丘陵茶園自動噴藥裝置設計與試驗

鄧興旭，葉芙蓉，張 濤，唐興隆，龐有倫，林 通，陳 宇，羅書強

(1.西南大學工程技術學院，重慶 400715；2.重慶市農業科學院農業機械研究所，重慶 401329)

我國西南地區是茶樹的原產地，但西南地區的地形以丘陵山區居多，獨特的地形限制了對茶園的自動化管理。茶樹的病蟲害防護在茶樹的日常管理中尤為重要。傳統的噴桿式噴藥裝置無法實現高效、精準、低污染的噴藥，導致了農藥的浪費和土地的污染。Giles、Osterman等[1-2]利用傳感器、機器視覺及改良算法等實現了噴霧器的精準對靶。Le?nik、Endalew等[3-4]通過構建CFD模型，通過風場分析改善風送裝置，提高了噴霧附著效果。但國外研究人員對精準對靶和風送裝置的研究主要在大中型拖拉機上開展，而大中型拖拉機無法進入丘陵山區進行作業。楊鵬[5]設計了一種外形小、操作方便且霧滴使用率高的果園遙控彌霧機。丁為民等[6]通過圖像處理技術提取樹冠圖像面積特征和輪廓特征來獲取樹冠的體積。曲峰[7]提出了一種基于奇異值分解的葉片病害圖像背景分割方法，獲得了完整的病害葉片區域。王利霞等[8]設計了一種具有手動控制、自動控制和試驗標定3種工作模式的變量噴霧控制系統。馬馳等[9]設計了一種多方位自動噴藥裝置，該裝置采用超聲波模塊檢測噴藥距離來增大藥液利用率。趙建柱等[10]基于雷達傳感技術設計了一種狼毒草對靶噴藥裝置。我國在噴藥領域的研究起步較晚，近幾年才逐漸增加，但所研究的復雜機械結構無法適用于丘陵山區。

針對丘陵山區茶園噴藥管理，本文研制出自適性自動噴藥裝置，該裝置機械結構緊湊、簡單且能進入丘陵山區作業。該裝置的控制系統主要由信息采集模塊和執行器模塊組成，通過軟件控制來適應丘陵山區茶園不同地形及茶樹形狀，完成自動化噴藥。

1 自動噴藥裝置結構與工作原理

1.1 自動噴藥裝置結構

根據設計要求，并結合我國丘陵山區茶園建設現狀，本文在茶園管理機移動平臺上搭建自動噴藥系統，由機械結構、噴藥回路系統和自動控制系統組成(圖1)。噴藥裝置的工作原理是由超聲波測距模塊采集數據，主控芯片對采集的數據進行處理，判斷噴頭是否在噴藥規定范圍內，若在規定范圍內，驅動電路打開電磁閥，若不在規定范圍內，驅動步進電機通過升降裝置調節噴桿與茶樹冠層距離在設定范圍內，再驅動電路打開電磁閥，完成自動噴藥。整機主要技術參數如表1所示。

1.支撐架；2. 藥液箱；3. 扶手架；4. 管道；5. 噴桿；6. 超聲波測距模塊；7. 絲杠滑軌；8. 滑塊；9. 噴頭；10. 步進電機；11. 發動機；12. 行走輪1. Support frame；2. Liquid medicine tank；3. Handrail；4. Pipeline；5. Spray bar；6. Ultrasonic ranging module；7. Screw rails；8. Slider；9. Spray nozzle；10. Stepper motor；11. Engine；12. Walking wheel

表1 整機主要技術參數

1.2 支架設計與噴頭布置

據測量，重慶市二圣茶葉有限公司標準化茶園行距茶樹集中度最多的高度為710 mm，茶園茶壟寬度為1 100～1 400 mm，最小通行間距300～400 mm。本文根據上述參數，制定合理的噴藥方案，以確保自動噴藥裝置滿足茶園環境適應性要求。西南山區茶園分布于云南中北部、西藏東南部、四川省、貴州省和重慶市等地，茶樹的主要病蟲害是茶小綠葉蟬、茶黑毒蛾及茶炭疽病等，這些茶園害蟲棲息比較隱蔽，其低齡幼蟲多在茶樹中下部的成熟老葉背面啃食葉片[11]，一般噴藥機械難以覆蓋，因此本文采用水平和45°兩種噴藥模式相結合進行噴射，使得藥劑可噴入成熟老葉背面，以防治病蟲的危害。具體噴藥模式如圖2所示。

圖2 噴桿噴藥模式Fig.2 Spray rod spraying mode

據測量值可知茶園茶壟寬度的平均值約為L=1 200 mm，因此本文噴桿長度設為1 100 mm。《NY/T 650～2013 噴霧機作業質量》[12]規定低容量噴霧機施液量應小于450 L·hm-2，故本文選用扇形噴頭VP110-02，該噴頭在車速2.78 m·s-1的情況下噴灑量設為96 L·hm-2，滿足低容量噴霧機要求。

噴頭安裝需滿足約束條件如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，k1為最小重疊系數；k2為最大重疊系數；x為兩噴頭之間的距離，m；L為茶壟寬度，m；f為噴頭安裝豎直面右側幅寬，m；f′為舍棄噴幅，m；f″為單噴頭噴幅，m；h為噴頭到冠層頂面距離，m；α為噴頭與水平面夾角，°；β為噴頭標定噴霧角，°；γ為舍棄的局部噴霧角，°。

茶樹低容量噴霧時，扇形噴頭VP110-02的k1為10%，k2為20%，γ為5°～10°。考慮低容量噴霧時霧滴均為細霧，為減少霧滴飄移，噴霧高度取0.3～0.5 m[13-14]，據測量值可知茶園茶壟寬度的平均值約為L=1.2 m。扇形噴頭VP110-02的標定噴霧角β為110°，45°角噴射模式中噴頭與水平面的傾角α為45°。將L=1.2 m，h=0.3 m，γ=5°，α=45°，β=110°帶入上述公式中得0.49 m≤x≤0.52 m，取x=0.5 m，即兩噴頭間距為0.5 m。兩噴頭之間的距離為0.5 m，單側噴桿上共3個噴頭，因此設計的噴桿總長為1.1 m。

為適應茶樹不同生長時期的高度，本文選用電機、絲杠滑軌與噴桿組成可移動噴桿，可在垂直方向上移動來適應不同高度的茶樹。可移動噴桿參數如表2所示。

表2 可移動噴桿各部件參數

1.3 發動機型號及主動輪參數確定

本文的茶園自動噴藥裝置是以茶園管理機為噴霧載體，茶園管理機對茶園可實現耕整、開溝、施肥、覆土、除草和噴藥等功能。在上述功能中耕整工作消耗的發動機功率最大，經計算所得茶園管理機進行耕整作業時所需功率為1.83 kW，所選發動機功率應大于最大消耗功率，才可滿足其他功能作業的功率消耗，因此本文選用重慶宗申巴貝銳拖拉機制造有限公司的NH130型發動機，具體參數如表3所示。

表3 NH130汽油機參數

1.4 噴藥回路系統性能參數

本文所選扇形噴頭VP110-02的最大流量為0.4 L·min-1且使用壓力不低于0.3 MPa，噴藥裝置共設有6個噴頭，因此電動泵的流量不小于2.4 L·min-1且需提供的壓力不低于0.3 MPa，電磁閥使用壓力不低于0.3 MPa。

查閱《農業機械設計手冊》[15]，得到估算藥箱有效容積公式：

(5)

式中，Q為常用噴量，L·min-1；v為機組平均作業速度，km·h-1；扇形噴頭VP110-02在v=8 km·h-1下的常用噴量Q=0.4 L·min-1；茶園每行茶樹壟的距離約為20 m，設定噴藥作業每周期內工作100個來回，則工作100個來回的總行程L=4 000 m，即藥箱的有效容積為Δ=43 L。

為滿足噴藥流量和壓力的要求，噴藥回路系統主要由24V蓄電池、DHE-7501直流電動泵、供藥管路、43 L藥箱、CJV23-C12A1電磁閥及扇形噴頭VP110-02組成。噴藥回路系統主要技術參數如表4所示。

表4 噴藥回路系統主要技術參數

1.5 管道流場分析

茶園自動噴藥裝置噴藥回路系統中管路連接如圖3所示。

圖3 管道連接示意圖Fig.3 Diagram of pipeline connection

本文設計的自動噴藥裝置采用VP110-02型號的扇形噴頭，扇形VP110-02噴頭的最大流量為0.4 L·min-1，裝置共有6個噴頭，在0.3 MPa工作壓力下雙側總流量Q=144 L·h-1，高壓管1的內徑d1=5 mm，計算可得高壓管1內流速v1為2.04 m·s-1。25℃下水的運動黏度為v=0.897×10-6m2·s-1，計算得到高壓管1內雷諾數Re1為11371>2300，其運動狀態為紊流。

高壓管2在0.3 MPa工作壓力下單側總流量Q=72 L·h-1，高壓管2的內徑d=8.5 mm，則高壓管2內流速v2為0.35 m·s-1，計算得到高壓管2內雷諾數Re2為3316>2300，其運動狀態也為紊流。

在紊流狀態下，系統水流機械能損失主要為流體流動阻力能量損失和局部水流損失，紊流時的摩擦系數沿程摩擦系數λ采用Blasius.H.公式得出[10]。計算得出高壓管1的沿程摩擦系數λ1為0.03，已知高壓管1的長度l1=600 mm，內徑d1=5 mm，其沿程流體流動阻力hf1為0.76 m，則高壓管1的沿程壓強損失為：

Pf1=ρghf1=1000×9.8×0.76=0.7448×104Pa

(6)

根據Blasius.H.公式，計算得出高壓管2的沿程摩擦系數λ2為0.04，已知高壓管2的長度l2=2 200 mm，內徑d=8.5 mm，其沿程流體流動阻力hf2為0.06 m，則高壓管2的沿程壓強損失為：

Pf2=ρghf2=1000×9.8×0.06=612.5 Pa

(7)

已知高壓管2內徑d2=8.5 mm，三孔噴頭接座內徑d3=2.5 mm，三孔噴頭接座的內部結構為突縮管結構，所以其局部水頭損失系數ξ為0.475。A2為高壓管2截面面積，A3為三孔噴頭接座內管截面面積。三孔噴頭接座長度為l=80 mm，內徑d3=2.5 mm，其三孔噴頭接座的局部水頭損失hf3為0.003 m，則三孔噴頭接座的局部壓強損失為：

Pf3=ρghf4=1000×9.8×0.003=29.4 Pa

(8)

管道流體流動總壓強損失為：

Pf=Pf1+2Pf2+2Pf3=0.09 MPa

(9)

綜上所述，管道流體流動總壓強損失為0.09 MPa，電動泵的工作壓力為0.5 MPa，因此，噴藥系統中的6個扇形噴頭能獲得額定工作壓力。

2 控制系統設計

控制系統以STC89C52為微控制器。信息采集模塊通過速度傳感器與超聲波傳感器對茶園自動噴藥裝置行走速度和噴桿與茶樹之間的距離進行采集。微控制器對采集到的數據進行處理，判斷噴桿與茶樹之間的距離是否在300～500 mm范圍內，若在范圍內打開繼電器1驅動電磁閥進行噴藥，若不在范圍內則打開繼電器2驅動電機，直至噴桿與茶樹之間的距離在300～500 mm范圍內。主控系統硬件電路如圖4所示。

圖4 主控制系統硬件電路Fig.4 Hardware circuit of main control system

3 控制系統軟件設計

控制系統軟件在uVision4開發平臺上用C語言開發，分為信息采集和處理模塊、電磁閥調節器模塊和電機控制模塊。

3.1 信息采集和處理

超聲波模塊的控制端口Trig和接收端口Echo分別與單片機的外部中斷口P3.2和P3.3連接，通過定時和中斷計數的方法獲取距離。外部中斷判斷回波電平，定時器中斷用作超聲波測距計時。系統時鐘為1/8晶振，定時器為12分頻。測量結果的高8位與寄存器的低8位合成16位數據(distance_data)，據超聲波測距原理Ym=(Xs×344)/2，即Xs=(2×Ym)/344=0.0058×Ym，從上述關系式中可得到定時器得到的定時時間(μs)除以580等于所測距離(mm)，所以測量距離為：

(distance_data×12)/580

測距程序如下：

distance_data=outcomeH;

distance_data<<=8;

distance_data=distance_data|outcomeL;

distance_data*=12;

distance_data/=580;

3.2 電機控制

電機控制模塊通過控制輸出的脈沖頻率控制電機轉速，改變相應引腳的電位控制電機轉動方向。在程序設計中確定電機正反轉方向信號，單片機IO口P1^3輸出0時為正轉，步進電機正轉一步，輸出為1時，步進電機反轉一步。根據預設的值控制絲杠滑軌的最大行程。轉動軸電機則根據目前的位置(當前計數值)及目標位置(目標計數值)，對應調整轉動方向，并向該方向轉動對應步數。本文選用的步進電機轉一步所配套的絲杠行程為10 mm。

3.3 電磁閥控制

單片機的輸出控制口P1.0、P1.2分別與電磁閥驅動電路芯片L298的IN1、IN3端口連接。系統初始化后檢測P1.0口的狀態，超聲測距信號傳給單片機P1.0口，若測量距離在設定范圍內，則P1.0=0，根據單片機信號處理，將P1.1與P1.2口置0，電磁閥打開，噴頭工作；若測量距離在設定范圍外，則P1.0=1，單片機將P1.1與P1.2口置1，電磁閥關閉，噴頭停止工作。

4 樣機調試與試驗

4.1 田間試驗

茶園現場試驗選擇在重慶市北碚區三圣鎮青峰茶場，該茶園位于青峰山上，海拔800～1 040 m，茶園地塊小、地勢陡且大型機械無法作業，符合丘陵山區茶園特點。田間試驗情況如圖5所示。

圖5 田間試驗Fig.5 Field test

4.1.1 試驗方案設計 本文采用三因素三水平正交試驗對茶園自動噴藥裝置實際工作情況進行評估，檢驗不同噴霧高度、行走速度及冠層梯度對噴藥質量的影響。該試驗的因子水平表如表5所示。表5中，每個因素3個水平數值的選取均符合均勻性要求。

表5 因素水平表

本文以霧滴覆蓋率為主要評價指標，以沉積密度作為輔助指標，采用水敏試紙布置在茶樹冠層特征點處，對噴藥結果進行采集和分析，正交試驗方案如表6所示。

表6 正交試驗方案

4.1.2 采樣特征點選取 試驗過程中，選取冠層參數基本相同的茶行，在茶冠層橫截面上每處理采用5點取樣法，即左右兩側各布置2點，中間布置1點，如圖6所示。茶葉冠層梯度分為上、中、下3個梯度，如圖7所示，每個梯度冠層橫截面采用五點取樣法。其中，將外側4個點的水敏紙置于茶行邊緣附近，中間點放置在外側4個點的對角線交點處，5點取樣法中的每個點都在相同的高度上，每個點位都放置一張水敏紙。

圖6 茶樹5點采樣分布圖Fig.6 5-point sampling distribution of tea tree canopy

4.2 試驗數據處理與結果分析

文中選用重慶市六六山下植保高新科技有限責任公司生產制造的水敏試紙進行試驗。試紙的尺寸為30 mm×80 mm，自然色調為淡黃色，霧滴接觸水敏紙時即與水敏紙迅速發生反應，反應處由淺紫色逐漸變為深紫色，如圖8a、b所示。該水敏紙具有較好的霧滴檢測特性，遇水迅速變色。噴霧田間試驗完成后，將用于試驗的水敏紙干燥，放進有相對應標識的包裝袋中。在試驗室中，運用掃描機將包裝袋的水敏紙一一轉化成分辨率為600×600的PNG文件格式。通過與水敏紙配套的霧滴分析軟件(重慶六六山下植保科技有限公司的六六山下霧滴分析軟件V2.0)開展圖像處理，如圖8c所示，測算出霧滴沉積總面積與水敏紙總面積之比，則為霧滴覆蓋率。

圖8 收集液滴后的水敏紙圖像Fig.8 Image of water-sensitive paper after collecting droplets

霧滴沉積密度正交試驗所得結果如表7。從表中可以看出，每個位置的霧滴平均沉積密度均高于20個·cm-2，滿足JB /T 9782—2014《植保機械通用試驗方法》[16]對噴霧機霧滴沉積密度的要求。為繼續深入探究不同噴霧高度、行走速度和冠層梯度對霧滴沉積密度的影響，本文利用SPSS軟件進行組間二維方差分析，測試結果如表8所示。在主效應檢驗中，整體模型F為4.286，P為0.020，表明在P<0.05顯著性水平下方差分析模型整體顯著。其中冠層梯度P<0.001，而噴霧高度和行走速度的P值分別為0.110和0.589，表明冠層梯度對霧滴沉積密度有顯著性影響，噴霧高度和行走速度對霧滴沉積密度無顯著性影響。偏Eta平方值可以反映因素對效應量的作用大小，根據表8中效應量的度量值偏Eta平方值判斷，可以看出冠層梯度的偏Eta平方值最大且通過了顯著性檢驗，噴霧高度和行走速度偏Eta平方值均小于冠層梯度的偏Eta平方值且均未通過顯著性檢驗。由表8可得：茶園現場試驗中不同因素對霧滴沉積密度的影響程度由大到小依次為冠層梯度、噴霧高度、行走速度。

表8 霧滴沉積密度主體間效應的檢驗

對不同冠層梯度和噴霧高度下霧滴沉積密度的LSD多重比較如表9所示，由P值可得，上部霧滴沉積密度P<0.001，顯著多于中、下部霧滴沉積密度，而中、下部P=0.731>0.05，則中、下部冠層梯度的霧滴數量相差不大。導致此現象的原因在于，茶樹冠層梯度上部的葉片生長茂盛，將大多數霧滴遮擋在上層，因此造成了上層霧滴沉積密度最大，上部與中下部的霧滴沉積密度出現了顯著性差異。茶葉樹冠上下重疊，遮攔嚴重。只有一部分從樹冠上部滲透到樹冠中部的液滴沉積在中部的葉片上，其余的通過葉片之間的間隙繼續滲透到樹冠下部。霧滴被上部和中部的葉子層層攔截，使下部的霧滴數量沉積密度最小。與沉積密度最高的上部相比，霧滴在中下部的沉積密度差異相對較小，沒有明顯差異。

從表9中列1和列2的平均值差值可以看出，噴霧高度為30 cm時，相較噴霧高度50 cm霧滴沉積密度最大；噴霧高度為40 cm時，相較噴霧高度30 cm和50 cm，其霧滴沉積密度差異不大。可見，噴霧高度為50 cm時霧滴沉積密度最小，沉積的霧滴隨著噴霧高度的增加而遞減。主要原因是隨著噴霧高度的增加，霧滴沉積的寬度也增加，單位面積液滴數量減少。噴霧高度(h)與霧滴沉積幅寬(B)之間的關系為：B=2htanβ/2。由關系式可以看出，霧滴沉積幅寬是噴霧高度的2倍以上，因此霧滴沉積幅寬受噴霧高度的影響較大，噴霧高度為30 cm與為50 cm時的霧滴數量差異性顯著。通過最小顯著性差異法多重比較，可為后續優化樣機和提高噴藥效率提供理論依據。

表9 冠層梯度和噴霧高度對霧滴沉積密度的LSD多重比較

5 結 論

本文設計的丘陵山區茶園自動噴藥裝置，采用水平和45°角兩種噴藥模式同時進行噴射，使其茶樹中下部葉面背部等噴射盲區能被覆蓋；裝置使用超聲波傳感器測距，通過軟件控制實現自動化噴藥。通過田間試驗得出結論：茶樹不同冠層梯度下各點位霧滴平均沉積密度均大于26個·cm-2，高于JB/T9782—2014《植保機械通用試驗方法》[16]對噴霧機中噴幅界定的20個·cm-2要求，試驗中各噴施參數對霧滴沉積密度的影響程度從大到小依次為冠層梯度、噴霧高度、行駛速度。