸秆行与空气中造成喷药不均,使用模糊控制器根据横向与纵向气流变化对喷药量进行调整。最后,分别进行了平台与田间试验。试验结果表明,该装置对种植带定位线的识别准确率约为88.3%;相比于传统全覆盖喷药方式药液使用量节省约52.84%;药液沉降均匀度得到提高,雾滴覆盖率维持在28.5%～33.8%。该装置可实现秸秆集行模式下的种植带精准施药,对提高药液利用率、保护环境有积极作用,研究结果可为精准喷药和保护性耕作技术推广应用提供支持。     

低矮果园环流式循环风送喷雾机设计与试验

传统果园风送施药气流输送模式为出风口到冠层的一维流动,气流经过冠层时会衰减、停滞,存在穿透难、内膛与叶片背面沉积难等问题。该研究采用顶置风机方式,利用风机负压吸风引导气流在冠层内改变运动方向,实现雾滴由外及内、再由下而上运动。在分析环流作用下雾滴运动的基础上,设计一种适应于低矮果园的环流循环风送喷雾机,并开展气流场的分布规律分析与田间试验。试验结果表明:在冠层内膛(高度0.8～1.8 m)、树干中心线两侧0.25 m的中心区域气流角度变化较大,气流环绕对内膛平均风速有显著性影响(P0.05)。相较于无气流环绕模式,气流环绕风送施药的冠层总体叶片背面雾滴平均覆盖率提高了33.7%;冠层内膛叶片正面雾滴平均覆盖率提高了42.9%,叶片背面雾滴平均覆盖率提高了40.4%。研究结果可为果园风送式施药提供新的思路。     

考虑喷雾高度的大田蔬菜对靶喷雾系统设计与试验

针对喷雾高度影响大田对靶喷雾准确性问题,该研究设计了融合喷雾高度的大田蔬菜对靶喷雾系统,适用于株间距大、冠层尺寸小的作物。介绍了大田蔬菜对靶喷雾系统的结构组成及工作原理,根据对靶喷雾作业环节的滞后特性,建立对靶喷雾滞后模型,提出融合靶标位置、靶标大小、喷雾机作业速度和喷雾高度的对靶喷雾控制方法,基于C37控制器设计了稳压喷雾系统和对靶喷雾控制系统,并进行试验验证。不同喷雾高度对靶试验结果表明,在作业速度为0.52 m/s的情况下,融合喷雾高度的对靶喷雾平均绝对误差和均方根误差分别不高于3.63和4.26 cm,比未融合喷雾高度的平均绝对误差平均减小4.30 cm,均方根误差平均减小4.57 cm,有效喷施率不低于92.6%,验证了融合喷雾高度对靶喷雾的可行性。田间试验结果表明,随着作业速度的增加,对靶喷雾有效喷施率和平均有效覆盖率下降。在作业速度不大于0.49 m/s时,对靶喷雾有效喷施率为93.5%,平均有效覆盖率为80.2%。较于连续喷雾方式,对靶喷雾节药率可达33.8%,可满足大田株间距大、冠层尺寸小的作物对靶植保作业需求。     

改进YOLOv3网络提高甘蔗茎节实时动态识别效率

为推广甘蔗预切种良种、良法种植技术,结合甘蔗预切种智能横向切种机的开发,实现甘蔗切种装置对蔗种特征的连续、动态智能识别。该文通过甘蔗切种机黑箱部分内置的摄像机连续、动态采集整根甘蔗表面数据,采用改进的YOLOv3网络,建立智能识别卷积神经网络模型,通过拍摄装置内部的摄像头对输入识别系统的整根甘蔗的茎节图像特征进行实时定位与识别,并比对识别信息,及时更新茎节数据,识别、标记出茎节位置,再经过数据处理得到实时的茎节信息,输送到多刀数控切割台进行实时切割。经过训练及试验测试,结果表明:经过训练及试验测试,模型对茎节的识别的准确率为96.89%,召回率为90.64%,识别平均精度为90.38%,平均识别时间为28.7 ms,与原始网络相比平均精确度提升2.26个百分点,准确率降低0.61个百分点,召回率提高2.33个百分点,识别时间缩短22.8 ms,实现了甘蔗蔗种的连续、实时动态识别,为甘蔗预切种智能横向切种机的开发提供数据基础。     

不同施肥深度红地球葡萄对15N的吸收、分配与利用特性

【目的】研究不同施肥深度葡萄对氮素吸收、 利用和分配的影响,为指导葡萄科学合理地施用氮肥提供依据。【方法】以河北葡萄主产区怀来地区15年生红地球葡萄为试材,通过不同深度(0 cm、 20 cm、 40 cm)春施15N-尿素,分析葡萄树体15N的吸收、 分配和利用规律。【结果】20 cm中层施肥红地球葡萄的产量最优,达22.77 t/hm2,果实Vc含量最高,达117.2 mg/kg,与表层(0 cm)施肥(产量16.22 t/hm2和Vc 103.8 mg/kg)和40 cm深层施肥(产量19.32 t/hm2和Vc 102.3 mg/kg)均存在显著差异;各生育期细根及其他各器官的Ndff 20 cm中层施肥均显著高于表层(0 cm)和深层(40 cm)施肥; 3个施肥深度,植株各器官在同一时期的15N分配率无显著差异,且整个生育期各器官15N分配率表现出相同的趋势,可见不同的施肥深度对 15N在各器官间的迁移和分配影响较小; 植株对15N-尿素的利用率随物候期的推移均呈升高的趋势,盛花期最低,且20 cm中层施肥葡萄树体对氮素的吸收能力最强,氮素利用率最高,四个时期分别为7.36%、 14.70%、 20.24%和24.54%,均大于表层撒施(7.05%、 10.74%、 12.70%和16.54%)和40 cm深层施肥(5.39%、 7.31%、 10.93%和13.62%);果实膨大期,整株15N利用率为后部中部前部,且地上部为叶果干枝,地下部为细根粗根主根,各施肥深度表现一致,且3个不同施肥深度,同一部位植株的果实、 叶、 枝、 干和根的15N利用率均以20 cm沟施最高,显著高于表施和40 cm沟施。【结论】20 cm中层施肥葡萄树体对氮素的吸收征调能力最强,各器官的氮素利用率最高,施肥深度对红地球葡萄树体氮素的吸收、 利用具有显著的影响,对树体氮素的分配影响较小,综合考虑,河北主产区红地球葡萄以20 cm施肥深度为最佳。     

链式气动冲切自动化干红枣去核机设计

红枣去核是干红枣产业深加工的关键技术,现有的红枣去核机普遍存在自动化程度低、人工辅助多、去核机构复杂等缺点。为解决现有的技术问题,该文研究设计了一种链式气动冲切自动化干红枣去核机,整机由单片机程序控制所有工序动作,包括辊轮输送链上料、摄像头拍照检测红枣排布情况、辊轮夹持链定位、间歇时间内气缸驱动旋转插杆去核机构去核和卸料输出。选择横径范围为20～30 mm,纵径范围为35～45 mm的干制红枣去核对象进行样机试验,结果为红枣定位率≥98.3%,去核率≥93.75%,平均破碎率为1.46%。该文设计的链式气动自动化干红枣去核机可实现个体自动定向排布上料、有效去核,同时采用图像检测和机械装置结合技术实现精确定位,降低无效的空冲概率。该研究为进一步完善机械装置的设计,实现机构连续性去核提供了参考。     

葡萄株间除草机精准避障控制系统优化设计与试验

现有篱架式栽培葡萄双边作业株间自动避障除草机避障系统采用开关控制避障动作,由于避障行程固定,无法根据障碍物位置精确控制避障动作行程,导致除草效果不佳。针对上述问题,该研究在先前研究的基础上,依据仿形控制原理对避障控制系统进行优化,设计一种由避障信号采集部分、程序控制部分、液压执行部分、避障监测反馈部分等组成的精准避障控制系统。基于精准避障工作要求,确定避障动作闭环控制方案;优化液压回路结构,液压与电控结合实现精准避障控制;对精准避障控制程序进行静态标定和PID参数整定;利用Recurdyn对障碍物呈直线排列状态下除草机的精准避障作业进行模拟仿真,并通过分析除草刀盘运动轨迹选取较优除草刀盘转速;以机器作业速度为试验因素,除草作业覆盖率和果树损伤率为评价指标进行田间试验。试验结果表明,当机器作业速度为380mm/s时,除草作业覆盖率与作业效率综合效果最佳,试验得到平均除草作业覆盖率为93.97%,较先前研究提高4.39%,果树损伤率为1.92%,除草机可良好实现避障除草作业。该研究可为果园株间除草机的进一步优化提供参考。     

秸秆覆盖及播种方式对马铃薯耗水特性和产量的影响

为明确西北旱作雨养农业区不同秸秆带状覆盖种植模式下马铃薯耗水规律、水分利用效率及产量的变化规律,以地膜覆盖和露地种植(CK)为对照,设置4种秸秆带状覆盖模式(①种植带和覆盖带各40 cm、单行播种,②种植带和覆盖带各40cm、双行播种,③种植带和覆盖带各50cm、单行播种,④种植带和覆盖带各50 cm、双行播种),研究不同秸秆带状覆盖模式对旱地马铃薯耗水特性和产量的影响。结果表明:秸秆带状覆盖处理与CK相比,马铃薯薯块产量和水分利用效率平均分别显著提高34.0%、21.5%,分别平均较地膜覆盖显著降低31.3%、25.0%;其中40 cm覆盖种植结构产量和水分利用效率较50 cm覆盖种植结构分别明显提高4.5%和6.8%,双行播种较单行播种增产4.4%,二者水分利用效率无明显差异。秸秆带状覆盖条件下,播种—现蕾阶段的耗水量、耗水强度及耗水模系数平均较CK显著降低14.5%、15.2%、15.4%,平均较地膜覆盖显著增加20.9%、19.0%、31.5%;与CK相比,现蕾—块茎膨大阶段耗水量、耗水强度及耗水模系数无显著性差异,相比于地膜覆盖,则分别平均显著减少20.7%、22.2%、13.9%;块茎膨大—成熟阶段分别平均较CK显著提高51.7%、52.4%、50.0%。同时,相比于CK,单薯重、商品薯率分别显著提高17.3%、31.8%,单株结薯数和小薯率降低7.5%、17.6%。可见,秸秆带状覆盖栽培可通过降低现蕾前的耗水和增加块茎膨大后的耗水,一定程度上缓解马铃薯植株后期对水分的需求,延长块茎膨大后植株光合作用,提高有机物的积累量,从而提高薯块产量和水分利用效率。而秸秆带状覆盖中,单行种植以种植带∶覆盖带=40 cm︰40 cm最好,双行种植以种植带︰覆盖带=50 cm︰50 cm较适宜。     

智能施药机器人关键技术研究现状及发展趋势

喷施化学农药是病虫害防治最主要的手段，对保证作物的产量起着至关重要的作用。传统的施药机械工作效率低，且使用同一施药量进行连续喷施作业易造成农药浪费、环境污染。随着农业智能化发展，机器人被广泛应用到农业植保作业中，智能施药机器人以减少劳动力投入、提高农药利用率、减少农药施用量以及减少环境污染为目的，实现了更加高效、精准的病虫害防治。智能施药机器人是集复杂农业机械、智能感知、智能决策、智能控制等技术为一体的现代农业施药装备，可自主、高效、安全、可靠地完成施药作业任务。为明确智能施药机器人及关键技术的国内外研究现状，本文总结了适用于不同作业场景的施药机器人的应用进展，从智能施药机器人的移动平台设计、喷雾装置设计、导航技术、智能识别技术4个方面进行分析，结合施药机器人作业环境的复杂多变性，分析智能施药机器人关键技术的现存问题，阐述智能施药机器人未来的发展趋势是精准变量施药、自主导航以及无人化作业，以期为智能施药机器人在未来的研究提供参考。     

作物航空喷施作业质量评价及参数优选方法

农用飞机由于具有很好的机动性、灵活性和施药效率,近年来受到高度重视,成为植保产业的重要发展方向。影响航空喷施效果的因素有很多,机型、喷嘴型号、喷雾压力、喷施角度、环境因素、作业高度、作业速度、药剂配方、药剂浓度等因素等都会影响雾滴在植物表面的分布特性,从而影响航空喷雾作业效果。地面药液的雾滴分布特性是决定航空植保效果的主要因素,研究不同因素条件下的雾滴分布情况能为航空喷施作业时选择相对合适的喷嘴型号、喷雾压力、喷施角度、作业高度、作业速度、药剂配方及药剂浓度等提供参考,从而有利于保证航空施药效果。该文在对目前中国航空植保产业发展现状进行深入剖析的基础上,研究分析了目前中国航空植保存在的主要问题,同时提出了作物航空植保技术规程中作业参数的优选及评价方法。该研究为中国主要作物航空植保喷施作业技术规程的制定提供了参考。     

无人直升机喷雾参数对玉米冠层雾滴沉积分布的影响

为了阐明喷洒药械N-3型无人直升机(N-3 UAV)在玉米生长后期雾沉积效果及应用前景,研究了喷洒参数对玉米冠层雾滴沉积分布的影响。该试验研究以染料Rhodamine-B溶解成一定浓度的溶液代替农药进行喷雾,通过改变飞机的作业高度和横向喷洒幅度进行喷雾试验;采样点设置沿玉米高度方向分4层,用聚酯卡作为雾滴取样器采集雾滴。用荧光分光光度计测定雾滴在玉米某一区域的沉积量,由此获得雾滴沉积量在玉米植株不同层间分布的规律。结果表明:作业高度为5 m时,雾滴在目标上的总沉积量最少,离散程度最大,极差值为0.17;作业高度为7 m时,雾滴在目标上的总沉积量比作业高度为5和9 m时的沉积量大,雾滴沉积量的离散程度最小,极差为0.10;不同作业高度时,雾滴在玉米顶部、上部、穂部、下部的沉积效果和分布均匀性的变异系数不同,雾滴在玉米上部和穗部的沉积量高于顶部和下部的沉积量。在同一作业高度下(7 m),横向喷幅为5和9 m时,多喷幅雾滴沉积百分比的极差为38.4%和38.1%,变异系数为41%和34.4%;横向喷幅为7 m时,多喷幅雾滴沉积百分比的极差为26.3%,变异系数为25%,雾滴分布均匀性最好。小型无人直升机在玉米生长后期喷洒农药时,作业高度和横向喷洒幅度会影响雾滴在植株上的沉积量和分布均匀性,综合考虑雾滴沉积特性和喷洒效果情况下,应该选择飞行高度为7 m,横向喷洒幅度为7 m作为作业参数。该研究可为喷雾器具的优化设计、性能改进以及正确使用等提供技术依据;对合理喷施农药、提高喷洒效率、防治病虫害大面积暴发具有重要意义。     

N-3型农用无人直升机航空施药飘移模拟与试验

为了判定N-3型农用无人直升机在进行病虫害防治作业时所需的安全农药飘移缓冲区,该文通过模拟和试验,研究了飞机在飞行速度为3 m/s、侧风风速分别为1、2和3 m/s、飞行高度为5、6和7 m时在非靶标区域的药液飘移情况。采用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)方法,在约束条件下对作业过程中旋翼风场和农药喷洒的两相流进行了模拟,并设计了条件相似的对应试验进行验证。模拟的结果表明,在无人机飞行速度3 m/s,侧风风速相同的情况下,作业飞行高度为5、6、7 m时,药液在侧风下方(Z轴正向)的最大飘移距离和在无人直升机后方(X轴负向)的最大沉积量位置差异不大;在作业飞行高度相同的情况下,侧风风速为1、2、3 m/s时候,药液在侧风下方的最大飘移距离和在无人直升机后方的最大沉积量位置发生变化明显。通过相应试验,对飘移量(飞行高度6 m,飞行速度3 m/s)的模拟数值与试验值的变化趋势进行了比较,并进行线性回归分析,拟合直线决定系数R2分别为0.7482、0.8050和0.6875。本文提出一种较传统检测方法更为方便的CFD模拟方法,来对N-3型无人直升机施药作业中药液的飘移情况进行分析,模拟研究可以比较准确地定性地模拟出实际飘移情况,对实际生产具有一定的指导意义。     

二相流喷雾技术的研究

为了探索设施农业病虫害防治新的施药方法，该文对气液二相流喷雾作了雾化性能与药液物理特性相关性试验，得到了空气压强与气流量、喷雾量、雾滴直径、有效功率、吸液高度、喷口空气过流面积等诸参数之间相互关系，明确了药液粘性和表面张力对雾滴直径、喷雾量的影响程度，其结果为设计二相流喷头提供了依据。     

幼树靶标探测器设计与试验

针对果园对靶喷药中幼树靶标难以精准探测的难题,该文基于红外传感器设计了幼树靶标探测器,该探测器能同时探测喷药机两侧果树树干,根据用户设置的喷雾宽度和延迟距离等参数计算出靶标喷雾位置,并准确控制电磁阀开闭以进行对靶喷药。实验室试验表明,在传感器探测范围内探测距离和树干直径对探测器探测准确性几乎没有影响,速度对探测准确性有微小量影响,速度不大于1m/s时喷雾总宽度计算精度不小于96.1%。果园试验表明,行走速度不大于0.94m/s时,幼树靶标探测器能100%探测到树干并准确计算出喷雾位置和喷雾宽度。     

植保无人机施药喷嘴的发展现状及其施药决策

农药的低利用率是影响农业生态环境和农产品品质安全的重要原因之一,优化农药喷施技术是提高农药利用率的有效手段。无人机植保喷施作业作为航空施药领域的重要组成部分,因其应对突发灾害能力强、不受作业地点限制等优势,具有巨大的发展潜力。喷嘴作为植保无人机喷施系统中的关键部件,主要分为液力雾化喷嘴和离心雾化喷嘴两大类,良好的喷嘴性能能够大大提升航空施药喷洒的均匀性,提高农药的利用效率。该文总结了各类植保无人机常用喷嘴的原理、特点以及应用场合,提出了喷嘴性能评价指标并总结了三大类常用的雾滴粒径、沉积量、分布、速度等指标的测量手段,包括雾滴收集方法,雾滴沉积量测试方法以及仪器测量法。最后,针对目前无人机施药缺乏专业的指导,农药喷施效果有待提升的现状,该文提出合理的施药决策是结合靶标作物、喷药需求以及喷施环境三方面因素共同作用的结果,并从喷嘴喷雾角、防堵塞性、喷嘴压力与流量以及最佳作业粒径4个方面分析了喷嘴选型的思路,从专业喷嘴选型决策系统的建立以及无人机植保专用喷嘴的研发两方面对今后的研究进行展望。     

电动背负式风送喷雾器设计与作业性能试验

针对作物冠层高大、枝叶茂密的情况,现有的施药机具存在雾滴穿透性能差、药液沉积不均匀、不适合作业条件等问题研制了电动背负式风送喷雾器。利用水敏纸、激光粒径分析仪、高速摄影仪测试了其射程、雾滴粒径、液膜雾化形态。利用液质联用仪测试了使用该喷雾器时农药在作物上的沉积分布,并测试了生物防治效果。结果表明:该喷雾器在有风送的条件下雾滴粒径变大、喷雾角减小、液膜变短,在最大风速下射程提高2倍以上。该喷雾器可以改善农药在作物叶片正背两面分布均匀性,使用TR80-01和TR80-02号喷头时农药利用率较手动喷雾器分别提高了1.38倍和1.14倍,在分别使用TR80-01和TR80-02喷头时用药量比手动喷雾器减少1/2和1/3的情况下药效没有明显的差异且增加了农药的持效期。该喷雾器可以提高农药的沉积分布均匀性和利用率,实现减量施药。     

基于绿色农业的智能喷药机器人的设计与应用

随着农业生产的发展，传统的喷药方式存在着药剂浪费、环境污染和作物质量下降等诸多问题。通过智能喷药机器人的应用，提高农业喷药的效率、减少药剂的使用量和环境污染，以推动绿色农业发展和提高农产品质量。结合物联网、大数据和人工智能等技术，设计了一款由底盘、四轮驱动机构、自动配药装置、喷药装置及智能控制器、传感器等组成的喷药智能机器人，能在不同路况下行走工作。通过图像识别技术深度分析农作物所受病虫害情况，通过控制模块获取速度传感器、压力传感器及流量传感器瞬时数值动态调整药液浓度、喷药压力，实现喷药过程平稳工作。该系统的设计为后续根据作物生长态势精准靶向喷药及远距离喷药等功能实现提供思路。