喷杆喷雾机精量喷雾测试实验台研制

精量喷施技术是大田植保作业的智慧化解决方案,而精量喷雾执行机构及其控制系统田间调试费时费力、可重复性差,且诸多参数无法调整,数据获取困难。针对这一问题,根据大田植保技术要求和喷杆喷雾机性能参数,通过对药液循环系统和喷雾测试系统等进行设计和计算,搭建了精量喷雾测试实验台。实验台主要包括喷雾测试系统、药液循环系统和速度模拟装置,可完成药液流量、压力实时感知和控制,喷杆区段独立控制、作业速度与药液流量的在线模拟与匹配。进行不同压力下实验台喷杆各段控制的喷量一致性及不同施药量、不同模拟速度下实验台的控制精度测试试验,结果表明:精量喷雾试验台动力发生装置可提供的最大压力和流量分别为1.5MPa、65L/min,模拟速度调节范围为0～20km/h,精量喷雾最大误差为1.34%,变异系数最大为0.05,能够满足精量喷雾系统调试和测试的基本要求。研究可为喷杆喷雾机智能变量作业的研究及其精量喷雾系统的设计和优化提供理论依据与技术支持。     

基于TMS320F28335的变量喷雾控制系统的研制

针对目前国内喷药机具自动化程度低、缺少控制系统的现状,开发了一种基于TMS320F28335的变量喷雾控制系统。通过触摸屏实现了药液液位、喷药压力、喷药流量、作业速度、药液温度和作业面积的显示,以及药液液位过低报警;系统能够根据设定的亩喷量和采集的作业速度自动调节阀门开度,实现了变量喷雾施药的目的。田间试验结果表明:该系统工作稳定可靠,误差率低,对农业生产和提高经济效益具有重大的意义。     

喷杆喷雾机智能控制系统设计及试验

为提高喷雾均匀性和农药的有效利用率,针对大田作物施药的农艺要求,设计了一种安装于大田常用喷杆喷雾机的喷雾机智能控制系统,并介绍总体方案和工作原理。该系统主要包括变量施药、喷杆高度自动调节等功能,变量施药系统通过变量调节阀调节喷雾流量,通过喷雾量与作业速度自适应控制模型,实现作业过程中药液均匀喷施;喷杆高度调节系统采用超声波传感器检测喷头与作物顶端的距离,根据设定的目标高度,控制电动缸动作,调节喷杆高度。试验表明:变量喷雾控制系统能够根据设定喷量和作业速度的变化准确发出调控指令,控制流量调节阀动作进行流量调节,提高了喷雾作业的均匀性,喷雾精度误差最小为2.24%,能够有效提高喷药作业质量;喷杆高度调节最大误差为5.40%,提高了喷杆与作物顶端距离调整的准确度。     

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。     

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%。     

喷杆喷雾机变量喷雾控制与测试试验台设计*

为满足喷杆喷雾机变量喷雾技术需要,设计一种喷杆喷雾机变量喷雾控制与测试试验台,实现对已有的变量喷雾装置的实时控制以及性能测试。变量喷雾控制与测试试验台由控制系统和数据采集系统组成。控制系统以西门子S7-200 系列PLC为基础,由动力系统、驱动系统、流量系统和变量控制系统组成;数据采集系统采用数据采集模块与传感器获取管路流量、压力、转矩和行驶速度等参数,通过LabVIEW软件对采集的参数进行实时显示和存储。转速工况下的流量精度测试试验显示平均流量误差为4.0%,可作为判定变量喷雾装置性能的一个技术参考;试验表明该试验台可有效实时控制喷杆喷雾机变量喷雾控制部件,满足喷杆喷雾机变量喷雾控制部件的性能测试需求,为制定变量喷雾质量评价技术规范提供技术参考。     

3WPZ—2000型自走式喷杆喷雾机的设计研究

随着新疆、东北等地区大田经济作物种植面积的逐年增加,现有的中小型喷雾机存在作业效率低、种植行距限制、作物植株高低限制等诸多缺点,现代化大型精量喷雾机的开发迫在眉睫。本文设计一款自走式喷杆喷雾机,整车采用静液压驱动行走系统;驾驶室和喷杆高度液压可调,轮距液压可调,满足2 200mm以下作物高度的喷雾作业,作业效率高、适应性强。样机田间试验表明:作业工况下最高速度12km/h,转场工况下最高速度25km/h;药箱容量2 000L,传感器容量显示误差±4%;喷杆喷幅21m;轮距1 900~2 700mm液压可调,两侧变距误差≤2.5%;驾驶室和喷杆离地高度500~3 000mm液压可调;喷药系统可实现变量喷雾,整车结构性能稳定。     

基于顶芽智能识别的棉花化学打顶系统研究

设计了基于顶芽智能识别的棉花化学打顶系统,为实现精准作业,合理高效使用棉花化学打顶药剂,以减少因化学打顶剂的过度使用造成的环境污染。该系统主要由棉花顶芽识别系统、控制系统和喷施系统组成。采用YOLO v5s算法构建棉花顶芽识别模型。控制系统采用STM32F407单片机,负责接收识别系统的信号,并对各个棉花打顶剂管道进行控制。同时,显示界面能够实时显示机具行驶速度、药液流量、打顶剂液位等参数。试验结果表明,在田间全天光照试验中,上午和下午时间段识别效果最优;在速度0.4 m/s下,平均识别率约为94%;信号发送区间为100 mm时,成功向下位机发送信号的成功率达到92%;田间对靶喷施试验表明,有效喷施率为94%,满足作业要求。     

喷杆式果树苗圃打药机喷头间距设置与研究

应用喷雾性能综合试验台对喷杆式果树苗圃打药机的喷头特性进行综合测试,得出单喷头在工作压力为0.4MPa时的喷量、雾锥角以及不同作业高度下喷雾量的分布情况。采用单一变量法进行多喷头喷洒实验,对实验数据进行对比分析知,当喷头距离靶标的高度为500mm,喷头间距为550,600mm间隔布置时喷洒效果最佳。同时,利用综合试验台对该布置形式下多喷头喷洒均匀性进行了测试,效果良好。根据苗圃行间距的变化规律,调整喷头在喷杆上的布置间距,能够确保药液有效地沉积在苹果苗植株上,减少了药液浪费,减轻了药液对土壤环境的危害。     

基于机器视觉和北斗定位的小麦变量喷雾系统研究

针对传统植保喷杆喷雾机作业时各喷头以同等药量喷洒的方式导致农药浪费、利用率低和污染环境等问题,以生长前期的小麦为研究对象,设计一种基于北斗定位系统和机器视觉的小麦变量喷雾作业系统。通过双平面高度投影法完成对感兴趣区域获取,研究了速度、植株密度对喷雾的影响,提出变量喷雾流量的控制方法。在定位系统规划的目标区域内,通过机器视觉处理实现变量喷雾,试验结果表明,相同机组速度下,植株密度稀疏区相对植株密度正常区的平均雾滴覆盖率平均减少12.06%;相同植株密度下机组前进速度0.75 m/s相对1.50 m/s的平均雾滴覆盖率平均增加3.94%。在满足喷雾标准的情况下,可以在不同速度、不同植株密度下实现变量喷雾。为验证目标区域边界行驶速度对等级变换准确度,进行定位传感器实时判断在目标区域边界喷头相对位置并控制开闭,试验结果表明,在行驶速度为0.50 m/s时准确度最高,区域边界行驶超出量误差平均值为48.72 cm;为验证行驶方式对喷雾等级变换准确度的影响,使用北斗定位系统在目标区域边界开展行驶方式对喷雾等级变换准确度的影响试验,试验结果表明,驶入目标区域超出量误差平均值为7.20 cm。     

实时精确变量喷雾系统的设计与研究

变量喷雾作为精确农业的重要组成部分,日益受到农业工程领域的重视。针对目前变量喷雾主要使用预混药式、无法实施调节药液浓度的现状,设计并开发实时精确变量喷雾系统。介绍该系统的设计原理及设计过程,进行药液浓度精确度试验。试验结果表明,本装置实时混合药液浓度误差不超过5%,性能指标满足使用要求。     

基于模糊控制的车速跟随变量喷雾系统设计与试验

针对目前大田宽幅机械变量喷雾精准化程度低、农机车速变化对喷雾效果影响考虑不充分的问题,为了提高精准施药、施肥能效,基于3WF-1000型喷杆式喷雾机,设计了一种自适应跟随车速的变量喷雾系统。该系统采用传感器实时采集农机行进速度、出水管流量与压力、药箱液位高度等信息,运用Bisector模糊控制算法优化控制策略,实现了比例阀阀门变化角度的动态控制,达到了对出水管流量精准调控的目标。为验证Bisector模糊控制算法应用于本系统的优越性,利用Matlab构建仿真模型,与PID算法、Centroid算法对比分析,Bisector模糊控制算法在调节时间、超调量、稳态误差方面均表现优越。田间试验过程中,进行了非行走设定车速、恒定车速跟随、动态车速跟随以及单位面积喷雾量试验,结果表明,3种车速运行状态,变量喷雾系统适应扰动达到稳定运行的调节耗时分别为13.4、27.6、17 s,单位面积喷雾量的最大绝对误差比率分别为1.20%、2.27%、2.87%,能够满足大田精准施药的精度要求。     

基于模糊控制的车速跟随变量喷雾系统设计与试验

针对目前大田宽幅机械变量喷雾精准化程度低、农机车速变化对喷雾效果影响考虑不充分的问题，为了提高精准施药、施肥能效，基于3WF-1000型喷杆式喷雾机，设计了一种自适应跟随车速的变量喷雾系统。该系统采用传感器实时采集农机行进速度、出水管流量与压力、药箱液位高度等信息，运用Bisector模糊控制算法优化控制策略，实现了比例阀阀门变化角度的动态控制，达到了对出水管流量精准调控的目标。为验证Bisector模糊控制算法应用于本系统的优越性，利用Matlab构建仿真模型，与PID算法、Centroid算法对比分析，Bisector模糊控制算法在调节时间、超调量、稳态误差方面均表现优越。田间试验过程中，进行了非行走设定车速、恒定车速跟随、动态车速跟随以及单位面积喷雾量试验，结果表明，3种车速运行状态，变量喷雾系统适应扰动达到稳定运行的调节耗时分别为13.4、27.6、17s，单位面积喷雾量的最大绝对误差比率分别为1.20%、2.27%、2.87%，能够满足大田精准施药的精度要求。     

3WP-500型喷杆式果园喷雾机的设计与试验

针对现有果园手动式、踏板式喷雾器存在的施药液量大、雾化性能不良、作业效率低、适应性差及污染环境等问题,设计了3WP-500型喷杆式果园喷雾机。该喷雾机主要由机架、传动装置、三缸柱塞泵、喷雾装置及药箱等部件组成。田间试验结果表明:在喷嘴直径1.1mm、药箱压力3.6MPa、机具前进速度3.2m/s时,平均药液沉淀量为3.48ug/cm2,平均喷幅为19.4m,技术指标符合果园喷雾的规范要求。     

遥控喷杆喷雾机设计与试验

针对大田蔬菜种植病虫害防治需求,利用高地隙四轮转向液压底盘,设计一种遥控喷杆喷雾机。采用PID控制算法设计液压驱动系统和变量施药系统。液压驱动系统通过对比实时采集的实际车速和轮速计算各轮滑转率,以理想滑转率为控制目标进行实时动力分配;变量施药系统根据实时采集的实际车速和预设的目标单位面积施药量换算目标流量,以目标流量为控制目标进行实时喷雾流量调节。在韭菜田进行不同车速下的性能考核试验,结果表明：滑转率最大的车轮为左前轮,滑转率均值为6.14%,能稳定在理想滑转率范围内;滑转率最小的左后轮是轮上载荷最大的车轮,滑转率均值为0.76%,显著小于其他车轮;喷雾作业雾滴沉积率均值为93.4%,变异系数为21.6%,变量施药系统随速调节功能良好,但作业质量随着车速增加而略有下降。该喷雾机可为大田蔬菜种植智能化植保机械的研制提供参考。     

3YZ-80A型履带自走式玉米行间喷雾机设计与试验

针对玉米中后期封行后人工施药劳动强度大、作业效率低、传统喷雾机喷药穿透性差,且窄行距下机具行走稳定性差等问题,结合玉米种植农艺和冠层中部病虫害防治的要求,设计了3YZ-80A型履带自走式玉米行间喷雾机,该机主要由自适应仿形履带差速驱动底盘、Y形双喷头脉冲式喷雾装置、喷药监控系统组成,能够满足600mm以下的窄行距玉米冠层中部叶片喷施作业的空间要求。为了提高作业效率和喷雾效果,以喷射角、药液嘴位置、喷施距离为试验因素,雾滴体积中径D50为喷雾系统性能评价指标,开展二次旋转正交组合试验,利用Design-Expert 8.0.6软件对数据进行方差和响应面分析,建立试验因素与指标之间的数学回归模型,分析了显著因素对评价指标的影响变化规律,得到喷管最优组合参数：喷射角为60°、药液嘴在喷管上的位置为610mm、喷施距离为2.37m。田间试验结果表明,随着作业速度的提升有效防控区域显著降低,当作业速度在0.6~1.1m/s时,雾滴覆盖率大于10%的有效喷施幅宽为6~8m;当作业速度大于1.3m/s时,雾滴覆盖率大于10%的有效喷施幅宽不足4m。     

一种智能遥控变轨式喷杆喷雾机的设计

针对大面积菠萝种植人工喷药或施叶面肥作业劳动强度大、效率低等问题,基于作物种植垄距不同、生长高度不同等特点,课题组设计了一种智能遥控变轨式喷杆喷雾机。喷雾机采用履带式液压驱动,喷雾机底盘根据作物种植垄距和高度的不同,采用液压升降和液压变轨距调节适应作业要求;喷杆采用平行四边形机构液压升降调节喷雾高度,采用电动推杆实现展开与折叠;喷雾系统采用电磁离合器、电磁球阀和电控调压阀智能控制,从而可以远程控制喷雾启停并实现变量喷雾;增加倾斜报警系统,超过设定坡度值时,机器发出危险报警;喷雾机配置全景摄像头,在遥控器中显示多视角界面以及整机状态与参数,能实现200 m无线遥控远程操控作业。研究结果表明,智能遥控变轨式喷杆喷雾机应用于菠萝田间喷药或施叶面肥等植保作业,无需作业人员下地工作,通过远程控制喷杆喷雾机即可完成,能有效避免菠萝带刺叶片以及喷雾对人的伤害,大大促进了菠萝种植机械化智能化发展。     

喷杆式喷药机喷杆高度调控系统设计与试验

为提高大田喷雾药液利用率,喷杆式喷药机作业过程中喷杆需要与作物冠层顶端保持某一设定距离并保持近似平行。为此,针对大田喷药喷杆仿形控制应用需求,设计了一种喷杆高度调节闭环控制系统。系统由喷杆机械机构、喷杆高度探测模块、液压调控系统、控制电路和控制软件组成,使用超声波传感器实时探测喷头与作物冠层之间的距离,与用户设定目标距离进行比较后控制液压阀动作,以实时调节喷杆高度。对喷杆高度调控系统调节性能进行了试验,结果表明:调节高度为20～60cm时,系统调节过程无超调,最大调节时间为10.1s,最大稳态误差为3.1%。系统调节精度高,运行稳定,可有效实时调节喷杆高度,为喷杆喷雾机仿形喷雾控制提供了算法支持。     

实时混药式变量喷雾药液均匀性试验

实时混药式变量喷雾是依据作物对药液浓度的需求进行喷雾,对节约农药、减小污染有积极效果,而混合液的均匀性对喷药效果有重要的影响。依托3WY-A3型喷雾机完成了四喷雾头和单喷头的实时混药实验;为提高混药均匀性设计了药液混合器,并为之进行了混药对比实验。实验表明,无混合器时浓度均匀性稍低,最大平均相对偏差为±9%;使用混合器时药液的均匀性得到明显提高,最大平均相对误差为±3%,并达到均匀混液的要求。     

基于ANSYS的农药喷雾装置设计与模态分析

传统农药喷雾机具作业同步性较低、机械折叠展开复杂及震动幅度大等问题,无法满足越来越严格的作业要求。为此,基于ANSYS对农药喷雾装置进行设计与模态分析。结果表明:不可变数据与喷杆振型存在一定的关联性,计算得到的相关参数具有可靠性。针对各阶段的固有频率进行整合,根据对比分析能够可知:最大误差值为7.15%,二者固有频率大致相同,说明建模分析结果比较准确。试验结果表明:当农药喷雾装置的作业速度为1.25m/s、农药喷射压力为0.3MPa、喷杆与地面之间的距离为600m时,农药喷雾装置的作业均匀性与覆盖性良好,喷杆在喷射过程中没有明显振动现象,沿杆喷雾量、喷头喷雾量及沉积量三者的变异系数分别为13.62%、2.56%、31.25%,符合国家相关标准,满足植保农艺要求。