环境友好型农药喷施机械研究进展与展望

在农林病虫害防治中,化学方法仍占主导地位,化学农药施用不当会引起农药浪费、环境污染和农药残留等问题。为此,本文阐述了国内外对农药雾化、在线混药、可变量控制、仿形喷雾、雾滴飘移控制、静电喷雾、智能对靶喷雾集成等关键技术的研究概况;综述了防飘移喷雾机、仿形喷雾机、喷杆喷雾机、杂草防除机械、果园喷雾机、智能喷雾机等6类典型地面植保机械的发展概况,以及包括植保无人机及其关键部件在内的典型航空植保机械的研究发展水平;提出了环境友好型农药喷施机械"绿色环保、精确高效"的研究理念,以及开展植保机器人与专用植保机械(植保机器人及其阵列、专用植保机械)研发、航空施药机具与植保无人机研究、智能物联农药喷雾系统(病虫草害靶标智能监测识别与防治预警系统、无线物联智能植保信息传输系统、立体智能协同农药喷雾系统)研究和植保机械关键技术(新型喷头及在线混药、智能化载运平台)研究等总体发展建议。     

农林仿形对靶喷雾及其控制技术研究进展

仿形对靶喷雾是实现农林精确施药的一种重要技术方式，近年来在理论发展和技术应用中取得重要进展。文中从仿形喷雾目标探测技术、常用仿形机构、仿形对靶控制及算法、仿形变量喷雾测试技术和典型农林仿形喷雾机方面评述现有仿形对靶喷雾技术，归纳包括红外线、超声波、图像和LIDAR等仿形喷雾目标探测方法与技术；分析常用仿形机构的仿形原理和各自设计的优缺点，强调轻量化是仿形机构设计的趋势；综述仿形对靶喷雾控制系统硬件和软件方面的发展，强调智能算法的应用能有效提高仿形喷雾控制系统的鲁棒性；分析评述仿形变量喷雾测试装置、喷雾系统数学模型和PWM变量喷雾技术的进展；介绍几种典型的农林仿形喷雾机，并提出农林仿形对靶喷雾的研究建议。     

基于改进蚁群算法的植保无人机路径规划方法

为了规划出更加高效的植保无人机路径，提出一种基于改进蚁群算法的植保无人机路径规划方法，该方法适用于多个具有复杂多边形边界与内部障碍物的三维作业区域。采用扫描方式生成水平面内的作业路径，经过离散化处理后，在三维地形曲面上插值，获得三维作业路径。在此基础上，建立作业路径生成算法，以三维作业路径总长度尽量短、作业路径数量尽量少为目标，对植保无人机作业航向进行寻优。改进蚁群算法通过附加记录作业路径进入点的机制，实现对三维作业路径的合理排序，生成总长度较短的转移路径。经过算例检验，针对同一作业区域规划出的三维作业路径与水平面内的作业路径的航向角存在较大差异，相差最大为92°，这说明考虑三维地形的必要性。算例中，将改进的蚁群算法与贪婪算法进行了对比，针对一系列相同的作业起点，改进的蚁群算法所得的转移路径总长度均较短，比贪婪算法所得结果缩短3%~28%；在未选定作业起点情况下，改进的蚁群算法与贪婪算法求得的转移路径总长度最小值分别为1661m与1763m，说明改进的蚁群算法具有良好的寻优能力。实例检验情况与算例所得结论基本一致。算例与实例中的作业区域边界与地形复杂，涵盖情况全面，表明本文提出的路径规划方法具有一定实用性。     

基于农林植物表型的智能喷雾机械研究进展

传统喷雾机械通常仅关注无生命的机械作业性能，而忽略了有生命的植物因素，造成喷雾机械智能化水平不高。文中在分析农林植物表型对喷雾机械设计方法和喷雾性能影响的基础上，系统综述国内外开展的智能喷雾机械研究，提出基于植物表型的智能喷雾机械设计方法研究展望，探讨分析基于农林植物表型特征参数的新型、高水平智能化喷雾机械，并指出农林植物表型技术的发展必将推动绿色智能喷雾机械的创新。     

大型喷杆喷雾机钟摆式主被动悬架自适应鲁棒控制研究

针对大型喷雾机喷杆钟摆式主被动悬架系统存在的参数不确定性和随机干扰导致控制精度低、稳定性差的问题，对基于模型补偿的自适应鲁棒控制算法进行研究。建立了钟摆式主被动悬架的非线性动力学模型和调节机构几何方程，基于模型设计了自适应鲁棒控制器，综合悬架系统和电液位置伺服系统模型中存在的参数不确定性，同时兼顾系统未补偿的摩擦力和外部扰动等不确定非线性因素，通过理论分析和试验证明，在同时存在模型参数不确定和不确定非线性的情况下，设计的控制器可以保证系统输出跟踪控制的暂态性能和稳态精度。以单出杆液压作动器驱动的28m大型喷杆主被动悬架为例，借助建立的大型喷杆悬架半实物仿真平台进行了控制算法的试验验证，并使用Stewart六自由度运动平台模拟底盘的运动干扰，与反馈线性化控制器、鲁棒反馈控制器、PID控制器进行了试验对比，结果表明，设计的基于模型补偿的自适应鲁棒控制器最大跟踪误差0.148°，而反馈线性化控制器最大跟踪误差0.201°，鲁棒反馈控制器最大跟踪误差0.51°，PID控制器最大跟踪误差0.48°。设计的控制器在同时存在参数不确定性和扰动的情况下，使用较小的反馈增益能够保证渐进跟踪性能和稳态跟踪精度。     

Challenges and opportunities of unmanned aerial vehicles as a new tool for crop pest control

The application of pesticides is not simply delivering chemicals to the target area. It also involves considering the negative aspects and developing strategies to deal with them during the application process, to ensure the maximization of pesticides use efficiency and the maintenance of the ecosystem. Unmanned aerial vehicle (UAV) sprayers demonstrate unique advantages compared to traditional ground sprayers, particularly in terms of maneuverability and labor intensity reduction, showed great potential for chemical application in pest control. It is undeniable that there exist challenges in the practice of UAV spraying, such as higher potential risks of pesticide drift or pathogen transmission, uncertainty canopy deposition for different crops, and unexpected leaf breakage induced by downwash flow. Maximizing the utilization of downwash flow while avoiding lateral air movement outside the intended target crop area is a major issue for chemical application with UAV sprayers, particularly in light of the increasingly apparent consensus on the need for enhanced environmental protection during the chemical application process. It must be considered that the operation strategy in different scenarios and for different crop targets is not the same, unique requirements should be given on nozzle atomization, flight parameters, adjuvants and aircraft types in specific working situations. In future, the implementation of spray drift prediction, technical procedures development, and other solutions aimed at reducing pesticide drift and improving deposition quality, is expected to promote the adoption of UAV sprayers by more farmers. © 2023 Society of Chemical Industry.     

高地隙植保机速度自动控制系统研制

针对当前高地隙植保机自动化程度不高、作业时行驶速度变化较大影响施药质量等问题,设计具备手动、自动切换功能的速度自动控制系统。以雷沃ARBOS高地隙植保机为研究平台,采用机电一体化控制方法对其变速执行机构、速度控制过程与特性进行分析,采用基于比例微分算法的速度控制方法,实时计算并控制速度执行机构的动作,实现行驶速度的自动调节。田间试验表明,高地隙植保机速度自动控制系统能够按照速度指令控制静液压行走驱动系统的输出,在平均行驶速度为0.21、0.83和0.94 m/s时,最大速度控制误差分别为0.05、0.10和0.10 m/s,满足高地隙植保机行驶速度控制的基本要求。     

3WZF-400A型果园风送喷雾机改进设计

3WZF-400A型果园风送喷雾机通过安装直线导流板引导了气流速度场，在一定程度上解决了传统轴流式风送喷雾机农药浪费以及防治效果差的问题，但仍无法使靶标区域的气流速度分布与作物冠层轮廓匹配。本文以计算流体力学为手段，对该型喷雾机进行了改进设计。通过设置不同数量和角度的短导流板进一步引导喷雾机气流场，并建立了对应的气流速度场分布模型。通过对比选取最佳的改进设计方案，并进行了试验验证与喷雾性能测试。研究结果表明，当短导流板数量为2，喷雾机导流板角度组合为45°、15°、-15°和5°,且风机风速为20m/s时，在靶标处的气流速度分布能够与作物冠形轮廓匹配，所建立的模型能够较准确地模拟喷雾机实际气流速度场的分布。在此基础上以雾滴覆盖率为指标评价了改进设计后的喷雾机喷雾性能，并与改进前的喷雾机喷雾性能作对比，结果表明雾滴能够在垂直平面内按照作物冠形合理分布。     

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。     

喷杆式施药机对行喷雾控制系统设计与试验

针对现有大田喷杆式施药机喷雾过程中喷头无法精准对行喷施造成农药浪费的问题,基于机器视觉技术设计了喷杆式施药机对行喷雾控制系统。该系统包括作物行中心线位置提取上位机软件和电动喷杆控制系统,利用工业相机获取作物行RGB图像,采用G-RTG-BT算法及形态学处理实现作物行分割,基于改进的垂直投影法获取作物行中心线,利用坐标系转换实现将作物行中心线位置信息转化为喷杆横向偏移量,并经RS2 3 2串口传输至ATMega1 6控制器,控制推杆电机带动喷杆在滑轨上左右移动,借助位移传感器实时监测喷杆移动距离,以实现作物行追踪和对行喷雾控制。实验室和田间试验表明:改进的作物行中心线提取算法平均耗时12.51ms,喷杆横向偏移量计算误差小于0.44cm;电动喷杆右移最大误差0.3cm,左移最大误差0.5cm;小车速度为0.26m/s时,对倾角为5°、10°、15°模拟作物行的最大对行误差分别为3.22、2.86、2.51cm;小车速度为0.2 4 m/s,最大偏移1 4.0 2 cm时,对田间玉米幼苗的对行喷雾最大误差为4.8 6 cm,为实现作物行追踪和对行喷雾控制提供了一种有效的解决方案。