基于神经网络PID的无人机自适应变量喷雾系统的设计与试验

【目的】针对传统植保无人机在定量喷施作业时由于飞行速度的变化造成施药不均匀以及传统控制算法无法满足无人机变量喷雾系统所需的实时性和稳定性等问题,设计一种基于神经网络PID的自适应无人机变量喷雾系统。【方法】采用风压变送器测出无人机的飞行速度,根据速度采用脉宽调制(PWM)方法进行自适应变量喷雾,同步用流量传感器测出实际喷雾流量,融合BP神经网络PID控制算法调节喷雾流量。由MATLAB构建BP神经网络PID控制算法,并与PID、模糊PID和神经元PID对比及分析;田间试验过程中,对比分析无人机定量喷雾与随飞行速度改变的变量喷雾效果,采用水敏纸获取雾滴沉积量分布,分别从整体区域、飞行方向和喷杆方向评价沉积量分布的均匀性。【结果】算法仿真对比试验结果表明,与PID、模糊PID和神经元PID相比,BP神经网络PID阶跃响应上升时间分别少28.57%、84.73%和31.03%,正弦跟踪平均误差分别小63.01%、87.03%和0.58%,方波跟踪平均误差分别小74.00%、79.53%和6.80%,鲁棒性强,无静差,超调量为1.20%;喷雾对比试验结果表明,本系统能够根据飞行速度自适应调节喷雾流量,实际流量与目标流量的平均偏差为8.43%,水敏纸扫描结果表明总体区域雾滴沉积量的变异系数对比定量喷雾平均降低26.25%,喷杆方向平均降低18.79%。【结论】该研究结果可为农业航空变量喷雾技术的应用提供理论基础。     

无人机飞行参数对水稻分蘖期植保作业雾滴沉积的影响

本研究选取无人机的主要飞行参数为飞行高度、飞行速度及喷洒用量为变量,利用3WDM4-10型植保无人机开展飞行作业,利用水敏纸测定作业过程中的雾滴量,并借助雾滴分析仪和理论模型对数据进行分析,研究飞行高度、飞行速度和喷洒用量对飞行作业重量的影响。结果表明,飞行高度、飞行速度、喷液流量对雾滴沉积均有影响。其中,飞行高度在一定范围内对雾滴沉积效果影响显著,飞行速度及喷雾流量在一定范围内对雾滴沉积效果影响不显著;在飞行高度2.0 m、飞行速度5.0 m/s、喷洒用量15.0 L的飞行参数下,雾滴密度为42.62个/cm2,此效果更加适合实际的作业要求。该研究可为以后的生产实践提供参考。     

多旋翼植保无人机喷雾均匀性试验

为精确测试多旋翼植保无人机在不同高度、相对作业速度下的喷雾作业均匀性参数,针对河南农业大学研制的3W16-10型8轴16旋翼植保无人机,采用相对运动的方法模拟其田间作业场景,为了探究该多旋翼植保无人机喷雾作业效果,制订相应的试验方案并采用多次试验取平均值的方法安排试验,计算出在不同作业高度、相对飞行速度、喷雾压力条件下植保无人机在喷雾作业过程中线性方向各点的沉积量、均匀性,并绘制拟合曲线,建立了飞行速度、飞行高度、喷雾压力的喷雾均匀性关系模型。通过单因素试验和响应曲面法优化3W16-10型多旋翼植保无人机喷雾均匀性试验得到的最佳作业参数为:飞行高度1. 39 m,飞行速度2. 38 m/s,喷雾压力0. 5 MPa,此时沉积均匀性变异系数为0. 172,相对误差为8%。     

变量喷洒地面监控系统设计

采用Lab VIEW实现植保无人机变量喷洒过程的地面PC监控系统,并通过蓝牙实现基于Android平台的手机监控系统.经调试,该系统在PC机和手机中实现了喷洒流量的在线调节以及实际流量、飞行参数和地面监测点风场数据等信息的实时检测.该系统性能良好,功能实用,能满足变量喷洒地面监控系统的基本需求.     

小型无人机机载农药变量喷洒系统设计

基于脉宽调制（Pulse Width Modulation,PWM）技术设计小型无人机机载农药变量喷洒系统,主要由药 箱、喷头、液泵及喷洒控制器组成,通过调整PWM 喷洒控制信号的占空比,改变液泵的工作时长,从而实现变量喷 洒。基于常量喷洒流量指标和机载喷洒系统的覆盖范围,确定PWM 频率为1 Hz,并建立了该频率下占空比与喷洒流 量之间的3 次多项式关系模型,模型决定系数达到0.9944。以关系模型为指导,分别测试了0.3、0.4、0.5 L/min 流量控 制指标下的变量喷洒试验效果,喷洒值和目标值之间误差分别为8.66%、4.50%和1.60%,达到变量喷洒控制的目的。     

无人机喷雾参数对雾滴在香梨花期冠层沉积分布的影响

为探索无人机喷雾参数对雾滴在香梨花期冠层沉积分布的影响,以密植库尔勒香梨为试材,选用四旋翼电动植保无人机为喷施器械,采用三因素（飞行高度、亩喷液量、飞行速度）三水平正交试验方法,以授粉液雾滴沉积密度、均匀性及雾滴覆盖率为评价指标,进行了无人机喷雾参数对雾滴在香梨花期冠层沉积分布的影响试验。结果表明,雾滴沉积密度和均匀性以处理6的飞行参数较优（飞行高度1.5 m、亩喷液量4.0 L/亩、飞行速度3.0 m/s）,从雾滴沉积密度极差分析结果可以看出,影响雾滴沉积密度的主要因素依次是亩喷液量、飞行高度、飞行速度。     

无人机喷雾雾滴分布研究

利用植保无人机系统研究雾滴沉积分布情况及田间药效。雾滴分布试验以水敏试纸为靶标,探究不同作业状态及环境下雾滴沉积分布情况。利用植保无人机开展田间飞防试验,对比田间杂草防效,分析植保无人机最佳作业状态。结果表明,飞行高度、飞行速度、喷液流量、空气湿度、温度、风速与农药雾滴沉积分布及农药药效呈正相关,其中,飞行速度、喷雾流量、温度在一定范围内对农药雾滴沉积分布及农药药效影响不显著。植保无人机田间飞防作业时,应避免高温干旱、风速较高天气,建议无人机作业状态为:飞行高度1 m,飞行速度5 m·s-1,喷液流量1 800 m L·min-1。     

小型植保无人机喷雾参数对橘树冠层雾滴沉积分布的影响

【目的】探索小型植保无人机对果树喷施作业的雾滴沉积分布效果及应用前景,研究小型植保无人机喷雾参数对橘树冠层雾滴沉积分布的影响。【方法】采用三因素(飞行高度、飞行速度、喷施流量)的正交试验,应用小型六旋翼植保无人机进行喷雾试验。【结果】根据雾滴沉积密度和雾滴沉积均匀性结果,较佳的作业参数是喷头流量1.0 L·min~(-1)、作业高度2.5 m、作业速度4 m·s~(-1),影响雾滴沉积密度的主次顺序依次为作业速度、作业高度、喷头流量;根据雾滴沉积穿透性结果,作业高度均为2.0 m的试验号2(作业速度4 m·s~(-1),喷头流量0.6 L·min~(-1))和试验号8(作业速度1 m·s~(-1),喷头流量1.0 L·min~(-1))中雾滴沉积穿透性分别为22.21%和22.41%,其雾滴覆盖密度大且穿透性较好;影响雾滴沉积穿透性的因素主次顺序为作业高度、作业速度、喷头流量。【结论】针对植保无人机旋翼风场的影响和橘树独特的树形结构,对植保无人机的作业参数进行了优选,以保证航空喷施作业雾滴在橘树冠层的有效沉积分布。本试验研究可为小型无人机对果树的合理喷施、提高喷施效率提供参考和指导。     

植保无人机航空喷施飞行质量的试验与评价

【目的】植保无人机的飞行质量是航空喷施作业效果的重要影响因素。探讨不同类型和不同控制方式的植保无人机航空喷施作业的飞行质量和作业效果,为航空喷施作业机型的选择和植保无人机技术的改进提供数据支持和指导。【方法】采用微轻型机载北斗导航定位系统,获取半自主飞行控制模式下单旋翼油动植保无人机(SoUAV)、单旋翼电动植保无人机(Se-UAV)和半自动四旋翼电动植保无人机(Saqe-UAV)以及全自主控制模式下四旋翼电动植保无人机(Faqe-UAV)的飞行轨迹和飞行参数,并对飞行质量(包括飞行参数均匀性、航线精度和航线长度均匀性)进行了分析和评价。【结果】四旋翼植保无人机飞行质量优于单旋翼植保无人机,且Faqe-UAV飞行质量优于Saqe-UAV;Faqe-UAV在整个作业区域内的飞行参数变化的均匀性最佳,飞行速度和飞行高度参数变化的均匀性分别为3.66%和4.67%;Faqe-UAV的平均飞行航线偏差最小,为0.172 m。飞行方向对Saqe-UAV飞行参数的影响显著,但对Faqe-UAV飞行参数的影响不显著;航线长度对Faqe-UAV飞行参数的影响显著,但对SaqeUAV飞行速度的影响不显著。【结论】在航空喷施作业过程中,全自主控制方式下四旋翼电动植保无人机飞行质量最佳,对药液喷施质量更有保障。     

智能植保无人机防治烟蚜试验分析

该文通过大田试验研究了植保无人机防治烟蚜的防治效果。结果表明,无人机农药喷洒效率率是人工的31倍,相对于电动喷雾器作业防效提高7.03个百分点。无人机喷洒均匀,药液覆盖度趋势为顶叶上二棚叶腰叶下二棚叶。从药液分布情况来看,无人机可满足植保作业的喷洒质量,作业均匀性、穿透性优于人工作业。     

植保无人机作业参数对雾滴在火龙果树冠层沉积分布的影响

为探究多旋翼植保无人机作业参数对火龙果树冠层雾滴沉积分布的影响,应用极飞P20多旋翼植保无人机对火龙果树进行喷雾作业,采用正交试验对主要作业参数（航线方向、作业高度与作业速度）进行优选。结果表明,植保无人机对火龙果树施药在航线平行于种植行、作业高度为1.5 m (距离冠层顶部高度)、作业速度为1.5 m·s-1条件下,雾滴在火龙果树各个冠层的雾滴沉积密度,覆盖率最大。极差分析结果显示,作业速度是雾滴沉积密度和火龙果树上层雾滴覆盖率的最主要影响因素;而作业高度是火龙果树中层、下层雾滴覆盖率和雾滴分布均匀性的最主要影响因素,当作业高度为1.5 m 时雾滴分布均匀性最好。根据P20多旋翼植保无人机喷雾在火龙果树冠层的雾滴沉积分布情况,对植保无人机的作业参数进行了优选,为提高植保无人机施药雾滴在火龙果树冠层的有效沉积分布,实现所选机型在火龙果树病虫害防控中的高效应用奠定了基础。     

植保无人机作业参数对雾滴在火龙果树冠层沉积分布的影响

为探究多旋翼植保无人机作业参数对火龙果树冠层雾滴沉积分布的影响，应用极飞P20多旋翼植保无人机对火龙果树进行喷雾作业，采用正交试验对主要作业参数（航线方向、作业高度与作业速度）进行优选。结果表明，植保无人机对火龙果树施药在航线平行于种植行、作业高度为1.5 m (距离冠层顶部高度)、作业速度为1.5 m·s-1条件下，雾滴在火龙果树各个冠层的雾滴沉积密度，覆盖率最大。极差分析结果显示，作业速度是雾滴沉积密度和火龙果树上层雾滴覆盖率的最主要影响因素；而作业高度是火龙果树中层、下层雾滴覆盖率和雾滴分布均匀性的最主要影响因素，当作业高度为1.5 m 时雾滴分布均匀性最好。根据P20多旋翼植保无人机喷雾在火龙果树冠层的雾滴沉积分布情况，对植保无人机的作业参数进行了优选，为提高植保无人机施药雾滴在火龙果树冠层的有效沉积分布，实现所选机型在火龙果树病虫害防控中的高效应用奠定了基础。     

植保无人机对水稻病虫害防治条件与防效的研究

为了探索植保无人机对水稻病虫害防治条件和防治效果,研究了植保无人机飞行高度、飞行速度、飞防助剂等条件对农药雾滴特性的影响,同时研究了两种不同施药方式对水稻纹枯病、稻曲病、螟虫防效的影响。结果表明,在植保无人机飞行高度距离水稻冠层2 m、飞行速度3 m·s^-1时,雾滴沉降密度（22.3个·cm^-2）最大,雾滴在水稻冠层不同部位的沉降密度存在差异：上部＞中部＞下部;添加飞防助剂药液湿润面积增加764%,雾滴中直径、覆盖率由未添加助剂前 256.3 μm、5.56%增加至327.5 μm、9.82%,雾滴密度由未添加助剂前20.3个·cm^-2降低至16.4个·cm^-2。在水稻孕穗期,相同药剂配方条件下,植保无人机喷施化学药剂和生物药剂对水稻纹枯病的防治效果分别为86.20%、83.20%,显著优于传统人工电动喷雾器喷洒防治效果;而对稻曲病的防治效果分别为86.51%、84.01%,对螟虫的防治效果分别为89.32%、81.47%,两种喷药方式的防治效果无显著差异。研究结果表明,植保无人机在最适飞行高度、飞行速度和添加飞防助剂等条件下,对水稻病虫害防治效果显著,具有大面积推广应用价值。     

基于TRIZ理论的精量喷雾植保机控制系统

为了解决植保机作业中施药不精准、不均匀的问题,采用TRIZ理论设计一种应用于植保无人机水泵的精量喷雾自动控制系统,该系统够随着无人机运行速度的变化实时控制水泵的输出流量,实现喷雾流量的自动调节,实现精准施药。     

基于Mavlink协议的植保无人机地面监测终端设计

[目的]针对我国植保无人机作业过程中出现的重喷、漏喷、喷洒不均匀、无药、断药等问题,设计一款基于Mavlink协议的植保无人机地面监测终端。[方法]终端以STM32F103ZET6为核心控制器件、SIM808为GPRS通信器件,实现植保无人机作业过程中位置、飞行姿态、系统状态、喷洒状态等数据的解析及上传。[结果]通过田间实验表明,植保无人机地面监测终端解析并上传参数与地面站软件获取的实际数据相一致。[结论]该设计为植保无人机作业监管提供了可靠的数据支撑,推动了植保无人机作业监管进程,具有较强的应用价值。     

四旋翼植保无人机喷雾参数对东北粳稻雾滴沉积的影响

为研究多旋翼植保无人机低空喷施作业过程中,水稻冠层雾滴沉积的分布规律,本研究在水稻冠层叶片正反面分别放置了雾滴测试卡,收集植保无人机喷洒过程中的雾滴信息。本研究使用清水代替农药来模拟喷施过程,利用雾滴沉积分析软件i DAS分析雾滴测试卡,得出植保无人机雾滴在水稻冠层的分布结果。试验结果表明:(1)植保无人机有效喷幅内旋翼下方区域的雾滴覆盖效果最好,而远离旋翼的位置,雾滴覆盖率较差。雾滴冠层覆盖率为54.86%。(2)水稻冠层雾滴扩散比为0.38,平均粒径范围处于110~140um之间,粒径大小适合用于植物病虫的防治。本研究在一定程度上说明了植保无人机雾滴在水稻冠层方向的沉积分布情况,对于利用无人机进行植保作业、提高药剂利用率、降低农药化肥污染具有指导意义。     

基于STM32单片机的方形喷洒域装置的设计与试验

针对已有方形喷洒域喷头存在喷灌均匀系数低、方形程度差、转动过程精度不高等问题,设计了一种适用于方形喷洒的新型喷灌装置。该装置主要由控制模块、工作模块和喷头组成;通过滚子与空间凸轮的接触,调节喷头仰角,改变射程,实现方形区域的喷洒;采用单片机控制装置的旋转速度,以提高喷灌均匀度。在工作压力0.20 MPa、流量1.30 m3/h条件下进行性能测试,结果装置喷洒19 m×19 m区域的方形系数可达94.55%,组合喷灌均匀系数为86.70%,方形区域上的实际未喷洒区域仅占方形总面积的7.88%。     

植保无人机水稻田间农药喷施的作业效果

【目的】测试和对比电动单旋翼与电动多旋翼植保无人机在水稻田间的作业效果。【方法】测试的植保无人机为HY-B-15L型单旋翼植保无人机(单旋翼机)和MG-1S型多旋翼植保无人机(多旋翼机)。以一定比例的罗丹明B与善思纳米农药的混合溶液作为喷施溶液,通过改变无人机作业高度和农药喷洒量进行田间喷施试验,采用荧光示踪剂法和水敏纸图像分析法获得2种无人机在不同喷施条件下喷施的雾滴在靶标上的沉积效果。按田间药效调查准则,调查不同处理下的纳米农药对水稻病虫害的防治效果。【结果】2种无人机喷施的雾滴在各采样点上的沉积量随农药喷洒量的增加而增加,当农药喷洒量为66.67和100.00 mL·hm~(–2)时,单旋翼机在各采样点上的沉积量比喷洒量为46.67 mL·hm~(–2)时的分别增加了48.50%和137.73%,多旋翼机分别增加了66.60%和111.88%。作业高度影响了无人机喷施雾滴在采样点上的沉积量和沉积均匀性,当作业高度由1.5 m增加至2.5 m时,单旋翼机喷施的雾滴在采样点上的沉积量和沉积均匀性分别降低了19.3%和53.6%、多旋翼机分别降低了48.7%和22.9%。在4种喷施条件下,单旋翼机在采样点上的沉积量比多旋翼机同条件下分别高出85.8%、26.5%、59.4%和123.4%。单旋翼机在1.5 m和46.67 mL·hm~(–2)作业条件下,农药对稻飞虱Nilaparvata lugens、稻纵卷叶螟Cnaphalocrocis medinalis、稻秆潜蝇Chlorops oryzae、细菌性条纹病及稻瘟病5种水稻病虫害的防治效果最好,防效分别为87.63%、76.67%、84.08%、59.26%和82.33%;多旋翼机在1.5 m和66.67 mL·hm~(–2)作业条件下,农药对上述水稻病虫害的防治效果最好,防效分别为86.54%、78.62%、89.47%、66.67%和83.33%。【结论】2种植保无人机由于旋翼风场不同,导致雾滴沉积效果不同,单旋翼植保无人机喷施效果更好;2种无人机喷施的农药最终对水稻病虫害的防治效果无明显差异,且防治效果均达到国家防效标准。     

多旋翼植保无人机低空喷施作业的水稻垂直方向雾滴沉积分布探讨

多旋翼植保无人机是新兴植保机械,能够实现微量喷洒,具有雾滴传统力强、作业效率高、运行成本低、控制灵活等优势,不需要跑道,能够在全地形条件下作业,不仅能够提高农药的利用率,而且有利于避免农药中毒等恶性事件发生。通过探讨多旋翼植保无人机低空喷施作业的水稻垂直方向雾滴沉积分布特点,为合理使用多旋翼植保无人机,提高雾滴覆盖率提供参考。     

无人机施药在水直播稻田杂草防除中的应用效果研究

近年来,农村劳荒现象凸显,高效率、低强度的植保无人机作业服务蓬勃发展,有关无人机应用的研究不断深入,但在水直播稻田化学除草方面很少有人涉及。为了探索植保无人机施药在单季晚稻水直播田杂草防除中的应用效果和安全性,推进植物保护"机器换人",2018年开展了以担架式喷雾机为对照,植保无人机施药防除单季晚稻水直播田杂草试验。结果表明,应用植保无人机在单晚水直播稻田喷施除草剂防除杂草,其防除效果与担架式机动喷雾机相近,作业效率高,喷洒均匀度相对较高,使用300 g/L丙草胺乳油播后1 d封杀和40%氰氟草酯乳油、19%氟酮磺草胺悬浮剂、10%噁唑酰草胺乳油播后15 d茎叶处理,对水稻比较安全,但植保无人机作业受风力等环境因子影响较大。