喷杆喷雾机主动控制与对靶喷雾技术研究

摘要

我国在农药施用技术和理论的研究和探索起步相对较晚。每年施用的130万吨农药中，农药利用率不足30％，浪费严重，并且约60％以上药剂流失到土壤和地下水，造成了环境污染，甚至对施药人员产生毒害作用，直接威胁到人体健康。喷杆喷雾机是最常用的植物保护机械之一，它作业效率高，喷洒质量好，在我国广大旱作农业地区发挥着巨大的作用。本文针对喷杆喷雾机开展了气流辅助喷雾主动控制系统和精确对靶喷雾技术两方面的研究。
　　喷杆喷雾机对大田冠层茂密的作物（如小麦和棉花等）的均匀施药，本文设计并实现了气流辅助式喷杆喷雾机主动控制系统，该系统依据感知到的作业环境参数（风向、风力、温度、喷头距离植物冠层高度和机具行走速度），实时主动控制最佳气流辅助式喷雾机工作参数（喷雾高度、辅助风筒风速、喷雾量等），实现雾滴在植株枝叶上的最佳沉积效果，增加施药精确性，提高农药利用率，最大程度减小农药对环境的污染。
　　某些大田作物在种植时株距较大，植株冠层距离总和所占作物行长度比例较大的情况，本文设计了一种用于喷杆喷雾机的对靶喷雾技术。该技术使喷杆喷雾机的喷头到达作物冠层上方时进行喷雾，在相邻两作物之间的空隙处，停止喷雾。实现了施药的准确性，能够节省农药并且减少农药对土壤的污染。本文主要研究内容如下:
　　(1)针对气流辅助式喷杆喷雾机进行了主动控制系统的设计，主要包括上位机和下位机两部分，本文详细介绍了上位机和下位机的硬件及软件的设计与实现过程。操作人员可与上位机与系统进行人机交互，主动对喷雾参数进行人工或自动调整。传感器采集到影响喷雾效果的大田作业环境参数信息，然后根据仿真和实际应用得出的控制策略，对气流辅助式喷杆喷雾机的喷雾参数进行调整，从而得到最佳的喷雾效果。
　　(2)针对大田中植株冠层边缘距离较大的情况，设计了喷杆喷雾机精确对靶喷雾系统，采用方法基于差分式消除误差和数据的特征分析。通过超声波距离传感器采集喷杆到植株种植所在行的距离和喷杆到垄沟的距离，这两种信号通过差分的方式去除喷杆振动所产生的噪音信号，得出对行传感器较为精确的信号，进行特征上的分析，进而确定植株的位置，进行对靶喷雾。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 课题研究的目的和意义

1．2 国内外发展现状

1．3 技术研究背景

1．4 本文主要内容与研究思路

1．5 本文组成部分

1．6 本章小结

2 气流辅助式喷杆喷雾机主动控制方案

2．1 气流辅助式喷杆喷雾机的介绍

2．2 控制系统总体方案的确立

2．3 系统内部通讯方式选择

2．4 下位机主控制器选型

2．5 下位机设计环境

2．6 人机交互界面开发

2．7 本章小结

3 气流辅助式喷杆喷雾机主动控制系统的实现

3．1 下位机主控制器

3．2 下位机功能模块

3．2．1 CAN总线模块

3．2．2 RS-232通讯模块

3．2．3 风速风向传感器

3．2．4 温湿度传感器

3．2．5 超声波距离传感器

3．2．6 电源模块

3．2．7 执行模块

3．3 下位机电路板设计与实现

3．4 下位机软件设计与实现

3．5 上位机设计与实现

3．5．1 上位机硬件选择

3．5．2 人机交互界面设计

3．6 主动控制系统控制策略

3．6．1 控制模型建立

3．6．2 控制策略实现

3．6．3 仿真控制效果

3．7 本章小结

4 气流辅助式喷杆喷雾主动控制系统试验

4．1 系统测试

4．2 系统效果试验

4．3 本章小结

5 喷杆喷雾机对靶喷雾系统设计

5．1 对靶喷雾系统硬件设计

5．2 系统软件设计

5．3 本章小结

6 喷杆喷雾机对靶喷雾系统原理

6．1 信号调幅处理

6．2 信号差分处理

6．3 数据特征分析

6．4 采样频率选择

6．5 本章小结

7 喷杆喷雾机对靶喷雾大田试验

7．1 作物命中率试验

7．2 大田环境作业效果试验

7．3 大田环境作业试验波形

7．4 本章小结

8 结论与展望

8．1 结论

8．2 展望

参考文献

附录

致谢

攻读硕士学位期间的成果