丘陵山地柑橘果園多方位自動(dòng)噴藥裝置研制

馬 馳，李光林，李曉東，黃小玉，宋 杰，楊士航

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丘陵山地柑橘果園多方位自動(dòng)噴藥裝置研制

馬 馳，李光林※，李曉東，黃小玉，宋 杰，楊士航

（西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715）

針對現(xiàn)有自動(dòng)噴藥裝置對丘陵山地不同樹冠大小的柑橘果樹適應(yīng)性差的問題，該文設(shè)計(jì)了一種雙向多方位自動(dòng)噴藥裝置。通過模式轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)豎直噴藥模式、45°傾斜噴藥模式和對地噴藥模式的任意切換，以滿足噴藥裝置對不同大小柑橘樹的適應(yīng)性需求，提高農(nóng)藥的利用率。采用自動(dòng)對靶模塊檢測果樹冠層高度和高壓霧化噴頭組件至冠層表面距離；采用車速測定模塊實(shí)時(shí)檢測履帶式手扶拖拉機(jī)行進(jìn)速度。室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明：在3種噴藥工作模式下，裝置射程與噴幅均符合植保機(jī)械作業(yè)質(zhì)量要求；單次噴藥量為72～190 L/hm2，符合低劑量噴藥要求；超聲波傳感器布置在噴桿前方0.8 m處，當(dāng)履帶式手扶拖拉機(jī)行駛速度3～8 km/h時(shí)，有效降低了信號檢測與處理滯后帶來的對靶誤差，對靶精度為99.7%，符合設(shè)計(jì)要求。田間試驗(yàn)結(jié)果表明：在豎直噴藥模式和45°噴藥模式下進(jìn)行噴藥工作，柑橘樹冠層表面霧滴平均覆蓋率分別為82.5%和78.7%，沉積密度分別為109滴/cm2和106滴/cm2；冠層內(nèi)部霧滴平均覆蓋率分別為16.1%和30.6%，沉積密度分別為35滴/cm2和64滴/cm2，噴藥效果滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

噴霧；傳感器；自動(dòng)對靶；果園；丘陵山地；多方位自動(dòng)噴藥；正交試驗(yàn)

0 引 言

中國南方大部分地區(qū)適宜柑橘果樹生長，但柑橘果樹多在丘陵山地種植，這極大地制約了果樹的日常管理。柑橘果樹的噴藥治病防蟲是一項(xiàng)經(jīng)常性工作。柑橘果園噴藥工作多采用噴桿式噴藥機(jī)，由于該類型噴藥機(jī)缺乏對不同大小果樹的適應(yīng)性，造成了噴藥質(zhì)量差、農(nóng)藥利用率低，進(jìn)而影響了果樹的生長[1-2]。為了提高噴藥質(zhì)量和農(nóng)藥利用率，國內(nèi)外學(xué)者利用各種傳感器對噴藥裝置進(jìn)行了自動(dòng)對靶的相關(guān)研究[3-14]。為提高果樹冠層內(nèi)部農(nóng)藥沉積率，有學(xué)者在自動(dòng)對靶基礎(chǔ)上，將噴霧機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，形成具有風(fēng)送裝置的仿形噴霧機(jī)[15-20]，輔助霧滴穿透果樹冠層。目前，果園噴霧機(jī)多具有自動(dòng)對靶裝置且均以離心式風(fēng)機(jī)為送風(fēng)裝置，但從結(jié)構(gòu)上區(qū)分大致分為2種，一種是采用鴨嘴式出風(fēng)口，噴頭與對靶裝置安裝于一側(cè)[21]；另一種采用風(fēng)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出風(fēng)口，噴頭與對靶裝置均勻

安裝于出風(fēng)口周邊[22-23]。上述噴霧機(jī)均缺乏方位調(diào)節(jié)裝置和模式轉(zhuǎn)換裝置，因此對不同樹冠大小的柑橘樹的噴藥工作適應(yīng)性較差。

針對丘陵山地果園自動(dòng)對靶噴藥研究較少、現(xiàn)有自動(dòng)噴霧裝置對不同樹冠大小的柑橘樹適應(yīng)性差的問題，實(shí)現(xiàn)丘陵山地柑橘樹不同大小樹冠的噴藥需求，提高農(nóng)藥利用率，本文研制了一款雙向多方位自動(dòng)噴藥裝置，并對其作業(yè)性能進(jìn)行了試驗(yàn)測定，驗(yàn)證噴藥裝置在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對靶、自動(dòng)調(diào)節(jié)方位功能的同時(shí)，作業(yè)性能是否滿足國家標(biāo)準(zhǔn)中低劑量噴藥的要求。

1 裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 設(shè)計(jì)要求

據(jù)調(diào)查，重慶市標(biāo)準(zhǔn)化柑橘樹種植行距為4～6 m，株距為2.5～3 m，樹高為1.5～3.5 m，冠層厚度為1.5～2.5 m，冠層直徑為2.5～5 m。

由于柑橘樹在不同生長時(shí)期的冠層大小存在差異，因此，為確保裝置滿足柑橘樹不同樹冠大小或不同高度的施藥需求，根據(jù)柑橘果樹冠層大小和高矮不同，選擇豎直噴藥、45°傾斜噴藥或?qū)Φ貒娝幠Ｊ?，且具有自?dòng)對靶和自動(dòng)噴藥功能，滿足《JB/T 9782-2014植保機(jī)械通用試驗(yàn)方法》[24]和《NY/T 650-2013噴霧機(jī)（器）作業(yè)質(zhì)量》[25]中對果園噴霧機(jī)的要求，同時(shí)裝置應(yīng)滿足射程不小于3 m、噴幅不小于2.5 m，噴藥量不大于450 L/hm2，對靶精度不低于95%。

1.2 裝置結(jié)構(gòu)

根據(jù)裝置設(shè)計(jì)要求和西南丘陵山地柑橘果園建設(shè)現(xiàn)狀，采用履帶式手扶拖拉機(jī)作為運(yùn)載工具，拖拉機(jī)自帶發(fā)電動(dòng)力供給裝置，在此平臺(tái)上搭建雙向多方位自動(dòng)噴藥裝置。該裝置主要由機(jī)架、高壓霧化機(jī)構(gòu)、送風(fēng)機(jī)構(gòu)、自動(dòng)控制系統(tǒng)（包括電源模塊、通訊模塊、自動(dòng)對靶模塊、車速測定模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊及電磁閥）構(gòu)成。除動(dòng)力單元、電磁閥及藥箱外，其余部分均模塊化。裝置結(jié)構(gòu)圖和樣機(jī)如圖1。

1. 收線輪 2. 模式轉(zhuǎn)換電機(jī) 3. 噴桿 4. 垂直軌道 5. 同步帶 6. 送風(fēng)管道 7. 超聲波傳感器 8. 高壓霧化噴頭組件 9. 激光二極管面陣 10. 離心式風(fēng)機(jī) 11.模式轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu) 12. 水平承重滑塊 13. 水平承重軌道 14. 滾珠絲桿副 15. 水平調(diào)節(jié)電機(jī) 16. 垂直調(diào)節(jié)電機(jī) 17. 行星齒輪減速器 18. 變速箱 19. 垂直滑塊

1. Take-up wheel 2. Mode conversion motor 3. Spraying rod 4. Vertical track 5. Synchronous belt 6. Air supply pipe 7. Ultrasonic sensor 8. High pressure atomizing nozzle assembly 9. Laser diode array 10. Centrifugal fan 11. Mode conversion mechanism 12. Horizontal load-bearing slider 13. Horizontal load-bearing track 14. Ball screw 15. Horizontal adjustable motor 16. Vertical adjustable motor 17. Planetary gear reducer 18. Gearbox 19. Vertical slider

圖1 雙向多方位自動(dòng)噴藥裝置結(jié)構(gòu)和樣機(jī)

主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.3 工作原理

雙向多方位自動(dòng)噴藥裝置進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)化柑橘果園前，操作人員首先啟動(dòng)控制器面板開關(guān)，根據(jù)柑橘果樹冠層大小選擇噴藥工作模式，并在控制器面板上按下對應(yīng)模式按鍵，然后啟動(dòng)藥液噴霧動(dòng)力供給單元。

裝置進(jìn)入柑橘果園后，自動(dòng)對靶模塊發(fā)出的信號經(jīng)過果樹冠層的漫反射被其重新接收。若自動(dòng)對靶模塊檢測到果樹冠層信號在設(shè)定范圍內(nèi)，則電磁閥打開，農(nóng)藥霧滴從高壓霧化噴頭組件中噴出，與此同時(shí)，控制器發(fā)出信號控制水平方向和垂直方向電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)不同的模式選擇方案，雙向多方位自動(dòng)噴藥裝置自動(dòng)控制調(diào)節(jié)分為2種：

1）豎直噴藥和45°傾斜噴藥模式的自動(dòng)調(diào)節(jié)：水平調(diào)節(jié)電機(jī)帶動(dòng)兩側(cè)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)噴桿到果樹冠層的距離；垂直調(diào)節(jié)電機(jī)帶動(dòng)同步帶運(yùn)行，調(diào)節(jié)噴桿高度。

2）對地噴藥模式的自動(dòng)調(diào)節(jié)：水平調(diào)節(jié)電機(jī)帶動(dòng)兩側(cè)噴桿移動(dòng)，使果樹冠層完全處于有效施藥范圍內(nèi)；垂直調(diào)節(jié)電機(jī)帶動(dòng)同步帶運(yùn)行，調(diào)節(jié)噴桿到果樹冠層的距離。

若自動(dòng)對靶模塊檢測到果樹冠層信號未在設(shè)定范圍內(nèi)，則電磁閥關(guān)閉，高壓霧化噴頭組件停止噴霧；當(dāng)自動(dòng)對靶模塊重新檢測到果樹冠層信號，系統(tǒng)再次啟動(dòng)。

表1 雙向多方位自動(dòng)噴藥裝置主要技術(shù)參數(shù)

2 裝置硬件設(shè)計(jì)

2.1 噴藥模式轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對柑橘樹冠層大小的差異，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)3種噴藥模式，分別為豎直噴藥模式、45°傾斜噴藥模式以及對地噴藥模式，上述3種模式通過改變噴桿角度實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。豎直噴藥模式滿足樹高在2.5～3.5m、冠層直徑4～5 m的果樹噴藥工作；45°傾斜噴藥模式滿足樹高2～2.5 m、冠層直徑3～4 m的果樹噴藥工作；對地噴藥模式滿足樹高1.5～2 m、冠層直徑2.5～3 m的果樹噴藥工作。豎直噴藥模式與45°傾斜噴藥模式均采用側(cè)向噴藥方式，對地噴藥模式采用壓頂噴藥方式。

對于同一果園來說，其果樹高矮變化不大，適合某一種固定噴藥模式工作。如圖2，本裝置提供的3種噴藥模式是通過步進(jìn)電機(jī)控制吊線收放長度實(shí)現(xiàn)切換，采用機(jī)械自鎖結(jié)構(gòu)鎖緊，以提高裝置穩(wěn)定性。=0°時(shí)為豎直噴藥模式，=45°時(shí)為45°傾斜噴藥模式，=90°時(shí)為對地噴藥模式。

由圖2d可知，吊線長度為

如圖2a、2b、2c，噴桿底端B點(diǎn)為噴桿轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)，通過鍵與轉(zhuǎn)動(dòng)軸連接實(shí)現(xiàn)3種噴藥模式的切換，切換機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)與自鎖部件如圖2e。

2.2 噴桿水平與垂直傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙向多方位自動(dòng)噴藥裝置的水平、垂直傳動(dòng)機(jī)構(gòu)均由J-5718HB3401系列步進(jìn)電機(jī)提供動(dòng)力，電機(jī)額定電壓=3.34 V，額定電流=4 A，最大力矩max=2.3 N·m，水平傳動(dòng)由2:1錐齒輪變速箱和滾珠絲桿運(yùn)動(dòng)副共同執(zhí)行，由于同一行上的相鄰2棵果樹交界處距離噴桿最遠(yuǎn)，需要較高的調(diào)節(jié)速度，故噴桿的水平調(diào)節(jié)速度設(shè)置為H=80 mm/s；垂直傳動(dòng)由1:30行星齒輪減速器和同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)共同執(zhí)行，由于同一標(biāo)準(zhǔn)化柑橘果園同一時(shí)期的果樹高度和冠層直徑基本相同，在噴藥作業(yè)過程中垂直調(diào)節(jié)距離較小，故噴桿的垂直調(diào)節(jié)速度設(shè)置為v= 20 mm/s。噴桿水平傳動(dòng)和垂直傳動(dòng)方案如圖3所示。

注：點(diǎn)為吊線長度控制電機(jī)安裝位置；點(diǎn)為噴桿沿垂直軌道滑動(dòng)作用點(diǎn)；點(diǎn)為噴桿轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)點(diǎn)；點(diǎn)為噴桿端吊線連接點(diǎn)。

Note: Pointis the installation position of the suspension wire length control motor; pointis the sliding action point of the spraying rod along the vertical track; pointis the rotating moving point of the spraying rod; pointis the suspension connection point of the spraying rod end.

注：為收線輪高度，mm；為噴桿長度，mm；為吊線長度，mm；為噴桿與垂直滑軌的間距，mm；為噴桿與垂直滑軌的夾角，（°）；Δ為噴桿在軸方向上移動(dòng)的距離，mm。

Note:is the height of the take-up reel, mm;is the length of the spraying rod, mm;is the length of the suspension wire, mm;is the distance between the spraying rod and the vertical slide track, mm;is the angle between the spraying rod and the vertical slide track, (°); Δis the distance that the boom moves in-axis direction, mm.

圖2 雙向多方位噴藥裝置工作模式及切換機(jī)構(gòu)

注：ω1、ω3為水平傳動(dòng)電機(jī)輸出角速度，rad·s-1；ω2、ω4為水平方向絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，rad·s-1；n1、n3為變速箱內(nèi)主動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速，r·s-1；n2、n4為變速箱內(nèi)從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)速，r·s-1；ωL1為垂直傳動(dòng)電機(jī)輸出角速度，rad·s-1；ωL2為行星齒輪減速器輸出角速度（亦是帶傳動(dòng)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度），rad·s-1；ωL3為帶傳動(dòng)從動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，rad·s-1。

2.3 高壓霧化機(jī)構(gòu)

為提高霧化質(zhì)量、增加噴幅和霧滴噴射距離，選用高壓霧化機(jī)構(gòu)，主要由170F型汽油機(jī)、SN-60型三缸柱塞泵、300 L藥箱、電磁閥、高壓防爆管底端、堵頭、噴桿、噴桿伸出端、三孔噴頭接頭、高壓霧化噴頭等零部件構(gòu)成，其液路傳遞示意圖如圖4。

圖4 液路傳遞示意圖

上述關(guān)鍵部件主要技術(shù)參數(shù)如表2。

表2 高壓霧化機(jī)構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)

25 ℃下水的運(yùn)動(dòng)黏度為=0.897′10-6m2·s[26]，裝置共有18個(gè)高壓霧化噴頭，噴頭的流量為0.3 L/min，在4 MPa工作壓力下，其雙側(cè)總流量理論值=324 L/h，則單側(cè)高壓防爆管內(nèi)流速g、雷諾數(shù)g分別為

式中g(shù)為高壓防爆管內(nèi)孔截面積。

同理，底端堵頭內(nèi)部流速d=0.90 m/s、雷諾數(shù)d= 9 552，噴桿內(nèi)部流速p=0.25 m/s、雷諾數(shù)p=2 653，噴桿伸出端流速y=0.79 m/s、雷諾數(shù)y=8 384。

上述各部分雷諾數(shù)均大于臨界雷諾數(shù)c=2 300，則裝置內(nèi)部管流為紊流。采用Blasius H公式獲取沿程摩擦系數(shù)，通過計(jì)算求得以下參數(shù)：

1）高壓防爆管內(nèi)沿程壓強(qiáng)損失fg≈7.34′104Pa；

2）底端堵頭沿程壓強(qiáng)損失fd≈127 Pa；

3）噴桿沿程壓強(qiáng)損失fp≈137 Pa；

4）噴桿伸出端沿程壓強(qiáng)損失fy≈118 Pa；

5）高壓防爆管與底端堵頭連接處的局部壓強(qiáng)損失j1≈1.83′103Pa；

6）底端堵頭與噴桿連接處的局部壓強(qiáng)損失j2≈206 Pa；

7）噴桿與噴桿伸出端連接處的局部壓強(qiáng)損失j3≈2.45′103Pa；

8）噴桿伸出端與三孔噴頭接頭連接處的局部壓強(qiáng)損失j4≈147 Pa。

因此，裝置水流總壓強(qiáng)損失s為

上述計(jì)算表明，裝置水流總壓強(qiáng)損失為0.168 MPa。由于高壓霧化噴頭使用壓力不低于4 MPa，因此，三缸柱塞泵需提供的壓力不小于4.168 MPa，電磁閥使用壓力不低于5 MPa，對應(yīng)汽油機(jī)額定功率不低于4 kW。

2.4 送風(fēng)機(jī)構(gòu)

送風(fēng)機(jī)構(gòu)主要包括風(fēng)機(jī)與送風(fēng)管道2部分。常見的果園噴霧機(jī)多采用多翼式離心鼓風(fēng)機(jī)，該類型鼓風(fēng)機(jī)額定電壓為220 V，可直接由車載式發(fā)電機(jī)進(jìn)行電力供應(yīng)，但其質(zhì)量與體積均較大，履帶式手扶拖拉機(jī)難以滿足其安裝需求。本文選用司特力ZHF281A2型離心式風(fēng)機(jī)，其額定電壓為24 V，額定功率為288 W，額定轉(zhuǎn)速4 000 r/min，風(fēng)量1 050 m3/h。該風(fēng)機(jī)具有工作電壓低、風(fēng)量大、體積小、質(zhì)量輕等特點(diǎn)。風(fēng)道采用內(nèi)徑為100 mm的鍍銅鋼絲PU軟管，噴桿伸出端處套有外徑100 mm的PVC三通風(fēng)管接頭，軟管與三通風(fēng)管連接處采用喉箍固定，風(fēng)道出風(fēng)口環(huán)于高壓霧化組件周圍，為霧滴提供均勻送風(fēng)，如圖1a所示。丘陵山地柑橘果園最大行距為6 m，冠層直徑最小為2.5 m，兩側(cè)噴桿間最近距離為0.5 m，則單側(cè)噴桿至果樹冠層表面最遠(yuǎn)距離為1.5 m。經(jīng)試驗(yàn)測定，出風(fēng)口風(fēng)速范圍為2～8 m/s，在最小風(fēng)速下也能夠使果樹葉片擺動(dòng)，風(fēng)機(jī)滿足使用要求。

3 自動(dòng)對靶控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雙向多方位自動(dòng)噴藥裝置的自動(dòng)對靶控制系統(tǒng)主要功能為：自動(dòng)控制調(diào)節(jié)噴桿高度和噴桿至冠層表面距離；自動(dòng)控制電磁閥通斷。系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)上述功能的模塊集成于控制器中，采用編號分別為U201、U301和U401的3塊PIC16F877A單片機(jī)作為控制芯片，通過IIC總線實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部通訊。U201單片機(jī)在具有調(diào)節(jié)水平方位的作用的同時(shí)，其與深圳維特智能科技有限公司生產(chǎn)的WT31三軸加速度傳感器構(gòu)成車速測定模塊，通過串口通訊與積分算法實(shí)現(xiàn)對車速的檢測，傳感器測量誤差為±0.098 m/s2；U301、U401單片機(jī)功能相同，能夠測定果樹冠層大小、調(diào)節(jié)垂直方位以及控制電磁閥通斷的作用。

自動(dòng)對靶模塊采集果樹高矮和冠層大小數(shù)據(jù)、車速測定模塊采集履帶式手扶拖拉機(jī)行駛速度數(shù)據(jù)，并由控制器對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

3.1 自動(dòng)對靶模塊硬件設(shè)計(jì)

由于超聲波傳感器波束角較大，且聲波在果樹冠層表面形成漫反射，若并列布置的2個(gè)超聲波傳感器距離小于800 mm，則會(huì)造成同頻信號之間不同程度的干擾[27]。因此，自動(dòng)對靶模塊硬件單側(cè)由2個(gè)KS109超聲波傳感器（探測范圍為8～11 000 mm，探測精度為±1 mm）和1組GY-VL53L0X激光二極管面陣（包含4個(gè)激光二極管探測范圍為0～2 000 mm，探測精度為±20 mm）共同組成。激光二極管面陣位于2個(gè)超聲波傳感器中間位置，各傳感器之間距離為500 mm，該模塊對果樹冠層的高矮和噴桿到冠層表面的距離進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測。

結(jié)合文獻(xiàn)資料與實(shí)地測量，將果樹冠層進(jìn)行“橫向分層”，即平行于高壓霧化噴頭組件軸線方向平均分為3層，即冠層頂層、中層、底層。根據(jù)上述分層方法，按照“由上至下”的原則，依次由頂層超聲波傳感器、中層激光二極管面陣、底層超聲波傳感器對噴桿至冠層距離數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測。在該檢測模式下，由IIC總線對發(fā)送指令和測量結(jié)果進(jìn)行發(fā)送和接收，使得各傳感器之間按照順序進(jìn)行。

為確保自動(dòng)對靶模塊的探測精度和探測效率，裝置采用圖1a的傳感器空間布局模式，并根據(jù)噴頭至冠層距離以及果樹冠層形狀，設(shè)置超聲波傳感器最遠(yuǎn)探測距離1 500 mm、激光二極管面陣最遠(yuǎn)探測距離1 000 mm為有效探測距離，對果樹冠層高度和噴桿至冠層距離進(jìn)行檢測。自動(dòng)對靶模塊探測模型如圖5。

圖5 自動(dòng)對靶模塊探測模型

由于對地噴藥模式與豎直噴藥模式、45°傾斜噴藥模式在自動(dòng)對靶和自動(dòng)調(diào)節(jié)方面存在一定差異，因此，本文設(shè)計(jì)2種自動(dòng)對靶方案：

1）豎直噴藥模式和45°傾斜噴藥模式自動(dòng)對靶方案：控制器選取激光二極管面陣采集的噴桿至果樹冠層距離數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并控制電機(jī)調(diào)節(jié)噴桿水平位置；控制器選取超聲波傳感器采集的冠層頂層和冠層底層的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并控制電機(jī)調(diào)節(jié)噴桿垂直位置。

2）對地噴藥模式自動(dòng)對靶方案：控制器選取超聲波傳感器采集的外側(cè)冠層和內(nèi)側(cè)冠層的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并控制電機(jī)調(diào)節(jié)噴桿水平位置；控制器選取激光二極管面陣采集的噴桿至果樹冠層距離數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并控制電機(jī)調(diào)節(jié)噴桿垂直位置。

2種控制方案的轉(zhuǎn)換在選擇噴藥工作模式時(shí)自動(dòng)切換。自動(dòng)對靶與調(diào)節(jié)方案如表3。

表3 自動(dòng)對靶與調(diào)節(jié)方案

為降低檢測延遲對噴藥效果的影響，本設(shè)計(jì)將自動(dòng)對靶硬件模塊布置于噴桿前方800 mm處，提前對冠層大小和高矮進(jìn)行檢測。利用車速測定模塊，對履帶式手扶拖拉機(jī)速度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，計(jì)算噴桿到冠層位置所需時(shí)間，對對靶檢測完成后的剩余時(shí)間做延時(shí)處理，并在延時(shí)后執(zhí)行電磁閥通斷。

3.2 控制流程

豎直噴藥模式與45°傾斜噴藥模式的超聲波傳感器負(fù)責(zé)對果樹冠層頂層和底層進(jìn)行檢測，指導(dǎo)噴桿垂直移動(dòng)并控制電磁閥通斷，使噴桿正對冠層噴藥；激光二極管面陣負(fù)責(zé)對噴桿到果樹距離進(jìn)行檢測，指導(dǎo)噴桿水平移動(dòng)至設(shè)定位置，其控制流程如圖6a。

對地噴藥模式的超聲波傳感器負(fù)責(zé)對果樹冠層頂層和底層進(jìn)行檢測，指導(dǎo)噴桿水平移動(dòng)并控制電磁閥通斷，使噴桿正對冠層噴藥；激光二極管面陣負(fù)責(zé)對噴桿到果樹距離進(jìn)行檢測，指導(dǎo)噴桿垂直移動(dòng)至設(shè)定位置，其控制流程如圖6b。

圖6 噴藥模式控制流程圖

4 室內(nèi)試驗(yàn)

為檢驗(yàn)雙向多方位自動(dòng)噴藥裝置各部分是否滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，本文針對射程與噴幅、流量水平和對靶效果3個(gè)方面進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。室內(nèi)試驗(yàn)不考慮機(jī)具行駛速度對噴藥效果的影響，試驗(yàn)在西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院金工實(shí)習(xí)工廠內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)間為2017年12月17日。

4.1 射程與噴幅的測定

射程與噴幅的測定嚴(yán)格按照《JB/T 9782-2014植保機(jī)械通用試驗(yàn)方法》執(zhí)行。

將雙向多方位自動(dòng)噴藥裝置各部分安裝于履帶式手扶拖拉機(jī)上，環(huán)境無風(fēng)影響，在豎直噴藥模式、45°傾斜噴藥模式、對地噴藥模式，設(shè)定平均送風(fēng)強(qiáng)度2 m/s，調(diào)節(jié)三缸柱塞泵溢流閥，使壓力表的壓力值維持在4.168 MPa，測得對應(yīng)射程與噴幅，其試驗(yàn)結(jié)果如表4。其中，對地噴藥模式噴頭距離地面500 mm且正對地面。

試驗(yàn)結(jié)果表明：雙向多方位自動(dòng)噴藥裝置豎直噴藥模式下平均射程約為3.5 m，平均噴幅約為2.5 m；45°傾斜噴藥模式下平均射程約為3.2 m，平均噴幅約為2.5 m；對地噴藥模式下平均噴幅約為2.3 m，符合設(shè)計(jì)要求。

表4 射程與噴幅測定試驗(yàn)

注：室內(nèi)試驗(yàn)中，對地噴藥模式，噴桿離地高度恒定，因此該模式下無射程的測試值。

Note: In the laboratory test, the height of the spraying rod is constant under the ground spraying mode, so there is no test value of the range under this mode.

4.2 流速的測定

本文采用量化測定方法，噴霧前、后分別測量裝有水的藥箱整體質(zhì)量并記錄數(shù)據(jù)，求出質(zhì)量變化量，其與連續(xù)噴霧時(shí)間的比值即為流速，噴霧壓力4.168 MPa，連續(xù)噴霧時(shí)間20 min，結(jié)果如表5。

表5 流速試驗(yàn)結(jié)果

據(jù)表5可知，雙向多方位自動(dòng)噴藥裝置平均流量為343 L/h。當(dāng)拖拉機(jī)行駛速度為3～8 km/h時(shí)，噴藥面積約為1.8～4.8 hm2/h，單次噴藥量約為72～190 L/hm2，符合農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[17]中低劑量噴藥的要求。

5 對靶效果的測定

為檢驗(yàn)雙向多方位自動(dòng)噴藥裝置對靶效果，設(shè)置拖拉機(jī)行進(jìn)速度3.6 km/h，樹高為3 m，冠層厚度為2.5 m，冠層直徑為5 m，選用豎直噴藥模式，試驗(yàn)場地環(huán)境風(fēng)速為0.8 m/s，溫度為17 ℃，相對濕度78%。試驗(yàn)從自動(dòng)對靶模塊檢測到設(shè)定范圍內(nèi)的果樹冠層信號開始，至電磁閥自動(dòng)打開為止，以該段時(shí)間作為對靶時(shí)間，測試噴頭到果樹冠層表面距離。對靶效果檢測試驗(yàn)結(jié)果如表6。待裝置正對果樹冠層，拖拉機(jī)停止前進(jìn)后，測量噴桿到果樹冠層距離作為水平方向距離、頂端噴頭到地面距離作為垂直方向距離如表7。

表6 對靶效果檢測試驗(yàn)

表7 噴桿定位測試試驗(yàn)

據(jù)表6～7可知，平均對靶時(shí)間為0.35 s，由于超聲波傳感器在噴桿前方800 mm，當(dāng)拖拉機(jī)行駛速度為3～8 km/h時(shí)，行駛800 mm所需時(shí)間為0.96～0.36 s，對靶時(shí)間小于機(jī)具行駛時(shí)間，可有效降低檢測延遲造成的自動(dòng)噴藥誤差；對靶距離理論值為1 000 mm，平均實(shí)測值為997 mm，自動(dòng)對靶精度為99.7%，噴桿在水平方向上的平均調(diào)節(jié)誤差為5 mm，在垂直方向上的平均調(diào)節(jié)誤差為49 mm，符合設(shè)計(jì)要求。

6 田間試驗(yàn)

為驗(yàn)證雙向多方位自動(dòng)噴藥裝置的霧滴平均覆蓋率和沉積密度是否符合《NY/T 650-2013 噴霧機(jī)（器）作業(yè)質(zhì)量》標(biāo)準(zhǔn)要求，本文對車速、送風(fēng)強(qiáng)度、噴頭至冠層表面距離3個(gè)因素進(jìn)行分析和試驗(yàn)。

6.1 試驗(yàn)條件

本試驗(yàn)測試場地為重慶市北碚區(qū)歇馬鎮(zhèn)中國農(nóng)科院柑桔研究所的標(biāo)準(zhǔn)化柑橘園中進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)間為2018年3月18日，試驗(yàn)當(dāng)天環(huán)境風(fēng)速為0.8 m/s，相對濕度78%。選取園中2塊不同柑橘地進(jìn)行豎直噴藥模式和45°傾斜噴藥模式試驗(yàn)：

1）豎直噴藥模式試驗(yàn)：果樹行距為5 m、株距為3 m、果樹平均高度約為3 m、冠層平均厚度為2.5 m、平均冠層直徑約為2.5 m。

2）45°傾斜噴藥模式試驗(yàn)：果樹行距為5 m，株距為3 m，果樹平均高度約為1.8 m，冠層平均厚度為2 m，平均冠層直徑約為1.5 m。

由于柑橘園內(nèi)沒有適應(yīng)對地噴藥模式的果樹樹苗，故該模式?jīng)]有進(jìn)行田間試驗(yàn)。

6.2 試驗(yàn)方法

為了檢驗(yàn)車速、送風(fēng)強(qiáng)度、噴頭至冠層距離對噴藥效果的影響，本文采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行試驗(yàn)研究。根據(jù)丘陵山地柑橘種植地理?xiàng)l件和履帶式手扶拖拉機(jī)功率，確定了行駛速度的2個(gè)邊界值；根據(jù)最下端出風(fēng)口產(chǎn)生的送風(fēng)效果，確定了送風(fēng)強(qiáng)度的下邊界值，根據(jù)離心風(fēng)機(jī)在額定功率下產(chǎn)生的送風(fēng)效果，確定了送風(fēng)強(qiáng)度的上邊界值；根據(jù)噴桿水平極限位置到果樹冠層表面最小距離，確定了噴頭至冠層距離的下邊界值，根據(jù)自動(dòng)對靶模塊設(shè)置的最遠(yuǎn)探測距離，確定了噴頭至冠層距離的上邊界值。選用L9(34)正交表。因素水平表如表8。

表8 因素水平表

由于試驗(yàn)場地內(nèi)柑橘果樹葉片密集度較大，對噴藥工作的要求最高，因此，本研究選用豎直噴藥模式對柑橘樹進(jìn)行正交試驗(yàn)得到最優(yōu)參數(shù)，并在45°傾斜噴藥模式下，驗(yàn)證該參數(shù)是否滿足標(biāo)準(zhǔn)[25]在霧滴平均覆蓋率和沉積密度方面的要求。豎直噴藥模式正交試驗(yàn)方案如表9。

表9 正交試驗(yàn)方案

本研究以霧滴平均覆蓋率和沉積密度作為噴藥效果的評價(jià)指標(biāo)，其中，霧滴平均覆蓋率指霧滴在作物葉面上覆蓋藥液的面積占葉面總面積的百分比，通過分析各測試點(diǎn)的水敏試紙著色情況獲取；沉積密度指低量噴霧沉積在作物單位面積上的霧滴數(shù)，通過對各測試點(diǎn)水敏試紙顯示的霧滴個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)獲取[25]。

當(dāng)噴藥機(jī)在果樹一側(cè)執(zhí)行噴藥工作時(shí)，背靠噴藥一側(cè)的果樹的霧滴沉積率極低，可忽略不計(jì)，因此每株果樹需進(jìn)行正、反2次噴藥，本研究僅對果樹霧滴沉積率的噴藥一側(cè)進(jìn)行分析。水敏試紙布置于各測試點(diǎn)中心位置，測試點(diǎn)編號如圖7。

注：H層為果樹冠層表層；I層位于果樹冠層內(nèi)部，與H層距離為S1；J層為果樹冠層中間層，與I層距離為S2，且S1≈S2；1～27分別為各層正面測試點(diǎn)對應(yīng)水敏試紙的編號；1￠～27￠分別為各層反面測試點(diǎn)對應(yīng)水敏試紙的編號。

一次噴藥試驗(yàn)后，水敏試紙變色，將各測試點(diǎn)的試紙按序號立即拍照取像，通過圖像處理的辦法，采用 OTSU算法分割生成二值圖像，通過計(jì)算像素?cái)?shù)之比，進(jìn)而計(jì)算出霧滴平均覆蓋率。將試紙回收，在10倍放大鏡下讀取試紙上霧滴的個(gè)數(shù)，計(jì)算其與試紙面積的比值作為沉積密度[25]。

6.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

雙向多方位自動(dòng)噴藥裝置豎直噴藥模式正交試驗(yàn)結(jié)果如表10，試驗(yàn)結(jié)果的極差分析與方差分析如表11。

表10 霧滴覆蓋率正交試驗(yàn)結(jié)果

分析表10、表11，當(dāng)拖拉機(jī)行駛速度為1 m/s、送風(fēng)強(qiáng)度8 m/s、噴頭至冠層距離0.5 m時(shí)，豎直噴藥模式下的噴藥效果最佳。在上述條件下對豎直噴藥模式、45°傾斜噴藥模式的噴藥效果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如表12所示。

由表12可知，果樹冠層表面霧滴平均覆蓋率分別為82.5%和78.7%，沉積密度分別為109滴/cm2和106滴/cm2；果樹冠層內(nèi)部霧滴平均覆蓋率分別為16.1%和30.6%，沉積密度分別為35滴/cm2和64滴/cm2，各層霧滴平均覆蓋率均符合果園噴藥標(biāo)準(zhǔn)要求，且沉積密度值不小于20滴/cm2[28]，符合果樹病蟲害防治中霧滴沉積密度的要求。

表11 試驗(yàn)結(jié)果分析表

注：1j、2j、3j分別為因子的1水平數(shù)據(jù)和、2水平數(shù)據(jù)和、3水平數(shù)據(jù)和；R()為因子的極差；S為列離差平方和；f為因子自由度；S為因子平均離差平方和；為統(tǒng)計(jì)量；為試驗(yàn)數(shù)據(jù)總和；為總離差平方和。

Note:1j,2jand3jare respectively the sum of datas at level 1, level 2 and level 3 of factor;R() is the range of factor;Sis the sum of squares of column deviations;jis the degree of freedom of factor;Sis the sum of squares of average deviations of factor;is the statistic;is the sum of test data;is the sum of squares of total deviations.

表12 噴藥效果試驗(yàn)

7 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的雙向多方位自動(dòng)噴藥裝置，能夠根據(jù)果樹冠層的大小提供3種不同的噴藥工作模式；在固定模式下，自動(dòng)進(jìn)行果樹冠層輪廓檢測，自動(dòng)對靶、方位調(diào)節(jié)和自動(dòng)噴藥，實(shí)現(xiàn)了提高丘陵山地柑橘果園噴藥質(zhì)量和噴藥效率、降低植保工人勞動(dòng)強(qiáng)度、降低農(nóng)藥對土壤和環(huán)境的污染的目的。結(jié)果表明：

1）雙向多方位自動(dòng)噴藥裝置能夠滿足丘陵山地柑橘果園的日常噴藥工作，且對靶裝置、方位調(diào)節(jié)裝置、噴藥裝置在噴藥過程中運(yùn)行穩(wěn)定。

2）當(dāng)拖拉機(jī)行駛速度為1 m/s、送風(fēng)強(qiáng)度8 m/s、噴頭至冠層距離0.5 m時(shí)，裝置噴藥效果最佳，在豎直噴藥模式和45°噴藥模式下工作，果樹冠層表面霧滴平均覆蓋率分別為82.5%和78.7%，沉積密度分別為109滴/cm2和106滴/cm2；果樹冠層內(nèi)部霧滴平均覆蓋率分別為16.1%和30.6%，沉積密度分別為35滴/cm2和64滴/cm2，噴藥效果滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

本研究裝置實(shí)現(xiàn)了丘陵山地不同柑橘果園、不同樹冠大小的自動(dòng)對靶、自動(dòng)噴藥要求。但采用吊線結(jié)構(gòu)在使用過程中仍存在一定的晃動(dòng)，且未能達(dá)到變量噴藥的目標(biāo)。今后將通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高穩(wěn)定性；通過圖像處理技術(shù)，對柑橘果樹冰蟲害類型和程度進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)噴藥量和噴藥濃度，進(jìn)一步提高果樹的噴藥質(zhì)量。

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Development of multi-orientation automatic spraying device for citrus orchards in hilly and mountainous areas

Ma Chi, Li Guanglin※, Li Xiaodong, Huang Xiaoyu, Song Jie, Yang Shihang

(400715,)

In view of the poor adaptability of the existing automatic spraying device to citrus fruit trees with different crown size in hilly and mountainous areas, a bidirectional multi-mode automatic spraying device was development in this paper. The device was mainly composed of mechanical framework, high-pressure atomizing mechanism, air supply mechanism and automatic control system (which including power supply module, communication module, automatic target module, vehicle speed measurement module, motor drive module and solenoid valve). Changing the angle of spraying rod through the mode conversion mechanism, the vertical spraying mode, the 45° tilt spraying mode and the ground spraying mode were realized, which satisfied the adaptability requirements of the spraying device for citrus fruit trees of different sizes, and effectively improved the utilization of pesticides. Firstly, the canopy height of the fruit trees and the distance from the high pressure atomizing nozzle assembly to the crown surface were detected by the automatic target module composing of an ultrasonic sensor and a laser diode array, The ultrasonic sensor was responsible for detecting the top and bottom layers of the canopy, and guided the position adjustment of spraying rod and the on-off of solenoid value, so that the spraying rod could spray against the canopy; the laser diode array was responsible for detecting the distance between the spraying rod and the fruit trees, and guided the boom to adjust to the setting position. Secondly, the speed measuring module was used to detect the moving speed of the crawler-type walking tractors in real time. Thirdly, the collected datas were processed by the controller. The effects of the detection delay on the effect of the spraying were reduced by the cooperation of each module. The laboratory test results showed that the spray range and spray width of the device in 3 spray modes were in line with the quality requirements of plant protection machinery. The spray amount for one operation was 72-190 L/hm2, which met the requirements of the low dose spray. The ultrasonic sensor was arranged at 0.8m in front of the spraying rod, when the working speed of the crawler-type tractor was not more than 8 km/h, it effectively reduced the target error caused by the delay of signal detection and processing, and the target precision was 99.7%, which was in line with the design requirements. Orthogonal experimental design method was used in field experiments, the effects of vehicle speed, air supply intensity and sprinkler-to-canopy distance on spraying efficiency were investigated by establishing L9(34) orthogonal experimental design table. The results of spraying in vertical spraying mode and 45° tilt spraying mode showed that the average droplet coverage on the canopy surface was 82.5% and 78.7%, respectively, and the droplet deposition density was 109 and 106 droplets/cm2, respectively; the average droplet coverage in the canopy was 16.1% and 30.6%, respectively, and the droplet deposition density was 35 and 64 droplets/cm2, respectively. The spraying effects met the requirements of national standards.

spraying; sensors; automatic target; orchards; hilly and mountainous areas; multi-orientation automatic spray; orthogonal test

馬 馳，李光林，李曉東，黃小玉，宋 杰，楊士航. 丘陵山地柑橘果園多方位自動(dòng)噴藥裝置研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(3)：31－41. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.03.005 http://www.tcsae.org

Ma Chi, Li Guanglin, Li Xiaodong, Huang Xiaoyu, Song Jie, Yang Shihang. Development of multi-orientation automatic spraying device for citrus orchards in hilly and mountainous areas [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(3): 31－41. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.03.005 http://www.tcsae.org

2018-06-27

2019-01-05

重慶市科委重點(diǎn)項(xiàng)目（CSTC2014XXKfB0073、csk2016shmszx80018）

馬馳，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)闇y試與傳感技術(shù)。Email：274266270@qq.com

李光林，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)閭鞲衅髋c智能檢測。Email：liguanglin@swu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.03.005

S224.3

A

1002-6819(2019)-03-0031-11