高地隙喷雾机自转向电动底盘控制系统设计与试验

针对传统机械传动式高地隙喷雾机底盘在水田环境行走时容易陷入泥泞和深沟的问题,设计了一种四轮独立电驱动自转向电动底盘。底盘转向机构由可自转向的前后桥构成,根据自转向机构特点,提出了底盘部分动力学建模方法,将未建模动态以及外部扰动合并为总扰动,构建扩张状态观测器(Extended state observer,ESO),实时估计总扰动并进行扰动补偿,再对无扰动的线性模型设计串级比例控制器,进行模型参数辨识与控制验证。仿真结果表明,采用阶跃信号模拟扰动,ESO扰动观测值可在0.5 s内收敛到实际扰动;扰动观测器收敛后,当期望转角从0°突加至20°时,得到转角跟踪控制响应曲线的上升时间为1.9 s,超调量为2.3%。试验表明,喷雾机以1 m/s的速度行驶在平坦路面时,前转向桥转角上升时间为3.1 s,后转向桥转角上升时间为2.0 s,说明本控制方法具有较好的控制效果;喷雾机在满载的情况下工作在泥泞田间时,可以越过宽20 cm、深40 cm的泥泞深沟,说明其在田间具有良好的通过性。

基于彩色和深度信息结合K-means聚类算法快速拼接植株图像

图像拼接可以建立宽视角的高分辨率图像,对实现农业智能化有重要作用。基于Kinect传感器的图像拼接方法利用彩色和深度双源信息,能够有效避免图像缺失、亮暗差异、重影等拼接错误,但是存在拼接时间较长和目标植株不明显等情况。针对这一问题,该文提出一种基于Kinect传感器彩色和深度信息的目标植株图像快速拼接方法。首先用K-means聚类算法和植株深度信息提取彩色图像中有效植株区域,再采用SURF(speeded up robust features)算法进行特征点提取,利用相似性度量进行特征点匹配并根据植株深度数据去除误匹配,由RANSAC(randomsampleconsensus)算法寻找投影变换矩阵,最后采用基于缝合线算法的多分辨率图像融合方法进行拼接。室内外试验结果表明:该文图像拼接方法更能突显出目标植株且极大缩短了拼接时间,该方法图像拼接时间只需3.52 s(室内)和7.11 s(室外),较基于深度和彩色双信息特征源的Kinect植物图像拼接方法时间缩短了8.62 s(室内)和38.56 s(室外),且平均匹配准确率达96.8%。该文拼接后图像信息熵、清晰度、互信息、空间频率平均分别为6.34、50.36、11.70、11.28,图像质量较传统方法均有提高。该研究可为监测农业植株生长状态、精确喷洒药物提供参考。

四轮独立驱动高地隙无人喷雾机轨迹跟踪自适应控制

针对高地隙喷雾机在自主导航作业中因侧滑影响而导致轨迹跟踪精度降低的问题,提出一种基于四轮独立驱动(4WID)高地隙无人喷雾机的自适应控制方法。首先,建立4WID高地隙喷雾机的运动学模型;然后基于运动学几何约束和速度约束,引入两个表征侧滑效应的参数构建改进位姿误差模型;最后将参数自适应与反步控制方法结合,设计自适应控制律实时估计并补偿侧滑效应。以典型的U形作业路径为例,在考虑和不考虑侧滑的情况下分别进行了仿真和试验验证。仿真结果表明:本文提出的控制算法在喷雾机出现侧滑的情况下可以保证较高的轨迹跟踪精度;水田试验表明,当喷雾机在常规作业速度3.6 km/h时,与不考虑侧滑的轨迹跟踪控制算法相比,喷雾机轨迹跟踪的横向平均绝对误差减小至0.041 m,标准差减小至0.059 m;纵向平均绝对误差减小至0.018 m,标准差减小至0.015 m;航向平均绝对误差减小至2.56°,标准差减小至3.57°。

四轮独立电驱动高地隙喷雾机辅助转向系统设计与试验

针对四轮独立电驱动高地隙喷雾机因轮毂电机控制器遇到较大扰动无法及时响应而导致的转向不稳定问题,该研究提出了一种液压辅助转向方法。通过对四轮独立电驱动高地隙喷雾机的自转向底盘结构原理的分析,设计了液压辅助转向系统,在此基础上建立了简化二自由度车辆转向模型,用于对辅助转向系统转角控制进行分析,并通过仿真分析和试验验证自转向和辅助转向协调控制性能。四轮电驱动喷雾机分别在自转向系统单独作业以及自转向系统和辅助转向系统协同作业的工况下,以1 m/s的速度分别进行了坡度为15°的下坡转向对比试验和水田转向对比试验。试验结果表明:在下坡试验中,单独自转向系统作业的最大跟踪偏差为6.1°,自转向和辅助转向协同作业的最大跟踪偏差为0.9°;水田试验中,单独自转向系统作业的最大跟踪偏差为10.3°,自转向和辅助转向协同作业的最大跟踪偏差为1.5°。研究结果表明该文所设计的液压辅助转向系统具有可行性和较好的稳定性,能够满足实际作业需求。

新型车载式稳态燃烧烟雾机的开发

热烟雾载药防治技术具有防治效率高、用药量少、无需用水等特点,可进行高大林木的病虫害快速防治。根据所研制的稳态燃烧器的最大喷烟量400 L/h,确定了稳态燃烧器及喷管两个关键部件的结构及尺寸。介绍了车载式稳态燃烧烟雾机是以稳态燃烧器为热动力、以车载为工作移动方式,由机械动力系统、热动力燃烧系统、供药系统、热力烟化系统及控制系统等组成,具有防治效率高、防治成本低、用药量少、劳动强度轻及操作方便安全等特点。

基于IEEE1451.4的稳态燃烧烟雾机控制系统设计

为实现稳态燃烧烟雾机的自动化和网络化,提高其智能化程度,将智能传感器标准IEEE1451.4引入烟雾机控制系统设计中。在对IEEE1451.4标准进行分析的基础上,提出了带有MM I(混合接口智能传感器)和NCAP(网络适配处理器)的智能化稳态燃烧烟雾机控制系统的总体设计方案。测定了喷管口轴心温度与燃烧时间的关系,以及喷管口轴心温度与药液流量的关系,并以此设计了烟雾机控制系统软件工作流程。依据IEEE1451标准,设计了1-wire数字接口、传感器自动校准方式,实现了传感器的即插即用,使传感器与控制系统无缝连接。对稳态燃烧烟雾机的控制系统进行了实验调试,获得了良好的雾化效果。

6HW-50型车载高射程喷雾机防治松毛虫试验

油松毛虫是我国历史性的森林害虫,对松林具有较强的破坏力。利用6HW-50车载高射程喷雾机,采用不同药剂、不同施药量进行松毛虫防治的对比试验,结果表明,用6HW-50型车载高射程喷雾机喷药防治油松毛虫效率高、施药成本低,防治费用仅16.80元/hm2左右;喷洒1.2%苦.烟乳油防治油松毛虫最佳施药量为800 g/hm2,防治效果达88.2%;喷洒8%氯氰微胶囊悬浮液防治施药量125 g/hm2和187.5 g/hm2的防治效果分别达97.1%和98.9%。研究结果为评估这一新药械防治松毛虫的效果提供了依据。

基于因子图的无人喷雾机多源融合定位

针对果林环境GPS信号容易丢失,造成农机位姿估计误差较大的问题,提出了一种基于因子图的喷雾机多源融合定位方法.采用集成彩色和深度相机与IMU的RealSense D435i传感器,感知无人喷雾机周围环境信息.通过改进的自适应阈值均匀Harris角点提取方法,利用金字塔LK光流算法跟踪匹配角点,使用迭代最近点算法估计相机运动,最终采用因子图优化算法迭代优化位姿估计误差.试验在林间道路进行,改进的方法与惯性组合导航相比,在GPS信号丢失时可以有效地实时估计喷雾机位姿,试验测试距离总共112.39 m,多传感器融合后的位姿更新频率约为50 Hz.结果表明:喷雾机定位均方根误差减少了0.816 m,最大误差减少了4.613 m,姿态角度估计最大误差减少了2.713°.

基于非凸低秩优化的压缩感知植株图像重构

目标植株图像压缩重构对于图像的高效传输及存储意义重大,同时为后期植株生长状态检测及病虫害识别奠定了基础。传统图像压缩感知方法大多是针对信号在某个特征空间的稀疏性进行的,并没有考虑信号的局部特征与结构化特性,存在重构效率不高、重构精度较低等问题。针对以上情况,提出一种基于非凸低秩优化的压缩感知植株图像重构算法。首先通过KinectV2.0采集植株图像深度数据并进行预处理,结合K-means与Mean-shift聚类算法提取目标植株有效区域,再考虑图像的非局部自相似性,采用加权lp范数最小化算法(WSNM)求解低秩优化问题,较好地保留了图像结构细节,最后采用Dog-leg最小二乘算法取代最快下降法进行迭代优化。试验结果证明,该算法在不同采样率下的植株图像重构质量优于其它同类算法,尤其在低采样率下重构效果更为突出。

基于核生化处置遥控车的喷雾洗消平台研究

目的设计基于履带式核生化处置遥控车的喷雾洗消平台,用于突发核生化事件中"三防"医学救援现场洗消和常规条件下的消毒、杀虫喷雾,为军队卫勤应急救援力量的快速反应提供新的技术手段。方法基于核生化处置遥控车的整体研究构思,喷雾洗消平台采用模块化设计和积木式搭配组装;以履带式底盘为基础,结合遥控装置,搭载双喷杆喷雾系统组成。结果完成喷雾洗消模块设计研制,搭载双喷枪洗消喷雾系统,由遥控车电瓶供电;经第三方测试,喷雾高度为6.3 m,喷幅2.3 m,水箱容积150 L,喷雾流量8.8 L/min,喷雾遥控距离150 m,消杀面积290 m^2/min,喷雾视频监测距离>150 m;遥控喷雾洗消模块灵活性大、操作简便、成本低廉,实现了洗消装备的机动化、多功能化、模块化、智能化和信息化;利用该模块,可对核生化现场放射性沾染、生物及化学污染进行洗消,开辟救援人员进入现场的通道,降低装备及人员受污染的程度。结论基于上述设计的核生化遥控处置车喷雾洗消模块的研制,可有效降低作业人员风险,提高作业效率,对提高军队应对突发核生化事件应急处置能力具有重要的意义。

以稳态燃烧器为动力的热烟雾机结构设计

针对适用于高大林木病虫害防治用的高效车载式稳态燃烧烟雾机进行结构设计与安全防治控制,提出稳态燃烧烟雾机在施放烟雾过程中,要满足油溶剂农药完全热力雾化,又不能产生燃烧使农药分解失去药性的工作要求。分析比较了不同类型、不同结构稳态燃烧器的工作特点,设计了第一代稳态燃烧器,改进设计形成了第二代稳态燃烧器,提出采用双层壁面喷管结构,论述了药喷嘴在喷管上的设置位置,以及控制药液开启温度的监测监控装置。结合防治工效说明了所设计稳态燃烧烟雾机的工作优越性。