毛竹林植保無人機噴粉掛件裝置設計與試驗*

林峰銘

（福建三明林業(yè)學校，福建 三明 365001）

0 引言

毛竹（Phyllostachys Edulis）是生長速度快、經(jīng)營效果好、產(chǎn)量高的可再生植物資源，深受林農(nóng)喜愛。福建地區(qū)屬亞熱帶季風氣候，適于竹類植物的生長，竹林面積居全國首位，已成為福建省重要的森林資源之一，為農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益，發(fā)展竹業(yè)經(jīng)濟已成為山區(qū)經(jīng)濟快速增長、山區(qū)農(nóng)民脫貧致富的重要途徑。然而，近年來由于片面強調(diào)集中連片，竹林面積不斷擴大，且毛竹林生態(tài)系統(tǒng)受到人為破壞，其蟲害日趨嚴重，其中剛竹毒蛾、蝗蟲是毛竹林的主要食葉害蟲，影響了竹產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。目前，竹林在蟲害防治方面主要采用地面裝備進行人工防治，因竹林地面積大、丘陵山區(qū)地形地貌復雜、地勢不平坦等因素，人工作業(yè)不僅勞動強度大、作業(yè)時間長，而且容易導致作業(yè)人員藥物中毒和噴施程度不均勻等現(xiàn)象，達不到預期效果[1-2]。無人機（Unmanned Aerial Vehicle）防治作為一種新型農(nóng)業(yè)技術，其作業(yè)不受地形限制，具有操作靈活、作業(yè)速度快、安全可靠、工作效率高、覆蓋密度均勻、防治效果好等優(yōu)點，特別適合在竹林中應用[3]。

針對福建省竹林地面不斷擴大、丘陵山區(qū)地形地貌復雜、竹林分布狀況繁雜等情況，結(jié)合毛竹林無人機防治技術操作靈活、作業(yè)速度快、工作效率高、防治效果好、操作便利等優(yōu)點，筆者研發(fā)了一種與無人機平臺相配套的毛竹林無人機噴粉掛件裝置。對噴粉掛件裝置進行設計與試驗分析，以期為毛竹林無人機防治技術和噴粉掛件裝置設計提供技術參考。

1 總體結(jié)構與工作原理

1.1 無人機噴粉掛件裝置總體結(jié)構

無人機噴粉掛件裝置以無人機作為動力平臺，由噴粉掛件裝置和控制設備組成總體結(jié)構，如圖1所示[4]。無人機平臺采用六旋翼無人機（型號：SH-X6-10B），噴粉掛件裝置和控制設備機載部分固定在無人機平臺上。無人機噴粉掛件裝置的主要設備由部件藥箱、粉料入口、舵機、渦輪殼、防護罩、粉料出口等組成，如圖2所示。

1.2 工作原理

作業(yè)時，將藥粉從粉料入口裝入藥箱，藥箱進料口處設置入口擋板12和進料調(diào)節(jié)板13，如圖3所示，通過遙控器控制電機轉(zhuǎn)動，使電機帶動電機轉(zhuǎn)桿轉(zhuǎn)動從而帶動風扇葉轉(zhuǎn)動，風扇葉在起風室內(nèi)旋轉(zhuǎn)，使出粉室內(nèi)形成氣流。當需要調(diào)節(jié)進粉量時，驅(qū)動舵機，使得入口擋板和進料調(diào)節(jié)板所形成的進料間隙變大，從而使藥粉依次經(jīng)過進粉槽和入粉室，隨后藥粉進入出粉室后被氣流吹出裝置，再利用無人機旋翼產(chǎn)生的下旋氣流將藥粉飄散到植株表面上，從而達到殺死病蟲的目的[5]。

圖3 無人機噴粉裝置進粉口控制結(jié)構

2 關鍵結(jié)構設計及技術效果

2.1 進粉口控制結(jié)構

本結(jié)構設計意圖是，該設備使已裝入藥箱的藥粉不被噴粉裝置吹出，還可以調(diào)節(jié)進粉量。不同農(nóng)作物所需要的藥粉量不同，不同林區(qū)植物覆蓋率也有所差異，單純不具有調(diào)節(jié)功能的進粉口，無法滿足多種使用需求。因此，設計出一款能適用于多種情況、靈活控制進粉量的噴粉進粉控制裝置。

本結(jié)構的主要應用原理是，藥粉從進料口22進入噴粉裝置內(nèi)部，當需要調(diào)節(jié)進粉量時，通過用電線連接在無人機上的電池，驅(qū)動舵機17，舵機的活動端旋轉(zhuǎn)帶動擺臂16內(nèi)推（或外拉）推拉桿14，從而推拉桿帶動進料調(diào)節(jié)板13，使得入口擋板12和進料調(diào)節(jié)板所形成的進料空隙變?。ㄗ兇螅?。其中，利用旋轉(zhuǎn)型舵機作為驅(qū)動源，體積小，重量輕，占用空間少，增設安裝座15，以使得進料調(diào)節(jié)板的活動高度與現(xiàn)有舵機的活動端高度適配，保證整個旋轉(zhuǎn)推動過程順暢平穩(wěn)。如圖3所示。

2.2 藥粉防結(jié)塊結(jié)構

本結(jié)構設計意圖是，噴粉裝置中主要是通過電機帶動風扇葉旋轉(zhuǎn)，將藥粉吹送至出料口，但由于藥粉會吸收空氣或其他物質(zhì)的水分，從而出現(xiàn)結(jié)塊現(xiàn)象，尤其在空氣潮濕的時節(jié)和地區(qū)，藥粉結(jié)塊現(xiàn)象會更嚴重，而且與粉狀的藥粉相比，結(jié)塊的藥粉更難吹送，容易堆積在風扇葉轉(zhuǎn)軸處，從而造成堵塞。因此，設計出一款能有效解決藥粉結(jié)塊、不易吹送問題的防結(jié)塊裝置。

本結(jié)構的主要應用原理是，當藥粉從進粉接頭進入噴粉裝置內(nèi)部，電機提供動力將藥粉往外吹送，完成噴粉工作。其中，針對藥粉結(jié)塊問題，當藥粉塊從進粉接頭的內(nèi)壁上端往下掉時，會首先撞擊到散粉板27散成小團塊，利用藥粉下落必然存在的撞擊散粉板完成第一步打散。然后從散粉板27上分流后繼續(xù)往下掉，攪拌軸28在電機的帶動下，不斷旋動將小團塊藥粉進一步打散，使得藥粉均勻散開，因此，利用電機驅(qū)動攪拌軸敲擊藥粉完成第二步打散。與直接在旋轉(zhuǎn)軸上連接攪拌軸相比，增設連接座30作為過渡件，使得攪拌軸與旋轉(zhuǎn)軸的安裝更加方便快捷，且連接穩(wěn)固。整體裝置在藥粉下落的路徑上設計了兩重打散，結(jié)合實際情況利用了自然重力，實用性強；結(jié)構簡單，成本低，防結(jié)塊效果好。如圖4所示。

圖4 噴粉裝置防結(jié)塊結(jié)構示意圖

2.3 噴粉風機防抖結(jié)構

本結(jié)構設計意圖是，噴粉裝置采用電機帶動風扇葉旋轉(zhuǎn)，將藥粉打散后從出料口撒出，但由于電機旋轉(zhuǎn)軸處于懸空狀態(tài)，且安裝有風扇葉，風扇葉旋轉(zhuǎn)時兩側(cè)扇葉壓強不同，風扇葉兩側(cè)會抖動，從而對與風扇葉連接的電機旋轉(zhuǎn)軸也造成一定傷害，還會導致無人機整體飛行的不平穩(wěn)。因此，設計出一款能有效解決風扇葉和電機抖動問題的防抖結(jié)構。

本結(jié)構的主要應用原理是，藥箱6內(nèi)的粉料，由進料口進入噴粉裝置，驅(qū)動電機提供動力帶動風扇葉旋轉(zhuǎn)，將粉料向外吹送，完成對農(nóng)作物的噴粉工作。設計中使電機旋轉(zhuǎn)軸處于懸臂狀態(tài)下，在噴粉過程中增設鎖緊螺母34，通過其將電機和箱體連接，電機旋轉(zhuǎn)軸兩端均有著力點，當風扇葉旋轉(zhuǎn)時由于兩側(cè)扇葉壓強不同而抖動時，箱體的上下兩側(cè)均能承受抖動力，受力均勻，從而有效解決了以往設計中整體裝置容易抖動的問題。設置有保護電機的保護罩19，以適應無人機授粉常在野外作業(yè)的特性，有效地避免了驅(qū)動裝置被樹枝、沙石直接刮傷或撞擊的情況，提高電機的使用壽命。噴粉裝置保護罩上設置有多個散熱通槽36，在進行保護的同時，結(jié)合電機工作時會產(chǎn)生熱量的情況，設計的通槽保證電機所產(chǎn)生的熱量能迅速散發(fā)出去，散熱良好。軸承33采用深溝球軸承，非常耐用，無須經(jīng)常維護，且摩擦系數(shù)小，既不影響電機的正常轉(zhuǎn)動，又能限制住其轉(zhuǎn)動軸的抖動，極好地保證了轉(zhuǎn)動軸運動的平穩(wěn)順暢。因此，整體裝置安裝和拆卸方便，且結(jié)構簡單、成本低，防抖動效果好，確保了噴粉過程中無人機和噴粉裝置的運動平穩(wěn)，對整體裝置和無人機的保護效果好。如圖5所示。

圖5 噴粉裝置風機防抖剖視圖結(jié)構

3 試驗

3.1 試驗條件

試驗地位于三明市永安市貢川鎮(zhèn)，毛竹林分布在平均海拔600米以上，毛竹林立竹度為1 800~2 300株/公頃。

3.2 研究內(nèi)容

1）試驗時間：2021年4月20日開始防治試驗，清晨6–9時，飛行高度h=3米（距竹林冠層），飛行速度v=10米/秒。

2）試驗材料：采用六旋翼植保無人機（型號SHX6-10B）、噴白僵菌粉劑（用量為2千克/公頃）。

3）試驗方法：考察六旋翼無人機噴粉防治與人工防治毛竹剛竹毒蛾的效果及效率。

3.3 結(jié)果與分析

六旋翼植保無人機噴粉裝置防治藥劑使用量是人工作業(yè)防治的用藥量的一半，節(jié)約了藥劑。六旋翼植保無人機噴粉裝置的速度是人工作業(yè)防治速度的6倍，工作效率有很大的提高。目前，城市化進程加快，農(nóng)村勞動力流失，特別在基層林業(yè)的用人情況較為緊張，六旋翼植保無人機噴粉裝置對毛竹林剛竹毒蛾的防治工作，有利于緩解人力資源短缺的壓力?？茖W技術手段不斷更新，六旋翼植保無人機的續(xù)航能力逐漸加強，更具有實用性，使六旋翼植保無人機在毛竹病蟲害防治中的應用更加可靠科學，同時解決了地形條件惡劣導致工作人員無法進行正常防治工作的問題。剛竹毒蛾防治效率表如表1所示。

表1 剛竹毒蛾防治效率表

4 結(jié)語

本課題設計的植保無人機噴粉裝置能夠很好地解決人工作業(yè)勞動強度大、作業(yè)時間長、容易引起作業(yè)人員藥物中毒及噴施程度不均勻等問題。通過試驗證明，植保無人機噴粉掛件裝置能保證毛竹植株防治更均勻施撒藥粉，能夠適應竹林地多種復雜的地形，提高防治效率，降低人工勞動強度，提升機械化水平，減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，推動農(nóng)業(yè)智能化和自動化發(fā)展。