微小型注入式直流混药器设计与实验

设计一种注入式混药装置,该装置可与柱塞泵喷雾设备配套,采用药剂与水并列注入混药方式,以霍尔元件间接测量的柱塞泵流量为变量依据,在分析混药泵与柱塞泵之间的线性关系的基础上,通过宽频调制技术控制原药注入量,实现了动态定比例的混药。试验结果表明,该系统工作可靠,混药比控制精度达到95%以上,可满足大部分田间施药作业要求。     

在线实时混药喷雾系统设计与试验

在线混药喷施技术具有喷施效率高、用药精准、环境污染小等特点。针对在线混药系统混药比范围小和农药小流量检测难等问题,设计了一种在线实时混药喷雾系统,作业过程中直接将混药注入喷雾泵的入口端实现混药的在线喷雾。设计了一种螺旋蜂孔板式混药器,蜂孔板有左旋和右旋两种,且交替安装。设计了一种碟形混药箱,由混药器流出的水药混合液在混药箱中进一步混合。系统使用精量柱塞泵供药,将药液直接注入喷雾系统;采用基于STM32嵌入式控制器实时检测到的水箱和混药箱的液位信息,通过电磁开关阀控制水的流量;水和药在螺旋蜂孔板式混药器中混合,切向流入碟形混药箱,最终由喷雾泵抽取进行喷施。为实现精准控制,对水箱出口的流量计和底部的压力计进行标定,得到水箱水位和压力计输出电压的关系模型及压力传感器输出电压和流量计之间的变化关系,并对水流量的控制精度进行了试验;对精量柱塞泵的转速与控制信号的脉冲频率以及转速和流量进行了标定,得到了转速与控制信号脉冲频率的变化关系,并对精量柱塞泵的供药精度进行了试验。在精量柱塞泵的工作流量范围内,采用同时对水和药分别进行测量的方法对混药比进行了试验,得到了混药比误差变化曲线。采用毒死蜱作为试验药液,对在线混药系统进行了混药试验,采用岛津液相色谱仪对采样点进行了浓度检测,得到各采样点实际浓度值,并与人工充分混药效果进行了对比。试验表明：混药比为150∶1～1000∶1时,混药比误差最大为6.75%;水流量平均误差为1.35%,最大误差为7.15%;农药流量平均误差为2%,最大误差为3%;在毒死蜱混药试验中,药水混合液浓度平均误差为11.7%。     

牵引式打药机精准喷洒系统的设计与试验

为减少农药对环境的污染,实现精准施肥,设计了一种高效、精准、简便的电控精准喷洒系统,并将其应用于牵引式打药机。基于PLC控制技术建立由数据设定、数据传输、流量控制、数据采集、上传计算、对比分析等组成的闭环控制系统,由PLC输出控制信号,控制电磁比例阀、电磁压力调节阀的开度,实现系统流量、压力调控。以牵引式喷药机行走速度、系统压力、设定单位面积施药量为试验因素,以单位面积施药量与设定值偏差量、喷头最大的喷雾量变异系数为试验指标进行正交试验,确定试验参数较优组合。结果显示：牵引式喷药机行走速度为7km/h,系统正常工作压力为1.0MPa,单位面积施药量为50L/667m²时,单位面积施药量与设定值偏差量小于3%、喷头最大的喷雾量变异系数小于10%。由此表明,系统具有良好的稳定性与精准的控制性,满足市场使用要求,符合国家检验标准,具有推广价值。     

在线混药技术国内外研究现状

混药是施药的第一步,混药质量的高低直接决定着病虫害防治效果。在线混药技术将药和水分开储存,施药作业时根据实际需要,对水和药进行控制并在线混合,相较于传统的人工预混药技术,减少了农药的浪费,保护了环境,同时避免了人与药液的接触,减少中毒的可能。     

温室轨道施药机器人系统设计

针对温室人工施药效率不足,且容易中毒的现状,设计开发了温室轨道施药机器人系统。结合探测、限位传感器输入信号及输出执行元件的特点,系统采用三菱PLC作为控制核心,控制移动搭载平台、电机、电磁阀及药液泵等各个部分,通过探测传感器定位作物行,调控PWM波占空比实施变量施药作业,从而实现温室自动化精准施药。实验结果表明:机器人定位准确率高,喷头流量与PWM占空比呈正相关,随着施药距离的增加,药液沉积量呈递减趋势;系统操作简单,自动化程度高,可以有效提高温室施药工作效率和农药利用率。     

在线混药式变量喷雾系统设计与试验

为实现在线混药式变量喷雾技术,设计了药、水独立存放混药装置,差压式流量计,流量控制阀,以及相应的控制系统.应用该系统对药、水分别进行流量计量和对药流量控制,达到变量喷雾的目标.试验结果表明,流量计误差在±2.0%以内,药流量控制误差在±3.0%以内.     

面向设施农业的背负式喷杆喷雾机结构改进与性能试验

针对设施农业病虫害问题更加突出,而植保喷雾机械仍以背负式手动喷雾机为主等现象,对常规背负式喷雾机的混药方式和喷杆结构进行改进,采用后混式在线混药,设计具有伸缩、展叠、升降等功能的喷杆架,可实现多喷头组合式喷雾。同时对改进后的喷雾机雾量分布均匀性进行试验,结果表明,喷雾机工作压力为0.4MPa,喷雾高度为750mm,喷头间距为500mm。喷杆水平布置时多喷头雾量分布变异系数为5.8%,均匀性较好,垂直布置时雾量分布变异系数为15.5%,虽略高于国家标准,但可通过增加喷雾压力或调节喷头间距满足喷雾均匀性要求。该设计既具有手动喷雾机结构简单、携带轻便的特点,又具有大型喷雾机施药精准、工作效率高的特点,适合设施农业的工作环境和病虫害防治。     

基于物联网的果园药水肥一体化控制系统设计与实现

针对山地丘陵果园生产作业中,病虫害防治和灌溉工作量大,人工成本上升,同时我国当前施肥模式粗犷、水肥浪费量大、肥液浓度不好控制等问题,结合物联网技术和互联网技术设计一种基于物联网的果园药水肥一体化控制系统。该套系统以基于CC2530的ZigBee节点为基础,结合MCU单片机及各类传感器,通过ZigBee网络实现远程监测和控制执行模块执行各种功能,同时采用模糊控制对水泵进行精准控制,实现对果树的精准施药、施肥和灌溉,并进行试验验证。结果显示,ZigBee网络的丢包率与距离没有明显关系,与上位机软件发包频率有一定关系;系统能够实现远程监测与自动控制,实时显示空气和土壤湿度、EC值和pH值等监测数据;混合药池的EC值经过系统调节690 s左右,达到设定值1.5 ms/cm,土壤EC值经过系统调节810 s左右,达到设定值1.2 ms/cm附近;同时系统根据不同的土壤EC值与混合药池EC值执行不同的灌溉方案与混肥、施肥方案,精准控制灌溉施肥,有较好的稳定性。     

基于农药光透性的混药比反馈在线混药装置

设计了基于农药光透性的混药比检测单元、采用PWM波占空比控制注入量的药液注入单元和以MSP430F149单片机为核心的低功耗控制单元,分别对各功能单元进行性能测试和标定实验,在此基础上构建了药液混药比反馈在线混药装置,并对农药百草枯进行1∶200混药比定点跟踪实验。结果表明,基于农药光透性的混药比反馈在线混药方法及装置可以实时获取混药比反馈信息,自动调节药液注入量,准确跟踪设定混药比,有效满足农药在线自动混药要求。     

在线射流混药浓度控制系统

为了解决在线射流混药存在的混药比可调范围窄、控制精度低的问题,实现射流混药的精确、智能控制,以LabVIEW为开发环境,设计上位机人机交互界面,以TI公司控制芯片TMS320F2812为核心设计下位机系统,上位机与下位机之间通过串口通信实现数据的共享.上位机可实现数据的输入与数据的显示及存储,下位机负责射流混药器水流量与药流量的独立控制,通过电动机转速与水流量的标定试验拟合得两者函数关系,通过电控阀控制电压与药流量的标定试验拟合得两者函数关系.基于此控制系统,研究了在不同混药比状况下射流混药器进水量及进药量的控制精度.通过水流量控制跟踪性能、药液吸入量随水流量变化、药原液控制跟踪性能等试验表明,水流量控制相对误差在2%以内,药流量控制相对误差在3%以内;设置混药控制系统,可获得适合实用的混药比值,显著（数十倍）增加混药比调节宽度.     

变量混药系统的研究

针对传统预混式混药方式和现有射流混药系统、静态混药系统等在线混药系统存在的问题,设计了由电磁计量泵、比例溢流阀、单向阀所构成供药回路,配合打药机的主供水回路,形成农药注入计量系统,可按实际混药需求相应控制药、水流量,达到在线精确混药的目的。对设计的混药系统在喷雾性能综合试验台进行混药试验,结果表明:在理论喷雾压力0.3～0.5MPa范围内,可精确满足1:1～1:100范围内的稀释倍数,能实现较大的混药比,混药比稳定;在不同作业条件下,流量总体误差小于5%。     

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%。     

一种混联喷雾机械臂视觉定位系统设计

为实现自动化精准施药,避免对温室中单株作物连续喷药所造成的大量药液浪费,设计了一种基于机器视觉定位的自动化喷雾系统。该系统可自动对目标作物进行大小及位置的检测,由DSP控制喷雾机械臂实现针对目标作物的精准喷雾。机械臂采用了三自由度混联结构,具有结构简单、成本低、刚性好、便于控制解算等优点。实验证明,该系统完全可满足针对单株作物冠层的精准喷雾定位要求。     

基于神经网络整定的PID控制变量施药系统设计与试验

针对常规的大田喷雾装备的定量施药方式,在机具行进方向上农药雾滴分布不均导致农药有效利用率低的问题,设计了一种基于神经网络整定的PID控制变量施药系统。该系统采用多传感器实时监测车速、流量、压力等信息,并以此作为控制依据,运用神经网络自学习能力修正PID参数,精准调控药液回流量,解决了现有变量施药控制算法存在的超调量较大、稳态误差较大、响应时间较长等问题,实现了大田单位面积内施药量恒定的目标。为验证本系统算法对精准变量施药的优越性,在Simulink平台下对常规PID、模糊PID和神经网络PID控制方式进行建模仿真,结果表明,神经网络PID控制在上升时间、超调量和稳态误差方面均优于其他两种控制方式。田间试验表明,在不同车速下,液滴沉积数量标准差均小于1.4个/cm2;在不同施药量、车速随意变化的情况下,机具纵向均匀度变异系数均小于6%;车速在4～11km/h范围内随机变化时,系统平均调节时间为0.72s,平均超调量为2.1%,实际施药量与理论值相差1.3%。     

水田风送低量喷杆喷雾机

采用气流辅助低量喷雾技术,提高了农药在作物上的分布均匀性和农药利用率;与水田四轮驱动通用底盘配套,在我国首次实现水田喷杆喷雾施药的机械化作业方式;在水田施药作业中,实现了喷杆折叠和     

基于混合蚁群算法和变论域模糊控制的混肥系统设计

为使水肥溶液更好满足果树养分需求,设计一个果园水肥一体化混肥系统。系统采用液位传感器、pH值传感器和EC值传感器检测水肥溶液参数,采用逻辑控制调节水、肥量和溶液EC值,通过基于混合蚁群算法的变论域模糊控制调节水肥溶液pH值。系统仿真及运行试验表明,该算法能够实时调节伸缩因子,将水肥溶液的pH值保持在7.0,实现水肥溶液pH值的精准调节,满足果树生长需要。     

母猪精准饲喂器机械结构及控制系统的设计

为动态满足母猪不同阶段营养需求,根据母猪个体体况进行个性化定时定量精准饲喂,开发一种精准饲喂装置及控制系统。设计雨刷电机驱动螺旋输送的供料机构,通过控制电机转速和转动圈数,实现单次精准下料。采用电阻式传感器监测水料液位,触碰开关监测母猪是否前来采食,根据采集信息进行单餐多次少量投料,尽量避免饲料的剩余。开发精准饲喂控制系统,根据个性化的采食量模型,设定餐次时间段、单次下料量、单次下水量、单餐最大量等关键饲喂参数,实现对预设饲喂量的准确投喂。该设备的应用相对于人工饲喂,有效提高哺乳母猪采食量。     

基于农药喷施溯源的精准变量喷药监控系统设计与试验

针对现有大田精准施药系统主要以药量变量控制为主,缺乏农药喷施作业数据远程监测与溯源管理等问题,本文设计了基于农药喷施溯源的精准变量喷药监控系统,可实现农药精准变量喷施,作业地块、作业时间、作业面积、农药种类与配比、喷施药量、喷雾压力、实时流量和作业速度等信息的在线监测、实时显示和溯源管理。基于该系统分别开展了施药量计算精度、作业面积计算精度、物联网数据传输稳定性、变量调控系统动态响应、变量调控精度和农药喷施均匀性等试验。试验结果表明,北斗定位测速最大误差为1.33%,平均误差为0.82%,施药量计算误差为1.73%,作业面积计算误差为2.61%,数据丢失率为3.51%;速度连续变化下系统稳定调节时间为4～5 s;不同设定施药量和作业速度下,变量调控精度误差为2.45%;雾滴沉积点密度大于20滴/cm²下,在喷雾机行走和喷雾方向上的喷雾覆盖率变异系数均小于10%,满足精准变量作业要求。本研究可在实现药量变量调控下对农药喷施数据进行溯源管理,为后续开展大田作物农药残留风险评估提供支撑。     

基于3D图像重构的水分散粒剂在线混合分析方法研究

采用图像方法进行混药器在线混合效果分析具有不干扰流场、评价方便快捷的优点。基于所构建的用于农药水分散粒剂(WDG)在线混合效果评估的试验系统,采用模拟粒子进行了WDG应用于混药器的在线混合试验,借助高速相机、全反射三棱镜采集了水平及垂直视角下混药器检测区域中颗粒的流动分布情况。采用基于形态学校正的方法对所采集图像进行预处理,利用迭代式阈值法对其进行分割,提取各视角中粒子重心坐标及归一化转动惯量(I)参数;根据对应粒子横坐标一致性及帧间粒子运动非突变性,实现基于双视角图像的粒子匹配、三维重构及进一步的帧间粒子匹配,从而提出粒子空间分布均匀度计算方法,并实现粒子速度矢量提取。采用上述方法对4种用于模拟不同物理特性WDG的粒子进行在线混合试验,结果表明:在混药器水平放置条件下,沉降速度越小,混合均匀度越高,这是因为颗粒直径越小、密度与水更为接近的粒子不具有明显向下的速度矢量,更容易被流化,使得实际WDG分散溶解后不会出现药水分布不均匀的现象,从而在混药器实际应用时解决了WDG混合效果不佳的问题。     

喷杆喷雾机射流混药装置试验研究

根据喷杆喷雾机喷雾系统设计了射流混药装置,并对射流混药装置进行了在线混药试验研究。测量两种不同参数的射流混药装置应用于不同的喷雾系统的工作参数和工作状态,结果显示,射流混药装置与喷雾系统存在参数匹配。若匹配不当,射流混药装置出现回流无法实现在线混药。射流混药装置的结构参数与喷雾系统共同决定射流混药装置的工作状态,喷杆喷雾机射流混药装置的结构设计应考虑喷雾系统的流量特性。