可移動雙噴頭噴霧系統(tǒng)植保無人機研究

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)植保無人機主要由無人機本體，無人機本體的底部的儲液箱，儲液箱底部的水泵，旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和噴灑機構(gòu)組成。其中旋轉(zhuǎn)機構(gòu)由舵機安裝座、舵機、搖臂安裝座、搖臂組成；噴灑機構(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)，從而達到改變噴頭的位置的目的，進而能夠增大農(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)機構(gòu)

2.1.1 結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)機構(gòu)由舵機安裝座、舵機、搖臂安裝座、搖臂組成。如圖2所示，其結(jié)構(gòu)是舵機固定在舵機安裝坐上，安裝座固定在無人機的機臂末端，旋翼的正下方，搖臂通過搖臂安裝座上的舵機搖臂相連接，另一端用同樣的方式固定舵機與另一個搖臂，而兩個舵機均與無人機控制系統(tǒng)相連，通過無人機遙控器控制舵機搖臂的轉(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)機構(gòu)的設(shè)計特點是旋轉(zhuǎn)機構(gòu)放置在旋翼正下方有利于無人機飛行的平穩(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，強化藥液噴出的擴散性效果，提高藥液的下落速度，進一步提高噴施效率。

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)無人機上四套旋轉(zhuǎn)機構(gòu)同步轉(zhuǎn)動到交叉相對的兩套旋轉(zhuǎn)機構(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)機構(gòu)部分展開效果。

2.2 噴灑機構(gòu)

2.2.1 結(jié)構(gòu)。噴灑機構(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的控制系統(tǒng)連接。

圖2 旋轉(zhuǎn)機構(gòu)

2.2.2 設(shè)計特點。噴灑機構(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本體的中心軸線重合。保證儲液箱對無人機的水平重心沒有影響，有利于噴施的均衡性以及無人機本體飛行的安全性，同時提高旋翼式無人機的飛行速度、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)作物進行高效、經(jīng)濟的噴灑作業(yè)。

圖3 噴灑機構(gòu)

圖4 儲液箱