烟草抑芽剂智能对靶施药系统设计与试验

针对目前烟草抑芽剂施用现状,设计了烟草抑芽剂智能对靶施药系统,该系统主要由支架、测速传感器、烟秆检测传感器、步进电机、卷轴、电磁阀、滑块、滑轨、单向阀、喷管、行程开关、单片机系统等组成。测速传感器可对机组的作业速度实时检测,单片机系统根据检测的机组作业速度控制步进电机的转速、根据电磁阀开启时间控制步进电机的转角,并根据烟草茎秆信号的有无控制电磁阀开闭,实现了烟草抑芽剂的智能对靶施药。对烟草抑芽剂智能对靶施药系统进行了室内试验,结果显示:试验台运动速度越慢(0.3～0.45m/s),收集药量Qs≥15mL的比例越高,施药效果愈好;随着药泵压力的升高,收集药量呈缓慢下降趋势。样机田间试验结果表明:设计的烟草抑芽剂智能对靶施药系统工作准确可靠,满足使用要求。     

农药精确对靶施用及其系统设计

提出了减小农药环境污染、增强生态系统可持续性和保护操作者身心健康的精确农药施用系统。系统包括目标树木图像采集处理系统和喷雾控制系统等。树木图像采集处理系统包括CCD摄像头、图像采集卡、计算机软件和试验装置。设计的软件包括采集、提取和处理树木视频图像的关键帧,设计了相对色彩因子从背景中分割出绿色目标,通过分割图像测量获取目标的形态和位置特征。喷雾控制系统包括喷雾台架、喷头、电磁阀和继电器等,以实现数据通讯和将喷雾决策结果转换为指令来控制喷雾执行系统。试验结果表明开发的系统能识别树木图像和树冠类型,并能实现精确对靶喷雾至预定树木目标,从而减小非目标农药污染。     

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。     

树冠环绕式仿形对靶施药机设计与试验

针对树冠横切面形状引起施药机喷头与树冠间距发生动态变化从而导致树冠内、外和两侧、中部等区域喷药量不均匀、较多药液喷洒在无效空间区域的问题,该研究提出一种基于激光雷达树干定位的树冠环绕式仿形对靶喷药方式。首先,基于喷头环绕树冠的运动需求,设计对称交叉布置的两自由度仿形机构,并建立喷头运动学模型,采用基于二环PID算法对喷杆伸缩和喷头旋转进行精准控制,通过匹配施药机前进速度实现喷头半圆和多边形轨迹仿形控制;然后采用平面激光雷达对树干高度的水平面进行扫描,提出基于DBSCAN（dnsity-based spatial clustering of applications with noise）密度聚类和3点树干形状拟合的树干动态识别和定位方法;再次,在FreeRTOS框架下搭建双层控制系统,对树干定位感知、动态喷头仿形轨迹控制、数据通信和操控交互等多任务进行并行处理,实现基于激光雷达树干位置信息的喷头动态伺服仿形控制。最后,以雾滴沉积量、雾滴密度、药液覆盖率和雾滴体积中值直径作为量化指标,在树冠不同区域布置10个检测点,对环绕式和定距施药开展6组对比试验。雾滴结果表明,树干纵向和横向定位误差分别为9.44和1.74 cm,环绕式仿形施药方式的平均雾滴密度为72.2 个/cm2,平均沉积量为1.99 μL/cm2,药液覆盖率为47.5%,相比定距施药方式,雾滴沉积量和雾滴密度分别提升36.3 %和58.3 %,雾滴沉积量变异系数降低了60%,环绕式仿形对靶喷雾可有效提高药液利用率和喷药均匀性。     

基于机器视觉的玉米精准施药系统作物行识别算法及系统实现

识别作物行中心线并实现喷药喷头的自动对准是精准施药系统实现的关键技术。为克服作物行识别算法的单一性和适应性不强的缺点,该文以生长早中期的玉米图像为研究对象,利用改进的过绿特征法和改进的中值滤波算法分割出作物行,减少处理时间和去除噪声;然后在行提取时只保留包含作物行信息的中间作物行,通过随机Hough变换检测出作物行中心线,并根据世界坐标与图像坐标的转换和相对距离得到偏差信息:最后实现了系统的硬件搭建并给出了实际运行效果。不同图像的试验和处理结果表明,该算法在背景分割、作物行提取和偏差信息获取方面具有一定的优势,可适用于不同作物及不同视野图像的作物行算法识别,对精准施药的研究具有一定的参考价值。     

果树施药仿形喷雾关键参数的模拟试验研究

为了对仿形喷雾参数和雾滴分布质量进行系统分析，设计并制造了一套室内仿形喷雾试验装置，由变频器控制喷雾电动机的转速以调节喷雾压力，由试验架与果树样本的相对位置调节喷雾距离，由定时器控制电路调节喷雾时间。仿形喷雾试验按照不同的喷雾参数组合采用正交试验的方法进行。雾滴的整体分布质量采用分布质量系数进行评价。试验结果表明，在室内环境条件下，喷雾距离是影响雾滴分布质量的首要因素，其次是喷雾压力，喷雾时间对分布质量的影响不显著。喷雾距离超过80 cm时，果树内的沉积量显著减少，在喷雾距离≤50 cm的范围内，增加喷雾     

葡萄树干局部环形对靶装置的设计与试验

为了对葡萄树干进行逐株精准施药,形成"障碍药带",防治葡萄切根虫,该文提出了防治葡萄园切根虫的环形对靶施药方法。利用激光和视觉信息融合定位葡萄树干,设计了环形自适应施药机构,只需驾驶员在葡萄树前暂停,该装置自主测量与葡萄树干的相对位置,根据测量值沿互相垂直的X、Y轴2个方向微调定位,然后环形滑轨旋转环绕树干,进行精准环形喷药形成均匀的"障碍药带"。在此基础上实施了与"障碍带"传统车载带状施药方式对比试验,结果表明,无风情形下,环形对靶施药方式的平均覆盖率为96.87%,平均着药率75.61%;有风情形的平均覆盖率为89.71%,平均着药率67.61%。该装置的着药率不仅远高于传统车载带状施药方法,也高于美国华盛顿州立大学提出的多喷头对靶施药方法。该研究可为果树树干局部精准施药装置研究提供参考。     

N-3型农用无人直升机航空施药飘移模拟与试验

为了判定N-3型农用无人直升机在进行病虫害防治作业时所需的安全农药飘移缓冲区,该文通过模拟和试验,研究了飞机在飞行速度为3 m/s、侧风风速分别为1、2和3 m/s、飞行高度为5、6和7 m时在非靶标区域的药液飘移情况。采用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)方法,在约束条件下对作业过程中旋翼风场和农药喷洒的两相流进行了模拟,并设计了条件相似的对应试验进行验证。模拟的结果表明,在无人机飞行速度3 m/s,侧风风速相同的情况下,作业飞行高度为5、6、7 m时,药液在侧风下方(Z轴正向)的最大飘移距离和在无人直升机后方(X轴负向)的最大沉积量位置差异不大;在作业飞行高度相同的情况下,侧风风速为1、2、3 m/s时候,药液在侧风下方的最大飘移距离和在无人直升机后方的最大沉积量位置发生变化明显。通过相应试验,对飘移量(飞行高度6 m,飞行速度3 m/s)的模拟数值与试验值的变化趋势进行了比较,并进行线性回归分析,拟合直线决定系数R2分别为0.7482、0.8050和0.6875。本文提出一种较传统检测方法更为方便的CFD模拟方法,来对N-3型无人直升机施药作业中药液的飘移情况进行分析,模拟研究可以比较准确地定性地模拟出实际飘移情况,对实际生产具有一定的指导意义。     

车载式变量施药机控制系统设计与试验

施药控制是提高作业质量、减少化学污染、降低生产成本的关键技术。该文基于单片机AT89C52,采用滞环控制法,设计了一种车载式变量施药机控制系统。该系统能够根据施药机行走速度自动变更喷药量,实现施药量不变。试验表明：加速度小于0.4 m/s2时,实际施药量与设定施药量之间的误差不超过8%,且雾化效果良好、生产效率高,还可以减少农药的残留和对环境的污染,能够满足农业生产的需要。     

精确灌溉与施肥自动化管理系统的研制与实现

精准灌溉与施肥自动管理系统是利用人工智能技术，在收集气象资料和田间试验的基础上，依据农田水量平衡原理与作物目标产量及土壤养分状况、土壤类型、土壤墒情等资料信息，采用C语言编程而建立的。控制器以单片机为核心，高精度土壤水分探测仪、喷灌、施肥罐与控制器相连接，形成一个完整的土壤水分探头水分传感，控制器采集数据，通过人机对话与菜单选择相结合的方式，自动给出作物各生育期所需灌水量和施肥量，由控制器控制喷灌流量，自动完成灌溉施肥过程。系统可针对不同的作物、不同地域、不同时期的气候与作物生长状况，判断土壤储水量是否下降至作物灌水的下限指标，根据作物需肥量，精确确定灌溉和施肥量；系统在运行时，可以根据地块的宽度自动调节喷灌射程，还可根据地块面积划分为若干个小区，根据肥料的兼溶性，配制肥料，自动调节肥料的喷施浓度，喷施流量，实现自动精确灌溉施肥。系统可提供小麦、玉米、棉花等7种作物精准灌溉与施肥的决策实施方案，并具有良好的扩展性。     

精确施药可变量喷雾控制系统的研究

开发了基于机器视觉和模糊控制原理的精确农药可变量喷雾控制系统,并在实验室进行了试验研究。研究表明,系统能融合树冠面积信息和距离信息,通过模糊决策来判断树木大小和距离,进而选择不同的喷头组合,并控制喷雾系统的流量和喷头射程,实现对树木目标的智能喷雾,从而大幅减少农药用量。     

农药精确施用系统信息流集成关键技术研究

探讨了智能植保机械农药精确施用系统的信息流集成及其信息特征,分析了数据转换以及空间数据与属性数据的集成,编写了GPS数据采集程序,通过ODBC接口把GPS定位信息保存到数据库中,利用设计的GPS试验装置对GPS卫星进行可见性观测记录分析,运用不同平台进行GPS定位试验以及对比分析,研究了气象数据库在农药精确施用系统信息流集成中的应用,分析了气象温湿系数与林木病虫害之间的相关关系。     

篱式果园冠高与冠形随纬度变化探讨

该文根据不同时刻太阳位置计算篱式果园满足光照条件的树篱确形角。对不同纬度地区,在冠间距一定的情况下,使树冠横截面上下发生变化,从而导出确定树冠高度的数学表达式。并讨论不同纬度地区适合的冠形,为调整树冠高度等参数提供依据,为在篱式果园中果树的合理栽植与整形提供参考。     

农药雾滴飘移控制技术研究进展

农药雾滴飘移是造成环境污染、农药流失、农药有效利用率低的一个重要原因,分析影响雾滴飘移的主要因素,研究农药雾滴飘移机理,不仅可以为控制雾滴飘移的喷雾部件的研究提供理论依据,同时对提高农药的施药效果,减少农药飘失,增强环境保护都具有重要的现实意义。该文分析了当前国外控制农药雾滴飘移的先进技术及喷雾部件的研究现状。通过分析中国农药使用现状及存在问题,提出在中国要有效控制雾滴飘移,除了采取合适的施药方法,还应进一步加强农药雾滴飘移控制技术及喷雾部件的研究。     

基于无人机倾斜航空影像的树冠体积测算方法

树冠是结构复杂的不规则体,对树冠体积的精确测定一直是树木测量研究中的难点问题。该文以消费级多旋翼无人机对目标树木进行倾斜摄影获取的多角度航空影像为基础,通过空三加密处理生成目标树木的三维点云模型;用等高线法分割树冠点云,并确定树冠最优分割层数;用投影法对点云数据进行转化,并选取测算点计算树高和树冠任意横截面积;对分割后各规则体的体积进行累加获得树冠体积。结果表明:8棵目标树木的树高测算值相对误差为1.46%～4.10%,平均相对误差为2.88%;树冠体积测算值的相对误差为6.95%～12.39%,平均相对误差为9.42%;精度均可满足林业调查中对于树高和树冠体积测量结果的要求。利用无人机倾斜航空影像建立单木的三维点云模型并进行树冠体积测算的方法是可行且有效的,该方法可为研究单木树冠几何参数的提取提供参考。     

基于毫米波雷达的果园单木冠层信息提取

为解决当前果园探测技术难以在恶劣的果园环境中提取果树冠层信息的问题.该研究将毫米波雷达应用于果园冠层探测,搭建了基于毫米波雷达的果园冠层探测系统,利用该系统扫描得到了果园点云,检测和估算得到每棵果树的株高、冠幅和体积参数.针对毫米波雷达在不同距离下产生点云密度不同的问题,该研究提出了一种基于可变轴的椭球模型自适应密度聚...