植保无人机变量喷洒系统研究

近年来,无人机在植保领域的应用越来越广泛,农业植保无人机无论是在便利性还是在喷洒效果方面都具有更显著的优势。目前无人机喷洒系统主要采用分档式调节流量的喷洒技术,这种技术在一段飞行速度区间使用同一档位进行喷洒作业,喷洒均匀性有待提升。通过设计变量喷洒系统的主控电路、隔离电路等完成了变量喷洒平台的硬件搭建工作。针对飞行速度对喷洒均匀性的影响提出了一种提高植保无人机喷洒均匀性的PID流量控制算法,通过调节占空比实现了变量喷洒系统的软件功能。在无人机飞行速度从1 m/s增加到5 m/s的过程中,设计了分档式算法和PID流量控制算法的变量喷洒对照试验,通过水敏纸的雾滴图像信息来分析喷洒作业的效果。结果表明,在飞行速度从1 m/s增加到5 m/s的过程中,经过流量PID调节的植保无人机喷洒覆盖率整体波动范围较小(范围在20.9%～24.4%之间),相比之下分档式植保无人机的覆盖率波动范围略大(范围在20.1%～29.8%);同时验证了变量喷洒系统软硬件的可行性,该变量喷洒系统实现了喷洒流量随飞行速度自动调整的功能,提升了喷洒的整体均匀性,能够满足小面积作业的基本要求。     

基于磁流变液的农用变量喷头设计及试验

【目的】为实现农作物保护区的变量喷洒,设计一种基于磁流变液的农用变量喷头。【方法】根据磁流变效应理论设计变量喷头的机械结构,并利用软件仿真对结构进行参数优化。然后设置不同线圈电压和磁流变液注入量进行流量测试,分析线圈电压、磁流变液注入量对喷头流量的影响。【结果】隔膜泵泵压恒定在0.3 MPa,当磁流变液注入量从0增加到2.5 mL,喷头流量随之减小。在24 V线圈电压下流量减小最少,为14.29%;在0 V电压下流量减小最多,为28.57%。当磁流变液注入量恒定在1.5 mL,线圈电压由0升高到28 V,喷头流量增加了25.00%。【结论】基于磁流变液的变量喷头可以通过控制外部磁场实现变流量控制,可用于精准农业喷施。     

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.     

温室弥雾机控制系统的设计

为实现温室环境人机分离自动变量施药,设计基于Wi-Fi与模糊控制的自走式自动变量风送弥雾机。施药系统以STM32单片机为核心,在Eclipse开发环境下采用Socket编程技术实现移动端与弥雾机端双向通信。为满足施药技术要求,采用Mamdani模型制定施药控制规则,将虫害覆盖率和茄子冠层高度参数作为模糊控制模型的输入,根据施药控制规则自动控制电磁阀和继电器以调控喷雾流量和控制施药时间,共同完成弥雾机变量施药。通过流量测定、模糊控制及自动与手动弥雾的沉积试验对施药系统进行验证,结果表明:1)施药控制系统可根据占空比准确调控喷雾流量,且占空比与喷雾流量线性度较好,拟合度为R~2=0.996 4,满足该设计喷雾范围要求。2)采样点与喷头距离为1~3m时对单位面积雾滴有效沉积量影响显著,且随着茄子冠层高度的增大和蓟马覆盖率的提高均会使单位面积雾滴沉积量显著提高。3)自动弥雾与手动弥雾沉积量的相对误差不超过0.8%,可满足变量喷雾的实际需求。     

空心锥形喷嘴变量施药均匀性试验

在针对单个植株定靶施药过程中,为了减小空心锥形喷嘴喷洒域中心盲区,提高切向流空心锥形喷嘴施药均匀度,运用径向Wilcox-Swailes均匀度,自制变量调节器,通过单片机改变调节器PWM信号占空比,调整电机转速,改变喷嘴喷射角度,寻找最优占空比组合时间系数。在最优占空比时间组合系数的变量调节器的作用下试验,与未安装变量调节器的试验组作比较。结果表明:在最优占空比系数组合情况下,喷杆高度为500 mm时,径向WilcoxSwailes均匀度相对未安装变量调节器的试验组提高作用明显。脉宽调制的变量调节器在针对单个植株定靶施药过程中对减小切向流空心锥形喷嘴喷洒域中心盲区、提高施药均匀度效果显著。     

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%。     

叶用莴苣叶片对LED脉冲光的光合响应模型及光能利用

为探究LED脉冲光对作物光合特性的影响,探讨在不影响作物正常生长的前提下如何进一步降低能耗,提高照光效率,选用叶用莴苣(Lactuca sative L.)为试验材料,设置5个占空比水平(20%、40%、60%、80%和100%)和14个频率水平(1、2、4、8、16、32、64、128,256、512、1 024、2 048、4 096和8 192 Hz),共计70个处理,以连续光(占空比100%)为对照,探讨不同形式脉冲光对叶片净光合速率(Pn)的影响,并构建脉冲光占空比和频率与净光合速率之间的响应模型。通过对模型边际效应、交互作用以及光能利用率(LUE)的分析得出:占空比和频率都对 Pn 增长有促进作用,随着占空比和频率的增加,Pn也随之增加并最终趋于稳定状态直至与连续光处理的Pn无显著差异;占空比越高,叶用莴苣叶片的Pn达到饱和的频率越低;当Pn达到饱和状态时,脉冲光下的LUE要显著高于连续光。综上,占空比20%、频率512 Hz为最佳占空比与脉冲光频率组合。该结果可为优化LED植物节能补光灯光源参数设计及研发提供理论支撑。     

海藻有机肥对草莓叶绿素和果实可溶性固形物的影响

针对海藻有机肥的不同施肥方式和不同浓度对草莓叶绿素含量和可溶性固形物含量的影响进行了研究。结果表明,施加浓度适宜的海藻有机肥能在一定程度上增加草莓的叶绿素含量和草莓果实可溶性固形物的含量,根灌效果优于叶面喷洒。海藻有机肥的最佳施肥浓度为4 000倍液,在根灌和叶面喷洒2种施肥方式下,草莓的相对叶绿素值和可溶性固形物含量均达到最高,根灌施肥方式下,草莓相对叶绿素值达到了342.052,草莓可溶性固形物含量达到了14.440%;叶面喷洒施肥方式下,草莓相对叶绿素值达到了332.078,草莓可溶性固形物含量达到了13.744%。     

基于单片机的注入式混药控制系统设计与实验

针对电磁泵注入式施药装备设计了基于AT89S52单片机的控制系统,通过电压转化电路、电压频率采样电路、光耦隔离电路和变频输出电路来实现对直流电磁泵输入电压的控制,实现单位时间内电磁泵流量的控制,达到不同混药比的目的。同时,扩展了人工按键控制电路部分,构成一套完整的注入式施药控制系统。实验结果表明,该套控制系统能够较好地保持与基频同频,变频控制的误差整体小于1.22%,系统工作稳定,调节频率准确。     

基于无线通信的农药流量监控系统设计

针对喷药机人工操作农药流量控制精度低、过程监控实时性差等问题,设计了一套基于无线通信的农药流量监控系统。该系统主要由流量监控软件和流量控制装置组成,通过蓝牙模块实现无线数据通信。设计了上位机操作界面,实现了流量监控功能;下位机采集并处理流量数据,经过PID算法实时调节驱动器进而控制泵转速,实现流量闭环控制。进行了流量传感器标定试验和喷药流量测定试验,结果表明,流经流量传感器的液体流量和其输出脉冲频率有良好的线性关系;系统设置流量值与实际流量值的最小相对误差为1.72%,平均相对误差为2.63%,精度较高。     

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。     

温室自走式弥雾机远程控制系统的设计与试验

针对温室内手动施药劳动强度大、容易造成施药人员中毒等问题,利用GSM网络技术平台,设计基于手机信息发送指令的自走式弥雾机远程控制系统。该系统采用GSM模块和手机及单片机之间的双向通信实现手机对弥雾机行走速度和喷雾流量设定,运用Keil C51V9.00软件编程,对动作流程进行决策,控制弥雾机自动喷药。试验结果表明:该系统响应时间约为3s,弥雾机停止工作时,有一定的响应距离,最大为0.59m;当行走速度为4~12cm/s,喷雾流量50~300mL/min时,雾滴分布变异系数为3%~5%,喷雾均匀性较好。该远程控制系统可以满足在温室大棚内的使用要求,与传统施药方法相比,简化了植保机械的操作过程,有利于减轻劳动强度,保障人身安全。     

单孔PVC微喷灌管喷水量的分布特性

在5种不同的工作压力下,采用直径为40 mm,壁厚为2.4 mm,孔径分别为0.9、1.1、1.3、1.5 mm的PVC微喷灌管,进行单孔流量及近似射程试验,根据试验结果选择近似射程最远的孔径为1.3 mm的微喷灌管进行研究试验.结果表明:PVC微喷灌管单孔喷水量分布的基本特征与旋转式喷灌有本质区别,但与微喷带相似.为此,采用微喷带的评价指标来描述PVC微喷灌管的喷水量分布特性.     

果园管道自动顺序喷雾控制系统设计

针对密植果园或成熟果园中由于果树树冠逐渐长大使果树行距变小甚至封行,增加果树喷药难度和劳动强度、危及喷雾作业人员安全等问题,设计了一种果园管道自动顺序喷雾控制系统.该系统由喷雾给药单元、自动顺序喷雾主控器和电磁阀控制节点组成.喷雾给药单元为系统提供药液,自动顺序喷雾主控制器给电磁阀控制节点提供控制信号,电磁阀控制节点控制电磁阀的开关,通过控制果园中多个电磁阀的顺序开启和关闭,实现对果树的自动顺序喷雾.运行试验结果表明,该系统可以按照设定喷雾时间对果树进行自动顺序喷雾,不需要人工进入果园喷雾.     

玉米地植保无人机施药对草地贪夜蛾的防治效果研究

为探究防治草地贪夜蛾的有效方法,本次研究以河池市金城江区虫害玉米地为研究对象,使用喷施甲氨基阿维菌素苯甲酸盐微乳剂以及甲氨基阿维菌素苯甲酸盐-金龟子绿僵菌CQMa421混合药剂两种药剂、无人机和人工背负式喷施两种施药方式进行试验。结果表明,人工喷施见效较快,但在喷施10 d后人工和无人机喷药的防治效果均高于94%,且没有显著性差异,无人机喷药成本远低于人工成本;喷施混合药剂的防治效果略高于只喷施甲氨基阿维菌素苯甲酸盐微乳剂。推荐生产实践中采用无人机喷施混合药剂的方式防治玉米地草地贪夜蛾。     

Field assessment of a pulse width modulation (PWM) spray system applying different spray volumes: duty cycle and forward speed effects on vines spray coverage

Precision Agriculture - The pulse width modulation (PWM) spray system is the most advanced technology to obtain variable rate spray application without varying the operative sprayer parameters...     

无人旋翼机航空施药有效喷幅确定方法比较

针对无人旋翼机航空施药存在喷雾不均、施药效果差的问题,利用雾滴密度判定法、最小变异系数判定法和50%有效沉积判定法在静风条件下对单旋翼无人机航空施药时的喷雾幅宽和喷雾均匀性进行研究,结果表明:1)最小变异系数法得到的有效喷幅最小,仅为1.8m,沉积分布均匀性最好,变异系数仅为2.1%;2)雾滴密度判定法得到的有效喷幅最大,为3.9m,沉积分布均匀性也最差,变异系数为19.3%。3)通过最小变异系数判定法分析发现,药液沉积分布变异系数随着有效喷幅宽度的增加呈现先减小再增加的趋势,当有效喷幅超过一定值后,有效喷幅宽度与沉积分布变异系数成线性正相关。     

通用旋转组合设计在防治小麦赤霉病中的应用

连续2年选用50%多菌灵可湿性粉剂,采用3因素2次回归通用旋转组合设计,研究了喷药时期、剂量、药液量防治小麦赤霉病的效果。结果表明:喷药时期以小麦扬花期或扬花盛期最佳,喷药剂量为0.75～0.90kg/hm2有效含量,喷药液量为900～1050kg/hm2最适。