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。

雷沃ZP9500高地隙喷雾机的GNSS自动导航作业系统设计

为减少农药喷雾作业对人体造成的化学损害,该研究以雷沃高地隙喷杆喷雾机为平台,基于GNSS开发了自动导航作业系统,实现喷雾机在极少人工干预情况下的自动导航作业。通过对平台的机-电-液改造,实现了喷雾机作业系统的电气化控制。基于简化的二自由度车辆转向模型设计了以位置偏差和航向偏差为状态变量的直线路径跟踪控制算法,基于纯追踪模型设计了曲线路径跟踪控制算法。根据喷雾机田间作业需要设计了喷雾机一体化自动导航作业控制方法,使系统能够自动控制喷雾机完成直线、地头转弯行驶和喷雾作业,油门调节以及车辆启停控制。在1.3 m/s左右的前进速度条件下,分别在水泥路面、旱田、水田环境中进行了试验,测试结果表明:水泥路面车身横滚在–1.6?~1.5?范围,直线路径跟踪误差最大值为3.9 cm,平均值为-0.15 cm,标准差为1.0 cm;旱田地块车身横滚在–1.4?~3.3?范围,跟踪误差最大值为9.8 cm,平均值为1.3 cm,标准差为3.3 cm;水田环境车身横滚在–2.4?~5.2?范围,跟踪误差最大值为17.5 cm,平均值为2.2 cm,标准差为4.4 cm。试验数据表明,所设计的自动导航作业系统初始上线快速、地头转弯对行平顺、各设计功能执行可靠;导航系统具有良好的稳定性和控制精度,能够满足水田、旱田环境下的喷雾作业要求。

适用于全喂入联合收割机的1JHSX-34型秸秆粉碎机设计

配套全喂入式联合收割机的秸秆粉碎机具目前缺乏。该文设计了一款适合于全喂入联合收割机的1JHSX-34型双轴式秸秆粉碎机。文中详细介绍了整机结构和工作原理,重点针对粉碎刀轴转速、刀片和传动系统的设计进行了详细的阐述。通过对3种不同倒伏率(90%,50%,0)的小麦田间试验显示:小于50mm长度的秸秆粉碎平均合格率分别为91.3%、92.9%和94.4%。试验结果表明,双轴式秸秆粉碎机性能良好。

基于SolidWorks和ANSYS的植保无人机喷头结构参数设计与仿真

为优化植保无人机的喷头,利用SolidWorks建立了四旋翼植保无人机的喷头模型,仿真分析了药液流动时喷头内壁所受压力大小与药液速度分布,利用ANSYS软件分析喷头气液喷洒情况,确定了航高2~6 m、喷幅3 m的条件下,切槽深度为2.53 mm、喷孔直径为3 mm、过心距为0.65 mm和切槽角度为42°,能够满足植保无人机作业要求。

基于SPSS的县域农户农业机械化投资行为分析

利用问卷调查的方式,研究数据采用SPSS的方法构建设计Logistic数据模型分析影响农户参与农业机械化投资行为的因素进行理论验证分析。根据研究及实证分析结果表明,目前,投资农业机械化是发展农业现代化的主要手段,农户已经成为农业机械化的投资主体。东辽县农业机械化化发展现状,提出了县域范围农业机械化发展的主要对策,及制定行之有效的农业机械化发展方案提供决策参考。

基于GIS的智能喷洒系统数据监测研究

以蔬菜种植智能喷洒系统为研究对象,利用GIS与网络通信技术相结合的方式建立智能喷洒控制系统及数据监控系统,并进行智能喷洒系统的硬件及软件设计。对系统监控数据与系统数据库标定的各状态使用数据进行相比,结果表明:实际使用过程中的系统数据与标定数据存在微小的偏差,整体运行数据相符,说明所建立的智能喷洒系统能有效地进行系统运行过程数据监测。

基于DSP和机器视觉的精准施药平台研究

介绍了机器视觉的工作原理,从总体方案、DSP选型、视频采集和图像处理等3部分对精准施药平台进行了设计。平台通过图像处理算法提取农作物行间轮廓位置,驱动精准施药控制器,实现对喷头的调整,达到精准施药目的。试验表明:平台误差在可控范围内,能够满足农业喷雾的要求。

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。

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。

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。

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。

一种网络安全数据库在植保机系统中的应用

针对我国现有植保机只能进行农药喷洒,并不能对病虫害进行预警而解决农作物病虫害的问题,对网络安全数据库在植保机系统的应用进行了研究。所设计的植保机DNN门户内容管理系统主要包括3层,分别为客户端、网络服务端和数据库端。为了使植保机系统可以根据数据库的数据对病虫害进行预警,同时保证数据库数据的安全,建立了粗糙集和BP神经网络的预警模型,包括采用粗糙集进行数据的预处理,并采用BP神经网络建立预警模型。为了验证植保机的DNN门户内容管理系统的有效性,利用采集到的样本对系统的运行进行了训练、验证和测试,结果表明:系统可以有效地对植物病虫害问题进行预警。

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。