果园自动对靶静电喷雾机设计与试验研究

为适应果园病虫害防治的需要，研制了一种轻便、高效、省药、能减少对环境的污染、与国产小中型拖拉机配套的果园自动对靶静电喷雾机。通过多次结构改进和各种试验，采用基于红外传感探测技术，探测靶标的有无，将传统的连续喷雾改变为自动对靶控制喷雾，与风送式果园喷雾机连续喷雾相比，可以节省药液50%～75%以上，同时还解决了风送式低量与静电喷雾等关键技术问题。     

“十五”国家科技攻关计划重点项目“高效施药技术与机具研究开发”核心成果 果园自动对靶喷雾机

果园自动对靶喷雾机是中国农业大学植保机械与施药技术中心承担的国家“十五”攻关项目，2003年10月由国家农机具质量监督检测中心进行了性能检测，并通过了科技部的项目验收和鉴定。果园自动对靶喷雾机为果园病虫害的防治提供了一种新型精准、高效的施药机具，提高了农药的有效利用率和病虫害的防治效果，缩小了中国果园施药技术与国外先进水平的差距，其技术达到国际领先水平。通过生产应用，表明该机能够满足农业生产要求，     

果园自动对靶喷雾机红外探测控制系统的研制

针对目前果园自动对靶喷雾机红外探测控制系统易受环境影响、工作不稳定、探测距离近的缺陷,研制了一种由集成电路构成的果园自动对靶喷雾机红外探测系统。结果表明：系统的探测距离为0～6.15 m,最小识别间距小于0.3 m;系统工作稳定、灵敏度高、体积小、不受自然光的干扰。     

果园悬挂式柔性对靶喷雾装置研制与试验

为减少农药飘移损失,保护生态环境,该研究从提高喷雾有效性和降低喷雾装置对果树枝叶的机械性损伤出发,研制了一种悬挂式柔性对靶喷雾装置。该装置以东方红MS-304拖拉机为载体,采用超声波传感器探测树冠位置,利用霍尔传感器构建测速模块。对株距4.0 m、树高1.6 m、树冠直径1.4 m的橘树进行对靶喷雾试验验证悬挂式柔性对靶喷雾装置作业性能。试验结果表明：拖拉机行驶速度为0.5 m/s时,喷雾压力0.4、0.5及0.6 MPa对应的平均药液附着率分别为84.7%、91.7%、88.9%,药液附着率较高且接近,喷雾压力对药液附着率的影响不明显;拖拉机行驶速度为1.0 m/s时,喷雾压力0.4、0.5和0.6 MPa对应的平均药液附着率分别为64.2%、70.3%、75.8%,喷雾压力越大,药液附着率越高;拖拉机行驶速度为 1.5 m/s时,平均药液附着率低于50%,且喷雾飘移较为严重,不适宜进行自动对靶喷雾;拖拉机行驶速度和喷雾压力相同时,药液附着率按树冠上、中、下层顺序呈递减规律,且速度越高,递减规律越明显。研究结果对提高果园对靶喷雾的药液附着率具有较好的实用价值。     

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。     

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。     

果园风送式喷雾机气流速度场模拟及试验验证

为了研究果园风送式喷雾机气流速度场速度分布特性及各因素的影响规律,揭示果园风送式喷雾机的工作机理,基于CFD模拟建立了Hardi LB-255型果园风送式喷雾机气流场速度分布模型。设计试验验证了模拟结果,并模拟获得了其气流速度场的分布特性。研究表明,进口气流速度变化对喷雾机气流速度场分布特性无显著影响;与风扇中心距离不同的截面上气流速度分布的规律有差异;而喷头体对气流速度场分布特性有显著影响,能使气流速度分布产生波动。模拟和试验结果的对比表明,不同条件下,所建模型能较准确模拟喷雾机气流速度场的分布。     

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。     

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.     

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.     

3WQ-400型双气流辅助静电果园喷雾机设计与试验

为解决农药雾滴难以沉积到果树叶片背面,克服荷电雾滴荷电量在环境空间中快速衰退的难题。该文提出双气流辅助系统与静电喷雾系统相结合的方法,以拖拉机动力输出轴为液压传动系统动力源,研制了牵引式双气流辅助静电果园喷雾机。试验结果表明,19 kW 的拖拉机动力配置可以满足系统动力要求,轴流风机和离心风机的转速分别为1400、1800 r/min 可以满足所选试验对象对气流速度的要求;单个喷头喷出的雾滴在0.2 m 处的荷质比为1.0 mC/kg,且在喷雾距离为1.8 m 处依然带电;风送喷雾系统的垂直雾量分布规律、气流速度分布规律与纺锤型果树生物量分布规律相一致,其最大雾量与气流速度均出现在0.5～1.5 m 范围内;在施药量为3.5 L/min,作业速度为0.84 m/s 条件下,单侧喷雾时果树叶片正反面雾滴覆盖密度分别为115和47个/cm2,可以满足防治害虫的要求;冠层前部静电喷雾雾滴覆盖密度比非静电喷雾提高了20%,而冠层后部雾滴覆盖密度仅提高了7.2%。该研究为风送静电喷雾机设计与使用提供了参考。     

果树喷雾机防风罩对喷雾射程的影响

在对果树施药中,为减少风力因素导致的雾滴漂移,经济而有效的方法是采用防风罩。该文对防风罩进行研究与设计,制作了6种防风罩。针对防护罩防风效果,在密闭实验室条件下进行喷雾试验,选用日本池内公司生产的两种喷头;喷头移动速度为：0.51、1.21、1.91、2.60、3.30、4.00 km/h;试验的内容包括喷雾射程和雾滴的沉积均匀度。试验结果表明：两种喷头在不同速度下采用防风罩＃4时的喷雾射程比采用其他防风罩和无防风罩时分别平均提高了1.3%～13.2%和9.1%～17.3%。     

喷杆式喷雾机雾滴飘移测试系统研制及性能试验

为了测试并分析雾滴的实时飘移情况及飘移分布规律,该文研发了一套雾滴飘移测试系统,用于研究不同喷雾设备喷雾时产生的雾滴飘移特性并评价其飘移潜力。依照国际飘移分级标准ISO 22369-2-2010,在室内环境条件下对喷杆式喷雾机上6种扇形雾喷头的雾化性能参数进行了测试,对其飘移特性进行了对比试验并评价其飘移潜力dPV。结果表明:喷头与工作压力对飘移潜力影响显著(P0.05)。喷雾压力为0.3 MPa时,常规喷头XR110-04的飘移潜力最高,为33%。ID、IDK等气吸式喷头飘移潜力明显小于常规喷头(P0.05)。Lechler ID120-025喷头的飘移潜力最小,仅为6%。提高喷雾压力会使飘移潜力变大。研究结果可为减少雾滴飘移的施药技术研究与飘移分级的制定提供参考。     

果园管道喷雾系统药液压力的自整定模糊PID控制

果园管道喷药系统具有非线性、大时滞特性,且管道中药液的压力随喷嘴数目变化而波动。为此,对管道中药液压力采用了带变速积分、微分先行优化算子的自整定模糊PID控制。根据管道中压力的实际值与设定值间的误差及误差变化趋势,在线调整模糊PID的参数,经带有变速积分、微分先行优化算子的增量式PID算法计算,获得控制量以控制管道中药液的压力。试验结果表明：采用这种控制方法,与不使用自整定模糊PID参数的变速积分、微分先行PID控制相比,管道中压力响应的上升时间缩短18.42%,调整时间缩短12.56%,最大超调量减小4.43%,误差减小50%。该控制方法能满足果园管道喷雾系统中对压力控制的要求。     

基于GPRS的远程控制温室自动施药系统设计

针对温室环境施药劳动强度大,药雾对操作人员的健康影响严重的问题,该文研究开发了一种在温室(或温室群)中基于GPRS通信技术和集散控制原理的远程控制自动施药系统。采用多线程技术和socket编程技术设计了弥雾机远程管理系统软件,用户指令基于GPRS网络在上位机端与弥雾机端之间传输。根据弥雾机的不同工作条件定义了3种工作模式并设计了不同工作模式下的数据通信格式。弥雾机以STM32芯片为控制器采用Fuzzy-PID控制策略控制输出脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)信号,用SIM900A模块接收上位机数据。通过通信试验、弥雾试验及沉积试验对远程控制自动施药系统验证,结果表明:上位机软件能够准确向弥雾机发送控制指令,弥雾流量、总弥雾量误差分别在3.9%、5%以内,系统的反应时间约2.25 s,弥雾机速度设定为18 cm/s时雾滴沉积变异系数最小。该研究可为温室弥雾机的研制提供参考。