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引文格式本溪隔膜泵式过滤机：

范道全, 张美娜, 潘健, 吕晓兰. 基于靶标叶面积密度参数的变量喷雾控制系统开发与性能试验[J]. 智慧农业(中英文), 2021, 3(3): 60-69.

Citation: FAN Daoquan, ZHANG Meina, PAN Jian, LYU Xiaolan. Development and performance test of variable spray control system based on target leaf area density parameter[J]. Smart Agriculture, 2021, 3(3): 60-69.

基于靶标叶面积密度参数的变量喷雾控制系统开发与性能试验 - 中国知网

基于靶标叶面积密度参数的变量喷雾控制系统开发与性能试验

基于靶标叶面积密度参数的变量喷雾控制系统开发与性能试验

Development and Performance Test of Variable Spray Control System Based on Target Leaf Area Density Parameter

范道全1本溪隔膜泵式过滤机， 张美娜2， 潘健1， 吕晓兰1*

（1.江苏省农业科学院农业设施与装备研究所，江苏南京 210014；2.江苏省农业科学院农业信息研究所，江苏南京 210014）

摘要： 变量喷雾技术是提高农药利用率、节省农药用量的重要手段之一。为达到果园施药减量增效的效果，本研究开发了一种变量喷雾控制系统，提出了叶面积密度参数与执行机构脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）占空比的计算方法。该系统上位机基于激光LiDAR传感器探测的点云密度表征叶面积密度作为施药参数，并根据喷药处方计算各喷头对应电磁阀的PWM占空比，通过RS485通讯实时发送施药处方到下位机的可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），下位机PLC根据接收的PWM占空比控制对应电磁阀的开关频率实现喷头喷雾流量的调节。通过试验测量了施药单元网格尺寸、系统延时时间以及PWM占空比与喷头流量之间的模型参数三部分关键系统参数。结果表明在0.2、0.3和0.4 MPa压力下PWM占空比与喷头流量之间均为线性关系，线性拟合优度均在0.98以上。最后，通过喷雾试验验证变量喷雾样机的有效性，试验结果表明，采样点水敏纸上单位面积（cm2）最少雾滴个数为35滴，达到了有效喷雾效果；当靶标冠幅与总冠幅比为39.9%时，变量喷雾模式相比于连续恒定式喷雾省药71.96%，相比于对靶开关式喷雾省药29.72%，达到了减量效果。

关键词：变量喷雾；LiDAR；叶面积密度；控制策略；脉宽调制

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注：个人计算机（Personal Computer， PC）；辅助动力输出（Power Take Off， PTO）

图1　喷雾机系统总结构图

Fig. 1 Overall structure diagram of spray system

注：1. 药箱 2. 药液流向 3. 过滤器 4. 隔膜泵 5.PTO传动轴 6. 一级分流器 7. 射流装置 8. 稳压球 9. 分流器总开关 10. 分流器总调压阀 11. 分流器单路开关 12. 分流器单路调压阀 13. 压力表 14. 压力传感器 15. 过滤器 16. 二级分流器（5路管道分流器）17. 三级分流器18. 电磁阀 19. 雾化喷头

图2 喷雾系统结构图

Fig. 2 Structure diagram of spray system

注：1. 拖拉机 2. PC机 3. 悬挂装置 4. 管道分流器 5. LiDAR传感器 6. PLC控制器 7. 药液箱 8. 风机 9. 雾化单元 10. 电源 11. 增量式编码器 12. PTO传动轴 13. 隔膜泵 14. 钣金门

图3　改装完成的喷雾机实物图

Fig. 3 The picture of the modified sprayer

图4　上、下位机人机交互界面

Fig. 4 User-interface of upper and slave computer

注：θ_i为第i层上限激光束与水平夹角；θ_(i-1)为第（i-1）层上限激光束与水平夹角；zi为第i层的上限高度值；zi-1为第i-1层的上限高度；H为LiDAR传感器离地面高度；H1为树冠高度；d为LiDAR离靶标的最近距离；D为靶标行距

图5　靶标冠层分割及探测示意图

Fig. 5 Schematic diagram for calculating the number of theoretical laser points in a single row

图6　喷雾横向有效宽度测定

Fig. 6 Measurement of spray transverse effective width

注：1. LED灯 2. 喷头 3. 喷雾

图7　高速摄影仪拍摄的动态过程

Fig. 7 Moving process captured by the high-speed camera

图8　PWM占空比与喷头流量之间的模型辨识

Fig. 8 Model identification between PWM duty cycle and nozzle flow

图9　喷雾机试验现场布置示意图

Fig. 9 Site layout of the sprayer test

图10　水敏纸布置图

Fig. 10 Layout of water sensitive paper

图11　水敏纸局部采样图

Fig. 11 Local sampling diagram of watersensitive paper

图12　喷头占空比变化情况

Fig. 12 Variation of duty ratio of nozzle

来源：《智慧农业（中英文）》2021年第3期

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通讯作者简介

吕晓兰 研究员

吕晓兰，博士，研究员。南京农业大学、南京林业大学、江苏大学硕士生导师、国家梨产业技术体系果园耕作机械化岗位科学家、全国专业标准化技术委员会委员、江苏省特色农业机械化专家指导组成员、江苏省农业科学院成果转化处副处长、江苏省农业科学院第一批青年拔尖人才。主持和承担了国家、省部级科研项目30余项。发表学术论文32篇，SCI/EI 收录21篇。获专利授权28项，其中发明专利12项，获得软件著作权12项。以第一完成人获省级科技成果评价/鉴定2项，院“十大科研进展”2项，提名1项，院科学技术奖二等1项，江苏农业科技奖一等奖1项，神农中华农业科技奖三等1项；参与获得江苏省农业科技推广奖三等奖、中国商业联合会科学技术奖一等奖。

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