遙控噴桿噴霧機設計與試驗*

顧偉，丁素明，樂飛翔，陳晨，嵇國俊，薛新宇, 3

(1. 農業農村部南京農業機械化研究所，南京市，210014； 2. 埃森農機常州有限公司，江蘇常州，213200； 3. 江蘇省植保裝備創新中心，江蘇常州，213200)

0 引言

噴桿噴霧機作為一種高效的大田植保機械，具有作業效率高、農藥霧滴沉積分布均勻等優點[1-2]，適合大面積噴灑各種農藥、肥料和植物生產調節劑等液態制劑。噴霧機駕駛無人化是未來的趨勢，無人化機型機械結構簡單，壓苗率低，避免了施藥人與農藥的直接接觸，安全性好，具有較好的發展前景，現今越來越多的企業開始研發無人駕駛的噴桿噴霧機[3]。

近年來，液壓驅動系統被逐漸應用于自走式噴桿噴霧機底盤[4]，與傳統純機械傳動相比，其靈活的結構布局有利于噴桿噴霧機提高地隙，適用于尺寸更高的作業對象；液壓元件的電氣化程度相對更高，有利于噴桿噴霧機實現自動化、智能化，這是未來農業機械的發展趨勢，但是液壓驅動也面臨著控制復雜的問題[5]。噴霧機作業過程中會經過不同生育期、濕度、顆粒度和黏度的路面譜[6]，所以要求液壓驅動系統應能合理地調節輪胎與地面間的作用力，即進行防滑控制，這對提高噴桿噴霧機的主動安全性、高效性及經濟性，提高作業效率等都具有重要的意義[7-8]。

另外，我國噴桿噴霧機自動化程度低，仍以定量施藥方式為主，施藥量無法根據行駛速度自動調整[9]，車輛低速行走時易造成過量施藥，導致嚴重的水污染，農產品品質下降、生態系統失衡，甚至嚴重威脅食品安全，而車輛高速行走時易造成藥液沉積少而無法有效控制病蟲草害[10]。因此依照實際防控需求，使用精準的變量施藥方式，可以在保證施藥效果的情況下，有效減少農藥使用，從而達到農藥減施增效的目的[11]。

本文根據大田蔬菜種植病蟲害防治需求，主要對液壓驅動系統、變量施藥系統進行設計研究，研制遙控噴桿噴霧機，樣機通過田間試驗分析行走性能、噴霧性能等指標，以考核其在大田蔬菜植保作業中的適用性。

1 整機結構與工作原理

如圖1所示，噴桿噴霧機選用高地隙四輪轉向液壓底盤，配置有可升降折疊式噴桿，主要技術參數見表1。整機可通過遙控器控制轉向、車速、制動、噴霧等動作，由汽油發動機驅動液壓泵和藥液泵。車輪由液壓馬達經傳動軸直接驅動；由電控換向閥切換液壓油輸出方向，控制前進后退；由發動機轉速調節液壓油流量控制車速，但是四輪同步性較差，能耗較大。噴霧高度通過噴桿調節，噴霧藥液則由電控流量調節閥調節，但還受制于藥液泵輸出流量的波動，噴霧流量精準地人工遙控比較困難。本文開發的液壓驅動系統主要通過隔離四輪動力，獨立控制，實現穩定行走；開發的變量施藥系統主要通過監測車速，根據噴霧流量實時需求自動調節，可有效改善上述問題。

圖1 整機結構示意圖Fig. 1 Schematic diagram of machine structure1.噴桿 2.發動機艙 3.液壓馬達 4.藥箱 5.車輪 6.車架

表1 主要技術參數Tab. 1 Main technical parameters

2 液壓驅動系統設計

2.1 系統組成

如圖2所示是本文研發的液壓驅動系統原理圖，系統的主要組成元件有：液壓馬達、四聯電液比例閥，前進后退切換閥、雙聯泵等。

圖2 液壓驅動系統原理圖Fig. 2 Schematic diagram of hydraulic drive system1.雙聯泵 2.單向閥 3.前進后退切換閥 4.四聯電液比例閥 5.液壓馬達

雙聯泵最大總流量63 L，系統最高工作壓力為17 MPa。各液壓馬達通過減速器獨立驅動各個車輪，控制系統根據當前工況實時控制比例閥的開度以改變進入液壓馬達的液壓油流量，從而控制車輪轉速，實現車速控制。雙聯泵輸出流量為0時具備的制動特性可實現底盤制動功能。為增強底盤的安全性，配置有額外獨立的行車制動系統。

2.2 動力分配控制

為使噴桿噴霧機能適應多種田間路面工況，本文開發了以防滑為目的的動力分配控制器。該控制器基于DSP控制板開發，利用轉速傳感器測量各車輪轉速，輸出正交編碼信號；轉角傳感器測量噴霧機轉向角，輸出模擬量信號；GNSS系統(本文采用北斗系統)測量噴霧機實時位置，通過RS232接口通訊；電液比例閥調節各車輪液壓馬達轉速，輸入模擬量信號。為了確保噴霧機在車輪打滑后盡快恢復正常，采用如圖3所示的控制方法調整各車輪轉速。

圖3 動力分配控制系統原理圖Fig. 3 Schematic diagram of power distribution control system

系統利用GNSS系統實時測量噴霧機實際行走速度v0，與4個車輪的行走速度vi(i=1，2，3，4)對比，當實際行走速度v0小于某一車輪行走速度vi時，則表明該車輪存在打滑現象。在控制系統中預設一理想滑轉率，當該車輪的滑轉率si大于預設理想滑轉率時，判定為打滑，通過PID控制算法調節比例閥開度，調整該車輪的當前轉速，從而保證四輪轉速盡可能與實際車速一致，對四輪動力起到優化分配作用，實現動力高效利用。車輪行走速度和滑轉率根據式(1)、式(2)計算。

(1)

式中：r——車輪的半徑，m；

ni——編號為i的車輪的當前轉速，r/min。

(2)

在一般旱地，車輪理想滑轉率范圍s∈(5%，15%)。本文設計的動力分配控制系統，一旦某車輪滑轉率超過5%，認為此時該車輪有較嚴重的打滑傾向，有必要對其進行控制，此時以滑轉率5%為控制目標，按照上述控制策略調整該車輪轉速；當該車輪持續5 s在5%以內時，認為不存在打滑現象，停止該車輪的控制；當轉向角大于5°時，停止所有車輪的控制；滑轉率超過15%時，系統發出警告。

3 變量施藥系統設計

3.1 系統組成

施藥系統如圖4所示，混合藥液儲存在藥箱中，在齒輪泵驅動下經主閥、過濾器，藥液通過手動調壓閥回流藥箱，手動調節至合適壓力后，主路藥液再經電控流量閥分流，經過流量傳感器和壓力傳感器監測流量和壓力后，最后經分段閥分配，從噴霧機三段噴桿上的噴頭噴出。

圖4 施藥系統原理圖Fig. 4 Schematic diagram of application system1.分段閥 2.流量傳感器 3.壓力傳感器 4.電控調節閥 5.控制器及顯示屏 6.GNSS系統 7.液位傳感器 8.藥箱 9.主閥 10.手動調壓閥 11.過濾器 12.齒輪泵 13.左段噴頭組 14.中段噴頭組 15.右段噴頭組

3.2 變量控制

由于遙控駕駛噴霧機，駕駛員無法準確根據行駛速度及時調節噴霧流量，本文基于DSP控制板開發了隨速變量施藥控制器。其中電控調節閥為變量施藥系統的主要執行部件，其安裝在回流管路上，接收來自變量施藥控制器的指令信號，通過改變施藥系統藥液回流量進而實現變量施藥；GNSS系統與動力分配系統合用，采集噴霧機的實時行駛速度。

在施藥作業前，通過控制器的顯示屏預先設置單位面積施藥量。控制器控制的目標流量根據作業要求的單位面積施藥量進行換算，如式(3)所示。

f=0.006qv0w

(3)

式中：f——目標流量，L/min；

q——預設的單位面積施藥量，L/hm2；

w——噴霧機噴霧幅寬，m。

系統通過液位傳感器檢測藥箱內藥液量并在顯示屏顯示，當藥液不足時，可通過遙控器指示燈發出提示。當噴霧機行駛進入作業區后，通過遙控器啟動變量施藥控制器，控制原理如圖5所示。控制器通過由GNSS系統采集機具行駛速度計算出當前所需的目標流量，與流量傳感器采集的當前實際流量進行對比計算偏差，將兩者偏差作為系統輸入量。通過PID控制算法修正控制參數，調節電壓控制信號實現電控調節閥開度的控制，改變管路藥液回流量，進而使實際流量與目標流量不斷接近，使得單位面積施藥量不隨行駛速度改變。另外，壓力傳感器實時監測管路壓力，當壓力超過噴頭工作范圍時，通過遙控器指示燈發出提示。

圖5 變量施藥控制系統原理圖Fig. 5 Schematic diagram of variable spray control system

在轉彎時噴霧機兩側噴桿速度不同，但一般此時不需要噴霧，可忽略轉彎工況下的速度變化對變量施藥系統調節的影響。因此設置當轉向角大于10°時，噴霧自動關閉，此時可通過遙控器強制啟動噴霧。

4 樣機性能試驗

4.1 試驗目的與條件

為評估遙控噴桿噴霧機的行走性能與噴霧效果，對樣機進行了田間性能試驗。行走性能主要考察噴霧機油門固定時的車速穩定性；噴霧效果主要考察單位面積施藥量固定時的隨速變量施藥均勻性。

試驗在蔬菜地進行，試驗對象為韭菜，植株高度約15 cm，試驗時溫度為27 ℃，相對濕度33%，平均風速1.3 m/s；噴霧機車輪行駛在壟間；試驗田塊長度約60 m，前20 m用于加速、中間20 m勻速行駛、后20 m用于減速停車，霧滴收集的采樣區位于勻速行駛區間，試驗田塊與噴霧機行駛位置關系如圖6所示。

圖6 試驗田塊、采樣區與噴霧機行駛方向位置關系Fig. 6 Location relationship of test field, sampling area and sprayer driving direction

4.2 試驗方法

預試驗時，采集器選用水敏紙，因噴霧機施藥量大，部分水敏紙的霧滴覆蓋率超過了40%，此時分析誤差較大，因此選用化學分析方法檢測沉積量，選用誘惑紅作為示蹤劑[12-13]。

試驗前，在噴霧機藥箱中加入足量2 g/L的誘惑紅水溶液；在施藥控制器上設置單位面積施藥量固定為240 L/hm2，噴霧流量由施藥控制器自動控制；調整噴桿高度距離植株頂部約30～40 cm；噴霧機車速由遙控器油門推桿控制，推桿角度固定則油門大小固定，車速和滑轉率由動力系統測量后自動保存。在勻速行駛區間單側噴桿經過的區域內設置采樣區；如圖7(a)所示，在植株冠層上方附近水平布置透明圓形聚酯卡收集噴灑的霧滴，聚酯卡直徑10 cm，收集面向上，聚酯卡如圖7(b) 所示在水平面分布布置，共設置9個采樣點。

(a) 聚酯卡在植株冠層上方的布置位置

(b) 聚酯卡在采樣區水平面的布置位置圖7 聚酯卡布置位置Fig. 7 Polyester card arrangement position

試驗中，駕駛員通過遙控器開啟施藥系統并手動控制油門推桿至某一角度并固定，噴霧機加速至該油門相應的車速，到達減速區后，控制油門推桿至最小，速度降低后，控制剎車按鈕停車并關閉施藥系統。試驗分五次進行，車速依次由慢到快，由駕駛員通過控制油門推桿角度保證車速每次試驗依次增大。

試驗后，導出車速和滑轉率數據。將保存好的聚酯卡采用蒸餾水分別洗脫，通過可見光分光光度計測量吸光度，并根據提前標定的誘惑紅濃度和吸光度關系換算洗脫液中誘惑紅的濃度值。聚酯卡單位面積霧滴沉積量可根據式(4)計算[14]。

(4)

式中：βdep——單位面積霧滴沉積量，μL/cm2；

ρsmpl——樣本洗脫液吸光度；

ρblk——空白樣本洗脫液吸光度；

Fcal——誘惑紅濃度與吸光度的關系系數，μg/L；

Vdil——用于洗脫樣本的蒸餾水體積，L；

ρspray——噴霧液中誘惑紅濃度，g/L；

Acol——聚酯卡的面積，cm2。

霧滴沉積率按式(5)計算。

(5)

式中：βdep%——霧滴沉積率，%；

βv——單位面積施藥量，L/hm2。

4.3 試驗結果分析

由動力系統導出的各次試驗勻速區內車速和各車輪的滑轉率，取平均值的結果統計見表2。

表2 勻速區內車速均值和各車輪的滑轉率均值Tab. 2 Mean value of sprayer speed and slip rate of each wheel at a constant speed

各次試驗由手動遙控控制的車速以0.14～0.20 m/s的間隔遞增，符合試驗目的需求。各車輪滑轉率隨車速增長呈遞增趨勢，但變化幅度不大。兩個前輪滑轉率在6%左右，動力分配控制策略已在行駛中介入控制，與目標滑轉率5%比較接近，打滑現象控制較好；兩個后輪的滑轉率均在5%以下，說明該田塊土壤條件較好，打滑現象并不嚴重。后輪的滑轉率均顯著小于前輪滑轉率，其中左后輪最小，相關現象可能由于整車負載分布不均勻導致。后輪上部裝有接近滿載的藥箱和混藥裝置，而左后輪上還裝有油箱、液壓及施藥系統等大部分部件，使得后輪對土壤壓實度更高，摩擦力更大，相對于前輪更不容易打滑。

如圖8所示為第5次試驗車速和各車輪的滑轉率隨時間變化情況，是該噴霧機樣機在韭菜地行駛的典型運動數據，具備分析代表性。總體來說，四輪滑轉率與瞬時車速呈此消彼長的關系：當車速為一峰值時，四輪滑轉率為谷值，反之亦然。這說明在車輪打滑嚴重時，車速會下降，影響行駛穩定性。其中，左后輪滑轉率有一定概率不跟隨其他三輪變化，說明當大部分車輪打滑時，左后輪得益于輪上載荷較大，有可能保持穩定動力輸出，有時其提供的動力能保持車速不下降，例如在7 s時；而有時即使左后輪未打滑，依然無法阻止車速下降，例如在2.5 s、11 s時。

圖8 第5次試驗車速和各車輪的滑轉率隨時間變化Fig. 8 Sprayer speed and slip rate of each wheel changed with time in the fifth test

通過對每次試驗的9個采樣點的數據計算沉積率均值及變異系數，分析變量施藥系統在該噴霧機上的作業質量，相關數據見表3。

表3 各試驗霧滴沉積率均值和變異系數Tab. 3 Mean deposition rate and variation coefficient of each test

每次試驗沉積率均值都超過或接近90%，本文試驗最大車速大約為最小車速的2倍，說明在該車速變化范圍內，變量施藥系統能適應車速的變化調節流量至預設的目標值。沉積率均值總體上隨著車速的增加而減少，除了車速測量誤差以及變量施藥系統控制精度誤差的影響外，隨著車速的增加，噴頭流量隨之增加，壓力也隨之增加，導致噴頭霧化粒徑顯著減小，一定程度增加了飄移幾率。同樣由于飄移的增大，以及車速提高導致的噴桿晃動加劇，還導致了表3所示的沉積率變異系數增大，即沉積均勻性變差。

5 結論

本文利用高地隙四輪轉向液壓底盤研制了適用于大田蔬菜病蟲害防治的遙控噴桿噴霧機，主要開發了液壓驅動系統和變量施藥系統。其中，液壓驅動系統采用GNSS系統采集實際車速和轉速傳感器采集輪速，計算各輪滑轉率，以理想滑轉率為控制目標，控制比例閥開度進行實時動力分配；變量施藥系統采用GNSS系統采集實際車速和預設的目標單位面積施藥量換算目標流量，以目標流量為控制目標，控制回流管路的調節閥開度進行實時噴霧流量調節。

通過在韭菜田的性能考核試驗表明：設計的液壓驅動系統和變量施藥系統能與底盤協同工作。在0.63～1.32 m/s行駛速度范圍內，滑轉率最大的車輪為左前輪，滑轉率均值為6.14%，最大為7.10%，均能穩定在理想滑轉率范圍內(<15%)；滑轉率最小的左后輪是輪上載荷最大的車輪，滑轉率均值為0.76%，顯著小于其他車輪，說明輪上載荷對滑移率有較大影響，輪上載荷越大，滑移率越小，建議采用四驅底盤的噴霧機首先應進行四輪載荷均衡優化設計。噴霧作業霧滴沉積率均值為93.4%，變異系數為21.6%，變量施藥系統隨速調節功能良好；隨著車速增大，沉積率減小，變異系數增大，車速最大時，沉積率為88.9%，變異系數為31.3%，仍能滿足植保作業質量要求；液力式噴頭增大流量導致霧滴譜減小，霧滴飄移風險增大，建議對于隨速變量施藥系統采用霧滴譜更穩定的噴頭，或適當限制噴霧機的最大行駛速度以改善作業質量。