喷杆喷雾机变量喷雾控制与测试试验台设计*

为满足喷杆喷雾机变量喷雾技术需要,设计一种喷杆喷雾机变量喷雾控制与测试试验台,实现对已有的变量喷雾装置的实时控制以及性能测试。变量喷雾控制与测试试验台由控制系统和数据采集系统组成。控制系统以西门子S7-200 系列PLC为基础,由动力系统、驱动系统、流量系统和变量控制系统组成;数据采集系统采用数据采集模块与传感器获取管路流量、压力、转矩和行驶速度等参数,通过LabVIEW软件对采集的参数进行实时显示和存储。转速工况下的流量精度测试试验显示平均流量误差为4.0%,可作为判定变量喷雾装置性能的一个技术参考;试验表明该试验台可有效实时控制喷杆喷雾机变量喷雾控制部件,满足喷杆喷雾机变量喷雾控制部件的性能测试需求,为制定变量喷雾质量评价技术规范提供技术参考。     

基于专家控制的喷杆高度智能调节系统研究

针对喷杆喷雾机作业过程中，因田间地表起伏和土壤硬度不同导致喷杆与施药靶标面无法始终保持适当距离、影响施药均匀性和防治效果的问题，设计了一种喷杆高度智能调节系统。该系统采用3个超声波测距传感器获取喷杆不同位置的高度信息并用限幅滑动平均滤波算法对传感器数据进行预处理，同时将双轴倾角传感器分别安装于车体底盘中部和喷杆上，以实时获取喷雾机和喷杆的姿态信息。然后采用基于加权平均的多传感器融合算法对喷杆高度信息进行融合处理。利用专家知识和经验，综合考虑当前喷雾机姿态信息和喷杆高度信息，设计使用不同的控制参数和控制规则，再由专家控制推理机按照制定的控制策略进行推理输出。然后控制机构通过PWM控制电磁比例换向阀动作，驱动喷杆调节油缸对喷杆高度进行调节，使喷杆高度误差快速稳定在允许误差范围内。给出了喷杆系统的机械结构，阐述了系统硬件系统组成、工作原理和喷杆高度智能调节系统的专家控制算法和软件实现。系统通过CAN总线实时获取外部变量施药系统的工作状态信息，实现与变量施药系统的工作同步，同时由触摸屏实现人机交互，设定放大系数、衰减系数、动作阈值等控制参数，再通过CAN总线输送至控制器用于喷杆高度控制。系统应用于课题组研制的3WZG-3000A型大型喷雾机，并针对喷杆高度智能调节系统的调节性能进行了试验。试验结果表明，该系统可以快速跟随阶跃激励引起的喷杆高度调节需求，当喷杆高度控制允许误差设定为8%、阶跃激励为20cm时，最大调节时间不大于0.75s。     

喷杆喷雾机精量喷雾测试实验台研制

精量喷施技术是大田植保作业的智慧化解决方案,而精量喷雾执行机构及其控制系统田间调试费时费力、可重复性差,且诸多参数无法调整,数据获取困难。针对这一问题,根据大田植保技术要求和喷杆喷雾机性能参数,通过对药液循环系统和喷雾测试系统等进行设计和计算,搭建了精量喷雾测试实验台。实验台主要包括喷雾测试系统、药液循环系统和速度模拟装置,可完成药液流量、压力实时感知和控制,喷杆区段独立控制、作业速度与药液流量的在线模拟与匹配。进行不同压力下实验台喷杆各段控制的喷量一致性及不同施药量、不同模拟速度下实验台的控制精度测试试验,结果表明:精量喷雾试验台动力发生装置可提供的最大压力和流量分别为1.5MPa、65L/min,模拟速度调节范围为0～20km/h,精量喷雾最大误差为1.34%,变异系数最大为0.05,能够满足精量喷雾系统调试和测试的基本要求。研究可为喷杆喷雾机智能变量作业的研究及其精量喷雾系统的设计和优化提供理论依据与技术支持。     

喷杆喷雾机智能控制系统设计及试验

为提高喷雾均匀性和农药的有效利用率,针对大田作物施药的农艺要求,设计了一种安装于大田常用喷杆喷雾机的喷雾机智能控制系统,并介绍总体方案和工作原理。该系统主要包括变量施药、喷杆高度自动调节等功能,变量施药系统通过变量调节阀调节喷雾流量,通过喷雾量与作业速度自适应控制模型,实现作业过程中药液均匀喷施;喷杆高度调节系统采用超声波传感器检测喷头与作物顶端的距离,根据设定的目标高度,控制电动缸动作,调节喷杆高度。试验表明:变量喷雾控制系统能够根据设定喷量和作业速度的变化准确发出调控指令,控制流量调节阀动作进行流量调节,提高了喷雾作业的均匀性,喷雾精度误差最小为2.24%,能够有效提高喷药作业质量;喷杆高度调节最大误差为5.40%,提高了喷杆与作物顶端距离调整的准确度。     

基于冠层信息的马铃薯喷雾机喷杆高度控制系统研究

为解决喷杆式喷雾机在对马铃薯等茄科茄属作物进行喷施作业时喷杆相对作物冠层距离精确测量与控制问题，设计了一套马铃薯喷雾机喷杆高度控制系统。该系统采用二维激光雷达扫描田间马铃薯的植株冠层，根据种植模式对田间马铃薯植株进行冠层单元分割，通过融合姿态传感器的数据对雷达输出数据矫正，并基于中值滤波算法、移动最小二乘曲线拟合方法处理冠层点云数据，实时解算出喷杆相对冠层顶部的垂直距离信息，同时融合油缸位移传感器数据设计了双阈值喷杆高度调控策略，实现喷杆相对马铃薯冠层距离的精准调控。系统应用于3WP-1500型喷雾机，通过高度检测精度试验和高度调节试验测试了系统性能。试验结果表明，通过激光雷达检测作物冠层高度的最大相对误差为7.16%，平均相对误差为3.95%。高度调节试验表明，通过确定最优的调节阈值，可以有效降低喷杆高度调节误差，提高系统稳定性，测试高度调节标准偏差为21.81mm，平均相对误差为3.08%，系统运行平稳，满足喷杆相对冠层距离自动控制需求。     

水田自走式喷雾机喷杆自动调平系统设计与试验

为提高水田自走式喷雾机喷施作业均匀性,设计了喷杆自动调平系统,包括自动调平机械结构、喷雾机车身倾角传感器和控制器,以及车身倾角传感器和控制器的硬件系统和软件系统,并研究了对加速度计和陀螺仪数据进行融合的卡尔曼滤波算法和喷杆自动调平PID控制算法。以井关JKB18C型喷雾机为平台,采用叉车调节喷雾机车身倾斜角度,用2台MTI-300高精度惯性传感器分别测量喷雾机车身和喷杆倾角,并进行了测试试验。结果表明:随着车身倾角变化速率的增加,喷杆倾斜角度的平均绝对误差、均方根误差和最大误差增大,平均绝对误差最大为0. 90°,均方根误差最大为1. 39°,最大误差为1. 70°,车身倾角变化速率对喷杆控制精度影响较大。为检测喷杆自动调平控制系统的田间作业性能,采用双天线RTK-GNSS导航定位系统测量喷雾机作业过程中喷杆水平倾角,并进行了田间试验。试验结果表明:喷杆相对于水平面的平均绝对误差最大为0.79°,均方根误差最大为0. 85°,最大误差为1. 70°,喷杆自动调平控制系统可以有效地控制喷杆的水平姿态。     

PWM间歇喷雾式变量喷施控制器设计与测试

为实现基于脉宽调制(PWM)间歇喷雾的流量调节式变量喷施控制,以DSP56F805数字信号控制器为核心,设计了一种PWM间歇喷雾式变量喷施控制器.控制器有单机和联机两种工作模式,可输出12路独立调节的PWM信号,实时检测喷雾机组前进速度、隔膜泵输入轴转速、喷杆压力和喷施流量,并采用预测比例控制方法,通过比例溢流阀在线调节喷杆压力.将控制器安装到一台经过改装的商购喷杆式喷雾机上,构建了一套PWM间歇喷雾式变量喷施系统,并进行了系统测试.测试结果表明:PWM信号有效频率小于等于5 Hz、流量调节范围大于10,喷雾机组前进速度检测误差在±0.1 km/h范围内、隔膜泵输入轴转速检测误差在±1.5 r/min范围内、喷杆压力检测误差在±0.01 MPa范围内、喷施流量检测误差在±0.05 L/min范围内,经2 s调节后喷杆压力调节误差在±0.01 MPa范围内.     

喷杆高度在线调控设计与试验研究

随着化学农药成本的上涨及对环境问题的日益关注,要求生产出更加先进的喷雾设备以提高喷雾均匀性。喷杆式喷雾机在田间作业时,为保证施药效果,喷杆与作物冠层之间始终保持近似平行保持距适当距离,以避免喷杆倾斜刮伤作物,因而设计了一套喷杆式喷雾机喷杆高度在线调控系统。该系统采用超声波测距传感器和角度传感器相结合的方法,利用超声波测距传感器实时检测喷杆两端与植株冠层的距离并与系统设定的高度值进行比对来控制油缸的伸缩,角度传感器控制喷杆与水平面的倾斜角。本文给出了喷杆式喷雾机样机的总体结构,介绍了喷杆高度液压调节系统的组成和工作原理,并对喷杆高度在线调控系统的调节性能进行了场地和田间试验。     

喷杆高度调节系统设计与试验

对喷杆高度进行调节是提高喷杆喷雾机喷雾质量的有效途径。为了使喷杆喷雾机在大田喷雾作业过程中喷雾高度能够随田间地面的起伏变化而变化,设计了3段式的高度自动调节喷杆,采用3个安装在3段喷杆上的接触传感器实时检测喷杆与地面的高度,通过控制器控制液压油缸来调整每段喷杆的高度,从而达到仿形的目的。同时,对喷杆喷雾机的总体布局结构、高度检测关键部件和液压控制系统原理进行了设计分析,阐述了喷杆仿形原理,设计了喷杆高度调节控制系统,并通过试验检测喷杆高度变化范围和田间仿形效果。试验表明,延时时间T1为1s时,喷杆高度能够平稳地保持在45~53.3cm,并且在喷雾机行走速度不大于4.02km/h的情况下,喷杆高度调节系统能够很好地实现大田喷杆仿形功能。     

喷杆式喷药机喷杆高度调控系统设计与试验

为提高大田喷雾药液利用率,喷杆式喷药机作业过程中喷杆需要与作物冠层顶端保持某一设定距离并保持近似平行。为此,针对大田喷药喷杆仿形控制应用需求,设计了一种喷杆高度调节闭环控制系统。系统由喷杆机械机构、喷杆高度探测模块、液压调控系统、控制电路和控制软件组成,使用超声波传感器实时探测喷头与作物冠层之间的距离,与用户设定目标距离进行比较后控制液压阀动作,以实时调节喷杆高度。对喷杆高度调控系统调节性能进行了试验,结果表明:调节高度为20～60cm时,系统调节过程无超调,最大调节时间为10.1s,最大稳态误差为3.1%。系统调节精度高,运行稳定,可有效实时调节喷杆高度,为喷杆喷雾机仿形喷雾控制提供了算法支持。     

基于机器视觉和北斗定位的小麦变量喷雾系统研究

针对传统植保喷杆喷雾机作业时各喷头以同等药量喷洒的方式导致农药浪费、利用率低和污染环境等问题,以生长前期的小麦为研究对象,设计一种基于北斗定位系统和机器视觉的小麦变量喷雾作业系统。通过双平面高度投影法完成对感兴趣区域获取,研究了速度、植株密度对喷雾的影响,提出变量喷雾流量的控制方法。在定位系统规划的目标区域内,通过机器视觉处理实现变量喷雾,试验结果表明,相同机组速度下,植株密度稀疏区相对植株密度正常区的平均雾滴覆盖率平均减少12.06%;相同植株密度下机组前进速度0.75 m/s相对1.50 m/s的平均雾滴覆盖率平均增加3.94%。在满足喷雾标准的情况下,可以在不同速度、不同植株密度下实现变量喷雾。为验证目标区域边界行驶速度对等级变换准确度,进行定位传感器实时判断在目标区域边界喷头相对位置并控制开闭,试验结果表明,在行驶速度为0.50 m/s时准确度最高,区域边界行驶超出量误差平均值为48.72 cm;为验证行驶方式对喷雾等级变换准确度的影响,使用北斗定位系统在目标区域边界开展行驶方式对喷雾等级变换准确度的影响试验,试验结果表明,驶入目标区域超出量误差平均值为7.20 cm。     

遥控喷杆喷雾机设计与试验

针对大田蔬菜种植病虫害防治需求,利用高地隙四轮转向液压底盘,设计一种遥控喷杆喷雾机。采用PID控制算法设计液压驱动系统和变量施药系统。液压驱动系统通过对比实时采集的实际车速和轮速计算各轮滑转率,以理想滑转率为控制目标进行实时动力分配;变量施药系统根据实时采集的实际车速和预设的目标单位面积施药量换算目标流量,以目标流量为控制目标进行实时喷雾流量调节。在韭菜田进行不同车速下的性能考核试验,结果表明：滑转率最大的车轮为左前轮,滑转率均值为6.14%,能稳定在理想滑转率范围内;滑转率最小的左后轮是轮上载荷最大的车轮,滑转率均值为0.76%,显著小于其他车轮;喷雾作业雾滴沉积率均值为93.4%,变异系数为21.6%,变量施药系统随速调节功能良好,但作业质量随着车速增加而略有下降。该喷雾机可为大田蔬菜种植智能化植保机械的研制提供参考。     

基于PID控制技术的喷雾机均匀化作业设计

针对喷雾机作业过程喷雾均匀化程度较低的问题,基于PID控制技术对喷雾机均匀化作业进行了设计。该喷雾机为智能喷杆喷雾机,主要组成为转向控制系统、智能平衡控制系统、变量施药系统和显示系统。喷雾机的电机采用PID控制器进行控制,利用PID控制算法—积分分离算法对电机进行闭环调速,保证喷雾机的均匀化作业。为验证喷雾机的作业性能,对其进行平衡和均匀化试验验证,结果表明:其平衡性能和均匀化作业性能良好,能够满足喷雾机的作业要求。     

双路自动调节变量喷药控制系统试验分析

对设计的双路自动调节变量喷药控制系统进行了试验验证,提出了具体的试验原理和试验方法,通过多次试验及详细地记录数据,得出试验结果并进行了分析。试验主要分为:①流量分路控制试验,将喷药主管路分成A路、B路分别控制,通过设定不同的目标喷药量进行试验,验证系统的控制效果;②速度影响流量试验,保持目标喷药量不变,使用脉冲发生器设定不同的速度进行试验,验证速度变化对系统流量的影响规律;③压力稳定性控制试验,设定不同的目标压力值进行控制试验,验证系统对压力稳定性的控制效果。针对3个试验分别组建了相应的试验平台,经过多次试验得出结论:流量控制系统对流量的控制精度平均值为97%,压力稳定系统对压力的控制精度平均值为97.88%,脉冲发生器模拟速度产生的偏差平均值为0.05;系统运行正常,实现了根据目标喷药量的变化对两支路流量的分别控制,且控制精度较传统的喷施方法有所提升;细化了施药系统的喷施范围,可实现更加精准的变量施药。     

无人机变量施药实时监控系统设计与试验

在航空施药过程中,为保证单位面积施药量的一致性、实现施药流量的实时控制,提出一种航空变量施药分级控制算法。该算法根据各参数的等级和阀门开度建立分级控制表,再结合分级控制公式计算作业参数变化时阀门对应的开度,从而计算出施药流量,实现施药流量的自动调节。基于该算法设计了基于单片机多信息融合的航空变量施药实时监控系统,通过软硬件设计实现了对作业航迹、作业高度、作业速度、施药流量及药液余量等信息的实时监测,进行了航迹监测试验、施药流量监测试验、液位监测试验和变量施药控制试验等。结果表明,该系统可以准确监测多种作业参数,并可根据参数变化精准调控施药流量;飞行航迹监测平均偏差为0.98 m,施药流量监测平均误差为3.57%,液位监测平均误差为1.97%,系统对流量控制的最大误差为9.26%。     

四轮转向喷杆喷雾机平移换行导航控制系统设计与试验

针对传统喷杆喷雾机在转弯、换行过程中调头空间有限、转向半径大、易碾压作物等问题，提出了一种可利用车辆平行移动来实现换行作业的控制方法。基于平移换行方式设计了四轮转向喷杆喷雾机的导航控制系统，该控制系统采用RTK(Real time kinematic)定位模块和姿态传感器进行组合导航，以喷雾机位置信息和姿态信息作为输入，在四轮转向运动学模型基础上，结合运动学解算实现了喷杆喷雾机非转弯调头换行的自动导航跟踪控制，根据喷雾作业要求设计了基于有限状态机的自动作业策略。开展了传统PID(Proportion integration differentiation)控制器与单神经元PID控制器的实地对比测试。在常规方形硬质平整地块试验时，搭载常规PID控制器的喷雾机在平移换行过程中的最大跟踪偏差、平均绝对偏差为7.63、4.27 cm,而搭载单神经元PID控制器的喷雾机在平移换行过程中的的最大跟踪偏差、平均绝对偏差为6.48、3.24 cm。在常规方形田间地块试验时，搭载常规PID控制器的喷雾机在平移换行过程中的最大跟踪偏差、平均绝对偏差为11.01、6.66 cm,而搭载单神经元PID控制器的...     

高地隙自走式喷雾机动力传动系统的设计

我国大田农作物中后期病虫害防治迫切需要高行间通过性的高效植保动力机械,因而提出了一种自走式高地隙喷杆式喷雾机的动力底盘设计方案。该动力底盘采用四轮驱动和全液压四轮转向结构,具有离地间隙高、水旱兼用及机动性好等特点。为此,进行了总体方案的设计及基本参数的确定,介绍了传动系统的方案设计及工作原理,并对变速箱传动方案进行了设计。同时,重点对行走动力传动系统传动比、喷药液压动力传动系统参数与发动机工作特性之间匹配进行研究,在保证喷雾机作业时施药行走速度与施药机具效率最佳匹配的前提下,发动机在燃料经济性较高的区域内工作,实现高效、节能和环保的设计目标。     

基于模糊PI控制的变量施药系统设计与试验

针对国内现有农田喷药机的定量施药方式,设计了一套基于模糊PI控制的变量施药系统。该系统采用多传感器实时采集喷药机车速、流量、压力等参数,并以此为控制依据,通过改变比例阀开度实时调整管道内药液流量,同时控制多组喷头的开闭。该系统采用主路流量调节方案,5组开关电磁阀控制多组喷头。喷药机喷头流量控制试验与田间喷药试验结果表明,单个喷头流量误差＜2.5%,模糊PI控制优于传统PI控制,田间喷药误差＜2.2%。