基于Smith-模糊PID控制的变量喷药系统设计及试验

为实现精准变量喷药技术,该文设计了旁路节流式变量喷药控制系统用于变量喷药和幅宽调节控制,运用流体网络理论建立系统的数学模型,将模糊PID控制与基于喷药流体网络模型的Smith预估控制结合起来喷药量的调节,并对国产3W-250型喷杆喷雾机进行改造并构建喷药试验平台。试验结果表明,基于喷药流体网络模型的Smith-模糊PID控制算法的动态响应更快,降低了变量喷药系统滞后性和非线性的不利影响,超调量小于13.1%,稳态误差小于3.52%,且具有较好的适应能力和鲁棒性,为精准变量喷药控制提供一种实现方法。     

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。     

基于高频电磁阀的脉宽调制变量喷头喷雾特性

为探究基于高频电磁阀的变量喷雾特性,该研究采用高频、对信号快速响应的电磁阀设计了高于20 Hz的脉宽调制(pulse width moderation,PWM)变量喷雾系统;针对农业施药作业上常用ST标准扇形和IDK防飘喷头,测试了不同频率和占空比对流量、雾滴粒径、雾化过程、纵向沉积分布均匀性的影响。结果表明,在高频下,流量与占空比呈线性关系,随着频率的增大,流量线性区间减小,增大压力和频率,可以有效增大流量调节倍数,30 Hz时最大可达10倍;PWM喷雾时,瞬间雾滴粒径发生周期性变化,增大频率,雾滴体积中值中径(volume medium diameter,VMD)平均值受占空比的影响变小,占空比增大,VMD有减小的趋势,对于ST110-02号喷头各频率下VMD从占空比20%~100%下降了100μm;沉积试验中,频率和占空比都会影响沉积均匀性,对于IDK120-04号喷头,占空比为40%时,30 Hz下的C.V(coefficient of variation)值较15Hz减小了6.07%;15 Hz时,IDK120-02和04号喷头在占空比40%到100%变异系数分别下降了11.75%和18.31%;30 Hz时,两喷头在占空比40%到100%变异系数分别下降8.72%和12.24%,并且,ST喷头沉积均匀性优于IDK喷头。该研究为高频电磁阀在PWM变量施药系统中的应用及参数选择提供理论基础。     

阻尼喷头动能分布试验及模型

针对阻尼喷头外流场水力学特性研究较少的问题,该文研究了单位体积动能、动能强度与有无散水齿、不同喷嘴直径之间的关系。在工作压力分别为175、200、250和300 k Pa,喷嘴直径分别为3.6、4.0、4.4和4.8 mm下,采用激光雨滴谱仪对Nelson R33阻尼喷头的水滴直径、速度和数目等参数进行试验测试,并对试验结果分析及模型建立。结果表明:有无散水齿条件下的单位体积动能均有逐渐增大的趋势;距喷头相同测点处,单位体积动能随喷嘴直径的增大而减小;给出了有无散水齿下不同喷嘴阻尼喷头单位体积水滴动能分布模型,相关系数均在0.94以上;在距喷头0~4 m,不同喷嘴直径的动能强度较小且差值不超过0.002 W/m2,在距喷头较远处,不同喷嘴直径的动能强度差值较大,最大差值达到0.006 W/m2。有散水齿时,动能强度在不同压力下波动均比较小,差值不超过5%。该结果为进一步研究阻尼喷头外流场水力学特性提供理论依据。     

变量喷头实现均匀喷灌的研究

研究了为保证均匀喷灌,变量喷头各水力性能参数之间应具有的理论关系。采用极限理论和二重积分的数学方法推导了描述变量喷头转速、流量和射程之间瞬时变化关系的工作方程。结果表明,变量喷头的流量与射程平方和转速的乘积成正比。以方形喷洒域变量喷头为例,推导了方形喷洒域变量喷头射程随转角变化的理论方程,然后应用变量喷头工作方程推导了方形喷洒域变量喷头理论流量和转速方程。该文的研究结果为变量喷头及方形喷洒域变量喷头的设计提供了理论依据。     

基于处方图的室内变量喷药除草系统设计

为提高除草剂利用率,开发了一种基于处方图的变量对靶施药除草系统。该系统以S3C2410微处理器为核心,在linux操作系统环境下,能根据MATLAB软件对机器视觉系统采集的棉田杂草图像处理后生成的喷施除草剂处方图,控制不同喷头开关及实现4种喷药量。对棉花与杂草识别、杂草质心坐标及面积大小计算,网格划分、田间杂草定位以及喷头高度与间距关系等关键问题进行了研究。在室内试验台上对喷药系统进行了测试,当喷药系统压力为0.1 MPa,传送带速度为0.4 m/s时,50棵杂草对靶率超过90%,与传统喷药方式相比可节省除草剂用量60%以上。该喷药系统的设计,为实时变量对靶喷药除草机器人的研究提供了参考。     

基于PWM的电控精量喷嘴体设计与试验

针对现有农田施药系统变量喷雾精准化程度低、喷头不能独立控制等问题,该研究设计了具备流量调节功能的电控精量喷嘴体。根据精量喷雾系统工作需求,基于电磁学理论设计了由电磁线圈、定铁芯、阀芯和复位弹簧组成的电磁吸合机构,实现阀芯的高频往复运动。结合喷嘴体水流通道结构和阀芯往复运动过程,设计了阀芯末端型式和双向通水阀,实现水流的通断控制。采用脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation,PWM）信号控制电磁吸合机构的动作状态,改变每个周期内出水通道的开启时间,实现喷头流量的实时调节。设置不同的PWM信号频率和占空比、水泵压力,并采用高速相机测量电控精量喷嘴体在不同压力下单个周期内的喷雾时间,验证所设计的电控精量喷嘴体的工作性能。试验结果表明,当PWM信号频率为20 Hz、系统压力为0.3 MPa时,阀芯可开启的最小占空比为7%,阀芯可关闭的最大占空比为96%;在占空比区间[7%,96%]内,单个周期喷雾时间的平均相对误差为7.5%,相对误差最大值为55.1%;在占空比区间[20%,96%]内,单个周期喷雾时间的平均相对误差为3.1%,相对误差最大值为13.1%。说明该电控精量喷嘴体在占空比[7%,19%]范围内控制效果较差,在占空比[20%,96%]范围内具备良好的控制稳定性和准确性,能够满足精量喷雾的基本要求。     

冬小麦变量施肥机控制系统的设计与试验

为了实现冬小麦生长过程中的实时变量精准追肥,使用近地光谱探测技术,结合模糊PID(proportion integration differentiation,比例-积分-微分)控制技术,研究设计了适合中国大田作业的实时变量追肥机控制系统。追肥机采用轴分段式设计,开度和转速双变量调节,通过光谱传感器获取作物冠层归一化植被指数,结合追肥算法计算出当前的目标施肥量,采用测速和测距法反馈肥料流量信息,并根据追肥机实际行进速度,实时调整追肥量,实现精准变量追肥。试验结果表明,模糊PID控制具有良好的动态稳定性和跟踪性能,大田试验的结果表明,追肥机控制精度均达到90%以上,测速系统的检测绝对误差小于0.25 km/h,可以实现精准施肥的目标。该研究为变量施肥机的在线变量施肥控制提供了参考。     

摇臂式喷头组合喷洒均匀性的改进

该文针对摇臂式喷头副喷嘴为圆形,径向水量分布中部较高不利于组合的问题,根据水射流原理,设计出一种新型结构的副喷嘴,其上端设有盖板,起到阻挡水流的作用,使副喷嘴水流射出后主要分散在近处,从而有利于提高组合喷洒的均匀性。分别对15PY、20PY、30PY摇臂式喷头副喷嘴改进前后的水量分布进行了对比试验,同时,以正方形布置方式为例,计算出不同组合间距下的喷洒匀性系数。结果表明：副喷嘴的改进消除了改进前喷头中间部分水量,使径向水量分布呈“三角形”。改进副喷嘴后提高了均匀性系数,不同组合间距下的值均为80%以上,平均喷灌强度符合喷灌规范中的要求。最后,提出副喷嘴改进后15PY,20PY,30PY摇臂式喷头的最佳组合间距分别为1.2R,1.3R,1.1R,计算出组合均匀性系数值分别为85.6%,86.3%,85.3%。改进后的副喷嘴对喷洒均匀性有较好的改善作用。     

基于无线信号传输的喷头水量分布测试系统

现有喷头水量分布测试中存在雨量筒移动难,雨量传感器寿命低,水量分布软件无法展现水量分布图全貌的问题。该文提出了一套基于无线信号传输的喷头水量分布测试系统的解决方案。该系统采用Zig Bee无线技术和霍尔无触点开关改进了传统的双翻斗雨量筒。试验时按照水量分布测试要求将雨量筒以方格或径向布置在整个试验场,每个雨量筒都被编号并作为终端设备于整个网络中发送雨量信号,信号经路由器转送给Zig Bee协调器节点接收数据,最后通过串口由上位机接收。上位机采用Matlab的GUI编写水量分布测试软件,可以实时接收并绘图,计算相关参数、调整水量分布图观察角度和预测组合喷头喷洒情况。通过雨量筒试验,测试了雨量筒的精度和接收灵敏度,雨量筒精度误差不超过0.1 mm/h,接收无遗漏。最后该文对S800型喷头进行了水量分布测试并计算相关参数和绘制水量分布图,测试表明该文的喷头水量分布测试系统满足试验需求。     

果园仿形变量喷雾与常规风送喷雾性能对比试验

为深入研究不同果园喷雾机的喷雾性能及影响规律,探究仿形变量喷雾技术在果园植保作业中的适应性,该文采用一种基于(LiDAR)扫描探测技术的果园自动仿形变量喷雾机,与常用的传统风送果园喷雾机、定向风送喷雾机进行对比,分析了3种机具的主要喷雾指标:药液消耗、冠层内部沉积、仿形喷雾效果、地面流失及空中飘移.试验结果表明:与常规喷雾方式相比,仿形变量喷雾有效地提高了农药利用率和作业效率,最多可节省药液45.7％;传统和定向风送喷雾机纵向沉积呈现从上部到下部逐渐增加的趋势,仿形变量喷雾机能够根据树冠特征实时调节喷雾参数,纵向沉积呈仿形分布;与传统风送喷雾机和定向风送喷雾机相比,仿形变量喷雾机的雾滴飘移分别减少23.2％和42.7％,地面流失分别减少67.4％和58.8％.该研究为果树病虫害防治减量施药提供新方法与新装备,为精准植保机具的结构设计和性能优化提供参考.     

变量喷施系统电磁阀响应时间对液压冲击的影响

为研究电磁阀响应时间对脉冲宽度调制（pulse width modulation,PWM）变量喷施系统液压冲击的影响,该文构建PWM变量喷施系统流道的三维仿真模型,设定不同的电磁阀开启和闭合时间,利用Fluent软件模拟分析了电磁阀启闭时系统管路内液压冲击的变化。模拟结果表明：电磁阀启闭时所产生的液压冲击随电磁阀响应时间的增加而减小。利用PWM变量喷施系统对电磁阀启闭过程中的管路压力变化进行了试验测试,试验结果与模拟结果吻合,最大水击压强之间的相对误差小于10%。对电磁阀闭合所引起的液压冲击进行理论分析,间接最大水击压强公式适用于PWM变量喷施系统中电磁阀高速闭合时所引起的液压冲击的计算,并且电磁阀开启与闭合所引起的液压冲击呈线性关系,比例系数为1.91。研究可为系统中其他液压元件动态特性的研究提供理论支持。     

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。     

基于LiDAR的果园对靶变量喷药控制系统设计与试验

传统果园喷药方式带来的非靶标区域农药沉积和飘移造成了环境污染,同时农药过量喷施导致农药残留。该研究基于前期获得的果树冠层网格化体积计算方法建立单喷头流量脉宽调制（Pulse Width Modulation,PWM）控制模型,根据果园喷药作业需求建立控制器局域网络（Controller Area Network, CAN）总线通讯协议,采用高速摄影方法获得喷头开闭延时补偿距离为96 mm,通过实验室试验确定作业速度1m/s下的最佳网格宽度为210 mm,融合对靶喷药控制方法研发果园激光对靶变量喷药控制系统,并将该系统搭载在果园喷药机上集成研制果园对靶变量喷药机样机。实验室试验表明,喷头开启滞后距离为19 mm,喷头关闭滞后距离为41 mm。果园试验表明,喷头开启滞后距离为122 mm,喷头关闭滞后距离为185 mm;雾滴沉积密度大于20滴/cm2下,对靶变量喷药的雾滴覆盖率低于30%;在设定试验区域内,连续和对靶变量喷药的农药用量分别为4.53和1.71 L,对靶变量喷药节约药量62.25%。该系统可根据果树冠层位置和冠层体积变化实现对靶变量喷药。本研究将推动果园精准喷药技术的快速发展和应用。     

无人机静电喷雾系统设计及试验

为了实现无人机低空低量喷雾,提高无人机施药后的雾滴沉积效果,该文针对XY8D型无人机进行了静电喷雾系统整体设计,重点对无人机静电喷头结构和高压静电的供给进行了描述,并就静态条件下静电喷雾雾滴的雾化、荷电性能开展了试验研究,确定了0.4 L/min流量、0.3 MPa喷雾压力、8 k V充电电压作为该无人机的田间试验作业参数。在水稻田中分别采用水敏纸和聚酯卡收集方法开展了不同飞行高度、静电喷雾和非静电喷雾条件下雾滴沉积和飘移试验。试验结果表明,非静电喷雾时,飞行高度为2 m时,雾滴沉积效果较好,水敏纸上雾滴沉积个数达到56个/cm2;而静电喷雾使得雾滴沉积明显增加,在靶标冠层、中层和下层的雾滴覆盖率平均增加了35.4、26、9个/cm2。当航高分别为1、2、3 m时,雾滴飘移距离分别为12.1、15.8和18.6 m,飘移量分别为5.88、10.31和14.98μg/cm2;静电喷雾方式对抑制雾滴飘移的作用不大,但是聚酯卡上单位面积的雾滴沉积量分别增加了2.36、2.91、1.56μg/cm2。该研究为基于无人机开展静电喷雾研究提供参考。     

施药喷嘴分级可行性及方法研究

针对国产农用喷嘴的雾滴粒径分级数据及方法缺失的问题,该文依据ASAE S572.1标准,以NJS-01植保低速风洞为平台建立了雾滴粒径标准测试方法。在规范的测试条件和测量程序下,以Teejet 11001、11003、11006、8008和6510不锈钢芯扇形喷嘴为参考喷嘴,测试了Teejet F110、Lurmark F110、国产Lanao F110、YZS80、YZK80等24种待分类喷嘴在0.2、0.3、0.4 MPa下的雾滴粒径。在此基础上建立了参考喷嘴的雾滴粒径分级参考图,提出了基于该参考图的喷嘴分级方法。同时用Teejet、Lurmark标准扇形雾喷嘴的测试数据和厂家提供的分级结果,验证了喷嘴分级方法的正确性和适用性。该文运用该分级方法对国产Lanao F110、YZS80、YZK80系列喷嘴在不同压力下的雾滴粒径进行分级,可为该类型国产喷嘴的选型和应用提供参考。     

基于单片机控制的变域喷洒喷头水力性能试验

为解决变域喷洒喷头能耗过高、喷头节能效果不理想的问题,设计了基于单片机的控制器调控水泵转速,改变喷头工作压力,实现变域喷洒,研究喷头实现方形域喷洒时的水力性能和能耗。结果表明:方形域喷头工作压力实测值为107~225 kPa,能精确响应设计规律;实测射程变化范围为7.6~10.1 m,最短射程为最长射程的0.75倍,射程变化满足方形域喷洒要求;方形域喷洒实现程度的系数为97.2%,高于使用节流装置的方形域喷洒喷头;平均喷灌强度为2.8 mm/h,最高组合均匀度系数达77.7%,最佳组合间距为13~14 m,组合均匀度和组合间距与185 kPa时圆形域喷头一致。方形域喷洒比圆形域喷洒的能耗低30.3%。该研究可为变域喷洒提供一种低能耗的新模式。     

智能喷雾机器人的喷雾性能试验评价

摘要：该文对智能喷雾机器人温室对靶喷雾性能进行了试验评价。喷雾机器人采用视觉传感器采集植株和病害图像,提供病灶定位和病情信息。3自由度直角坐标系施药机械臂驱动变量喷嘴进行施药,根据病灶位置和病害程度选择性开闭喷嘴。试验对喷杆定位精度定量和药液节省率进行了试验分析。温室对靶施药机器人在3种病情等级下进行了试验,与传统施药方式相比,药液节省率达到60%以上,实现了对黄瓜等篱笆型植物精准施药。     

基于变量喷雾的果园自动仿形喷雾机的设计与试验

为提高果园喷雾机自动化与精准喷雾作业性能,设计了一种基于变风量与变喷雾量的果园自动仿形喷雾机,喷雾系统以冠层分割模型作为变量处方,采用扫描精度高的激光传感器作为探测源,以电磁阀和无刷直流风机为执行元件,通过探测果树冠层体积调节电机和电磁阀的脉宽调制(pulse width modulation,PWM)信号以实时调节风机转速和喷头流量。设计了可独立调节风量和喷雾量的雾化单元,通过各个独立风机产生的高速气流协助雾滴穿透冠层;喷雾机最大作业高度4.2 m。田间试验结果表明,在行株距为5 m×2 m的单株苹果树左右两侧平均沉积量分别为1.92和1.37 u L/cm2,最少雾滴数为46.2个/cm2,大于常用方法对风送喷雾中雾滴喷幅界定的20个/cm2;树冠轮廓与沉积量和风速变化拟合结果显示,设计的喷雾机能够根据树冠信息实现仿形变量施药。该研究为果树病虫害防治提供新方法与新装备,为精准植保机具的结构设计和性能优化提供理论与方法参考。