面向最佳雾滴沉积的气流辅助喷雾动态优化与主动控制研究

气流辅助式喷雾在减少雾滴飘失、提高雾滴穿透性和沉积率方面确有效果，是进行田间病虫草害防控的最有效方法之一。然而其减飘效果受作业环境变化影响严重，考虑大田动态作业环境、确保雾滴沉积效果的精准喷雾主动控制技术还没有系统地研究。本项目拟采用计算流体动力学分析、非线性建模与优化、鲁棒主动控制三个关键技术，在试验统计学理论指导下，通过三维非稳态气-液两相流动力学仿真和室内、田间试验研究相结合，分析自然风和辅助气流综合作用下雾滴在枝叶间运动、飘失和沉积的规律，建立动态作业环境下雾滴减飘和沉积模型，研究多工况喷雾参数优化及精确控制模型，研制基于传感器动态环境感知的气流辅助喷雾主动控制原型系统，考虑系统动态响应特性，确保最佳雾滴沉积效果，最后通过田间试验进行有效性评价。项目成果可望揭示出自然作业环境下雾滴沉积机理，建立主动控制理论，提高农药利用率及沉积效果稳定性，降低环境污染，推动精确喷雾技术的发展。

项目在试验统计学理论指导下，通过三维非稳态气-液两相流动力学仿真和室内、田间试验研究相结合，分析了自然风和辅助气流作用下雾滴飘失和沉积的规律，考虑了自然风、喷雾角、风筒入口风速、喷嘴安装位置的影响，进行了多工况喷雾雾滴飘失特性建模与仿真的研究，结果表明：增大风筒气流出口速度，可以胁迫雾滴向靶标运动，增加雾滴沉积率。当自然风速增大时，增大辅助气流出口速度才能取得较好的防飘效果。项目将植物叶片加入计算域中，探索了辅助气流风幕、自然风、植株叶片与雾滴在三维区域内的气固液三相交互耦合作用，并确定了雾滴在不同高度冠层上药液沉积量评价指标。依据不同工况参数对雾滴飘移特性的影响，利用均匀设计安排试验方案，通过流体动力学仿真与物理试验结合完成了训练样本数据采集，采用多元相关向量机回归方法建立不同自然风速下减飘模型，并通过模糊决策支持系统对作物茂密程度和喷嘴距离进行控制参数修正。研究了喷雾多工况参数优化及精确控制模型。研制了传感器动态环境感知、考虑系统动态响应特性、面向最佳雾滴沉积的主动喷雾控制原型系统：采用ARM工控机作为控制系统的上位机，采用STM32单片机作为下位机智能控制节点，完成了基于CAN总线的ARM/STM32两层结构主动控制系统软硬件设计和调试；进行了气流辅助喷雾机主动控制系统的物理实验；通过田间试验研究进行了可行性和有效性评价。.项目研究在理论上揭示了自然风和辅助气流作用下雾滴与枝叶交互机理和雾滴飘失和沉积的规律，研制了气流辅助喷雾机主动控制系统，可提高农药利用率及沉积效果稳定性，降低环境污染，推动了精确喷雾技术的发展。按照课题任务书要求，课题按计划如期超额完成。.项目研究成果：已发表论文13篇，其中SCI检索2篇，EI检索12篇；申请专利16项，其中，发明专利8项，3项已授权；实用新型专利8项，均已授权；1项软件著作权已提交申请。获得山东省机械工业科技进步二等奖1项。在课题资助下，培养青年教师3名，有2人分别获中国农业机械学会第三届（2012年度）、第四届（2014年度）青年科技奖。有1人次参加中国农业工程学会年会、1人次参加农业机械学会年会；3人次参加国际会议IWAMA2014，并就本项目的进一步深入研究，开展中国与挪威间的科技合作达成意向。项目直接培养硕士研究生5名，已毕业1名，即将毕业4名，其中左文龙在2012齐鲁研究生论坛做学术报告并获一等奖。