多態(tài)自動對靶風(fēng)送式噴霧試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

劉理民 張曉輝 石光智

摘要：針對果園噴霧存在的藥液沉積量低、農(nóng)藥浪費(fèi)及環(huán)境污染等問題，擬設(shè)計(jì)1種集傳感器探測技術(shù)、電子信息技術(shù)和風(fēng)送式噴霧技術(shù)于一體的多態(tài)自動對靶噴霧試驗(yàn)臺。該試驗(yàn)臺主要由機(jī)架、風(fēng)送系統(tǒng)、探測及其控制決策系統(tǒng)、藥液管路系統(tǒng)和組合噴頭噴灑執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。對關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真，以獲得最佳設(shè)計(jì)方案;設(shè)計(jì)控制多組合噴頭的控制決策算法，實(shí)現(xiàn)多態(tài)自動對靶噴霧;進(jìn)行噴霧性能的對比試驗(yàn)。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的多態(tài)自動對靶噴霧試驗(yàn)臺，可以實(shí)現(xiàn)對不同冠層寬度靶標(biāo)的多狀態(tài)噴霧，作業(yè)效果良好，霧滴沉積量比普通風(fēng)送式噴霧提高了34.07%，變異系數(shù)降低了25.60%;多態(tài)自動對靶風(fēng)送噴霧相較于普通風(fēng)送式噴霧的綜合省藥率大于20%，從而提高了農(nóng)藥的利用率，降低了農(nóng)藥殘留量。

關(guān)鍵詞：組合噴頭;果園;多態(tài)噴霧;多態(tài)對靶決策

中圖分類號： S491 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）13-0260-04

目前，果園植保作業(yè)仍以化學(xué)防治為主，該方法防治簡便，效果明顯，經(jīng)濟(jì)可靠，在果園水果保收、增收方面有著不可替代的地位[1]。但是，人工噴施及常規(guī)的機(jī)械噴霧有著較大缺陷：只有小部分藥量能夠沉積到果樹冠層上，大部分農(nóng)藥沉積到地面，飄逸到周圍環(huán)境中，造成土壤、水體污染;農(nóng)藥殘留嚴(yán)重，影響果品品質(zhì)[2-5]。20世紀(jì)80年代，我國引入風(fēng)送式噴霧技術(shù)，利用風(fēng)機(jī)風(fēng)力提高了藥液的穿透能力、沉積量及果園病蟲害防治效果[1-2]，但是不足之處是只能按照設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行連續(xù)噴霧，不能根據(jù)果樹冠層的實(shí)際參數(shù)調(diào)節(jié)噴量[4-8]。在幼小及稀疏果園中，連續(xù)噴霧會造成果樹間隙無效噴霧、大量藥液沉積到地面、浪費(fèi)農(nóng)藥及環(huán)境污染等問題[7-10]。

本研究結(jié)合傳感器、電子控制等現(xiàn)代新技術(shù)與傳統(tǒng)的風(fēng)送式噴霧技術(shù)，擬設(shè)計(jì)1種多噴頭組合的多態(tài)自動對靶風(fēng)送式噴霧試驗(yàn)臺，簡述其工作原理，提出并設(shè)計(jì)控制多組合噴頭的控制部件;進(jìn)行多噴頭組合的噴量、霧滴沉積量及多態(tài)自動對靶噴霧等試驗(yàn)。采用決策算法，對其中關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真，以獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)部件;進(jìn)行多噴頭組合的噴量、霧滴沉積量及多態(tài)自動對靶噴霧等試驗(yàn)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

多態(tài)自動對靶噴霧試驗(yàn)臺由機(jī)架、風(fēng)送系統(tǒng)、探測控制系統(tǒng)、藥液管路系統(tǒng)和多態(tài)組合噴頭等組成（圖1）。多態(tài)自動對靶噴霧試驗(yàn)臺的系統(tǒng)示意見圖2。

主要技術(shù)參數(shù)如下：整機(jī)尺寸為1 900 mm×980 mm×1 150 mm;配套動力為5～10 kW;藥箱容積 ≥200 L;藥泵流量為0～6 L/min;風(fēng)機(jī)風(fēng)量≥2 000 m3/h;工作幅寬≤6 m;噴藥作業(yè)速度為1.5～3.6 km/h;農(nóng)藥有效利用率≥30%。

1.2 試驗(yàn)臺的工作原理

機(jī)具作業(yè)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際果園的果樹行間距，設(shè)定果樹行距及傳感器的探測距離閾值，防止出現(xiàn)隔行噴霧。機(jī)具在果園行駛時(shí)（機(jī)具應(yīng)行駛在果樹行中間），超聲波傳感器不斷掃描檢測左右兩側(cè)的果樹冠層邊界，將果樹冠層邊界與傳感器的距離、速度編碼器探測機(jī)具行駛的實(shí)時(shí)速度、管路壓力傳感器探測的壓力值等實(shí)時(shí)傳輸給微處理器核心數(shù)據(jù)處理單元，制定噴霧決策，從而進(jìn)行多態(tài)噴霧判斷。

在系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間內(nèi)，若傳感器在設(shè)定閾值內(nèi)沒有檢測到植株冠層，則不噴霧;若檢測到植株冠層，則進(jìn)行多態(tài)噴霧判斷，并控制相應(yīng)電磁閥動作，實(shí)現(xiàn)多態(tài)噴霧。

2 風(fēng)送系統(tǒng)及多態(tài)噴頭的設(shè)計(jì)

2.1 風(fēng)送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1.1 風(fēng)量的計(jì)算 多態(tài)自動對靶噴霧風(fēng)送系統(tǒng)采用置換原則和末速度原則來計(jì)算噴霧風(fēng)量。為了擾動枝葉以提高藥液的穿透性，設(shè)計(jì)的噴霧機(jī)風(fēng)量應(yīng)大于置換空間的空氣量，如下式所示：

式中：Q為風(fēng)機(jī)風(fēng)量，m3;V為噴霧機(jī)速度，0.3～0.7 m/s;h為風(fēng)機(jī)出風(fēng)口直徑，取700 mm;H為果樹高低樹冠之間的距離，取1 500～2 000 mm;L為噴頭至果樹的距離，取400～600 mm;K為氣流衰減和沿途損失確定的系數(shù)，一般為1.1～1.2。

2.1.2 分配器的設(shè)計(jì) 氣流分配器（圖3）可以將離心風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流均勻地分配給左右兩側(cè)多個(gè)扇形出風(fēng)口，可以對多噴頭組合所噴出的藥液進(jìn)行二次霧化并脅迫吹向植株。對設(shè)計(jì)的半圓柱式氣流分配器的6個(gè)圓柱形出風(fēng)口進(jìn)行流體（fluent）仿真，如圖4所示，半圓柱式分配器腔內(nèi)外壓差穩(wěn)定，可以提供穩(wěn)定的氣流，而在穩(wěn)定氣流脅迫霧滴運(yùn)動至目標(biāo)冠層的過程中，保持霧滴均勻分布，使霧滴在植株冠層沉積均勻。

2.2 藥液管路系統(tǒng)及多態(tài)噴頭的設(shè)計(jì)

多噴頭組合采用上下豎直的3個(gè)噴頭，應(yīng)使3個(gè)組合的噴頭實(shí)現(xiàn)全噴、2個(gè)噴頭噴霧（中間位置的噴頭不噴）、1個(gè)噴頭噴霧（中間位置的噴頭噴）、不噴4種噴霧狀態(tài)，故稱多態(tài)。依據(jù)上述4種噴霧狀態(tài)，確定3個(gè)豎直噴霧噴頭的噴霧角度α（3個(gè)扇形噴頭的規(guī)格相同）及安裝間距k，其中超聲波傳感器的兩兩間距H為45 cm，試驗(yàn)臺距離冠層輪廓邊緣的最近距離L為40 cm。

由上式求得：k≥15 cm，α≥58.72°。考慮到扇形噴頭系列，選擇扇形噴頭角度為80°，流量為0.8 L/min，k取15 cm，即3個(gè)多態(tài)組合噴頭的安裝間距為15 cm。

3 硬件設(shè)計(jì)及控制決策

3.1 硬件設(shè)計(jì)

本研究中的距離探測傳感器選用抗干擾能力強(qiáng)、耐污性強(qiáng)、不易受外界環(huán)境影響的NU112F30TR-1MD型超聲波傳感器，其發(fā)射頻率為112 kHz，發(fā)射角度為15°，工作盲區(qū)為 20 cm，工作電壓為12～24 V（直流電），輸出模擬電壓信號為0～5 V（直流電）。

本研究選擇的增量式正交旋轉(zhuǎn)編碼器型號為E6B2-CWZ6C，分辨率為2 000P/R（指每圈輸出2 000個(gè)脈沖），電源電壓（DC，直流）為5～24 V（集電極開路輸出型），輸出增量式位置信息，可與STM32F10x系列MCU直接連接。在短時(shí)間內(nèi)，用旋轉(zhuǎn)編碼器計(jì)算車體的實(shí)際速度，如式（5）所示：