高地隙施药机自动驾驶系统研制与试验

针对农业自动导航、电动自动转向、农机自动控制、精量施药控制等关键技术的集成应用问题,该研究以高地隙喷杆喷雾机为平台,基于机电液一体化控制与软硬件标准化,研制了用于高地隙施药机的自动驾驶系统。根据底盘机构和工作原理设计了电控执行机构,实现发动机启停、转向、油门调节、车速调节、液泵启停、喷杆伸缩的自动控制。设计了基于CAN总线的整车通信控制网络,实现手动遥控和自动导航2种模式的自由切换。设计了基于姿态测量的定位误差校正方法,补偿导航定位过程中因机体倾斜造成的位置测量误差,提出地头转弯过程中的直线作业路径规划方法,以提高调头的准确性并保证邻接行的上线精度。在验证自动操控机构和通信控制网络稳定性的基础上进行了手动遥控和自动导航的对比试验。结果表明:作业速度3.6km/h时,遥控操作和自动导航2种模式下横向偏差最大值分别为20.81和8.84 cm,航向偏角最大值为7.86°和2.48°、横向偏差的均方根误差最大值为7.47和4.66 cm。该研究设计的高地隙施药机自动驾驶系统能够实时准确执行手动遥控和自动导航2种模式下的操作指令,自动导航模式下的路径跟踪精度较高,满足田间施药作业需求。     

车载式变量施药机控制系统设计与试验

施药控制是提高作业质量、减少化学污染、降低生产成本的关键技术。该文基于单片机AT89C52,采用滞环控制法,设计了一种车载式变量施药机控制系统。该系统能够根据施药机行走速度自动变更喷药量,实现施药量不变。试验表明：加速度小于0.4 m/s2时,实际施药量与设定施药量之间的误差不超过8%,且雾化效果良好、生产效率高,还可以减少农药的残留和对环境的污染,能够满足农业生产的需要。     

基于STM32温室环境测控系统的研究

在传统温室自动化监控系统的基础上,针对目前温室大棚面积不断增大、温室内传感器种类及数量不断增多,且不易连栋管理的现状,设计了基于ARM CORTEX-M3核的以STM32单片机为核心的智能温室控制系统。系统采用CAN总线技术对连栋大棚的主要环境因子,如温度、湿度及光照度等进行智能控制,通过串行通信实现上位机控制,增强了温室大棚的智能化和实用性。     

温室对靶喷雾机器人控制系统

为提高施药作业中农药的有效利用率,减少农药残留与化学污染,根据现代化温室中篱架型植物的种植方式和生长特点,设计了3自由度喷雾机器人控制系统。机器人能够在高架导轨上根据黄瓜病害垄位置启停,并控制机械臂对植株病害表面进行预定位。设计了机器人系统手动与自动两种工作模式。研究了基于PC—PLC的机器人系统对靶喷雾策略,由电磁阀单独控制喷杆上各喷嘴的开闭。实现了对黄瓜植株以200 mm×200 mm区域的对靶作业。试验表明,机器人控制系统定位工作稳定,操作灵活,系统X轴定位精度：±3.6 mm,Y轴定位精度：±3.     

温室细雾风机系统几个主要设计参数对细雾蒸发的影响

温室细雾风机系统降温的主要缺点是蒸发不完全，地面有积水。文章对温室细雾风机系统在降温过程中的实际蒸发量及细雾风机系统的几个主要设计参数如系统的工作压力、喷嘴高度、细雾的雾化程度等对细雾蒸发的影响进行了试验分析，为解决蒸发不完全问题提供依据     

基于现场总线思想的分布式温室智能控制系统

温室自动控制系统是提高温室生产经济效益的关键之一。参照自动控制系统的发展趋势，开发了基于现场总线思想的分布式温室自动控制系统；系统硬件由上位机、智能控制器和智能节点3层组成，采用485总线作为层间通信网络。系统软件应用了实时数据库、智能控制、开放的通信协议、实时决策及模型更新和双向看门狗技术。大约1年多的实际运行效果显示，系统功能完善、可靠性高，适合在温室生产中推广应用。     

基于Proteus和Keil软件的温室环境监测系统开发

针对现有农业环境监控系统设计方式的不足,该文研究与开发了一套温室、大棚监测系统,用于测量空气温度、湿度及二氧化碳浓度。该系统引入Proteus与Keil软件联合调试的开发方式,采用C#语言构建了具有良好交互功能的上位机软件,引入Access数据库管理历史数据;解决了关键数据的处理、串口中断数据流的构建、Access数据库的设计、Proteus软件与上位机的通信等系统若干关键问题。系统实际运行良好,验证了所采用开发方式的有效性。     

植保无人机喷施雾滴沉积特性的荧光示踪分析

航空施药雾滴沉积特性的准确检测对施药参数选择和施药质量优化至关重要。该研究以3WQF-80-10型植保无人机为试验对象,选取典型飞行工况,通过水敏纸和基于荧光示踪的航空施药沉积检测系统同步获取展向雾滴沉积覆盖率,研究对比了该机型在典型飞行工况条件下的雾滴沉积离散性和连续性分布,评估基于荧光示踪的沉积检测系统对雾滴沉积检测效果与适用性。试验结果表明:荧光示踪法与水敏纸法所得雾滴沉积率分布曲线整体趋于一致,2种方法的检测结果相关性拟合优度(R2)为0.88~0.96;由于植保无人机旋翼下洗风场胁迫细小雾滴沉降至非水敏纸布样位置,致使荧光示踪法测得的平均雾滴覆盖率曲线出现更多峰值,覆盖率值高于水敏纸法测量结果。植保无人机飞行速度为2 m/s,飞行高度为3 m的作业条件下,与水敏纸离散布样方式相比,荧光示踪连续布样方式测得雾滴覆盖率提高16.92%,当飞行速度为4 m/s,飞行高度为9 m时,后者较前者提高97.77%。植保无人机作业工况对施药雾滴沉积覆盖率影响方面,飞行速度2 m/s,飞行高度3 m的工况下,雾滴沉积覆盖率最高,为8.34%和7.14%;随着植保无人机飞行高度和速度增加,雾滴沉积覆盖率降低。针对植保无人机下洗风场作用下施药雾滴沉积质量检测,与离散布样方式相比,连续性样品采集可获取更丰富的雾滴空间沉积分布细节。该研究可为无人机低空低量施药雾滴沉积检测和无人机下洗风场对雾滴沉积分布影响研究提供方法参考。     

基于嵌入式互联网的远程智能喷雾控制系统设计

为提高设施农业植保作业智能管控能力,该文提出一种基于STM32F101和STM32F103嵌入式技术,结合4G互联网、局域WIFI通信技术及超声波靶标检测算法,能够便捷地对设施作业装备远程视频与控制的方案,达到人机分离与精准施药的目的。该系统在Eclipse和Keil-uvision4开发环境下采用Socket和多线程技术实现双向通信,以TCP通讯协议为媒介,Android端和客户端通过互联网或无线网卡转接移动路由实现远程智能喷雾控制。试验结果表明：1）Android端能够在LAN或Internet中实现智能喷雾装备的近远程控制,软件界面回传状态无卡顿、延时发生,能够准确发射控制指令,实现了对靶标间歇性施药管控;2）系统建立的双向心跳包能够在通信故障情况下迫使喷雾装备处于休眠状态,经测试,心跳包设定时间与喷雾装备休眠响应时间平均相对误差不超过5.50%;3）采用视频帧对冠层中线定位,借助超声检测算法确定风送距离参数且建立冠层体积模型。试验发现,冠层密度对体积测量结果有显著影响,但总体测量准确度可达94.67%。该研究对其他农机装备的智能化管控研究有参考意义。     

PLC在节能型日光温室温度监控系统中的应用

利用收集验证完善得到的PPI协议实现了上位机对PLC的监控,将西门子S7—200PLC与各个控制节点相连,上位机通过控制PLC来实现自动和手动控制各个节点,以实现节能型日光温室温度监控系统的自动化。     

基于GPS/INS和线控转向的农业机械自动驾驶系统

研究旨在设计出一套农用车辆自动导航控制系统,让机器人代替农民进行田间作业,实现农用车辆自动驾驶,从而可以有效提高农业机械的作业精度、生产效率和使用安全性,并且为精细农业研究提供技术支持,改善农业生产的方法。该文通过GPS/INS(global positioning system/inertial navigation system)组合导航技术实时获得载体的导航信息(位置、速度、航向、姿态),根据导航信息与预设轨迹参数计算出载体的目标前轮转向角,并以该目标前轮转向角与当前前轮转角的差值作为控制输入,实现对转向执行电机的精确控制,从而实现载体的路径跟踪控制。同时对整个系统的软硬件进行设计,并对系统控制策略进行仿真和试验验证。最终结果表明,本文所设计的组合导航系统定位精度高,其定位精度可达到0.1~0.5 m;路径跟踪系统误差小,当车速分别为0.5 m/s和1 m/s时,路径跟踪的最大横向误差分别为0.16 m和0.27 m;整个系统响应速度快,可达到0.1s。通过将GPS/INS组合导航技术与线控转向技术相结合,能够实现农用车辆的自动驾驶。     

无线通信技术在温室测控系统中的应用研究

介绍了使用无线通信技术的温室群控制系统的结构特点与设计方法，该控制系统具有层次发散链式结构和主从工作模式，无线通信技术的使用省去了通信线路的铺设，使测控系统初期建设周期短，投资小，系统构建灵活，易升级；层次发散链式结构使得系统可大可小、改造方便。还分别介绍了在主从控制结构中以功能强大的新型单片机C8151F005为核心的温室测控仪表的组成和设计方法以及作为主机的工控机的接口电路和控制软件的设计方法，这些设计方法使得系统结构简单、性能可靠、操作方便。     

基于驻波率原理的农药雾滴沉积量检测系统设计与试验

为实现施药后雾滴地面沉积量的快速获取,该文提出一种基于驻波率原理的叉指型雾滴采集极板结构。为验证该极板结构的合理性,应用三维电磁仿真软件HFSS对此系统进行电磁仿真。HFSS模型求解的结果表明,叉指型极板内部出现了静电屏蔽,极板间通过雾滴能够实现电磁耦合,可用于雾滴沉积量检测,系统灵敏程度将随着极板间距的增大而减小。通过标定试验,建立了检测系统输出电压与试剂溶液沉积量关系的回归方程,测试后2种不同介电常数的胭脂红溶液和丙三醇溶液决定系数R2分别为0.982 1和0.997 6。通过对3W-ZW10型温室自走式喷雾机应用测试,结果表明:该系统在采样点上沉积量的模拟值最大相对误差率不超过7.95%,且模拟值与实测值均方根误差RMSE最大为0.076 7 mg/cm~2,雾滴沉积检测准确率高,方便实用,可用于田间雾滴沉积率的快速测量。     

基于GPRS和WEB的温室环境信息采集系统的实现

针对农业对象具有的多样性、多变性、以及偏僻分散等特点,提出了一种基于GPRS和WEB技术的远程数据采集和信息发布系统方案。首先,通过RS—485总线与数字传感器连接,并与PC监控计算机构成温室现场监控系统;其次,通过GPRS无线通讯技术建立现场监控系统与互联网的连接,将实时采集信息发送到WEB数据服务器。系统软件核心技术系MS VB.NET和ASP.NET 开发而成,构建了基于B/S(Browser/Server)的“瘦客户”模式,只要通过浏览器不仅可实时浏览监测数据,而且能进行历史数据的查询。该系统的实现为农业网络信息通讯中“最后一公里”瓶颈问题提供了一种便捷的解决方案。     

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。     

机电式流量阀的模糊控制实现与测试

为在线混药式变量喷雾农药流量检测设计一种机电式流量控制阀和流量控制系统。采用模糊控制算法,依托STC12C5410AD单片机实现对农药流量的模糊控制。对所设计的系统进行静态跟踪测试和动态响应测试,静态跟踪误差为±3.0%;初始流量为1.5 mL/s,目标流量为3.1 mL/s,阶跃响应曲线上升时间为0.35 s,绝对稳态误差为 ±0.1 mL/s,相对稳态误差在±3.2%以内。测试结果表明该流量阀采用模糊控制,其控制性能,超调量、响应时间和稳态误差能达到变量喷雾的要求。     

农田信息传输方式现状及研究进展

综述了国内外农田信息传输方式的现状和发展趋势.根据信号传输介质农田信息传输方式可分类为有线通信方式和无线通信方式.在有线通信方式之中,CAN总线通信方式和基于掌上电脑的通信方式是其主要形式,已被应用于农业机械多传感器集成和农田信息采集;无线通信方式可分类为长距离通信(GSM,GPRS等)和短距离通信(蓝牙、ZIGBEE、RFID等).GSM,GPRS借助于移动通讯网络,实现了农业信息远程采集与设备远程监控.蓝牙、ZIGBEE和RFID则在温室环境监控、农业物流识别以及农产品溯源等方面显示出巨大潜力.未来农田信息系统的发展趋势将是嵌入式系统管理与控制网络化.     

大型喷杆悬架系统测试平台设计与评价方法研究

目前喷杆悬架系统的性能田间测试受到测试地形、土壤属性、驾驶熟练度等随机因素的影响,需要有一种定量评估喷杆悬架性能的试验装置与方法。该文开发了一套喷杆悬架性能室内测试平台,包括一个多自由度底盘运动模拟平台、地形起伏模拟平台及基于NI PXI的同步触发测控系统。为准确模拟实际的工作环境,在喷雾机作业现场采集了底盘的运动姿态信号和喷杆两侧地形高程数据,并在室内进行精确复现。考虑测试时传感器安装位置和不同喷杆理想作业高度的差异,对传统的Hockley指数进行了修正,并使用标准差、变异系数、修正的Hockley指数等3种指标一起来描述喷杆悬架系统的性能,弥补了各自的局限性。通过喷杆悬架测试平台先后对28 m喷杆在无悬架、被动悬架、主动悬架等不同工况下进行了测试,多组重复测试结果的变异系数小于5.91%,无悬架时喷杆的Hockley指数为21.60,使用被动悬架时喷杆的Hockley指数为68.37,使用主动倾角控制系统时喷杆的Hockley指数为89.18,使用主动喷臂控制系统时的Hockley指数为92.83,表明测试平台与评价指标对不同悬架系统有较好的区分度和适用性。该文设计的测试平台可为喷杆悬架性能参数的限定和评价方法的完善提供参考。     

河蟹养殖自动作业船导航控制系统设计与测试

针对河蟹养殖过程中存在的水草清理难度大、喂料投饵不均匀、人力成本高等问题,该文设计了一种基于ARM(advanced RISC machine)和GPS/INS(global positioning system/inertial navigation system)组合导航的多功能全自动河蟹养殖作业船导航控制系统。该系统由明轮驱动船、ARM主控制器、GPS/INS组合导航装置等组成。为降低传统的基于有限目标点航道位置计算方法的复杂度并减小船体偏离航道的误差,该文提出了一种基于实时插点的航道位置计算方法,实时地解算出当前时刻的目标位置,并设计了相应的转弯及航道切换策略。针对明轮船具有非线性、大时滞、欠阻尼的运动特点,设计了基于模糊PID(proportion integration differentiation)的航向、航速双闭环运动控制算法;基于嵌入式Linux操作系统,设计了船载子系统软件,并编写了上位机监控程序对船载子系统的运行状态进行实时监控。利用河蟹养殖作业船试验平台进行了航速及自动导航试验,并对有限目标点和实时插点的航道位置计算方法的控制效果进行了对比。试验结果表明:船体速度响应较快,超调量不超过5%,稳态误差可控制在3%以内;采用有限点的航道位置计算方法时,船体在转弯与直行时偏离航道的最大误差分别为2.12和1.52m;采用实时插点的航道位置计算方法时,船体在转弯与直行时偏离航道的最大误差分别为0.36和0.09m,分别下降了83.02%和94.08%,船体的控制精度得到了全面的改善。该文可以为多功能河蟹养殖作业船的研究提供重要参考。