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[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] 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] 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] 瞿祥明
农业机械化 华南农业大学 2016(学位年度)
摘要:在现代社会中,随着现代社会科技的快速发展,单旋翼农用无人机应用范围越来越广泛。单旋翼农用无人机的优点体现在快速性、轻便性。在社会生活应用过程中,单旋翼农用无人机的作用越来越卓著,它对一个国家的科技发展起到重要作用。尾传动系统是单旋翼农用无人机的关键部分。尾传动系统传动过程的可靠性对单旋翼农用无人机飞行的安全性有着重要影响。本文研究针对两套单旋翼农用无人机尾传动系统,包括圆锥齿轮尾传动系统和同步带尾传动系统。通过将理论分析、有限元分析数值分析技术与单旋翼农用无人机尾传动系统试验相结合,对单旋翼农用无人机尾传动系统关键部件关于传动原理、受力选型、结构设计、关键参数、及传动进行试验研究,旨在探究单旋翼农用无人机尾传动系统动力特性性能,以提高单旋翼农用无人机的尾传动系统的传动效率和工作性能认知。主要研究内容如下:
  (1)简要介绍单旋翼农用无人机尾传动系统的传动装置,评估尾传动系统的传动装置在机械原理上可行性。对单旋翼农用无人机的尾传动系统的同步带、同步带轮、圆锥齿轮、尾桨固定轴、水平传动轴等相关部件进行强度校核,为单旋翼农用无人机尾传动系统的关键部件选型提供依据。同步带轮采用材料为40号钢,是一种优质碳素结构钢,它的弹性模量为 E=213.5GPa,同步带轮齿数为 Z1=Z2=19、带轮节径d=12.29mm;同步带选用MXL型同步带,节距Pb=2.032mm、同步带齿数Zb=375、节线长度Lp=762mm、带宽ba=4.8mm;圆锥齿轮材料都选择为AISI-4340钢,是40CrNiMo合金结构钢、精度7级,齿数为Z1=Z2=25;尾桨固定轴,水平传动轴选择45号优质碳素钢。
  (2)对圆锥齿轮、同步带轮和尾桨固定轴在不同扭矩作用下进行有限元仿真分析,作用扭矩分别为0.025N.m、0.035N.m、0.045N.m,分析圆锥齿轮、同步带轮和尾桨固定轴在不同扭矩载荷下的应力、应变、位移和安全系数。结果表明:作用扭矩对单旋翼农用无人机尾传动系统的传动有着较大的影响。作用扭矩越大,圆锥齿轮、同步带轮和尾桨固定轴的应力、应变越大安全系数越小。不过在作用扭矩范围内圆锥齿轮、同步带轮和尾桨固定轴的最大应力没有超过所选材料的许可应力,圆锥齿轮、同步带轮和尾桨固定轴选型材料选择符合要求。
  (3)搭建了两套单旋翼农用无人机尾传动系统,包括同步带尾传动系统和圆锥齿轮尾传动系统,对这两套尾传动系统进行动力特性试验。假定每套尾传动系统的试验水平为六组,每组试验六次,以电机的输出功率为试验因素,尾传动系统的传动过程是否正常为试验标准。试验结果表明,无论是同步带尾传动系统还是圆锥齿轮传动系统在电机输出功率范围在11.1W至22.2W区间内,试验结果是这两套尾传动系统传动过程正常。分析尾传动系统的尾桨固定轴转速、尾桨风速,对比不同尾传动系统的载荷比、风速比、动力特性。同步带尾传动系统载荷比较小,圆锥齿轮尾传动系统的风速比较小,圆锥齿轮尾传动系统的动力特性相对高些,提高对单旋翼农用无人机尾传动系统设计研究工作。
[硕士论文] 陈加栋
农业生物环境与能源工程 江苏大学 2016(学位年度)
摘要:化学药物防治是植物保护现阶段主要的方法。减小农药用量、提高农药利用率、促进农业生物环境生态恢复是我国基本国策。航空喷雾是一种新的作业方式,能够达到地面机械无法深入的地方。无人直升机喷雾的作业高度是航空喷雾的关键参数。无人机喷雾作业边界探测识别是无人直升机喷雾的重要内容。因此,无人直升机喷雾过程准确控制作业高度、探测识别作业边界,属于我国农业生物环境与能源工程学科迫切需要解决的关键问题。
  本文在 CD-10型无人直升机平台上加装了激光传感探测系统。通过实验研究了无人机不同飞行高度和飞行速度下,激光传感信号的特征。设计喷雾试验,研究喷雾高度和喷幅之间的关系,得出扫描角度与喷雾高度的模型,优化激光探测中的扫描角度。研究了无人直升机喷雾的激光传感探测特性。主要研究工作包括以下几个方面:
  (1)无人直升机激光探测系统构建
  在现有 CD-10型无人直升机上,选取所需的传感器,并对激光传感器进行标定。选取姿态传感器和GPS传感器,组成无人直升机激光探测系统。
  (2)激光传感探测试验研究
  研究了激光传感器在土壤及作物覆盖情况下的传感特性,以及在不同前进速度下激光特性。主要结论如下:
  ①对土壤表面进行探测时,在0.5m~2.5m的范围内,距离测试的变异系数随着高度而减小。对作物冠层进行探测时,测试的变异系数随着测试的高度而减小。激光对作物冠层测试的变异系数均大于同一高度下对土壤测试的变异系数。但高度达到1.5m是两者的趋势基本一样。
  ②不同前进速度下,激光发射点到长方体上表面的距离值最小为308 mm,最大为317 mm。当速度为0.3m/s、0.5m/s、0.8m/s时,激光测得发射中心到长方体上表面距离的方差大小基本一样。速度对激光距离的测量影响不大,但会影响激光测量数据的方差值。
  (3)无人直升机田间激光传感探测试验研究
  研究了无人直升机在不同飞行高度、不同飞行速度下激光的精度和性能。主要结论如下:
  ①在同一高度下,水稻冠层数据的方差,随飞行速度的增大先变小再变大。在同一飞行速度下,水稻冠层数据的方差,随高度降低而增大。但飞行速度为2.5m/s时,方差随着高度的降低先变小再变大。
  ②当飞行速度一定时,田埂高度数据方差随高度先增大后减小。当高度一定时,田埂高度数据方差随高度先增大后减小。
  ③不同飞行速度和不同作业高度下的反射强度随着飞机飞行高度的增加,水稻反射强度减小,田埂的反射强度值基本保持不变。
  ④以水稻和田埂高度差值,作为边界识别方法的阈值。并进行试验的验证。验证结果为:信号分割点出现在1m附近,方差0.27m。在分割的过程中,在激光发射原点的左边存在许多误判点。
  (4)喷幅测定试验
  ①当高度在1.5m以下时,喷幅随着喷雾高度的增加而增加。但高度超过1.5m时,喷幅随着高度的增加而减小。
  ②当喷雾高度到达2.5m左右时,雾量峰值不明显,喷幅范围内雾滴分布变得均匀。随着喷雾高度的增加,雾滴沉积逐渐减少。当高度达到2.5m时,雾滴沉积变化不大。
[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。
[硕士论文] 申江峰
农业机械化工程 河南农业大学 2016(学位年度)
摘要:当前世界农业作物生产过程中,农田作物病虫害防治的主要手段依然靠药物喷洒。然而在对农作物病虫害防治过程中,正确的防治方法是能够保障作物正常生长的重要环节,将直接影响作物生产的质量和产量。我国幅员辽阔,是世界农业大国,每年会有2000多万hm2的农田需要对病虫害进行防治,其中山区和丘陵地区占我国总土地面积的61%。据不完全数据统计,我国每年农田病虫害发生面积巨大,粮食发生病虫害严重,粮食损失量达4000万吨。所以在农作物发生病虫害时,如何可以快速有效地消灭病虫害,将经济损失减到最小,需要我们认真思考和探索。
  然而,在农作物病虫害防治过程中,传统药物喷洒方式工作量大、效率低的特点,已不能满足人们的需求。随着现代科技的不断发展,无人机技术得到了推广和应用,在农业使用方面改变了传统药物喷洒的缺点,减小了工作量,提高了工作效率和病虫害防治效果[2]。农用无人机在农田作业工作过程中,它以高效、方便和较强的适应性等优势,不仅得到了人们的认可,更重要的是推动了无人机农田应用技术的发展[3]。近年来,无人机技术在一些发达国家比较成熟,国外的一些大农场病虫害防治、森林防火监测中都会有无人机的存在,促进了无人机技术在农林业中的快速发展。在我国,由于经济、技术等方面条件的限制,我国应用在农作物病虫害防治过程中的无人机数量比较少,目前能够在农田中使用的主要以小型无人机为主。另外,我国农用无人机技术还处于初级发展阶段,尚不能满足农林业病虫害防治的需求[4]。
  本文以3ZSF-8A型多旋翼飞行器为例,分析其结构参数与负载能力,合理设计喷雾系统,完成喷雾系统的初步设计,制定试验方案。在室内喷雾综合试验台上针对不同型号的喷嘴,对其喷雾系统进行试验,分析个参数对喷雾效果的影响,通过试验最终选择适合农用喷雾的扇形喷嘴,再者结合飞行器雾滴沉积量和均匀性测试实验,分析飞行高度和溶液浓度对喷雾沉积量的影响,结果显示雾滴沉积量与飞行高度成抛物线趋势,在喷雾高度为1.5m时,吸光度最大为2.039;在相同高度下,溶液雾滴吸光度与胭脂红溶液浓度成正比关系,随其浓度增大而增大。
[硕士论文] 关宝金
智能控制 佳木斯大学 2016(学位年度)
摘要:经济实用、操作简单的具有局域导航跟踪和遥控路线两种工作模式的小型无人农药喷洒直升机对于推动科技下乡和提高农民的经济效益具有重要意义,同时还可以提高农业生产的效率,节约人力成本,这已经成为当今国内外研究的主要课题。
  论文介绍了局域导航跟踪遥控及路径规划相关概念及现代流行的研究方法,并且针对中小型农田的特点,基于简化操作思想设计了局域导航跟踪遥控及路径规划的优化及控制系统的整合方案:手动遥控和自主巡径的操作集中于触摸屏操作。通过比较分析发现,传统农药喷洒直升机要么是无人遥控,要么是有人驾驶。有人驾驶需要专业飞行驾驶操作人员,一般农民很难实现;无人遥控操作虽然简单,但是飞行路线不精确。通过对上述情况的综合比较,考虑目前我国农民的经济条件,以及农民的综合素质状况,因此选择把局域导航跟踪遥控及路径规划应用于小型无人农药喷洒直升机,并把操作控制功能整合于触摸屏上实现操作简单化,飞行精确化。
  结合上面论述的理念与研究方法,基于ARM系统利用C语言编程,通过GPS模块读取直升机的当前坐标数据,存放ARM系统,经过坐标比对形成坐标原点,从ARM系统读取事先规划好的路径,传送至直升机控制机构控制直升机按规划的路径飞行,也可人工定义路径拐点形成新的路径存入ARM系统,并调用出来指导直升机飞行,实现自主巡航。分析具有局域导航跟踪遥控及路径规划的小型无人农药喷洒直升机的优势,进行局域导航跟踪遥控及路径规划应用于小型无人农药喷洒直升机并将操作控制整合于触摸屏的实施与技术改造,完成操作控制集成于触摸屏具有局域导航跟踪和遥控路线两种工作模式的小型无人农药喷洒直升机实施的设计。最后,重点分析了局域导航、路径规划及操作控制的触摸屏实现的编程方法,通过MATLAB仿真实验证明了局域导航跟踪遥控及路径规划应用于小型无人农药喷洒直升机,并将操作控制整合于触摸屏设计可行达到了预期的设计目标。
  此外,希望通过对局域导航、路径规划及操作控制的触摸屏实现的探索与研究,能够对小型无人农药喷洒直升机走进农村提供有益经验,为推动农业科技化、现代化起到积极作用。
[硕士论文] 黄枭
集成电路工程 西南科技大学 2016(学位年度)
摘要:随着现代农业机械化的发展和精准农业的需求,对植保技术的要求也愈来愈高。传统的植保技术已经不能较好满足当前要求,开发适合现代农业的新型植保技术已经成为当前的趋势。
  本文针对精准作业需求,采用嵌入式技术和农业机械相结合的方式,设计了基于STM32F427的植保无人机,该植保无人机具有精准作业、操作简单、作业效率高和安全可靠等特点,基本满足了小面积精准化作业要求。
  论文首先阐述了四旋翼无人机基本飞行原理,给出了植保无人机的整体设计方案。其次根据系统工作实际要求,以 STM32F427为核心设计了四旋翼植保无人机的飞行控制单元、喷洒管理单元和手持遥控器的硬件电路。然后采用四元数法对测量数据进行姿态解算,并对不同传感器数据进行了基于互补滤波算法的数据融合,利用串级 PID对姿态和位置进行控制,选用μC/OS-III作为软件系统核心,使用MDK5.0完成了软件模块化实现。最后通过对植保无人机进行实验测试和分析,结果表明四旋翼植保无人机稳定可靠,能够实现小面积精准作业要求。同时对本文的研究需要进一步提升地方进行总结,提出了进一步研究工作的规划和展望。
[硕士论文] 周晴晴
农业机械化工程 中国农业科学院 2016(学位年度)
摘要:植保无人机在我国发展迅速,但是由于喷洒部件技术落后,造成雾滴沉积分布不均匀、飘移风险高等问题。喷嘴的雾化性能尤其是雾滴粒径和雾滴谱宽度,直接影响药液的喷洒质量。离心喷嘴由于运行可靠、雾滴谱窄、喷幅宽在航空施药领域有广阔的应用前景。研究离心喷嘴的雾化机理,为改进喷嘴结构、优化转杯参数提供理论支撑和试验依据,以期获得满足航空施药高空、高速、大流量喷洒条件的窄雾滴谱离心喷嘴。
  本文主要采用理论分析、数值模拟与试验研究相结合的方法,分析了离心喷嘴的雾化过程以及雾滴运行轨迹,模拟了离心喷嘴内部和外部的流场分布,确定了喷嘴工作参数,优化了转杯结构参数。主要研究内容如下:
  (1)通过对比液力喷嘴和离心喷嘴的雾化原理,选择更适合航空喷洒的离心喷嘴作为研究对象。喷嘴的雾化性能直接影响施药作业的喷洒质量,设计了离心喷嘴雾化机理的研究方法与实施方案。
  (2)为获得窄雾滴谱的离心喷嘴,提出了把喷嘴的雾滴体积中径和雾滴谱宽度作为衡量转杯离心雾化喷嘴雾化性能的评价指标。在确定了试验的工作条件和采样点位置的基础上,采用方差分析和均值比较的统计方法,得到转杯的最佳沟槽形状为方形。转杯直径和齿数对雾滴体积中径和雾滴谱宽度影响显著,正确组合直径和齿数,能够获得窄雾滴谱的离心喷嘴。根据二次回归正交旋转设计以及SAS软件响应面分析,得到雾滴体积中径和雾滴谱宽度的二次回归模型。决定系数R2分别为0.803和0.834,回归模型拟合良好。优化后的转杯结构形状是:直径为65mm,齿数为168个。雾滴体积中径和雾滴谱宽度的模拟值分别为165.6μm和102.1μm,满足航空低量喷雾对雾滴粒径的要求。
  (3)在明确离心喷嘴的结构、工作原理的基础上,使用四阶标准 Runge-Kutta算法,基于Matlab平台数值求解雾滴运动微分方程,得到雾滴在空气中的运动轨迹,以及雾滴水平速度和竖直速度的变化规律。数值求解的方法解决了复杂微分方程难以获得解析解的问题。
  (4)采用RNG k-ε模型算法,基于CFD平台模拟了转杯内部流场的分布规律和外部流场的沉积分布规律。转杯内部液体流场的分布以及雾滴沉积量分布范围的边缘半径随着旋转角度的增加而先增大后减小。
  (5)采用变频器调整电机转速,采用回水阀稳定喷洒液体的流量和压力,设计并搭建了离心雾化试验台。试验研究了喷嘴的雾化形状、雾滴沉积量分布规律。由于入水口偏置,以入水口为起点,雾化半径、雾滴沉积量及雾滴粒径随着转杯的旋转方向逐渐增加,当到达一定方位后又逐渐减小。雾滴水平位移的理论值、沉积分布边界的模拟值与有效落点试验值的相对误差分别在5.31%和14.49%以内,表明雾滴运动方程解析、沉积分布边界模拟基本正确。
[硕士论文] 崔笑天
仪器科学与技术 西安电子科技大学 2015(学位年度)
摘要:近年来,无人机越来越多的应用在了如航拍、现代物流、农业喷施等民用领域中。作为无人机系统中重要的组成部分,无人机地面站能够通过无线数传设备对无人机进行实时飞行状态监测并且实现飞行任务规划功能。本文的研究目的是设计一款专用于农业喷施无人机的地面站软件,主要介绍了无人机地面站的组成原理、相关专用技术,重点研究了农业喷施无人机地面站软件的整体与模块设计。本文重点研究了以下内容:
  根据面向对象的编程思想,对无人机地面站软件进行层级划分与整体设计。地面站软件整体结构分为四个层级:应用层、规划层、执行层、传输层。根据地面站功能划分主要介绍了虚拟仪表模块、电子地图模块和农业任务规划模块和数据管理与传输模块四部分的设计和在Windows系统下C#.NET平台上各模块功能的实现。虚拟仪表模块是基于OpenGL与GDI+开发设计的,通过对数据信息进行解码提取,将无人机的飞行状态与设备状态进行实时显示。电子地图模块通过GMap.NET在软件设计平台下的二次开发,实现对电子地图的缩放、平移等功能操作,根据读取飞行数据的经纬度信息可以在电子地图上实时显示无人机的飞行位置。农业任务规划模块主要包含了对无人机起飞前的各项校准设置、喷施设备参数设置、喷施区域划分设置以及无人机喷施任务规划四部分功能。数据传输与管理模块设计使地面站能够读取飞行控制器上的数据信息并且将控制指令发送至飞行控制器上,能够完成飞行数据和控制指令的存储,还可以调取所需要的信息到虚拟仪表模块和航迹跟踪与规划模块实现飞行航迹再现。
  软件设计完成后进行了测试,利用实验室项目设计的飞行控制器模拟无人机飞行状态,将无人机所发送的数据传给地面站所在计算机,测试了地面站软件的实时状态与航迹显示功能。最后无人机实际测试结果证明了本文所设计的无人机地面站在数据传输、任务规划、实时信息显示的等核心功能达到预期结果,现已成功应用于某型多旋翼无人机,实现对农业喷施无人机的监测与任务规划。
[硕士论文] 刘胜忠
农业工程 江苏大学 2015(学位年度)
摘要:防霜风机在茶果园中得到了一定范围的推广应用,但因其固定的安装方式和固定的防霜范围,使丘陵山区大规模灵活应用受到一定的限制。为探索一种可移动、大范围防霜方法,本论文将小型农用无人直升机应用于茶园防霜,通过田间试验研究,优化飞行防霜参数,为防霜实践提供参数依据。在仿真分析无人直升机气流扰动防霜原理基础上,进行飞行防霜预试验;试验研究飞行防霜效果与飞行高度、飞行速度和飞行间隔时间等参数的相互关系,以此优化防霜飞行参数组合;开发一套霜冻气象参数无线报警系统,用于指导直升机防霜飞行区域的选择。主要研究内容与结果如下:
  (1)无人直升机飞行防霜过程分析
  在分析无人直升机飞行防霜影响因素的基础上,采用计算流体动力学,对飞行防霜过程进行了仿真。影响飞行防霜效果的主要因素有:飞行高度、飞行速度和飞行间隔时间。
  仿真结果表明:无人直升机悬停高度一定时,使近地温升先随离地高度的增加而增大,而后逐渐减少;在茶树冠层水平截面上,温度分布由内向外逐渐减小。当飞行高度为8m时,最大温升出现在离地1.2m处即茶树冠层位置;该位置水平截面温度分布由内向外逐渐升高,中心区域温升最高,其平均值为5.0℃。
  (2)无人直升机茶园飞行防霜预试验
  在有霜天气的夜间,实施了无人直升机悬停对地面扰动情况和飞行防霜的预试验,确定了无人直升机悬停高度对地面扰动大小,以及初步的防霜效果。结果表明:在5~10m悬停高度范围内,直升机对其旋翼外缘下方地表的气流扰动最大,但此处气流扰动的增幅随悬停高度增加而减弱;飞行后茶树冠层温度平均提高3.34℃。
  (3)防霜飞行参数的优化
  首先,试验测试了不同飞行高度和飞行速度对茶树冠层扰动的影响;然后,通过回归正交试验设计,建立了防霜效果与飞行高度、飞行速度和飞行间隔时间之间的关系模型,并优化出最佳的飞行参数组合。
  结果表明:飞行速度一定时,随着飞行高度的增加,冠层的风速有减小的趋势;
  当飞行高度为4.0m、飞行速度为6m·s-1时,扰动后茶树冠层的风速最大,为1.45m·s-1;飞行参数对防霜效果影响的主次顺序依次为飞行间隔时间、飞行高度、飞行速度;基于建立的回归方程,采用多元黄金分割法优化得到的最佳防霜飞行参数组合为:飞行高度为4.0m、飞行速度为6.0m·s-1及飞行间隔时间20min。
  (4)飞行防霜用气象参数无线报警系统开发
  基于ZigBee开发了气象参数无线采集器,设计了Android监测报警软件。监测的气象参数为风速和逆温层上下气温。以风速临界值为前提条件,基于临界低温的逆温差判定防霜区域。在茶园中实测该系统的无线传输特性和报警的可靠性,结果表明:该系统运行稳定,可实现不同区域防霜报警,从而为无人直升机选择不同的待防霜区域提供决策依据。
  本论文采用无人直升机在茶园中进行飞行防霜应用研究,在田间试验条件下优化出防霜飞行参数组合,为实现大范围移动防霜提供了参数依据,适用于丘陵山区茶园晚霜冻害的防除。
[硕士论文] 卢桢楠
农业工程 江苏大学 2015(学位年度)
摘要:在今后相当长的一段时间内,相对于其他农作物病虫害防治方法,化学防治仍然是最主要的方法,而施药技术则是农作物病虫害化学防治的重要组成部分之一。在丘陵、水田及山区的耕地,人工施药及地面机械施药效率低,易损伤农作物且受到各种地形条件的限制。航空喷雾施药作业特别是小型无人直升机喷雾施药作业不但效率高,并且能在地面装备不能进入的各类地形地域作业,不损伤作物,同时经济环保,与常规施药方法相比,节约农药40%左右,降低环境污染,减少农药使用量,自动化水平高,节约了人力与工时。无人直升机静电喷雾施药作业将无人直升机喷雾与静电喷雾相结合,在无人直升机喷雾现有优点的基础上,通过增加静电喷雾,在靶标产生包抄效应,有效提高农药在农作物上的沉积分布,从而进一步提高了喷雾效果。
  本文在以CD-10型农药喷洒无人直升机为飞行平台的喷雾系统的基础上,针对其雾化装置研制了荷电装置,方便的将常规喷雾改为静电喷雾;同时完成了对航空静电喷雾系统的结构设计及安装。针对荷质比、喷雾角、雾滴粒径、喷雾压力、雾滴运动速度场等关键因素进行试验研究,为小型无人直升机静电喷雾作业参数的确定提供指导。通过模拟田间试验,初步探索了无人直升机静电喷雾效果。
  主要研究工作包括以下几个方面:
  (1)无人直升机静电喷雾系统设计
  在现有喷雾系统的基础上针对喷雾系统采用的QJ17550A-1/2型喷嘴体、QJ25607型喷嘴紧固件及配套喷嘴设计了荷电装置,同时选择合适的高压静电发生器等安装于现有喷雾系统上,组成无人直升机静电喷雾系统。
  (2)无人直升机静电喷雾系统荷质比测量试验
  采用自制的法拉第筒荷质比测量装置对静电喷雾系统在五种喷雾压力和四种荷电电压下的荷质比进行了测量,主要结论如下:
  ①相同荷电电压时,雾滴荷质比随喷雾压力的增加而减小。相同喷雾压力下,雾滴荷质比随荷电电压的增加而增加。当荷电电压处于6KV到10KV区间时,荷质比随荷电电压趋于线性增加。当荷电电压超过10KV时,雾滴所带电荷量已经趋于饱和状态,此时雾滴荷质比基本保持不变。
  ②在喷雾压力较小,荷电电压较大的区域,能够得到最大的雾滴荷质效果。将喷雾压力P与荷电电压U进行组合,组合方式为(P,U);那么具体为(0.2MPa,12KV)和(0.25MPa,12KV)时,能够得到最大的荷质比效果。
  ③在所测量的区间内荷质比都可以达到航空静电喷雾的荷质比最低要求。
  (3)无人直升机静电喷雾系统速度场测量试验
  使用美国TSI公司生产的粒子成像测速仪(PIV)对静电喷雾系统的速度场进行测量,对速度场测量关键参数进行了选择,得到的主要结论如下:
  ①喷头在出口处形成气核,在压力的作用下形成雾滴并获得较大的初始速度,从0.2MPa~0.4MPa随着压力的增加速度由12m/s增加到16m/s;气核下部沿Y轴方向-100mm及以下区域速度逐渐下降,至-250mm处时速度由7m/s减小至3m/s;沿X轴形成了三层速度分层区,其中50mm-125mm和175mm-250mm速度相近且较低,125mm-175mm区间一直保持着与气核处相近的较高速度;雾滴群在沿Y轴-250mm之后速度基本趋于稳定。
  ②当喷雾压力增加时,雾滴的横向速度与纵向速度均增加。随着喷雾压力的增加,雾滴横向速度和纵向速度的变异系数都逐渐减小,证明雾流速度场越来越均匀,喷雾效果越来越好。
  (4)无人直升机静电喷雾系统粒径谱测量试验
  ①相同喷雾压力与喷雾高度时,雾滴体积中径随荷电电压增加而增加。相同喷雾压力下,随着荷电电压的增加,雾滴粒径越来越均匀。相同荷电电压时,随着喷雾压力的增加,雾滴粒径越来越均匀。
  ②雾滴下落过程中雾滴体积中径随雾滴下落距离的变化不是单调的,有拐点现象,具体表现为随着雾滴下落距离的增加,雾滴体积中径先增加后减小。
  ③相同荷电电压下,下落距离为40cm至100cm时,雾滴体积中径随下落距离增加而增大。雾滴体积中径最大值出现的位置随喷雾压力的增加而左移,在喷雾压力为0.2MPa和0.25MPa时在下落距离120cm达到最大值。在喷雾压力为0.3MPa、0.35MPa和0.4MPa时在下落距离100cm达到最大值。当下落距离在120cm以后,雾滴体积中径逐渐减小。
  (5)无人直升机静电喷雾效果试验
  ①非静电喷雾时有效喷幅3.2m,静电喷雾时有效喷幅2.8m。但静电喷雾较非静电喷雾在有效喷幅内的雾滴沉积量高,可以节省药液,提高防治效果。
  ②非静电喷雾时的雾滴飘移距离为1m,静电喷雾时的雾滴飘移距离为0.6m。比较两种喷雾方式的飘移距离可知,静电喷雾有效的减小了雾滴飘移的可能性。
[硕士论文] 刘浩蓬
农业电气化与自动化 华中农业大学 2015(学位年度)
摘要:随着航空农业的发展,固定翼以及直升飞机等各种飞行器逐渐应用于农业植保作业中。四轴飞行器是一种无人控制的四旋翼直升飞机,能实现垂直起降,同时具有飞行稳定、控制灵活、结构简单、易于维护等特点,能够适应植保作业中的复杂环境;其次,四轴飞行器可以灵活挂载各种器具,高效率完成监控、墒情采集、播种、喷洒药物、施肥等各种农业作业项目。因此,加强对四轴飞行器的深入研究和应用推广具有非常重要的意义。本文主要以具有一定带负载能力的小型四轴飞行器为研究对象,通过研究四轴飞行器的飞行原理设计飞行器的控制系统。首先,通过学习了解四轴飞行器的机械结构,以及飞行器在作业过程中结构特性改变的规律,设计制作了飞行器的试验平台,建立了相关的数学模型。其次,根据四轴飞行器的控制原理,选用STM32单片机为核心处理器,结合多种姿态传感器和无线数据传输设备,设计制作了四轴飞行器软件控制系统。再次,控制器通过姿态数据解算,实时获取飞行器的飞行姿态,同时采用模糊PID控制算法实现对四轴飞行器的姿态控制。试验过程中,先采用Matlab对方案进行仿真试验,仿真通过的基础上,再在试验平台上进行测试,进一步检验飞行器控制算法的优越性。在以上研究的基础上,最终完成四轴飞行器的整体设计和样机试制。
  本文通过MATLAB对传统PID和模糊PID控制算法的仿真和比较,仿真结果显示:在系统的比例系数为5,积分系数为0.03和微分系数为1,增益K为1时,采用传统PID算法,系统超调量为41.9%,上升时间为0.78;在模糊PID算法控制下,系统超调量为28.6%,上升时间为0.78s;较之于传统PID算法,模糊PID算法比控制下系统超调量降低了13.3%,上升时间减少了0.09s。在试验平台上运行,在较小载荷下,传统PID算法控制的四轴飞行器振荡而在模糊PID算法控制下系统能稳定,同时在较大载荷下,采用传统PID算法,系统超调量为37.5%,上升时间为0.62;在模糊PID算法控制下,系统超调量为22.5%,上升时间为0.57s;采用模糊PID的控制系统超调量降低了15.0%,上升时间减少了0.05s,验证了仿真结果。试验结果表明传统PID控制算法在调试稳定后只在飞行器结构参数固定时具有较好的控制品质,而在外界环境干扰较大或者飞行器自身机构特性发生改变时的控制品质较差,基于模糊PID控制的四轴飞行器,能够在线优化控制系数,具有很好的抗干扰能力,在载荷变动时飞行也能保持稳定。通过在试验平台上对算法进行实测,进一步证明了算法的可行性。飞行器的田间试验进一步表明,植保四轴飞行器能够良好的实现稳定的飞行姿态控制。
[硕士论文] 张亚坤
农业机械化工程 河南农业大学 2015(学位年度)
摘要:目前我国针对固定翼飞机航空植保已经制定了相关试验方法和规范,但对小型无人飞机的研究和试验还缺乏统一的规范与指导。本文以河南农业大学机电工程学院NH-8型农用飞行器为飞行平台,根据影响喷雾质量的因素进行试验,确定喷嘴类型,探究最佳的作业参数,希望对小型农用飞行器试验方法的制定以及作业指导提供一定的参考。
  本文的主要研究工作包括以下内容:
  (1)分析NH-8型农用飞行器的结构参数与负载能力,并合理设计喷雾系统,完成了喷雾系统的初步设计,内容包括:喷雾动力系统的设计与安装,药箱的设计与安装以及连接管路等部件的选型。同时研究了不同高度对该飞行器喷幅的影响。
  (2)在室内喷雾综合试验台上模拟NH-8型农用飞行器的喷雾系统进行试验,分析不同压力对雾化角和雾量分布的影响,发现在0.2MPa~0.4 MPa的压力范围内,每种喷头的雾化角变化并不明显,但整体结果表现出随喷嘴口径增大而增大的趋势;发现两喷头间的药液沉积量大于其他区域,不同压力下的雾量分布变异系数也不同,但每种喷头雾量分布变异系数均有一个最小值,说明此压力下的雾量分布均匀性最好,确定喷雾系统的作业压力为0.3MPa。
  分析不同喷雾高度对雾滴粒径谱的影响,发现高度对平均体积中径的影响不明显,喷嘴口径越大,其雾滴平均体积中径越大,认为喷嘴口径是影响雾滴体积中径的主要因素。根据生物最佳粒径理论的内容,LICHENGvp110-015型号喷头下的药液具有较好的穿透性,且易被大多数防治作物和害虫吸收,确定该型号喷头作为喷雾系统的喷头部分,进行下一阶段的喷洒试验。
  (3)将完善好的喷雾系统安装到飞行平台上进行了田间喷洒试验,分析飞行参数对田间喷洒沉积效果的影响。通过划分试验区域,布置采样卡,收集不同喷雾高度和飞行速度下喷洒到植株上的药液,利用示踪剂来检测药液的沉积浓度,通过变异系数法来评价药液沉积的均匀性,发现药液沉积浓度与飞行速度和喷雾高度均为负相关,综合试验数据发现,当喷雾高度为1.5m,飞行速度为3m/s时,NH-8型农用飞行器的雾量分布变异系数最小,此时的雾量沉积效果最好,可以为此飞行器在实际应用中提供指导。
[硕士论文] 王立伟
农业机械化工程 江苏大学 2013(学位年度)
摘要:目前针对固定翼飞机和直升机喷雾的沉积效果及漂移特性开展的研究主要考虑的因素有;雾滴粒径,喷头类型,喷雾压力,喷头安装角度,风速等。虽然我国针对固定翼飞机制定了试验方法和规范,但对于小型无人直升机田间喷雾还没有相应的试验方法和规范。本文以CD-10型农药喷洒无人直升机为飞行平台,对其喷雾系统进行设计和试验研究,并找出影响喷雾质量的因素,同时为小型无人直升机试验方法和规范的制定提供指导。
   主要研究工作包括以下几个方面:
   (1)以CD-10型农药喷洒无人直升机为飞行平台,分析无人直升机参数,完成了喷雾系统动力源的选择,药箱的设计,连接管路等元件的选型,喷杆固定器设计及喷雾系统安装,并对喷雾系统的喷雾粒径进行了测量试验,分析了五种喷雾压力和五种喷雾高度对粒径谱的影响,确定了CD-10型农药喷洒无人直升机喷雾高度为100cm,喷雾压力为0.3MPa。同时监测了喷雾系统在五种压力下的流量。
   (2)采用热线风速仪研究了飞行过程中不同飞行高度和不同飞行速度下风场对喷雾的影响;分析喷雾系统不同工作参数对速度场的影响,并对测量过程中适应于该喷雾系统测量的关键参数进行试验研究,主要结论如下:
   当飞行高度为0.5m时,直升机在4号监测点风速最大,沿主旋翼两侧分布的5个监测点垂直方向的风速呈减小趋势,且在三种飞行速度下的1号6号监测点垂直风速保持在1m/s范围内。
   当飞行高度为1.5m和2.5m时,飞机飞行姿态较平稳,直升机4号监测点风速最大,沿主旋翼两侧分布的5个监测点垂直方向的风速呈减小趋势,在不同飞行速度下的5个监测点垂直风速分别在0.5m/s和1m/s左右波动。且两种飞行高度下,直升机飞行速度为5m/s时,垂直方向的风速最小,分别为1.17m/s和0.93m/s,此时直升机飞行倾角较适宜雾滴的沉积。
   在PIV速度场试验中,对适用于喷雾系统的PIV关键参数选择进行试验研究,最终确定采用64×64像素进行网格划分,采用双曝光时间间隔△t=20μs进行PIV速度测试。
   对两种扇形喷头在不同喷雾压力下进行了速度场测量试验研究,可知喷头出口处出现了气核,且随着压力的增大,速度场出现了明显的二次和三次分层。
   (3)以设计的喷雾系统为基础进行了室内测量试验,测量了喷雾系统四种喷头在不同压力下雾化角,分析喷雾系统不同工作参数对雾量分布的影响,最终完善喷雾系统的设计,主要结论如下:
   采用最小二乘法测量了四种喷头在不同压力下的雾化角,发现扇形喷头F110-01和扇形喷头F110-01.5在0.2MPa~0.4MPa范围内雾化角变化较小,雾化角并未随压力的增大而增大或减小,两种扇形喷头不同压力下雾化角变异系数分别为4.18%和3.78%。锥形喷头TXVK-3和TR80-005C在0.2MPa~0.4MPa范围内雾化角随压力的增大而增大,呈近似线性关系,分别对两锥形喷头雾化角曲线进行直线拟合,其决定系数的平方分别为0.94和0.96。
   喷雾系统在压力为0.3MPa,喷雾高度为100cm时进行喷雾系统雾量分布测量,最终选择扇形喷头F110-01和扇形喷头F110-01.5的喷头间距为100cm。锥形喷头TXVK-3和锥形喷头TR80-005C的喷头间距为25cm。
   (4)将设计好的喷雾系统安装至CD-10型农药喷洒无人直升机上进行田间测量试验,研究了无人直升机喷雾沉积特性与飞机飞行参数之间的关系。主要结论如下:
   飞行速度和飞行高度及两因素间的交互作用对沉积浓度影响非常显著,表征飞行速度和飞行高度及两因素间的交互作用的P-value值分别为2.0684×10-4,8.2190×10-5,9.7052×10-5。
   飞行速度和飞行高度对沉积均匀性影响非常显著,表征飞行速度和飞行高度的P-value值分别为9.8410×10-3,1.1550×10-3;两因素间的交互作用对沉积均匀性影响显著,表征两因素间的交互作用的P-value值为2.5594×10-2。
   建立了沉积浓度与飞行速度,飞行高度及两因素间交互作用的关系模型,在飞行速度和飞行高度区间范围内失拟不显著,可以为实际生产应用提供指导。
   建立了沉积均匀性与飞行速度,飞行高度及两因素间交互作用的关系模型,在飞行速度和飞行高度区间范围内失拟不显著,可以为实际生产应用提供指导。
[硕士论文] 扈菲菲
农业机械化工程 河南科技大学 2013(学位年度)
摘要:精准农业是现代农业发展的新潮流,但面向农业生产应用的信息获取及通讯技术研究仍然十分匾乏。本文通过对比现阶段农田信息采集技术的几种主要方式,建立了以四旋翼 UAV为载体的农田信息获取系统,该系统可快速、高效获取农田信息,并通过无线通信将数据传输到计算机,能够提高精准农业信息获取的准确性和实时性。
  1.通过分析对比,采用射频通信作为本系统的通信方式。选取 nRF24L01作为无线传输硬件,研究分析了无线射频通信模块 nRF24L01的协议和工作模式。以 STC89C52RC单片机和 nRF24L01为核心,设计了无线通信电路,焊接制作了电路板,利用Keil uVision2软件编写了系统软件。
  2.在上述通信电路的基础上,调试了无线收发程序,通过室内通信试验,对无线通信电路的通信速率、通信距离和误帧率进行了测试。
  3.分析了基于四旋翼 UAV的农业信息无线传输系统的功能模型,建立了基于四旋翼UAV的农业信息无线传输系统。对该系统的通信速率、传输距离和误帧率等性能指标进行了测试。采用温湿度传感器为系统提供实时数据,通过田间飞行试验,测试了系统的性能。
  4.对四旋翼无人机在农田环境中的航迹规划问题进行了建模分析,研究了模拟退火算法和禁忌搜索算法在航迹规划中的应用,对所研究的航迹规划算法进行Matlab仿真,并对仿真结果进行了分析讨论。
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