智慧果园构建关键技术装备及展望

传统果园生产中面临着人口老龄化带来的劳动力短缺、农机作业装备与生产资料管理困难、生产效率低下等问题,通过建设融合物联网、大数据、装备智能化等技术的智慧果园,可有望解决上述问题。为应对北京市农业现代化建设需求、引领中国农业发展方向,基于桃、梨果园全程机械化、智能化管理等目标,本研究在北京市重要的桃、梨等优势果品产区——平谷区峪口镇西营村构建了约30 hm²梨与桃的智慧果园。果园中应用了10多种病、虫、水、肥、药的各类信息获取传感器,装备了28种机械化、智能化技术支持的农机装备,采用的关键技术包括智能信息获取系统、水肥一体管理系统以及病虫害智能管理系统,智能作业装备系统包括无人驾驶割草机、智能防冻机、开沟施肥机、自动驾驶履带智能仿形变量喷雾机、六旋翼枝向对靶无人机、多功能采摘平台以及整理修剪机等。同时,在果园中还构建了智能管理平台。经比较发现,智慧果园生产模式可减少人工成本50%以上,节省农药用量30%～40%、肥料用量25%～35%、灌溉用水量60%～70%,综合经济效益提升32.5%。智慧果园的推广实施将进一步推动中国果业生产水平的提高,促进中国智慧农业的发展。     

挡板导流式喷雾机的防飘性能试验(简报)

为了测试新研制的挡板导流式喷雾机的防飘性能,本文对其与常规喷雾进行了仿真模拟试验与田间试验的对比研究。结果表明挡板导流式喷雾机改变了喷头周围的流场,使气流的水平速度减小,并产生了垂直向下的气流,减少了雾滴飘失的潜能并胁迫雾滴向靶标沉积。药液在小麦中、下冠层的沉积量分别增加了119.2%和112.3%,在冠层上总的沉积量增加了20.3%。上、中、下冠层叶面药液沉积量的变异系数分别为7.85%、6.37%和8.71%,都小于常规喷雾。     

多功能果园作业平台安全性研究进展

多功能果园作业平台主要应用于梨、苹果等容易因碰撞造成表皮损伤的鲜果采摘,同时兼有果品运输、枝干修剪及疏花疏果等运载平台功能,可显著提高果农工作效率和降低劳动强度。近年来,随着我国果园轻简化管理技术的推广应用,多功能果园作业平台设备快速发展,因平台上作业属于半高空和高空作业,其安全性备受关注。基于多功能果园作业平台的通过性、升降机构、自动调平技术及防侧翻4个方面的研究进展,介绍了履带式及轮式行走装置的优缺点及在国内外的具体应用,套缸式、剪叉式、曲臂式及链式升降机构应用场景,自动调平技术的研究进展及在果园应用中的调平水平、平台侧翻评价指标,以及利用该指标进行侧翻预警和主动防侧控制的方法,并提出多功能果园作业平台农机农艺融合、导航技术及智能机械手等多技术融合方向发展趋势,以期为提高作业平台的技术水平及安全性提供参考。      

中国精准施药技术和装备研究现状及发展建议

植物化学保护即使用植保机械喷施化学农药是当前最主要的病虫害防控方法,一直以来对保障农业生产安全与粮食有效供给起至关重要作用。能够实现按需精准施药、变量施药、人机分离与人药分离的高效、精准、智能的施药技术和装备是提高农药药效与利用率的保证,也是保障食品安全、降低农民劳动强度的重要措施,是目前国内外研究的热点。本研究对精准施药关键技术及研究现状进行了分析,对适用于不同作业场景的精准施药装备的研究现状、典型代表、应用进展等进行了分类总结,分析了目前精准施药发展中面临的挑战,并提出了对策和建议。本研究可为精准施药技术研究的推进、智能施药装备的研发和现代化农业的发展提供参考和思路。     

基于LiDAR扫描的高地隙宽幅喷雾机变量施药系统研制

为提高甘蔗等高茎秆作物的机械化病虫害防治水平,解决普通喷雾机进地困难、农药用量大且利用率低等问题,该研究研制了一套基于三维Li DAR实时扫描的高地隙宽幅喷雾机变量施药系统。该系统搭载的喷雾机作业幅宽24m、地隙1.35 m,喷杆喷雾高度在0.5～2.5 m可调。变量施药系统采用16线激光雷达传感器,对作物的三维信息实时探测,安装于机具后端的脉宽调制(PWM,Pulse-WidthModulation)控制器从CAN总线上获取喷雾机的速度信息并传递给计算机,采用Python控制程序,融合激光雷达数据与实时速度信息绘制喷雾量处方图并发送给PWM控制器。建立了作物冠层高度与施药量之间的数学模型,根据作物冠层所需要的喷雾量,由控制器控制电磁阀的开闭实现精准变量施药。系统组装完成后,在甘蔗地进行田间试验测试。结果显示:激光雷达能够准确识别甘蔗株高,最大识别误差为8.42%,最小识别误差为0.17%,平均误差为4.59%,激光雷达将识别到的株高信息准确传递给变量施药系统。变量系统开启后,喷雾机会根据株高变化实时改变喷雾量,雾滴沉积密度满足相关标准要求。在变量施药条件下,植株上中下3层的雾滴沉积密度变异系数均小于15%,满足喷雾机(器)作业质量标准要求,机具整体作业性能良好。变量施药时布样区施药总量为56.43 L,相比常量施药的施药总量78.96 L,减少农药用量22.53 L,减幅28.5%。该研究可为高茎秆作物病虫害高效精准防治提供新的思路和方法,为新型精准变量施药机械的结构设计和高效施药技术性能优化提供参考。     

改进双圆弧罩盖减少雾滴飘失试

通过计算流体力学软件Fluent的仿真模拟,分析现有双圆弧罩盖喷雾的流场和雾滴运动轨迹,并针对存在的问题提出了罩盖的改进方案.与改进前罩盖喷雾、常规喷雾进行了流场、雾滴运动轨迹和沉积率的仿真对比以及雾滴沉积率的风洞试验对比.仿真结果表明,改进后罩盖的流场有利于雾滴向靶标的沉降,当风速为3 m/s时 ,安装改进罩盖喷雾的雾滴沉积率为76.88%,高于改进前的63.26%和常规喷雾的50.16%.风洞试验结果表明,当风速为3 m/s时,改进罩盖的雾滴沉积率为73.35%,高于改进前的66.90%和常规喷雾的49.95%.     

果园行间3D LiDAR导航方法

为克服二维激光扫描仪在果园导航中感知信息少、无法有效应对树冠茂密、树干被遮挡等复杂三维果园场景,该研究提出一种基于3D LiDAR的果园行间导航方法。以3D LiDAR为检测设备实时采集果园信息,使用挖空打断后的树墙体心等效树干位置,根据左右树行的最佳平行度对随机采样一致性算法与最小二乘法拟合的树行进行互补融合并求其中心线得到导航线;对纯跟踪算法进行改进,实现差速运动机器人对树行的跟踪。结果表明:系统在篱壁式仿真果园环境下以0.33 m/s的速度沿中心线行走时,绝对航向定位偏差在1.65°以内,绝对横向定位偏差在6.1 cm以内;以0.43 m/s的速度跟踪树行的绝对横向偏差在15 cm以内。在真实梨园下,系统分别以0.68与1.35 m/s的速度跟踪树行,绝对横向偏差分别不超过21.3与22.1 cm。本系统可广泛用于标准果园与复杂三维果园机械的自主导航,具有可靠的稳定性。     

喷雾液动态表面张力与雾滴粒径关系

为了描述喷雾液的动态表面张力与雾滴粒径的关系,用粒度分析仪对不同表面张力喷雾液喷雾时形成的雾滴体积中径D50进行了研究.重点考察了喷头尺寸、喷雾压力对D50的影响.结果表明:喷雾液0.023 s时的动态表面张力值γ0.023越低,所形成的雾滴D50越小,D50与γ0.023呈线性相关;喷雾压力相同时,随着喷头尺寸的增大,喷雾液动态表面张力的改变对雾滴粒径的影响增大;喷头尺寸相同时,随着喷雾压力的增大,喷雾液动态表面张力的改变对雾滴粒径的影响减小.     

冬小麦生物量和产量的AquaCrop模型预测

以华北地区冬小麦为研究对象,将AquaCrop作物生长模型应用到滴灌、喷灌、漫灌中,对模型主要参数如气象、土壤、作物特性等进行调整,并对作物产量和生物量模拟的有效方法进行了研究。模拟结果表明,产量和收获时地上部分生物量的模拟值与实测值较为接近且略高于实测值,模型性能指数均高于0.95。产量模拟效果优于生物量,滴灌模拟效果最好。     

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。