单旋翼无人机植保作业系统的研制与实验研究

为了提高植保无人机的工作效率,降低无人机的操作难度,研制了单旋翼无人机植保作业系统。根据植保作业流程,单旋翼无人机植保作业系统实现启动、预热、起飞、飞行、喷洒作业、加药和返航等全过程无人工干预的自动飞行作业。单旋翼无人机植保控制系统包括作业平台、飞行控制、数据链路、地面站系统、系统应用、飞行器管理、用户信息管理、专业知识管理、大数据业务,实现了喷洒区域的精准控制,地面站系统与飞行系统的控制与交互,植保信息的存贮与分析等。通过实验研究表明:单旋翼无人机植保作业系统有效提高了植保工作效率,降低了飞行操作人员的操作难度。

农药喷雾系统建模与仿真技术研究综述

农药使用效果与农药喷雾过程密切相关,农药喷雾过程的建模与仿真可弥补因植物生长周期差异、病虫害发生程度不同以及田间作业自然环境不可控等造成的试验研究困难。分析农药施用的抗性、再增猖獗、残留(resistance,resurgence,residue,3R)/效果、效率、生态(efficacy,efficiency,eco-environment,3E)/方法、模型、测试(method,model,measurement,3M),重点综述农药喷雾过程的雾化、输运、沉积等关键环节的模拟仿真研究状况。根据模拟仿真技术发展趋势,提出农药喷雾半实物仿真系统设计的建议,并提出雾化模型及新型喷头雾化机理、群体农药雾滴多相流场模拟、靶标定制与识别模型、综合农药雾滴飘移模型、植物生长模型与农药喷雾系统耦合等建议,以促进原创农药精确喷雾技术研究和高质量植保机械研发。

连栋温室分段变距喷雾机器人设计与试验

针对国内连栋温室缺乏植保喷雾机、机械走直定位与换轨转向精度低等问题,设计了一种连栋温室分段变距喷雾机器人,在实现无人化喷药的同时提高作业精度。为满足连栋温室机械作业路轨结合、精准切换的要求,提出一种通用型移动底盘,并确定其关键设计参数;为减少底盘上下轨时的偏移量,设计轨上矫正装置,通过分析计算及试验验证,确定其安装余量为4 mm;针对底盘对轨误差大的问题,提出一种二维码融合陀螺仪及光电传感器双向垂直寻迹的路面关键点定位与转向控制方法。设计分段变距喷雾装置,提出一种丝杆滑台驱动的喷杆变距方案,分析校验其驱动参数以满足工作要求;基于滚针轴承设计喷杆辅助防抖装置,减小因喷杆剧烈抖动带来的滑台与喷杆损伤。开发底盘运动及分段变距喷雾控制系统,实现喷雾机器人在连栋温室内的全程自动化作业。最后,对样机进行底盘性能与喷雾效果试验。底盘作业时直线行走与对轨误差平均值分别为4.8、5.8 mm,满足控制精度要求;避障距离为34 cm,满足安全性要求;防抖装置的安装使喷杆行进方向的抖动量从-1°~1.3°降低到±0.4°内,喷头方向的抖动量从±0.5°降低到±0.3°内,防抖效果显著;分段变距喷雾作业后,盛果期番茄叶片正面雾滴沉积量为1.76μL/cm^(2),反面沉积量为0.2μL/cm^(2),雾滴体积中径在100~180μm之间,满足作业要求。

基于分布式系统的植保机智能与安全性能优化

针对植保机智能化程度和安全性能无法满足要求以及过多的信息资源造成植保机无法进行合理的任务分配问题,基于分布式系统对植保机进行了设计,并对其智能和安全性能进行优化。为了对多植保机进行调度,解决任务分配问题,对植保机的分布式系统软件进行了设计,包括建立植保机的一对多任务分配模型,并对模型进行人工免疫算法设计,以在较短的时间内得到最优的任务分配方式。为了验证植保机的性能,对植保机进行了多任务分配试验和智能变量喷洒试验,结果表明:植保机可根据飞行任务自动调整喷药量,实现智能变量喷洒,且可快速地对植保机进行任务分配。

玉米秸秆切碎还田机参数仿真优化与试验

针对现有的玉米秸秆切碎还田机秸秆粉碎长度过长,在后续免耕播种中导致播种开沟器易堵塞的问题。采用正交试验设计方法,结合多体动力学软件RecurDyn和田间试验,以秸秆粉碎长度为试验指标,机具的行驶速度、偏心圆盘的转速、切碎刀杆的长度为试验因素,选用L_(27)(3^(13))正交表,通过虚拟仿真试验方法,仿真得出每种方案的试验结果。对试验结果通过极差分析和方差分析,得出秸秆切碎还田机最优参数组合:圆盘转速700 r/min、机具行驶速度3 km/h、刀杆长度为200 mm。田间重复试验表明,最优参数组合条件下秸秆粉碎长度达到49.2 mm,比虚拟仿真试验得出的秸秆粉碎长度(47.7 mm)长1.5 mm,田间试验结果与仿真试验结果吻合度高,可以为同类型的玉米秸秆切碎还田机的设计提供参考。

果园风送喷雾风力调控试验台设计及试验

目前,果园风送喷雾技术与装备正在朝着精准化和智能化方向发展。果园喷雾控制对象主要为喷施药量和风力供给量,果树冠层内外药液沉积分布很大程度上取决于风送系统风力供给,只有风力和药量均得到精确控制,才能实现果园对靶精准喷雾。为此,基于轴流风机设计了风机转速、进风口面积和出风口导流板倾斜角度可独立调控的果园风送喷雾风力调控试验台,通过直流电机调速实现风机转速调节;进风口采用百叶结构,通过调节百叶倾斜角度实现进风口开度大小调节;出风口采用塔式结构,通过22路舵机控制出风口不同喷头位置处导流板倾斜角度独立调节,并基于C#语言开发了上位机界面。利用试验平台开展了风机转速、进风口面积和出风口导流板倾斜角度独立调控风力变化特性试验,结果表明:出风口风速风量变化与风机转速和进风口面积调节呈正相关,出风口风速在垂直方向分布位置随导流板倾斜角度增加发生改变,同时分别建立了出风口最大风速与风机转速和进风口面积之间的关系模型。喷药过程中,可通过风机转速与导流板倾斜角度联合调节或进风口面积与导流板倾斜角度联合调节实现出风口风速风量在果树冠层垂直方向分布位置和大小调节。研究结果为实现根据果树冠层体积和枝叶稠密度变化进行风力在线调控提供了一种新方法,对加快果园精准喷雾技术应用具有重要意义。

基于语义分割网络的植保机器人视觉伺服控制方法

为实现稳定可靠的植保机器人视觉伺服控制,提出了一种基于语义分割网络的作物行特征检测方法。基于语义分割网络ESNet实现农田场景图像像素级带状区域检测,并利用最小二乘算法拟合得到每条行作物线特征;在此基础上通过设计一种主导航线提取算法获取导航路径,并利用卡尔曼滤波对主导航线几何参数进行平滑处理,有效抑制了不平整地面导致的机器人运动颠簸与视觉图像测量噪声引起的导航参数波动。继而构建机器人前轮转向、后轮差速的阿克曼运动学模型;在图像空间坐标下设计纯追踪控制器实现植保机器人的伺服运动控制。大田环境下的现场实验结果为:总体横向偏差为0.092 m,验证了本文方法的有效性。

丘陵山区果园单轨遥控自走式弥雾机设计与试验

针对丘陵山区地形复杂导致我国地面植保喷雾机械入地难、植保效果差等问题,设计了一种丘陵果园单轨遥控自走式弥雾机,采用轨道设计与弥雾机械相结合的方式,通过理论分析与计算,对控制系统、运输轨道系统和风送喷雾系统进行了设计与选型。田间试验结果表明,该轨道弥雾机行驶速度0.7 m/s、最大爬坡度40°、最大遥控距离200 m;整机最小离地间隙600 mm;苹果树内部枝叶正、反面药液覆盖率分别为43.20%和21.80%,苹果树外部枝叶正、反面药液覆盖率分别为72.26%和35.12%。该轨道弥雾机整机运行平稳、安全可靠、遥控信号稳定及植保作业效率高,可为我国丘陵山区复杂地形植保作业机械设计制造提供借鉴与参考。

先导式节流阀比例电磁铁参数设计及优化

保证丘陵山地拖拉机在起伏山地或土质较硬地块作业时的牵引力和耕深之间的最佳匹配状态是丘陵山地拖拉机悬挂系统设计的重要指标。比例电磁铁作为节流阀电—机转换的主要元件,其性能优劣对控制节流口开度、实现流量的比例调节具有重要意义。针对丘陵山地拖拉机悬挂系统作业需求和电液比例阀设计要求,设计一种用于悬挂液压系统姿态调整的先导式节流阀比例电磁铁,对其关键结构参数进行设计,建立比例电磁铁数学模型,通过Maxwell对阀组流量特性的影响进行仿真分析。同时利用遗传算法对隔磁导向套厚度、隔磁环角度、隔磁环宽度和定子铁心深度等参数进行匹配优化,通过Maxwell对优化前后的比例电磁铁进行有限元分析。仿真结果表明:优化后的比例电磁铁在1~3 mm时电磁力几乎与X轴平行,具有更好的位移—力特性。建立先导式节流阀数学模型,通过Simulink对其进行动态特性和静态特性仿真,验证所设计的比例电磁铁参数的合理性。

基于CFD的果园喷雾风筒装置流体分析与试验

针对传统果园风送式喷雾机存在风能利用率低、风场较为分散等问题,开发一种与独立风机直接装配的小型喷雾风筒装置。运用CFD软件对该风筒装置内外流场进行模拟仿真,分析内流场风场云图及距外流场出风口不同距离平面中心区域的风速。结果表明:风筒内流场风速线分布均匀,能很好地产生旋流风,风能损失小;在外流场中,各平面风速分散性较小,出口风速达到17.15 m/s,满足果园喷雾机的风筒出口速度要求。并通过试验平台验证在距离出风口0.6 m处,实际风速为10.48 m/s,与仿真分析结果相比,相对误差为2.58%,且竖直高度上喷幅可达0.650 m,覆盖宽度可达0.669 m,证明所设计的风筒装置在该喷雾距离下能对果树冠层有较好的覆盖性,为进一步设计机架及风筒装置布置方案提供理论支撑。

基于阈值识别的温室黄瓜整体自动落蔓装置研究

针对长季节黄瓜作物人工落蔓强度大、成本高和效率低等问题,设计一种基于冠层高度阈值识别的温室黄瓜整体自动落蔓装置。为保证黄瓜冠层特征提取的正确率,对8:00、12:00和18:00实时采集的黄瓜冠层图像进行预处理,基于Otsu算法获得平滑黄瓜冠层二值图像。采用霍夫变换算法识别黄瓜冠层顶端绳束,并利用统计学方法归纳出感兴趣区域中HSV色彩空间绿色部分各分量取值范围,研究感兴趣区域中绿色像素点占总像素点的比值变化规律。为防止黄瓜卷须缠绕秧蔓冠层顶端水平绳束,以黄瓜植株高度184~185 cm为落蔓控制目标,确定感兴趣区域绿色像素占比的平均值0.162~0.182为整体落蔓装置的落蔓阈值范围。结果表明,植株高度184~185 cm和高于185 cm落蔓次数占总试验次数比例分别为90%和10%。高于185 cm落蔓组中,最高植株距离顶端绳束(195 cm)的距离为9.2 cm,无黄瓜卷须缠绕黄瓜秧蔓冠层顶端水平绳束现象,采用感兴趣区域绿色像素点占比确定黄瓜落蔓阈值方法,能够满足黄瓜生产实际要求。

基于Workbench的山地果园喷药机器人末端执行器的有限元分析与优化设计

为解决施药器械在山地复杂地理环境下长期、可靠、高效工作问题,设计了一款山地果园喷药机器人。利用ANSYS软件对末端执行器内齿轮传动进行静态分析,研究输出啮合齿面应力分布、应变云图及其对应的最大值,与齿轮端面许用应力对比;研究末端喷药机构入口压力、喷嘴孔径、雾化锥角与雾滴粒径之间的关系,以实现喷嘴的合理选型,为末端喷药机构参数化设计提供理论依据。

4WID高地隙自走式电动喷雾机定速巡航控制方法

针对4WID高地隙自走式电动喷雾机在复杂工况下,面对来自外部道路坡度改变及内部药液喷洒带来整备质量下降,从而导致喷雾机行驶速度稳定性差、作业质量恶化等问题,在分析4WID高地隙自走式电动喷雾机结构与纵向动力学特性基础上,设计一种定速巡航分层控制算法。控制算法模型接收用户设定的期望行驶车速,经过算法计算后对纵向动力学系统模型输入加速度控制信号,实现喷雾机对期望车速的跟踪。搭建的纵向动力学系统结构主要包括5个部分:逆纵向动力学模型、加速与制动切换模型、转矩分配模型、电机模型和纵向动力学模型。通过对斜坡行驶状态下喷雾机的车身状态进行受力分析可获得其逆纵向动力学及纵向动力学模型;同时,为建立合理的四轮转矩分配策略,在喷雾机车身同时具有俯仰及侧倾的条件下进行分析,以各驱动轮的附着率作为分配依据,满足不同工况下各车轮的最佳驱动力矩,确保喷雾机动力的均衡性。模型定速巡航控制采用分层控制方法,通过建立上层PID控制及下层的模糊PID控制实现对喷雾机车速的有效跟踪,通过制定模糊控制规则,自动对下层控制器的PID参数进行整定,保证在各种复杂工况下喷雾机定速巡航系统的良好适应性。应用Matlab/Simulink建立控制模型,对控制系统进行仿真分析。试验结果表明,在典型工况下,设计的定速巡航控制系统能够有效地对喷雾机的速度进行控制。具体而言,在系统输入外部干扰及自重变化条件下,该控制系统的表现良好,超调量在2%以内,响应时间小于0.2 s,稳态误差趋于0,验证了所采用控制算法的准确性。

基于改进YOLOv5的草莓病害及养分状况识别与检测

目的:在设施农业种植环境下,提出一种基于改进YOLOv5模型的目标检测方法,实现草莓常见的几种病害及养分不足情况的快速准确检测。方法:通过将C3模块替换为C2f模块、增加SimAM注意力机制、增加检测层等对原始YOLOv5模型结构进行改进,以草莓植株叶片、花、果为研究对象,应用改进YOLOv5模型提取草莓植株生长特征,并进行病害及养分状况快速检测。结果:应用改进YOLOv5模型对草莓植株生长状况进行识别的准确率较高,各识别项的平均检测精度均值(mAP@0.5)为97.9%,较原始YOLOv5和YOLOv8模型分别高出13.6%和10.3%,识别图像传输帧率较原YOLOv5模型提升了22 f/s。结论:该模型可以实现设施农业环境下草莓病害和养分状况的识别与检测,具有较高识别精度和较快识别速度,适用于移动底盘端部署,为草莓智能化精准喷雾作业提供一定的技术支撑。

基于植保无人机的农艺融合技术应用与植保社会化服务体系建设分析

植保无人机是一种将无人机与农药喷雾系统相结合的新型植保器械,基于植保无人机的农艺融合技术,应用起来既便捷又高效,是农业新型生产力的重要体现,也是植保社会化服务体系建设的关键组成部分。该研究结合工作实际,从植保无人机技术应用概况、服务体系现状、可持续发展建议三方面进行简要论述和分析,以期为进一步规范植保无人机飞防工作体系发展建言献策,促进农作物病虫害防治由传统模式向专业化、机械化、数字化转型升级,助力现代农业高质量可持续发展。

径向对靶风送式施药机风场优化设计与试验

为提高果园风送式施药机药液利用率,减少药液损失对环境造成的污染,以一种径向对靶风送式施药机为对象,对其风送系统相关部件开展了选型与结构优化设计.利用计算流体动力学(CFD)技术,建立了径向对靶施药机关键部件作业的气流场模型.通过对施药机关键部件作业气流场进行多方案仿真对比,分析了气流速度的分布情况.结果表明:粗口径波纹管较于细口径波纹管出风口截面风速更稳定,且气流速度及方向变化更小;在进风口风速均为13 m/s的情况下,相较于单喷头设置,双喷头设置的2个出风口风速虽显著降低,但均大于3.5 m/s,满足作业需求;对双喷头而言,当其分流板角度为60°时,气流场风送效果较好.最后通过风场试验,验证了所优化施药系统结构实际气流场分布与模拟结果的一致性,为径向对靶风送式施药机的研制提供相关理论依据.

设施农业臭氧杀菌闭环控制系统设计与试验

为更好地解决设施栽培过程中出现的病虫害问题,设计一款面向设施农业的臭氧杀菌闭环控制系统。该系统以STM32F103C8T6单片机为核心,由臭氧发生器、高速风机、臭氧浓度传感器、计时器和报警器组成闭环控制系统。当系统信号采集模块检测到设施空间中臭氧浓度时,通过检测电路将采样信号传递给控制器,控制器根据系统设定值判断并控制臭氧发生器等执行机构工作,实现臭氧浓度的精准控制,减轻臭氧浓度不适给设施蔬菜带来的严重伤害。系统设定浓度为60 mg/m^(3),系统稳定后工作时长30 min。以此为基础,应用臭氧杀菌闭环控制系统对温室番茄叶霉病、灰霉病进行防治试验。结果表明,使用该系统防控对番茄叶霉病、灰霉病的防效优于常规防治,在温室番茄全成长期,叶霉病、灰霉病发生率均显著下降,防治效果分别为89.3%、92.2%。

国内外林业有害生物防治靶标识别技术的研究与展望

作为陆地森林生态系统骨架的树木长期遭受有害生物胁迫,危害林木正常生长,甚至造成林木死亡,对林业可持续发展带来严重威胁,为了实现对林业有害生物靶标及灾害区域的快速、准确检测和监测,需要识别获取林业有害生物防治靶标对象的特征。本研究首先重点围绕生物胁迫之植物病害、植物虫害、鼠(兔)危害、有害植物等直接靶标及其危害的间接靶标的主要特征分析,综述国内外采用不同途径检测和识别林业有害生物防治靶标的技术和装备研究概况。然后建议组织跨学科力量,探索研究基于植物胁迫预警靶标识别、传感网络协同防御控制的林业有害生物防治靶标识别技术及综合防治智能化系统。展望林业有害生物防治靶标识别被动传感技术和主动传感技术的未来发展,提出根据植物在生物胁迫下的物理化学特征表现开展机器视觉、气敏、力敏、热敏、声敏等防治靶标的被动传感技术研究,利用激光雷达扫描、光声效应主动引诱以及电子昆虫和气味主动引诱等主动传感技术,以解决被动传感难以识别特定有害生物靶标的问题,以及研发设计生物、磁敏、湿敏、热敏等新型传感器和研究超声波、LiDAR、辐射、卫星图像等多传感器融合技术,提高林业有害生物靶标的识别精度。最后围绕植物根系、野生哺乳动物、土栖白蚁、有害植物等特定靶标提出相应的靶标感知识别技术研究建议。

半封闭式精量果树喷雾机设计

设计了一种半封闭式果树喷雾机,该喷雾机能够根据果树外形进行结构仿形,具有了半封闭式循环药液喷施及风幕喷雾助力功能,实现了对果树的全方位、多层次喷药,不仅提高了果树喷药的精准度和效率,还减轻了土壤板结、肥力下降等问题。通过减少药液的流失和浪费,降低了对土壤和水源的污染,有效保护了生态环境。同时,由于药液喷施的精准性和均匀性,减少了果农在喷药过程中的接触,保障了果农的生命健康。

一种在蔬菜设施内使用的自主行走小车的结构及控制方案

为解决蔬菜设施中人工施药所带来的系列问题,设计了可以自主行走的小车,用来搭载施药器械实施无人化蔬菜植保作业。该小车特点为:外形尺寸小,可以在蔬菜设施内部狭窄的路面上完成直行、转弯、倒车等动作;使用直流电机、控制器、光电传感器等器件,实现低成本的自主行走控制方案。将小车自主行走所需动作和控制器指令关联并编制程序,通过样机行走确认,小车可以完成包括直行、原地转弯、轨迹修正在内的各种动作,能够实现设施内的高精度自主行走。