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。     

果园喷雾机自动对靶喷雾控制系统研制与试验

为提高农药利用率,减少环境污染,该文针对中国果园机械化作业条件差和传统果园喷雾机连续喷雾时存在果树间空隙无效喷雾的特点,设计了自动对靶喷雾控制系统,该系统以GY8履带自走式果园喷雾机为载体,采用传感器测距方式探测果树,实现自动对靶喷雾。通过对超声波、红外和激光3种传感器进行性能比较,及对超声波和激光2种传感器进行静态识别间距测试与分析,红外传感器受光强影响较大,超声波传感器识别间距超过800 mm,均不满足果园精确对靶喷雾控制要求,激光传感器静态识别间距只有20 mm,具有工作稳定、响应快速、方向性好等特点,故将激光传感器选为自动对靶喷雾机探测装置,并将激光传感器安装于喷头组件前方220 mm。采用连续3次检测靶标判别法设计了自动对靶喷雾系统,该系统可有效避免因激光光束较细而导致的将树冠内空洞、枝间间隙等误判为果树间空隙而出现的电磁阀频繁启闭动作。行驶速度为0.5 m/s时,自动对靶喷雾控制系统的动态靶标识别间距介于100~150 mm之间,行驶速度1.0 m/s时,动态靶标识别间距为200~250 mm。此外,该系统还具有提前及延后喷雾功能,自动对靶喷雾系统提前靶标95.0~157.5 mm距离开始喷雾,离开靶标100 mm距离停止喷雾,使喷雾完全覆盖整个树冠。与连续喷雾相比,对靶喷雾可有效节省施药量,对于空隙比为20.0%、35.2%、52.9%靶标行枣树,行驶速度为0.5 m/s时省药率分别达27.9%、53.7%、76.9%,行驶速度为1.0 m/s时省药率分别达27.3%、54.5%、81.0%。因此,该自动对靶喷雾系统对稀疏果园的精确对靶病虫害防治具有较好的实用价值。     

基于超声波的果树冠层三维重构与体积测量

为了克服地面不平整和拖拉机非线性行驶对果树冠层参数测量的影响,该文在超声波传感器阵列测量果树冠层体积技术的基础上,使用RTK-DGPS空间定位技术和姿态航向参考系统,通过空间坐标的平移和旋转转换,直接获得以大地坐标表示的果树冠层的三维点阵云图数据,通过PC机后台处理重构果树冠层三维轮廓和计算果树冠层体积,并详细介绍了系统的结构与工作原理。以果园荔枝树为试验对象,采用该系统对15棵不同高度和体积的果树进行了3次重复试验,另对56棵树的测量结果与人工测量结果进行了对比分析,试验结果表明该方法具有较好的重复性（     

幼树靶标探测器设计与试验

针对果园对靶喷药中幼树靶标难以精准探测的难题,该文基于红外传感器设计了幼树靶标探测器,该探测器能同时探测喷药机两侧果树树干,根据用户设置的喷雾宽度和延迟距离等参数计算出靶标喷雾位置,并准确控制电磁阀开闭以进行对靶喷药。实验室试验表明,在传感器探测范围内探测距离和树干直径对探测器探测准确性几乎没有影响,速度对探测准确性有微小量影响,速度不大于1m/s时喷雾总宽度计算精度不小于96.1%。果园试验表明,行走速度不大于0.94m/s时,幼树靶标探测器能100%探测到树干并准确计算出喷雾位置和喷雾宽度。     

果园柔性对靶喷雾装置设计与试验

为确定果园柔性对靶喷雾装置的喷雾控制策略,并测定对应方式下不同树冠直径的雾滴沉积率,该文使用自制的果园柔性对靶喷雾机样机,用连续喷雾方式以及3种不同控制方式的对靶喷雾对株距为4 m、树高为1.7 m、树冠直径为1.1 m的模拟靶标进行了喷雾试验,测定了对应方式下的靶标上的雾滴沉积率。试验结果表明,连续喷雾方式下的雾滴沉积率为40.3%;3种对靶喷雾方式下的雾滴沉积率分别为50.4%、77.8%、86.0%,均高于连续喷雾方式下的雾滴沉积率,由此选定了对靶喷雾方式Ⅲ作为果园柔性对靶喷雾装置的喷雾控制策略。在对靶喷雾方式Ⅲ控制策略下,对株距为4 m、树高为1.7 m、树冠直径为2.1 m的模拟靶标进行了对靶喷雾试验,测得其雾滴沉积率为88.4%;同时发现无靶标区域内的雾滴沉积量明显小于模拟靶标区域,雾滴沉积的对靶特性明显;在模拟树冠中间区域的雾滴沉积量均高于模拟树冠边缘区域,符合实际果树树冠对药液的需求。该研究为进一步提高柔性对靶喷雾装置的雾滴沉积率和优化其喷雾技术参数提供参考。     

组合圆盘式果园风送喷雾机设计与试验

针对药液难以穿透篱笆型果树冠层,施药机具对果树冠层的适应性差等问题,提出双侧同时气流辅助喷雾方法,采用电动丝杆调节雾化器的上下左右运动,以变频法调节风机转速,设计了可根据果树外形来调节喷雾位置的组合圆盘式果树风送喷雾机。设计的圆盘式雾化器为单叶轮级(R级),风机叶轮直径为400 mm,当风机转速大于1 300 r/min时,风量大于1 m3/s;试验结果表明,组合喷雾执行装置完成升降、伸缩和旋转的时间分别为51.3、50.5、26.5 s;在0.4 MPa工作压力、风机转速为1 400 r/min时,不同喷头的喷雾量差异较小;雾滴粒径在射程方向上先增大后减小;垂直雾量分布的范围为1~2.4 m,雾量分布较均匀;在叶面积指数为37.6的非洲茉莉上,树冠外围的正反面覆盖率一致,冠层内叶片正反面覆盖率分别达到为12.77%和9.74%,最小雾滴数为47滴/cm2,大于通用试验方法对风送喷雾中喷幅界定的20滴/cm2。该研究为篱笆型果树病虫害防治提供新装备,为果园风送喷雾机改进设计提供参考。     

设施果园自动对靶精准变量施肥控制系统

针对目前果园条施肥过程中缺乏精准变量对靶施肥装置的问题,该研究研制了一种排肥轮槽口体积可根据果树目标施肥量及冠层直径大小自动调节,排肥轮转速随施肥车速自动变化的果园精准变量自动对靶施肥装置与控制系统。该装置采用外槽轮式结构,槽口体积可连续调节自动变化。采用激光雷达传感器实时探测果树冠层位置,使用霍尔传感器检测施肥车行驶速度,以STM32F407VET6单片机为核心设计了控制器。分别以尿素、复合肥、有机复合肥3种颗粒肥料为试验材料,标定了不同排肥轮槽口开度在不同排肥轮转速下的排肥量,单个槽口排肥量与排肥轮转速呈负线性关系,决定系数R2不小于0.93;建立了单棵果树目标施肥量与排肥轮转速、施肥车速、槽口体积以及果树冠层直径4个变量之间的关系及排肥轮转速控制规则。室内台架试验结果表明,单棵柑橘树实际施肥量与给定目标施肥量相对误差最大为5.17%,变异系数最大为1.47%,可在施肥车速变化情况下准确施用不同颗粒肥料。大棚柑橘果园自动对靶施肥试验结果表明,单棵柑橘树实际施肥量与给定目标施肥量相对误差最大为4.83%,变异系数最大为6.96%,且施肥均在果树冠层直径范围内完成。该装置能够根据果树冠层直径大小对靶按需施肥,适应不同种类颗粒肥的少量或较大量定量施肥,满足不同大小果树不同需肥量的精准变量自动施肥要求。     

基于激光导航的果园拖拉机自动控制系统

为实现果园作业的自动化,以拖拉机为研究对象,采用激光导航方式实现了果园机械的自动导航。试验以激光扫描仪为检测设备对果树位置信息实时采集,采用最小二乘法规划拖拉机导航路径;拖拉机航向偏差和横向偏差作为比例控制器的输入量,以方向盘电机的转速为输出量,控制拖拉机沿导航路径直线行走;系统实现了拖拉机在果园环境下的直线行走控制功能。拖拉机以0.27 m/s的速度直线行走30 m,最大横向偏差0.15 m。试验结果表明本系统可用于果园机械的自动导航,并具有一定的可靠性。     

基于三目视觉的自主导航拖拉机行驶轨迹预测方法及试验

为了实现自主导航拖拉机离开卫星定位系统时能够持续可靠工作,该文提出了基于三目视觉的拖拉机行驶轨迹预测方法。该方法将三目相机分解为长短基线2套双目视觉系统分时独立工作。通过检测相邻时刻农业环境中同一特征点的坐标变化反推拖拉机在水平方向上的运动矢量,并通过灰色模型预测未来时刻的运动矢量变化,最终建立不同速度下的前进方向误差模型。试验结果表明:拖拉机行驶速度为0.2 m/s时,46.5 s后前进方向误差超过0.1 m,对应行驶距离为9.3 m。行驶速度上升到0.5 m/s时,该时间和行驶距离分别降低到17.2 s和8.6 m。当行驶速度上升到0.8 m/s时,该时间和距离分别快速降低至8.5 s和6.8 m。行驶速度越高,前进方向误差增速越高。该方法可用于短时预测拖拉机的行驶轨迹,为自主导航控制提供依据。     

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。     

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。     

悬挂式电动柔性疏花机控制系统设计与试验

为提高机械柔性疏花机对果树品种、树冠形状和大小的自适应性,设计了一种悬挂式电动柔性疏花机。基于仿形疏花的工作要求,确定了仿形参数关联式;采用超声波冠形探测方法,开发了嵌入式仿形疏花控制系统。田间试验测得仿形疏花执行机构的位置伺服控制误差较小,平移丝杠在位移目标值4.7～36 cm内的平均误差为0.17 cm,最大误差为0.9 cm;仿形丝杠在位移目标值5.7～15.3 cm内的平均误差为0.07 cm,最大误差为0.4 cm。结果表明所设计的仿形控制系统能满足疏花机平面位置伺服控制的精度要求。该研究可为果园疏花机械的结构设计和运行控制提供参考。     

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...     

东方红X-804拖拉机的DGPS自动导航控制系统

该文在东方红X-804拖拉机上开发了基于RTK-DGPS的自动导航控制系统。系统主要包括RTK-DGPS接收机、导航控制器、转向操纵控制器、电控液压转向装置和转向轮偏角检测传感器。其中转向操纵控制器、转向轮偏角检测传感器和电控液压转向装置构成转向轮偏角的闭环控制回路,该回路可根据导航控制器提供的期望转向轮偏角实现偏转角的随动控制。将拖拉机运动学模型和转向操纵控制模型相结合,建立了拖拉机直线跟踪的导航控制传递函数模型,模型的输入是横向跟踪误差,输出是期望的转向轮偏角。设计了基于PID算法的导航控制器,仿真分析了系统稳定性和动态响应性能,确定了PID控制参数的较佳取值。针对东方红X-804拖拉机转弯半径大的特点,采用跨行地头转向控制方式,提出了具体的控制流程及算法。田间试验结果表明：采用所设计的DGPS自动导航控制系统,在拖拉机行进速度为0.8 m/s时,直线跟踪的最大误差小于0.15 m,平均跟踪误差小于0.03 m,所提出的跨行地头转向控制方法对试验拖拉机具有良好的适用性。     

树型喷洒靶标外形轮廓探测方法

为了在线探测靶标外形并为变量喷药提供基础支持,研究了树型喷洒靶标外形轮廓探测方法。该文基于超声传感器搭建了靶标外形轮廓探测试验平台,该平台能够驱动步进电机精确匀速运动,以0.02 m为步长密集测量树冠形状,将获得的数据传给计算机实时显示,并能够在Access数据库中长期存储。使用该测试平台针对自制规则树树冠和花期樱桃树树冠分别进行了试验。试验结果显示规则树冠和樱桃树冠体积探测精度分别为92.8%和90.0%,表明该方法具有较高探测精度。     

无人机机载激光雷达提取果树单木树冠信息

定株管理是未来果园精准生产管理的趋势,果树单木树冠信息的提取是定株管理的关键。该研究利用无人机采集的苹果园激光探测与测量数据（Light Detection and Ranging,LiDAR）检测和测量每棵果树的树冠面积和树冠直径,并评价空间分辨率对于果树单木树冠检测与提取的影响。该方法主要包括使用反距离权重插值法间接生成冠层高度模型（Canopy Height Model,CHM）;使用局部极大值滤波算法和标记控制分水岭分割算法（Marked-Controlled Watered Segmentation,MCWS）对果树进行单木树冠检测与提取,通过与参考数据的比较,评估了该方法的精度,并定量分析了空间分辨率对于单木树冠检测与信息提取结果的敏感性。结果表明,该方法有效地实现果树单木树冠检测与信息提取,代表果树检测精度的F1得分为94.86%,树冠轮廓提取准确率为86.39%,树冠面积的提取数据集和参考数据集的线性拟合结果决定系数和归一化均方根误差分别为0.81和20.56%,树冠直径的提取数据集和参考数据集的线性拟合结果决定系数和归一化均方根误差分别为0.85和14.79%,树冠面积和直径不同程度地被高估。此外,冠层高度模型的空间分辨率接近果树平均树冠直径的1/10时精度最高,可以有效检测果树单木树冠及提取树冠轮廓,从而准确提取果树单木树冠信息。