基于变量喷雾的果园自动仿形喷雾机的设计与试验

为提高果园喷雾机自动化与精准喷雾作业性能,设计了一种基于变风量与变喷雾量的果园自动仿形喷雾机,喷雾系统以冠层分割模型作为变量处方,采用扫描精度高的激光传感器作为探测源,以电磁阀和无刷直流风机为执行元件,通过探测果树冠层体积调节电机和电磁阀的脉宽调制(pulse width modulation,PWM)信号以实时调节风机转速和喷头流量。设计了可独立调节风量和喷雾量的雾化单元,通过各个独立风机产生的高速气流协助雾滴穿透冠层;喷雾机最大作业高度4.2 m。田间试验结果表明,在行株距为5 m×2 m的单株苹果树左右两侧平均沉积量分别为1.92和1.37 u L/cm2,最少雾滴数为46.2个/cm2,大于常用方法对风送喷雾中雾滴喷幅界定的20个/cm2;树冠轮廓与沉积量和风速变化拟合结果显示,设计的喷雾机能够根据树冠信息实现仿形变量施药。该研究为果树病虫害防治提供新方法与新装备,为精准植保机具的结构设计和性能优化提供理论与方法参考。     

果园自动对靶静电喷雾机设计与试验研究

为适应果园病虫害防治的需要，研制了一种轻便、高效、省药、能减少对环境的污染、与国产小中型拖拉机配套的果园自动对靶静电喷雾机。通过多次结构改进和各种试验，采用基于红外传感探测技术，探测靶标的有无，将传统的连续喷雾改变为自动对靶控制喷雾，与风送式果园喷雾机连续喷雾相比，可以节省药液50%～75%以上，同时还解决了风送式低量与静电喷雾等关键技术问题。     

基于仿真果园试验台的植保无人机施药雾滴飘移测试方法与试验

植保无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)果树飞防植保作业中飞行高度较高并且采用低容量细小雾滴喷雾,飘移风险极高。但是,无人机果园施药雾滴飘移特性研究尚处于初步开展阶段,缺乏全方位综合测试方法以及对不同无人机机型和喷头类型的评价。该研究在前期研究基础上,提出一种基于仿真果园试验台的植保无人机果园施药雾滴飘移测试方法,设计并制作仿真葡萄园试验台和空中飘移收集装置,结合地面飘移收集装置和冠层沉积收集带,首次通过雾滴空间飘移指数ADX定量分析评价不同机型的喷雾过程中农药雾滴空间飘移特性,并采用田间近地飘移测试平台进行无人机喷雾飘移试验,使用荧光示踪法探究4种典型植保无人机(油动单旋翼、电动6旋翼及2种电动8旋翼无人机)分别搭载IDK 120-015空气射流喷头和TR 80-0067空心圆锥喷头喷雾作业的雾滴冠层沉积分布、地面飘移、近地飘移及空中飘移特性,进而对不同喷雾飘移测试收集装置进行评估。结果表明:在侧风速2.2～3.6 m/s,温度29.8～34.3℃,相对湿度10.7%～30.6%的环境条件下,IDK空气射流喷头在作业高度1.5 m、速度2.0 m/s参数下可显著降低无人机喷雾下风向飘移水平,优化沉积分布均匀性,提高农药雾滴利用率;4种机型飘移特性无显著差异,旋翼下洗气流产生的卷扬涡流是影响无人机喷雾飘移的重要因素;葡萄园喷雾作业缓冲区至少应设置为15 m;冠层沉积率越小(P0.05,r0)、沉积分布变异系数越高(P0.01,r0)、田间飘移平台平均均值飘移率和90%累积飘移距离越大(P0.01,r0)以及ADX值越大(P0.01,r0)均表明雾滴飘移风险越高,3种收集装置及其评价指标均可有效评估下风向飘移特性;植保无人机喷雾飘移率与下风向距离满足指数函数关系。研究结果以期为新型果树专用植保无人机研发、植保无人机果园作业喷雾飘移测试方法的标准制定和田间作业参数选择提供参考和数据支持。     

美国航空静电喷雾系统的发展历史与中国应用现状

航空静电喷雾系统是传统静电喷雾技术在空中操作平台上的专门应用,是航空植保技术的重要内容。美国在上个世纪60年代开始开展航空静电喷雾的技术研究,本文着重介绍了美国航空静电喷雾系统近50a的发展历史和相关的测试工作,包括航空静电喷雾系统的早期研究和持续改进,以及最终的系统模型确定。航空静电喷雾系统可有效减少施药液量和提高药液沉积量,但是仍然存在如何提高病虫害防治效果和减少下风处的喷雾飘移等方面的问题,航空静电喷雾系统针对不同作物和病虫害的适用范围和最佳作业条件还需要进一步的研究和探索。然而,航空静电喷雾系统的巨大优势已经奠定了其在现代农业航空发展中的地位,随着不断的试验研究和评估,现代航空静电喷雾技术必将继续支持农业航空产业的发展。     

雾化网格在果树植保喷雾中的应用与试验

针对目前一些植保机械在喷洒农药的过程中难以兼顾低飘移和高沉积的问题,该研究将雾化网格应用在果树植保喷雾作业中,使喷头喷出的大粒径雾滴在接近靶标处撞击网格二次雾化为小雾滴。为了研究雾滴撞击网格后的粒径和速度分布以及沉积特性,以网格孔径、喷头与网格的距离为变量,以二次雾化后雾滴的速度和粒径分布、喷雾角、雾滴覆盖率、沉积量和飘移量为指标进行试验研究。试验结果表明：放置孔径为461、350和227 μm网格时测量点的雾滴平均速度比没有网格时的2.35 m/s分别降低23.40%、13.90%、29.00%,最大平均粒径比没有网格情况下的192.5 μm分别降低19.5%、14%、10%;随着网格孔径的减小,二次雾化后雾滴的喷雾角有逐渐降低的趋势;放置350和227 μm 孔径网格时果树冠层各层内沉积均匀性相近,沉积量变异系数最高分别为88.08%和74.22%,远低于461 μm 孔径网格的162.98%;放置350 μm 孔径网格时雾滴穿透性较好,各层之间沉积量变异系数最高为10.08%,低于461和227 μm 孔径网格的44.09%和18.25%。在该研究试验条件下,350μm 孔径网格的沉积效果优于461和227 μm 孔径网格,喷头与网格的距离对雾滴覆盖率和沉积量没有显著影响,使用雾化网格的雾滴飘移较少,非靶标区平均雾滴飘移量为靶标区沉积量的6.64%。研究结果可为果园无人机喷雾作业优化提供参考。     

果树施药仿形喷雾关键参数的模拟试验研究

为了对仿形喷雾参数和雾滴分布质量进行系统分析，设计并制造了一套室内仿形喷雾试验装置，由变频器控制喷雾电动机的转速以调节喷雾压力，由试验架与果树样本的相对位置调节喷雾距离，由定时器控制电路调节喷雾时间。仿形喷雾试验按照不同的喷雾参数组合采用正交试验的方法进行。雾滴的整体分布质量采用分布质量系数进行评价。试验结果表明，在室内环境条件下，喷雾距离是影响雾滴分布质量的首要因素，其次是喷雾压力，喷雾时间对分布质量的影响不显著。喷雾距离超过80 cm时，果树内的沉积量显著减少，在喷雾距离≤50 cm的范围内，增加喷雾     

国外农业航空静电喷雾技术研究进展与借鉴

农业航空静电喷雾技术作为中国发展精准农业航空应用技术的内容之一,对农药的有效利用和减少环境污染有积极意义。农业航空静电喷雾技术在国外发展较早也相对成熟,美国已有应用于有人机的商业化产品,并在美国、巴西等国各类粮食作物、经济作物和杂草防治作业中开展了大规模田间应用。该研究首先从基础研究、田间应用和优化工作等方面梳理了国外农业航空静电喷雾技术的研究进展,分析了农业航空静电喷雾技术在增加雾滴沉积、减少飘移和具备低施药液量等方面的优势。在此基础上结合中国植保无人机快速发展的实际对研究和应用适合中国国情的农业航空静电喷雾技术进行思考,提出了农业航空静电喷雾技术的研究路线,最后从采用接触式等非感应式充电方式、开发农业航空静电喷雾的测量技术,以及思考荷质比作为衡量指标的意义等方面探讨了可进行深入研究的方向。中国农业航空静电喷雾技术研究特别在植保无人机静电喷雾技术方面的研究与应用有很大的发展空间,可参考国外经验,围绕航空静电喷雾技术的基础性研究、田间试验、成果转化、示范推广和服务指导全方面制定发展规划,把单一强调对雾滴带电的实现转向对技术系统的整体研究。     

远射程风送式喷雾机气流场分布及喷雾特性试验

由于远射程风送式喷雾机的空间风场及喷雾特性尚未明确,该文利用风速测量定位网架,进行了远射程风送式喷雾机空间风场特性试验和喷幅试验。试验结果发现,远射程风送式喷雾机轴心上的纵向时均风速随采样点距喷嘴距离的增加而衰减,两者呈负对数关系,这一特征符合淹没射流的流速变化规律;远射程风送式喷雾机轴心方向同一采样点上的风速与风机供电频率之间呈线性正相关,决定系数最低为0.609 1;远射程风送式喷雾机的水平喷幅关于喷筒轴心方向左右对称;而垂直喷幅在喷筒轴心方向的上下方呈现为不对称;远射程风送式喷雾远射程风送式喷雾机的送风量及出风口气流的时均风速均与风机供电电源的频率成正比;采用纸卡法测量了喷雾机的水平作业幅宽,该试验样机的水平作业幅宽为22 m。卷吸引起的伯努利效应和附壁效应是形成垂直喷幅不对称的重要原因,采用喷筒仰角喷雾可消除此效应。研究结果为远射程风送式喷雾机的生产和使用提供理论基础与参考。     

静电喷雾的多喷头雾化特性及田间试验

针对传统喷杆喷雾机作业时需水量大、叶片背面雾滴沉积量不足和雾滴分布不均匀等问题,该研究提出一种静电喷雾与喷杆喷雾相结合的施药技术。为探究静电喷杆喷雾机的最佳工作参数,明确不同参数对雾滴雾化效果的影响,利用Fluent软件建立了流场、离散雾场和空间电场耦合仿真模型。仿真试验结果表明,多喷头的空间电场分布均匀性优于单喷头,静电喷雾的雾滴体积中径比非静电喷雾减小12.7%。搭建静电喷雾试验平台,以喷雾水压、充电电压和喷头间距为试验因素,以雾滴的荷质比、粒径、分布均匀性和沉积量为试验指标进行雾滴的荷电特性和沉积特性试验。试验结果表明,多喷头喷雾的雾滴荷质比最大值为0.26 mC/kg,比单喷头喷雾提高52.9%,雾滴均匀性变异系数比非静电喷雾减小32.1%,体积中径减小14.8%,上、中、下层叶片正面的雾滴附着率分别提高27.1%、37.3%和45.2%;静电喷雾的最佳作业参数组合为充电电压6 kV、喷雾水压0.4 MPa和喷头间距250 mm。田间试验表明,静电喷头与常规喷头喷雾施药的病虫害防治效果基本一致,静电喷头的施药用水量减少了60%。在满足防控效果的前提下,静电喷雾能增加雾滴在植株下层和叶片背面的沉积量,有效减少田间作业的需水量,研究结果可为静电喷雾技术在大型喷杆喷雾机上的应用提供参考。     

高地隙喷杆式与隧道式一体喷雾机的设计与试验

针对烟草移栽后团棵期到打顶期植株形态差异显著,采用单一喷杆式喷雾病虫害防治效果差的问题,设计了一种集喷杆式和隧道式两位一体喷雾机,以实现在烟叶低矮稀疏的幼苗期进行喷杆式喷雾,在烟叶高大茂密的成熟期进行隧道式喷雾,并实现滴落药液的回收再利用。喷雾机固定在高地隙通用机架上;喷架升降和变形机构实现喷杆式和隧道式2种药液喷施模式;喷架收拢机构实现机器工作态和运输态2种机架形态的变换。试验表明:在相同行进速度和喷雾量的情况下,两位一体喷雾机与普通喷杆式喷雾系统相比,烟草打顶期和采收期时,在植株竖直方向上下层叶片正面平均单位面积雾滴沉积量提高50%左右,上下层叶片反面平均单位面积雾滴沉积量分别提高了30.56%和61.54%;在植株水平方向上内中外各层叶片正面平均单位面积雾滴沉积量提高42%以上;内中外各层叶片反面平均单位面积雾滴沉积量分别提高了46.23%、61.17%和24.11%。田间试验表明:药液雾滴雾化烟叶附着效果良好,并且几乎无烟叶损伤。在大田种植烟草的全生命周期中,该喷雾机具有更好的雾滴沉积效果和整机利用率。     

果园风送喷雾精准控制方法研究进展

果园风送喷雾技术与装备正在朝着精准化和智能化方向发展。果园喷雾控制对象主要为喷施药量和风力供给量,二者需要协同精准调控,其按需调控的前提是果园靶标精准探测。该文从果园靶标探测方法、喷施药量控制方法、风力调控方法 3个方面对现有研究进展进行综述,阐述了基于光电感知、超声波传感、激光雷达、图像、光谱和电子鼻技术探测果树位置、冠层外形轮廓、冠层体积、冠层内部结构、枝叶稠密程度、病虫害程度等特征信息的技术方法;分析了喷施药量调控方法中管道总药量控制方法在管道设计、混药方式、药液流量控制策略方面技术和产品化上取得的巨大突破,以及喷头药量独立控制方法研究方面获得的大量成果;综述了果园风送喷雾风速风量需求理论原则、风场雾场建模方法、风力调控方法与调控装备研究进展,指出了其基本理论原则、建模调控方法等科学问题还有待深入探索。同时,还分析了目前研究在果园靶标探测方法、喷施药量调控方法和风送喷雾风力调控方法中面临的困难和挑战,主要包括冠层稠密程度和病虫害程度高效感知方法探索、靶标风力需求普适模型构建、风场建模风力按需调控方法研究和精准喷雾技术与系统集成开发。最后指出了果园风送喷雾精准控制方法未来发展方向:1)果园靶标冠层枝叶稠密程度和病虫害程度在线探测方法将成为新的研究热点;2)果园风送喷雾风速风量供给需求理论原则、风场快速模拟仿真和风力调控方法与装备是未来重要研究方向;3)随着高新科技的涌现,科研院所和公司有望在果园喷雾药量和风力调控系统优化设计及精准喷雾机系统集成研发方面获得更大发展。     

风送喷雾雾滴冠层穿透模型构建及应用

研究雾滴在树冠内的分布规律,对优化喷雾参数,提高喷雾效果有重要意义。该文以叶密度、出口风速和取样深度为试验变量,用试验法研究了树冠内雾滴穿透比例分布规律;试验结果表明:雾滴穿透比例随叶密度、取样深度的增加而减小,随喷雾机出口风速的增大而增大,其中取样深度对穿透比例影响最为显著。在此基础上,结合试验数据与统计学方法,构建了雾滴穿透比例二次指数数学模型,并确定了模型的待定系数,其模型精度R2高于0.95,经检验模型有一定的合理性和可靠性。基于此模型,计算了雾滴冠后飘移率,与实测值相比,平均相对误差为16.73%。进一步对雾滴冠后飘移率影响因素、双面喷雾机理、喷雾参数优化进行了分析,拓展了模型应用,对模型局限性和进一步优化模型的后续研究设想展开了说明。研究对风送喷雾雾滴分布规律研究具有一定的参考价值。     

果园喷雾机风速对雾滴的沉积分布影响研究

果园喷雾机利用风机产生的气流将雾滴输送至靶标，携带有细小雾滴的气流驱动果树叶片翻动，使叶面的正、反面都能着药，大大提高了药液在靶标上的覆盖密度和均匀度，可使药液的利用率达到30％以上。雾滴在果树上的沉积分布主要受果园风送式喷雾机风机风速的影响，而风机的风速主要由风量来决定。该文通过改变风机风量，探讨了树冠内风速的变化规律对农药在靶标上沉积量的影响，得到了雾滴在冠层内的穿透性和沉积量与风速呈正相关的结论。     

基于叶墙面积的果树施药量模型设计及试验

变量喷雾技术是提高喷雾效果、降低农药使用率的有效手段,而准确的树冠特征参数检测及施药量模型是其关键。为克服果园变量喷雾中果树特征参数检测效率低和对环境要求高的缺陷,该文通过LiDAR(light detection and ranging)检测技术获取表征树冠特征参数的叶墙面积LWA(leaf wall area),并利用图像处理技术计算树冠参数参考值。为了表征树叶密度和LWA对变量喷雾的共同影响效果,研究基于LWA的决策系数KLWA,KLWA由反映果树冠层分区内点云在水平方向平均深度下的分布密度K1和分区内点云分布高度极差占分区高度的比值K2加权决定。通过计算垂直方向各分区内决策系数KLWA,并代入流量函数可得出基于KLWA的施药量计算模型,进一步计算电磁阀PWM占空比并调节水泵和电磁阀的工作状态,使喷头的流量对应冠层各区得到动态调整,实现基于LWA的变量喷雾。利用自制的室外变量喷雾验证装置,进行了多喷头变量喷雾试验,试验结果表明,果树的药液附着率均接近100%,说明基于LWA的变量喷雾模型可实现有效喷雾,与连续喷雾相对比,基于LWA的变量喷雾施药量模型的省药率为68.34%,与纯对靶定量喷雾比,基于LWA的变量喷雾施药量模型的省药率为32.77%。     

果园喷雾机自动对靶喷雾控制系统研制与试验

为提高农药利用率,减少环境污染,该文针对中国果园机械化作业条件差和传统果园喷雾机连续喷雾时存在果树间空隙无效喷雾的特点,设计了自动对靶喷雾控制系统,该系统以GY8履带自走式果园喷雾机为载体,采用传感器测距方式探测果树,实现自动对靶喷雾。通过对超声波、红外和激光3种传感器进行性能比较,及对超声波和激光2种传感器进行静态识别间距测试与分析,红外传感器受光强影响较大,超声波传感器识别间距超过800 mm,均不满足果园精确对靶喷雾控制要求,激光传感器静态识别间距只有20 mm,具有工作稳定、响应快速、方向性好等特点,故将激光传感器选为自动对靶喷雾机探测装置,并将激光传感器安装于喷头组件前方220 mm。采用连续3次检测靶标判别法设计了自动对靶喷雾系统,该系统可有效避免因激光光束较细而导致的将树冠内空洞、枝间间隙等误判为果树间空隙而出现的电磁阀频繁启闭动作。行驶速度为0.5 m/s时,自动对靶喷雾控制系统的动态靶标识别间距介于100~150 mm之间,行驶速度1.0 m/s时,动态靶标识别间距为200~250 mm。此外,该系统还具有提前及延后喷雾功能,自动对靶喷雾系统提前靶标95.0~157.5 mm距离开始喷雾,离开靶标100 mm距离停止喷雾,使喷雾完全覆盖整个树冠。与连续喷雾相比,对靶喷雾可有效节省施药量,对于空隙比为20.0%、35.2%、52.9%靶标行枣树,行驶速度为0.5 m/s时省药率分别达27.9%、53.7%、76.9%,行驶速度为1.0 m/s时省药率分别达27.3%、54.5%、81.0%。因此,该自动对靶喷雾系统对稀疏果园的精确对靶病虫害防治具有较好的实用价值。     

3WQ-400型双气流辅助静电果园喷雾机设计与试验

为解决农药雾滴难以沉积到果树叶片背面,克服荷电雾滴荷电量在环境空间中快速衰退的难题。该文提出双气流辅助系统与静电喷雾系统相结合的方法,以拖拉机动力输出轴为液压传动系统动力源,研制了牵引式双气流辅助静电果园喷雾机。试验结果表明,19 kW 的拖拉机动力配置可以满足系统动力要求,轴流风机和离心风机的转速分别为1400、1800 r/min 可以满足所选试验对象对气流速度的要求;单个喷头喷出的雾滴在0.2 m 处的荷质比为1.0 mC/kg,且在喷雾距离为1.8 m 处依然带电;风送喷雾系统的垂直雾量分布规律、气流速度分布规律与纺锤型果树生物量分布规律相一致,其最大雾量与气流速度均出现在0.5～1.5 m 范围内;在施药量为3.5 L/min,作业速度为0.84 m/s 条件下,单侧喷雾时果树叶片正反面雾滴覆盖密度分别为115和47个/cm2,可以满足防治害虫的要求;冠层前部静电喷雾雾滴覆盖密度比非静电喷雾提高了20%,而冠层后部雾滴覆盖密度仅提高了7.2%。该研究为风送静电喷雾机设计与使用提供了参考。     

果园风送喷雾机导流板角度对气流场三维分布的影响

风送喷雾条件下,雾滴是在空气流携带下进入果树冠层的各个部位,所以喷雾机气流场的运动和分布对雾滴的分布和穿透非常重要。为了研究果园风送喷雾机导流板角度变化对外部气流速度场三维空间分布的影响,该文采用ICEM建立几何模型,并进行全结构网格划分,采用k-ε湍流模型和CFX求解器进行数值求解。通过变换上导流板角度(30°、45°、60°、90°)与下导流板角度(0°、10°、20°、30°),来模拟分析风机外部流场在各工况下的空间稳态流场、湍流状态,以及对气流场空间分布的影响。结果表明,下导流板角度由0°增加至30°过程中,由于地面摩擦阻力对气流的影响逐渐减小,同时地面摩擦阻力与两侧空气阻力形成的夹角越来越大,因此单一气流束逐渐分成3条气流束,这样的气流分布优于单一方向气流对果树枝叶的吹动效果,有利于气流携带雾滴进入果树冠层;上下导流板导向气流主要集中在导流板指向区域,因此,导流板的角度设置应根据树冠高度、树干高度来调整。通过设置合理的导流板角度,使得风场分布与果树冠形相吻合,达到仿形喷雾效果。对于行距4 m、树高3.0~3.2 m的果园喷雾,上、下导流板角度均为30°;对于棚架果园,上导流板角度为90°(或卸掉上导流板),下导流板为30°。该研究有利于指导田间喷雾作业、喷雾参数调整,可达到更好的喷雾效果、减少环境污染。     

果园变量喷雾技术研究现状与前景分析

果园变量喷雾是提高农药有效利用率、提升果品品质的重要手段之一,已经成为国内外学者研究的热点课题。为明确果园变量喷雾技术与装备已处的研究阶段、所面临的挑战和未来发展的方向,该文从果园变量喷雾技术中冠层结构探测与重构、施药智能决策和变量喷雾执行系统3个主要环节,重点概述了冠层结构探测的主要技术手段及其优缺点,认为机器视觉技术、超声波传感技术、LIDAR(light detection and ranging)探测技术及其相互之间的组合传感技术是未来最主要发展的冠层结构探测技术;综述了当前所采用的基于果园面积GA(ground area)模型、基于冠层高度的LWH(leaf wall height)模型、基于树体面积的LWA(leaf wall area)模型和基于冠层体积的TRV(tree row volum)模型,在此基础上阐述了这4种模型之间的内在联系;在分析了对靶开关决策、离散型决策和连续型决策模型的现状和特点的基础上,提出基于模糊算法的施药量智能连续决策是未来重要的发展方向;从果园变量喷雾机所采用的传感技术、决策模型和所取得的技术指标方面论述了当前世界最典型的装备现状,进一步分析了施药量调控系统、风量调控系统和喷雾位置调控系统的研究现状,提出了风量快速调控系统和喷雾位置快速响应系统的发展方向,以期为果园变量喷雾技术与装备研究提供参考。