可移動雙噴頭噴霧系統(tǒng)植保無人機(jī)研究

張成茂，李博宸，張玉浩

（臨沂大學(xué)，山東臨沂 276000）

1 噴霧系統(tǒng)的整體設(shè)計及工作方式

1.1 整體設(shè)計

本文所設(shè)計的可移動雙噴頭噴霧系統(tǒng)植保無人機(jī)主要由無人機(jī)本體，無人機(jī)本體的底部的儲液箱，儲液箱底部的水泵，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和噴灑機(jī)構(gòu)組成。其中旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由舵機(jī)安裝座、舵機(jī)、搖臂安裝座、搖臂組成；噴灑機(jī)構(gòu)由離心噴頭、壓力噴頭、第一管路、第二管路組成。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示

圖1 噴霧系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作方式

1.2.1 通過舵機(jī)搖臂提供旋轉(zhuǎn)動力，使得搖臂可以實現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到改變噴頭的位置的目的，進(jìn)而能夠增大農(nóng)藥噴灑面積。

1.2.2 離心噴頭和壓力噴頭通過一個遙控通道控制，可實現(xiàn)離心噴頭和壓力噴頭的轉(zhuǎn)換。

1.2.3 通過對舵機(jī)的控制可實現(xiàn)同一搖臂上的離心噴頭和壓力噴頭同步運動，從而改變噴頭所在的位置，進(jìn)而改變4套噴頭之間的距離，可實現(xiàn)對單位面積內(nèi)農(nóng)藥噴灑密度的改變。當(dāng)4套噴頭間距離減小時，農(nóng)作物單位面積獲得的農(nóng)藥量增加，此時可以對農(nóng)藥需求量大的農(nóng)作物進(jìn)行噴灑；當(dāng)4套噴頭間距離變大時，農(nóng)作物單位面積獲得的農(nóng)藥量減少，此時可以對農(nóng)藥需求量小的農(nóng)作物進(jìn)行噴灑。

1.2.4 通過控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)四套離心噴頭和壓力噴頭的同步移動，以及移動角度的同步。通過控制系統(tǒng)結(jié)合農(nóng)作物的具體情況還可以完成離心噴頭和壓力噴頭的獨立工作，實現(xiàn)二者的工作轉(zhuǎn)換。

2 噴霧系統(tǒng)各部分設(shè)計

2.1 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

2.1.1 結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由舵機(jī)安裝座、舵機(jī)、搖臂安裝座、搖臂組成。如圖2所示，其結(jié)構(gòu)是舵機(jī)固定在舵機(jī)安裝坐上，安裝座固定在無人機(jī)的機(jī)臂末端，旋翼的正下方，搖臂通過搖臂安裝座上的舵機(jī)搖臂相連接，另一端用同樣的方式固定舵機(jī)與另一個搖臂，而兩個舵機(jī)均與無人機(jī)控制系統(tǒng)相連，通過無人機(jī)遙控器控制舵機(jī)搖臂的轉(zhuǎn)動，從而控制兩個搖臂的旋轉(zhuǎn)。

2.1.2 設(shè)計特點。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計特點是旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)放置在旋翼正下方有利于無人機(jī)飛行的平穩(wěn)性，保證最大的噴施效果，同時還兼顧到藥液噴出后，恰巧位于無人機(jī)旋翼產(chǎn)生的下洗流場內(nèi)，可以借助下洗流場的作用力，改善藥液的噴施范圍，強(qiáng)化藥液噴出的擴(kuò)散性效果，提高藥液的下落速度，進(jìn)一步提高噴施效率。

2.1.3 工作原理。由于噴灑系統(tǒng)噴施農(nóng)藥形成的形狀呈傘狀，當(dāng)無人機(jī)上四套旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)同步轉(zhuǎn)動到交叉相對的兩套旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的連線相互垂直時，四套噴灑系統(tǒng)的相對位置距離最小。若相對兩套噴灑系統(tǒng)的中心點連線的距離S等于噴灑幅面的半徑R的2倍時，噴灑系統(tǒng)的噴灑幅面在無人機(jī)中心軸處產(chǎn)生最大交集，則該交集處農(nóng)作物單位面積、單位時間內(nèi)獲得的藥液的量是最多的，同時，也是無人機(jī)完全覆蓋垂直于其的農(nóng)作物的邊界值，意味著此時的用藥量也是最小的。如圖1所示，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)部分展開效果。

2.2 噴灑機(jī)構(gòu)

2.2.1 結(jié)構(gòu)。噴灑機(jī)構(gòu)由離心噴頭、壓力噴頭、第一管路、第二管路組成。如圖3所示。其結(jié)構(gòu)是離心噴頭和壓力噴頭均固定在下方的搖臂上，其中壓力噴頭固定在搖臂末端，離心噴頭固定在搖臂中間，壓力噴頭和離心噴頭分別接通第一管路和第二管路。如圖1所示，儲液箱底部設(shè)有與儲液箱連通的水泵，水泵通過第一管路與壓力噴頭連通，且第一管路內(nèi)設(shè)有第一電磁閥；水泵通過第二管路與所述離心噴頭連通，第二管路內(nèi)設(shè)有第二電磁閥；其中水泵、第一電磁閥、第二電磁閥和離心噴頭均與無人機(jī)的控制系統(tǒng)連接。

圖2 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

2.2.2 設(shè)計特點。噴灑機(jī)構(gòu)的設(shè)計特點是離心噴頭霧化效果好但穿透力差，可以對低密度、對霧化效果要求高的農(nóng)作物噴灑。壓力噴頭霧化效果差但穿透力好，可以對高密度、霧化效果要求低的農(nóng)作物噴灑。

2.2.3 工作原理。針對不同的種類、生長周期、種植密度的農(nóng)作物，根據(jù)其所需的農(nóng)藥噴灑的霧化效果和滲透程度，通過無人機(jī)的控制系統(tǒng)來控制第一電磁閥和第二電磁閥，以及離心噴頭的離心電機(jī)的工作以此來控制離心噴頭和壓力噴頭的工作，從而實現(xiàn)所需的不同噴灑效果。

3 儲液箱安裝位置說明

儲液箱呈漏斗狀，出液口位于漏斗的最底端，藥液依靠重力流動至出液口，有利于藥液使用的充分，防止留存。另外，儲液箱的中心軸線與無人機(jī)本體的中心軸線重合。保證儲液箱對無人機(jī)的水平重心沒有影響，有利于噴施的均衡性以及無人機(jī)本體飛行的安全性，同時提高旋翼式無人機(jī)的飛行速度、承重能力和續(xù)航效能。儲液箱位置如圖4所示。

4 結(jié)語

設(shè)計的植保無人機(jī)可移動雙噴頭噴霧系統(tǒng)能夠很好的解決了現(xiàn)有的植保無人機(jī)存在的農(nóng)藥噴灑量單一，噴灑范圍小，適用農(nóng)作物單一，噴灑效率低，經(jīng)濟(jì)成本高等問題。通過實驗證明，該設(shè)計可以為不同種植密度，不同種類，不同農(nóng)藥需求量的農(nóng)作物進(jìn)行高效、經(jīng)濟(jì)的噴灑作業(yè)。

圖3 噴灑機(jī)構(gòu)

圖4 儲液箱