李龍龍，何雄奎※，宋堅利，王瀟楠，賈曉銘，劉朝輝

（1. 中國農(nóng)業(yè)大學理學院，北京 100193；2. 中國農(nóng)業(yè)大學工學院，北京 100083；3. 無錫市中波機械制造有限公司，無錫 214028）

基于變量噴霧的果園自動仿形噴霧機的設(shè)計與試驗

李龍龍1，何雄奎1※，宋堅利1，王瀟楠1，賈曉銘2，劉朝輝3

（1. 中國農(nóng)業(yè)大學理學院，北京 100193；2. 中國農(nóng)業(yè)大學工學院，北京 100083；3. 無錫市中波機械制造有限公司，無錫 214028）

為提高果園噴霧機自動化與精準噴霧作業(yè)性能，設(shè)計了一種基于變風量與變噴霧量的果園自動仿形噴霧機，噴霧系統(tǒng)以冠層分割模型作為變量處方，采用掃描精度高的激光傳感器作為探測源，以電磁閥和無刷直流風機為執(zhí)行元件，通過探測果樹冠層體積調(diào)節(jié)電機和電磁閥的脈寬調(diào)制（pulse width modulation，PWM）信號以實時調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速和噴頭流量。設(shè)計了可獨立調(diào)節(jié)風量和噴霧量的霧化單元，通過各個獨立風機產(chǎn)生的高速氣流協(xié)助霧滴穿透冠層；噴霧機最大作業(yè)高度4.2 m。田間試驗結(jié)果表明，在行株距為5 m×2 m的單株蘋果樹左右兩側(cè)平均沉積量分別為1.92和1.37 uL/cm2，最少霧滴數(shù)為46.2個/cm2，大于常用方法對風送噴霧中霧滴噴幅界定的20個/cm2；樹冠輪廓與沉積量和風速變化擬合結(jié)果顯示，設(shè)計的噴霧機能夠根據(jù)樹冠信息實現(xiàn)仿形變量施藥。該研究為果樹病蟲害防治提供新方法與新裝備，為精準植保機具的結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能優(yōu)化提供理論與方法參考。

噴霧；噴頭；傳感器；植保機械；精準施藥；仿形噴霧；脈寬調(diào)制；無刷風機

0 引 言

風送噴霧機是作物噴霧作業(yè)中的重要技術(shù)裝備，已經(jīng)廣泛應(yīng)用多年，有很好的應(yīng)用前景[1]。但果園風送式噴霧機在整個施藥過程中連續(xù)噴霧，極易形成農(nóng)藥飄移和流失，不僅造成嚴重的農(nóng)藥浪費和環(huán)境污染，同時還會導致農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留超標[2-3]。

農(nóng)藥精準噴霧技術(shù)是指根據(jù)作物或雜草的冠層特征實時改變噴霧參數(shù)，如調(diào)節(jié)噴頭流量和風機風量[4]，從而達到按需施藥的目的，提高農(nóng)藥有效利用率和保護環(huán)境，近年來得到了較快發(fā)展[5]。傳感器探測技術(shù)是實現(xiàn)農(nóng)藥精準噴霧的有效手段，國內(nèi)外科研人員對其進行了諸多研究。翟長遠等[6]、鄒建軍等[5]利用紅外傳感器技術(shù)建立了果樹自動對靶探測系統(tǒng)；Tumbo等[7]、Zamahn等[8]利用超聲波傳感器實現(xiàn)了對樹冠體積的測量，并研究了葉密度和行駛速度對測量結(jié)果的影響；翟長遠等[9]利用超聲波傳感器開發(fā)了靶標外形探測試驗平臺，探測精度達到90%以上。Tellaeche等[10]、Lee 等[11]、Feyaerts等[12]利用圖像傳感器探測方法對雜草進行形態(tài)特征識別，確定施藥區(qū)域。最近幾年，激光傳感器（light detection and ranging，LIDAR）作為一種高精度的探測裝置被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。Zhang等[13]、Arnó等[14]利用激光傳感器建立了作物參數(shù)測量系統(tǒng)；Keir等[15]基于激光傳感器建立了葡萄藤三維體積模型；Chen等[16]在前人研究基礎(chǔ)上設(shè)計了樹冠密度估測系統(tǒng)，指導精準施藥。

基于傳感器的樹冠探測技術(shù)為果樹精準噴霧機的研究提供了處方理論基礎(chǔ)，將現(xiàn)有的果園噴霧機與探測傳感器相結(jié)合是目前變量噴霧技術(shù)的主線，諸多學者通過超聲波、圖像傳感器技術(shù)實現(xiàn)變量噴霧[17-20]，但該類傳感器的精度受探測距離、溫濕度和運行速度影響較大[12]；Escolà等[21]設(shè)計了基于激光傳感器的變流量噴霧機，能夠減小環(huán)境和工況對探測精度的影響；Chen等[22]利用激光傳感器研制了根據(jù)樹冠需求改變噴藥量的變量噴霧機，實現(xiàn)了噴霧機單側(cè)變量施藥；Liu等[23]在Chen的基礎(chǔ)上改進為270°激光傳感器，實現(xiàn)了噴霧機兩側(cè)同時變量施藥。在國家項目支持下，國內(nèi)已經(jīng)研制出了基于不同傳感器的果園變流量噴霧機[3,24-26]。這些研究均實現(xiàn)了變流量噴霧，但多采用單個軸流風機做氣流源[27]，不能根據(jù)樹冠大小實時改調(diào)節(jié)風量，容易造成霧滴飄移。

受風機反應(yīng)速度慢、實時性不能滿足工作要求等方面的限制，既能調(diào)節(jié)風量又能調(diào)節(jié)噴霧量的噴霧機還未見報道。本文主要以紡錘形果樹為對象，激光傳感器為探測源，以提高農(nóng)藥沉積和減少飄移為目標，設(shè)計了基于冠層體積實時調(diào)節(jié)噴霧量和風量的果園自動仿形噴霧機，并進行田間試驗測試。

1 研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成

基于變量噴霧的果園自動仿形噴霧機的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和組成如圖1所示。

圖1 噴霧機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Sprayer system structure diagram

2 整機研制實施方案

2.1 噴霧機的整體結(jié)構(gòu)型式

根據(jù)國內(nèi)果園、農(nóng)機特點，考慮噴霧機作業(yè)的靈活性與經(jīng)濟性，確定變量自動仿形噴霧機整機結(jié)構(gòu)型式為牽引式，可與具有動力輸出軸的中小功率（20 kW）拖拉機牽引聯(lián)接，以標準轉(zhuǎn)速動力輸出驅(qū)動隔膜泵。為減少加藥次數(shù)，提高噴霧機的工作效率，設(shè)計噴霧機藥箱容量 1 000 L。整機總體結(jié)構(gòu)如圖 2所示，主要包括SICK-LMS111-10100激光傳感器（德國sick傳感器有限公司）、ZM10000YCE汽油發(fā)電機（上海贊馬機械制造有限公司）、AR75bp隔膜泵（意大利Annovi Reverberi有限公司）、Radar Ⅲ型地速傳感器（美國帝強公司）、藥箱、機架、風量調(diào)節(jié)系統(tǒng)、噴霧量調(diào)節(jié)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、霧化單元、變壓模塊等。為方便實現(xiàn)各功能的自動控制，系統(tǒng)電力供應(yīng)由發(fā)電機提供。整機外型尺寸為2 200 mm×1 200 mm×3 400 mm，作業(yè)最小通過間距≤3 m。

圖2 基于變量噴霧的自動仿形噴霧機總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Overall structure of automatic profiling orchard sprayer based on variable air volume and flow rate

2.2 噴霧系統(tǒng)

為提高霧滴沉積均勻性和農(nóng)藥有效利用率，噴霧裝置采用噴頭、風機組合式霧化單元[28]。每個單元前端設(shè)有5個出風口，呈弧形排列，各出風口中央配置1個扇形霧噴頭，后端通過涵道與風機聯(lián)接。霧化單元的噴頭流量和風機轉(zhuǎn)速均可獨立控制，且霧化單元與樹冠距離可調(diào)，便于出風口處的高速氣流可協(xié)助霧滴產(chǎn)生渦流穿透茂密的樹冠。與單一噴頭霧化相比，此霧化單元的噴頭、風機組合可形成 5個扇形霧化區(qū)，有利于實現(xiàn)噴霧量的局部調(diào)節(jié)。如圖3所示，噴霧機兩側(cè)各包含4個霧化單元，藥液經(jīng)隔膜泵泵出藥箱，通過分流裝置，一部分藥液進入施藥管路，另一部分流回藥箱進行回流攪拌。進入施藥管路的藥液經(jīng)過二級分流器再次分流成40路，經(jīng)電磁閥輸送到每個噴頭。設(shè)計的噴霧工作壓力為0.3 MPa。

圖3 噴霧機噴霧系統(tǒng)Fig.3 Spray system of sprayer

2.3 冠層分割模型

根據(jù)果樹冠層分布特點，以同時實現(xiàn)局部調(diào)節(jié)風量和噴霧量為目標設(shè)計變量噴霧模型。傳感器激光源發(fā)射的激光到達樹冠表面反射后被接收，視為一個有效激光點，系統(tǒng)自動計算該點到激光傳感器的距離和掃描角度，根據(jù)公式（1）確定樹冠上某點到樹干中心的水平距離。如圖4b，對于P點，該點到樹干中心水平距離為：

式中Wp為P點到樹干中心水平距離，m；D為激光傳感器與樹干中心距離，m；dP為點P到激光傳感器的距離，m；θ為點P的掃描角度，（o）。

模型采用累積計算法[22]，如圖4a所示，激光傳感器沿Z軸方向，從樹冠輪廓的左側(cè)開始掃描（k=1）到右側(cè)（k=n）結(jié)束，每掃描5次記為一個橫向分割單元，相鄰2次掃描之間的水平距離取決于激光傳感器的運行速度和掃描頻率。為提高靶標的掃描精度，激光傳感器參數(shù)設(shè)置為掃描頻率50 Hz，角分辨率0.25°。

樹冠縱向分割單元高度為0.15 m，結(jié)合傳感器橫向分割計算方法，冠層可近似等效為若干個體積為 0.15 S·Wi的長方體，每個長方體定義為 1個冠層單元。則冠層單元密度ρi為[16]：

式中ρi為冠層單元i密度；Wj為樹冠表面有效激光點到樹干中心距離，m；Wmax為樹冠表面有效激光點到樹干中心的最大距離，m；m為有效激光點個數(shù)。

圖4 冠層分割模型Fig.4 Canopy segmentation model

冠層單元體積計算公式（3）：

式中Voli為單位冠層單元體積，m3；h為縱向分割單元高度，m，h=0.15 m；v為激光傳感器運行速度，m/s；t為5個掃描周期，s；Fre為激光傳感器掃描頻率，Hz。

每個噴頭對應(yīng)1個冠層單元，控制系統(tǒng)根據(jù)公式（1）～（4）將整個樹冠分割成若干冠層單元，計算機根據(jù)噴霧模型分別計算冠層單元體積，為調(diào)節(jié)風量和噴霧量提供理論基礎(chǔ)。

2.4 流量調(diào)節(jié)

整機共配有40個XBT1G1型電磁閥（成都鑫邦特機電有限責任公司），分別控制1個噴頭。系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制（pulse width modulation，PWM）間歇變量噴霧技術(shù)，單片機根據(jù)指令發(fā)送脈沖電平信號控制電磁閥占空比。試驗結(jié)果表明，電磁閥在頻率25 Hz，0.3 MPa噴霧壓力下，單噴頭流量與占空比的關(guān)系為

式中q為單噴頭流量，L/min；x為電磁閥占空比，%。

根據(jù)公式（3），單位冠層單元所需噴霧量為

式中Qi為單位冠層單元所需噴霧量，L；u為單位體積所需藥量，L/m3，u=0.1 L/m3[29]。

根據(jù)公式（5）和（6），得

則電磁閥PWM占空比x為

2.5 風量調(diào)節(jié)

整機單側(cè)配有4個霧化單元，每個風機為5個冠層單元提供風量，根據(jù)置換原則，單個霧化單元產(chǎn)生風量應(yīng)該置換對應(yīng)冠層空間，本研究將冠層與霧化單元之間截面近似等效為梯形，則5個冠層單元所需風量計算公式為[26,30]

式中QW為5個冠層單元所需風量，m3/s；h1為5個冠層單元高度，m；h2為霧化單元出風口高度，m；Wia為5個冠層單元外側(cè)到樹干中心的平均距離，m；ρia為5個冠層單元密度平均值；ka為氣流衰減系數(shù)；ks為置換空間系數(shù)。其中，h1=0.75 m，h2=0.23 m，ka=1，ks=0.6，其他參數(shù)均可通過系統(tǒng)計算得到。

風量與出風口風速、出風口面積關(guān)系為

式中VW為霧化單元出風口風速，m/s；SK為霧化單元出風口面積，m2，SK=0.008 m2。

試驗測得出風口風速與占空比關(guān)系為

式中r為風機占空比，%。

根據(jù)公式（9）、（10）、（11）得風機PWM占空比為：

機具選用70-6-2839型無刷直流電機（深圳飛俊電機科技有限公司）作為風量執(zhí)行元件，可通過改變電壓調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，PWM等效輸出電壓根據(jù)公式（13）求得。風機葉輪直徑85 mm，最大轉(zhuǎn)速為28000 r/min，出風口最大風速54.65 m/s。

式中V0為輸出的等效電壓，V；Vcc為供給電壓，V。

2.6 噴霧控制系統(tǒng)

上位機采用C++編程語言實現(xiàn)Windows程序界面可視化操作（圖5a），實時顯示噴霧機運行速度和施藥量變化。變量控制系統(tǒng)分為自動和手動兩種模式，為使傳感器僅提供樹冠信息，減少地面實物對數(shù)據(jù)的干擾，自動模式作業(yè)時，需提前設(shè)置相關(guān)參數(shù)（圖5b），如果樹的平均樹高及干高等，系統(tǒng)根據(jù)參數(shù)控制傳感器的掃描范圍，防止誤噴；無傳感器條件下，手動輸入風量和流量對應(yīng)占空比參數(shù)，噴霧機也可進行常規(guī)作業(yè)。

圖5 上位機控制系統(tǒng)Fig.5 Laptop control system

變量控制系統(tǒng)采用中央控制執(zhí)行裝置，通過以太網(wǎng)口RJ 45（Registered Jack 45）和串行通訊端口（cluster communication port，COM），計算機分別與激光傳感器和單片機信號發(fā)生模塊聯(lián)接。圖6為控制流程圖，系統(tǒng)工作時，速度采集模塊將速度傳感器發(fā)回的電平信號轉(zhuǎn)換為速度值傳輸給計算機；同時，計算機對激光傳感器采集得到的樹冠信息進行處理，通過冠層分割模型計算得到冠層單元體積，依據(jù)風量和噴霧量計算公式得到冠層所需的噴霧量和風量（公式6，公式9），得到對應(yīng)的電磁閥和風機占空比（公式8，公式12）。信號發(fā)生模塊以LPC2294HBD144單片機為核心，根據(jù)占空比信息指令輸出PWM信號，隨后，電磁閥驅(qū)動（40路）和風機驅(qū)動（8路）根據(jù)PWM信號調(diào)節(jié)各自對應(yīng)的執(zhí)行元件，實現(xiàn)噴霧量和風量的獨立調(diào)節(jié)。

2.7 動力系統(tǒng)

噴霧機部件除隔膜泵通過拖拉機動力輸出（power take off，PTO）驅(qū)動外，其他裝置均為電控。在測試電磁閥功率、無刷電機功率、驅(qū)動及其他執(zhí)行元件功率的基礎(chǔ)上，考慮充足的功率余量，選擇功率為8 kW的汽油發(fā)電機作為電力供應(yīng)源。由于噴霧機各需電元件的工作電壓均為直流12 V，因此添加變壓、穩(wěn)壓模塊將發(fā)電機輸出的交流220 V轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?2 V電壓。

圖6 控制系統(tǒng)流程框圖Fig.6 Flow chart of control system

3 田間試驗

3.1 試驗條件

試驗地點：中國農(nóng)業(yè)大學上莊試驗站蘋果示范基地；試驗時間：2015年10月27日，試驗時環(huán)境溫度14 ℃，濕度50.3 %，空氣流速0.7～1.2 m/s。試驗對象為紡錘型蘋果樹，平均樹高4.1 m，冠徑2.6 m，行株距為5 m×2 m，機具平均運行速度0.8 m/s。

3.2 試驗材料及方法

研究表明，不同國家、不同時期的胰腺炎病因譜存在一定的差異。在我國胰腺炎的主要病因為膽道系統(tǒng)疾病，而在歐美及西方發(fā)達國家則以飲酒和暴飲暴食為主要病因。鑒于此，本研究應(yīng)用時間序列分析方法探討改革開放30年來尤其是近20年山東聊城市人民醫(yī)院收治的急性胰腺炎(AP)患者的病因，為該地區(qū)胰腺炎的預(yù)防和治療提供決策支持。

主要試驗材料及規(guī)格如下：304A型黃海金馬拖拉機（馬恒達悅達拖拉機有限公司），基于變量噴霧的果園自動仿形噴霧機（噴霧壓力0.3 MPa），722s-可見光分光光度計（上海精密科學儀器有限公司），德國Testo410-2多通道風速測試儀（德國德圖公司），檸檬黃85（上海染料研究所有限公司），金屬篩網(wǎng)（2.5 cm×7.5 cm），水敏紙（2.6 cm×7.5 cm）。

為驗證樣機在果園作業(yè)中的仿形噴霧性能，考慮噴霧機風量和噴霧量與果樹不同高度冠徑變化的匹配性，對果樹不同冠層高度上的霧滴沉積及風速分布進行測試，試驗現(xiàn)場如圖7。

圖7 樣機測試Fig.7 Prototype test

試驗步驟如下：

1）選擇3棵典型蘋果樹作為采樣對象，如圖8a所示，沿樹冠測量不同高度的冠層直徑，使用軟件模擬得到AB點所在截面樹冠輪廓圖；

2）沉積測試

a. 如圖8b所示，根據(jù)冠層形狀，在冠層兩側(cè)與冠層內(nèi)部進行布點，為測試噴霧過程中不同噴頭霧化區(qū)域的沉積量及沉積均勻性，考慮樹冠高度和霧化單元高度，避免在噴頭中心位置布點導致試驗誤差，設(shè)置布樣高度為1.2、1.6、2.0、2.4、2.8、3.2、3.6、4.0 m。每個采樣點分別用雙頭夾固定金屬篩網(wǎng)和水敏紙。2.5 ‰檸檬黃溶液作為試驗藥液。

b. 在樹冠左側(cè)行間進行第1次噴霧，分別收集金屬篩網(wǎng)和水敏紙。

c. 在冠層兩側(cè)與冠層內(nèi)部重新布樣，于右側(cè)行間進行第2次噴霧，收集金屬篩網(wǎng)和水敏紙。

3）風速測試

a. 關(guān)閉噴霧機液泵，只調(diào)節(jié)風量。

b. 在樹干左側(cè)1.5 m處樹立金屬桿固定風速儀，如圖8b所示，為測試工作過程中不同高度的風速分布，參考沉積測試布樣設(shè)置及霧化單元出風口位置，綜合考慮樹高及布樣數(shù)目，風速儀分別距地面1.2、1.6、2.0、2.4、2.8、3.2、3.6、4.0 m，測量頻率為60 Hz。

c. 在樹冠左側(cè)行間進行第1次風速測試，將風速數(shù)據(jù)導出并處理。

d. 在右側(cè)重新布置風速儀，于右側(cè)行間進行第2次風速測試，將風速數(shù)據(jù)導出并處理。

圖8 采樣點布置示意圖Fig.8 Sketch map of sampling points arrangement

3.3 試驗結(jié)果與分析

使用Deposit scan霧滴掃描軟件掃描水敏紙得到單位面積霧滴個數(shù)和霧滴覆蓋率；采用722s-可見光分光光度計測定金屬篩洗脫液的吸光度計算霧滴沉積量[31]；將不同高度的樣本計算變異系數(shù)描述垂直方向的霧滴沉積均勻性。沉積試驗結(jié)果如表1，樣品的沉積量自左向右有減小的趨勢，樹冠左側(cè)和中部的變異系數(shù)分別為14.2%和18.0%，右側(cè)霧滴沉積變異系數(shù)最小，表明氣流的變化提高了樹冠背側(cè)的沉積分布均勻性。

分別計算第1次噴霧的左側(cè)和第2次噴霧的右側(cè)霧滴總沉積量及不同高度的霧滴沉積占總沉積量的比率，用相同方法計算兩次風送測試的風速比率，使用Matlab軟件（美國MathWorks公司）將計算結(jié)果與樹冠輪廓擬合得到3棵果樹的變量噴霧仿形效果圖（圖9）。由圖可知，風速和沉積量的分布規(guī)律符合樹冠特征，與風速曲線相比，沉積量變化曲線與樹冠輪廓的擬合度較低，筆者分析這是由于風送氣流將霧滴吹向冠層的過程中，一些小霧滴偏離運行軌跡，在自然風的作用下沉積到其他靶標冠層造成誤噴。

表1 冠層霧滴沉積分布Table 1 Deposition distribution on different parts of canopy

圖9 變量噴霧仿形效果Fig.9 Effects of profile modeling based on variable rate spraying

圖10為不同冠層高度水敏紙上的霧滴個數(shù)，結(jié)果表明不同冠層高度的霧滴數(shù)基本相同。Deposit scan掃描得到最小覆蓋率樣本霧滴個數(shù)為 46.2個/cm2，高于植保機械通用試驗方法JB-T 9782-2014對風送噴霧中噴幅界定的20個/cm2要求。因此，設(shè)計的變量仿形噴霧機應(yīng)用于病蟲害防治，能夠提高樹冠背側(cè)沉積均勻性，而且可以根據(jù)冠層生長特點實現(xiàn)仿形噴霧。

圖10 不同冠層高度上樣本霧滴個數(shù)Fig.10 Droplet number on samples at different heights of canopy

4 結(jié) 論

本文研制的基于變風量和變噴霧量的自動仿形噴霧機，達到設(shè)計要求，具體功能與參數(shù)如下：

1）采用激光傳感器掃描靶標，設(shè)計了基于樹冠結(jié)構(gòu)的冠層分割模型，為風量和噴霧量的局部調(diào)節(jié)提供理論計算方法。

2）利用無刷直流風機代替PTO驅(qū)動的中央大風機，實現(xiàn)風量的局部調(diào)節(jié)，增加霧滴穿透性，提高施藥精準度，風機最大轉(zhuǎn)速28000 r/min。

3）PWM間歇式噴霧技術(shù)調(diào)節(jié)噴頭流量，將調(diào)節(jié)風量和噴霧量結(jié)合，設(shè)計噴頭、風機組合式霧化單元，最大作業(yè)高度為4.2 m。

4）在行株距為5 m×2 m的蘋果樹試驗得到果樹左右兩側(cè)平均沉積量分別為1.92和1.37 μL/cm2，霧滴沉積個數(shù)大于46.2個/cm2，可以滿足果園病蟲害防治要求。

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Design and experiment of automatic profiling orchard sprayer based on variable air volume and flow rate

Li Longlong1,He Xiongkui1※,Song Jianli1,Wang Xiaonan1,Jia Xiaoming2,Liu Chaohui3
(1. College of Science,China Agricultural University,Beijing 100193,China;2. College of Engineering,China Agricultural University,Beijing 100083,China;3. Wuxi Zhongbo Machinery Manufacturing CO.,LTD,Wuxi 214028,China)

In order to improve the automatic working performance of orchard sprayer,in this study,an automatically variable-rate orchard sprayer with 40 nozzles and 8 fans based on LIDAR(Light Detection and Ranging) was developed. The high-precision scanning laser sensor was adopted as the detecting source to detecting the canopy parameter. Electromagnetic valve and brushless fan were adopted as actuators to control the flow rate and air volume based on the pulse width modulation（PWM）signals. Each nozzle in the spray system,coupled with a solenoid,achieved variable rate delivery in real time based on the canopy volume. Each side of the prototype equipped four integrated atomization units with one independent brushless fan. The independent brushless fan located behind of atomization unit,and assisted the droplets sprayed from the five nozzles blowing into the canopy,which is conductive to the local regulation of spraying quantity. The brushless motor has the advantages of fast-response,high-speed,and long working-time. The rotating speed of each brushless motor could be adjusted in real-time by PWM signal according to the canopy parameters of fruit tree. The canopy segmentation model was designed to measure the volume and density of canopy,which could meet 3 m height canopy. The canopy was divided into many canopy units,and each nozzle corresponded with one canopy unit and each brushless fan corresponded with five canopy units. A laptop was used to calculate the volume and density of each canopy unit based on the data scanned by laser sensor and the segmentation model. Then the spraying quantity needed forcanopy unit and the air volume needed for five canopy units were acquired by control system. Next,the PWM signals emitted by single chip microcomputer would be transmitted to the drivers of valves and fans to adjust the flow rate and air flow. A total of 48 channel PWM signals were designed for the whole machine,and each channel would be controlled separately. The gasoline generator was adopted as energy source to realize long-working and fully automatic spraying,and the independent brushless fan was used instead of central fan with PTO(Power Take Off)-power to realize partly air volume and use-dosage according to canopy size. The field experiments were conducted in an apple orchard,a research farm belonging to the China Agricultural University,in Beijing. The main tests included the test of deposition distribution in the canopy and air velocity distribution of different height. The tree row space was 5m×2m,the average height of tree was 4.1 m,and the canopy diameter was 2.6m. The environment temperature was 14℃,the humidity was 50.3% and the wind speed was 0.7 - 1.2 m/s. Tartrazine(2.5‰) was chosen as the tracer material and travel speed was 0.8m/s. Water sensitive paper(2.6 cm×7.5 cm) and metallic screen mesh(2.5 cm×7.5 cm) were adopted to receive the deposition for the test of deposition distribution in the canopy. The artificial targets were arranged in the canopy in eight layers with three directions of right,left and middle in each layer. Also,a metal rod was established at the distance of 1.5m from tree center to fix the anemometers. The lowest anemometer was 1.2 m from the ground and the distance of adjacent anemometer was 0.4m. The results showed that the deposits on the front and back of tree were 1.92 and 1.37 μL/cm2,and the minimum number of droplets was 46.2per cm2,which was greater than the requirement of droplet adhesion rate over 25/cm2in the application of pest and disease control. The coefficient variation of three depths of tree was 14.2%,18.0% and 13.7%,respectively. The fitting results of canopy contour with deposition and air velocity distribution showed that the designed prototype could realize variable-rate spraying according to the canopy information,which could meet design requirement. In this study,we proposed a new equipment of plant protection for fusiform-type fruit tree,and also provided reference for design and performance optimization for plant protection machinery.

spraying;nozzles;sensors;plant protection machinery;precision spraying;profile modeling spray;PWM;brushless fan

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.009

S491

A

1002-6819(2017)-01-0070-07

李龍龍，何雄奎，宋堅利，王瀟楠，賈曉銘，劉朝輝. 基于變量噴霧的果園自動仿形噴霧機的設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2017，33(1)：70－76.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.009 http://www.tcsae.org

Li Longlong,He Xiongkui,Song Jianli,Wang Xiaonan,Jia Xiaoming,Liu Chaohui. Design and experiment of automatic profiling orchard sprayer based on variable air volume and flow rate[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2017,33(1):70－76.(in Chinese with English abstract)

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.009 http://www.tcsae.org

2016-06-06

2016-11-21

國家自然科學基金資助項目（31470099）；公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項資助項目（201203025，201503130）

李龍龍，男，山東平度人，博士生，主要從事植保機械與施藥技術(shù)研究。北京 中國農(nóng)業(yè)大學理學院，100193。Email：lizefeng1219@126.com

※通信作者：何雄奎，男，湖北通城人，教授，博士，博士生導師，主要從事植保機械與施藥技術(shù)研究。北京 中國農(nóng)業(yè)大學理學院，100193。Email：xiongkui@cau.edu.cn