摘要：目前在水稻的机械追肥作业中以离心圆盘式撒肥机为主,该方式在作业幅宽方向上的撒施均匀性不稳定,且难以实现作业幅宽方向上的变量施肥。为了满足水稻变量追肥作业的需要,达到化肥减施增收的目的,设计了一种外槽轮式排肥、以空气流为肥料输送和撒播动力的稻田气力式变量施肥机。文章对该机器的关键部件进行了仿真和测试试验,研究了排肥轮转速与排肥量之间的相关关系,并对排肥管道长度对排肥出口风速与排肥滞后时间的影响、排肥管出口相对高差对排肥滞后时间的影响进行了试验。试验结果表明：排肥轮转速与排肥量之间存在极显著的线性相关关系,相关系数R2=0.998,调节排肥轮转速可以较精确的调节施肥量的大小,在变量作业时,结合施肥量的需求及施肥机具的前进速度,对排肥轮的转速进行实时调节,从而达到变量施肥的目的。当机具前进速度为1 m/s,排肥轮转速在10～40 r/min之间变化时,单凭转速调节可实现每公顷施肥量在40～200 kg范围内的变量调节,此外,各排肥口的排肥量误差小于±5%,基本上达到了施肥均匀性的要求。文章还研究了排肥管道长度及安装高差对排肥滞后时间的影响,结果表明：排肥管道长度对排肥出口风速有显著影响,排肥管长度和出口安装的高差对排肥滞后性亦有显著的影响,因此,为了尽可能减小因排肥滞后对排肥均匀性的影响,应避免排肥管过长,并尽量使排肥管出口不高于入口。该研究为进一步的样机制造和优化提供了依据。

摘要：图像配准和拼接的自动化是微小型无人机能否被广泛应用于水稻长势低空遥感监测的关键技术之一。为了改进Harris角点检测算法中阈值需要人为设定的局限,文章提出了基于Harris角点自适应检测的水稻低空遥感图像配准与拼接算法。该算法在Harris角点检测算法的基础上进行改进,采用基于图像像素灰度值标准差标准化的方法进行角点的自适应确定,并对角点进行特征描述,利用角点特征描述算子之间的欧式距离进行配准。为了验证算法的有效性并进行相关参数的优化,采用多旋翼无人直升机获取了水稻长势的低空遥感图像,并设计了重复率(衡量角点检测的稳定性)、辨识率(衡量角点描述算子的辨识度)、配准率(衡量图像的拼接精度)以及运行时间(衡量算法的运算速度)4个评价指标对配准与拼接的结果进行评判。随机选取获得的低空遥感图像分成3组进行测试,试验结果表明,平均配准率达到了98.95%,且各组图像之间的重复率与配准率差异不显著(显著性水平为0.05),说明改进后的算法稳定。设计了角点自适应检测算法阈值参数的优选试验,阈值参数为标准化处理后的图像像素灰度值标准差,方差分析结果表明,图像像素灰度标准差为1和2时配准率的差异不显著(显著性水平为0.05),但当图像像素灰度标准差为1时,图像配准与拼接平均运行时间是其为2时的2.5倍,因此,可设定图像像素灰度标准差为2作为本算法的较优参数。

摘要：药箱的液量是植保无人机精准作业中需要监测的重要信息之一。为了实现对植保无人机药箱液量的实时监测,针对植保无人机作业过程中存在的液面波动剧烈、药液的理化特性各异、药箱空间小、防腐蚀要求高等特点,该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,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,决定系数为0.998 9,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,气压差值误差从校正前的-1.09 h Pa,降低至校正后的0.05 h Pa,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,设计了前进、后退、田间掉头移行等3种常见的飞行工况中进行测试,在2、4、6 L的载药量时,液量监测器输出的液量数据均值分别为1.985、3.942、5.984 L,经过校正处理后液量相对误差分别为0.75%、1.45%、0.77%,均方根误差分别为0.182、0.199、0.180 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。

摘要：当前用于无人机挂载的撒播装置通常为离心圆盘式,该方式的落种区为圆弧形,撒播均匀性不稳定,且在作业幅宽方向上的调控比较困难。为了改善撒播作业的效果,探究适合无人机挂载的水稻撒播装置,该文设计了一种气力式无人机水稻撒播装置,利用气流将种子沿不同的方向吹送出去。该文就种子颗粒在所用无人机平台风场中运动情况进行分析和归纳,对撒播装置的关键部件进行了仿真和测试试验,研究了分流箱气流出口尺寸与出口风速的关系,以及导流通道的锥角对导流通道内的气流与气压分布的影响及对撒播幅宽和撒播均匀性的影响。试验结果表明:分流箱气流出口尺寸与出口风速之间存在极强的负相关关系,根据设计需求选择φ32 mm作为较佳的气流出口直径。导流通道的锥角与撒播幅宽之间存在极强的线性相关关系,相关系数R2=0.999。综合考虑通道内的气压和流速分布,以及锥角对幅宽和均匀性的影响,优选130?为导流通道的锥角。该文进一步研究了无人机作业高度对撒播幅宽和撒播均匀性的影响,结果表明:在1~2.8 m的范围内,作业高度与撒播幅宽的相关性显著系数为0.359>0.05,作业高度与撒播均匀性的相关性显著系数为0.197>0.05,在给定的高度范围内无人机作业高度对撒播幅宽和撒播均匀性的影响不显著,在实际作业中,综合考虑撒播幅宽和均匀性变异系数以及田间作业环境等因素,优选2 m作为该无人机平台的适宜作业高度。该研究为进一步样机的优化改进提供了参考。

摘要：现有槽轮式排肥器存在低转速下脉动性较强和排量范围较小的问题,较难满足农用无人机低空高速施肥对大排量范围以及排量连续性和准确性的要求。针对以上问题,该研究设计了凹槽形状和凹槽列数不同的排肥槽轮,并利用EDEM仿真模拟和台架试验测试了各槽轮的排量范围以及排肥时的脉动性和准确性,优选出满足无人机施肥要求的排肥槽轮。仿真结果表明,转速为10~40 r/min时,凹槽的截面形状和列数对脉动性影响较大,且直槽槽轮的脉动性较为明显,外切4列和内切5列对脉动的幅度和时间间隔的影响最小。台架试验结果表明,转速为40~120 r/min时,各槽轮排放复合肥和尿素的排量均在17 kg/min以上,且均随转速的增大而增大,能够满足无人机施肥时对排量的需求。方差分析表明凹槽截面形状和凹槽列数的主效应和交互作用对排量的影响均显著(P<0.05),而且会受到转速的干扰。对于复合肥,外切6列、直槽6列和外切5列槽轮的变异系数波动最小,基本稳定在1%以内;内切4列、内切6列和外切4列槽轮的变异系数波动范围稍大,但均在3%以内。对于尿素,内切4列和直槽4列的变异系数波动较大,排量准确性较差,内切6列和直槽6列槽轮的变异系数波动较小,基本稳定在1%以内;直槽5列、内切5列、外切4列、外切5列和外切6列槽轮的变异系数波动范围基本在1%~2%。综合低转速下的排量脉动性和高转速下的排量准确性,为了确保不同转速下的排肥效果,施肥无人机排放复合肥时可选择外切4列槽轮,排放尿素时可选择外切4列或内切5列槽轮。该研究可为施肥无人机的排肥性能研究提供参考。

摘要：升力特性是电动多旋翼植保无人机性能测试的重要参数之一。为了实现对电动多旋翼植保无人机升力特性的性能检测,针对不同型号、不同规格的电动多旋翼植保无人机在评价过程中存在无统一的评价指标问题,该文提出了一种半系留式电动多旋翼植保无人机升力特性的测试与评价方法,包括性能检测平台、升力特性测试方法及指标、升力特性的评价方法。为了验证方法的可行性,对3种不同机型(分别为四旋翼机型Ⅰ、六旋翼机型Ⅱ、八旋翼机型Ⅲ)进行了升力特性指标的性能测试试验。试验结果表明:3种机型在功率载荷、重量效率、热效比等方面有较大差异,功率载荷最好的机型Ⅲ比最差的机型Ⅰ大7.6 m N/W,重量效率最好的机型Ⅰ比最差的机型Ⅱ大0.33,热效比最好的机型Ⅲ比最差的机型Ⅱ大10.5 N/℃,反映出3种机型在设计过程中整个动力系统效率、机型整体结构和材料选择上的差异,从而在整机作业性能上表现出差异。在上述指标测试的基础上,结合无人机动力系统数学模型,提出了运用功率载荷、重量效率和热效比进行电动多旋翼植保无人机升力特性综合评价的评分方法,对上述3种机型进行综合评分的结果为:机型Ⅲ>机型Ⅰ>机型Ⅱ,该结果表明所提出的评价方法能有效对不同类型电动多旋翼植保无人机的升力特性进行综合评判。该文所给出的测试与评价方法,不仅能用于电动多旋翼植保无人机性能的评测,还能为机型性能的进一步改进提供参考。

摘要：针对当前无人机水稻撒播难以成行成穴、落种易受旋翼风场干扰和播种均匀性不佳等问题,该研究结合点射式水稻播种装置和飞行控制器设计了一套播种控制系统,开发了配套的地面站功能,并制作了样机。控制系统基于PID算法实现排种器步进电机的转速闭环控制,通过标定模型对振动电机激振力和摩擦轮电机转速进行控制,并根据状态机设计播种控制程序。以3倍丸粒化稻种为对象,从播种量准确性、播种成行性和播种均匀性3个方面对样机的播种性能进行验证并优选合适的播种参数。试验结果表明:无人机模拟飞行的播种量准确性测试中,样机以1.0~2.5 m/s的作业速度进行播种时,播种量的平均相对误差小于4%,控制系统具有较好的动态调节能力。实地飞播测试中,样机以1.0和1.5 m的高度播种时,种子分布在12 cm种行宽度内的平均概率超过80%,成行性较好。考虑安全因素,优选1.5 m为样机的适宜作业高度。在作业高度为1.5 m,3倍丸粒化稻种的播种量为90~150 kg/hm^(2)(对应裸种的播种量22.5~37.5 kg/hm^(2)),作业速度为0.5~2.0 m/s时,播种均匀性变异系数为20.51%~35.52%。进一步分析发现,适当提升作业速度可提高播种均匀性。田间试验结果表明,播种量的相对误差分别为2.47%和4.12%,播种均匀性变异系数分别为22.17%和21.82%,种子破损率分别为0.34%和0.18%,满足相关标准的水稻飞播精度控制要求。研究结果可为无人机水稻直播技术提供参考。

摘要：为了寻求更高效、更可靠的辅助授粉方法,以利于实现杂交水稻制种的全程机械化,该文设计了一种涵道风扇式高地隙杂交水稻制种授粉机,采用计算流体力学技术对涵道风扇式授粉器的流场特性进行仿真研究与试验分析,并试制了样机,根据仿真试验得到的授粉器优选参数,进行了田间验证试验。试验结果表明,在授粉机行走速度为1.5m/s及授粉器电机转速为9000rad/min条件下,单位视野内母本厢花粉采集点的花粉平均粒数为8.39粒(杂交水稻制种农艺上要求至少有3粒花粉),较好地满足了杂交水稻制种授粉对花粉数量的最低要求。安排了涵道风扇式高地隙杂交水稻制种授粉机赶粉与农用无人机赶粉的实际生产作业对比试验,测得2种授粉方式的结实率分别为44.2%、42.7%,两者作业效果相近,说明所设计的涵道风扇式高地隙杂交水稻制种授粉机能满足杂交水稻制种的实际生产需要。该研究为杂交水稻制种机械化提供了参考。

摘要：高地隙杂交水稻制种授粉机在作业过程中,当泥底层高差变化过大时,两侧的授粉器上下颠簸导致授粉器风场脱离父本穗层最佳作用位置,甚至完全脱离父本穗层,从而导致局部区域出现授粉缺失。为解决上述问题,该研究设计了一种杂交水稻穗层埋入式管道送风辅助授粉机,从减轻授粉器质量和增加有效作用深度2个方面进行优化,对授粉器的分流器和授粉管进行分析,并对分流器的气流均布效果和授粉器的气流风场特性进行仿真试验。仿真结果表明:在工作区间内,分流器的气流均布效果与入口风量无关(P>0.05),根据参数优化选出的分流器可使3支授粉管的入口总压平均变异系数仅为1.14%;授粉管的喷孔直径为12 mm时,授粉边界区域风场速度约为1.2 m/s,可保证花粉横向悬浮运送至整个母本区域。根据理论分析和仿真结果试制样机并进行试验,结果表明:授粉机行走速度为1.5 m/s,作业效率约14 hm^(2)/h,在通过200 mm地面高差时依然具有稳定的穗层风场保持能力,授粉管喷孔轴心气流平均速度为34.2 m/s的条件下,母本厢花粉采集点的载玻片单位视野内平均粒数为8.35粒(杂交水稻制种农艺上要求至少有3粒花粉),其中平均花粉粒数多于3粒的采集点数量占比为96.02%,基本解决了局部区域授粉缺失问题。该研究可为杂交水稻制种田间机械化授粉提供参考。

摘要：针对传统喷杆喷雾机在转弯、换行过程中调头空间有限、转向半径大、易碾压作物等问题,提出了一种可利用车辆平行移动来实现换行作业的控制方法。基于平移换行方式设计了四轮转向喷杆喷雾机的导航控制系统,该控制系统采用RTK(Real time kinematic)定位模块和姿态传感器进行组合导航,以喷雾机位置信息和姿态信息作为输入,在四轮转向运动学模型基础上,结合运动学解算实现了喷杆喷雾机非转弯调头换行的自动导航跟踪控制,根据喷雾作业要求设计了基于有限状态机的自动作业策略。开展了传统PID(Proportion integration differentiation)控制器与单神经元PID控制器的实地对比测试。在常规方形硬质平整地块试验时,搭载常规PID控制器的喷雾机在平移换行过程中的最大跟踪偏差、平均绝对偏差为7.63、4.27 cm,而搭载单神经元PID控制器的喷雾机在平移换行过程中的的最大跟踪偏差、平均绝对偏差为6.48、3.24 cm。在常规方形田间地块试验时,搭载常规PID控制器的喷雾机在平移换行过程中的最大跟踪偏差、平均绝对偏差为11.01、6.66 cm,而搭载单神经元PID控制器的喷雾机在平移换行过程中的最大跟踪偏差、平均绝对偏差为8.60、4.47 cm。试验表明,单神经元PID控制器与传统控制器相比,具有较好的控制精度与适应性,解决了传统换行方式转向半径大而需要较大的转向空间的问题,为宽幅喷杆喷雾机的地头转向和换行提供解决方案。