化学防治是植保作业中防治病虫害的主要方法,传统喷药机的连续喷雾作业方式将造成大量农药浪费以及农药残留,同时对环境造成严重污染。果园精准施药技术能够大幅度提高农药利用率,是解决这一矛盾的重要途径。为达到化学农药减施增效的目的,本文对果园精准施药的关键技术进行研究,实现了基于二维激光雷达的果园对靶变量喷药作业,对提高果园施药技术水平具有重要意义。主要研究内容与结论如下:1.提出了果树冠层网格划分方法以及网格化体积模型,并分析了二维激光雷达的探测角度误差对网格体积计算精度的影响。基于二维激光雷达探测技术提出了果树冠层在线探测方法,并分别进行了规则物体及果树冠层的网格体积在线探测试验。规则物体探测试验结果显示长方体、三棱柱及圆柱体等三种规则物体网格体积最大探测误差分别为3.3%,7.9%和9.4%。在不同探测速度下各规则物体总体积最大相对误差为5%,具有较高的探测精度。对发芽期以及茂盛期两种不同树冠密度的海棠树探测试验结果显示:根据网格体积的三维重建模型均能够较好地反映出树冠外形特征;检测高度及检测距离在一定范围内变化时,总体积检测结果均能保持较好的一致性,两种海棠树的总体积最大变异系数分别为0.058与0.017。试验结果表明该探测方法能够适用于不同树行间距的果树探测。在探测速度分别为1.5、3.0以及4.5km/h时,针叶型仿真树以及苹果幼树冠层的总体积计算结果能够保持一致,但随着网格宽度的增大,总体积的标准差逐渐增大。该结果表明所提出的探测方法不受探测速度的影响,果树冠层的探测精度及稳定性随着二维激光雷达扫描间距的增大而有所降低。在不同探测速度及网格宽度条件下,针叶型仿真树以及苹果幼树两种树形的总体积最大变异系数分别为0.078及0.041,表明该探测方法具有较高的探测精度,能够稳定地获取树冠网格体积,为变量喷药模型提供可靠的理论依据。2.提出了变量喷药模型以及基于PWM控制的施药数据计算方法。基于增量式PID控制设计了恒压喷雾系统,分别在恒压喷雾系统以及喷药机喷雾系统中进行了基于PWM控制的喷头流量标定试验。结果表明在不同的系统压力下,在10%～60%的PWM占空比范围内所使用的喷药机喷头流量与占空比呈现出较好的线性关系;在60%～90%范围内,虽然电磁阀能够频繁开闭,但喷头流量保持不变,失去了流量调节功能。同时,在喷药机喷雾系统中,随着喷头安装高度以及管路长度的增加,喷头流量的调节范围逐渐变小。按照喷头流量变化规律分组建立了喷头流量模型以保证施药量的准确性,为喷头流量控制提供依据。通过分析液体管路沿程压力损失,提出了变量喷药机中电磁阀安装方式的优化方案,即应当尽量缩短喷头与电磁阀之间的管路长度,减少沿程压力损失,获得最优的喷头流量调节范围。3.设计了基于二维激光雷达的果园对靶变量喷药控制系统以及喷药机样机。为了消除行驶速度对于对靶喷药控制精度的影响,提出了对靶喷药控制方法。对靶喷药控制精度试验结果显示:对靶喷药距离误差随网格宽度的增大而变大;当二维激光雷达的扫描间距确定后,在行驶速度分别为1.0、1.5以及2.0m/s时,喷药机的对靶喷药位置误差范围分别保持一致。结果表明在正常的作业速度范围内,对靶喷药控制精度不受行驶速度的影响。在二维激光雷达的扫描间距为210mm的探测方式下,通过增加延时喷药距离补偿的方式有效地将对靶喷药误差范围减小到-35mm至35mm之间,表明该对靶喷药控制方法具有较高的控制精度。4.通过在不同扫描间距条件下的喷药试验研究网格宽度对雾滴沉积特性的影响。试验结果显示,变量喷药机能够根据冠层网格体积实现变量喷药,但随着网格宽度增大,雾滴覆盖率的均匀性不断下降。实际作业中需要根据作业速度对网格宽度进行合理的设定,即在保证控制系统稳定运行的基础上,通过减小网格宽度来提高雾滴覆盖率均匀性。同时,通过在不同速度下的喷药试验研究喷药机作业速度对雾滴沉积特性的影响。试验结果显示,当网格宽度为0.21m时,对于果树宽度为1.3m的果树,变量喷药机能够结合树冠网格体积及作业速度进行变量喷药,较好地保证总体施药量的均匀性;对于果树宽度为2.4m的果树,变量喷药机对果树的总体施药量随着作业速度的增大而降低。与常规风送喷药机相比,在不同作业方式下,变量喷药机对果树各位置处以及树间无树冠位置处产生的雾滴覆盖率均明显低于常规喷药机,表明该变量喷药机在满足果园病虫害防治要求的基础上能够有效地减少过量喷药,提高农药利用率。