考虑射流破碎和液滴形状的喷灌水运动轨迹改进模型构建及验证

喷洒液滴分布特征是模拟喷头水量和能量分布的基础。为解决现有弹道轨迹模型过度简化运动液滴的破碎过程及形状变化导致模型精度不足的问题,该研究改进了弹道轨迹模型的液滴破碎过程、运动液滴形状参数和运动液滴阻力系数,提出了基于能量加权的等效液滴指标,建立了考虑射流破碎和液滴形状的喷洒水运动轨迹改进模型;采用HY50型蜗轮蜗杆式喷枪验证了模型精度,对比了不同模型的差异。结果表明：喷嘴直径20mm和工作压力0.35MPa时,改进模型的平均绝对误差MAE分别比Fukui模型和Li模型的降低了43.3%和75.1%（落地速度）、51.8%和27.1%（落地位置）和61.4%和76.1%（落地角度）;以4个验证工况中落地速度为例,改进模型、Fukui模型和Li模型的均方根误差RMSE平均值分别为0.53、0.93和2.21 m/s;归一化均方根误差NRMSE平均值分别为0.10、0.17和0.40。研究可为应用弹道轨迹模拟喷洒液滴分布特征提供新思路。     

农药雾滴沉积特性研究进展与展望

农药雾滴在喷施过程中因无法有效润湿靶标而出现反弹、飞溅、聚并滚落等现象,致使周边环境受侵害,严重威胁生态稳定及安全。由于雾滴沉积过程较为复杂,且相关机理尚不成熟,因此雾滴沉积特性研究是实现药液有效沉积,推动病虫害防治技术快速发展的关键。该文从单液滴微观动力学和雾滴群沉积飘移特性两个方面对目前研究进行总结,主要阐述了单液滴撞壁行为研究方法、影响单液滴界面行为的主要因素及单液滴撞壁理论建模研究;雾滴群分布特性研究方法、沉积量收集及检测方法以及雾滴群建模研究;并探讨了以上两种主流研究思路对最终沉积量评估的贡献及目前存在的瓶颈问题,且基于此提出了未来发展建议,以期为农药沉积特性研究及病虫害防治技术提供参考。     

三臂多功能棚室农业机器人的运动学分析及试验

果蔬培育过程涉及采摘、喷雾、剪枝等多种作业内容,为此该文提出了一种三臂多功能农业智能机器人,各机械手臂具有不同的作业功能,同时每2条手臂之间又可实施协同作业;建立该机器人的运动学模型是实现该系统多功能作业的前提,为此该文采用D-H方法建立了机器人连杆坐标系,分别推导了视觉系统、剪切执行器、采摘执行器、喷洒执行器的运动学方程,实现了运动学正解;采用代数方法得到了封闭形式的运动学方程逆解,求解了在采摘和喷洒模式下的各末端执行器包络空间,选取包络空间中的若干特征点作为试验样本,并为该机器人系统搭建了用以检验其执行精度的三维坐标系。试验结果表明,该机器人系统的运动模型能够指导各末端执行器完成指定动作且最大误差仅为8 mm,误差远远小于末端执行器的开度,能够满足要求。     

基于农田环境的农业机器人群协同作业策略

为合理分配农业机器人群协同作业中各机器人的工作量与工作区域,提高机器人群协同作业的整体效能与工作效率,该研究提出一种复杂环境下异质农业机器人群的任务分配及全区域覆盖策略。在考虑农业机器人异质性的基础上,以机器人团队整体效能最优为目标进行任务分配并确定各机器人的工作量。根据农场实际工作环境建立一级分区的概念,在栅格化环境建模与障碍物膨胀处理的基础上,在一级分区内部建立二级分区的栅格分区和分区合并规则,简化农田中的复杂工作环境;将遗传算法与混合粒子群算法相结合改进遗传算法交叉操作,建立遗传算法染色体种群多样性的概念,并综合考虑遗传算法染色体适应度值的差异以及种群多样性阶段设置自适应交叉变异概率,继而利用改进的遗传算法解决深度优先搜索算法在一级分区与二级分区间的遍历顺序问题;设置深度优先搜索算法在二级分区内的路径搜索规则,并在栅格图内遍历的同时根据各机器人的工作量分配其工作区域,设置机器人在其工作区域中的遍历规则,实现机器人群对农田的全区域覆盖。仿真试验结果表明,改进的遗传算法所得到的遍历各分区的路径长度与收敛迭代次数较传统遗传算法分别减少了2.8%与69.5%,较模拟退火算法分别减少了9.3%与19.0%;包含3、5、7、9和11个障碍物的5幅环境地图中,机器人群遍历工作区域的总面积重复率分别为6.3%、8.9%、16.7%、21.7%和23.4%。在4种面积相等的异形农田中设置相同数量的障碍物进行验证试验,结果表明,机器人群总遍历面积重复率分别为16.7%、13.1%、11.9%和6.7%。机器人群协同作业场地试验结果表明,4个试验机器人均可在规定的时间要求(25 min)内完成各自工作量,遍历面积重复率分别为5.77%、4.14%、6.75%和4.85%。研究结果可为复杂环境下农业机器人群协同作业策略提供理论支撑。     

含关节间隙的Delta机器人弹性动力学与振动特性分析

针对经济实用型并联机器人关节间隙对动平台位置精度与系统振动特性影响的问题,以Delta机器人为研究对象,利用数理统计原理对含关节间隙的Delta机器人支链进行了运动学分析,结合Lankarani-Nikravesh碰撞接触力模型与具有动态修正系数的Coulomb摩擦模型对关节间隙广义碰撞力进行了研究。利用空间有限元理论与拉格朗日方程,充分考虑主、从动臂的空间动力特性与运动协调关系,建立了Delta机器人弹性动力学模型,在定义杆件虚长度的基础上,将关节间隙产生的广义碰撞力结合到弹性动力学模型中,建立了含关节间隙的Delta机器人弹性动力学模型。借助FARO激光跟踪仪对间隙弹性动力学模型进行了验证分析,利用脉冲锤击法与Workbench软件仿真对Delta机器人的振动特性进行了研究分析。试验结果表明,考虑关节间隙时动平台中心点的运动轨迹较不考虑关节间隙时更靠近试验运行结果,验证了间隙弹性动力学模型的合理性与正确性,并且,系统前两阶非零固有频率的理论值与试验值的相对误差分别为3.544%和12.026%,两者相当接近。另外,由仿真结果可以发现3组从动臂是Delta机器人整机系统中最薄弱的环节。该研究可为经济实用型并联机器人的位置误差补偿与系统减振优化提供参考。     

立体苗盘管理机器人的机械臂参数优化与试验

为使立体苗盘管理机器人的机械臂能够在植物工厂狭窄的作业环境下,灵活、高效地完成目标工作空间的所有搬运和喷洒动作任务需求,同时尽量减小机械臂的操纵空间和结构尺寸,采用理论与试验相结合的方法对机械臂参数进行了优化设计。首先采用D-H法建立了机器人的运动学模型,然后通过工作空间分析确定出优化参数的工作空间约束条件。在此基础上,以"距离最短"和"结构紧凑"为性能指标建立目标优化函数,并利用遗传算法求解出最优的大臂杆长648 mm、中臂杆长472 mm和小臂杆长396 mm,最优机械臂关节转角极限值为96°、68°和126°。最后进行机器人样机的搬运和喷洒运动规划试验,并借助高速摄像系统标记机械臂末端运动轨迹坐标。试验结果表明:优化后的机械臂能够到达目标工作空间的所有极限位置及其他特征位置点,最大绝对定位误差为9.8 mm,最大相对定位误差为0.98%,在允许的误差范围内,能够满足机械臂工作空间对目标工作空间的有效包容。     

在线重力补偿下工程机器人自主作业轨迹跟踪性能分析

工程机器人自主作业时,工程机器人动臂举升、前臂摆动重心上升过程中需要克服自身重力做功,而在工程机器人动臂下降、前臂摆动重心下降过程中,自身重力要参与做功,影响工程机器人的运动速度,进而影响工程机器人自主作业的轨迹跟踪效果。针对这一问题,建立了工程机器人动臂、前臂的动力学模型,探讨采用最小二乘拟合法辨识动力学参数,进行工程机器人动臂、前臂的在线重力补偿,以消除在自主作业过程中重力做功对轨迹跟踪的影响。最后,在工程机器人试验台上进行了试验。试验结果表明,在线重力补偿可有效地补偿工程机器人自主作业过程自身重力,消除工程机器人动臂和前臂在运动过程中重力做功对自主作业轨迹跟踪过程的影响,有利于减小轨迹跟踪误差,提高工程机器人自主作业轨迹跟踪的性能。     

Analysis on autonomous task trajectory tracking performance of construction robot with online gravity compensation

工程机器人自主作业时,工程机器人动臂举升、前臂摆动重心上升过程中需要克服自身重力做功,而在工程机器人动臂下降、前臂摆动重心下降过程中,自身重力要参与做功,影响工程机器人的运动速度,进而影响工程机器人自主作业的轨迹跟踪效果。针对这一问题,建立了工程机器人动臂、前臂的动力学模型,探讨采用最小二乘拟合法辨识动力学参数,进行工程机器人动臂、前臂的在线重力补偿,以消除在自主作业过程中重力做功对轨迹跟踪的影响。最后,在工程机器人试验台上进行了试验。试验结果表明,在线重力补偿可有效地补偿工程机器人自主作业过程自身重力,消除工程机器人动臂和前臂在运动过程中重力做功对自主作业轨迹跟踪过程的影响,有利于减小轨迹跟踪误差,提高工程机器人自主作业轨迹跟踪的性能。     

温室多层覆盖传热的数值模拟与验证

为准确地掌握温室中不同材料和不同使用条件下多层覆盖的传热和保温特性,该文在前人研究的基础上建立了温室多层覆盖传热的理论模型,并开发了模拟其传热过程与计算传热量和传热系数的计算机程序,可根据覆盖材料的红外辐射特性、覆盖层构造参数以及工作环境等条件,定量分析覆盖层的传热情况,得出传热量以及传热系数的理论计算值。实测结果表明,传热量以及传热系数的理论计算值与试验测定值较为一致,表明该多层覆盖传热的理论模型具有较高的准确性。     

微喷带喷孔水量分布模型构建

喷孔水量分布是影响微喷带喷洒均匀性的重要的喷洒特性。该研究旨在考虑水分分布构建一种有效的水量分布模型。研究选取一种常用微喷带,开展喷孔水量分布试验,考虑其单峰和双峰分布特征,建立了二维正态分布模型,明确了模型参数的物理意义,分析了压力、喷射角度、喷孔面积对模型参数的影响。结果表明,该模型能较好地拟合试验中微喷带喷孔的单峰和双峰水量分布,拟合峰值与试验峰值相对误差小于15%,决定系数高于0.80。研究还发现,压力对单峰峰值的影响较小,主要改变了双峰分布中垂直微喷带方向的峰值位置和喷洒水量分布范围。随着喷射角度增大,喷孔的喷洒区域向喷孔方向靠近,在压力为69.0 kPa时,单峰峰值在喷射角度约57.5°时开始递增,垂直微喷带方向的喷洒水量分布范围越来越集中。喷孔的喷洒区域和喷洒水量分布范围随着喷孔面积的增大逐渐增大,较小的喷射角度和较大的喷孔面积使喷孔的水量分布更复杂。研究提出的喷孔水量分布的单双峰二维分布模型,可为微喷带的研制和喷孔的优化加工提供理论参考。     

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。     

喷雾助剂类型及浓度对喷头雾化效果影响

为达到农药减施增效的目的,助剂逐渐成为农药喷洒过程中必不可少的部分,其效果及浓度直接影响着施药过程中农药利用率。为探索不同助剂及浓度对喷头雾化效果的影响,该文利用激光粒度仪比较分析了IDK120-025型和LU120-015型喷头喷施不同浓度典型增效剂意欧、减量增产助剂激健、尿素时,其雾滴体积中径及雾滴分布相对跨度差异。两款喷头应用广泛,喷雾角度相同、喷腔雾化结构相异。结果表明：3种助剂溶液对IDK120-025型喷头的影响效果相比于LU120-015型喷头更为显著,但是LU120-015喷头喷雾雾滴均匀性较优于IDK120-025。激健溶液配比为1:3 000时,在0.4 MPa喷雾压力条件下,与水相比可将IDK喷头雾滴体积中径增加20.43%,粒径分布相对跨度减小1.74%;意欧溶液配比为1:2 000时,在0.4 MPa喷雾压力条件下,与水相比可将IDK喷头雾滴体积中径增加11.10%,粒径分布相对跨度减小8.86%;意欧溶液配比1:3 000时,在0.2 MPa喷雾压力条件下,与水相比可将LU喷头雾滴体积中径减小5.99%,粒径分布相对跨度增大1.56%;尿素溶液在配比1:2 000时,在0.4 MPa喷雾压力条件下,与水相比可将IDK喷头雾滴体积中径增加16.92%,粒径分布相对跨度减小6.92%。该试验可为田间农药施用中助剂及喷头的选择提供依据,为进一步研究喷头及助剂提供数据基础。     

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。     

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。     

基于多喷头组合的变量喷药系统的设计与试验

为了克服传统压力式和脉宽调制（pulse width modulation）调节控制方式的缺点,以及目前变量喷药系统的“较复杂,实现成本较高”的不足,该文设计了基于多喷头组合的变量喷药系统,建立了变量喷药影响因素模型,设计了变量喷药系统的管路、上位机处理系统及变量喷药控制器,运用流体网络理论建立喷药网络的数学模型,分析了系统的流阻。在喷雾试验台上搭建了变量喷药系统,试验数据分析表明多喷头组合的变量喷药系统是可行的,每种方式下喷药量与理论值误差均小于10%,可调节喷药量范围宽,农药的施用量大幅度减少。     

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。     

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。     

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。     

葡萄树干局部环形对靶装置的设计与试验

为了对葡萄树干进行逐株精准施药,形成"障碍药带",防治葡萄切根虫,该文提出了防治葡萄园切根虫的环形对靶施药方法。利用激光和视觉信息融合定位葡萄树干,设计了环形自适应施药机构,只需驾驶员在葡萄树前暂停,该装置自主测量与葡萄树干的相对位置,根据测量值沿互相垂直的X、Y轴2个方向微调定位,然后环形滑轨旋转环绕树干,进行精准环形喷药形成均匀的"障碍药带"。在此基础上实施了与"障碍带"传统车载带状施药方式对比试验,结果表明,无风情形下,环形对靶施药方式的平均覆盖率为96.87%,平均着药率75.61%;有风情形的平均覆盖率为89.71%,平均着药率67.61%。该装置的着药率不仅远高于传统车载带状施药方法,也高于美国华盛顿州立大学提出的多喷头对靶施药方法。该研究可为果树树干局部精准施药装置研究提供参考。     

扇形喷头结构和压力对微生物农药雾滴分布及活性的影响

扇形喷头是各种喷杆式喷雾机最常用的喷头类型。从减少微生物机体损伤、提高活性的角度,为筛选出扇形喷头中适合喷施微生物农药的喷头型号、喷施压力,该文以常用的延长范围扇形喷头XR11002、广角扇形喷头TT11002、气吸扇形喷头AI11003开展了生物农药活性损伤对比试验。利用喷头雾化测试系统测试不同喷雾样本的雾滴分布,以细菌芽孢萌发率及小菜蛾死亡率量化分析喷头结构、压力对细菌、病毒类生物农药活性损伤影响。研究结果表明：喷头型号、压力及喷雾介质对生物农药雾滴粒径分布的影响程度为喷头型号>压力>介质,其中介质对雾滴粒径分布无显著性影响;压力对细菌与病毒类生物农药活性损伤的影响区别明显,压力对细菌类活性损伤的影响呈显著负相关,对病毒类活性损伤无显著影响,主要跟细菌、病毒不同机体结构相关;喷头型号对细菌与病毒类生物农药活性损伤无显著影响,其中流向单一的XR系列扇形喷头对生物活性损伤影响要小于流向多重突变的TT系列和同时受外界气流混入干扰的AI系列扇形喷头。综合各因素,在利用扇形喷头喷施微生物农药时,从雾滴分布及活性角度,优先选用XR系列扇形喷头中的XR11001,喷施压力为0.15 MPa。在喷施病毒类农药时,可忽略喷头型号、压力对病毒活性损伤的影响。