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[硕士论文] 张兰青
机械制造及其自动化 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:喷雾喷粉机作为小型农用机具已经在我国得到了广泛使用。本文针对一种背负式喷雾喷粉机隔振设计与结构优化的工程研究问题,通过理论建模计算和振动模态试验进行动态特性分析,对隔振系统进行参数优化,为喷雾喷粉机减振降噪设计提供参考依据。
  首先,查阅文献及进行现场调研,了解国内外研究状况以及发展趋势,利用三维制图软件绘制其整机三维实体模型,根据其实际特点建立并简化了隔振模型,建立刚体动力学模型并求出固有频率。基于柔性基础运用导纳传递矩阵法与广义四端参数法确立背负式喷雾喷粉机隔振系统参数关系为下文奠定基础。
  其次,基于柔性基础动力学模型进行功率流分析,分析隔振系统参数变化对基础传递功率流的影响。以隔振系统的刚度、阻尼为优化变量,运用MATLAB优化工具箱进行优化,优化后传递到基础上的功率流明显减少,共振峰也明显降低,工频处幅值由-108.2dB降至-115.3dB下降6.5%,可见优化后的隔振系统吸能能力大幅提升。
  再次,通过ANSYS Workbench进行整机有限元模态分析,利用LMS Test.Lab进行整机试验模态分析。理论建模计算与模态试验所得的前两阶固有频率相对误差均小于5%在允许范围之内,证明了理论建模的可靠性,也证明了以此进行的参数优化的有效性;另外,两种模态分析前六阶固有频率误差均小于5%在允许范围之内,前六阶模态振型一致,证明了有限元模型的准确性,为下一步谐响应分析验证优化结果提供了良好基础。另外第四阶固有频率靠近工作频率142Hz,应对发动机盖处进行加固。
  最后,利用谐响应分析验证优化后减振降噪效果。优化后的振动曲线相对于优化前整体明显降低,工频142Hz下振幅由4.1056e-4m降低至1.0233e-4m,下降75%,减振效果明显,说明基于理论模型的参数优化结果有效。优化后的噪音曲线相对于优化前整体明显降低,142Hz处优化后声压级由为86.5dB降至62.1dB,声压级降低28.2%,说明降噪效果明显,优化结果有效。
[硕士论文] 张程
车辆工程 扬州大学 2018(学位年度)
摘要:随着设施农业经济的快速建设发展,使得我国农业经济产业结构发展趋势更加精细、高效化,设施农业是继农业机械化生产变革之后的再一次大升级,给传统植保机械带来了更多挑战。移动机械底盘是植保机械的核心部件,其结构决定了整个系统的机动性和平稳性,同时影响系统能否在特定的空间内顺利完成植保任务。基于对履带底盘的设计理论基础学习,本文设计出微型交叉式独立悬挂移动履带底盘系统,并借助Matlab和新一代Recurdyn多体动力学仿真软件,对本文设计的温室用履带底盘的虚拟样机进行了全面的动力学与运动学仿真分析,并运用Recurdyn软件对悬挂总成主要参数进行设计优化。
  首先,本文基于对温室工况充分调研的条件下,对底盘整体布局、履带系统、轮系统和悬挂总成进行了设计,确定了底盘主要参数,计算分析了悬挂的安装角与动行程之间的数学关系,为履带底盘的动力学深入研究提供了基础理论。同时,对底盘的转转弯性能进行了详细的分析计算,理论上保证了整个底盘模型的转向性能。
  本文基于Matlab软件对温室三维随机路面进行建模,并运用Matlab/simulink模块仿真路面谱函数,从而验证路面模型;基于底盘机构特点,对温室底盘模型进行合理的简化,得到底盘近似动力学数学模型,并利用Matlab对数学模型进行了动力学仿真,获得底盘垂向加速度的初始仿真值,为后期优化提供理论基础,同时验证了简化模型的合理性。
  根据设计要求,对建立好的几何模型添加各部件约束、驱动关系,在模型调试后进行实验仿真,并细化得到整个底盘物理模型,进而对底盘牵引性能、转向性能和稳定性进行仿真分析,获得了驱动轮驱动力矩、底盘质心垂向位移和转弯半径等重要仿真数据,验证了理论设计,为样机试制提供了理论基础。同时,基于Recurdyn多体动力学仿真技术,利用DOE模块的元模型优化算法,对悬挂系统主要参数进行设计优化,获得更优减振效果。
  综上所述,本文基于温室特殊工况环境,设计出履带移动底盘主要机构,经仿真软件验证,满足了底盘的动力性能、运动性能的设计要求,同时对交叉式独立悬挂总成进行了数学模型的建立和主要参数设计优化,为后续的样机试制提供了充分的理论准备。
[硕士论文] 任建文
电气工程 安徽大学 2018(学位年度)
摘要:靶向喷雾技术是智能植保的重要组成部分,为了提高农药利用率,需要根据作物的有无、喷雾机行驶速度的快慢实现自适应调节喷雾方案,减少喷洒量过度导致的环境恶化问题。随着MEMS半导体加工技术的进步,与传统的集成电路工艺相结合,使得MEMS惯性传感器体积小,质量轻,从而被广泛应用于航空、航天、机器人、消费类电子产品乃至靶向喷雾等领域。
  本文依据加速度工作原理和坐标变换方法,利用高精度三轴MEMS加速度传感器ADXL345,采用I2C总线通信方式,设计了位移检测模块,使用积分计算原理把加速度转换为位移。为了降低传感器测量误差,分析了ADXL345加速度传感器误差来源,并对误差进行了数学建模。在位移检测模块中提出了在双重积分前增加滤波环节,除了静态误差补偿,还对传感器的随机误差选取具有自适应性的EMD滤波方法。在智能靶向喷雾系统的基础上,结合MEMS加速度传感器模块,在Microsoft Visual Studio2010环境下,对靶向喷雾位移检测系统进行了算法实现,并对传感器的误差做了对比分析。
  在靶向喷雾设备中,利用OpenCV的常用视觉库函数完成对作物的检测。为了获取图像中的绿色目标,先选择超绿色法进行灰度化处理,然后利用类间最大方差法自动取阈值进行分割,可以有效地把绿色作物和背景分离出来。上位机根据机器视觉获取的信息制定喷雾方案,通过串口发送信号控制下位机。在完成了系统主要元器件软硬件设计后,添加了报警模块,使得系统更智能化,最终搭建了该系统的试验平台。
  进行田间模拟试验表明,EMD滤波算法有效的抑制了随机误差,对提高位移检测的精度有很大的作用,满足了速度自适应调节喷雾时机的需求,智能喷雾系统已达到了实际应用的程度。
[硕士论文] 乔白羽
农业机械化工程 中国农业科学院 2018(学位年度)
摘要:喷杆式喷雾机作为大田病虫害防治中应用最普遍的植保机具,需要具有良好的动力学性能来保证施药作业的稳定性以及喷洒的均匀性。目前我国的喷杆喷雾机行驶在田间凹凸不平的地面时,容易受到外部激励的影响,导致喷雾机的机身受到振动,进而传递给喷杆,引起喷杆的振动,导致作业效率下降。因此,提高喷杆的动力学性能、减轻喷杆的振动是提高施药质量和雾滴分布均匀性的关键。
  本文以某五段式喷杆喷雾机作为研究对象,针对喷杆结构动力学特性的设计缺陷,研究喷杆展开状态下的动力学性能。然后利用结构优化方法对喷杆结构进行拓扑优化和尺寸优化,设计出一个满足刚强度要求的轻量化柔性桁架式喷杆,并对优化后的喷杆结构进行随机振动仿真模拟,验证了喷杆的减振效果。本研究为多段式喷杆的动力学特性研究与结构优化提供理论依据。具体展开的研究工作如下:
  (1)多段式喷杆初始结构的动力学性能研究。在三维软件中建立该五段式喷杆的初始几何模型,将模型导入到ANSYS Workbench中利用有限元模态分析法分别求解出该喷杆整体以及喷杆右侧各段的前6阶固有频率和模态振型。结果显示各段喷杆第一阶固有频率均在1~7Hz的范围内,其中整机喷杆的第一阶固有频率为2.3Hz,与激振源的频率区间接近,喷杆容易发生共振。
  (2)多段式喷杆结构的模态试验。用行车牵引,喷杆与弹簧三角悬挂,采用锤击法对该喷杆进行模态测试试验,对比测试结果和有限元模态分析结果发现,喷杆前8阶共振频率差均在10%以下,各阶振型所对应的模态置信准则都在0.8以上,验证了理论分析的可靠性。
  (3)多段式喷杆初始结构的拓扑优化设计。以材料的畸变能密度为优化目标,在ABAQUS中利用变密度法对喷杆结构进行拓扑优化设计。按照喷杆的初始结构和实际工况,初步设定喷杆大致的初始设计空间,建立喷杆的可设计域,获得同时符合刚度和振动频率条件的喷杆拓扑结构,基于此结构,对喷杆进行改进设计,得到材料分布合理的桁架结构。
  (4)多段式喷杆桁架系统的尺寸优化设计。在确定喷杆结构的内部材料分布之后,对喷杆桁架结构进行尺寸优化。以喷杆结构的质量为优化目标,结构的一阶固有频率为约束响应,对喷杆桁架的截面尺寸进行优化,在保证喷杆刚度变化不大的前提下,得到喷杆各桁架厚度减小、总体质量减轻的轻量柔性桁架式喷杆。在此基础上对优化后的喷杆结构进行动力学分析,结果显示在该五段式喷杆的质量减少16.3%的情况下,喷杆的一阶固有频率提高到7.39Hz(增加了4.93Hz),有效的避开了频率共振区间,减轻了喷杆的振动。
  (5)优化后喷杆桁架的随机振动仿真分析。基于对初始喷杆结构的拓扑优化和尺寸优化,得到了材料分布和桁架尺寸较为合理的新喷杆结构。在此基础上,对喷杆结构进行振动位移测试。结果显示优化前振动响应点在Y方向的最大位移响应量在200mm范围内,优化后喷杆的振动位移响应量处于100mm范围内,喷杆的减振达到了良好的效果,证明了仿真分析的合理性,验证了喷杆的优化效果和新喷杆结构的动力学性能。
[硕士论文] 王作娟
机械工程 青岛理工大学 2017(学位年度)
摘要:我国是一个农业大国,拥有广阔的农作物种植面积,并且作物的种类繁多,而我国现有的植保机械并不能满足现代农业发展的需要。从古至今病、虫、草害一直危害着作物生长,给广大农民带来了无法估量的损失,尤其是温室大棚喷药机械面临的情况更为严峻。温室大棚主要种植蔬菜、水果和花卉等经济作物,这些农作物对生长环境要求比较高。为了取得更高的经济效益,不仅要求棚内温度和湿度达到一定值,还要防止病、虫、草害的危害。
  随着科学技术的不断发展,人们对防控技术提出了更高的要求,大体可以分为四个方面:一是提高植保机械的安全性、节能性、可靠性和便捷性;二是能有效防治不同生长环境下的病、虫、草害的危害;三是减少浪费,能将不同种类的化学药剂均匀的喷洒到所要防治的作物上,避免出现药物飘移和残留;四是要求降低环境污染,保证操作人员施药的舒适性和安全性。
  针对我国温室大棚喷药机械面临的现状,设计出一种新型温室喷药机。本文温室喷药机主要研究内容如下:
  首先,在详细了解自走式喷药机机械结构和温室大棚结构类型的基础上,设计出一种新型温室大棚喷药机的机械结构。设计出该温室喷药机各机械结构,并对各结构之间的尺寸进行计算。对伸缩机构中的曲柄滑块机构进行运动特性计算和仿真分析。
  其次,针对变量施药系统,设计出一种以PLC为控制器、触摸屏为人机操作界面的喷药控制系统。构建出药箱系统控制模型,采用PID控制和模糊PID控制对本系统进行仿真分析。并对药箱控制系统进行硬件设计和软件设计。
  再次,根据温室喷药机的基本工作原理,绘制出系统液压原理图,并对各液压回路进行具体说明。着重对升降液压缸和旋转液压马达进行了设计和计算,利用MATLB软件中的Simulink模块对液压马达进行数学建模和仿真分析。
  最后,设计温室喷药机的控制系统。对喷药机电气控制主电路和辅助电路进行设计说明。编写控制程序,PLC程序采用梯形图进行运行。
[硕士论文] 吴彦强
机械制造及其自动化 山东农业大学 2017(学位年度)
摘要:病虫草害防治是我国玉米生产中最重要的田间管理作业之一。中后期是玉米多种病虫害的集中发生期,该时期玉米植株高大并且玉米枝叶交叉造成行间荫蔽,一方面开展病虫害防治时常规机动植保药械存在机型较小且底盘地隙较低无法进地作业,另一方面现有机械技术性能落后、雾滴在玉米冠层穿透性较差,喷雾量大、雾滴漂移扩散造成环境污染、农药浪费严重及在玉米冠层沉积不均匀等问题。因此,研究一种能够适合我国玉米生长中后期病虫草害防治的大型高地隙高效精量植保机具已迫在眉睫。
  本文在充分调研分析的基础上设计了高地隙底盘与风幕式防飘技术相结合的风幕式高地隙喷杆喷雾机。该机采用全液压四轮驱动,四轮转向,以柴油机为动力,带动三组液压泵工作,分别为行走转向系统的轮边马达和转向油缸、喷雾系统的主药泵和搅拌泵马达、风幕系统的风机马达、驾驶室升降油缸、喷杆架组件的升降油缸、喷杆架组件的折叠展开油缸以及调平油缸等工作部件提供动力。主药泵从主药箱中抽取药液,加压后一部分经过喷雾压力控制阀和喷雾开关电磁阀组输送至五段喷杆上面喷嘴喷出,另一部分回流到主药箱进行回水搅拌,两个搅拌泵分别从一侧药箱中抽水加压后经管路送入另一侧药箱,对两侧药箱药液进行射流搅拌。风幕系统风机马达驱动风机产生高速气流,经风筒及风囊下方出风孔吹出,形成一道风幕,从而隔绝或减弱自然风的影响,降低雾滴飘失,高速气流还可以胁迫雾滴定向加速飞向靶标,增加了雾滴对植株冠层的穿透性。
  本文研究的主要内容包括:确定风幕式高地隙喷杆喷雾机整机方案,包括龙门式机架、底盘行走液压驱动系统、喷杆架组件、喷雾系统、风幕系统等的设计与选型;利用Solidworks三维建模软件建立各零部件的三维模型,并按照设计方案进行虚拟装配,利用AutoCAD绘制二维图纸,利用计算流体动力学软件ANSYS Fluent对风幕系统内部速度场进行仿真分析,进而对风幕系统结构进行改进。
  在理论分析与设计基础上完成了样机试制与试验。试验结果表明:喷头喷雾量一致性、风幕风速均匀性较好;有风幕时,玉米整个冠层叶片正面和反面雾滴平均覆盖率分别为59.17%和12.29%,无风幕时,玉米整个冠层叶片正面和反面雾滴平均覆盖率分别为43.02%和2.39%,有风送较无风送雾滴在玉米整个冠层覆盖率提高了57.37%;在距基面30、60、90、120cm以及顶部高度处,雾滴飘失量分别减少了61.5%、82.2%、83.0%、75.5%以及42.8%,风幕系统对于增加雾滴在玉米冠层沉积及减少雾滴飘失作用明显。
[硕士论文] 高凯
农业机械化 山东农业大学 2017(学位年度)
摘要:作为农业生产的重要环节,农药喷施依然是防范病虫害的主要手段。但目前尚不完全明确各因素对农药喷施质量的影响,施药过程缺少规范。以喷杆式喷雾机为例,不恰当的喷雾机自走速度、喷雾压力、喷杆高度很容易引起雾滴的漂移与浪费,不仅降低了农药的有效利用率,而且威胁到生态环境和人的安全。尤其是在有风的自然环境下从事农药喷施作业,施药过程所带来的负面影响更为显著。为此,本研究拟通过试验的方法构建出户外农药喷施质量与各影响因素之间的关系模型,这些影响因素包括:①环境因素:风速和风向;②可控因素:喷雾机行驶速度、喷雾压力、喷杆高度和不同类型的喷嘴。前述因素大多从现有文献中筛选而来,均可能对喷雾质量产生显著影响。
  首先,为了降低环境的不确定性对试验结果造成的干扰,本项研究在室内进行,并自行设计了试验台架。在该试验台架中,风速和风向通过风机模拟,并通过风速传感器对试验风速进行标定;喷雾压力、喷杆高度和不同类型的喷嘴在试验前手动调节,而喷雾机行驶速度通过不同的步进电机驱动转速进行模拟。为了进一步降低试验的主观性和人为误差,本研究的试验过程由控制器精确控制完成。试验过程中,将水敏纸均匀布置在试验植株的叶面上,试验风干后进行拍照和存储。为了避免随机因素的干扰,每组试验均至少重复3次,从而确保试验数据的有效性。
  其次,采用单因素试验与组合因素试验相结合的方法开展试验研究。该项研究共分为三部分:①无风条件下的单因素试验。在不考虑风速和风向影响的情况下,关闭试验风机,设计标准试验工况,即:喷雾机行驶速度3.6 m/s,喷雾压力0.4 MPa,喷杆高度0.7 m,使用Hypro-03喷嘴。每次试验均只改变其中一种因素的大小,从而研究每种因素对喷雾质量的单一作用规律。各因素的取值变动区间分别为:喷雾机行驶速度3.0、3.3、3.6、3.9、4.2 m/s,喷雾压力0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 MPa,喷杆高度0.5、0.6、0.7、0.8、0.9m,使用Hypro-01、Hypro-02、Hypro-03、Hypro-04、Hypro-05喷嘴;②无风条件下的组合因素试验。基于四因素三水平正交方法安排试验,所考虑因素与无风条件下的单因素试验相同,试验水平分别取:喷雾机行驶速度3.0、3.6、4.2 m/s,喷雾压力0.2、0.4、0.6 MPa,喷杆高度0.5、0.7、0.9m,使用Hypro-01、Hypro-03、Hypro-05喷嘴。③有风条件下的组合因素试验:针对每一组不同的风速(0.9、2.5、4.4m/s)和风向(0、45、90、135、180o),分别重复前述无风条件下的四因素三水平正交试验,从而对不同风速、风向条件下的最佳影响因素水平进行配置优化。
  最后,使用DepositScan软件扫描和处理风干后的水敏纸图像,整理得到最终试验数据。
  单因素试验结果表明:在低于3.6 km/h的速度范围内,喷雾质量随速度提高而缓慢提升,而当速度高于3.6km/h时,喷雾质量随速度提高而显著下降;喷雾压力、喷杆高度与喷嘴类型对喷雾质量的影响趋势均与速度相同,其最佳选择依次为压力0.4MPa、高度0.7 m以及使用Hypro-02(或Hypro-03)喷嘴。
  无风条件下的组合因素试验结果表明:最佳喷雾参数依次为:喷雾机行驶速度3.0km/h、喷雾压力0.4MPa、喷杆高度0.7m、喷头型号Hypro-01。
  有风条件下的组合因素试验结果表明:如将不同的风速与风向组合为24个特定环形区域,分别优化配置各环形区域参数,则:速度被选择次数最多的为3.6km/h,共被选择12次;压力被选择次数最多的为0.4MPa,共被选择13次;高度被选择次数最多的为0.5m和0.7m,均被选择10次;喷嘴被选择次数最多的为Hypro-01型喷嘴,共被选择10次。显然,在有风条件下,最优选择次数最多的参数除了喷嘴外都与标准工况相吻合。
  综合前述结论,喷雾机在户外作业时(无论是否存在自然风),行驶速度3.6 km/h、喷雾压力0.4MPa、喷杆高度0.7m、使用Hypro-01喷嘴的参数组合对确保喷雾质量最为有利。
[硕士论文] 林立恒
农业电气化与自动化 山东农业大学 2017(学位年度)
摘要:近年来,随着我国农业产业结构的调整,以合作社为基础的大规模种植产业链正在形成,相应地农业机械化发展也迎来了千载难逢的好时机。高地隙喷杆喷雾机作为一种重要的农业植保机械,在作物病虫草害化学防治方面发挥着重要的作用,尤其在解决高秆类作物中后期施药难、防治效果差的问题上效果尤为突出。然而,受到技术水平的限制,目前国产高地隙喷杆喷雾机普遍存在机械结构设计简单,施药效率低和智能化水平不高的问题。
  本文在总结了国内外高地隙喷杆喷雾机研究和发展现状的基础上,针对目前国产高地隙喷杆喷雾机智能化水平不高的现实情况,设计了高地隙喷杆喷雾机智能控制系统。主要包括以下三个方面的内容:
  (1)转向模式控制系统。设计了基于三菱PLC的转向控制系统,该系统能很好的实现高地隙喷杆喷雾机前轮偏转转向、全轮偏转转向和蟹行偏转转向三种转向方式的灵活和可靠切换。同时,转向系统采用液压助力转向的方式,减少了驾驶员在转向操作过程中的体力消耗,提高了高地隙喷杆喷雾机的转向灵敏性。
  (2)喷杆智能平衡控制系统。为保证在施药过程中,喷杆与作物顶层保持近似平行的状态,以保证喷杆安全、施药效果及避免喷杆倾斜刮蹭作物,设计了基于倾角传感器的喷杆智能平衡控制系统。系统通过实时读取倾角传感器的检测值,经控制器处理后,控制调平液压缸调节喷杆位姿,有效保证了施药喷杆的安全和施药效果。本文详细介绍了智能控制系统的软、硬件的设计,同时,开发了喷雾机参数监测功能,实现了对喷雾机性能参数的实时监控,可针对故障或超标指标发出报警信号。
  (3)变量喷雾施药控制系统。为提高喷雾施药均匀性,设计了基于844E的变量喷雾施药系统,系统先通过人为设定单位面积的施药量,在喷雾施药过程中,根据喷雾机实时行进速度控制压力调节阀改变喷雾压力,实现变量喷雾施药。本文详细介绍了变量喷雾施药控制系统硬件选型与系统结构设计,并通过试验验证了变量施药效果,发现所设计的变量喷雾施药控制系统降低了不同区域间的施药量变异系数,有效提高了施药均匀性。
[硕士论文] 齐苗苗
机械工程 山东农业大学 2017(学位年度)
摘要:我国温室施药作业大多沿用手动喷雾器的常规喷雾法,这些药械对操作人员危害大,作业效率低。为保证防治效果,经常加大施药次数和药剂量,造成土壤、水体等农业环境的污染,导致了农药残留超标和病虫抗药性增加。热敏感药物烟雾机噪音大、污染严重;常温弥雾机体积大、成本高、施药不均匀;都不适合在我国目前的温室施药作业中推广。因此研制一款雾滴直径小、叶面雾滴沉积率高、能减少农药施药量、又易于推广的施药装置,对病虫害防治低毒化、精量化和高工效作业具有重要意义。
  本文的研究包括气爆二次雾化机理的研究和便携式常温烟雾机的研制两部分。气流爆破的机理研究具体包括机理研究和参数优化。基于气爆二次雾化的便携式常温烟雾机主要包括气源、电源、储气装置、储药装置、控制中心、执行机构和喷嘴、喷筒组成。本文研制的气爆二次雾化方式主要利用雾化喷头来完成第一次雾化,并对雾滴使用气流爆破的方式来完成二次雾化,减少了雾滴的直径,增加了附着率,同时使用储气瓶加压的方式实现脉冲气流来代替空气压缩机产生高压,减少了设备体积,降低了成本。该装置使用电能作为整个装备的动力,无废气排放、噪音低、使用成本低。便携式的设计可以增加装置的作业适应性,降低了装置成本,更易于在我国温室植保作业中推广。
  利用计算流体力学FLUENT软件,对该系统的关键部件喷筒进行了内部流场模拟,从而选择相对合理的喷筒结构,并且通过对爆破系统进行雾化仿真,找到最佳爆破气压。同时也对雾化喷头进行了仿真模拟,找到了合适的喷头口径和喷头所在位置。室内试验验证了气体爆破对雾滴二次雾化产生的影响,通过油盘测量雾滴试验,通过对各种试验数据进行整合分析,研究了药箱压力对喷雾量以及气体压力对雾化直径的影响,寻找最佳雾化喷头的直径和喷筒入口的压力。试验表明:雾滴体积中径在15μm以下,二次雾化性能良好,雾滴均匀度DR在0.74以上,满足要求。
[硕士论文] 李明
机械设计及理论 山东农业大学 2017(学位年度)
摘要:设施蔬菜的种植过程中,为有效控制病虫害要进行多次、大量的农药喷洒,国内现有设施植保机械设备自动化、智能化程度低,以人工或半自动化作业为主,劳动强度大,作业效率低,难以实现完全的人药分离,在温室密闭环境下对操作人员人身伤害大,易出现中毒现象,而且“跑、冒、滴、漏”现象造成严重污染;设施蔬菜多样化种植模式下,喷雾模式设计不合理,不能实现精准喷雾,药液喷洒覆盖不均匀,农药有效利用率仅有20%~30%,病虫害的防治效果差。设施内使用全自动智能化的植保机械,实现精细化喷雾作业,已成为农药增效减施的重要手段之一。因此急需研制一种结构轻便、适应性高、智能化程度高、工作效率高的设施植保机械,实现温室内高效自主喷雾,依据植株分布位置、枝叶分布密度和冠层轮廓等生长信息或者病虫草害位置信息等进行精准喷雾作业,从而减少药液使用量,保护劳动者身体健康和生态环境,实现可持续设施农业生产。
  本文设计研制的3M-50型自主行走式温室弥雾机,提出了“自主行走式物流车+姿态可调风送喷雾”的模块化集成方案。温室弥雾机在日光温室的特殊作业环境和有限的工作区域内,沿单轨运动并进行精确定位、自动物流作业,高压静电风送式远程精细喷雾,完全实现人药分离的全自动化施药,可根据设施蔬菜种植模式优化设定喷雾姿态调节模式,减少药液使用量,提高药液利用率,实现自动化地精准喷雾作业,对提高现代农业发展的经济效益、社会效益和环境效益具有重大意义。
  本文主要研究内容包括:3M-50型自主行走式温室弥雾机的整机结构设计和三维模型建立;气流辅助系统、药液系统、电动自走式底盘和仿形喷雾姿态调节机构的设计与优化;通过CFD技术模拟3M-50型自主行走式温室弥雾机作业过程中雾滴运动过程,结合理论分析和计算,设计喷雾沉积性能预测方法,并使用该方法对喷雾姿态调节模式进行评价和优化;根据三维设计模型、理论计算和仿真优化,对样机进行加工试制,并开展了喷雾沉积测试验证试验和日光温室中的植保作业试验。试验表明:3M-50型自主行走式温室弥雾机作业时间内各喷雾性能指标均超出同类喷雾机喷洒质量标准,具有较好的雾滴沉积性能、喷雾量分布均匀性和雾滴在作物的穿透性能。
[硕士论文] 陈荣康
农业机械化工程 山东农业大学 2017(学位年度)
摘要:随着我国农作物产量不断增加,病虫草害也呈现出规模式的爆发,植物保护技术与病虫草害的紧密相关相生相伴。耕地面积减少和现代农艺要求决定了作物需要合理密植,但是密植作物生长到中后期形成高郁闭度植物冠层,化学防治作为主要的植保方法,一般的喷洒技术实现不了药液在植株群体内的均匀沉积,气流辅助喷雾既能二次雾化雾滴,又能改变冠层局部孔隙率,形成通风流道,以增强在冠层内部的沉积,是解决该问题的有效手段,但是现有研究多是针对辅助气流对喷雾沉积的定性分析,很少有研究辅助气流对作物冠层的影响效果,本文从植物冠层多孔介质特性视角出发,对辅助气流作用下的植物冠层孔隙率进行了定性定量分析。得到如下结论:
  (1)对辅助气流风源计算选型和分配器的设计满足了课题试验对风的要求,通过试验粗略得到了不同风速下同一根侧枝的变形情况,侧枝变形与风速变化呈正相关,随着风速的均匀增大,侧枝变形不成线性增加的关系,增幅是逐渐增大的,侧枝在一定风速范围内的变形量曲线呈幂函数增加的形式,不同部位增加幅度有所区别;同一风速下,棉花茎杆不同部位侧枝变形程度大小不同,上部侧枝和中部侧枝变形量较大,下部侧枝变形量较小,出现该结果可能与侧枝长度、直径和所处位置等因素有关,通过有限元分析得出茎杆长度对其变形影响最大。
  (2)棉花茎杆不同部位由于其生长周期不同,导致其相应的致密度有一定差异,茎杆的杨氏模量从大到小排序依次为主干、下部侧枝、中部侧枝、上部侧枝。试样过程中发现试样的长度会对试验结果有一定的影响,但是不影响试验结果准确性。
  (3)对棉花茎杆进行三维建模,赋予材料属性,进行棉花茎杆的生物力学模型表达,采用流固耦合模拟方法得到不同侧枝的变形情况,该模拟结果与物理试验结论较为一致,证明流固耦合方法研究本课题是可行的,同时证明了建立力学模型的准确性;对棉花茎进行简化建模,采用流固耦合方法对棉花茎叶变形进行分析,得到模拟条件下棉花叶片的挠度变形。
  (4)提出一种理论计算作物孔隙率的方法,对棉花植株抽象简化,利用有限元分析结果推导茎叶投影面积变化规律,对不同风速下棉花作物孔隙率变化进行参数表达。
  (5)提出一种试验测量作物孔隙率的方法,设计测量试验平台进行试验,分析得出辅助气流对作物孔隙率有较大改善,风速较小时对作物中下层孔隙率影响较小,增大风速对作物上层孔隙率影响意义不大,对中下层枝叶扰动作用良好,持续增加的的风速不能一直增加作物孔隙率。
[硕士论文] 戴世群
机械工程 山东农业大学 2017(学位年度)
摘要:充液系统在日常生活和工程中随处可见,如液罐车、油轮、燃料箱、渡槽、水库等。与固体不同,充液系统在应用中往往存在着较大的安全隐患:在外界激励作用下,贮箱内液体容易产生持续振荡,改变箱体壁面上的压力分布,从而对约束结构产生不断变化的晃动力和晃动力矩等,对整体系统的稳定性造成极大影响。因此,研究在外界激励下充液系统液体晃动动力学特性有着重要的应用价值。
  以近年来发展迅速的自走式喷杆喷雾机药箱为背景,本文选取矩形贮箱为研究对象。通过试验手段,对矩形贮箱充液系统在外界激励下的力学特性进行研究。以获取液体晃动所产生的横向晃动力和晃动力矩为目标,设计了横向力试验和垂向力试验两种方案;考虑到药箱和支架的惯性力影响,分别从充液系统整体和液体两个方面进行研究;着重研究影响充液系统力学特性的各种因素,如液体深度、激励频率和激励振幅等。对试验数据进行处理和分析,得出液体深度、激励频率和激励振幅对充液系统晃动力和力矩的影响规律。
  试验结果表明:
  (1)充液系统横向力和垂向力表现出近似相同的特性:随着激励频率的不断增大,力逐渐增大;在一阶固有频率附近液体振荡剧烈,测得的力达到极值,呈现出明显的非线性;远离一阶固有频率后,充液系统的横向力和垂向力呈现先急剧下降后攀升的趋势,而液体的晃动力急速下降后趋于平缓。
  (2)充液系统横向力和垂向力随液体深度和激励振幅的增加而增加,近似为线性变化;液体晃动力随液体深度和激励振幅的增加而增加,但达到一定值后出现饱和。
  (3)充液系统横向力出现最大值时对应的频率不同:随着液体深度的增加,横向力的极值所对应的频率逐渐减小;但与激励振幅变化没有明显的关系。
  介绍了液体晃动的等效力学模型,以及由频响函数得到等效力学模型各参数的方法,利用试验数据得出充液系统的频响函数,与二阶等效模型吻合较好。总结了矩形贮箱内液体晃动等效力学模型的一阶晃动质量、晃动质量的位置和等效弹簧刚度随液体深度的变化。
[硕士论文] 闫真月
农业电气化与自动化 河北农业大学 2017(学位年度)
摘要:我国是农业大国,温室的推广是我国农业现代化发展的重要举措。目前温室中针对害虫的治理措施是以喷施农药为主,这种方式既破坏了温室中的生态环境,农药残留等问题也影响了人们的健康。LED杀虫灯是以LED灯作为光源,其无污染、冷光源、能耗低等特点,使LED杀虫灯作为一种环保的治理虫害手段广受欢迎。农业物联网是物联网与传统农业的结合,能优化资源配置,可在温室、养殖等农业技术中广泛推广。物联网与杀虫灯结合可对害虫的杀灭数据进行统计、分析和处理,为建立科学、实用、简单、方便的温室信息系统管理平台提供了更多支撑。
  本文针对温室中LED杀虫灯的杀虫数据,与农业物联网技术相结合,从数据采集、数据传输和数据处理三方面构建了基于物联网的温室LED杀虫灯监测系统。其中,数据采集部分主要使用单片机及其外围电路,实现了杀虫数据的采集;数据传输部分利用ZigBee网络、GPRS模块、Internet等技术,实现了杀虫数据的打包和传输;数据处理部分实现了数据的保存和分析;创建了基于物联网的温室LED杀虫灯监测系统管理平台,实现了杀虫数据的监测和调取,使农户和农企对温室中害虫杀灭情况更加了解。
  本文得到以下结论:
  (1)针对温室中LED杀虫灯,设计了以STC15W4K32S4单片机为主体的数据采集模块,集信号采集、单片机计数、时钟电路和显示电路于一体,同时与CC2530模块相结合,将数据封装传输给ZigBee网络。
  (2)采用以ZigBee网络为基础的短距离数据无线传输和以GPRS模块为基础的长距离数据无线传输相结合的方式,实现了温室中LED杀虫灯杀虫数据的传输。
  (3)选择MySQL数据库,完成了数据库的开发与设计;利用MATLAB软件进行了数据分析,并搭建了温室LED杀虫灯监测系统管理平台,实现了实时数据监测、历史数据查询和查看数据对比功能。
[硕士论文] 李信
农业工程 江苏大学 2017(学位年度)
摘要:风幕式喷杆喷雾作为一种先进、高效的施药技术,能有效地提高雾滴在作物冠层的沉积分布均匀度,增大雾滴穿透各冠层的能力,胁迫雾滴向作物冠层沉积,减少雾滴的飘失。目前,国内对风幕式喷杆喷雾气液两相流场特性的研究较少,在喷雾场中的雾滴飘移规律和参数优化等方面有待深入研究。本文在反复阅读国内外大量相关文献的基础上,对风幕式喷杆喷雾流场进行了数值仿真和试验研究,分析讨论了风幕式喷杆喷雾流场中的气流分布和雾滴飘移等规律。主要研究内容如下:
  (1)在三维坐标系对一次雾化形成的单个雾滴颗粒进行动力学分析,从理论上分析风幕风速、侧风风速和喷雾压力对雾滴飘移的影响。基于Miller P H雾滴速度模型和局部近似解法,获得风幕式喷杆喷雾雾滴飘移距离的计算方法。
  (2)利用风幕式喷杆喷雾的仿真计算模型,分析了风幕外流场速度分布,并用KA31型风速仪测定了风幕出风口气流速度。研究结果表明:当轴流风机转速在1118、2320r/min时,对应的风幕出风口气流平均速度分别为6.3、12.3m/s。气相流场的计算结果与试验结果基本保持一致,由此可认为本文建立的数值计算模型能够实现对风幕式喷杆喷雾过程较为准确的模拟。在风幕气流的作用下,侧风改变了原来的运动方向,沿风幕气流方向运动。风幕气流在一定程度上能有效地抑制侧风的运动,随着风幕风速的逐步增大,风幕气流对侧风的抑制作用逐步增强。
  (3)利用软件 Fluent对气液两相流进行仿真计算,使用激光粒度分析仪测量流场中雾滴粒径的分布,从雾滴粒径结果中选取喷雾高度700mm的雾滴粒径,作为雾滴飘移距离的计算参数和试验参数,分析侧风风速、风幕出风口气流速度和喷雾压力对雾滴飘移距离的影响。研究结果表明:喷雾压力是影响雾滴粒径变化的主要因素。雾滴粒径随喷雾压力的增大而减小,随风幕出风口气流速度、喷雾高度的增大而增大。雾滴平均体积中径的仿真值均小于试验值,但总体来说,雾滴平均体积中径仿真值与试验值的变化趋势比较吻合,说明CFD计算模型是正确可行的。雾滴飘移距离随侧风风速、喷雾压力的增大而增大,随风幕出风口气流速度的增大而减小,雾滴飘移距离计算值与试验值的变化趋势比较吻合,说明该风幕式喷杆喷雾雾滴飘移距离计算方法是可行的。无风幕和侧风时雾化过程中的雾滴扩散会导致飘移现象。风幕能有效地抑制雾滴飘移现象,在4级风以下(含4级风),风幕式喷杆喷雾机也能正常作业。
  (4)分别用正交试验和回归分析的方法,对比分析侧风风速、风幕出风口气流速度和喷雾压力三种因素对防飘性能的影响程度和各因素与雾滴沉积的定量关系,并以此为依据,对风幕式喷杆喷雾的运行参数进行了优化。研究结果表明:三种影响因素对风幕式喷杆喷雾防飘移性能的影响程度大小依次为:风幕出风口气流速度>侧风风速>喷雾压力。风幕式喷杆喷雾防飘移性能最优的工作参数为:风幕出风口气流速度12.3m/s,侧风风速0m/s,喷雾压力3bar。
[硕士论文] 王凤
农业工程 江苏大学 2017(学位年度)
摘要:作为农业大国,农业发展中作物病虫害防治是保证农产品稳产增收的关键环节。喷洒化学药剂是应用最为普遍的防治措施,然而喷洒农药量不足不能有效杀死病虫害,喷洒农药量过大不仅造成资源浪费、环境污染,甚至威胁人类健康。目前喷雾沉积量检测大多采用水敏纸和实验室的光度法,然而这两种方法在一定程度上均存在一定的弊端。因此开发一种操作简便、价格低廉的便携式现场喷雾沉积量检测系统尤为重要。
  本文旨在电分析化学的基础上,研发出灵敏度高,选择性好,性能稳定的直接电化学传感器,通过设计信号处理电路硬件处理单元、信号显示软件处理单元、以及系统中电源电路关键,实现整体系统的构建,并对系统进行了性能分析实验。主要完成工作包括以下几个方面:
  (1)有机磷农药电化学传感器的构建及其性能研究。将氮掺杂石墨烯纳米材料修饰到丝网印刷电极表面,制备成对农药快速响应的敏感元件,构建了一种简单灵敏的无酶电化学传感器,用于农药甲基对硫磷的检测。采用扫描电子显微镜对敏感部位结构进行表征。通过利用循环伏安技术(CV)、差分脉冲伏安技术(DPV)、线性扫描伏安技术(LSV)来研究甲基对硫磷的电化学行为。由于氮掺杂结构和性质的独特性,氮掺杂石墨烯对PBS溶液中的甲基对硫磷产生较高的电催化活性。在信噪比为3的情况下,此传感器对甲基对硫磷的最高灵敏度为15.32μA/μmol。在优化条件下,制备的传感器具有较好的稳定性和选择性。
  (2)系统中信号检测关键单元的分析与设计。系统调理电路的硬件单元设计,包括恒电位电路设计、I/V转换放大电路、滤波电路以及电源电路设计.在12V直流电源能量供应下,将微安级电流信号转成0-2.5V范围内的模拟电压信号;对信号转换部分电路完成测试,确保得到预期功能效果,并得到输出电压与药液浓度之间的数量关系用于软件编程,检测灵敏度0.6V/μmol。完成信号显示单元的软件设计,选择控制芯片STC89C52、A/D转换芯片PCF8591以及1602液晶完成喷雾沉积质量浓度的数据显示,将模拟电压信号转成数字信号由单片机程序处理实现液晶显示。
  (3)系统整体结构性能测试与应用。完成检测系统整体结构的构建,并通过实际喷雾检测试验与电化学工作站检测结果相对比,对系统实际应用性能作数据分析,完成对系统准确度和稳定性的性能测试。系统应用于叶面喷雾沉积均匀性和整株喷雾沉积量分布的喷雾沉积量检测。该检测系统方法简单,较好的准确度和稳定性,且实现了小型便携化。确定了系统的稳定检出时间240s以及实际应用系统检测误差小于5%?在实际喷雾作业环境下,农药喷雾沉积量检测电化学传感系统表现出稳定好、便携式的优点,在现场喷雾沉积量监测中具有较好的应用前景。
[硕士论文] 郝雪枫
农业工程 江苏大学 2017(学位年度)
摘要:喷杆式喷雾技术是现今最主流的一种植保作业方式,喷杆的多样化也是一种社会趋势。我国对喷杆喷雾技术有了广泛的关注,但喷杆喷雾机主要应用水平杆喷雾技术,结构单一化,需要更加多样化结构的喷杆来应用到实际中去,并结合新型的静电喷雾技术,这样才能更大程度上提高施药作业效率。针对以上的这种现象,本人在熟读了相关文献并结合实际情况设计了一种顶喷与侧喷结合的组合式静电喷雾试验装置,该装置结合了顶喷与侧喷两种方式,并与静电喷雾技术相结合,实现了一种多方位的施药作业技术,为植保行业以后的发展提供更好的依据。
  本文主要研究工作和结论包括以下几个方面:
  (1)顶喷与侧喷结合的组合式静电喷雾试验系统的设计
  设计和开发了顶喷与侧喷结合的组合式静电喷雾试验系统,主要包括喷杆结构的设计。其中组合式喷杆上的弹簧和整体尺寸的选型进行了对比和试验,选择了合适尺寸和材料的弹簧。
  (2)利用数值模拟方法的吊杆与枝干的碰撞研究
  利用仿真软件LS-DYNA吊杆与棉枝的碰撞过程进行仿真分析,对吊杆与棉枝有限元模型的建立及相关事项;利用建立好的有限元模型对一定工况下吊杆与棉枝碰撞过程进行模拟仿真,最后通过跟第四章中的吊杆碰撞实验结果的比较得出仿真模型的准确性和可靠性,通过喷头的偏移距离s的变化曲线与仿真中的喷头所在的吊杆上的位置 H2312的偏移距离比较,误差值小于10%,还分析和比较了吊杆与棉枝的接触力的实际变化曲线,验证的结果是实验中力变化的趋势与仿真中的接触力的变化曲线误差在10%以内,可以相互验证。
  (3)组合式喷杆中吊杆碰撞试验与结果分析
  对吊杆的喷头偏移距离和吊杆接触力进行测量;此外还对喷头的偏移距离 s和吊杆接触力F进行了两因素的拟合实验,得出在碰撞速度v和接触位置h的变化下的喷头最大偏移距离Smax的变化规律,喷头最大偏移距离Smax与碰撞速度v和接触位置h呈线性相关。还通过基于高速摄像技术的实验室的模拟实验来得到喷头的运动轨迹并得出在植株上的重喷和漏喷的区域;表明了静电喷雾结合组合式喷雾方式有效的提高了喷雾的沉积效果,静电喷雾对于提高植株中层的喷雾沉积均匀性有促进作用,减少重喷与漏喷现象。
  (4)沉积分布影响因素试验
  以第二章的喷杆喷雾系统为实验基础对各种不同的因素对喷雾沉积覆盖率和变异系数的影响。试验主要考虑了是否荷静电、喷雾压力、喷雾作业速度、喷雾高度对沉积分布的影响。采用了正交设计的实验设计方法来设计实验参数布置,且运用方差分析方法研究了静电与非静电喷雾作用下试验参数对沉积效果影响的显著性,且得出了喷雾压力、喷雾高度和作业速度在无静电坏境下和有静电环境下的最佳因素组合的具体数值为0.5mpa、350mm、1.0m/s和0.4mpa、350mm、1.0m/s。还比较了水平杆的实际应用中的沉积性能并与组合式静电喷雾结果比较。
[硕士论文] 申彬
机械工程 江苏大学 2017(学位年度)
摘要:风幕式喷杆喷雾技术是通过在喷杆上方增加辅助气流形成风幕,风幕气流裹挟雾滴向靶标运动,以改善喷雾性能。这种技术可有效减少雾滴的飘移,且辅助气流对靶标冠层具有翻滚作用,能够提高雾滴的穿透和沉积性能。相较于国际先进水平,国内在风幕式喷杆喷雾技术领域的研究尚浅,且集中在风幕辅助功能的实现、整机性能集成及喷杆结构设计等方面,而对喷雾流场特性的研究少有问津。本文对国内外文献资料进行了总结与借鉴,自主设计了风幕式喷杆喷雾喷雾性能测试系统,并基于该系统对风幕式喷杆喷雾流场中的雾滴粒径、飘移和穿透特性进行了研究。本文研究内容如下:
  (1)自主设计了风幕式喷杆喷雾喷雾性能测试系统。该测试系统主要由风幕控制部分、喷雾调节部分和喷杆运动控制部分组成。基于该系统可配合激光粒度分析仪、集雾测量装置和高速摄影系统,分别对雾滴粒径、雾滴飘移和穿透特性进行试验研究。
  (2)运用马尔文激光粒度分析仪对风幕式喷杆喷雾流场中的雾滴粒径进行试验研究,测量雾滴群选定区域的粒径范围,分析喷雾压力和风幕风速对雾滴粒径范围的影响。研究结果表明:喷雾压力与雾滴粒径呈负相关关系;增大喷雾压力可以改善雾化效果,同时还可增强雾滴在植株冠层的弥散和覆盖效果,但较小粒径的雾滴更易飘移。喷雾压力为0.5 MPa时,雾滴粒径保持在110~130μm这一较为理想的沉积粒径区间,后文试验的喷雾压力可选取0.5 MPa。
  (3)对侧风作用下的风幕式喷杆喷雾流场中的雾滴飘移特性进行了试验研究,获得了不同侧风和风幕风速作用下的雾滴飘移规律。试验结果显示:在同一侧风风速下,雾滴飘移率随着风幕风速的增大呈先快速减小后略有回升的趋势,过大的风幕风速反而造成防飘效果下降。最佳防飘风幕风速区间为5~20 m/s,在该区间内雾滴飘移率随风幕风速的增加呈线性下降,20 m/s是最佳的防飘风幕风速。在同一侧风风速下,雾滴的飘移质量中心距与风幕风速呈负相关,风幕辅助气流有效减小飘移率的同时,对飘移雾滴在喷头下方的分布也具有一定影响。
  (4)运用高速摄影系统对风幕式喷杆喷雾流场中雾滴的穿透特性进行了可视化研究,讨论了不同喷雾压力和风幕风速下的雾滴穿透特性。试验结果如下:喷雾锥角随风幕风速的增大呈不断减小的趋势。喷雾压力增大可以提高雾滴的穿透性,喷雾压力选择0.5 MPa时具有防飘移和提高穿透性的综合效果。风幕辅助气流可以显著改善雾滴的穿透性,且雾滴的穿透性与风幕风速成正比;风幕风速取5~20 m/s可得到俱佳的减小飘移和增强穿透性效果。
[硕士论文] 张臣
农业机械化工程 扬州大学 2017(学位年度)
摘要:我国农业从业人员逐年减少,农业植保领域自动化研究需不断深入。目前植物保护方式按其原理和应用分类众多。化学农药防治以其效果好,成本低等诸多显著优势得到广泛应用,但是农业施药机具和技术却相对落后,病虫害防治过程中的农药利用率低,喷药效果差。超声雾化能够使雾滴粒径更小,分布更均匀,便于控制。因此能够节省大量农药,实现农业施药过程中低量喷雾的要求。
  基于上述情况,本课题研究的目的就是将超声和气力喷雾技术结合起来应用到植保机械中,搭建农用植保超声技术试验平台,探究超声雾化技术在农业植保领域的适应性,进而为改善植保机械现状提供参考和依据。
  本文对以下几方面进行研究:
  (1)系统研究几种常见雾化喷头的结构,包括压力喷嘴、旋转喷嘴、喷气喷嘴。并分析各种喷头的优缺点。根据雾化机理,对植保超声波雾化喷头的结构进行简单优化设计。其次,研究植保超声喷头应用在植保领域性能的主要指标是喷雾效果的对称性以及对环境的适应性。
  (2)由物理学超声振动原理以及相应动力学方程,结合有限元分析软件计算出优化的植保超声喷雾变幅杆三维模型的固有频率,并仿真求得超声换能器激振下喷头小端面的纵振幅值,与利用激光位移传感器测得现有超声雾化喷头的振动幅值相比较,讨论植保超声喷头改进的可行性。
  (3)搭建植保超声喷雾试验平台,进行底座、玻璃罩壳、支架、行走机构以及自动控制系统的设计。该系统平台可模拟水稻稻飞虱的生长环境,包括温度、风速,同时可对不同设置参数(药液浓度、喷雾高度、移动速度、气力值)进行调节。
  (4)基于超声喷雾试验平台,通过各类试验对超声气力喷头喷雾效果进行测试。试验表明:喷头移动速度160mm/s、流量5.5ml/min时,其雾化率高,雾化效果好;流量为5.5ml/min,距水稻顶端高度为50cm时农药利用率更高。风速过大会导致雾滴弥散在空间中,致使药液与稻叶的接触机率下降。最后验证了植保超声喷雾的施药效果明显好于普通喷雾。
[硕士论文] 颜杰
农业工程 江苏大学 2017(学位年度)
摘要:研究适合我国温室农业生产的温室自动化植保装备符合当前的现代农业发展方向。在温室农业生产中,自动化喷雾技术是作物病虫害防治与精确高效施药的重要实现方法,对有效提高农药利用率、人员施药安全、农产品品质、减轻劳动强度和降低农药污染等具有重要意义。本文结合自动控制行走技术与对靶施药技术,设计了温室遥控对靶喷雾机控制系统。通过遥控方式实现对喷雾机的远程控制,在作物行间开启自适应行走控制;并在底盘运动控制的基础上,进一步开展了对靶喷雾系统的设计与试验研究。分析了控制系统的运动控制性能与对靶施药性能。实现了高效经济、低量安全的目的,为温室自动化喷雾技术研究提供参考。本文主要研究工作如下:
  1.通过分析国内外相关研究,确定了温室遥控对靶喷雾机控制系统的整体方案,即采用主从式运动控制方法实现了喷雾机的远程控制和作物行间自适应行走调控功能。在运动控制的基础上,喷雾机可以根据农作物的有无完成自动对靶喷雾功能。本文给出了温室喷雾机的总体结构及主要参数。对各个控制单元的工作原理和方案进行了详细的阐述。
  2.本文对温室遥控对靶喷雾机的主要执行元器件进行了介绍,并设计了控制系统的硬件部分,包括遥控主机、运动控制从机和对靶控制的硬件电路。具体设计内容包括单片机模块、电源模块、矩阵按键接口、电机及驱动器接口、多传感器接口和基于E30-TTL-100模块的无线通信方式。设计开发了控制系统的软件部分,包括主从式运动实时控制和对靶控制主程序。详细阐述了矩阵按键、串口通信和超声波测距子程序。其中通过超声波传感器连续三次检测的靶标判别法,实现当前靶标的判别;此外为了避免喷雾机碰撞墙体或作物,实现喷雾机的避障功能,并且使喷雾机近似于平行作物完成施药作业任务,设计了基于超声波传感器的作物行间自适应行走调控方法。
  3.由于对靶检测判断到执行喷雾动作存在延迟,导致滞后喷雾从而对果树冠层的雾滴覆盖率造成影响,因此本文对对靶控制系统的响应时间进行了测定,根据对靶响应延迟时间,调整对靶检测装置与喷头的水平安装距离实现提前对靶。通过试验测定,对靶延迟响应时间为0.41s左右。
  4.通过试验研究了对靶喷雾作业的喷雾量和沉积性能,省药率试验结果表明,与连续喷雾相比,在0.5 m/s和1.0 m/s时,对靶喷雾情况下的省药率分别为43.24%和47.06%,因此自动对靶可以大大节省施药量。沉积试验结果表明,行驶速度为0.5 m/s时,在连续和对靶喷雾方式下,叶子正面雾滴覆盖率相差约5%;速度为1 m/s时,在连续和对靶喷雾方式下,叶子正面雾滴覆盖率相差约11%。说明自动对靶对叶子正面雾滴覆盖率在0.5 m/s的低速情况下影响较小,在1 m/s的情况下影响比0.5 m/s时略大一些。在相同速度条件下,连续和对靶两种喷雾方式对叶子反面雾滴覆盖率无明显的差异,说明喷雾方式对叶子反面喷雾覆盖率无影响。
  5.为验证行走系统的性能,对遥控与自适应调控进行了场地试验。试验表明,遥控信号测试工作良好,信号传输稳定,响应快。室内场地试验表明喷雾机能够在偏离道路中心线的情况下完成自动调节,并最终沿中心线附近行走未发生碰撞墙体,偏离走廊道路中心线的距离控制在8cm范围内。
[硕士论文] 董翔
机械工程 江苏大学 2017(学位年度)
摘要:生物防治是全区域虫害综合治理(AW-IPM)的重要措施,以虫治虫则是生物防治的一种关键技术。人工投放天敌来保护农作物需要大量的人力,同时在潮湿或高温的环境中保持长时间的劳作会导致人体的不适和疲劳。但是,用机械代替人工则可以减少投放时间,有益于工作者的健康和安全。目前,国外已开发了覆盖航空投放和地面投放的多种机具,并进行了田间大规模投放天敌试验。而我国仍以人工投放为主,缺乏相应的机具和评估投放效果的方法。
  针对上述问题,本文在结合我国农业生产发展及病虫害特点,考虑天敌生理特性和借鉴国外发达国家相关机具开发的基础上,研制了一套针对异色瓢虫的投放装置,并基于振动理论和图像处理技术对该装置动力学特性和投放效果进行了研究。
  全文主要有以下五个方面的内容:
  (1)研制一套针对异色瓢虫的机械化投放装置。目前国内还没有商品化的投放天敌的机械装置。针对这一现况本文研制了集动力系统、虫量调节机构、控制系统、机架于一体的可单人背负进行田间作业的异色瓢虫机械化投放装置。该装置净重为11.5kg,最远水平投放距离可达5m;针对异色瓢虫具有限域搜索行为,该装置具有两种可切换投放模式:连续投放、循环间断投放。
  (2)虫量调节机构的参数计算及试验研究。基于所测得异色瓢虫的物理特性数据确定了虫量调节机构的具体结构参数,构建了投放数量、小叶轮转速和投放时间三者之间的关系模型,并用试验验证该模型的精确度。
  (3)初步样机的振动试验和减振设计。对加工装配后的初步样机进行了两种工况下的振动试验,基于试验的一阶扰动频率进行了减振装置的设计;基于力矩平衡试验结果进行了减振装置布置。减振后的样机,两个工况下主激振频率的隔振效率分别达到71.82%~79.95%和67.96%~89.23%,振动加速度级分别下降7.17dB~9.41dB和6.63dB~8.79dB。
  (4)基于MATLAB图像处理技术的异色瓢虫计数方法研究。将 MATLAB图像处理技术与手机照相功能相结合,采用最大截面积法对指定区域内异色瓢虫进行计数,该方法比分水岭算法和腐蚀算法更适合图像的批量处理。
  (5)样机投放效果试验研究。
  通过改变样机出口风速、小叶轮转速进行定点投放和定区域投放两种策略的试验,得出如下结论:
  ①两种出口风速的落点集中区域均位于喷幅区域的中部及中后部;
  ②横向分布上,定区域投放比定点投放有一段2m长分布较为平缓区域;
  ③经 SPSS方差分析,出口风速对异色瓢虫的存活率没有显著性影响,小叶轮转速对异色瓢虫存活率有显著性影响;
  ④投放10g异色瓢虫的粘附率1.4%~5.7%,在本投放装置进行田间作业时应当增加异色瓢虫数量,确保投放量满足一定的瓢蚜比。
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