王繼環(huán)，趙春江,2,4，王　秀，馮青春，鄒　偉，謝新華

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 楊凌　712100;2.國(guó)家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心，北京　100097;3.國(guó)家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，北京　100097;4. 農(nóng)業(yè)部 農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100097)

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一種模擬旋翼飛機(jī)農(nóng)藥?kù)o電噴灑沉積裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王繼環(huán)1，趙春江1,2,4，王秀3,4，馮青春3,4，鄒偉3,4，謝新華3

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 楊凌712100;2.國(guó)家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心，北京100097;3.國(guó)家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，北京100097;4. 農(nóng)業(yè)部 農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100097)

摘要：在農(nóng)業(yè)植保領(lǐng)域中，航空噴霧技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用具有廣闊的前景，特別是無(wú)人直升機(jī)噴霧具有高效、節(jié)水、優(yōu)質(zhì)、全能、安全及便利等優(yōu)點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)噴霧技術(shù)對(duì)地形要求較高、作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、作業(yè)面積小、傷害作物，以及人員中毒風(fēng)險(xiǎn)較高等缺點(diǎn)。為此，研究了一種模擬旋翼飛機(jī)的農(nóng)藥噴灑沉積測(cè)定裝置，其行進(jìn)速度和噴桿高度均可以調(diào)節(jié)，充電電壓可以調(diào)節(jié)，也可進(jìn)行模擬PWM恒壓變量噴霧的測(cè)試，且可對(duì)旋翼飛機(jī)的農(nóng)藥噴灑過(guò)程進(jìn)行模擬。同時(shí)，進(jìn)行了模擬無(wú)人靜電噴霧試驗(yàn)，并對(duì)沉積效果進(jìn)行了測(cè)試和比較。

關(guān)鍵詞：精準(zhǔn)施藥；無(wú)人直升機(jī)；靜電施藥;試驗(yàn)臺(tái)

0引言

作物生長(zhǎng)和保護(hù)是提高農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)率的一個(gè)重要組成部分。農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)化學(xué)農(nóng)藥噴灑過(guò)程中化學(xué)藥品的巨大損耗和隨之而來(lái)的環(huán)境污染，常常是由于常規(guī)殺蟲(chóng)劑脫靶的漂移沉積造成，通常通過(guò)帶電噴霧來(lái)減少這些漂移。傳統(tǒng)的噴霧，有時(shí)只有20%的噴霧藥液到達(dá)目標(biāo)[1]。由于植保成本增加及農(nóng)藥對(duì)于環(huán)境污染引起民眾的廣泛關(guān)注，需要一種提高常規(guī)農(nóng)藥噴霧效率應(yīng)用方法。荷電噴霧的農(nóng)業(yè)應(yīng)用對(duì)液滴運(yùn)輸過(guò)程控制加強(qiáng)，且提高沉積和減少浪費(fèi)。采用靜電噴灑，應(yīng)用的效率可以提高到80%，并且減少了50%噴灑化學(xué)成分的使用[2]。靜電作用對(duì)小液滴比重力更突出，因此，噴霧液滴的靜電充電提供一種改進(jìn)的沉積方式以減少漂移[3]。此外，一些昆蟲(chóng)，如棉鈴蟲(chóng)(瓜蚜)一般都在植物的隱蔽側(cè)，如果能夠使用精準(zhǔn)定位的施藥手段，可以在滅蟲(chóng)工作中減少人力物力的使用[4]。另一方面，由于氣候的變化，農(nóng)林病蟲(chóng)草害發(fā)生情況逐步呈現(xiàn)擴(kuò)大趨勢(shì),病蟲(chóng)常常爆發(fā)性、 突發(fā)性的出現(xiàn)。航空無(wú)人機(jī)噴霧技術(shù)可用于大型農(nóng)場(chǎng)、草原、大面積及森林等農(nóng)作物的防治工作[5]，具有全地形均可使用、作業(yè)時(shí)間短、作業(yè)面積大、對(duì)作物無(wú)傷害、使用遙控操作及降低中毒風(fēng)險(xiǎn)性等優(yōu)點(diǎn)，是其他植保機(jī)械無(wú)法替代的[6]。駕駛農(nóng)用飛機(jī)通常用于大范圍連片的土地,而對(duì)于小范圍地塊的利用率較低，效率不高，如采用無(wú)人機(jī)的方式，可以遠(yuǎn)程控制或基于預(yù)編程自主飛行，可收到較好的植保效果[7]。目前在我國(guó)，無(wú)人直升機(jī)航空施藥的研究才剛剛起步，由于在一些地方實(shí)際飛行申請(qǐng)較為困難，考慮實(shí)際使用無(wú)人直升機(jī)成本與安全性，筆者研發(fā)了一種模擬旋翼飛機(jī)噴灑沉積裝置，方便進(jìn)行旋翼飛機(jī)的前期模擬研究沉積試驗(yàn)；同時(shí)根據(jù)靜電施藥原理進(jìn)行了直升機(jī)靜電噴灑試驗(yàn)，且分析了靜電施藥在旋翼飛機(jī)施藥上的沉積效果[8]。

1靜電施藥平臺(tái)的設(shè)計(jì)

1.1旋翼飛機(jī)模擬的原理

采用工業(yè)風(fēng)扇模擬旋翼飛機(jī)的向下風(fēng)送過(guò)程：采用進(jìn)口的一體整體4m長(zhǎng)的無(wú)油滑軌作為移動(dòng)軌道；風(fēng)扇與噴頭整體位于同一橫桿上，橫桿的兩端固定在兩處滑塊上，整體可以伴隨滑塊的移動(dòng)而沿著滑軌移動(dòng);噴頭置于風(fēng)扇下方，沿著風(fēng)送方向進(jìn)行噴灑作業(yè)。

1.2平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

測(cè)試平臺(tái)外設(shè)置有藥液箱，可以通過(guò)進(jìn)藥管道接噴泵的入口，采用12V直流供電穩(wěn)壓泵提供恒定壓力;水泵的流出通過(guò)三組電磁閥PWM控制管路開(kāi)閉[9]，進(jìn)入噴頭，噴頭組的上方有直徑750mm的工業(yè)風(fēng)扇，下方正對(duì)第一個(gè)噴頭。風(fēng)扇與噴頭形成一個(gè)整體，固定在一移動(dòng)桿上，移動(dòng)桿為鋁型材，兩端固定在兩個(gè)滑塊上；兩滑塊分別在兩條相互平行的導(dǎo)軌上；導(dǎo)軌總長(zhǎng)4m，整體為鋁型材框架便于移動(dòng)。移動(dòng)桿通過(guò)同步帶與軸相連，采用伺服電機(jī)作為動(dòng)力輸出裝置。使用可編程邏輯控制器控制移動(dòng)環(huán)節(jié)與移動(dòng)參數(shù)預(yù)先設(shè)置，同時(shí)可以進(jìn)行脈寬調(diào)制通過(guò)控制電磁閥的開(kāi)閉控制流出流量。加有靜電噴頭，可以模擬靜電施藥過(guò)程，實(shí)現(xiàn)多種組合噴霧的模擬[10]。

如圖1所示，移動(dòng)部分主要包括無(wú)油滑軌、滑塊、霍爾傳感器、同步帶、夾塊及軸。其中，限位傳感器安裝在兩側(cè)，主要是用于滑塊的限位；行走部件采用伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，行走的速度靠電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變；電機(jī)與滑塊靠同步帶連接，由同軸保證兩側(cè)滑塊移動(dòng)同步，因此當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可以保證藥液噴施部件移動(dòng)速度與預(yù)定相同；可以通過(guò)觸摸屏調(diào)節(jié)速度，也可以通過(guò)控制盒上實(shí)體按鍵進(jìn)行控制。如圖1、圖2所示，藥液噴施部件主要由可調(diào)速風(fēng)扇、藥液箱、泵、靜電噴頭、藥液管及藥液控制電磁閥構(gòu)成。噴頭固定在噴頭固定桿上，噴頭的位置與橫向間距可以調(diào)節(jié)；藥液由藥液箱流出，經(jīng)過(guò)恒壓泵，到達(dá)噴頭；上方的模擬旋翼的風(fēng)扇產(chǎn)生定風(fēng)場(chǎng)向下，液滴在原始的液體壓力與風(fēng)的共同作用下加速吹向靶標(biāo)；加靜電環(huán)電壓開(kāi)啟的情況下，液滴會(huì)通過(guò)靜電環(huán)中心的靜電場(chǎng)成為帶電霧滴[11]。

1.霍爾傳感器　2.無(wú)油滑軌1　3.進(jìn)水管　4.滑塊1　5. 鋁型材桿　6.藥液控制電磁閥　7.風(fēng)扇支架　8.同步帶　9.軸　10.電機(jī)同步帶

26.夾塊　27.風(fēng)扇支架　28.噴頭支架　29.軸承座

1.3液體管路風(fēng)送及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液體管路經(jīng)藥液箱連通過(guò)恒壓泵，管路上有壓力經(jīng)過(guò)分路后到達(dá)3個(gè)不同的電磁閥，靜電噴頭固定在鋁型材上。3組電噴頭，中間一組位于風(fēng)扇正下方，其余兩組在其正下方垂直于無(wú)油滑軌的左右部分。整個(gè)平臺(tái)主體框架采用60mm×40mm鋁型材制成，減輕了整體的質(zhì)量，更加易于移動(dòng)和拆卸。鋁型材上方，滑塊的移動(dòng)依靠中部的夾塊與同步帶驅(qū)動(dòng)，同步帶與軸相連，軸上布置的齒輪與同步帶相連，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。整個(gè)系統(tǒng)的高壓部分由高壓線、0～100kV可調(diào)高壓靜電發(fā)生器及靜電噴頭共同組成，采用12V開(kāi)關(guān)電源為電磁閥，靜電發(fā)生器供電。風(fēng)送系統(tǒng)由風(fēng)扇系統(tǒng)構(gòu)成，風(fēng)扇支架、風(fēng)扇及控制盒，控制盒中可編程邏輯控制器經(jīng)過(guò)變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速?？刂茊卧疽鈭D如圖3所示。其以PLC作為其主動(dòng)控制單元核心，控制器可以控制電磁閥的開(kāi)閉及藥液泵的啟停。風(fēng)扇的啟停，還可以設(shè)置滑塊的移動(dòng)速度。通過(guò)電磁閥的開(kāi)閉頻率可以得到一個(gè)合適的占空比與開(kāi)閉頻率達(dá)到模擬PWM噴霧的效果。通過(guò)觸摸屏或者控制盒上面的手動(dòng)開(kāi)關(guān)可以設(shè)置移動(dòng)參數(shù)與電磁閥開(kāi)閉參數(shù)。限位傳感器作為一種控制器件，當(dāng)其到達(dá)該位置時(shí)停止移動(dòng)。伺服電機(jī)位于型材左上方，固定于固定板上 ，通過(guò)同步帶與軸相連，軸同時(shí)在兩側(cè)，用以定位同步帶?？刂坪信c電磁閥相連，通過(guò)PWM進(jìn)行流量靜電噴頭的流量控制，控制風(fēng)扇的速度與開(kāi)關(guān)，整體噴頭與風(fēng)扇的行程控制與速度控制均由控制盒控制?？刂坪兄杏|摸屏可以設(shè)置行進(jìn)速度，在0～6m/s內(nèi)可進(jìn)行調(diào)節(jié)，在行程的兩側(cè)均有限位開(kāi)關(guān)。 上面所述試驗(yàn)臺(tái)下方有行走輪，中控制裝置由開(kāi)關(guān)電源、可編程邏輯控制器及速度控制裝置共同構(gòu)成其控制裝盒[12]。

圖3　控制系統(tǒng)示意圖

2噴灑測(cè)定試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)前準(zhǔn)備

將6個(gè)行走輪水平置于地面的合適試驗(yàn)位置，保證其在水平后將地輪鎖好，藥箱加灌好藥液；選用羅丹明溶液(熒光測(cè)定劑)與自來(lái)水(采自北京市精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)示范基地)的混合溶液；以羅丹明混合溶液作為示蹤劑跟蹤檢測(cè)各樣本上中藥液沉積量；使用量杯量取50mL羅丹明溶液加入5L自來(lái)水中，倒入藥液箱中，重復(fù)2次；將10L混合溶液使用玻璃棒攪拌均勻后，倒入藥液桶作為試驗(yàn)藥液。選用Turner Designs公司生產(chǎn)的Trilogy分光光度儀測(cè)定試驗(yàn)樣品的濃度值[13]。

2.2試驗(yàn)條件

2014年6月30日，在國(guó)家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心小湯山精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)基地進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，環(huán)境溫度 28℃～ 30℃;環(huán)境濕度 55% ， 風(fēng)力1～2級(jí)，噴頭行進(jìn)速度1m/s 噴頭高度距離地面1m，風(fēng)扇風(fēng)速4.7m/s。此時(shí)，靜電電壓調(diào)節(jié)至30kV，選用TXVK-6型噴頭作為施藥噴頭。采用占空比為1的頻率，即噴頭全開(kāi)的情況，液泵壓力恒定為0.2MPa。試驗(yàn)前，選擇高壓靜電源的電壓，設(shè)置好噴頭中靜電環(huán)是否帶靜電(若測(cè)試靜電噴霧，需將模擬植株與大地短接，保證植株在試驗(yàn)期間不帶電荷)，調(diào)整噴頭間間距位置，在觸摸屏上設(shè)置好預(yù)期移動(dòng)速度、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速及電磁閥頻率占空比等。

2.3水平沉積試驗(yàn)

風(fēng)扇中心位置下方放置3個(gè)噴頭，中心的噴頭位于風(fēng)扇正下方，其余兩個(gè)噴頭位于中心噴頭兩側(cè)各距離中心噴頭50cm的位置。水平沉積試驗(yàn)，如圖4所示。其采用直徑90mm的圓形濾紙作為靶標(biāo)收集裝置，固定于地面防止其翻轉(zhuǎn)；第1張位于風(fēng)扇中心正下方其余均分布其兩側(cè)，間隔25cm，總共布置11個(gè)點(diǎn)。由風(fēng)扇開(kāi)關(guān)及靜電電源開(kāi)關(guān)總共4種情況進(jìn)行作業(yè)[14]。

圖4　水平沉積試驗(yàn)

植株試驗(yàn)：在地面噴桿經(jīng)過(guò)的范圍下方按照需求不同位置、不同高度放置好靶標(biāo)，靶標(biāo)選用兩株中心桿高60cm的拔節(jié)期玉米作為靶標(biāo)，如圖5所示。直徑9cm的濾紙固定在葉片表面(正反面)作為靶標(biāo)收集噴灑出來(lái)沉積溶液的裝置，采用回形針固定于葉片中心位置，并且每一株值選取由下向上第2、第3和第4片葉子。液滴由噴頭滴落到葉面上的濾紙上,由此作為藥液收集用。植株采用導(dǎo)線接地，保證植株與大地之間保持同一電勢(shì)。

圖5　植株試驗(yàn)

2.4試驗(yàn)過(guò)程

開(kāi)啟泵電源開(kāi)關(guān)啟動(dòng)泵，操作人員通過(guò)遙控(或手動(dòng))噴霧桿啟動(dòng)作業(yè)后，噴霧桿裝置會(huì)在帶的帶動(dòng)下移動(dòng)，一邊移動(dòng)一邊進(jìn)行藥液噴灑。啟動(dòng)時(shí)，風(fēng)機(jī)、電機(jī)和電磁閥自動(dòng)開(kāi)啟且噴藥過(guò)程中會(huì)按設(shè)定的風(fēng)速和移動(dòng)速度而運(yùn)動(dòng)，直到到達(dá)限位點(diǎn)后完成一次噴施作業(yè)。試驗(yàn)前，植株在中間且植株中心均距離移動(dòng)中心線20cm，此時(shí)噴霧桿準(zhǔn)備沿著一個(gè)方向移動(dòng)，經(jīng)過(guò)短時(shí)間加速后達(dá)到預(yù)定工作狀態(tài)；噴頭在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中一直向下噴灑霧滴；風(fēng)扇送風(fēng)模擬直升機(jī)旋翼所產(chǎn)生的風(fēng)場(chǎng)，當(dāng)通過(guò)模擬植株時(shí)，液滴灑落在區(qū)域中，落入葉片上相應(yīng)面積的液滴被濾紙所吸收；噴桿繼續(xù)前進(jìn)，直至到達(dá)限位點(diǎn)處停止移動(dòng)，關(guān)閉風(fēng)扇、泵和靜電電源[15]。

3試驗(yàn)結(jié)果

第1組水平沉積試驗(yàn)可得到在水平層次上的霧滴沉積，分布情況如表1、表2所示，其不同工作條件下沉積的情況如圖6～圖9所示，整體的沉積平均值情況對(duì)比已由圖10列出。

表1　水平沉積分布統(tǒng)計(jì)

沉積結(jié)果：經(jīng)還原后溶液熒光素濃度(μg/L)。

表2　水平分布結(jié)果分析

圖6　旋翼開(kāi)靜電關(guān)情況沉積

圖7　旋翼關(guān)靜電開(kāi)情況沉積

圖8旋翼關(guān)靜電關(guān)情況沉積

Fig.8Deposition of air-assisted off and charged-off

圖9　旋翼開(kāi)靜電開(kāi)情況沉積

圖10　水平沉積分布情況

由平均值可以得出：當(dāng)風(fēng)扇打開(kāi)時(shí)，相對(duì)于風(fēng)扇關(guān)閉時(shí)其漂移明顯減少。其中，有風(fēng)無(wú)電漂移增加47.4%，無(wú)風(fēng)有電情況下增加16.8%，有風(fēng)有電情況下漂移增加36.2%。靜電在無(wú)風(fēng)情況下會(huì)導(dǎo)致霧滴粒徑更小，在無(wú)風(fēng)送情況下導(dǎo)致漂移增大，但是漂移情況增加并不大。當(dāng)旋翼風(fēng)送的情況下，降低了11.2%的漂移量，表明在無(wú)人機(jī)施藥情況下加入靜電可以顯著減少漂移。

由變異系數(shù)可以看出：當(dāng)加風(fēng)送后，變異系數(shù)明顯降低；有風(fēng)無(wú)電變異系數(shù)減少了39.8%，無(wú)風(fēng)有電情況下變異系數(shù)降低12.8%，有風(fēng)有電情況下降低28.3%。第2組植株試驗(yàn)中根據(jù)風(fēng)送中加靜電與不加靜電經(jīng)行對(duì)比，兩株玉米每株的三葉片按從下向上分別編號(hào)，第一株由下向上分別為1、2、3，第2株由下向上分別為4、5、6。由此標(biāo)出植株葉片沉積分布如圖6所示。

圖11　植株試驗(yàn)靶標(biāo)沉積情況分布

由測(cè)試結(jié)果可以得到：加靜電的背面沉積大幅度提高，普通情況下在單位面積沉積時(shí)，背面的沉積加大，其葉片兩面的沉積更加均勻[16]。

此次試驗(yàn)對(duì)葉面背部沉積效果的影響靜電噴霧背面沉積效果明顯優(yōu)于不帶靜電的霧滴；平均背面沉積提高162%，背面沉積效果提升明顯；葉面總體沉積率提高4%。

4結(jié)論

1)風(fēng)送式噴霧，特別是旋翼產(chǎn)生的向下的風(fēng)場(chǎng)能夠提高霧滴的穿透性且能夠使得霧滴沉積更加均勻。

2)旋翼送風(fēng)由于風(fēng)會(huì)造成較大的霧滴側(cè)面漂移。

3)靜電噴灑能夠提高旋翼飛機(jī)噴灑的抗漂移能力。

4)靜電噴霧能夠使得旋翼飛機(jī)噴灑中植株葉片背面藥液沉積顯著提高。

5)靜電施藥與旋翼飛機(jī)風(fēng)送的結(jié)合使用，使農(nóng)藥的利用效率得到了增加，降低了施藥成本，減少了農(nóng)藥環(huán)境的污染，提高了施藥效果。

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Design and Test of an Analog Rotorcraft Electrostatic Spraying Pesticide Deposition Apparatus

Wang Jihuan1， Zhao Chunjiang1,2,4， Wang Xiu3,4, Feng Qingchun3,4, Zou Wei3,4, Xie Xinhua3,4

(1.College of Mechanical and Electronic Engineering，Northwest A & F University，Yangling 712100，China;2.National Engineering Research Center for Information Technology in Agriculture, Beijing 100097,China;3.National Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing 100097,China;4.Key laboratory of Agri-informatics, Ministry of Agriculture, Beijing 100097,China)

Abstract：Aerial spraying technology in crop protection field the has promising prospects, especially unmanned helicopter spraying is an efficient, water-saving, high-quality, all-round, safety, convenience way for farmers. In order to overcome the traditional spray technology limits, like terrain restriction, short operating time, small operating area, damage crops. While the direct operating persons may under the higher risks of poisoning. In this paper, an analog rotorcraft pesticide spray deposition measuring device, wherein the traveling speed and boom height can be adjusted, the charging voltage can be adjusted, but also for analog PWM constant pressure variable spray added. Rotorcraft for pesticide spraying process was simulated, while simulated unmanned electrostatic spraying, and deposition effects were tested and compared.

Key words：precise spray; unmanned helicopter; electrostatic spray; test-bed

文章編號(hào)：1003-188X(2016)01-0095-06

中圖分類號(hào)：S252+.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：王繼環(huán)(1989-)，男，陜西安康人，碩士研究生，(E-mail)wangjihuan@21cn.com。通訊作者：趙春江(1964-)，男，河北定興人，研究員，博士， (E-mail) zhaocj@nercita.org.cn。

基金項(xiàng)目：國(guó)家“863計(jì)劃”項(xiàng)目(2013AA102406)

收稿日期：2015-03-02