高地隙施药机自动驾驶系统研制与试验

针对农业自动导航、电动自动转向、农机自动控制、精量施药控制等关键技术的集成应用问题,该研究以高地隙喷杆喷雾机为平台,基于机电液一体化控制与软硬件标准化,研制了用于高地隙施药机的自动驾驶系统。根据底盘机构和工作原理设计了电控执行机构,实现发动机启停、转向、油门调节、车速调节、液泵启停、喷杆伸缩的自动控制。设计了基于CAN总线的整车通信控制网络,实现手动遥控和自动导航2种模式的自由切换。设计了基于姿态测量的定位误差校正方法,补偿导航定位过程中因机体倾斜造成的位置测量误差,提出地头转弯过程中的直线作业路径规划方法,以提高调头的准确性并保证邻接行的上线精度。在验证自动操控机构和通信控制网络稳定性的基础上进行了手动遥控和自动导航的对比试验。结果表明:作业速度3.6km/h时,遥控操作和自动导航2种模式下横向偏差最大值分别为20.81和8.84 cm,航向偏角最大值为7.86°和2.48°、横向偏差的均方根误差最大值为7.47和4.66 cm。该研究设计的高地隙施药机自动驾驶系统能够实时准确执行手动遥控和自动导航2种模式下的操作指令,自动导航模式下的路径跟踪精度较高,满足田间施药作业需求。     

2BST-160型播种机性能试验台研究

主要介绍了2BST-160型播种机性能试验台的总体设计、主要工作总成分析和试验结果。该试验台采用胶带运动系统、自动喷油刮种和基于图像处理分析的粒距检测系统，可实现精密播种机、谷物条播机和播种单体、排种器的播种均匀性试验及其他作业性能试验，具有检测准确、可靠、直观和粒距测量的可溯源性；采用全液压自动控制与十字轴机构实现播种机具在4个方向倾斜11°和高度升降调整模拟坡度播种性能试验；由计算机与PLC系统对执行机构进行实时控制，实现全自控的性能试验，同时也可手动方式进行试验。     

玉米去雄机去雄作业控制系统设计与试验

为推动中国玉米制种去雄机械化的进程,针对中国农业大学协助研制的去雄机,该文设计了一套包括主控板、显示屏和控制面板的去雄作业控制系统。系统可通过按钮操作实现去雄机构高度的手动调整,也可通过玉米穗高度信息的采集,控制算法的推导实现去雄机构高度的自动调整。系统控制参数由去雄机构的运动分析、车辆的作业车速和液压系统特性获得,并通过显示屏进行设置和显示。田间试验结果表明:去雄机安装本系统进行去雄作业,去雄效率是人工的18倍,去雄率达到96.16%,且去雄误差小于5%,满足去雄作业要求。该系统的设计为玉米去雄机的研制提供参考。     

基于ARM的变量喷药控制系统设计

为提高农药利用率,设计一套具有手动控制、自动控制和试验标定3种工作模式的变量喷药控制系统。该系统以ARM7系列的S3C44B0X微处理器为核心,在UCOS-Ⅱ操作系统环境下,使用C语言编程实现机具作业位置、行进速度、喷头入口压力以及喷头喷药量信息的采集与处理、网格识别和电动调节阀控制。喷头喷药量控制误差田间试验结果表明：喷药机以4.2 km/h（Ⅱ档中油门）速度工作,喷药处方量在465～600 kg/hm2范围内变化时,采用本系统完成变量喷药作业,系统喷头喷药量最大控制误差≤5%,满足变量喷药作业要求。     

基于CPLD的变量施肥控制系统开发与应用

为提高变量施肥系统的工作稳定性,开发了一种基于复杂可编程逻辑器件（CPLD）的变量施肥控制系统。自动模式下,系统接收GPS信号确定施肥机位置和行进速度;手动模式下,系统通过速度传感器获取速度信号。系统将施肥机的行进速度与施肥处方信息相结合,控制排肥轴转速实现变量施肥。应用该系统进行变量施肥田间作业,累计作业面积达72 hm2。应用结果表明,该系统以150～600 kg/hm2实施变量施肥作业时,其排肥量误差小于6%。     

机滚船遥控驾驶系统设计

为降低劳动强度,实现水田耕作无人驾驶,以南方使用较广的机滚船为研究对象,在不改变现有结构的基础上,设计了一种遥控驾驶系统。该系统主要由电控气动执行元件、信息处理单元、信号采集系统、比例遥控收发电路等组成,可实现对机滚船的离合、换挡、转向、耕深等精确控制。试验表明,该控制系统遥控距离大于70 m,转向半径小于2.3 m,直线行驶横向偏差小于25 cm,工作可靠,环境适应性强,具有很好的应用前景。     

温室对靶喷雾机器人控制系统

为提高施药作业中农药的有效利用率,减少农药残留与化学污染,根据现代化温室中篱架型植物的种植方式和生长特点,设计了3自由度喷雾机器人控制系统。机器人能够在高架导轨上根据黄瓜病害垄位置启停,并控制机械臂对植株病害表面进行预定位。设计了机器人系统手动与自动两种工作模式。研究了基于PC—PLC的机器人系统对靶喷雾策略,由电磁阀单独控制喷杆上各喷嘴的开闭。实现了对黄瓜植株以200 mm×200 mm区域的对靶作业。试验表明,机器人控制系统定位工作稳定,操作灵活,系统X轴定位精度：±3.6 mm,Y轴定位精度：±3.     

智能温室群集散控制系统设计研究

该文介绍了以ＩＢＭ－ＰＣ机为上位机、ＭＣＳ－５１单片机为下位机的智能温室群集散控制系统的工作原理及功能。阐述了该系统的软、硬件实现方法。系统操作方便,性能价格比高,为建立国产温室群生产基地,实现高效、规模生产提供了技术措施。     

油菜精量联合直播机气力排种系统性能和参数建模

为了了解油菜精量联合直播机气力排种系统工作参数及排种性能对油菜直播机作业性能的直接影响,该文应用JPS-12排种器性能检测试验台及自行研制的气力式油菜精量排种检测系统,开展了气力排种系统排种器单体负压流量与压强、系统各负压支路输气管压强及系统总负压输气管流量的试验,构建了基于系统总负压输气管流量与各支路输气管流量的神经网络模型,得出了系统总负压流量与风机转速、正压泄气孔大小的关系式及系统各支路输气管压强与流量的转换关系模型;同时以排种系统各行排量一致性变异系数＜5%、各排种器单转排量＞36粒等为约束方程,建立了以风机转速、排种轴转速及正压泄气孔大小为变量的整数规划模型,研究表明,所建立的系统工作参数及排种性能模型,对排种系统的性能优化与结构改进具有重要的理论价值和实际指导意义。     

小型无线遥控和实时配药喷施机的研制

为解决某些需要小型质保机械作业,而人工喷施农药工效较低且喷施过程中农药对操作人员身体的危害等问题,该文设计了以单片机为处理核心的无线遥控农药喷施机,并采取边喷施边配制的工作方式。该喷施机由蓄水箱、喷施系统、喷杆调节系统、行进系统、供电系统、无线遥控系统等组成,样机机身质量约为41.5kg,并对样机进行测试。测试结果表明,该农药喷施机行进速度最快可达1500m/h,性能平稳且可靠,最大可喷施面积为8000m2/h(而传统的手工喷施面积为1000～3000m2/h),喷施工效约是人工喷施的2～3倍,且通过远距离遥控完成喷施过程,保证了操作人员的安全,又因边施边配可避免喷施药液配制过多而造成农药的浪费及对环境的污染。     

雷沃ZP9500高地隙喷雾机的GNSS自动导航作业系统设计

为减少农药喷雾作业对人体造成的化学损害,该研究以雷沃高地隙喷杆喷雾机为平台,基于GNSS开发了自动导航作业系统,实现喷雾机在极少人工干预情况下的自动导航作业。通过对平台的机-电-液改造,实现了喷雾机作业系统的电气化控制。基于简化的二自由度车辆转向模型设计了以位置偏差和航向偏差为状态变量的直线路径跟踪控制算法,基于纯追踪模型设计了曲线路径跟踪控制算法。根据喷雾机田间作业需要设计了喷雾机一体化自动导航作业控制方法,使系统能够自动控制喷雾机完成直线、地头转弯行驶和喷雾作业,油门调节以及车辆启停控制。在1.3 m/s左右的前进速度条件下,分别在水泥路面、旱田、水田环境中进行了试验,测试结果表明:水泥路面车身横滚在–1.6?~1.5?范围,直线路径跟踪误差最大值为3.9 cm,平均值为-0.15 cm,标准差为1.0 cm;旱田地块车身横滚在–1.4?~3.3?范围,跟踪误差最大值为9.8 cm,平均值为1.3 cm,标准差为3.3 cm;水田环境车身横滚在–2.4?~5.2?范围,跟踪误差最大值为17.5 cm,平均值为2.2 cm,标准差为4.4 cm。试验数据表明,所设计的自动导航作业系统初始上线快速、地头转弯对行平顺、各设计功能执行可靠;导航系统具有良好的稳定性和控制精度,能够满足水田、旱田环境下的喷雾作业要求。     

基于多喷头组合的变量喷药系统的设计与试验

为了克服传统压力式和脉宽调制（pulse width modulation）调节控制方式的缺点,以及目前变量喷药系统的“较复杂,实现成本较高”的不足,该文设计了基于多喷头组合的变量喷药系统,建立了变量喷药影响因素模型,设计了变量喷药系统的管路、上位机处理系统及变量喷药控制器,运用流体网络理论建立喷药网络的数学模型,分析了系统的流阻。在喷雾试验台上搭建了变量喷药系统,试验数据分析表明多喷头组合的变量喷药系统是可行的,每种方式下喷药量与理论值误差均小于10%,可调节喷药量范围宽,农药的施用量大幅度减少。     

基于可编程控制器的猪胴体喷淋冷却作业控制系统设计

喷淋冷却是一种可以有效降低猪胴体预冷干耗的方法,但由于缺乏相关设备,生产中多采用人工作业的方式进行喷淋。针对人工作业中存在的劳动繁重、效果不稳定等问题,该文设计了一种以PLC(programmable logic controller)为处理器、触摸屏为人机界面的猪胴体喷淋冷却控制系统,该系统可实现猪胴体喷淋冷却作业的自动启停,并支持在触摸屏上人工调整喷淋作业参数等功能。干耗试验表明:人工喷淋的猪胴体24 h冷却干耗均值分别为:夏季1.59%±0.14%,冬季1.34%±0.10%,采用该控制系统分别为:夏季1.25%±0.07%,冬季1.19%±0.05%,相比于人工喷淋分别降低了21.4%、11.2%(喷淋参数:高频喷淋2 h、高频喷淋间歇时长30 min、低频喷淋4 h、低频喷淋间歇时长60 min、单次喷淋时长20 s)。该参数下,人工喷淋作业结束后,猪胴体需在预冷库内继续静置12 h才能将温度降至4℃,采用该系统完成喷淋作业后,继续静置7 h即可达到相同效果,减少了27.7%的冷却时间。该系统的猪胴体24 h降耗稳定性显著高于人工作业(P0.05)且不受季节影响(P0.05),且具有操作简单,工作稳定可靠等特点,能够免除繁重劳动,降低人力成本。可适用于与生猪屠宰有关的降温降耗领域。     

考虑喷雾高度的大田蔬菜对靶喷雾系统设计与试验

针对喷雾高度影响大田对靶喷雾准确性问题,该研究设计了融合喷雾高度的大田蔬菜对靶喷雾系统,适用于株间距大、冠层尺寸小的作物。介绍了大田蔬菜对靶喷雾系统的结构组成及工作原理,根据对靶喷雾作业环节的滞后特性,建立对靶喷雾滞后模型,提出融合靶标位置、靶标大小、喷雾机作业速度和喷雾高度的对靶喷雾控制方法,基于C37控制器设计了稳压喷雾系统和对靶喷雾控制系统,并进行试验验证。不同喷雾高度对靶试验结果表明,在作业速度为0.52 m/s的情况下,融合喷雾高度的对靶喷雾平均绝对误差和均方根误差分别不高于3.63和4.26 cm,比未融合喷雾高度的平均绝对误差平均减小4.30 cm,均方根误差平均减小4.57 cm,有效喷施率不低于92.6%,验证了融合喷雾高度对靶喷雾的可行性。田间试验结果表明,随着作业速度的增加,对靶喷雾有效喷施率和平均有效覆盖率下降。在作业速度不大于0.49 m/s时,对靶喷雾有效喷施率为93.5%,平均有效覆盖率为80.2%。较于连续喷雾方式,对靶喷雾节药率可达33.8%,可满足大田株间距大、冠层尺寸小的作物对靶植保作业需求。     

丘陵山地柑橘果园多方位自动喷药装置研制

针对现有自动喷药装置对丘陵山地不同树冠大小的柑橘果树适应性差的问题,该文设计了一种双向多方位自动喷药装置。通过模式转换机构,实现竖直喷药模式、45°倾斜喷药模式和对地喷药模式的任意切换,以满足喷药装置对不同大小柑橘树的适应性需求,提高农药的利用率。采用自动对靶模块检测果树冠层高度和高压雾化喷头组件至冠层表面距离;采用车速测定模块实时检测履带式手扶拖拉机行进速度。室内试验结果表明:在3种喷药工作模式下,装置射程与喷幅均符合植保机械作业质量要求;单次喷药量为72～190 L/hm2,符合低剂量喷药要求;超声波传感器布置在喷杆前方0.8 m处,当履带式手扶拖拉机行驶速度3～8 km/h时,有效降低了信号检测与处理滞后带来的对靶误差,对靶精度为99.7%,符合设计要求。田间试验结果表明:在竖直喷药模式和45°喷药模式下进行喷药工作,柑橘树冠层表面雾滴平均覆盖率分别为82.5%和78.7%,沉积密度分别为109滴/cm2和106滴/cm2;冠层内部雾滴平均覆盖率分别为16.1%和30.6%,沉积密度分别为35滴/cm2和64滴/cm2,喷药效果满足国家标准要求。     

考虑自然风的气辅式喷雾雾滴飘失特性建模与补偿

气流辅助喷雾在雾滴减飘方面确有效果,然而大田作业时,其减飘效果受到自然风、喷雾流量、风筒出口风速、喷雾角等多种工况的严重影响。该文采用多相流计算流体动力学软件,建立三维流场几何模型,依据不同工况参数对雾滴漂移特性的影响,利用均匀设计安排试验方案,研究雾滴在自然风、辅助气流综合作用下在连续相和雾滴粒子离散相的耦合规律,通过流体动力学仿真完成训练样本采集,采用多元相关向量机回归方法建立不同自然风速下减飘模型,并通过模糊决策支持系统对作物茂密程度和喷嘴与冠层间垂直距离进行控制参数修正。试验结果表明：多元相关向量机回归模型预测飘失率的平均绝对百分比误差为2.56%,自然风扰动中实测和预测飘失率平均误差为8.92%,其飘失规律与所建飘失模型基本吻合。研究结果可为面向雾滴沉积效果的喷雾主动控制系统设计提供参考。     

基于升降套筒体积调整的海蟹养殖定量投饵机设计

为满足工厂化循环水养殖的需要,该文通过触摸屏后端控制单片机升降套筒调整体积定量设计了一套自动投饵机,克服了常用称重法的精度易受振动影响、行走式投饵设备称质量和行走不能同时进行的缺点,在保证性能的同时简化了结构、提高了效率。对系统投饵精度性能测试结果表明:该系统能够定时完成启停和控制过程,在设定投饵量在5～7 g/次时,误差控制在8%以内;设定投饵量在9～13 g时,误差不超过4%,可以满足工厂化海产养殖的需求。该研究可为今后海蟹类单筐养殖科学化、智能化提供参考价值。     

果树农药精确喷雾技术

精确喷雾是以最低农药喷施成本和对环境的最小影响实现田间生态平衡。该文从基于地图和传感器以及机器视觉和图像处理三个方面综述了这一技术的研究进展。由传感器构成的喷雾控制器和果园喷雾机组成果园果树精确喷雾系统，在果园喷雾中调整喷雾参数，根据特定果树树冠的位置、形状针对性喷雾，实现对农药喷雾量的控制。近些年来，果树农药精确喷雾技术有较大的发展和各种不同形式应用。文章介绍了各项技术发展和实际应用效果。