水稻是我国重要的粮食作物,约占我国粮食总产量的1/3,确保水稻产量的稳定对我国粮食安全意义重大。水稻病虫草害在整个生长周期都可能爆发,且种类繁多。每年因病虫草害造成的水稻产量损失达400-500万t,是影响我国水稻稳产、高产的主要因素之一。化学防治具有高效、快速等特点,迄今为止仍是防治水稻病虫草害的最主要和最有效的手段。近年来以来我国的植保机械迅速发展,但与发达国家相比仍有较大差距,尤其是适用于水田的自走式高地隙宽幅喷雾机,存在喷雾质量不高、均匀性差和自动化程度低等问题。目前,喷雾机混药方式多采用预混式,这种混药方式无法改变药液浓度及实现按需喷施,且存在剩余药液无法回收、对操作人员危害较大等问题。水田高地隙宽幅喷雾机在大幅度提高喷雾作业效率的同时,由于稻田硬底层深浅不一,引起喷雾机在田间作业时行走姿态变化频繁,导致喷杆倾斜、喷雾作业质量下降,容易造成喷雾不均匀等问题。为进一步提高喷雾机的喷雾作业性能,满足现代农业的发展需求。本文以水田高地隙宽幅喷雾机为平台,开展了在线混药和喷杆姿态控制技术研究。主要研究内容和成果如下:(1)设计了在线混药精准泵药系统,建立了精量柱塞泵排量模型和步进电机-柱塞泵泵药模型,确定了各模型参数,设计了精准泵药控制系统,实现了精准泵药,泵药误差最大为0.76%。以水田高地隙宽幅喷雾机为平台,进行了混药配比试验和混药均匀性试验,试验结果表明混药配比误差最大为2.5%,混药均匀度变异系数最大为4.35%。(2)设计了喷杆高程自动调节系统,包括喷杆高程自动调节机构、超声波测距传感器和基于超声波传感器的喷杆高度控制系统。喷杆高程自动调节系统动态响应试验结果表明,喷杆高程响应时间在60ms以内,喷杆上升和喷杆下降速度分别为58mm/s和109mm/s。通过试验测试了喷杆高程自动调节系统在不同的作业环境下的自动调节性能,试验结果表明,在不同的作业环境下,均能对喷杆高程进行有效控制,喷杆高程控制绝对误差值最大为9.09%。(3)设计了喷杆自动调平系统,包括喷杆自动调平机构、车身倾角传感器和喷杆自动调平控制系统。车身倾角传感器通过卡尔曼滤波算法融合MEMS惯性加速度计和陀螺仪传感器数据获得倾角。以三轴多功能转台为试验平台,模拟喷雾机田间行驶过程,对车身倾角传感器的测量精度进行了检验,试验结果表明,倾角测量的最大误差为0.89°,模拟转弯测量误差最大为0.50°。以水田高地隙宽幅喷雾机为平台,采用叉车调节喷雾机车身倾斜角度、2台MTI-300高精度惯性传感器分别测量喷雾机车身和喷杆倾角的方法进行了动态性能试验,结果表明,随着车身倾角变化速率的增加,喷杆倾斜角度的平均绝对误差、均方根误差和最大误差增大;其中,平均绝对误差最大为0.90°,均方根误差最大为1.39°,最大误差为1.70°,车身倾角变化速率对喷杆控制精度影响较大。(4)以在线混药控制系统、喷杆高程自动调节控制系统和喷杆自动调平控制系统为基础,对水田高地隙宽幅喷雾机控制系统进行了集成,设计了软件的整体结构,包括超声波测距传感器和车身倾角传感器的控制器局域网络CAN(Controller Area Network)信息解算,对软件主程序以及在线混药控制、喷杆高程自动控制和喷杆自动调平控制子程序的工作流程进行了设计。(5)进行了水田高地隙宽幅喷雾机控制系统田间试验,包括在线混药系统试验(包括混药均匀性试验和混药配比试验)和喷杆姿态控制试验。采用胭脂红溶液模拟农药进行混药均匀性试验,试验结果表明,在0.8MPa、1.2MPa、1.4MPa 3种喷雾压力下,随着混药比由200:1增加到1000:1,混药均匀度变异系数最大为5.56%;采用同步测量水量和药液量计算得到实际混药比的方法进行混药配比试验,试验结果表明,混药配比最大误差为6.98%。采用K728 GNSS型车载定位定向板卡测量喷杆高度数据和水平倾角数据的方法进行喷杆姿态控制试验,试验结果表明,喷杆姿态变化幅度明显减小,喷雾机行走速度对喷杆姿态调节精度有较大影响,喷杆相对水平面的度平均绝对误差最大为4.63cm,均方根误差最大为5.14cm,最大误差为17.8cm,喷杆相对于水平面的平均绝对误差最大为0.79°,均方根误差最大为0.85°,最大误差为1.70°。该系统可满足水田高地隙宽幅喷雾机田间使用要求。