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[硕士论文] 娄尚易
农业机械化工程 中国农业科学院 2018(学位年度)
摘要:小型油动植保无人直升机在航空作业过程中由于主要受到来自发动机的动力载荷激励,导致机身结构及相连施药关键部件喷杆结构产生振动响应,强烈的振动甚至会影响无人直升机的飞行姿态同时降低雾量分布均匀性,因此本文围绕发动机振动引起机架振动这一问题展开研究,分析得出了发动机的激励频率对整机振动的影响程度,从而找到引起机架振动的原因,在此基础上提出了解决机架振动问题的方案。
  本文主要采用有限元仿真分析与试验相结合的方法,针对机架有限元模型展开静力学分析、模态分析、模态试验及谐响应分析,对机架的动态特性有了深入系统的了解,找到了引起机架振动的原因,为解决小型油动植保无人直升机机架的振动问题提供了重要的依据,具有一定的理论意义和重要的实用价值。论文的主要研究内容及相关结论如下:
  (1)从理论上分析了结构动力学中振动特性研究的基本思路,结合小型油动植保无人直升机机架结构的构型特点,确立了机架结构振动特性的研究设计方法及实施方案。
  (2)分析研究了油动无人直升机系统组成及机架组成,基于ANSYS有限元分析平台,采用高阶单元进行机架结构离散,建立了一种切实有效的高质量机架有限元模型,开展机架模型在药箱、油箱满载作用下的线性静力分析,结果表明油箱支撑板与机架侧板连接点处应力值最大为15.248MPa,同时该处应变值最大,变形最大,建议在无人机设计时应注意满足药箱、油箱支撑板所需的强度和刚度,在此基础上尽量减少其质量,实现无人直升机的轻量化设计。
  (3)针对机架有限元模型进行自由模态分析,采用ANSYS Workbench程序自动控制类型模态求解器求解15~180Hz内固有频率,并提取前6阶非刚体模态振型云图,采用单点敲击、多点采集的模态测试技术提取机架结构实体的模态信息,通过模态相关性计算对比了数值模态与试验模态的相似度,结果显示试验模态与数值模态的模态频率差均小于10%,满足工程要求,振型的模态置信准则都大于0.8,符合工程参考要求,根据模态信息相关性准则判断,该机架结构有限元模型具有工程应用参考价值,最终获得可靠的机架有限元模型以及机架振动特性。
  (4)基于ANSYS有限元分析平台,采用模态叠加法对机架模型进行发动机简谐载荷激励下的谐响应分析,获得了喷杆连接点的振动谱,依据谐响应计算结果,对两喷杆连接点处振动影响最大的发动机激励频率为31Hz,通过模态分析可知31Hz为机架固有频率,因此可以确定由发动机受力不平衡导致机架振动的问题主要是由于31Hz左右的激励频率引起的。
  (5)依据模态分析与谐响应分析的结果,针对机架的振动提出两种解决方案:第一种是通过调节传动装置的传动比,令旋翼工作转速所需发动机转速避开共振频率对应转速,使得发动机的激励频率避开机架的固有频率;第二种是通过对机架结构的优化设计或者喷杆连接点处起落架的局部改变,使得喷杆连接点或机架整体固有频率避开发动机激励频率,以减少喷杆的振动,避免机架共振现象的发生。
[硕士论文] 贾茜
农业推广 西北农林科技大学 2017(学位年度)
摘要:森林资源管理是林业工作的核心内容之一,我国森林面积2.0769亿公顷,森林蓄积量为151.37亿立方米,森林覆盖率为21.63%。如何合理、科学、高效的利用高科技手段提升森林资源管理水平,已成为林业工作的重中之重。本研究在分析无人机特点的基础上,探讨了无人机在森林资源调查、病虫害监测、造林面积核查、森林防火防灾以及林业执法管理等方面的应用方法,主要结论如下:
  (1)我国传统的森林资源管理方法具有一定的局限性:传统的人工巡检方式存在着人工劳动强度大、工作效率低、信息获取不准确等缺点;借助卫星遥感技术进行森林资源管理,存在着对森林资源的信息获取存在周期长、时效性差、无法满足实时监控需求等不足;而传统的利用载人飞机进行森林资源监测存在着在恶劣环境下飞行安全及维护成本过高等问题。
  (2)无人机技术具有体小便携、飞行稳定、云台承载灵活多样等优势,弥补了传统森林资源管理方式的不足。在森林资源调查、病虫害监测、造林面积核查、森林防火防灾以及林业执法管理等方面有着广泛的应用。
  (3)将来,无人机技术可以结合大数据分析技术、人工智能技术构建森林资源管理物联网。借助现代化高新技术辅助林业管理,提升林业管理效率和效益,以弥补传统地面资源管理手段的不足,形成推动林业现代化发展的强劲动力,为建设生态文明和实现美丽中国目标提供强有力的支撑和保障。
[硕士论文] 张菡
农业工程 山东农业大学 2017(学位年度)
摘要:在有效控制农作物病虫害、提高农业生产水平、解决人类粮食问题方面,化学农药有着不可替代的作用,而农药使用离不开植保机械的发展,当前我国大部分地区仍普遍采用大雾滴、大容量的喷雾方法喷洒农药,且农药使用不当,不仅会降低作业效率,增加劳动成本,还会引发农作物药害、激发作物对病虫草害的抗药性、降低农产品品质,甚至会造成农药残留浪费现象,造成环境污染,对人体造成伤害。因此,为减少农药对人体伤害,节省劳动力,提高作业效率,本文完成了“植保无人机变量喷药系统”研究与性能试验,实现“按需喷药”。本文主要研究工作及创新之处如下:
  (1)确定植保无人机变量喷药系统总体方案。该系统主要由水稻病害检测系统设计、植保无人机变量喷药控制系统硬件设计、软件控制部分和田间试验组成。其中水稻病害检测系统包括水稻田间信息采集及处理与病害诊断;植保无人机变量喷药控制系统硬件设计包括变量喷药控制器、变量执行器及其驱动电路、喷头及其工作电压确定、遥控模块设计和电源配电系统设计;软件控制部分包括初始化模块、流量调节模块和主循环模块设计;田间试验分析植保无人机不同飞行速度和作业高度对雾滴沉积分布的影响,确定喷药最佳作业高度和作业速度。
  (2)提出一种水稻稻瘟病检测诊断算法。利用航拍无人机对水稻田按预定路线进行视频信息采集并提取有效帧图像作为水稻信息图像,利用Microsoft Visual Studio2010软件设计水稻稻瘟病检测识别算法,首先对获取的有效水稻信息图像进行引入彩色恢复因子C的多尺度Retinex算法(即MSRCR)增强处理,去除不同光照条件影响,再通过二值化分割出稻瘟病发病区域并计算其像素面积与单张图像总面积比值,根据比值结果依次确定每张图像中受稻瘟病病害等级,最终生成病害等级处方图。
  (3)研制一种植保无人机变量喷药控制系统。通过对变量喷药控制系统变量喷药方式分析采用蠕动泵流量调节式变量喷药方式,并对流量计算进行说明;研究离心式雾化喷头工作原理,分析在不同工作电压下雾滴粒径和喷幅规律,确定喷头最佳工作电压为10V,并完成电源系统配置和其他硬件配置;在系统硬件配置基础上进行软件控制程序编程。
  (4)进行田间试验。分析植保无人机变量喷药控制系统在四个不同流量等级下,不同飞行速度和作业高度对雾滴沉积分布的影响,试验数据方差分析结果表明该系统控制下植保无人机飞行高度和飞行速度对雾滴沉积密度影响显著,飞行高度对雾滴沉积均匀分布影响显著,最终确定植保无人机最佳作业高度为2m,最佳作业飞行速度为1m/s。
[硕士论文] 张春友
农业电气化与自动化 华中农业大学 2017(学位年度)
摘要:农用小型多轴无人机飞行高度低,易受地面气流的干扰,且允许姿态纠正的时间很短。因此,农用多轴无人机对姿态数据的实时性和准确度要求很高。本文通过理论分析,对比不同算法,重点针对农用无人机姿态解算方法进行研究,以期提高姿态解算结果的实时性和准确度。
  研究过程中四轴无人机试验样机采用X型结构,设计了姿态解算系统;根据四轴无人机结构,忽略了空气阻力,近似求得部分结构参数,建立了四轴无人机动力学模型;为了方便在实验室内进行飞行试验,设计了一种可约束飞行器运动范围的多自由度测试台架。该多自由度测试台架在5个自由度上为无人机预留了姿态调整区间。
  姿态解算过程中,将四轴无人机安装到多自由度测试台架上,实测了加速度计、磁力计、陀螺仪的信号特点。根据上述三种姿态传感器的信号特点,对比分析了互补滤波、改进型互补滤波、基于加权滑动滤波方差的卡尔曼滤波等算法,提出了一种基于前置卡尔曼滤波器的互补融合姿态解算方法。对于姿态控制,本文结合四轴无人机的力学模型,对比分析了PID控制算法和FUZZY-PID控制算法,设计了PID串联FUZZY-PID的姿态控制方案。
  实验结果显示,系统时钟为72MHz时,本文所提出的姿态解算算法运行周期比基于加权滑动滤波方差的卡尔曼滤波等算法短了0.246ms,姿态解算误差减少了2°;姿态更新时间比改进型互补滤波融合算法提前约了1ms;表明本文所提出的姿态解算算法同时具备互补滤器误差小,卡尔曼滤波器实时性强的优点。控制系统仿真结果显示PID串联FUZZY-PID的姿态控制方案的调节时间不到0.2s,超调量不到7%。表明PID串联FUZZY-PID的姿态控制方案优于PID和单FUZZY-PID控制。
[硕士论文] 刘琪
农业机械化 华南农业大学 2017(学位年度)
摘要:近年来农业航空技术发展迅猛,我国航空植保领域呈现出欣欣向荣的景象,然而社会将注意力主要集中于对植保无人机的开发和试验研究中,对大型植保飞机的研究较少,而我国东北、新疆等大农垦地区则适宜使用大型植保飞机作业。我国大型植保飞机及喷洒设备以国外引进为主,针对我国国情研究其适用性是十分必要的。航空植保作业效果的好坏直接通过沉积在作物靶标上的雾滴分布来反映,因此本文针对我国引进的世界先进机型—Thrush510G,同时也是我国东北地区植保作业的主力飞机在大豆植株上进行试验,研究雾滴在作物冠层平面、冠层垂直面及三种气象条件下的分布规律。
  试验采用水敏纸作为载体收集雾滴数据,雾滴数据具体包括雾滴沉积量、沉积密度、粒径和覆盖率等参数,分别分析了雾滴在作物冠层沉积区和飘移区、冠层垂直面和三种气象条件下的雾滴分布规律,结论如下:
  (1)在大豆冠层飘移区,雾滴粒径的分布受飘移距离和气象条件的影响显著。在风速为0.6m/s,温度为27.3℃,湿度为43.3%时,雾滴粒径随飘移距离增加呈线性减小的关系,线性方程为y=-3.7286x+352.65。在飘移区远端(30-65 m区间),气象风速越小,雾滴粒径数值越小。应尽量减少小雾滴数量,提高对环境和周边作物的保护力度;
  (2)研究雾滴上层沉积量与中层沉积量的分布关系时,发现雾滴沉积量百分比在采样带1的20 m处为119.1%和采样带2的0 m处为148.1%,即雾滴在大豆植株中层的沉积量大于在上层的沉积量,这种现象的原因是质量微小的雾滴在微弱风场中可以绕过枝叶到达植株下部。雾滴在作物中层的粒径分布规律与雾滴在作物冠层的粒径分布规律一致,低于180μm粒径范围内的雾滴穿透能力较弱,高于250μm粒径范围的雾滴穿透能力较强;
  (3)气象条件对雾滴沉积的影响。在沉积区内,三次试验外界风速依次为1.1 m/s、0.9 m/s和0.6 m/s,雾滴密度分布变异系数分别为43.75%、40.05%和34.05%,说明雾滴密度分布均匀性随风速的增加而减小。飘移区内,飘移相同的距离,外界风速小比外界风速大时飘移的雾滴粒径小;外界风速越小,在飘移区的雾滴密度和沉积量也就越小,这是因为外界风速较小时,雾滴受侧风力较小,加速度较小,故雾滴飘移的距离较近。雾滴穿透百分比及其变异系数与外界风速均呈现负相关,说明外界风速越小,雾滴穿透能力越大,雾滴穿透能力在各采样点处的分布均匀性越差。
  (4)气象条件对雾滴沉积量影响。在沉积区内,三次试验雾滴总沉积量分别为:6.110μl,4.010μl和3.623μl,沉积总量随风速的减小而减小;雾滴沉积量百分比分别为50.6%、60.2%和66.7%,风速越小,雾滴更容易穿过冠层到达冠层以下。
[硕士论文] 蔡彦伦
机械工程 江苏大学 2017(学位年度)
摘要:航空喷药可以摆脱地形的限制,在复杂环境中也可以进行农药喷撒作业,比起地面机械,航空喷药设备不与植物直接接触,大大降低了机械操作对植物造成的损伤。静电喷雾是一种新型喷雾技术,可以使农药喷洒的雾滴细化,提高喷雾的均匀性,并且可以使农药雾滴到达常规喷雾无法喷到的植物叶片背面。将无人直升机喷雾与静电喷雾相结合能有效提高农药在农作物上的沉积分布,进一步提高喷雾效果。
  本文以F-50型植保无人直升机飞行平台为基础,开发出新型接触式静电喷雾系统。方便地实现了常规喷雾和静电喷雾之间的相互切换;同时建立了用于无人直升机喷雾场研究的CFD仿真模型。针对旋翼风场风速、喷雾沉积量,沉积分布均匀性等因素进行试验研究,为小型无人直升机静电喷雾作业参数提供指导。通过实际田间试验,研究分析了无人直升机接触式静电喷雾的效果。
  主要研究工作如下:
  (1)无人机接触式静电喷雾系统设计和验证
  在无人直升机已有喷雾系统的基础上,针对接触式荷电的原理和喷雾系统中各部件的规格,选择合适的部件安装于现有喷雾系统上,组成无人直升机双极接触式静电喷雾系统。采用自制法拉第筒对5种荷电电压和4种喷雾压力下的荷质比进行测量,结论如下:雾滴荷质比随着电压的增大而增大,在25kV后趋于稳定;荷质比随喷雾压力的增大而减小。
  (2)无人机旋翼风场仿真和试验
  构建无人直升机旋翼模型,运用CFD技术,对无人直升机旋翼风场进行数值模拟分析,再通过 F-50型无人直升机下洗流场风速测量试验,得出下洗流场的风速分布情况,和仿真结果进行对比。结果表明:仿真和试验结果基本一致,该模型可以用于F-50型无人直升机下洗流场和后续喷雾场的研究分析。
  (3)无人机喷雾场的仿真和试验
  在无人直升机旋翼模型中加入喷射源,通过DPM离散相模型模拟雾滴在旋翼风场中运动。通过气液两相流的耦合分析,得出在不同喷雾高度(1m,2m,3m)和相对飞行速度(2m/s,3m/s,4m/s)时,喷雾在地面的沉积效果。通过在平地的飞行沉积试验,得出在同样飞行高度和飞行速度下,无人直升机静电喷雾系统的沉积效果。结果表明:对于喷雾沉积量随高度和速度的变化趋势,仿真和试验结果基本一致,说明模型可以用于研究无人直升机喷雾沉积量;随着喷雾高度的增加,喷雾沉积量下降;随着飞行速度的增加,喷雾沉积量下降。
  (4)无人机静电喷雾沉积效果试验
  基于 F-50型无人直升机平台,对不同荷电方式的喷雾沉积效果进行比较试验,试验结果表明:非静电喷雾的沉积量基本等于接触式静电喷雾的沉积量,感应式静电喷雾的沉积量最小;接触式荷电和感应式荷电都可以提高航空喷雾的均匀性,接触式荷电的沉积均匀性优于感应式荷电。在水稻田中使用搭载接触式静电喷雾系统的 F-50型无人直升机进行农药喷洒试验,采用水敏纸法对水稻植株上层、中层、下层的农药沉积量进行测量分析,结果表明:静电喷雾使农药在水稻植株上的分布均匀性大大提高;在静电喷雾条件下,增加高度会使喷雾沉积量下降,但不会影响喷雾沉积的均匀性。
[硕士论文] 彭瑾
农业推广 华南农业大学 2017(学位年度)
摘要:近年来,采用植保无人机进行喷施作业已逐渐在我国兴起,无人机施药作业效率高、适应性广,而且它可以有效地结合低容量和超低容量喷施技术,在保证喷施效果的同时降低施药量,达到农药减施的目的。无人机喷雾作业的雾滴沉积效果主要受飞行参数及喷雾粒径的影响,但目前关于雾滴沉积效果的研究主要集中在飞行参数的设置上,关于喷雾粒径对沉积效果的影响的研究较少。本文以喷雾粒径为中心,研究了无人机的雾化粒径参数,分析了室内及田间试验中无人机喷雾粒径与沉积效果的关系。研究结果及结论如下:
  (1)无人机雾化粒径参数分析。采用激光粒度仪检测了5种孔径的空心锥雾型液力式喷嘴在8个压力下的雾化粒径,整体体积中径在118~229μm之间,并采用SPSS软件分析了孔径及液压对雾化粒径影响的显著性,得到其显著性水平S ig.值都为0.000,均小于0.01,即孔径和液压对空心锥雾型液力式喷嘴的雾化粒径均具有显著影响,且雾化粒径均随液压的增大而减小,随孔径的增大发生上下波动;
  (2)室内无人机喷雾粒径与沉积效果的关系。根据测得的5个喷嘴的雾化特征参数,选定1.0 mm孔径喷嘴进行室内雾滴沉积性试验,检测了其在4种液压下形成的不同粒径雾滴(体积中径分别为137.64μm、152.46μm、172.26μm和198.05μm)分别在距喷嘴0.5 m、1.0 m及1.5 m高度处的雾滴覆盖密度、覆盖率及单位面积沉积量,分析了室内环境下各粒径雾滴在不同高度处沉积量的变异系数,得到粒径为137.64μm的雾滴在1m处的单位面积沉积量最高,为1.418μL/c m2;粒径为172.26μm的雾滴在1m处的单位面积沉积量最低,为0.447μL/c m2;137.64μm粒径雾滴在1.5 m处的沉积量变异系数最大,为101.52%,198.05μm粒径雾滴在1.0 m处的沉积量变异系数最小,为19.72%,即在室内理想环境下,小粒径雾滴的沉积量大于大粒径雾滴,但大粒径雾滴的分布均匀性比小粒径雾滴要好。
  (3)田间无人机喷雾粒径与沉积效果的关系。采用比色法进行田间试验,以丽春红2R为示踪剂检测了两种旋翼式无人机在水稻上、中、下冠层处的沉积量,采用SPSS软件对雾滴沉积量进行显著性分析,计算得出因素垂直采样位置的差异显著性水平Sig.值为0.032,因素试验小区的差异显著性水平S ig.值为0.000,并计算出各试验小区各层采样点沉积量的变异系数,分别为:A区上、中、下三层的沉积量变异系数分别为33.86%、32.04%、34.06%, B区分别为25.59%、17.05%、14.67%,C区分别为20.36%、24.60%、21.22%, D区分别为8.40%、17.86%、14.92%。结果表明,采用无人机进行水稻喷施作业时,各小区冠层上、中、下三层之间的沉积量存在显著差异,雾滴在水稻冠层的分布均匀性和穿透性都较好,且其分布规律不同于室内试验,田间试验中雾滴粒径越小其单位面积药液沉积量越多,雾滴分布均匀性也越好,在无人机旋翼风场的作用下,雾滴能够有效的穿透冠层,抵达冠层深处,且冠层最下层的分布均匀性并不比上层的差。
[硕士论文] 姜锐
农业工程 华南农业大学 2017(学位年度)
摘要:随着植保无人机作业需求的快速增长,社会各界对精准施药的水平越来越关注。药箱是植保无人机作业的关键部件,在作业过程中,药箱中的药量是动态变化的,药箱的药量是地面飞控手时刻关注的重要信息,飞控手可以根据药箱的药量调整植保无人机的飞行操控策略,提高喷施作业效率。药箱液位的监测是获得药箱中药量信息的方法之一。为了探究适合植保无人机药箱液位实时监测的可行方法,本文对国内外常见的接触式、非接触式液位监测方法进行了整理探讨,包括差压式、浮体式、电极式、电容式、超声波式、激光式、光电式、流量计式、机器视觉式、雷达式等主要方法,指出了植保无人机作业过程中,其药箱存在的特殊性,包括液面波动剧烈、药液的理化特性各异、药箱空间小、防腐蚀要求高等,并对上述常见液位测量方法用于植保无人机药箱液位测量时存在的局限进行了分析。在此基础上,探讨了适合植保无人机的质量轻、功耗小、精度高、耐腐蚀的药箱液位监测的方法及装置,并针对植保无人机药箱液位监测中需克服的难题,提出了密闭投入式液位监测和气压式无线液位监测两种解决方案。并对两种方案进行了对比试验分析,首先设计了密闭投入式液位监测器,将压力传感器放置于药箱底部监测底部药液压强,虽然整个装置具有体积小、功耗低等特点,但该方式易受到环境气压、药液沉积等因素影响,液位监测的准确度和稳定性欠佳。为克服上述问题,本文提出一种双气压式液量监测装置的设计方案,包括双气压式液位监测、药箱液面震荡干扰滤波、机身倾斜干扰校正以及液位-液量换算模型等。
  为了验证方案的可行性,根据设计方案制作了液量监测样机,并进行了测试研究。为了验证方案的可行性,制作了液量监测装置的样机,并设计了相关的验证试验进行性能测试。试验结果表明:采用同时监测环境气压和密闭气室内气压的双气压式差值法,液位高度与气压差值之间呈线性负相关关系,相关系数 R2为0.9989,可有效消除环境气压变化对测量精度和稳定性带来的影响;融合了中位值平均滤波法与滑动平均滤波法优势的混合数字滤波算法,使药箱液位数据的变异系数由滤波处理前的28.45%降低到12.27%,对液面震荡干扰具有较好的滤波效果;基于微机械陀螺仪的校正算法,在机身倾斜30°时,相对误差从校正前的12.93%,降低至校正后的0.59%,可较好地消除植保无人机飞行中机身倾斜带来的药箱倾斜干扰误差;在植保无人机机载动态测试试验中,在2L、4 L、6 L的载药量时,谷上飞3WDM4-10植保无人飞机的液量监测器输出的液量数据的相对误差分别为0.75%、1.45%、0.77%,均方根误差分别为0.182L、0.199 L、0.180L,翔农TXA-616植保无人飞机的液量监测器输出的液量数据的相对误差分别为0.45%、0.30%、0.33%,均方根误差分别为0.030 L、0.032L、0.031 L,表明液量监测器在不同实际作业工况中的数据输出较稳定可靠。为了验证样机在实际喷洒作业中的效果,经过对谷上飞-10L植保无人飞机和翔农 TXA-616植保无人机做了机载液量监测试验,作业测量数据显示,谷上飞3WDM4-10植保无人飞机的液量测量平均相对误差1.64%,均方根误差为0.069L,翔农TXA-616植保无人飞机的液量测量平均相对误差1.23%,均方根误差为0.024 L,两机型均可有效地完成在植保作业中药箱液量的实时监测,证明了液量监测装置的实用性和有效性。本文为进一步样机的制作和调试优化提供参考。
[硕士论文] 徐文彬
动力工程及工程热物理 江苏大学 2017(学位年度)
摘要:大载荷无人直升机喷雾施药是农业植保领域的一门新技术,具有喷洒效率高、适用范围广、作业成本低和环境污染少等优点。对大载荷植保无人直升机喷洒过程流动与沉积特性进行研究,为无人直升机喷雾参数的优化提供理论依据,将可以进一步提高无人直升机喷洒施药质量。因此,本文在江苏省农业科技自主创新资金项目大载荷无人机高效施药技术及喷洒装备(CX(15)1038)的资助下,对大载荷植保无人直升机喷洒过程流动与沉积特性进行了试验和仿真模拟研究,并开展了多工况参数优化及田间试验研究。
  本研究主要内容包括:⑴基于FR-200无人直升机飞行平台,分析了无人直升机的各项参数,选择合适的喷雾系统配件,完成了喷雾系统的设计。⑵基于FR-200无人直升机喷雾系统,测量了扇形喷头的雾化特性,获得了喷雾压力对粒径谱、流量、雾化角度的影响规律以及喷头间距对喷雾雾量分布均匀性的影响规律,为喷雾压力、喷雾系统粒径谱和喷头间距的选择提供依据。⑶利用Ansys Fluent软件研究了FR-200无人直升机悬停风场分布特点并进行了实验验证,确定了喷杆安装范围,为研究无人直升机喷洒分布提供了科学依据,并通过试验研究了飞行过程中(前飞和倒飞)不同飞行参数下植株冠层垂直方向风场分布规律。⑷基于FR-200无人直升机结构,应用Ansys Fluent软件,建立了无人直升机无植物冠层室外喷雾雾滴沉降仿真模拟平台,采用离散相模型(DPM)、SST k??湍流方程和SIMPLE算法对喷洒过程流动和沉积特性进行了仿真模拟研究。利用响应曲面法以雾滴抗飘移率为优化目标,建立多工况目标函数,对飞行速度、喷杆相对位置以及喷施角度进行了优化,提出了有效的大载荷无人直升机喷雾参数优化方法,并研究了无人直升机喷雾沉积特性与飞行参数之间的关系,获得了大载荷无人直升机喷洒作业规律,可为实际农田喷洒作业提供指导。
[硕士论文] 黄聪
机械制造及其自动化 华南农业大学 2017(学位年度)
摘要:近些年来,农业航空在我国处于飞速发展的阶段。在农业航空应用中,农用无人机的旋翼风场对施药作业与授粉作业效果有着重要影响。在农业航空施药作业中,无人机的风力大小直接影响药液雾滴的穿透性。若将无人机的风场进行分解,则无人机风场中指向地面的风速对雾滴的穿透和沉积具有显著影响,无人机风场中的水平风速则会对喷幅、雾滴均匀性以及雾滴飘移等产生较大影响。在无人机水稻授粉作业中,风速的大小和方向会直接影响到水稻花粉的飘移距离和分散密度,对实际作业效果有着至关重要的影响。为更好地获取无人机田间冠层旋翼风场参数信息,本文设计并试验了一种风压转换式田间冠层风速检测系统。实验室分析和田间试验表明,使用该系统能够有效检测无人机旋翼风速数据,对无人机田间作业的研究提供有效帮助。
  现有的风速测量传感器多为叶轮风速仪,存在外形尺寸较大,对旋翼风场干扰较大的问题,本文以皮托管作为检测元件,完成了田间风速检测系统的总体设计和田间检测节点的硬件设计和软件设计。该系统有10个节点,每个节点包括三套皮托管传感器组件,通过电路设计和机械结构设计,可以进行多点、多方向或多梯度、实时采集风速数据。
  本文首先分析了不同原理的各种风速传感器的优缺点,然后完成了适用于田间的风速检测系统的总体设计,和以风压转换为原理的风速检测节点的硬件设计和软件设计。并完成了以下试验分析:
  1)为验证皮托管相对于叶轮风速仪在减少风速干扰方面的优势,本设计采用轴流风机测试系统对比分析了叶轮风速传感器和皮托管风速传感器在不同风速下对气流的影响,试验表明皮托管风速传感器在减小自身对风场干扰方面相比现有叶轮传感器具有显著优势,在10~15m/s风速下,皮托管对其检测方向的风速削弱不超过2%,而叶轮风速仪由于将部分风能转换为桨叶动能,对其检测截面的风速削弱基本达到20%以上。
  2)分析了皮托管风速传感器的误差来源并设计试验验证,同时提出了修正误差的方法。经过分析皮托管风速传感器的误差主要来自传感器的重要组件之一风压变送器,并设计试验验证风压变送器的姿态对零点的影响,试验表明该影响比较明显,零点差异随姿态不同可达到3~5mV,需要规定风压变送器使用时以相同姿态安装。
  3)为比较各皮托管风速传感器的差异性,使用轴流风机系统对皮托管风速传感器进行检测。试验表明所选用的皮托管风速传感器之间的最大相对误差不超过6.40%,变异系数为1%,各传感器测量风速的一致性较好。
  4)针对低风速下压差较小,伯努利公式不适用导致的风速测量误差的问题,本文完成了皮托管风速传感器在低速下的风压—风速转换参数的拟合优化,拟合优化后SSE=0.0996,拟合优度 R-sq uare>0.96,采用这种拟合方式,皮托管风速传感器在风速较低、风压信号较弱的情况下仍然能获得较高的风速测量精度。
  5)设计室外试验比较新系统与原有系统的差异,并进行田间试验,验证新开发的系统的可行性和灵敏度。试验证明该风速检测系统具有良好的可行性,且时间响应性能较好。
[硕士论文] 谷秀艳
农业机械化工程 华南农业大学 2017(学位年度)
摘要:农业航空作业具有效率高、质量好、适应性广、成本低、应付突发灾害能力强等特点,正越来越受到社会各界的广泛重视。据相关专家预测,到2030年,我国农业航空植保的作业面积将达到总耕种面积的30%。但是,随着农业航空植保作业面积和作业次数的增加,无人飞机坠机、炸机的情况时有发生,制约了农用植保无人飞机的发展。无人飞机的安全起降是保证无人飞机正常作业的基础,有利于农业航空植保的稳定发展,因此,开展无人飞机的抗摔性能研究显得尤为重要。
  本文针对目前无人飞机抗摔结构不足以保证无人飞机安全起降的问题,提出将气撑式张弦结构应用在植保无人飞机抗摔脚架上,增强对无人飞机安全起降的保护作用。采用理论与试验相结合的方法,对植保无人飞机抗摔脚架的气撑式张弦结构进行了系统研究。主要研究内容包括:
  (1)优选出一种抗风阻性能较好的模型作为气撑式张弦结构的气囊部分。参考相关文献,初选纺锤型、剑鱼型、KILO型,SSN型四种模型,通过Ansys软件对四种模型的抗风阻性能进行仿真试验分析,试验结果表明:纺锤型与其他三个模型相比,当气流流过时,速度变化均匀,产生的压力变化平稳,且风向始终贴合模型,抗风性能更好。在风洞内对四种形状的模型的仿真分析进行验证试验。试验结果表明:在3m/s~11 m/s的风速下,纺锤型气囊偏移角度和质心偏移距离都小于其他三个模型。与仿真结果一致,优选出最佳气囊形状为纺锤型。
  (2)根据优选出的气囊形状及飞行器的尺寸参数,结合上弦和下弦,设计制作了跨度为0.8 m,跨径比为5:1的纺锤型气撑式张弦结构;采用电动拉力试验机对气撑式张弦结构、普通的碳纤维杆件分别进行加载试验,试验结果表明:气撑式张弦结构的切变模量为:G1=1.482×107,碳纤维片的切变模量为:G2=0.851×107,G1> G2,表明气撑式张弦结构的刚度大于普通的碳纤维片;当加载的载荷达到48N时,碳纤维片发生的形变量为72mm,结构断裂,气撑式张弦结构发生的位移为41 mm,且整体结构并未被破坏,当加载的载荷达到300N时,气撑式张弦结构的上弦断裂,结构失效;可见,两种试件在承受相同的力时,气撑式张弦结构产生的形变量更小,受力性能更好,验证了气撑式张弦结构的有效性;且气撑式张弦结构和碳纤维片两种试件在受力-位移上均存在线性关系,气撑式张弦结构的线性方程为:y=3.9622x-4.5126, R2=0.9877;碳纤维片的线性方程为:y=2.4242 x-4.093,R2=0.9956。
  (3)借助高速摄影仪进行无人飞机坠落观测试验,分别将带有气撑式张弦结构的无人飞机和未带气撑式张弦结构的无人飞机从0.5 m、1 m、1.5 m、2 m四个高度坠落。以是否损坏、坠落时无人飞机对地面的作用时间t以及对地面的冲击力F为评价指标,进行对比分析,试验结果表明:带有气撑式张弦结构的无人飞机没有损坏,未带气撑式张弦结构的无人飞机在2m高度坠落后,起落架断裂、飞机表面有划痕且浆损坏;坠落高度为2m时,与未带气撑式张弦结构的无人飞机相比,带有大号气撑式张弦结构的无人飞机对地面的冲击力可减少61%。验证了气撑式张弦结构在无人飞机坠落时对无人飞机具有保护作用;
  (4)对跨径比为5:1的大号、中号、小号(大号长轴为1020 mm,中号长轴为800mm,小号长轴为680 mm)三种规格的气撑式张弦结构对无人飞机稳定性和功耗的影响进行试验。稳定性以无人飞机飞行过程中的横滚角( Ro ll)、俯仰角(P itc h)作为评价指标,功耗以续航时间为评价指标。试验结果表明:三种型号的气撑式张弦结构对无人飞机的影响均在可接受的范围内,其中小号气撑式张弦结构对无人飞机稳定性能及续航时间的影响最小。与空白对照组相比,带有小号气撑式张弦结构无人飞机,俯仰角方差仅相差13.5%,续航时间仅相差7%。
[硕士论文] 王举
农业工程 华南农业大学 2017(学位年度)
摘要:目前,常规农药喷雾作业只能对农田等进行全面积喷施,难以确保按照预定的施药量均匀的对目标地块进行喷雾,造成了农药浪费,对生态环境造成严重污染,危害人类健康。减少农药喷施对于构建生态环境可持续发展具有非常重要的意义。
  本论文针对目标区域预定喷雾量为研究对象,设计并构建了一套基于无人飞行器变量喷雾系统,并对所设计的喷施控制算法进行了性能分析。通过对比常规控制算法与所设计的模糊控制算法在试验仿真和实地喷施试验的性能表现,评估所设计的系统工作性能。本论文的主要工作如下:
  (1)搭建基于无人飞行器变量喷雾平台,根据无人飞行器飞行动力特性,设计并搭建一套流量控制嵌入式开发系统。无人飞行器变量喷雾装置以速度和流量作为反馈,针对喷雾流量模型设计了基于无人飞行器的喷雾流量模糊控制算法,达到无人飞行器喷雾量速度的变化变量喷施。
  (2)设计一套基于流量控制的模糊控制算法,并进行模糊控制算法与其他常规控制算法进行仿真对比,结果表明,无人飞行器变量喷雾系统加入模糊控制后,系统性能在调节时间和控制超调量方面都得到了较大的改善,相较于未加入控制算法,PID控制算法的控制效果,模糊控制的调节时间可达到1.5s,超调量控制在3%以下。
  (3)搭建基于无人飞行器变量喷雾装置进行实地试验,主要是通过对比分析无人飞行器在飞行喷施过程中的喷施响应时间作为性能评估标准,试验结果表明,未加入控制时,实际流量响应滞后目标流量2.5s;加入PID控制后,时间为1.5s,加入模糊控制后,时间为1s。相较于未加入控制和PID两种控制情况,模糊控制响应速度具有明显的优势。
[硕士论文] 刘武兰
农业电气化与自动化 华南农业大学 2017(学位年度)
摘要:航空静电喷雾技术是农业植保中一种先进的植保技术,可有效改进传统施药的缺点与不足。静电作用可有效提高农药在靶标作物表面的附着率和分布均匀性,减少雾滴飘移。本文分析了传统农业植保作业方式和有人驾驶飞机植保作业方式的不足,研究了航空静电喷雾技术的基本原理,提出了一种植保无人飞机的静电喷施系统的设计方案,开发设计了一套可应用于六旋翼和单旋翼植保无人飞机的静电喷施系统,该系统操作简单,安装灵活,性能稳定,已将该系统挂载于植保无人飞机上在新疆昌吉、新疆石河子、海南乐东等棉花和水稻种植区开展了植保无人飞机喷施作业试验研究。
  为了进一步提高航空静电喷施药液雾化和雾滴荷电效果,提高航空静电喷施系统的适用性,本文对植保无人飞机的静电喷施系统进行了优化设计。主要研究内容和成果如下:
  (1)提出了目前国内航空静电喷雾技术所存在的问题。主要包括荷质比测量精度低、雾滴荷电方式不完善、雾滴荷电效果差、航空喷施药剂适用性较差、高压静电发生系统复杂、高压静电发生器重和高压静电干扰机上电子设备等,这几个方面的问题造成航空喷施作业效率低、农药利用率低和环境污染等严重后果。
  (2)根据药液的理化特性,本文研究了水剂药剂和贵州大学研制开发的航空喷施专用静电液剂的静电雾化效果,通过试验明确了航空专用静电液剂在田间作业喷施中的效果,确定了航空专用静电液剂剂型,该药剂以重油或甲酯作为溶剂。试验结果表明:航空专用静电液剂的荷电效果优于水剂药剂,水剂的最大荷质比为3.84mC/kg,静电液剂为4.5 mC/kg,比水剂增加了13.88%,水剂药剂喷雾平均雾锥角为60°,静电液剂为75°,比水剂增加了15°。
  (3)基于雾滴雾化与雾滴荷电理论,分析了药液雾滴静电雾化和荷电方式,对现有的圆锥型航空静电喷头进行了优化设计,优化改进了充电电极环的结构,对不同结构参数的航空静电喷头进行了雾化测试和荷电性能测试,测得较佳喷雾压力为0.6MPa,荷电电压为8kV,优选确定了长度120mm,锥型环状电极长度15mm、上口直径40mm、展开角80°和喷嘴孔径0.6mm的圆锥型航空静电喷头作为田间喷施作业喷头,确定了植保无人飞机田间喷施作业参数。
  (4)分析了单极喷雾模式与双极喷雾模式的特点,对航空静电喷施系统的高压静电发生器进行了设计并优化,设计了一种植保无人飞机静电喷施系统系统。进行了系统电压电流参数、稳定性和适用性的测试研究,实现了输出电压0~±10kV连续可调、双显示和2.4GHz无线通断控制,空载输出功率为6.8W,负载调整率0.5%,静电高压发生电源质量约为1.3KG,实现了植保无人飞机静电喷施系统双模式工作的技术要求,保证了喷施作业效率与安全。
  (5)对植保无人飞机静电喷施系统进行了田间喷施作业试验研究,包括水稻生长调节剂喷施试验和棉花脱叶剂喷施试验。水稻田间试验结果表明:静电喷施可促进水稻抽穗,植保无人飞机静电喷施航空A型专用静电液剂效果较佳,相比于非静电水剂喷施,水稻平均抽穗率可提高20%,相比于静电喷施航空B型专用静电液剂,水稻平均抽穗率可提高10%。棉花田间试验结果表明:植保无人飞机喷施作业高度1m左右作业效果较佳,静电喷施与非静电喷施相比,雾滴覆盖率可增加140%左右,棉花脱叶率提高了12.22%,吐絮率提高了18.55%。采取植保无人飞机静电喷施方式,雾滴在靶标作物表面分布更加均匀,流失少,可提高农药利用率,降低农药药液残留对环境的污染。
[硕士论文] 王碧玉
计算机技术 浙江工业大学 2017(学位年度)
摘要:随着社会的发展,无人机在社会的应用不断增长,从原来的军事领域,到现在的民用领域,甚至于农用领域,到处都有无人机的身影。无人机的应用范围也在不断的扩展。面对数据不断发展的今天,大数据时代对数据的收集和分析是一项很重要的工作,作为新科技领域,对无人机的数据收集和分析还是一个新的项目,特别是对于农用领域数据的收集和分析,现在还处在比较缺乏的情况。本论文就是针对无人机在农用领域的应用中,对无人机数据进行收集,并利用相应的软件对数据进行分析和存储。
  本文针对农用植保无人机在水稻、大小麦、果蔬、茶园绿化植被等作业时,带来的优势,以及作业时对信息采集的问题而提出的,对数据影像的收集中存在的问题而展开研究,并利用软件来解决,主要有以下几个方面:
  1、针对植保无人机作业的特殊情况,对影像数据进行采集,并利用灰度映射技术对数据进行分析,并将分析的结果进行存储,以为今后在相似的地域中能更好更合理的使用无人机。由于植保无人机的超低空飞行,因此影像数据的收集使用数码相机进行,效果良好,图像清晰,利用灰度映射技术基本上解决了影像匹配问题,使大数据更有效的存储和应用。
  2、针对以往无人机应用过程中的问题,利用调参软件进行数据设置和数据存储,并将飞行过程中的关键信息数据如飞行速度、高度、路线、农药的喷洒速度,用量等数据进行分析,全面掌握无人机的作业信息,提高了数据的准确性和实时性,为大数据的收集提供有利的保证。
  3、在农用植保机调参软件的应用过程中,对数据库结构的要求做简要说明,为数据库的创建和数据库的应用提供指导。
[硕士论文] 崔广鑫
园艺 西北农林科技大学 2017(学位年度)
摘要:苹果产业作为陕西省洛川县的区域优势特色产业,在当地农民增收、农业增效中发挥着至关重要的作用。洛川县现有耕地64万亩,其中苹果的栽植面积达到50万亩,总产量88.5万吨,苹果亩均产量3646.08斤、亩均收入7398.13元,需投入4321.71元,纯收入3076.42元,其中劳工投入1504.37元,肥料投入1829.13元,农药投入322.04元,果袋投入448.97元,其他投入217.48元。其中劳工投入和农药投入两者占比超过42%。洛川县的劳工成本会持续上升,如何有效减少苹果生产中的劳工投入成本将是提高农民收入的重要途径;保护环境减少农药和化肥在农业生产中的使用。洛川县苹果园喷药需要高效、低成本的途径来减少苹果生产过程中的劳工投入成本和用药成本。
  本试验在洛川苹果试验站和延安果树试验场进行,对洛川苹果试验站和延安果树试验场的乔化密植果园和矮化立架栽培果园进行试验,试验农用植保无人机喷药的效果,农用植保无人机的穿透性、杀虫效果等。主要研究结果如下:
  1、矮化树方面:在单果重上无人机授粉果树比自然授粉果树平均单果重要高16g,在果实纵径、横径、果柄长、着色面积等方面优于自然花粉的果实,种子数目喷花粉比不喷花粉的果实平均多1.8粒种子;硬度以及可溶性固形物、酸度方面自然授粉优于无人机授粉果树。乔化果树方面:在单果重上无人机授粉比自然授粉的果实重13g,果实纵径、横径、果柄长、着色面积等方面均优于无人机授粉的果实,种子数目无人机授粉果实比自然授粉的果实多1.9粒种子。
  2、在无人机喷药时,果树上端和地面上的感水试纸上的液滴数平均值高于780滴。果树中段所得到的液滴数偏少,均值在410滴左右。果树相同区间段内,果树外部叶片所沾到的药滴数多于果树内部叶片所沾到的药滴数,且越往内侧药滴数越少。乔化密闭果园中的果树在中部树段所得到的药滴数少于矮化果树所得到的药滴数。无论在乔化密闭果园还是在矮化果园中,无人机喷药时从果树行间上空飞过时的喷药效果优于喷药时无人机从果树的正上空飞过,行间飞行优于正上空飞行,行间喷药时果树得到的液滴数多于正上空喷药时的液滴数。正上空喷药与行间飞行喷药,果树所得到的液滴数差距不大,效果不明显。
  3、在蚜虫防治时,人工喷药后第三天杀虫率为95%,无人机喷药后第三天杀虫率为87%,无人机喷药虽不及人工喷药杀虫效果明显,但能够有效控制病虫害。在白粉病的防治时,人工喷药可以减少病梢率90%,无人机喷药可以减少病梢率65%;人工喷药可以有效减少病叶率80%,无人机喷药可以减少病叶率50%。无人机喷药可以有效控制病虫害的蔓延。可以在发生大规模病害时快速反应,迅速遏制病情的蔓延,为人工救灾赢得时间减少因病害造成的损失。
  4、无人机喷药和传统喷药相比可以减少农药用量80%,喷药用水减少95%,整个生产季节中,使用无人机喷药的果园比传统方式喷药的果园减少劳动时间13天,全年节约雇工成本600元。
[硕士论文] 张志芬
农业信息化 河北科技师范学院 2017(学位年度)
摘要:农用无人机是一种有动力、可控制、能携带多种任务设备、执行多种农业任务,并能重复使用的无人驾驶飞行器,在农田信息遥感、农情监测、植保作业等农业领域具有广泛应用。
  针对多旋翼农用无人机在农情监测与喷药植保作业等两类典型作业的相关技术展开研究。其一主要研究农用无人机灾情巡视作业的几项关键技术,涉及摄像机系统标定、灾情面积计算与评估、多采样点巡回的航迹规划问题。其二主要研究农用无人机喷洒农药的植保作业无人机航迹规划问题。
  首先,分析了国内外农业无人机在农业应用以及应用技术研究的现状,阐述了本次研究的研究背景和意义。其次,针对农情遥感无人机摄像机系统标定问题,基于摄像机成像原理,建立了摄像机线性标定模型,完成摄像机内外参数的标定,在此基础上,利用已知的摄像机内外参数和飞机的飞行高度信息,研究了农田受灾区域图像进行处理和加工方法,给出受灾区域多边形目标的坐标以及受灾区域的面积的计算方法。再者,针对大面积区域灾情巡视中多采样点巡回的航拍规划问题,将其归结为多旅行商数学模型,借助遗传算法给出无人机飞行架次以及各航次作业路径规划方法。最后,针对无人机的喷药植保作业航迹规划问题,分析了风力对喷洒作业的影响,给出了“折返式”作业模式下实现作业区域的全覆盖的无人机航线规划方法。通过仿真和实验,验证了上述模型及方法的可行性。
[硕士论文] 李兴泽
电路与系统 北方民族大学 2017(学位年度)
摘要:目前我国的农业生产正逐步进入一个全新的发展阶段,这个阶段的主要特点是以信息技术高度密集为主。将现代电子信息、通信工程、嵌入式、生物工程和机械装备技术综合应用于农业生产已变为全球发达国家面向现代农业的重要生产形式。农业生产过程中,全面而实时的信息采集是农业生产发展进步的中流砥柱,占有举足轻重的地位。但现阶段面向农业生产过程中的信息监测技术以及农田环境信息通讯技术仍然捉襟见肘。时代在快速发展的同时推动通信技术也得到迅速推广,3G、4G网络迅速完成信号层覆盖,不仅促进网络稳定性得到快速提升同时也改进了通讯速率,无线传输技术得到全方位的推广和应用,本文的重点是完成基于无人机农田信息监测系统的深层次探索和功能分析。
  本文的主要研究对象是宁夏农垦集团黄羊滩农场引黄灌区田间智能灌溉项目,利用电子信息、通信工程和无线通信等相关技术知识,结合四旋翼UAV飞行器,对60余亩试验田的土壤湿度进行采集,以此为基础研究基于无人机的农田信息监测系统的设计与实现。
  首先通过分析对比,采用射频通信作为本系统的主要通信方式,分析无线模块通信频率的选择、天线类型的选择。硬件平台方案设计,主要利用四旋翼UAV、低功耗处理器MSP430F149、无线传输芯片nRF905和GPRS模块搭建,并利用modbus通信协议规范信息数据的传输格式,完成信息数据的高效传输。
  其次,在上述通信电路的基础上,完成四旋翼 UAV航迹建模的相关数据研究。农田环境四旋翼 UAV航迹规划能够向全局路径飞行的方向递进,也可以理解成利用农田中特殊点的收集或者是即行确定点完成信息的收集,然后再按照轨迹到指定地点使用最短路径问题。选择无人机航迹规划算法时,经过比较最终选择比较常见的模拟退火算法,并针对算法进行了分析和Matlab仿真验证。
  最后,制作硬件平台(包括采集节点和机载接收器),无线收发数据的检测。利用田间通信检测,完成了误帧率的检测和通讯距离的检测以及无线通信电路的通信速率检测。分析地面站服务器和Android程序设计需求并设计实现。以无人机为枢纽,将采集数据通过4G网络传输给地面站服务器,用户可通过电脑网页或手机APP实时观测数据信息。本设计系统可以快速、高效、大面积的采集农田环境信息,较传统的农业信息采集系统相比具有的准确性和实时性。
[硕士论文] 周莉萍
生物系统工程 浙江大学 2017(学位年度)
摘要:农业精准化趋势下,植保无人机凭借其超强适应能力、高效作业能力、节省劳动力、节约资源和保护环境等诸多优点,在国内农业航空领域具有良好的发展前景。由于植保无人机作业环境复杂多变,导致农田试验条件不易控制,试验结果不能作为植保无人机喷洒作业的具体参考标准。
  针对以上田间喷洒试验的环境多变性,将多旋翼植保无人机仿真平台及机载喷洒系统搭建起来用于科学研究,并编写了用于雾滴沉积的图像处理分析程序“Droplet Analysis”。在总结国内外植保无人机研究进展之后,结合水敏纸的雾滴沉积检测和图像处理程序“Droplet Analysis”、红外热成像等技术手段,研究了低空不同作业高度、飞行速度以及茶树植株不同沉积层上雾滴沉积特性的变化规律。
  具体研究内容和成果如下:
  (1)首先确定无人机仿真平台喷洒系统在不同作业高度下产生的有效喷幅宽度,在有效喷幅宽度范围内,探究发现:在1.0 m、1.2 m、1.4 m作业高度的梯度变化下,有效喷幅宽度分别为2.57m、2.94 m和3.21 m,茶树植株上雾滴沉积覆盖率Coverage呈现出随作业高度升高而下降的变化规律,其在1.0m、1.2m、1.4 m作业高度下,雾滴覆盖率分别为17%、11%和10%。
  (2)排除自然风的干扰,无人机仿真平台通过对飞行速度的调控,对不同飞行速度下茶树植株上沉积的雾滴质量评价指标进行探究。结果发现:在0.3 m/s、0.5 m/s、0.7 m/s、0.9 m/s、1.0 m/s飞行速度下,雾滴沉积密度Density值、雾滴沉积覆盖率Coverage以及雾滴粒径算术平均值D0都随无人机飞行速度的增加而降低,而在0.3m/s-1.0m/s飞行速度范围内,反映雾滴粒径分布均匀性的雾滴粒径变异系数CV值分别为0.891、0.979、1.026、1.311和1.243,随飞行速度的增加而增大,导致喷洒出来的雾滴粒径分布均匀性变差。红外热成像仪在航空喷洒试验中,通过对喷洒前、后作物叶片表面温度变化率的记录分析,将叶片表面温度变化率与水敏纸检测结果进行对照,发现规律一致。因此,说明热红外成像技术可以有效反映出各作业参数变化后雾滴沉积覆盖率的变化。
  (3)本研究选用茶树高度约为0.6 m,茶树植株不同沉积层对喷洒雾滴沉积量的接受概率存在差异,相应试验结果表明:植保无人机喷洒作业过程中,作物植株沉积层按照自上而下的顺序,植株叶片表面的雾滴沉积覆盖率Coverage会逐渐降低,飞行速度为0.3 m/s时,五棵茶树上、中、下沉积层上平均雾滴沉积覆盖率依次为33.79%>30.47%>17.21%;飞行速度为0.5 m/s时,茶树上、中、下沉积层上平均雾滴沉积覆盖率依此为26.90%>14.14%>8.31%;飞行速度为0.7 m/s时,茶树上、中、下沉积层上平均雾滴沉积覆盖率依此为18.89%>16.11%>13.62%。
[硕士论文] 何明昊
农业信息化 华南农业大学 2016(学位年度)
摘要:现有无人机图像采集平台由大量设备构成,具有系统开发困难、重量大、价格高昂,对无人机的负载能力有较高的要求,致使研究成果难以应用于生产实践。基于目前的现状,本研究开发了一套基于安卓智能设备的无人机遥感图像采集及分析系统。由于安卓智能设备质量轻、体积小,从而能够降低其使用的搭载无人机的体量及成本,提升其续航能力及作业时间。与此同时,安卓智能设备普及度高、成本低廉、程序易于维护与移植,从而使得研究成果易于推广及应用。
  本研究的研究内容及结果具体包括:
  (1)利用Android SDK、Eclipse开发平台、Java语言开发遥感图像采集平台安卓端软件,利用Labwindows/CVI平台、C语言开发采集平台地面PC端软件,并利用8051单片机及 HY-05蓝牙模块开发了蓝牙扩展部件。利用无线网络将安卓端的摄像头视场预览帧、内部传感器数据、GPS数据传输至地面PC端,及从地面PC端发送控制字给安卓端。在实际作业中该系统能够实现各安卓智能设备内置传感器数据及摄像头预览帧的实时传输、图像采集,并能对利用蓝牙扩展部件连接的ADC Lite多光谱相机进行控制及内部状态读取;
  (2)比对了RGB图像压缩算法。利用压缩算法对安卓端传输至地面PC端的摄像头预览帧进行压缩,提升摄像头预览帧的传输速率,减少其出现丢帧、卡帧、花屏等现象的概率,从而提升系统的实时性及可靠性。在静态及动态视场下比较不同分辨率的YUV420sp编码图像及JPEG编码图像传输速率的差异。实验结果表明在各组测试中利用JPEG格式对预览帧进行压缩编码的传输帧率均优于YUV420sp格式,利用单因素方差分析对实验结果分析显示该速率差异极显著。与此同时,利用JPEG格式对预览帧进行压缩编码可以减少卡帧、丢帧等问题的出现概率;
  (3)研究图像的校正算法。通过对获取的图像进行校正,可以克服由于无人机因飞行姿态造成的透视畸变问题、图像采集设备镜头固有的剪切畸变、透镜畸变。基于摄像头成像原理分别提出了对桶形失真及透视畸变的校正方法,并对实验图像进行校正。实验结果表明利用所提出的桶形失真校正算法可以降低由于剪切畸变、透镜畸变带来的图像纵向畸变,利用单因素方差分析对实验结果分析显示该结果极显著;利用标定模板图像对透视畸变校正方法进行实验,实验结果表明该方法能较好地对图像进行还原;
  (4)比较了不同的图像拼接算法,通过利用GeoTIFF编码的遥感图像中提取的地理信息,利用坐标转换的方法对其进行拼接;通过利用傅里叶变换相位相关法对具有平移模型的图像进行拼接;通过利用SURF算法对不具有地理信息及运动模型的图像进行拼接。根据实际实验获得的安卓端参数显示,利用地理信息及平移模型等方法对有安卓端采集的图像进行拼接均不适用,利用SURF算法可以较好地进行图像拼接,对噪声、干扰、尺度变换等都有较好的鲁棒性;
  (5)利用开发的图像采集系统对棉花田块进行了图像采集,通过对其进行棉铃区域的分割以及特征值提取与筛选,建立了相应的数学模型。利用未知棉花田块图像进行验证,利用RGB色彩空间分量与线性回归模型对棉铃图像的识别率分别为:B-G:65.98%;B-R:64.89%;R-G:75.78%;利用灰度共生矩阵的纹理特征参量与二次函数回归模型对棉铃图像的识别率分别为:像素间距-二阶矩:98.11%;像素间距-对比度:98.89%;像素间距-相关性:97.78%;像素间距-均值:6.99%;像素间距-均值和:14.76%。
  如上所述,本研究所开发的图像采集及分析平台能够进行图像采集作业,能对获取的遥感图像进行校正与拼接,并对其所蕴含的农情信息进行反演,具有一定程度的可行性及实用意义。
[硕士论文] 王建伟
农业机械化 华南农业大学 2016(学位年度)
摘要:水稻在制种期间,花粉借助风力传播完成授粉。目前无人机逐渐被广泛应用于杂交水稻授粉作业。无人机水稻授粉作业时,旋翼产生的风场对水稻花粉分布影响显著,直接关系到杂交水稻的制种质量。为了找出小型无人机旋翼风场下水稻花粉的分布规律,本文首先利用高速摄像技术尝试拍摄花粉运动轨迹图像,再结合风洞模拟试验方法采集风洞内各采样点风场参数和花粉数据,研究三种不同初始风速条件下的风场参数与水稻花粉分布的关系。此外,本文利用航空用北斗系统UB351定位采样点坐标,精确掌握各个采样点的位置坐标与间距,并绘制无人机飞行轨迹,为试验提供准确的数据参考;利用风场无线网络测量系统测量不同试验因素下旋翼产生的三向风场,并获得风场宽度、风场峰值等,与无人机授粉作业的花粉分布面积比、花粉分布宽度作对比联系;利用Shapiro-Wilk、Kolmogorov-Smimov统计量进行正态性检验。最后根据花粉分布趋势优选出适宜的无人机授粉作业飞行速度,建立回归模型。主要研究内容有:
  (1)根据高速摄像机的原理并结合花粉的物理特性,设置该试验环境下高速摄像机的参数,包括焦距、摄像频率等,在完成试验场景布置和各项参数设置后,拍摄粉笔灰的运动图像,并对运动图像做各项阈值的二值化处理,计算得到拍摄到的粉笔灰粒径大于花粉粒径,最后得到该型号的高速摄像机无法在所提供的试验条件下拍摄到花粉的结论。
  (2)设计小型风洞的整体结构,包括选择合适的转速、功率的风机、选择振动频率符合要求的电机。设置试验方法,包括确定试验的初始风速、小型风洞内的采样点分布距离、承载台的花粉量。试验采集在不同初始风速条件下的各个采样点的风场、花粉分布数据,并对所采集的数据进行正态分析和线性回归分析,最后得到结论:风洞内采样点风场分布方面,悬浮速度风速带最宽的为试验2(初始风速为3.5m/s),悬浮速度风速带最窄的为试验1(初始风速为2.5m/s);试验3(初始风速为4.5m/s)与试验2各阶段的风场宽度相差不大。花粉分布方面,三次试验中7#处花粉量均最多,试验1的各项数据均最小(花粉平均分布密度、花粉分布面积比、花粉分布宽度),试验2与试验3的数据相差不大;风洞试验各采样点花粉量呈近似正态分布,且当风洞试验初始风速为3.5m/s时,风洞试验的花粉量与采样点风速值呈线性关系,花粉较为集中地分布在风场的悬浮速度带内,该风速有利于花粉传播授粉。
  (3)设计田间无人机的花粉分布试验,设置3个试验区域,在每一个区域布置20个采样点,并布置采样载玻片;选择合适的无人机机型,并根据机型确定飞行作业参数,无人机按照3个不同的飞行速度、一定的飞行高度进行授粉作业,收集3次作业条件下的风场分布参数、花粉分布量等,并对花粉量的分布情况做正态性检验以及建立风场与花粉分布量之间的线性回归模型,最后得到结论:通过比较 x、y方向风速值,无人机旋翼产生的水平风场以y方向为主,且y方向风场宽度最宽,同时飞行速度为风场宽度的主要影响因素,其中水平风场宽度随无人机飞行速度的增大而减小,同时无人机的飞行速度也对垂直风场影响明显;无人机以4.53 m/s飞行时,大于5粒的花粉分布宽度和花粉分布面积比均最大,该飞行速度最利于花粉授粉,说明花粉分布量不仅受水平风场影响也与垂直风场密切相关。对比1#~10#采样点花粉量与11#~20#采样点花粉量,无人机授粉作业下旋翼产生的风场对花粉分布的影响呈非对称性。利用spss软件的Q-Q图检验得到无人机风场下的花粉分布不服从正态分布。通过建立花粉分布量等级与各自方向风速等级之间的多元线性回归模型,花粉分布量只与无人机旋翼产生的x方向风场成正向线性关系。该结果为无人机的水稻授粉作业提供了理论指导依据。
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