多态自动对靶风送式喷雾试验台的设计与试验

设计1种集传感器探测技术、电子信息技术和风送式喷雾技术于一体的多态自动对靶喷雾试验台。该试验台主要由机架、风送系统、探测及其控制决策系统、药液管路系统和组合喷头喷洒执行机构等组成。对关键部件进行设计仿真，以获得最佳设计方案;设计控制多组合喷头的控制决策算法，实现多态自动对靶喷雾;进行喷雾性能的对比试验。结果表明，设计的多态自动对靶喷雾试验台，可以实现对不同冠层宽度靶标的多状态喷雾，作业效果良好，雾滴沉积量比普通风送式喷雾提高了34.07%，变异系数降低了25.60%;多态自动对靶风送喷雾相较于普通风送式喷雾的綜合省药率大于20%，从而提高了农药的利用率，降低了农药残留量。

关键词：组合喷头;果园;多态喷雾;多态对靶决策

中图分类号： S491  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）13-0260-04

目前，果园植保作业仍以化学防治为主，该方法防治简便，效果明显，经济可靠，在果园水果保收、增收方面有着不可替代的地位[1]。但是，人工喷施及常规的机械喷雾有着较大缺陷：只有小部分药量能够沉积到果树冠层上，大部分农药沉积到地面，飘逸到周围环境中，造成土壤、水体污染;农药残留严重，影响果品品质[2-5]。20世纪80年代，我国引入风送式喷雾技术，利用风机风力提高了药液的穿透能力、沉积量及果园病虫害防治效果[1-2]，但是不足之处是只能按照设定的参数进行连续喷雾，不能根据果树冠层的实际参数调节喷量[4-8]。在幼小及稀疏果园中，连续喷雾会造成果树间隙无效喷雾、大量药液沉积到地面、浪费农药及环境污染等问题[7-10]。

本研究结合传感器、电子控制等现代新技术与传统的风送式喷雾技术，拟设计1种多喷头组合的多态自动对靶风送式喷雾试验台，简述其工作原理，提出并设计控制多组合喷头的控制部件;进行多喷头组合的喷量、雾滴沉积量及多态自动对靶喷雾等试验。采用决策算法，对其中关键部件进行设计仿真，以获得最优设计部件;进行多喷头组合的喷量、雾滴沉积量及多态自动对靶喷雾等试验。

1 整机结构及工作原理

1.1 整机结构

多态自动对靶喷雾试验台由机架、风送系统、探测控制系统、药液管路系统和多态组合喷头等组成（图1）。多态自动对靶喷雾试验台的系统示意见图2。

主要技术参数如下：整机尺寸为1 900 mm×980 mm×1 150 mm;配套动力为5～10 kW;药箱容积 ≥200 L;药泵流量为0～6 L/min;风机风量≥2 000 m3/h;工作幅宽≤6 m;喷药作业速度为1.5～3.6 km/h;农药有效利用率≥30%。

1.2 试验台的工作原理

机具作业时，应根据实际果园的果树行间距，设定果树行距及传感器的探测距离阈值，防止出现隔行喷雾。机具在果园行驶时（机具应行驶在果树行中间），超声波传感器不断扫描检测左右两侧的果树冠层边界，将果树冠层边界与传感器的距离、速度编码器探测机具行驶的实时速度、管路压力传感器探测的压力值等实时传输给微处理器核心数据处理单元，制定喷雾决策，从而进行多态喷雾判断。

在系统反应时间内，若传感器在设定阈值内没有检测到植株冠层，则不喷雾;若检测到植株冠层，则进行多态喷雾判断，并控制相应电磁阀动作，实现多态喷雾。

2 风送系统及多态喷头的设计

2.1 风送系统的设计

2.1.1 风量的计算 多态自动对靶喷雾风送系统采用置换原则和末速度原则来计算喷雾风量。为了扰动枝叶以提高药液的穿透性，设计的喷雾机风量应大于置换空间的空气量，如下式所示：

式中：Q为风机风量，m3;V为喷雾机速度，0.3～0.7 m/s;h为风机出风口直径，取700 mm;H为果树高低树冠之间的距离，取1 500～2 000 mm;L为喷头至果树的距离，取400～600 mm;K为气流衰减和沿途损失确定的系数，一般为1.1～1.2。

2.1.2 分配器的设计 气流分配器（图3）可以将离心风机产生的气流均匀地分配给左右两侧多个扇形出风口，可以对多喷头组合所喷出的药液进行二次雾化并胁迫吹向植株。对设计的半圆柱式气流分配器的6个圆柱形出风口进行流体（fluent）仿真，如图4所示，半圆柱式分配器腔内外压差稳定，可以提供稳定的气流，而在稳定气流胁迫雾滴运动至目标冠层的过程中，保持雾滴均匀分布，使雾滴在植株冠层沉积均匀。

2.2 药液管路系统及多态喷头的设计

多喷头组合采用上下竖直的3个喷头，应使3个组合的喷头实现全喷、2个喷头喷雾（中间位置的喷头不喷）、1个喷头喷雾（中间位置的喷头喷）、不喷4种喷雾状态，故称多态。依据上述4种喷雾状态，确定3个竖直喷雾喷头的喷雾角度α（3个扇形喷头的规格相同）及安装间距k，其中超声波传感器的两两间距H为45 cm，试验台距离冠层轮廓边缘的最近距离L为40 cm。

由上式求得：k≥15 cm，α≥58.72°。考虑到扇形喷头系列，选择扇形喷头角度为80°，流量为0.8 L/min，k取15 cm，即3个多态组合喷头的安装间距为15 cm。

3 硬件设计及控制决策

3.1 硬件设计

本研究中的距离探测传感器选用抗干扰能力强、耐污性强、不易受外界环境影响的NU112F30TR-1MD型超声波传感器，其发射频率为112 kHz，发射角度为15°，工作盲区为 20 cm，工作电压为12～24 V（直流电），输出模拟电压信号为0～5 V（直流电）。

本研究选择的增量式正交旋转编码器型号为E6B2-CWZ6C，分辨率为2 000P/R（指每圈输出2 000个脉冲），电源电压（DC，直流）为5～24 V（集电极开路输出型），输出增量式位置信息，可与STM32F10x系列MCU直接连接。在短时间内，用旋转编码器计算车体的实际速度，如式（5）所示：

式中：v为车速，m/s;n为编码器分辨率，2 000P/R;λ为旋转时间内单片机（MCU）产生的中断数;t为旋转用时，s;r为编码器自带轮半径，m。

微控制器选用STM32F103ZET6单片机，当多态自动对靶喷雾试验台在果园中行驶时，速度编码器将机体的实时速度以脉冲的形式传给STM32单片机的计数器，产生中断并计数。同时，超声波传感器不断扫描检测左右两侧的果树冠层，返回冠层距超声波传感器的距离值（以模拟电压的形式），传递到STM32单片机的内部ADC（analog-to-digital converter，模拟数字转换器）进行模数转换。单片机根据转换得到的数据，进行植株冠层的多态判断，通过相应的I/O（input/output，输入/输出）口控制电磁阀的开启及关闭，实现多态喷雾。

由于STM32单片机内部ADC接受的合适电压为0～3.3 V，而超声波传感器输出的电压为0～5 V，因此可以利用2个反向比例运算电路将电压转换为0～3.3 V，如图6所示，其中RF1=30 kΩ，R1=20 kΩ，RF2=R2=RG1=RG2=10 kΩ。

3.2 多态喷雾的控制算法

多态喷雾系统的响应时间为从超声波传感器发出信号到多态喷头执行喷雾的系统响应时间t0，如式（6）所示，可以忽略t1，则t0取112.5 ms。

式中：t0为多态喷雾的响应时间，ms;t1为超声波传感器发送接收信号的时间，0.009 ms;t2为超声波传感器的响应时间，50 ms;t3为单片机响应时间，12.5 ms;t4为电磁阀响应时间，50 ms。

因此，超声波传感器相对于多态喷头的提前安装距离应为S;试验台的最大行驶速度为1 m/s。S的理论距离为 11.25 cm，同时试验台应提前进行植株冠层喷雾，以做到试验台不漏喷，控制程序可进行一定的延时处理，在实际设计中，S为25 cm。

4 喷雾性能试验

为了测试多态自动对靶喷雾试验台的喷雾效果，进行喷雾性能设计并进行相应试验。

4.1 多态喷头的喷雾测试

试验时，启动发动机，控制柱塞的压力阀，使其等于0.3、0.4、……、0.8 MPa，用量筒测试多态喷头组合中间喷头的喷量，测试时间为60 s，整个试验共测试4次，测得的结果见表1。

4.2 多态对靶喷雾的喷量及沉积量的测定

为了测定多态自动对靶喷雾、普通对靶喷雾及普通风送式喷雾这3种喷雾方式的区别，选择果树长度为10 m的果树行，进行3种喷雾方式的喷量及雾滴沉积量对比试验。喷雾试验装置见图7，试验地点为山东农业大学8号楼，气温为 23.8 ℃。

具体试验步骤如下：（1）选用冠层直径为2.2 m、冠层高度为1.4 m的纺锤形植株作为试验用植株。用纯净水调配体积分数为0.1%（1 g/L）的甲基橙溶液作为喷雾介质。（2）根据冠层轮廓以及枝叶稀疏程度，由下到上将冠层布置为4个横截面，每个截面的间隔为450 mm，截面距离地面的高度为1.05～2.45 m。每个截面设置5个采样点，分东、西、南、北、中将直径为 70 mm 的圆形滤纸在布样点处固定。（3）调整拖拉机的功率，试验台以1.8 km/h的速度行驶，并保证柱塞泵输出压力稳定在0.6 MPa，试验台在行驶过程中，一侧用于沉积量的测定，另一侧关闭超声波传感器，去掉喷头喷芯，用于收集试验台的喷量。（4）作业完毕后，收集每层滤纸并编号记录;收集并测量出多态喷头自动对靶、普通自动对靶、连续喷雾情况下的喷雾量见表3、表4。（5）用UV-2000型分光光度计（日本岛津公司）对收回干燥后的滤纸进行甲基紫浓度测定，得出沉积量，见表2。（6）为对比多态自动对靶喷雾与普通对靶喷雾及普通风送式喷雾的喷雾量，布置不同空隙比（果树间的空隙长度和与总果树行长度之比）及体积比（各分区冠层宽度与最大冠层宽度之比的平均值）的果树行，重复步骤（3）（4）;記录具体数据，详见表3、表4。

由表2可知，当样机工作速度为1.8 km/h时，多态自动对靶喷雾比普通风送式喷雾的沉积量提高了34.07%，变异系数降低了25.60%;与普通对靶喷雾相比，沉积量提高了17.22%，变异系数降低了13.66%，喷雾效果明显。

由表3、表4可知，多态自动对靶喷雾与普通自动对靶喷雾相比，在果树相同的体积比下，随着果树行空隙比的提高，前者的省药率没有明显提高;在果树相同的空隙比下，体积比的降低可较大地提升省药率;多态自动对靶喷雾特别适合在体积比小的稀疏果园作业。

5 结论

针对稀疏果园，特别是纺锤形果园，设计1种多喷头组合的多态自动对靶系统，该系统可以针对不同宽度的冠层，执行不同的喷雾状态。

通过超声波传感器、编码器等传感器探测果树冠层宽度及试验台的相关信息，提出并设计了1种针对果树冠层宽度的多态自动对靶喷雾决策，可以控制多喷头组合针对不同的果树冠层宽度，实现了不同喷雾组合，并且喷雾方式灵活多变，控制简单可靠。

本研究设计的多态自动对靶喷雾试验台，可以实现对不同冠层宽度靶标的多状态喷药，并且作业效果良好，雾滴沉积量比普通风送式喷雾提高了34.07%，变异系数降低了 25.60%;相比于普通风送式喷雾，多态自动对靶风送喷雾比普通风送式喷雾的综合省药率大于20%，从而提高了农药的利用率，降低了农药残留量。

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