一種模擬旋翼飛機農藥靜電噴灑沉積裝置的設計與試驗

王繼環，趙春江,2,4，王　秀，馮青春，鄒　偉，謝新華

(1.西北農林科技大學，陜西 楊凌　712100;2.國家農業信息化工程技術研究中心，北京　100097;3.國家農業智能裝備工程技術研究中心，北京　100097;4. 農業部 農業信息技術重點實驗室，北京　100097)

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一種模擬旋翼飛機農藥靜電噴灑沉積裝置的設計與試驗

王繼環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.西北農林科技大學，陜西 楊凌712100;2.國家農業信息化工程技術研究中心，北京100097;3.國家農業智能裝備工程技術研究中心，北京100097;4. 農業部 農業信息技術重點實驗室，北京100097)

摘要：在農業植保領域中，航空噴霧技術在農業領域的應用具有廣闊的前景，特別是無人直升機噴霧具有高效、節水、優質、全能、安全及便利等優點，克服了傳統噴霧技術對地形要求較高、作業時間長、作業面積小、傷害作物，以及人員中毒風險較高等缺點。為此，研究了一種模擬旋翼飛機的農藥噴灑沉積測定裝置，其行進速度和噴桿高度均可以調節，充電電壓可以調節，也可進行模擬PWM恒壓變量噴霧的測試，且可對旋翼飛機的農藥噴灑過程進行模擬。同時，進行了模擬無人靜電噴霧試驗，并對沉積效果進行了測試和比較。

關鍵詞：精準施藥；無人直升機；靜電施藥;試驗臺

0引言

作物生長和保護是提高農產品生產率的一個重要組成部分。農業和農業化學農藥噴灑過程中化學藥品的巨大損耗和隨之而來的環境污染，常常是由于常規殺蟲劑脫靶的漂移沉積造成，通常通過帶電噴霧來減少這些漂移。傳統的噴霧，有時只有20%的噴霧藥液到達目標[1]。由于植保成本增加及農藥對于環境污染引起民眾的廣泛關注，需要一種提高常規農藥噴霧效率應用方法。荷電噴霧的農業應用對液滴運輸過程控制加強，且提高沉積和減少浪費。采用靜電噴灑，應用的效率可以提高到80%，并且減少了50%噴灑化學成分的使用[2]。靜電作用對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的沉積方式以減少漂移[3]。此外，一些昆蟲，如棉鈴蟲(瓜蚜)一般都在植物的隱蔽側，如果能夠使用精準定位的施藥手段，可以在滅蟲工作中減少人力物力的使用[4]。另一方面，由于氣候的變化，農林病蟲草害發生情況逐步呈現擴大趨勢,病蟲常常爆發性、 突發性的出現。航空無人機噴霧技術可用于大型農場、草原、大面積及森林等農作物的防治工作[5]，具有全地形均可使用、作業時間短、作業面積大、對作物無傷害、使用遙控操作及降低中毒風險性等優點，是其他植保機械無法替代的[6]。駕駛農用飛機通常用于大范圍連片的土地,而對于小范圍地塊的利用率較低，效率不高，如采用無人機的方式，可以遠程控制或基于預編程自主飛行，可收到較好的植保效果[7]。目前在我國，無人直升機航空施藥的研究才剛剛起步，由于在一些地方實際飛行申請較為困難，考慮實際使用無人直升機成本與安全性，筆者研發了一種模擬旋翼飛機噴灑沉積裝置，方便進行旋翼飛機的前期模擬研究沉積試驗；同時根據靜電施藥原理進行了直升機靜電噴灑試驗，且分析了靜電施藥在旋翼飛機施藥上的沉積效果[8]。

1靜電施藥平臺的設計

1.1旋翼飛機模擬的原理

采用工業風扇模擬旋翼飛機的向下風送過程：采用進口的一體整體4m長的無油滑軌作為移動軌道；風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而沿著滑軌移動;噴頭置于風扇下方，沿著風送方向進行噴灑作業。

1.2平臺結構設計

測試平臺外設置有藥液箱，可以通過進藥管道接噴泵的入口，采用12V直流供電穩壓泵提供恒定壓力;水泵的流出通過三組電磁閥PWM控制管路開閉[9]，進入噴頭，噴頭組的上方有直徑750mm的工業風扇，下方正對第一個噴頭。風扇與噴頭形成一個整體，固定在一移動桿上，移動桿為鋁型材，兩端固定在兩個滑塊上；兩滑塊分別在兩條相互平行的導軌上；導軌總長4m，整體為鋁型材框架便于移動。移動桿通過同步帶與軸相連，采用伺服電機作為動力輸出裝置。使用可編程邏輯控制器控制移動環節與移動參數預先設置，同時可以進行脈寬調制通過控制電磁閥的開閉控制流出流量。加有靜電噴頭，可以模擬靜電施藥過程，實現多種組合噴霧的模擬[10]。

如圖1所示，移動部分主要包括無油滑軌、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，主要是用于滑塊的限位；行走部件采用伺服電機作為驅動，行走的速度靠電機轉速的改變；電機與滑塊靠同步帶連接，由同軸保證兩側滑塊移動同步，因此當電機轉動時可以保證藥液噴施部件移動速度與預定相同；可以通過觸摸屏調節速度，也可以通過控制盒上實體按鍵進行控制。如圖1、圖2所示，藥液噴施部件主要由可調速風扇、藥液箱、泵、靜電噴頭、藥液管及藥液控制電磁閥構成。噴頭固定在噴頭固定桿上，噴頭的位置與橫向間距可以調節；藥液由藥液箱流出，經過恒壓泵，到達噴頭；上方的模擬旋翼的風扇產生定風場向下，液滴在原始的液體壓力與風的共同作用下加速吹向靶標；加靜電環電壓開啟的情況下，液滴會通過靜電環中心的靜電場成為帶電霧滴[11]。

1.霍爾傳感器　2.無油滑軌1　3.進水管　4.滑塊1　5. 鋁型材桿　6.藥液控制電磁閥　7.風扇支架　8.同步帶　9.軸　10.電機同步帶

26.夾塊　27.風扇支架　28.噴頭支架　29.軸承座

1.3液體管路風送及控制系統設計

液體管路經藥液箱連通過恒壓泵，管路上有壓力經過分路后到達3個不同的電磁閥，靜電噴頭固定在鋁型材上。3組電噴頭，中間一組位于風扇正下方，其余兩組在其正下方垂直于無油滑軌的左右部分。整個平臺主體框架采用60mm×40mm鋁型材制成，減輕了整體的質量，更加易于移動和拆卸。鋁型材上方，滑塊的移動依靠中部的夾塊與同步帶驅動，同步帶與軸相連，軸上布置的齒輪與同步帶相連，由伺服電機驅動。整個系統的高壓部分由高壓線、0～100kV可調高壓靜電發生器及靜電噴頭共同組成，采用12V開關電源為電磁閥，靜電發生器供電。風送系統由風扇系統構成，風扇支架、風扇及控制盒，控制盒中可編程邏輯控制器經過變頻器調節風扇轉速。控制單元示意圖如圖3所示。其以PLC作為其主動控制單元核心，控制器可以控制電磁閥的開閉及藥液泵的啟停。風扇的啟停，還可以設置滑塊的移動速度。通過電磁閥的開閉頻率可以得到一個合適的占空比與開閉頻率達到模擬PWM噴霧的效果。通過觸摸屏或者控制盒上面的手動開關可以設置移動參數與電磁閥開閉參數。限位傳感器作為一種控制器件，當其到達該位置時停止移動。伺服電機位于型材左上方，固定于固定板上 ，通過同步帶與軸相連，軸同時在兩側，用以定位同步帶。控制盒與電磁閥相連，通過PWM進行流量靜電噴頭的流量控制，控制風扇的速度與開關，整體噴頭與風扇的行程控制與速度控制均由控制盒控制。控制盒中觸摸屏可以設置行進速度，在0～6m/s內可進行調節，在行程的兩側均有限位開關。 上面所述試驗臺下方有行走輪，中控制裝置由開關電源、可編程邏輯控制器及速度控制裝置共同構成其控制裝盒[12]。

圖3　控制系統示意圖

2噴灑測定試驗

2.1試驗前準備

將6個行走輪水平置于地面的合適試驗位置，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(熒光測定劑)與自來水(采自北京市精準農業示范基地)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自來水中，倒入藥液箱中，重復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藥液。選用Turner Designs公司生產的Trilogy分光光度儀測定試驗樣品的濃度值[13]。

2.2試驗條件

2014年6月30日，在國家農業信息化工程技術研究中心小湯山精準農業基地進行了驗證試驗，環境溫度 28℃～ 30℃;環境濕度 55% ， 風力1～2級，噴頭行進速度1m/s 噴頭高度距離地面1m，風扇風速4.7m/s。此時，靜電電壓調節至30kV，選用TXVK-6型噴頭作為施藥噴頭。采用占空比為1的頻率，即噴頭全開的情況，液泵壓力恒定為0.2MPa。試驗前，選擇高壓靜電源的電壓，設置好噴頭中靜電環是否帶靜電(若測試靜電噴霧，需將模擬植株與大地短接，保證植株在試驗期間不帶電荷)，調整噴頭間間距位置，在觸摸屏上設置好預期移動速度、風扇轉速及電磁閥頻率占空比等。

2.3水平沉積試驗

風扇中心位置下方放置3個噴頭，中心的噴頭位于風扇正下方，其余兩個噴頭位于中心噴頭兩側各距離中心噴頭50cm的位置。水平沉積試驗，如圖4所示。其采用直徑90mm的圓形濾紙作為靶標收集裝置，固定于地面防止其翻轉；第1張位于風扇中心正下方其余均分布其兩側，間隔25cm，總共布置11個點。由風扇開關及靜電電源開關總共4種情況進行作業[14]。

圖4　水平沉積試驗

植株試驗：在地面噴桿經過的范圍下方按照需求不同位置、不同高度放置好靶標，靶標選用兩株中心桿高60cm的拔節期玉米作為靶標，如圖5所示。直徑9cm的濾紙固定在葉片表面(正反面)作為靶標收集噴灑出來沉積溶液的裝置，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。植株采用導線接地，保證植株與大地之間保持同一電勢。

圖5　植株試驗

2.4試驗過程

開啟泵電源開關啟動泵，操作人員通過遙控(或手動)噴霧桿啟動作業后，噴霧桿裝置會在帶的帶動下移動，一邊移動一邊進行藥液噴灑。啟動時，風機、電機和電磁閥自動開啟且噴藥過程中會按設定的風速和移動速度而運動，直到到達限位點后完成一次噴施作業。試驗前，植株在中間且植株中心均距離移動中心線20cm，此時噴霧桿準備沿著一個方向移動，經過短時間加速后達到預定工作狀態；噴頭在運動過程中一直向下噴灑霧滴；風扇送風模擬直升機旋翼所產生的風場，當通過模擬植株時，液滴灑落在區域中，落入葉片上相應面積的液滴被濾紙所吸收；噴桿繼續前進，直至到達限位點處停止移動，關閉風扇、泵和靜電電源[15]。

3試驗結果

第1組水平沉積試驗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比已由圖10列出。

表1　水平沉積分布統計

沉積結果：經還原后溶液熒光素濃度(μg/L)。

表2　水平分布結果分析

圖6　旋翼開靜電關情況沉積

圖7　旋翼關靜電開情況沉積

圖8旋翼關靜電關情況沉積

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

圖9　旋翼開靜電開情況沉積

圖10　水平沉積分布情況

由平均值可以得出：當風扇打開時，相對于風扇關閉時其漂移明顯減少。其中，有風無電漂移增加47.4%，無風有電情況下增加16.8%，有風有電情況下漂移增加36.2%。靜電在無風情況下會導致霧滴粒徑更小，在無風送情況下導致漂移增大，但是漂移情況增加并不大。當旋翼風送的情況下，降低了11.2%的漂移量，表明在無人機施藥情況下加入靜電可以顯著減少漂移。

由變異系數可以看出：當加風送后，變異系數明顯降低；有風無電變異系數減少了39.8%，無風有電情況下變異系數降低12.8%，有風有電情況下降低28.3%。第2組植株試驗中根據風送中加靜電與不加靜電經行對比，兩株玉米每株的三葉片按從下向上分別編號，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。由此標出植株葉片沉積分布如圖6所示。

圖11　植株試驗靶標沉積情況分布

由測試結果可以得到：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，背面的沉積加大，其葉片兩面的沉積更加均勻[16]。

此次試驗對葉面背部沉積效果的影響靜電噴霧背面沉積效果明顯優于不帶靜電的霧滴；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結論

1)風送式噴霧，特別是旋翼產生的向下的風場能夠提高霧滴的穿透性且能夠使得霧滴沉積更加均勻。

2)旋翼送風由于風會造成較大的霧滴側面漂移。

3)靜電噴灑能夠提高旋翼飛機噴灑的抗漂移能力。

4)靜電噴霧能夠使得旋翼飛機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風送的結合使用，使農藥的利用效率得到了增加，降低了施藥成本，減少了農藥環境的污染，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：1003-188X(2016)01-0095-06

中圖分類號：S252+.2

文獻標識碼：A

作者簡介：王繼環(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。

基金項目：國家“863計劃”項目(2013AA102406)

收稿日期：2015-03-02