果园生物量分布在线探测风送变量喷药模型研究

Excessive application of pesticides causes a lot of residual in orchard, which is polluting the ecological environment and threatening fruit safety. It is hard to on-line calculate pesticides dose for different parts of the target and variable spray as needed. Research on model of orchard canopy biomass distribution on-line probing and air-assisted variable pesticide spraying will be carry out using ultrasonic and LIDAR technology. On the basis of the result of study on orchard spray target profile static probing method, target profile dynamic probing model will be established using ultrasonic sensor. And the foliage density distribution on-line detection method will be researched based on LIDAR. The relationship among canopy biomass, foliage density and profile in different growth stages will be explored, and then the biomass distribution online detection mathematical model will be established for calculating the dose required in different parts of target. The hysteresis characteristics of high-pressure PWM variable spraying will be studied on the basis of nozzle flow static model obtained. Then the air-assisted variable pesticide spraying model will be set up to provide theoretical support for orchard variable spraying control through exploring the mathematical relationship between best wind speed and target biomass distribution. Its findings will vigorously promote the orchard spraying dose expression reform and precision spraying technology development, and have important significance in reducing orchard pesticides residues.

果园过量施用农药致使其大量残留，严重污染生态环境，威胁果品安全生产。针对果园喷药中难以在线计算靶标不同部位所需农药量按需对靶变量作业的难题，本项目拟采用超声传感和激光雷达技术,开展果园生物量分布在线探测风送变量喷药模型研究。在前期靶标外形轮廓静态探测方法研究的基础上建立靶标外形超声传感动态探测模型，同时基于车载激光雷达研究靶标枝叶稠密度分布在线探测方法，通过探寻不同生长时期靶标生物量与外形轮廓和枝叶稠密度之间的关系，建立生物量分布在线探测数学模型为计算靶标不同部位所需药量提供数学依据。结合前期喷头流量模型研究结果，研究高压PWM变量喷雾时间滞后特性以获得喷头动态流量模型，并探寻最佳风助气流速度与靶标生物量之间的数学关系，进而建立基于果园生物量分布风送PWM变量喷药模型，为果园变量喷雾控制提供理论支撑。其研究结果必将大力推动果园施药计量描述改革和精准施药技术发展，对降低农药残留具有重要意义。

针对果园喷药中难以在线计算靶标不同部位所需农药量按需对靶变量作业的难题，本项目采用超声传感技术，研究了果园靶标外形与体积在线探测方法及动态特性并建立了靶标生物量探测数学模型，研究建立了风送变量喷雾喷头流量模型，研究并获得了风送喷雾雾滴沉积特性。.靶标生物量探测方法与数学模型研究，优化了已有的果园靶标探测试验台，研究了基于超声传感技术在低速条件下探测靶标外形和体积的可行性，并针对规则树冠、樱桃树冠和山楂树冠分别进行试验，探究该方法的普适性和探测精度，结果显示树冠体积探测精度分别为92.8%、90.0%和87.0%。进行了机具行走速度对靶标外形轮廓探测影响试验，数据表明，不同行走速度下探测的靶标形状基本一致，但会产生一定滞后现象，且速度越高滞后越明显。行走速度不大于1m/s时，靶标外形滞后量拟合方程为d=0.117v-0.02，式中，d为靶标外形滞后量，m；v为运动速度，m/s。该方程具有很高的拟合精度，其中R2=0.983。设计了生物量探测试验系统，研究获得超声传感器回波能量与枝叶稠密度和探测距离之间存在相关性，并采用二次回归正交数学建模方法，通过试验研究建立了数学模型。.风送变量喷雾喷头流量模型和雾滴沉积特性研究，针对喷头流量受喷雾压力、PWM频率和占空比多因素影响，难以通过少量的试验获得其数学关系的问题，采用二次回归正交组合试验设计方法建立了喷头流量回归模型。在常压和高压喷雾条件下，分别对TEEJET AITXA 8002型、8003型和8004型喷头建立了喷头流量模型，并对其进行了参数检验、失拟检验和普适性试验，结果表明，模型流量和实际测量流量均具有很好的一致性，其中8002、8003和8004喷头模型最大相对误差分别为7.05%、7.27%和7.94%。设计了风送喷雾沉积试验台，并完成了喷头雾滴沉积特性试验。AITXA 8002喷头在喷雾宽度范围内，流量分布均匀，流量分布呈“双驼峰”形状；多喷头流量叠加后，流量波动范围为85%~116%。风送喷雾中，风速越高喷头雾滴沉积受重力影响越小，当风速大于12m/s，喷雾距离为0.80m时，喷雾沉积基本不受重力的影响，且风速越大喷雾宽度越小，流量基本集中于喷头中心位置。.果园靶标生物量探测模型、风送变量喷雾流量模型和沉积特性可为果园变量喷雾控制提供数学模型支撑，对推动果园精准施药技术发展，降低农药残留具有重要意义。