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。     

基于超声波传感器和DGPS的果树冠径检测

为实现果园果树的仿形精确喷雾，适时获取果树冠径信息，采用超声波传感器，GPS接受机和电子罗盘等在拖拉机上建立了一套果树冠径检测试验系统。并在室外对5个圆柱规则外形树冠进行了检测试验。试验分别采用4种树冠直径检测计算方法，并选择0.31 m/s和0.65 m/s两种不同拖拉机行驶速度进行检测。采用误差分析的方法检验果树冠径检测系统的实际检测效果。误差分析表明拖拉机分别以0.31 m/s和0.65 m/s速度行驶时，应用超声波探测果树树冠两个轮廓边缘计算5个树冠直径的平均相对误差分别为5.54%和5.80%。用电子罗盘和DGPS数据进行加权平均融合修正拖拉机行驶轨迹，由超声波检测到的果树两个轮廓边缘的位置信息计算果树直径，在两种检测速度下的平均相对误差为14.38%。研究结果为果树仿行喷雾控制和果园果树生长信息采集提供了技术方法。     

LabVIEW软件平台在果园生态环境远程监测系统中的应用

在果园的生产管理中，环境对果树的生长发育、栽培技术的实施、病虫害的预防等产生极其重要的影响。应用LabVIEW虚拟仪器开发平台，结合数据采集模块和各种传感器，实现了果园生态环境数据的实时采集，并利用LabVIEW自带的远程面板技术让客户远程监控服务器端。试验结果表明：系统能较好地实现果园生态环境远程实时监测，为果树生产管理提供决策依据。     

中国果园植保机械化技术与装备研究进展

果园植保是果园管理关键环节，其机械化发展水平直接影响水果种植的经济效益。为明确中国果园植保机械化技术与装备未来发展方向，该研究首先介绍了中国果园的主要种植方式、植保机械化发展水平及发展制约的因素，然后重点阐述了管道喷雾、风力辅助喷雾、静电喷雾、循环喷雾、变量喷雾和航空施药等植保机械化关键技术与装备的研究进展，概括分析了上述植保装备的农药利用率情况，最后结合中国果园种植特点提出了推广标准化果园种植方式、发展立体植保施药技术、推广专业化机械植保服务模式和研发智能植保机器人4个方面的建议，以期为中国果园植保机械化发展提供参考。     

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。     

果园仿形变量喷雾与常规风送喷雾性能对比试验

为深入研究不同果园喷雾机的喷雾性能及影响规律,探究仿形变量喷雾技术在果园植保作业中的适应性,该文采用一种基于(LiDAR)扫描探测技术的果园自动仿形变量喷雾机,与常用的传统风送果园喷雾机、定向风送喷雾机进行对比,分析了3种机具的主要喷雾指标:药液消耗、冠层内部沉积、仿形喷雾效果、地面流失及空中飘移.试验结果表明:与常规喷雾方式相比,仿形变量喷雾有效地提高了农药利用率和作业效率,最多可节省药液45.7％;传统和定向风送喷雾机纵向沉积呈现从上部到下部逐渐增加的趋势,仿形变量喷雾机能够根据树冠特征实时调节喷雾参数,纵向沉积呈仿形分布;与传统风送喷雾机和定向风送喷雾机相比,仿形变量喷雾机的雾滴飘移分别减少23.2％和42.7％,地面流失分别减少67.4％和58.8％.该研究为果树病虫害防治减量施药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参考.     

精确施药可变量喷雾控制系统的研究

开发了基于机器视觉和模糊控制原理的精确农药可变量喷雾控制系统，并在实验室进行了试验研究。研究表明，系统能融合树冠面积信息和距离信息，通过模糊决策来判断树木大小和距离，进而选择不同的喷头组合，并控制喷雾系统的流量和喷头射程，实现对树木目标的智能喷雾，从而大幅减少农药用量。     

果园喷雾机器人靶标探测与追踪系统

针对风送喷雾装备不间断无差别喷施造成的过量用药和雾滴脱靶严重的问题,该研究设计一种果园喷雾机器人靶标探测与追踪系统,随果树对象位置变化实时调整喷雾角度实现精准对靶。该系统采用激光雷达扫描获取作业范围内果树的点云数据,确定靶标区域,然后通过点云分割、滤波等处理获得目标靶点,并根据目标靶点位置确定对应喷雾仰角;构建喷雾机构目标仰角与编码器脉冲数的数学模型,以及目标仰角与电动推杆行程的数学模型,设计喷雾机构仰角的测控方法。实际果树冠层靶点探测试验表明,随机选取的3棵果树目标靶点主要集中在距地2.0～3.5m范围内,系统可以依据冠层形状计算靶点并调节喷雾仰角,最小喷雾仰角为47.8°,最大喷雾仰角为51.4°,连续目标靶点之间喷雾仰角最大调节时间为0.06 s,可满足对靶的时效需求。该系统能够适应不同形态果树中下部对靶施药需求,为后续开展果园精准植保研究提供理论基础与技术参考。     

农药精确对靶施用及其系统设计

提出了减小农药环境污染、增强生态系统可持续性和保护操作者身心健康的精确农药施用系统。系统包括目标树木图像采集处理系统和喷雾控制系统等。树木图像采集处理系统包括CCD摄像头、图像采集卡、计算机软件和试验装置。设计的软件包括采集、提取和处理树木视频图像的关键帧，设计了相对色彩因子从背景中分割出绿色目标，通过分割图像测量获取目标的形态和位置特征。喷雾控制系统包括喷雾台架、喷头、电磁阀和继电器等，以实现数据通讯和将喷雾决策结果转换为指令来控制喷雾执行系统。试验结果表明开发的系统能识别树木图像和树冠类型，并能实现精确对靶喷雾至预定树木目标，从而减小非目标农药污染。     

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。     

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。     

基于LiDAR的果园对靶变量喷药控制系统设计与试验

传统果园喷药方式带来的非靶标区域农药沉积和飘移造成了环境污染,同时农药过量喷施导致农药残留.该研究基于前期获得的果树冠层网格化体积计算方法建立单喷头流量脉宽调制(Pulse Width Modulation,PWM)控制模型,根据果园喷药作业需求建立控制器局域网络(Controller Area Network,CAN...     

基于双目视觉的葡萄园变量喷雾控制系统设计与试验

为提高果园喷雾装备的精准化并提高农药利用率,该研究基于3WF-400Z型风送式果园喷雾机,设计了一套葡萄园自动变量喷雾控制系统。系统选用双目相机实时探测葡萄叶幕深度并结合喷雾机前进速度计算冠层体积,通过脉宽调制(Pulse Width Modulation,PWM)控制各电磁阀占空比实现药液的变量喷洒。提出冠层体积计算方法并在葡萄园中进行体积探测精度试验,相机探测结果与手动测量结果的线性拟合决定系数为0.933。通过试验标定确定流量调控模型,在静态条件下对控制系统的变量喷雾一致性进行测试,试验结果表明,冠层体积大于0.036m3时单喷头实际流量与理论流量的线性拟合决定系数为0.990。田间变量喷雾试验结果表明,与常量喷雾相比,所设计的变量喷雾系统在保证药液覆盖率和沉积量基本不变的情况下,可以在一定程度上细化雾滴直径并增加雾滴密度,其中雾滴的数量中值直径(Number Median Diameter,NMD)和体积中值直径(Volume Median Diameter,VMD)分别减小了87.71和182.79μm,雾滴密度增加了79.31个/cm2,左、右两侧喷头的实际喷雾流量与理论预测流量的线性拟合决定系数分别为0.897和0.877,表明实际喷雾流量与理论预测流量具有较强的相关性。实际喷雾流量与冠层体积的总体变化趋势基本一致,变量喷雾模式下的用药量节省了约55.27%,表明所设计的变量喷雾控制系统可以根据冠层体积实现变量喷药。该研究可为果园病虫害防治提供新方法与新装备,为实现果园精准变量喷雾提供理论与方法参考。     

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%。     

基于作物病害胁迫声发射的精准施药

作物病害胁迫声发射技术是当前植保信息化研究的重要内容。该文在分析作物病害胁迫的程度与声发射、环境因子之间的关系的基础上,设计了基于作物病害胁迫声发射机理的精准施药模糊控制模型,提出了适用于现场环境的精准施药自学习模糊算法。并利用MATLAB 对系统模型进行了仿真。结果表明,该模型可方便地控制系统的施药量变化,并能达到较满意的控制效果。该研究为作物精准施药的智能控制提供了一种新的控制思路及方法。     

小型无线遥控和实时配药喷施机的研制

为解决某些需要小型质保机械作业,而人工喷施农药工效较低且喷施过程中农药对操作人员身体的危害等问题,该文设计了以单片机为处理核心的无线遥控农药喷施机,并采取边喷施边配制的工作方式。该喷施机由蓄水箱、喷施系统、喷杆调节系统、行进系统、供电系统、无线遥控系统等组成,样机机身质量约为41.5kg,并对样机进行测试。测试结果表明,该农药喷施机行进速度最快可达1500m/h,性能平稳且可靠,最大可喷施面积为8000m2/h(而传统的手工喷施面积为1000～3000m2/h),喷施工效约是人工喷施的2～3倍,且通过远距离遥控完成喷施过程,保证了操作人员的安全,又因边施边配可避免喷施药液配制过多而造成农药的浪费及对环境的污染。     

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。     

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。