植保无人机旋翼风场模型与雾滴运动机理研究进展

近几年，植保无人机施药技术在中国获得广泛应用，并逐渐发展为国内主要植保技术之一。但由于对植保无人机施药技术基础理论研究不够深入，相关机理尚不明晰，且植保无人机作业平台的稳定性依然有待提高，导致国内植保无人机施药效果不够理想。深入研究植保无人机施药技术的基础理论，理论结合试验结果共同指导植保无人机田间施药是提高其施药效果的经典方法。该研究综述了植保无人机旋翼风场分布特性、雾滴与无人机旋翼风场交互机理、雾滴沉降与飘移机理、雾滴与叶片表面的交互机理及雾滴分散和蒸发特性等植保无人机施药技术基础理论及其模型构建情况的国内外研究现状，并结合其基础理论与模型构建的国内外研究现状，给出植保无人机施药技术的未来发展建议，以期为植保无人机施药技术的发展提供参考。     

日本农业航空技术发展及对我国的启示

日本根据其地形、地貌特征、从事农业劳动的情况选择了从有人直升机到无人直升机航空施药为主的发展模式,研制了几款不同发展时期的植保无人机机型(R50、RMAX、RMAXⅡG、FAZER)应用于水稻植保作业,日本学者对农业航空遥感技术、精准导航控制技术、无人机控制技术进行了大量研究,在施药实践中形成了较为实用的无人机植保管理体制,确保了日本农业航空的健康、有序发展。本文旨在介绍日本农业航空现状、应用领域、精准施药技术及管理方法,以期为我国农业航空应用技术的发展提供借鉴。     

基于高光谱数据的棉田虫害鉴别研究

【目的】快速、准确、无损伤地鉴别棉花虫害类别,以便针对性制定植保施药方案。【方法】对棉花叶片高光谱数据进行采集和分析。采用波段范围为350～2 500 nm的FieldSpec?3便携式光谱分析仪,分别获取受蚜虫和红蜘蛛危害的棉花叶片以及正常棉花叶片的高光谱数据。采用K-近邻和SVM算法区分受红蜘蛛和蚜虫侵害的叶片以及正常叶片。为进一步优化虫害识别模型、提高识别精度,利用主成分分析方法 (PCA)进行特征降维,并利用网格搜索法进行参数寻优。【结果】使用K-近邻算法和SVM算法构建了虫害识别模型,2种模型的识别率分别为86.08%和89.29%;引入PCA进行特征降维并使用网格搜索进行参数寻优后,可以提高虫害识别率,K-近邻算法和SVM算法的识别精度分别达到88.24%和92.16%。【结论】利用高光谱数据可以区分受蚜虫和红蜘蛛侵害以及正常的棉花叶片;结合PCA降维和网格搜索法,能够提高识别率且不需要获得具体的特征波段;对于受蚜虫和红蜘蛛侵害以及正常的叶片识别,基于径向基核函数的SVM算法优于K-近邻算法。     

柑橘黄龙病远红外热处理温度场分布特性试验研究

针对柑橘黄龙病热空气处理存在能耗高、加热设备笨重、传热较慢等问题,提出了柑橘黄龙病远红外热处理方法。为解决远红外加热时柑橘树温差过大的问题,搭建了柑橘黄龙病热空气快速处理温度场分布特性试验平台,研究了远红外灯管组数量、单根灯管功率、加热时间、远红外灯与支架顶部距离对柑橘树温度场分布的影响,并对远红外加热影响因素进行优化。研究结果表明:远红外灯管组数量、单根灯管功率以及加热时间对柑橘树叶和枝干的温度场分布均有显著影响,远红外灯与支架顶部距离对树叶的温度场分布影响显著。试验优化后的参数为:远红外灯管组数量为3,单根灯管功率为1 k W,加热时间为3 min,远红外灯与支架顶部距离为10 cm。在此条件下,树叶温度平均值为58. 1℃,枝干温度平均值为43. 1℃,整体温度平均值为52. 3℃。在此参数下对柑橘黄龙病进行远红外热处理田间试验,病菌浓度平均降低34. 4%。研究结果可为柑橘黄龙病规模化远红外热处理设备的优化设计提供参考。     

柑橘黄龙病热空气快速处理温度场分布特性试验研究

针对柑橘黄龙病自然热罩热处理存在的处理周期长、效率低、对自然条件依赖大、处理罩内温差过大等不足,提出了一种柑橘黄龙病热空气快速处理方法。为解决热空气快速处理时罩内温差过大的问题,搭建了柑橘黄龙病热空气快速处理温度场分布特性试验平台,研究了有无回风道、风速、热空气入口位置、热空气出口位置、入风口热空气温度对处理罩内温度场分布的影响。试验结果表明:风速、热空气入口位置、热空气出口位置、入风口热空气温度对处理罩内各截面温度场均有显著影响(P0.05);回风道不仅能使处理罩内温度场更均匀,而且能够降低能耗。通过试验得出柑橘黄龙病快速热空气处理的优选参数为:有回风道,风速14.5 m/s,热空气入口位于处理罩下层,热空气出口位于处理罩上层,且与入口呈90?,入风口热空气温度90℃。在该优选参数下,处理罩内温度从32℃上升到48℃,耗时约为9 min,处理罩内的温度极差为3.9℃,比非优选参数下罩内的温度极差相比下降了14.1℃。并在此参数下对柑橘黄龙病进行快速热空气处理田间试验,处理后病菌浓度平均降低80.28%。研究结果为黄龙病热空气规模化处理设备的优化设计提供参考。     

AS350B3e直升机航空喷施雾滴飘移分布特性

为了探究安装有AG-NAV Guía系统的AS350B3e直升机进行喷施作业时的雾滴飘移规律,以轻型机载北斗RTK差分系统获取的精准作业参数(时间、速度、高度、轨迹)为参考,进行了不同作业参数喷施试验。研究了该直升机以4种不同飞行速度范围进行单向式喷施作业时,对应的有效喷幅区域范围及雾滴飘移分布规律,对比了添加航空助剂对雾滴飘移距离及飘移量的影响。结果表明:有效喷幅区域的位置受自然风速和风向变化的影响,会向直升机航线下风向区域有不同程度的偏移;当直升机分别以70、90、100、120 km/h 4种速度参数进行喷施作业时,随着飞行速度的增大,有效喷幅宽度呈现先缓慢增大后急剧减小的趋势,100 km/h的飞行速度为有效喷幅宽度变化的峰值拐点;当侧风风速为1.1~2.3 m/s时,目标喷雾区的最小宽度在喷雾区域下风向水平距离27.61~48.94 m的范围内,且下风向受飘移影响距离均接近或小于下风向有效喷幅宽度,同时研究还发现雾滴粒径在200μm以下的雾滴更容易发生飘移,因此在作业时要预留至少50 m以上缓冲区(安全区)并合理选择航空喷头以避免药液飘移产生的危害;航空助剂的使用对于雾滴飘移量减轻效果显著,在同等作业条件下,添加航空助剂能够使雾滴飘移量减少33.94%。该研究结果可为直升机的喷施系统性能改进提供参考,对合理喷施农药、减少飘移、提高农药利用率具有重要意义。     

基于共振声学放大原理的涡激振动自发电装置设计与试验

为实现从自然环境中自动获取清洁能源,并给无线传感器和通讯模块供电,基于涡激振动及共振声学放大原理,设计了一种压电自发电装置。首先对位于该自发电装置内的压电悬臂梁复合结构进行力学分析;其次基于计算流体力学数值方法,对绕流圆柱后附加不同板长条件下的流场动力学特性进行分析,以明确悬臂梁长度对脱涡频率和升力、阻力系数的影响规律。利用有限元软件ANSYS对压电悬臂梁复合结构的横向往复振动进行数值模拟,确定了复合结构的横向振动频率随板长L的变化规律。最后对位于该装置两侧的亥姆霍兹共振器的结构尺寸进行优化设计,以使流场的脱涡频率、压电悬臂梁复合结构的一阶横向振动频率和共振器的谐振频率达到一致,从而使压电发电装置产生共振并输出最大的电能。试验结果表明,涡激振动自发电装置在5 m/s的风速下可产生两相峰峰值为6.0 V的开路电压,且上述3个频率达到一致。4~6.25 m/s为该自发电装置的自锁风速区间,在此风速范围内,自发电装置均能产生较大的电压。     

预切种式甘蔗种植机的设计与试验

【目的】研制一种预切种式甘蔗种植一体机,以便连续完成开沟、施肥、排放种苗、覆土、盖膜等一次性作业。【方法】利用有限元分析软件ANSYS对甘蔗种植机的机架进行模态分析,通过田间试验获取3种开沟犁的犁沟土壤扰动指数;设计液压传动系统、播种机构、开沟覆土装置、施肥机构和覆膜机构,并通过田间试验获得甘蔗种植机的种植深度合格率、覆土厚度合格率、种植密度、伤芽率、漏株率、施肥量稳定性变异系数、地膜破损率等。【结果】模拟结果表明当激励频率为134.47～514.35 Hz时,机架容易发生共振,且最大位移可达19.67 mm。田间试验表明凸线型开沟犁的土壤扰动指数为17.05,最大沟深可达19.13 cm,符合甘蔗种植沟深的标准。甘蔗种植深度合格率为83%,覆土厚度合格率为91%,种植密度为135 331 hm~(-2),伤芽率为4.7%,漏株率为4.5%,施肥量稳定性变异系数为6.1%,地膜破损率为51%,均符合甘蔗种植机的设计标准。【结论】该小型预切种式甘蔗种植一体机符合设计要求,能够显著提高甘蔗种植的效率。     

农用无人机超低容量旋流喷嘴的雾化特性分析与试验

针对农用植保无人机超低容量喷施作业时,使用液力喷嘴产生的雾滴粒径较大,离心喷嘴结构复杂、价格较高等不足,基于旋流雾化的原理并采用模块化方法,提出了一种超低容量旋流喷嘴结构。通过对旋流喷嘴内流场的流体动力学行为和雾化特性进行数值分析与试验,明确了流体的物理特性和旋流喷嘴的结构参数等对雾化性能的影响规律。研究结果表明,液膜表面的正弦波失稳是导致锥形液膜碎化为雾滴的主要原因,在旋流喷嘴的结构参数中,喷嘴出口直径是喷嘴雾化性能的主要影响因素。当喷嘴出口直径从1增大至1.5 mm,喷雾流量平均增大了46.23%,喷雾角平均增大了29.77%,产生雾滴的索特平均直径平均增大了15%。此外,喷雾流量还与旋流槽数量成比例,旋流槽的螺旋角主要影响喷雾角。喷嘴入口处的流体相对压强则对喷雾角及雾滴粒径有较大的影响,其中喷雾角随着相对压强的增大而增大,而雾滴的索特平均直径随压强的增大呈非线性递减,当流体的相对压强从70增大至160 k Pa时,系列化旋流喷嘴的索特平均直径降低了约25%~35%。此外对于旋流喷嘴而言,流体黏度的增大会导致喷雾角的减小,但适当增加流体的黏度(不超过纯水黏度的200%)可显著降低雾滴的平均粒径,提高喷嘴的雾化质量。该研究可为农用无人机超低容量变量喷洒系统的研发提供参考。     

甘蔗尾茎泊松比的试验分析

【目的】为甘蔗断尾机构的设计及数学模型的建立进行动力学仿真提供理论依据。【方法】利用精密型微控电子万能试验机和静态电阻应变仪对甘蔗尾茎生长点以下第5、6节甘蔗皮、芯、节部位进行拉伸试验,并用电测法与力学分析得出各组分的泊松比参数。【结果】甘蔗尾茎生长点以下第5节甘蔗皮同性面泊松比小于0.028,异性面泊松比为0.233;第5节甘蔗芯同性面泊松比小于0.174,异性面泊松比为0.271;甘蔗尾茎生长点以下第6节甘蔗皮同性面泊松比小于0.001,异性面泊松比为0.238;第6节甘蔗芯同性面泊松比小于0.223,异性面泊松比为0.289;甘蔗节同性面泊松比小于0.305,异性面泊松比为0.344。【结论】甘蔗尾茎内部不同部位的同性面泊松比存在显著差异,异性面泊松比差异不大;甘蔗尾茎生长点以下第5、6节皮、芯同性面泊松比有显著差异,异性面泊松比差异不显著。