CN116298095A - 喷杆喷雾机近冠层风雾场试验装置与建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及植保机械技术领域，公开了一种喷杆喷雾机近冠层风雾场试验装置与建模方法。上述喷杆喷雾机近冠层风雾场试验装置包括喷雾装置、风送组件、仿真作物、传感检测组件、三维移动组件和控制模块；喷雾装置包括高度调节组件、喷杆和喷头；风送组件用于提供风速和风向可调的环境风场，喷施药液在风送作用下形成近冠层风雾场；传感检测组件用于检测喷杆高度、冠层稠密度、风速和风向；三维移动组件与激光雷达和三维风速仪连接；控制模块与喷雾装置、风送组件、传感检测组件和三维移动组件电性连接。本发明能够通过试验装置研究环境风场、喷施参数和作物信息对雾滴飘移的影响，以便对于建立近冠层风雾场提供理论依据。
Description
技术领域
本发明涉及植保机械技术领域，尤其涉及一种喷杆喷雾机近冠层风雾场试验装置与建模方法。
背景技术
化学农药防治病虫草害是保障粮食作物健康生长不可或缺的手段之一，农药飘移问题是农药安全施用过程中最大影响因素之一。喷杆喷雾机是大田喷药应用最广的地面农药喷施设备，提高其喷药防飘移性能对提高农药安全施用能力，降低农药对环境的污染、域外作物及人畜生命危害具有积极意义。
目前，喷杆喷雾机防飘移仿真研究，多集中在单喷头受单一风场作用喷雾防飘移仿真，尚未对全尺寸的喷杆喷雾机的近冠层仿真模型进行研究，不能实现在多变量参数条件下进行喷雾防飘移数据的研究，导致农药飘移风险难以评估计算，影响了喷杆喷雾机防飘移性能仿真模拟与试验验证。
发明内容
本发明提供一种喷杆喷雾机近冠层风雾场试验装置与建模方法，用以解决当前难以在多变量参数条件下对喷杆喷雾机喷雾的飘移风险进行有效评估的问题。
第一方面，本发明提供一种喷杆喷雾机近冠层风雾场试验装置，包括：喷雾装置、风送组件、仿真作物、传感检测组件、三维移动组件和控制模块；
所述喷雾装置包括高度调节组件、喷杆和喷头；所述高度调节组件与所述喷杆连接；所述喷杆设于所述仿真作物的上侧；所述喷头设有多个，多个所述喷头沿所述喷杆的延伸方向排列；
所述风送组件用于提供风速和风向可调节的环境风场，在所述环境风场对所述喷头所喷施药液的风送作用下，所述仿真作物所在的区域形成近冠层风雾场；
所述传感检测组件包括高度检测传感器、激光雷达和三维风速仪，所述高度检测传感器用于检测所述喷杆相对于所述仿真作物的高度；所述激光雷达用于检测所述仿真作物的冠层稠密度；所述三维风速仪用于检测所述环境风场的风速和风向；
所述三维移动组件分别与所述激光雷达和所述三维风速仪连接，所述三维移动组件用于调节所述激光雷达和所述三维风速仪在所述近冠层风雾场当中的位置；
所述传感检测组件和所述控制模块电性连接，所述控制模块分别与所述喷雾装置、所述风送组件和所述三维移动组件电性连接。
根据本发明提供的一种喷杆喷雾机近冠层风雾场试验装置，所述近冠层风雾场形成包围所述仿真作物的矩形空间；
其中，所述近冠层风雾场的高度方向沿竖直方向，所述近冠层风雾场的宽度方向沿所述喷杆的延伸方向，所述近冠层风雾场的长度方向沿喷杆喷雾机的机身的长度方向。
根据本发明提供的一种喷杆喷雾机近冠层风雾场试验装置，所述风送组件包括移动车和多个轴流风机；
所述移动车的行进方向相对于喷杆喷雾机的行进方向的角度可调节，所述轴流风机可在所述控制模块的控制下进行风量调节；
多个所述轴流风机设于所述移动车上，多个所述轴流风机在竖直面上呈阵列排布。
根据本发明提供的一种喷杆喷雾机近冠层风雾场试验装置，所述三维移动组件包括升降机构、第一移动机构和第二移动机构；
所述第一移动机构设于所述升降机构上，所述第二移动机构设于所述第一移动机构上；所述激光雷达和所述三维风速仪设于所述第二移动机构上；
其中，所述第一移动机构用于驱动所述第二移动机构沿喷杆喷雾机的机身的长度方向移动，所述第二移动机构用于驱动所述激光雷达和所述三维风速仪沿所述喷杆的延伸方向移动。
根据本发明提供的一种喷杆喷雾机近冠层风雾场试验装置，所述传感检测组件还包括飘移测定仪；
所述三维移动组件和所述飘移测定仪连接，所述三维移动组件用于调节所述飘移测定仪在所述近冠层风雾场当中的位置；
其中，所述飘移测定仪用于检测所述飘移测定仪所在位置的药液沉积量。
根据本发明提供的一种喷杆喷雾机近冠层风雾场试验装置，所述仿真作物包括多个单体植株，所述单体植株在单位体积内的株数用于表征所述仿真作物的冠层稠密度；
其中，所述单体植株包括多种植株类型，每种所述植株类型包括幼苗期植株、成长期植株和成熟期植株。
第二方面，本发明提供了一种基于上述喷杆喷雾机近冠层风雾场试验装置的近冠层风雾场的建模方法，包括：
根据试验模拟需求，对风送组件所形成的环境风场的风速和风向、喷杆的高度、作物的类型和稠密度进行调节；
根据各个喷头分布的位置信息，在矩形立体空间中进行多个风场采集点的设置，获取各个风场采集点的风力信息；
根据各个风场采集点的位置信息和风力信息，获取喷头喷雾在矩形立体空间范围内的风场分布模型；
将风场分布模型和各个喷头的离散相模型相融合，建立喷杆喷雾机的近冠层风雾场模型；
其中，所述矩形立体空间的高度方向沿竖直方向，宽度方向沿喷杆的延伸方向，长度方向沿喷杆喷雾机的机身的长度方向。
根据本发明提供的一种近冠层风雾场的建模方法，所述根据各个喷头分布的位置信息，在矩形立体空间中进行多个风场采集点的设置，获取各个风场采集点的风力信息，进一步包括：
根据各个喷头分布的位置信息，将环境风场划分为多个长方体风场区域；
沿各个长方体风场区域的各个沿边，进行多个风场采集点的设置；
沿长方体风场区域的长度方向依次取多个截面，获取各个截面内不同高度区域的三维风速相对于垂直高度的三维风速方程。
根据本发明提供的一种近冠层风雾场的建模方法，所述根据各个风场采集点的位置信息和风力信息，获取喷头喷雾在矩形立体空间范围内的风场分布模型，进一步包括：
选取靠近喷杆的截面作为仿真风场的入口依据，根据风场采集点的位置信息，将同一长方体风场区域内的各个截面所对应的三维风速方程拟合，获取同一长方体风场区域的风场分布模型；
将各个长方体风场区域对应的风场分布模型进行组合，采用湍流模型进行优化，获取喷头喷雾在矩形立体空间范围内的风场分布模型。
根据本发明提供的一种近冠层风雾场的建模方法，还包括：
基于喷杆喷雾机设定的喷施参数，在无风环境下获取仿真作物在不同高度位置的雾滴沉积分布信息；
根据雾滴沉积分布信息，建立仿真作物在不同高度位置的雾滴沉积模型；
根据雾滴沉积模型，确定矩形立体空间的两个截面之间的雾滴飘移量，根据所述雾滴飘移量对所述近冠层风雾场模型进行验证；
其中，所述喷施参数包括喷杆的高度、喷雾压力、喷头的工作间距和喷头的喷雾角度。
本发明提供的喷杆喷雾机近冠层风雾场试验装置与建模方法，通过设置喷雾装置、风送组件、仿真作物、传感检测组件、三维移动组件和控制模块，使用控制模块调整喷杆的高度、喷雾压力、喷头的工作间距、喷雾角度、环境风场风速和风向，喷雾装置可在风送组件开启后，喷施药液在风送作用下，在仿真作物所在的区域形成近冠层风雾场，控制模块通过控制三维移动组件，三维移动组件驱动激光雷达、飘移测定仪和三维风速仪到达指定位置，可完成仿真作物稠密度、药液沉积量、环境风场风速和风向的数据测量。
由上可知，本发明的提供的喷杆喷雾机近冠层风雾场试验装置，通过研究环境风场、喷施参数和作业信息对雾滴飘移的影响，可以有效解决当前难以对喷杆喷雾机喷雾的飘移风险进行有效评估的问题，并以此为基础建立喷杆喷雾机近冠层风雾场模型。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种喷杆喷雾机近冠层风雾场试验装置的结构示意图；
图2为本发明提供的基于上述的喷杆喷雾机近冠层风雾场试验装置的近冠层风雾场的建模方法的流程示意图；
图3为本发明提供的在喷杆喷雾机的直接喷雾区构建的基于矩形立体空间的多个风场采集点的分布示意图；
图4为本发明提供的图3中一个风场区域A1的风场采集点的分布示意图。
附图标记：
11、喷雾装置；111、高度调节组件；112、喷杆；113、喷头；
12、风送组件；121、移动车；122、轴流风机；
13、仿真作物；
14、传感检测组件；141、高度检测传感器；142、激光雷达；143、飘移测定仪；144、三维风速仪；
15、三维移动组件；151、第一移动杆；152、第二移动杆；
16、控制模块；
31、风场采集点；32、风场采集点风速；A1、第一长方体风场区域；
S1、第一截面；S2、第二截面；S3、第三截面；S4、第四截面；S5、第五截面；S6、第六截面。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合图1至图4，通过具体的实施例及其应用场景对本发明提供的喷杆喷雾机近冠层风雾场试验装置与建模方法进行详细地说明。
在一些实施例中，如图1所示，本实施例提供一种喷杆喷雾机近冠层风雾场试验装置，包括：喷雾装置11、风送组件12、仿真作物13、传感检测组件14、三维移动组件15和控制模块16。
喷雾装置11包括高度调节组件111、喷杆112和喷头113；高度调节组件111与喷杆112连接；喷杆112设于仿真作物13的上侧；喷头113设有多个，多个喷头沿喷杆112的延伸方向排列。
风送组件12用于提供风速和风向可调节的环境风场，在环境风场对喷头113所喷施药液的风送作用下，仿真作物13所在的区域形成近冠层风雾场。
传感检测组件14包括高度检测传感器141、激光雷达142和三维风速仪144，高度检测传感器141用于检测喷杆112相对于仿真作物13的高度；激光雷达142用于检测仿真作物13的冠层稠密度；三维风速仪144用于检测环境风场的风速和风向。
三维移动组件15分别与激光雷达142和三维风速仪144连接，三维移动组件15用于调节激光雷达142和三维风速仪144在近冠层风雾场当中的位置。
传感检测组件14和控制模块16电性连接，控制模块16分别与喷雾装置11、风送组件12和三维移动组件15电性连接。
可理解的是，本实施例的喷雾装置11既可以设置在喷杆喷雾机的机身的前侧，也可以设置在固定平台上，只要确保喷杆112设置于仿真作物13的上侧，以便在仿真作物13的近冠层形成近冠层风雾场。
高度调节组件111既可以是平行四连杆机构，也可以是多自由度机械臂。
平行四连杆机构包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆和伸缩驱动件。第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆依次首尾铰接；第一连杆和第三连杆沿竖直方向呈平行设置，第二连杆和第四连杆平行设置。第一连杆设置在喷杆喷雾机的机身上，伸缩驱动件的一端和第一连杆铰接，另一端和第二连杆铰接；喷杆112与第四连杆上连接，伸缩驱动件与控制模块16电性连接，通过控制模块16改变伸缩驱动件的伸缩行程，进而改变第一连杆与第二连杆的夹角，从而实现喷杆112的高度调节，高度调节范围可以是0.4m至1.6m。
喷杆112上沿其延伸方向可以设置有多个安装座，在每个安装座设置有喷头113，通过调节任意相邻的两个安装座之间的间距，可以实现对喷头113的间距的调节。
进一步地，在安装座上可以设置舵机，舵机的输出端和喷头113与连接，舵机与控制模块16电性连接，控制模块16根据输入的指令发送控制信号，进而控制舵机旋转，从而实现喷头113的喷施角度的调节。
可选地，喷头113的输液管路上设置有液压传感器和流量调节阀，液压传感器与控制模块16电性连接，控制模块16可以获取经过喷头113的输液管路的压力数据，实现压力传感功能；流量调节阀与控制模块16电性连接，控制模块16通过控制流量调节阀的阀门开度，改变经过喷头113的输液管路的液体的流量与流速，从而实现喷雾压力的调整。
本实施例的风送组件12既可以是轴流风机组成的风机阵列，也可以是离心风机组成的风机阵列，风送组件12与控制模块16电性连接，控制模块16通过控制风送组件12的电压和电流，改变风机内电机的转动速度，从而实现风速调节；风送组件12设置在移动车上，通过改变移动车行进方向与喷杆喷雾机行进方向的夹角，实现风向调节。
本实施例的传感检测组件14包括高度检测传感器141、激光雷达142和三维风速仪144，高度检测传感器141设置在喷杆112上，激光雷达142和三维风速仪144设置在三维移动组件15上，传感检测组件14与控制模块16电性连接。
高度检测传感器141可以是超声波测距传感器或气压式高度传感器，在此不做具体限定。高度检测传感器141用于检测喷杆112相对于仿真作物13的冠层的高度。
激光雷达142可以是激光二维传感器，通过对近冠层风雾场空间进行网格划分，向地面发送激光信号然后收集返回的激光信号处理得到的点云数据，点云数据经过控制模块16计算处理，实现检测仿真作物13的冠层稠密度。
三维风速仪144可以是三维风速仪144，利用超声波在空气中传播速度受空气流动的影响来测量风速与风向，用于检测仿真作物13所在环境的风速与风向。
本实施例的三维移动组件15可以是三维移动平台或者机械臂，在此不做具体限定。激光雷达142和三维风速仪144设置在三维移动组件15上，可以驱动激光雷达142和三维风速仪144到达指定位置，实现仿真作物13的冠层稠密度与风场采集点的风速和风向检测。
本实施例的控制模块16可以是工控机、中央处理器(Central Processing Unit，CPU)或单片机当中的任意一种，控制模块16与喷雾装置11、风送组件12、传感检测组件14和三维移动组件15电性连接，实现喷杆112的高度调节、喷头113的喷雾量调节、环境风场的风速与风向调节和传感检测组件14的位置调节。
同时，控制模块16还用于接收传感检测组件14采集的信息，经过计算处理后，输出喷杆112的高度数据、喷头113的喷雾流量和压力数据、风速和风向数据、作物稠密度数据，控制模块16以此为基础建立近冠层风雾场模型，进行喷杆喷雾机喷雾的飘移风险评估。
本发明的整套试验装置，通过设置喷雾装置11、风送组件12、仿真作物13、传感检测组件14、三维移动组件15和控制模块16，可在喷雾装置11与风送组件12不同的工况条件下，进行喷杆喷雾机的药液喷施作业，三维移动组件15驱动激光雷达142和三维风速仪144到达指定位置进行仿真作物13的稠密度、环境风场的风速和风向调节检测。
由上可知，本发明的提供的喷杆喷雾机近冠层风雾场试验装置，通过改变环境风场、喷施参数和作业信息，以此为基础研究喷杆喷雾机喷雾的飘移风险进行有效评估的问题，进而建立近冠层风雾场模型。
在一些实施例中，本实施例的近冠层风雾场形成包围仿真作物13的矩形空间。
近冠层风雾场的高度方向沿竖直方向，近冠层风雾场的宽度方向沿喷杆112的延伸方向，近冠层风雾场的长度方向沿喷杆喷雾机的机身的长度方向。
可理解的是，近冠层风雾场的高度可以是喷杆112到地面的高度，长度可以是喷杆喷雾机的机身长度，宽度可以是喷杆112的直接喷雾区的长度。
风送组件12可以设置在以近冠层风雾场形成的矩形空间的中心点为圆心的圆周上，三维移动组件15可以设置在近冠层风雾场形成的矩形空间内部。
控制模块16在收到控制指令后，启动风送组件12，控制喷头113进行药液喷施，药液在风送作用下，形成包围仿真作物13的近冠层风雾场。
本实施例通过设置风雾场矩形空间，可以有效利用三维移动组件15的移动范围，并以此为基础实现风雾场矩形空间内数据的测量。
在一些实施例中，如图1所示，本实施例的风送组件12包括移动车121和多个轴流风机122。
移动车121的行进方向相对于喷杆喷雾机的行进方向的角度可调节，轴流风机122可在控制模块16的控制下进行风量调节；
多个轴流风机122设于移动车121上，多个轴流风机122在竖直面上呈阵列排布。
可理解的是，移动车121包括全向轮、第一平板和第二平板，四个全向轮对称设置在第一平板的两侧，呈“H”形，第二平板相对第一平板垂直并设置在第一平板上，多个轴流风机122设置在第二平板上，多个轴流风机122在第二平板的水平和竖直方向上阵列排布，移动车121与控制模块16电性连接，控制模块16通过控制全向轮的行进方向，调节移动车121的行进方向相对于喷杆喷雾机的行进方向的角度，实现环境风场的风向调节。
轴流风机122的过流面积可以是0.5m2，相邻轴流风机122的最小距离不大于0.1m，轴流风机122与控制模块16电性连接，控制模块16通过控制轴流风机122的电流和电压，实现环境风场的风速调节，风速调节范围可以是4000至10000m3/s。
本实施例通过设置移动车121和多个轴流风机122，通过控制模块16，能够实现环境风场风速与风向的调节。
在一些实施例中，如图1所示，本实施例的三维移动组件15包括升降机构、第一移动机构和第二移动机构。
第一移动机构设于升降机构上，第二移动机构设于第一移动机构上；激光雷达142和三维风速仪144设于第二移动机构上；
第一移动机构用于驱动第二移动机构沿喷杆喷雾机的机身的长度方向移动，第二移动机构用于驱动激光雷达142和三维风速仪144沿喷杆的延伸方向移动。
可以理解的是，三维移动组件15的结构形式可以是三轴位移平台，三维移动组件15的长度由第一移动机构的行程范围决定，长度应大于喷杆喷雾机机身的长度，可以超出喷杆喷雾机的机身前后部各0.5m，三维移动组件15的宽度由第二移动机构的行程范围决定，宽度应大于喷杆喷雾机的车轮至喷杆112的末端的距离，可以超出喷杆112的末端0.5m，三维移动组件15的高度由升降机构的行程范围决定，高度可以是1.5m。
升降机构可以是滚珠丝杠机构，第一移动机构设置在升降机构上，第二移动机构设置在第一移动机构上，升降机构与控制模块16电性连接，控制模块16通过控制升降机构的位移，实现第一移动机构和第二移动机构在竖直方向上的移动。
第一移动机构可以是同步带传动机构，第一移动机构的移动方向与喷杆喷雾机的机身的长度方向一致，第一移动机构与控制模块16电性连接，控制模块16通过控制第一移动机构的位移，实现第二移动机构沿着喷杆喷雾机的机身的长度方向移动。
第二移动机构可以是同步带传动机构上，第二移动机构上设置有第一移动杆151、第二移动杆152、三维风速仪144设置在第一移动杆151上，激光雷达142设置在第二移动杆152上，第二移动机构的移动方向与喷杆112的延伸方向一致，控制模块16与第二移动机构电性连接，控制模块16通过控制第二移动机构的位移，实现激光雷达142和三维风速仪144沿喷杆112的延伸方向移动。
本实施例通过设置升降机构、第一移动机构和第二移动机构，使得激光雷达142和三维风速仪144可以近冠层风雾场包围仿真作物13的矩形空间内的移动，实现指定位置的冠层稠密度、风速与风向测量。
在一些实施例中，本实施例的传感检测组件14还包括飘移测定仪143。
三维移动组件15和飘移测定仪143连接，三维移动组件15用于调节飘移测定仪143在近冠层风雾场当中的位置。
其中，飘移测定仪143用于检测飘移测定仪143所在位置的药液沉积量。
可理解的是，三维移动组件15包括升降机构、第一移动机构和第二移动机构，三维移动组件15的实现移动的原理在此不再赘述，飘移测定仪143设置在第二移动机构上，实现调节飘移测定仪143在近冠层风雾场当中的位置。
飘移测定仪143可以是一种基于变介电常数电容器原理的雾滴沉积传感器，通过传感器采集板探头的特性阻抗变化来表现雾滴沉积量的变化。
本实施例通过设置飘移测定仪143，并与三维移动组件15连接来实现飘移测定仪143移动与指定位置的药液沉积量测量。
在一些实施例中，如图1所示，本实施例的仿真作物13包括多个单体植株，单体植株在单位体积内的株数用于表征仿真作物的冠层稠密度。
单体植株包括多种植株类型，每种植株类型包括幼苗期植株、成长期植株和成熟期植株。
可理解的是，仿真作物13可以是小麦、水稻和玉米中的任意一种或多种，在此不做具体限定。仿真作物13当中的单体植株呈阵列排布，形成矩形区域，矩形区域的长度方向与喷杆喷雾机的机身长度方向一致，长度不超过喷杆喷雾机的机身长度，矩形区域的宽度方向与喷杆112的延伸方向保持一致，宽度不超过喷杆112的长度。通过人工方式，调整仿真作物13当中的单体植株之间的距离，实现调整仿真作物13的冠层稠密度，也可以通过人工方式改变仿真作物13的类型。
本实施例通过设置仿真作物13，通过人工方式，实现仿真作物13的冠层稠密度和类型调整。
在一些实施例中，如图2所示，本实施例还提供了一种喷杆喷雾机近冠层风雾场试验装置的近冠层风雾场的建模方法，包括：
步骤210，根据试验模拟需求，对风送组件所形成的环境风场的风速和风向、喷杆的高度、作物的类型和稠密度进行调节。
步骤220，根据各个喷头分布的位置信息，在矩形立体空间中进行多个风场采集点的设置，获取各个风场采集点的风力信息。
步骤230，根据各个风场采集点的位置信息和风力信息，获取喷头喷雾在矩形立体空间范围内的风场分布模型。
步骤240，将风场分布模型和各个喷头的离散相模型相融合，建立喷杆喷雾机的近冠层风雾场模型。
其中，矩形立体空间的高度方向沿竖直方向，宽度方向沿喷杆的延伸方向，长度方向沿喷杆喷雾机的机身的长度方向。
可理解的是，首先，本实例通过控制模块16调节矩形立体空间内的风速和风向、喷杆112的高度，具体实施方法不再赘述，通过人工方式调节仿真作物13的类型和稠密度。
接着，根据喷杆112所在水平面作为长方体环境风场的顶面，长方体环境风场的高度方向沿竖直方向，宽度方向沿喷杆112的延伸方向，长度方向沿喷杆喷雾机的机身的长度方向，长方体环境风场长度不小于喷杆喷雾机的机身长度，宽度不大于喷杆112的长度，高度不大于喷杆112的高度。
根据各个喷头113所在的各个竖直平面，且各个竖直平面与喷杆112延伸方向垂直，作为长方体环境风场的若干截面，将环境风场划分为多个长方体风场区域。
如图3所示，多个长方体风场区域中每个长方体风场区域的沿边，以多个喷头113作为起始点，在长度方向、高度方向间隔一定距离设置风场采集点，控制模块16根据风场采集点位置信息，控制三维移动组件15驱动三维风速仪144到达各个风场采集点，从而获取各个风场采集点的风力信息。
然后，根据各个风场采集点的位置信息和风力信息，获取喷头喷雾在矩形立体空间范围内的风场分布模型。
最后，根据喷头113的结构特征，利用三维设计软件得到喷头113的仿真模型；离散相模型是基于拉格朗日参考系下粒子、液滴与气泡的轨迹计算模型，在仿真软件里设置好喷头113与喷杆112的相对位置关系、有限元网格划分与边界设置，进而得到喷头的液膜破碎离散相模型。将风场分布模型和各个喷头的离散相模型通过加权平均方法、简单投票方法或排序融合方法相融合，最终得到喷杆喷雾机的近冠层风雾场模型。
本实施例通过调整风速、风向、喷杆的高度、作物的类型和稠密度获得大量的试验数据，以保证近冠层风雾场模型的精准性，根据喷头位置划分矩形立体空间设置风场采集点，从而得到大量的风场数据，进而建立喷头喷雾在矩形立体空间范围内的风场分布模型，将风场分布模型与各个喷头离散相模型相融合，得到近冠层风雾场模型，进而实现预测喷头在当前环境下喷雾存在的飘移风险。
进一步地，在一些实施例中，结合图3和图4，根据各个喷头113分布的位置信息，在矩形立体空间中进行多个风场采集点的设置，获取各个风场采集点的风力信息，包括：
根据各个喷头113分布的位置信息，将环境风场划分为多个长方体风场区域；
沿各个长方体风场区域的各个沿边，进行多个风场采集点的设置；
沿长方体风场区域的长度方向依次取多个截面，获取各个截面内不同高度区域的三维风速相对于垂直高度的三维风速方程。
可以理解的是，首先，环境风场的截面是喷头113所在的各个竖直平面，且各个竖直平面与喷杆112延伸方向垂直，多个长方体风场区域由环境风场的截面划分得来。
然后，沿着长方体风场区域的各个沿边，例如长边、宽边和高边，以喷头113作为各个沿边的起始点，沿着沿边延伸方向间隔一定距离，设置风场采集点。
最后，取多个长方体风场区域中的一个，可以是第一长方体风场区域A1，沿着第一长方体风场区域A1长度方向间隔一定距离设置多个截面，多个截面包括第一截面S1，第二截面S2，第三截面S3，第四截面S4，第五截面S5和第六截面S6，多个截面之间相互平行，且与第一长方体风场区域A1长边方向垂直。
在第一截面S1，第二截面S2，第三截面S3，第四截面S4，第五截面S5和第六截面S6内，每个截面在高度方向上存在第一风场采集点和第二风场采集点，测量得到的第一风场采集点数据和第二风场数据，每个风场采集点数据包含风向、风速和坐标位置信息，第一风场采集点数据和第二风场采集点数据在x方向、y方向和z方向的风速经过算数平均后，得到第一风场采集点和第二风场采集点平均高度处在x方向、y方向和z方向的风速，如公式(1)所示：
式中，
表示在高度为k的位置，该位置风速在x方向的分量；/>
表示在高度为k的位置，该位置风速在y方向的分量；/>
表示在高度为k的位置，该位置风速在z方向的分量。
对第一截面S1，第二截面S2，第三截面S3，第四截面S4，第五截面S5和第六截面S6内的风速与高度数据采用多项式方法进行回归拟合分析，采用最优拟合方法，得到所有截面的三维风速关于高度的最优方程，如公式(2)所示：
式中，
表示Sn截面的三维风速在x方向的分量；/>
表示Sn截面的三维风速在y方向的分量；/>
表示Sn截面的三维风速在z方向的分量。
本实施例通过喷头分布将环境风场划分成多个长方体风场区域，然后沿各个长方体风场区域各个沿边设置风场采集点，实现了环境风场数据采集，通过划分长方体风场区域截面，根据采集的环境风场数据，利用算数平均方法得到两风场采集点中间位置的风场数据，增加了风场数据，可以最大限度地优化三维风速方程，让三维风速方程的计算结果贴近实际数据。
进一步地，在一些实施例中，结合图3和图4，根据各个风场采集点的位置信息和风力信息，获取喷头喷雾在矩形立体空间范围内的风场分布模型，包括：
选取靠近喷杆112的截面作为仿真风场的入口依据，根据风场采集点的位置信息，将同一长方体风场区域内的各个截面所对应的三维风速方程拟合，获取同一长方体风场区域的风场分布模型；
将各个长方体风场区域对应的风场分布模型进行组合，采用湍流模型进行优化，获取喷头喷雾在矩形立体空间范围内的风场分布模型
可理解的是，首先，第一长方体风场区域A1被第一截面S1，第二截面S2，第三截面S3，第四截面S4，第五截面S5和第六截面S6划分，具体实施方法不再赘述，选取靠近喷杆112的第一截面S1作为第一长方体风场区域A1仿真风场的入口依据，根据第一长方体风场区域A1内的风场采集点的位置信息，将第一长方体风场区域A1内所有截面对应的三维风速关于高度的最优方程输入控制模块16，控制模块16通过笛卡尔坐标转换，重复步骤230，得到不同长方体风场区域的风场分布模型。
最后，再通过例如简单加权法，组合所有不同长方体风场区域对应的风场分布模型，再采用湍流模型进行优化，得到喷头喷雾在环境风场范围内的风场分布模型，实现了长方体风场区域内任意位置的风场数据预测。
在一些实施例中，近冠层风雾场的建模方法，还包括：
基于喷杆喷雾机设定的喷施参数，在无风环境下获取仿真作物在不同高度位置的雾滴沉积分布信息；
根据雾滴沉积分布信息，建立仿真作物在不同高度位置的雾滴沉积模型；
根据雾滴沉积模型，确定矩形立体空间的两个截面之间的雾滴飘移量，根据所述雾滴飘移量对所述近冠层风雾场模型进行验证；
其中，所述喷施参数包括喷杆112的高度、喷雾压力、喷头113的工作间距和喷头113的喷雾角度。
可以理解的是，首先，通过控制模块16设置喷杆喷雾机的喷施参数，在无风环境下进行药液喷施试验，利用人工测量仿真作物13顶部、中上部、中部、中下部和底部的高度数据，将高度数据输入控制模块16，控制模块16输出相应的坐标数据，控制三维移动组件15上的飘移测定仪143到达仿真作物13不同高度位置，飘移测定仪143测量得到仿真作物13不同高度位置在无风环境下的雾滴沉积分布信息。
然后，调整喷施参数，重复试验并测量得到仿真作物13在不同喷施参数条件下的雾滴沉积分布信息，利用响应面分析方法(Response Surface Methodology，RSM)进行回归分析，得到不同位置的雾滴沉积量关于喷施参数的数学关系，即雾滴沉积模型，如公式(3)所示：
式中，H表示喷杆112高度；P表示喷雾压力；D表示喷头113的工作间距；Angle表示喷头113的喷雾角度；QTop表示仿真作物13顶部的雾滴沉积量；QUpper表示仿真作物13中上部的雾滴沉积量；QMiddle表示仿真作物13中部的雾滴沉积量；QLower表示仿真作物13中下部的雾滴沉积量；QGround表示仿真作物13底部的雾滴沉积量。
最后，通过控制模块16设置喷杆喷雾机的喷施参数并启动风送组件12，风速不超过3级风(3.4～5.4m/s)，进行步骤220和步骤230，得到有风环境时风场分布模型，通过控制模块16控制三维移动组件15，三维移动组件15驱动飘移测定仪143到达仿真作物13不同高度位置，飘移测定仪143测量得到仿真作物13不同高度位置在有风环境下的雾滴沉积分布信息。
对比仿真作物13在有风环境下的雾滴沉积分布与无风环境下的雾滴沉积分布，无风环境下的雾滴沉积分布与有风环境下的雾滴沉积分布之间的差值即是环境风场内任一截面的飘移量，如公式(4)所示：
Drift(i,j,k)＝Q('i,j,k)-Q(i,j,k)(4)
式中，Drift(i,j,k)表示任一截面的飘移量，Q'(i,j,k)表示无风环境下的任一截面的雾滴沉积量；Q(i,j,k)表示有风环境下的任一截面的雾滴沉积量。
本实施例通过建立无风环境下与有风环境下仿真作物的雾滴沉降模型，利用两者在矩形立体空间同一截面雾滴沉积量的差值，即雾滴飘移量，对近冠层风雾场模型进行验证，从而达到验证农药飘移风险的目的。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解、其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种喷杆喷雾机近冠层风雾场试验装置，其特征在于，包括：喷雾装置、风送组件、仿真作物、传感检测组件、三维移动组件和控制模块；
所述喷雾装置包括高度调节组件、喷杆和喷头；所述高度调节组件与所述喷杆连接；所述喷杆设于所述仿真作物的上侧；所述喷头设有多个，多个所述喷头沿所述喷杆的延伸方向排列；
所述风送组件用于提供风速和风向可调节的环境风场，在所述环境风场对所述喷头所喷施药液的风送作用下，所述仿真作物所在的区域形成近冠层风雾场；
所述传感检测组件包括高度检测传感器、激光雷达和三维风速仪，所述高度检测传感器用于检测所述喷杆相对于所述仿真作物的高度；所述激光雷达用于检测所述仿真作物的冠层稠密度；所述三维风速仪用于检测所述环境风场的风速和风向；
所述三维移动组件分别与所述激光雷达和所述三维风速仪连接，所述三维移动组件用于调节所述激光雷达和所述三维风速仪在所述近冠层风雾场当中的位置；
所述传感检测组件和所述控制模块电性连接，所述控制模块分别与所述喷雾装置、所述风送组件和所述三维移动组件电性连接。
2.根据权利要求1所述的喷杆喷雾机近冠层风雾场试验装置，其特征在于，所述近冠层风雾场形成包围所述仿真作物的矩形空间；
其中，所述近冠层风雾场的高度方向沿竖直方向，所述近冠层风雾场的宽度方向沿所述喷杆的延伸方向，所述近冠层风雾场的长度方向沿喷杆喷雾机的机身的长度方向。
3.根据权利要求1所述的喷杆喷雾机近冠层风雾场试验装置，其特征在于，所述风送组件包括移动车和多个轴流风机；
所述移动车的行进方向相对于喷杆喷雾机的行进方向的角度可调节，所述轴流风机可在所述控制模块的控制下进行风量调节；
多个所述轴流风机设于所述移动车上，多个所述轴流风机在竖直面上呈阵列排布。
4.根据权利要求1所述的喷杆喷雾机近冠层风雾场试验装置，其特征在于，所述三维移动组件包括升降机构、第一移动机构和第二移动机构；
所述第一移动机构设于所述升降机构上，所述第二移动机构设于所述第一移动机构上；所述激光雷达和所述三维风速仪设于所述第二移动机构上；
其中，所述第一移动机构用于驱动所述第二移动机构沿喷杆喷雾机的机身的长度方向移动，所述第二移动机构用于驱动所述激光雷达和所述三维风速仪沿所述喷杆的延伸方向移动。
5.根据权利要求1至4任一项所述的喷杆喷雾机近冠层风雾场试验装置，其特征在于，所述传感检测组件还包括飘移测定仪；
所述三维移动组件和所述飘移测定仪连接，所述三维移动组件用于调节所述飘移测定仪在所述近冠层风雾场当中的位置；
其中，所述飘移测定仪用于检测所述飘移测定仪所在位置的药液沉积量。
6.根据权利要求1至4任一项所述的喷杆喷雾机近冠层风雾场试验装置，其特征在于，所述仿真作物包括多个单体植株，所述单体植株在单位体积内的株数用于表征所述仿真作物的冠层稠密度；
其中，所述单体植株包括多种植株类型，每种所述植株类型包括幼苗期植株、成长期植株和成熟期植株。
7.一种基于权利要求1至6任一项所述的喷杆喷雾机近冠层风雾场试验装置的近冠层风雾场的建模方法，其特征在于，包括：
根据试验模拟需求，对风送组件所形成的环境风场的风速和风向、喷杆的高度、作物的类型和稠密度进行调节；
根据各个喷头分布的位置信息，在矩形立体空间中进行多个风场采集点的设置，获取各个风场采集点的风力信息；
根据各个风场采集点的位置信息和风力信息，获取喷头喷雾在矩形立体空间范围内的风场分布模型；
将风场分布模型和各个喷头的离散相模型相融合，建立喷杆喷雾机的近冠层风雾场模型；
其中，所述矩形立体空间的高度方向沿竖直方向，宽度方向沿喷杆的延伸方向，长度方向沿喷杆喷雾机的机身的长度方向。
8.根据权利要求7所述的近冠层风雾场的建模方法，其特征在于，所述根据各个喷头分布的位置信息，在矩形立体空间中进行多个风场采集点的设置，获取各个风场采集点的风力信息，进一步包括：
根据各个喷头分布的位置信息，将环境风场划分为多个长方体风场区域；
沿各个长方体风场区域的各个沿边，进行多个风场采集点的设置；
沿长方体风场区域的长度方向依次取多个截面，获取各个截面内不同高度区域的三维风速相对于垂直高度的三维风速方程。
9.根据权利要求8所述的近冠层风雾场的建模方法，其特征在于，所述根据各个风场采集点的位置信息和风力信息，获取喷头喷雾在矩形立体空间范围内的风场分布模型，进一步包括：
选取靠近喷杆的截面作为仿真风场的入口依据，根据风场采集点的位置信息，将同一长方体风场区域内的各个截面所对应的三维风速方程拟合，获取同一长方体风场区域的风场分布模型；
将各个长方体风场区域对应的风场分布模型进行组合，采用湍流模型进行优化，获取喷头喷雾在矩形立体空间范围内的风场分布模型。
10.根据权利要求8或9任一项所述的近冠层风雾场的建模方法，其特征在于，还包括：
基于喷杆喷雾机设定的喷施参数，在无风环境下获取仿真作物在不同高度位置的雾滴沉积分布信息；
根据雾滴沉积分布信息，建立仿真作物在不同高度位置的雾滴沉积模型；
根据雾滴沉积模型，确定矩形立体空间的两个截面之间的雾滴飘移量，根据所述雾滴飘移量对所述近冠层风雾场模型进行验证；
其中，所述喷施参数包括喷杆的高度、喷雾压力、喷头的工作间距和喷头的喷雾角度。
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