农用无人机药箱防晃内腔结构优化设计

针对农用无人机易受药液晃动造成失稳的问题,分别采用水平阻尼格栅和竖直阻尼格栅对药箱的内腔结构进行优化设计.以激励方向液体重心相对箱体的位移幅值和液体对箱体侧壁的冲击力为评价标准,采用Fluent软件中的流体体积(volume of fluid,VOF)多相流及非稳态k-epsilon湍流模型对无人机侧向急停激励下,10％、30％、50％、70％和90％的充液率,格栅布置高度为箱体高度的30％、50％和70％,采用不同槽数的水平和竖直阻尼格栅的防晃效果进行了仿真.仿真结果表明,2种阻尼格栅都减小了晃动液体在激励方向的重心变化.在液体对箱体冲击力方面,当液面高度和布置位置重合时水平阻尼格栅会造成液体对箱体的冲击力分别增加34.4％、24.5％和15.1％,其余位置的水平格栅可以减小液体对箱体的冲击力,并在槽数为6时趋于稳定;竖直阻尼格栅使30％、50％和70％充液率下液体对药箱的冲击力降低了42.6％、51.1％和61.7％,并在格栅槽数为9时趋于稳定.据此,选取在30％和70％的药箱高度位置布置6槽的水平阻尼格栅以及9槽竖直格栅作为最终药箱的内腔结构,并制作了实物进行台架试验,试验结果与软件仿真结果相符,优化改进后的药箱对液体的晃动有较好的抑制作用.     

油菜无人机飞播装置设计与试验

针对丘陵山区油菜种植面积逐步扩大和平原地区稻油茬口矛盾突出的生产现状,结合无人机飞播作业不受地形限制、作业速度快、工作效率高和适用范围广等优点,该研究开发了与极飞P20四旋翼无人机平台配套的油菜无人机飞播装置和控制系统。分析确定了飞播装置种箱、充种漏斗、槽轮等的结构参数,并研制了相应的控制系统。在分析无人机飞播质量影响要素基础上,建立了无人机旋翼气流场仿真模型,并以充种漏斗长度和槽轮转速为试验因素开展台架试验。仿真分析和台架试验结果表明,旋翼气流场对油菜种子的空中漂移运动轨迹有较大影响,根据获得的无人机飞行速度与槽轮转速关系模型,确定了旋翼气流场对种子影响较小的参数组合：导种管出种口与无人机旋翼距离300 mm,充种漏斗长度53 mm,槽轮转速10～50 r/min、无人机飞行速度2～4 m/s。场地试验表明：导种管出种口横向距离为1.1 m,无人机飞行高度为2～2.5 m时,无人机有效作业幅宽2.15～2.45 m,种子分布均匀性变异系数为32.05%～34.78%,装置作业性能较好,满足油菜农艺种植要求。研究结果可为油菜无人机飞播配套装置设计提供参考。     

蛋鸡个体生产性能参数监测装置设计与试验

为了方便、准确记录不同环境下蛋鸡个体生产性能参数,解决手动测定误差大,对鸡造成应激等问题,设计了蛋鸡个体生产性能参数自动记录系统。通过传感器、光电传感器获取蛋鸡个体采食量、饮水量、排泄量、产蛋时间、蛋质量等生产性能参数,借助于C#程序进行数据处理,实现了蛋鸡个体生产性能参数的实时连续记录。试验结果表明:系统运行稳定,采食量相对误差为0.32%;饮水量相对误差为0.24%;排泄量相对误差为0.48%;蛋质量相对误差为0.17%,产蛋时间记录精度可以满足个体蛋鸡产蛋时间记录要求。该研究可为蛋鸡个体生产性能参数自动监测提供参考。     

基于无线传感器网络的无人机农田信息监测系统

移动无线传感器网络技术为农田信息监测提供了高效可行的技术手段。该研究根据南方农田地块相对分散、丘陵山地多,农情信息获取环境恶劣、采集数据时间周期长、网络分割成块的特点,利用UAV(unmanned aerial vehicle)具有的高效、灵活的特性,结合低功耗无线传感器网络,提出一种满足南方农田信息获取采样和数据业务需求的三层架构的无线传感器网络体系结构TUFSN(three-tire unmanned aerial vehicle farmland sensor network),其由数据采集层、中继传输层和移动汇聚层组成,该体系结构具有系统结构合理、可扩展性好、系统整体能耗低等特点。通过仿真可得中继节点RN（relay node）的缓存大小范围为3～13kB,系统试验中携带移动节点的UAV以1m/s的速度、15 m的高度在农田上空飞过,飞行过程中与地面中继节点通信并采集农田信息,UAV与地面中继节点的平均通信时长为26 s,仿真和试验表明,基于UAV的三层架构农田信息采集无线传感器网络很好地满足了南方地区农田信息数据采集和监控的生命周期长、传输数据可靠、覆盖面积广的要求。     

基于无人机影像的农情遥感监测应用

该文以中国农业科学院（万庄）农业高新技术产业园及周边地区4.2×3.1 km的范围为研究区域,利用无人机搭载RICOH GXR A12型相机进行了航拍试验,主要测试了定位定向系统（positioning and orientation system,POS）数据辅助下光束法区域网平差方法平面定位及面积测量精度,以及无人机影像的作物面积识别精度。结果表明,在无控制点约束条件下,直接采用POS数据进行光束法区域网平差后,以中误差表示的平面定位精度为X轴方向（东西方向）中误差为2.29 m,Y轴方向（南北方向）中误差为2.78 m,整体平面中误差3.61 m;采用3阶一般多项式模型进行几何精校正,X轴方向中误差为1.59 m,Y轴方向中误差为1.8965 m,整体平面中误差为2.32 m,符合《数字航空摄影测量空中三角测量规范》中对1∶10 000平地的平面精度要求,能够满足农作物面积遥感监测中作物面积调查定位精度的要求;采用监督分类和面向对象分类2种方法,对面积评价区域种植的春玉米、夏玉米、苜蓿和裸土4种地物类型进行分类,以差分GPS调查结果为评价标准,4种作物总体识别精度分别达到了88.2%（监督分类）和92.0%（面向对象分类）,单独分类精度分别为88.9%、86.7%、93.0%、86.6%和90.35%、92.61%、94.93%、93.30%。研究结果说明了无人机遥感影像获取小范围、样方式分布的作物影像方面具有广泛的应用前景,推广后能够满足全国农作物地面样方对高空间分辨率影像的需求,可以部分替代现有人工GPS测量的作业方式。     

橘小实蝇成虫诱捕监测装置的设计与试验

为了解决现有的害虫机器监测技术与传统的监测手段结合存在的实时监测难度高、信息处理困难、成本高等问题,该文设计研发一种适用于果园环境的橘小实蝇成虫诱捕监测装置用于监测橘小实蝇成虫虫口密度。该装置外观由遮光罩、进虫口、虫口监测区和储虫瓶构成,信号检测模块包括红外光电耦合传感器匹配电路、电压跟随器电路、差分放大电路和迟滞比较器电路4部分。性能测试结果表明:该诱捕监测装置底部储虫瓶有、无遮光处理时,相应的感应电压均值分别为3.923和3.883 V,差异显著(P0.05),且上述2种方式均能使检测探头输出工作在线性区域;虫口监测通道管壁设计成黑、白、蓝3色,在自然光照条件下,管壁颜色对监测探头感应性能无显著差异性(P=0.606);监测区域不同区域位置感应输出响应也无显著差异性(P=0.797),区域位置对监测输出误差影响可以忽略。应用该诱捕监测装置和人工计数方式在橘小实蝇成虫发生高峰期连续5 d 24 h监测成虫虫口密度,结果表明该装置监测相对误差为3%~8%,相比传统的人工计数方式,具有实时、自动化监测的优点,能够满足现有的橘小实蝇成虫长时期数据动态监测的需求,适用于果园橘小实蝇成虫动态监测推广使用。     

植保无人机航空喷施作业有效喷幅的评定与试验

植保无人机有效喷幅宽度的准确评定是农业航空精准作业的前提,对其作业航线的规划及喷施作业质量的提升均有着重要意义。该文以不同参数的单旋翼植保无人机和多旋翼植保无人机为例,分别通过12架次不同飞行参数下的航空喷施试验及目前国内常用的雾滴密度判定法和50%有效沉积量判定法来评定植保无人机的有效喷幅宽度,并根据雾滴处理软件Deposit Scan对水敏纸等采集卡上的图像处理原理对不同评定方法进行了深入分析。结果表明:50%有效沉积量判定法更适于雾滴粒径相对较大的3WQF120-12型植保无人机有效喷幅宽度的评定,且评定的平均有效喷幅宽度为≥4.44 m;雾滴密度判定法更适于雾滴粒径相对较小的P-20型植保无人机有效喷幅宽度的评定,且评定的平均有效喷幅宽度为≥2.58 m;评定的有效喷幅结果与实际情况相符合。另外,由分析可知,由于当前图像处理技术的限制,不同粒径大小的雾滴斑点图像,软件Deposit Scan所产生的相对误差不同,因此,应根据植保无人机喷施雾滴粒径的范围选择合适的有效喷幅宽度评定方法。该结果为不同参数的植保无人机选择较优的有效喷幅评定方法提供了指导,降低了航空喷施作业的重喷率和漏喷率,提高了植保无人机航空喷施作业质量,可为植保无人机精准喷施作业的实施提供参考。     

基于仿真果园试验台的植保无人机施药雾滴飘移测试方法与试验

植保无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)果树飞防植保作业中飞行高度较高并且采用低容量细小雾滴喷雾,飘移风险极高。但是,无人机果园施药雾滴飘移特性研究尚处于初步开展阶段,缺乏全方位综合测试方法以及对不同无人机机型和喷头类型的评价。该研究在前期研究基础上,提出一种基于仿真果园试验台的植保无人机果园施药雾滴飘移测试方法,设计并制作仿真葡萄园试验台和空中飘移收集装置,结合地面飘移收集装置和冠层沉积收集带,首次通过雾滴空间飘移指数ADX定量分析评价不同机型的喷雾过程中农药雾滴空间飘移特性,并采用田间近地飘移测试平台进行无人机喷雾飘移试验,使用荧光示踪法探究4种典型植保无人机(油动单旋翼、电动6旋翼及2种电动8旋翼无人机)分别搭载IDK 120-015空气射流喷头和TR 80-0067空心圆锥喷头喷雾作业的雾滴冠层沉积分布、地面飘移、近地飘移及空中飘移特性,进而对不同喷雾飘移测试收集装置进行评估。结果表明:在侧风速2.2～3.6 m/s,温度29.8～34.3℃,相对湿度10.7%～30.6%的环境条件下,IDK空气射流喷头在作业高度1.5 m、速度2.0 m/s参数下可显著降低无人机喷雾下风向飘移水平,优化沉积分布均匀性,提高农药雾滴利用率;4种机型飘移特性无显著差异,旋翼下洗气流产生的卷扬涡流是影响无人机喷雾飘移的重要因素;葡萄园喷雾作业缓冲区至少应设置为15 m;冠层沉积率越小(P0.05,r0)、沉积分布变异系数越高(P0.01,r0)、田间飘移平台平均均值飘移率和90%累积飘移距离越大(P0.01,r0)以及ADX值越大(P0.01,r0)均表明雾滴飘移风险越高,3种收集装置及其评价指标均可有效评估下风向飘移特性;植保无人机喷雾飘移率与下风向距离满足指数函数关系。研究结果以期为新型果树专用植保无人机研发、植保无人机果园作业喷雾飘移测试方法的标准制定和田间作业参数选择提供参考和数据支持。     

蚯蚓仿生注液沃土装置设计与试验

蚯蚓吞噬土壤,构建洞穴,发挥了肥沃土壤的重要作用。该文借助工程仿生技术手段,运用计算机图像处理技术对蚯蚓头部、体节轮廓图像进行量化分析,提取并拟合蚯蚓头部和体节的轮廓曲线,构建注液沃土装置的仿生几何结构表面。仿蚯蚓背孔排布方式设计了3孔和6孔注液型沃土装置,以UHMWPE为材料制备样机,并采用农机土槽试验系统开展注液沃土装置样机选型试验,考察孔数、是否注液、材料、表面结构4个参数对工作阻力和土壤粘附量的影响。试验结果表明,各参数对工作阻力的影响程度依次为:注液孔数材料表面结构;对土壤粘附量的影响程度依次为:表面结构孔数材料注液。从8类样机中确定的优选类型为:有6个注液孔、UHMWPE材质且具有仿生几何结构表面的仿生注液沃土装置。对选定的样机进行验证,结果表明:在相同试验条件下,该样机的平均工作阻力为283.48 N,平均土壤粘附量值为10.93 g,均低于其他类型样机。该研究工作可为实施机械化沃土工程提供技术参考。     

IEA-I型航空植保高速风洞的设计与校测

针对固定翼农用飞机所搭载航空喷头施药雾滴分布研究的需要,该文依照低湍流度风洞设计原理设计了IEA-I型高速风洞.该风洞型式为直流开口式,主要由动力段、过渡段、扩散段、稳定段、收缩段及试验段等部分组成,风洞总体尺寸为9.8 m×1.2 m×1.8m(长×宽×高);动力段选用离心风机;扩散段为小角度扩散,扩散角5°;稳定段采用六角形蜂窝器和9层阻尼网组合设计;收缩段缩比10.24;试验段截面直径为300 mm.该文采用热线风速仪,皮托管和高速PIV系统测定了风洞试验段气流品质,试验结果表明:试验段风速7.6～98 m/s连续可调,气流紊流度小于1.0％,试验段风场均匀度小于0.4％,平均气流偏角小于0.2°,气流动压稳定系数小于2.0％,归一化轴向静压梯度小于0.02.该风洞能模拟固定翼农用飞行器作业飞行条件,为进一步研究航空喷头的参数优化提供试验平台.     

植保无人机施药喷嘴的发展现状及其施药决策

农药的低利用率是影响农业生态环境和农产品品质安全的重要原因之一,优化农药喷施技术是提高农药利用率的有效手段。无人机植保喷施作业作为航空施药领域的重要组成部分,因其应对突发灾害能力强、不受作业地点限制等优势,具有巨大的发展潜力。喷嘴作为植保无人机喷施系统中的关键部件,主要分为液力雾化喷嘴和离心雾化喷嘴两大类,良好的喷嘴性能能够大大提升航空施药喷洒的均匀性,提高农药的利用效率。该文总结了各类植保无人机常用喷嘴的原理、特点以及应用场合,提出了喷嘴性能评价指标并总结了三大类常用的雾滴粒径、沉积量、分布、速度等指标的测量手段,包括雾滴收集方法,雾滴沉积量测试方法以及仪器测量法。最后,针对目前无人机施药缺乏专业的指导,农药喷施效果有待提升的现状,该文提出合理的施药决策是结合靶标作物、喷药需求以及喷施环境三方面因素共同作用的结果,并从喷嘴喷雾角、防堵塞性、喷嘴压力与流量以及最佳作业粒径4个方面分析了喷嘴选型的思路,从专业喷嘴选型决策系统的建立以及无人机植保专用喷嘴的研发两方面对今后的研究进行展望。     

农用无人机避障技术的应用现状及展望

随着中国农业现代化稳步推进,农业生产对农业机械的需求日益增长,农用无人机因其广泛适用于地面机械难以耕作的农业区域,在实践推广应用中已表现出明显特点和优势。随着精准农业航空技术的进一步发展,实现障碍物的自主识别与实时避障是农用无人机智能化发展的必然趋势之一。然而,农田作业环境复杂、障碍物类型多变,实现农用无人机的实时避障仍任重道远。为提高航空植保作业的安全性,对农田环境中的障碍物进行了分类,并提出了作业视场的避障分区及各区避障策略。通过对比分析国内外农用无人机避障技术的应用现状及各类避障传感器,并剖析中国农用无人机避障问题中存在的不足,展望未来农用无人机避障技术的研究方向和研究热点。该文可为中国农用无人机避障技术的有序发展提供参考。     

基于移动无线传感器网络的植株图像监测系统设计与测试

针对静态无线传感器网络(static wireless sensor network,SWSN)在图像监测中功耗分布不均、传输不可靠等问题,设计了基于移动无线传感器网络(mobile wireless sensor network,MWSN)的农田植株图像监测系统。选用JN5139模块搭配摄像头采集和编码图像,利用无人机(unmanned aerial vehicle,UAV)搭载协调器收集信息。通过仿真和测试可得,节点在MWSN中的最小功耗为10μW,工作功耗为133 m W,在SWSN中为133 m W,路由节点功耗为普通节点的2倍;在10~35 m范围内,MWSN的信号强度为-68~-86 dbm,SWSN为-83~-85 dbm;在10~80 m范围内,MWSN的误码率范围是0~9.2%,SWSN是0~38.6%。试验时UAV在15 m高空悬停接收地面设备发出的图像数据,测得获取一张图片平均需135 s,图片分包平均为22次,解码后的图像可以较好的反映植株生长状态。上述结果表明,工作时间相同,MWSN中节点的功耗差异性小,呈均匀分布;在一定距离范围内,MWSN的传输能力和抗干扰能力整体上优于SWSN,能保证数据传输的可靠性,因此,基于移动无线传感器网络技术的图像监控系统能够满足大范围农田中植株图像的监测需求。     

旋翼无人机气流特征及大田施药作业研究进展

旋翼植保无人机近年发展迅速,已出现大量施药作业的相关研究成果。针对目前研究现状中基础作业体系不清晰、关键问题研究不深入的问题,该文聚焦旋翼无人机施药目的,明确指出旋翼气流的存在是旋翼植保无人机大田作业的典型特征。围绕该特征,提出旋翼无人机大田施药作业基础体系,依照农药装载搬运-农药转化雾滴-雾滴空间运动-雾滴植株扩散-施药作业方法的主线,分别对旋翼无人机的机体、药箱、雾滴物理状态、运动状态、旋翼气流、对靶沉积、脱靶飘移、气流与作物互作、雾滴附着、机体控制、喷施量控制及作业模式等基本要素的研究现状进行归纳总结,梳理旋翼无人机施药作业体系的内在逻辑关系,探寻施药作业体系中待深入研究的基础科学问题。指出目前旋翼无人机大田作业亟需解决作业体系内容研究不均衡、机理研究不深入的问题;亟需解决作业参数关联性不强、大田试验条件精准性有待提高的问题;亟需解决作业模式无法直接表征作业效果、高精度飞行参数难转化为作业参数的问题,并给出深入研究的相关建议。期待广大学者提高对旋翼气流相关研究的关注度,围绕旋翼无人机大田作业体系中的实践与技术难点,寻找出具有旋翼气流特征的物理参数,提炼基础科学问题,加强工程应用研究。     

双极性接触式航空机载静电喷雾系统荷电与喷雾效果试验

该文针对航空施药植保无人机设计了双极性接触式航空机载静电喷雾系统,分别对该系统喷施静电油剂和水的荷电与雾化效果进行了测试。将该航空静电喷雾系统搭载于3WQF120-12型油动单旋翼植保无人机喷施静电油剂,并使用该植保无人机自带喷雾系统分别喷施静电油剂和常规水基化药剂,对比了3种施药方式的沉积分布均匀性和对小麦蚜虫、锈病的防治效果。试验结果表明:当喷雾液为水时,静电喷雾系统的静电电压和极性不会改变水的雾滴谱;当喷雾液为静电油剂时,正电荷使雾滴粒径减小,负电荷使雾滴粒径增大,且静电喷头的雾滴相对粒谱宽度随静电电压的增加而增大;喷雾液的荷质比与静电电压正相关,相同静电电压和输出电极下水的荷质比大于静电油剂,同一静电电压下负输出雾化喷头药液的荷质比高于正输出。小麦大田试验表明:使用静电喷雾系统喷施静电油剂的雾滴沉积分布均匀性最好,其单位面积沉积量为0.048 6?g/cm2,沉积量的标准偏差为0.015?g/cm2,变异系数为30.43%;使用无人机自带喷雾系统喷施静电油剂和常规水基化药剂的单位面积沉积量分别为0.051 3和0.035 6?g/cm2,标准偏差分别为0.019和0.016?g/cm2,变异系数分别为42.57%和45.54%;喷施静电油剂的2个处理对麦蚜和锈病的防治效果和药效期均明显高于水基化药剂,使用静电喷雾系统的测试在药后7 d对蚜虫防治效果为87.92%,明显高于无人机自带喷雾系统喷施静电油剂76.43%的防治效果。该静电喷雾系统配合喷施静电油剂可提高沉积分布均匀性,增加防治的持效期和效果。     

基于无人机航向的不规则区域作业航线规划算法与验证

为尽可能地减少飞行总距离和多余覆盖面积,节省无人机的能耗和药液消耗,研究了一种基于作业方向的不规则区域作业航线规划算法。该算法根据指定的作业方向,可快速规划出较优的作业航线,也可在未指定作业方向的情况下,给出某一推荐的作业方向与航线,使整个作业过程能耗和药耗最优。仿真结果表明,在一块面积为983.125 m2的不规则凸五边形作业区域内,采用该算法进行航线规划,无人机作业的多余覆盖率最低可达到11.5%,而且作业面积越大,优化效果越明显,在同样的地块进行田间试验,得到最低多余覆盖率为2.8%,证明了该算法的可行性。该研究可为自主作业无人机的航线规划算法提供参考。