林木育苗農(nóng)藥精準(zhǔn)噴灑裝置的設(shè)計研究

蔣順勇， 邵雙駒， 謝銀楚， 仝緣圓， 林文樹

(東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

隨著我國生態(tài)環(huán)境保護和生態(tài)治理工程不斷深化[1]，國家對林木培育也越來越重視，發(fā)展現(xiàn)代林木育苗技術(shù)對提高林木育苗綜合水平具有重要意義。在林木育苗過程中，為防止苗木受到病蟲害影響，農(nóng)藥噴灑是重要的一環(huán)。但是，過量噴灑會造成燒苗[2]，少噴則達(dá)不到效果，對病情嚴(yán)重區(qū)則需要加大噴灑劑量，生長良好區(qū)則需要減少噴灑量，然而在林木育苗管理的過程中，苗木的病害區(qū)域分布是隨機的，很難做到農(nóng)藥的精準(zhǔn)噴灑。

現(xiàn)行的林木育苗農(nóng)藥噴灑，大多依賴人工，作業(yè)方式簡單，而且控制農(nóng)藥噴灑劑量全部靠人工經(jīng)驗判斷，常常會出現(xiàn)噴灑不均勻[3-4]、多噴或少噴等現(xiàn)象，難以精確控制噴灑劑量。同時，大多數(shù)噴灑裝置只是單一的實現(xiàn)噴灑而不具備精準(zhǔn)噴灑和流量控制等功能，農(nóng)藥噴灑效果差、效率低、精度差，大大降低作業(yè)效率，造成了資源的浪費，也會對環(huán)境造成一定影響。為了提高林木育苗農(nóng)藥噴灑作業(yè)效率以及保證噴灑的精確性，需要對現(xiàn)有林木育苗農(nóng)藥噴灑裝置進行研究設(shè)計并優(yōu)化。因此如何實現(xiàn)精準(zhǔn)噴灑以及進行流量控制是目前存在的一個難題，解決此問題對于提高我國林木育苗管理水平具有重要意義。

目前國內(nèi)外均有林木育苗過程中農(nóng)藥噴灑裝置的相關(guān)研究，國外發(fā)達(dá)國家的農(nóng)藥噴灑基本由機械完成，較為傳統(tǒng)的噴藥方式將水和農(nóng)藥事先按比例配制好裝入藥箱，通過壓力泵傳送至執(zhí)行機構(gòu)實施噴霧。這種方法具有自動化程度高、節(jié)約人力成本等優(yōu)點，缺點是沒有考慮病蟲草害分布差異，無差別均勻施藥很容易造成農(nóng)藥浪費和環(huán)境污染。德國波恩大學(xué)農(nóng)業(yè)機械研究所設(shè)計了一種噴嘴直接注入式農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)，可以實現(xiàn)農(nóng)藥和水分離存放，兩者通過混合腔在噴灑時均勻混合，避免了農(nóng)藥浪費，也減少了操作人員與農(nóng)藥的接觸時間[5]。我國在噴灑裝置方面也取得了一定的成果，例如重慶大學(xué)機械工程學(xué)院研制了一種耗水量小，擴散角度大、水流均勻且連續(xù)分布的新型噴灑裝置。該噴灑裝置具有能耗小、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單，使用壽命長等優(yōu)點。國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心研發(fā)了一種農(nóng)藥噴灑靶標(biāo)輸送裝置[7-8]，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性在該裝置的自動控制系統(tǒng)中采用了PLC與變頻控制技術(shù)相結(jié)合的控制方式。通過大量的實驗發(fā)現(xiàn)該裝置具有較高的控制精度能夠滿足農(nóng)藥的自動化噴霧要求。昆明理工大學(xué)針對圓形噴灑域噴頭導(dǎo)致漏噴、水量重疊和界外噴灑的突出問題，研制了一種適用于無風(fēng)環(huán)境的方形噴灑域噴灌裝置[9]，以提高農(nóng)藥噴灑均勻度和利用效率。

通過對比國內(nèi)外農(nóng)藥相關(guān)噴灑裝置的研究，本文基于SolidWorks 2020和AutoCAD 2016等計算機輔助設(shè)計軟件，采用STM32單片機進行控制，設(shè)計了一款林木育苗農(nóng)藥精準(zhǔn)噴灑裝置。STM32單片機通過輸出不同占空比的PWM信號控制噴灑裝置在固定平臺下方的三維空間內(nèi)進行精準(zhǔn)的旋轉(zhuǎn)，可實現(xiàn)立體噴灑農(nóng)藥。噴灑裝置的流量控制機構(gòu)在STM32的控制下，能精準(zhǔn)控制流體流量，該機構(gòu)配合研究設(shè)計的圓錐形噴頭能控制噴灑的范圍和噴灑的藥量，可提高農(nóng)藥利用率，減少農(nóng)藥使用量，減小環(huán)境污染[10]，提高我國精細(xì)化林木育苗管理水平。

1 整體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

為了適應(yīng)不同林木育苗的作業(yè)需求，解決林木育苗過程中的噴灑精度低、噴灑效果差以及不能調(diào)控流量大小等問題，實現(xiàn)對林業(yè)苗木管理中農(nóng)藥的精準(zhǔn)噴灑，提供以下噴灑裝置系統(tǒng)設(shè)計，如圖1所示。

該噴灑裝置的總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，包括固定平臺、高精度轉(zhuǎn)向機構(gòu)、噴頭組件和STM32控制模塊，其中高精度轉(zhuǎn)向機構(gòu)位于固定平臺下方，噴頭組件安裝在轉(zhuǎn)向機構(gòu)上。固定平臺由滑軌、滑臺組成，起固定和控制機構(gòu)運動的作用。林木育苗農(nóng)藥精準(zhǔn)噴灑裝置可用于林木苗圃農(nóng)藥噴灑，為提高林木育苗的精細(xì)化管理水平，設(shè)置高精度轉(zhuǎn)向機構(gòu)，可對林木苗圃區(qū)域的苗木進行點對點瞄準(zhǔn)，噴頭組件內(nèi)置的流量控制機構(gòu)可針對林木苗圃具體不同情況控制農(nóng)藥噴灑劑量，噴頭組件和高精度轉(zhuǎn)向機構(gòu)相互配合，可實現(xiàn)對林木苗圃的農(nóng)藥精準(zhǔn)噴灑。

圖1 噴灑裝置系統(tǒng)設(shè)計

圖2 噴灑裝置總體設(shè)計圖1.滑軌；2.主云臺舵機；3.U型懸架；4.次云臺舵機；5.進水口；6.高壓儲水室；7.單軸舵機；8.電動滑閥；9.混合室；10.出水口；11.STM32控制模塊；12.滑臺

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 控制模塊設(shè)計

本研究設(shè)計基于STM32單片機對噴灑裝置進行控制，設(shè)計采用STM32F103C8T6單片機作為控制器，單片機引腳圖如圖3所示，負(fù)責(zé)整個噴灑裝置的信號處理和協(xié)調(diào)控制功能，與關(guān)聯(lián)設(shè)備共同實現(xiàn)精準(zhǔn)轉(zhuǎn)向[11]、流量控制以及流量調(diào)節(jié)。

控制系統(tǒng)包括電源模塊、DS3115單軸舵機、RDS3115雙軸舵機以及STM32F103C8T6單片機等。本裝置選用的電源模塊為5 V/2 A恒壓電源，選用的單軸與雙軸舵機控制精度為3 μs，可轉(zhuǎn)動角度為270°，5 V時扭矩為1.5 N·m，具有控制精度高，線性度好，響應(yīng)速度快，扭矩大等優(yōu)點。STM32單片機通過發(fā)出不同占空比的PWM信號控制舵機軸的轉(zhuǎn)動角度，實現(xiàn)噴頭精準(zhǔn)轉(zhuǎn)動以及流量控制。

主云臺舵機采用DS3115單軸舵機、次云臺舵機采用RDS3115雙軸舵機，流量控制機構(gòu)的舵機采用DS3115單軸舵機?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，STM32單片機產(chǎn)生頻率200 Hz、脈沖寬度1 620 μs的PWM信號控制主云臺舵機、次云臺舵機轉(zhuǎn)動不同角度，可使噴頭精確瞄準(zhǔn)林木苗圃，實現(xiàn)立體噴灑和點對點精準(zhǔn)噴灑。單片機輸出的PWM信號可調(diào)節(jié)流量控制機構(gòu)的單軸舵機轉(zhuǎn)動，進而帶動電動滑閥中心軸進給，從而控制噴灑流量。

2.2 高精度轉(zhuǎn)向機構(gòu)設(shè)計

高精度轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)是噴灑裝置的關(guān)鍵部件，轉(zhuǎn)向機構(gòu)的精準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)是實現(xiàn)精準(zhǔn)噴灑的前提。通過控制高精度轉(zhuǎn)向機構(gòu)對需要進行噴灑的區(qū)域進行點對點的瞄準(zhǔn)，保證其精準(zhǔn)噴灑的能力。

高精度轉(zhuǎn)向機構(gòu)設(shè)計如圖5所示，由懸架和主次云臺舵機組成，主云臺舵機為單軸舵機，次云臺舵機為雙軸舵機，其中主云臺舵機安裝在U型懸架上方，可使U型懸架帶動噴灑裝置在水平面內(nèi)進行360°精確旋轉(zhuǎn)；次云臺舵機位于U型懸架下方，次云臺舵機雙軸與U型懸架兩吊耳相連接，在次云臺舵機帶動下，可使噴灑裝置在豎直面內(nèi)進行360°精確旋轉(zhuǎn)。次云臺舵機下端與高壓儲水室連接。

高精度轉(zhuǎn)向機構(gòu)工作流程如圖6所示，機構(gòu)有兩個自由度，分別是主云臺舵機在水平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)和次云臺舵機在豎直面上的旋轉(zhuǎn)，同時控制主云臺舵機和次云臺舵機，可實現(xiàn)噴頭組件在水平和豎直方向的高精度旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向，實現(xiàn)精準(zhǔn)噴灑。

高精度轉(zhuǎn)向機構(gòu)的主次云臺舵機正交分布，其中主云臺舵機轉(zhuǎn)軸在豎直方向，次云臺舵機轉(zhuǎn)軸位于水平方向。同時控制主次云臺舵機轉(zhuǎn)動的角度，能夠?qū)崿F(xiàn)噴頭組件在水平和豎直方向的高精度旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向，對需要噴灑的苗圃中苗木進行高精度瞄準(zhǔn)，保障其精準(zhǔn)噴灑的能力。

圖3 STM32F103C8T6單片機引腳圖

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖5 高精度轉(zhuǎn)向機構(gòu)設(shè)計圖

圖6 高精度轉(zhuǎn)向機構(gòu)工作流程圖

2.3 噴頭組件的設(shè)計

噴頭組件是本裝置的另一個關(guān)鍵部件，精準(zhǔn)噴灑裝置通過噴頭組件對林木苗圃進行農(nóng)藥噴灑，通過內(nèi)置的流量控制機構(gòu)控制流量，實現(xiàn)精準(zhǔn)噴灑。

噴頭組件由進水口、高壓儲水室、流量控制機構(gòu)、混合室和出水口組成，噴頭組件通過轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)向機構(gòu)相連接，高壓儲水室位于轉(zhuǎn)軸下方，其中高壓儲水室的右側(cè)為進水口，進水口與外部相連；高壓儲水室下方為流量控制機構(gòu)，其中流量控制機構(gòu)由單軸舵機，電動滑閥組成，通過單軸舵機來控制電動滑閥，能夠精確控制流量以及壓力大??；混合室位于流量控制機構(gòu)下，下接出水口。

高精度轉(zhuǎn)向機構(gòu)帶動噴頭組件能對需要噴灑的林木進行高精度瞄準(zhǔn)，流量控制機構(gòu)在單軸舵機的帶動下能夠精確控制流量大小，實現(xiàn)對林木的精準(zhǔn)噴灑。

2.3.1 流量控制機構(gòu)設(shè)計

流量控制機構(gòu)是本裝置的一個主要部件，通過流量控制機構(gòu)可調(diào)節(jié)控制流量大小，精確控制噴灑劑量，保障精細(xì)化育苗能力。

流量控制機構(gòu)如圖7所示，由單軸舵機，電動滑閥組成，通過單軸舵機來控制電動滑閥，調(diào)節(jié)流量大小以及控制混合室壓力大小，其中電動滑閥由閥體、閥芯、電動滑閥進水口和電動滑閥出水口組成，閥芯安裝在閥體內(nèi)部，閥芯左側(cè)通過彈簧與閥體相接，閥芯右側(cè)貫穿閥體通過齒條與單軸舵機相連接；閥體上下兩側(cè)開口，一側(cè)為電動滑閥進水口，一側(cè)為電動滑閥出水口。所述閥芯由中心軸、大橡膠輪和小橡膠輪組成，大橡膠輪和小橡膠輪位于中心軸上，其中小橡膠輪安裝在中心軸的左端，大橡膠輪位于中心軸的中部，位于出水口處；大橡膠輪和小橡膠輪與閥體緊密相接，通過單軸舵機轉(zhuǎn)動，大橡膠輪進給可控制電動滑閥出水口的大小，實現(xiàn)對流量的控制和壓力大小的調(diào)控。

圖7 電動滑閥結(jié)構(gòu)示意圖1.彈簧；2.小橡膠輪；3.大橡膠輪；4.閥體；5.中心軸

2.3.2 噴嘴的選型設(shè)計

噴嘴是本裝置的關(guān)鍵部件，其原理是利用噴嘴內(nèi)孔面積的變化使高壓水聚集起來，并轉(zhuǎn)化成動能再以高速射流的形式噴出，從而實現(xiàn)對林木苗圃的噴灑噴灌。根據(jù)噴霧效果、噴霧粒徑和噴嘴用途設(shè)計了三種不同類型的噴嘴，噴嘴類型圖如圖8所示。

圖8 噴嘴類型圖

圖8(a)為扇形噴嘴，是林木灌溉常用的一種噴嘴，具有流量范圍寬、霧角幅度大的特點[12]，扇形噴嘴產(chǎn)生的水射流平坦均勻、致密性好[13]、水流射速大，常用于強沖擊的清洗應(yīng)用。圖8(b)為圓柱噴嘴，作為最常用的連續(xù)射流噴嘴，是在圓錐收斂形噴嘴的基礎(chǔ)上衍變出來的實心流噴嘴，當(dāng)高壓水進入噴頭時，首先產(chǎn)生收縮，而后逐漸擴大以致充滿整個噴頭而出流[14]，圓柱形噴嘴因其加工制造方便、射流特性較好，被廣泛應(yīng)用于高壓水射流工業(yè)[15]。圖8(c)為圓錐形噴嘴，圓錐形噴嘴其主要就是把液體散開，達(dá)到液體霧化開的效果，能產(chǎn)生實心錐形噴霧形狀，噴射區(qū)域呈圓形。圓錐形噴嘴以結(jié)構(gòu)簡單、射流對中性好及打擊力集中等優(yōu)點著稱[16]，霧化效果好。

對比三種噴嘴，扇形噴嘴射流打擊力度大，噴霧為扇形，在林木育苗領(lǐng)域，扇形噴霧面積過小，影響作業(yè)效率。圓柱噴嘴射流集中，能量密度大，不適合林木育苗的噴灑作業(yè)。圓錐形噴嘴在實現(xiàn)基本噴灑的同時，又有較好的霧化噴灑效果，并且結(jié)構(gòu)簡單，射流對中性好，打擊力集中，很好的滿足精準(zhǔn)噴灑要求。綜合考慮林木育苗噴灑裝置的應(yīng)用場景，以及三種噴嘴的結(jié)構(gòu)特點，最終決定采用圓錐形噴嘴為本裝置的噴嘴。

3 工作原理

噴灑裝置工作原理如圖9所示，工作人員可控制噴頭在滑軌上移動，通過單片機操控主云臺舵機、次云臺舵機，針對不同場景、不同需求的小區(qū)域苗木進行精準(zhǔn)瞄準(zhǔn)，帶動噴頭組件同時在水平和豎直兩個平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)噴頭組件在水平和豎直方向的高精度旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向，實現(xiàn)精準(zhǔn)噴灑；單片機輸出的PWM信號可調(diào)節(jié)流量控制機構(gòu)的單軸舵機轉(zhuǎn)動，進而帶動電動滑閥中心軸進給，從而控制噴灑流量。當(dāng)需要對苗木病情嚴(yán)重區(qū)進行噴灑農(nóng)藥時，工作人員可操控主次云臺舵機旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向，將噴頭對準(zhǔn)病情嚴(yán)重區(qū)進行精準(zhǔn)噴灑，并操控單軸舵機控制電動滑閥，加大噴灑流量，增強噴灑效果；當(dāng)遇到病情良好區(qū)時，則減少噴灑流量，避免因農(nóng)藥噴灑過量造成燒苗。

圖9 噴灑裝置工作原理圖

4 實施方法

該噴灑裝置的固定平臺可安裝在溫室大棚，露天苗圃或林業(yè)噴灑車等裝備上，噴灑裝置的進水口接外部藥管，工作人員可接高壓、低壓藥管對高壓儲水室進行供給農(nóng)藥。高壓儲水室具有一定的緩沖作用，避免因外部液壓變化導(dǎo)致噴頭流量突然變化，影響噴灑效果。流量控制機構(gòu)可根據(jù)液體壓力的變化，調(diào)節(jié)流量大小，當(dāng)液體壓力過高時，STM32單片機控制單軸舵機，推動電動滑閥減少電動滑閥出水口大小，避免混合室水壓過高影響噴灑效果。當(dāng)液體壓力過低時，STM32單片機控制單軸舵機工作，推動大橡膠輪移動，增大電動滑閥出水口大小，增大流量，快速補給混合室的流量，避免影響噴灑效果。當(dāng)液體壓力不穩(wěn)定時，工作人員可根據(jù)具體情況控制單軸舵機對流量進行調(diào)節(jié)，也可根據(jù)實際工作需要，對流量進行調(diào)節(jié)。本裝置的高精度轉(zhuǎn)向機構(gòu)可根據(jù)具體情況，對苗木進行精準(zhǔn)噴灑，工作人員可操控主云臺舵機、次云臺舵機，調(diào)節(jié)主云臺舵機、次云臺舵機的工作角度，噴頭組件則可以在固定平臺下方進行上下左右自由轉(zhuǎn)動，可對苗木實施精準(zhǔn)噴灑。

5 總結(jié)與展望

林木育苗農(nóng)藥精準(zhǔn)噴灑裝置通過滑軌移動和高精度轉(zhuǎn)向機構(gòu)可實現(xiàn)噴頭覆蓋區(qū)域內(nèi)的高精度噴灑，精度高、效率高。本裝置的主次云臺舵機，可智能調(diào)控轉(zhuǎn)向角度，穩(wěn)定性高，可靠性強；本裝置的流量調(diào)控機構(gòu)，可調(diào)控流量大小，提高霧化程度，機動調(diào)節(jié)噴灑范圍，可針對不同噴灑要求進行流量調(diào)節(jié)，避免過多或過少的噴灑，造成對育苗的不可逆影響，做到節(jié)約資源和增強噴灑效果。本裝置基于STM32單片機實現(xiàn)了高精度噴灑和調(diào)控噴灑流量等功能，對于提高我國林業(yè)育苗技術(shù)管理水平提供參考。

本文研究了林木育苗農(nóng)藥精準(zhǔn)噴灑裝置的機械結(jié)構(gòu)部分和STM32控制模塊部分，其未來應(yīng)向智能化、數(shù)字化、高效、安全、低污染方向發(fā)展。通過傳感器和機器視覺裝置來快速、準(zhǔn)確地采集林木苗圃信息，有效地監(jiān)測苗圃，對采集到的圖像處理，抽取有用的信息并將其輸出。其結(jié)果可供技術(shù)人員觀察，并且傳輸給裝置的控制系統(tǒng)，完成智能化作業(yè)。未來農(nóng)藥噴灑裝置還將對針對不同場景進行變濃度調(diào)節(jié)，降低農(nóng)藥的使用量，減少對環(huán)境的污染，逐步向綠色噴灑邁進。此外，本噴灑裝置也適用于林木育苗日常管理中苗木水的噴灑。