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摘要 针对陕西省矮化果园设计一款结构紧凑、转弯半径小、可视回传遥控轮式高效脉冲喷雾机具。基于可视化轮式平台，利用远程遥控脉冲式喷气发动机进行无人喷雾作业，并在标准矮化果园进行了验证。结果表明，该机具施药药效持久，震荡后产生的0.5～1.0 μm药物粒子，在空中漂浮时间长达1～3 h，喷雾效率高，每株树木喷射1～2 s即可完成；比传统喷雾器节省药水60%以上。
关键词 果园高效脉冲喷雾机；遥控轮式；可视化
中图分类号 S491 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）17-0175-02
病虫害防治是我国传统农业、园果林业、设施蔬菜种植中最主要的管理作业，但由于国内目前种植业标准不统一，粗放式耕作经营导致很多地区仍使用手动、踏板式喷雾器和高压喷枪，采用大雾量、雨淋式喷药方法[1]。这种粗放落后的药械和施药方法容易导致农药利用率低，不仅浪费了资源，而且造成了环境污染。这种传统喷药作业的效率低，劳动强度大，容易导致操作人员中毒[2]。
1 目前果园喷雾情况
国外基于大面积种植模式能最大程度地发挥自然条件的优势以形成规模效应，有利于农业大规模的机械化、标准化、专业化生产及产业化经营。且种植区配合沟灌、喷灌、滴灌设备，基本实现了从耕地到收割、贮存几乎所有农作物生产领域的机械化，直接帮助了农场主大幅提高农业生产效率，最终达到成本最小化、利润最大化的目的。欧美国家的果园为规模化种植，行距和株距统一规划，便于机械化作业。因此，大多数国外喷药机械可实现大中型机械化作业，植保机械多用罩盖循环、风送式、静电喷雾、自动对靶、定向仿形控制等，实现了低喷量、精喷洒、少污染和高功效[3]。
我国目前大片果园规模化、专业化、标准化程度低，仍主要采取一家一户的经营模式，生产规模小，地势、土壤复杂多变，树种和栽培模式繁多，机械作业空间狭小，栽培管理专业化和标准化程度低，不利于果園机械的推广和应用[4]。但随着我国果园种植面积的扩大，果园规模化发展和规范化管理的要求日益提高，果园机械化管理的重要性日益凸显。
虽然目前在我国东北、新疆等地实行现代、规范化、规模化的林果种植，有大中型喷药设备使用，但大多数果林病虫害防治很难进行大规模机械化作业，因而亟需开发适合我国果树种植者且易操作使用的高效精细喷雾机械装备[5]。
2 遥控轮式果园高效脉冲喷雾机的整体结构与工作原理
本课题研制一款小型遥控可视自走式电动果园喷雾平台，适用于我国现代低矮密植果园的种植模式。整机由电动力驱动，远程遥控作业，实现低碳环保的新型植保作业方式。
整机工作控制过程如图1 所示。果园种植户由操控终端发射信号；机具总电源接通，信号接收端即接收命令、分析相应给出信号，把命令信号传给行走系统、喷药系统等工作部件并执行命令。整车行走和喷雾控制互不干扰，行走速度、姿态由果园种植户通过回传视频确定，实现变量弥雾。通过可视化喷药云台的控制可针对病虫、病灶多发处进行定点、定量施药，实现实时变量控制。
2.1 行走系统驱动电机功率选择
行走系统采用典型轮式移动构造。由车体、车轮、车轮—车体两者之间将两者结合起来的支撑机构、车轮驱动机构等组成[6]。而纯电动轮式机车平台的输出动力全部由电动机提供，所以电动机功率的选择需满足机车的最高车速以及最大爬坡度等动力需求。
2.1.1 以最高设计车速确定电机额定功率。根据文献[7]，当机车依最高设定速度Vmax匀速行驶时，电机所需提供的功率计算公式为：
式中，η—整车动力传动系统效率（包括主减速器和驱动电机及控制器的工作效率），取0.86；m—机车满载质量，取60 kg；g—重力加速度，取9.8 m/s2；f—滚动阻力系数，取0.1；Cd—空气阻力系数，取0.6；A—电动机车迎风面面积，取0.6×0.5=0.3 m2（设计车身宽度×车身高度）；Vmax—最高车速，取15 km/h。
将以上数据带入（1）中，计算得当机车依设计最高时速行驶时，电机所需提供的功率：
即在设定最大行驶速度为15 km/h的情况下，选300 W以上的电机即可符合设计要求。
2.1.2 爬坡情况下电机额定功率计算。满足以Vslope=10 km/h的车速行驶通过20%坡度（农村土地調查将耕地坡度划分为≤2°、2°～6°、6°～15°、15°～25°、>25°共5个级别[8]）所需的电机峰值功率计算公式为：
满足以Vslope=10 km/h的车速行驶通过20%坡度所需的电机峰值功率应大于177 W。因此，按照最大行驶速度设定，选择300 W电机即可。
2.2 四轮配置及转向
前轮用独立悬挂转向方式，后轮非独立悬挂作为动力输出轮，车轮驱动方式是电机经过减速器后直接驱动车轮的车轴[9]。在果园复杂的环境下采用独立前悬挂，每个车轮用螺旋弹簧安装在车架下方，这样可最大限度地保证一轮在前进过程中发生跳动时另外一轮不受影响，使车身稳定性提高。
3 遥控轮式果园高效脉冲喷雾机的喷药系统
喷药系统采用脉冲式喷气发动机原理（图2），药机发动时，先将电源开关打开使火花塞处于持续高压点火状态，再将空气手动压入启动单项三通阀，一路供给出油系统保证燃油被压入燃烧管道，将燃油供应到燃烧室，另一路进入燃烧气管，同被压出的燃油在燃烧室混合并被火花塞点燃，接着爆炸开始，瞬间产生巨大气压将热空气从发动机的开口喷出。当空气被喷出燃烧室，燃烧室内便产生真空。真空迫使即将被喷出排气管的火焰吸回燃烧室[10]。此时喷管已排出火焰并吸入新鲜空气。该过程循环重复直至工作结束。
脉冲式发动机产生的高温高压气流从喷管出口处高速喷出，打开药阀后，药箱内气压将药液压至爆发管内，与高温高速气流混合产生负压（引射原理），药剂在负压条件下通过输水/药管道，将水/药送入喷管中在高频热流的震荡下进一步进行雾化，将吸进来的药剂炸碎成0.5～1.0 μm药物粒子。药物微粒随气流从喷管喷出弥散成细小的雾状覆盖整个靶标对象[11]，达到杀虫防病的效果。使用脉冲式喷气发动机原理可以大量减少喷雾过程中水的使用量。 脉冲式喷雾机由于在燃烧室和喷管中将水/药高频震荡后形成了微小药物粒子，可长时间在空中漂浮。一般在5 m以下的农作物，用水或烟雾剂兑农药后进行喷雾操作，一般配比为10∶1，喷雾效率高，每株树木1～2 s内即可完成喷雾作业，比传统喷雾器节省药水60%以上。
由于该机具喷出的药成弥散形式，因而防治空间大大增加，且喷出的药物成油性，可更高效地附着于靶标上，节水省药。因此，近年来利用这种原理防治农业、林业病虫害的机具越来越多，是今后植物保护机械发展的重要方向。
4 遥控轮式果园高效脉冲喷雾机的性能试验
4.1 试验结果
将果园高效脉冲喷雾机样机在礼泉县苹果树试验基地进行田间性能试验检测。试验对象为苹果园。果树较矮，行距为1.4 m左右，株距为1.1 m左右，作业空间为1.5 m左右。载药量20 L，有效喷射距离10 m，雾滴直径0.5～1.0 μm，续航时间15 h，传动效率88%，可靠性89%，节水60%。
4.2 结果分析
一是整车体型较低，结构简单牢固，可在低矮密植果园中灵活行走、掉头，具有良好的通过性和越障能力。二是经由高频脉冲器震荡后产生的药物粒子直径在0.5～1.0 μm之间，可漂浮在空中1～3 h，叶片的受药率大幅提高。喷雾效率高，每株树木喷射1～2 s，较传统喷雾器节省药水60%以上。三是远程无线信号发射与接收稳定，图传清晰可靠，整机控制性较高，达94%，在保证作业效率的前提下尽可能地使作业者远离农药覆盖范围，保障作业人员人身安全。四是整车采用24 V蓄电池为动力，蓄电池可与大多数市售电池更换，低碳节能，维修方便。
5 结论与展望
遥控轮式果园高效脉冲喷雾机可完全适应密植果园的特点，该作业机具结构紧凑、行动灵活，可适应不同树形、树种的作业需求，可针对回传重点病灶进行定点、定量施药，提高了机具施药对靶性能，提高了农药利用率。
随着越来越多的标准低矮密植果园的出现以及现代油改电技术的发展，电动力微型遥控植保机械具有广阔的推广应用前景。因此，研究人员应当在此基础上，进一步提高智能化作业，建立无人值守的新型果园机具。
6 参考文献
[1] 何雄奎，严荷荣，储金宇，等.果园自动对靶静电喷雾机设计与试验研究[J].农业工程学报，2003，19（6）：78-80.
[2] 宋坚利，何雄奎，曾爱军，等.三种果园施药机械施药效果研究[J].中国农机化，2006（5）：79-82.
[3] 杨学军，严荷荣，徐赛章，等.植保机械的研究现状及发展趋势[J].农业机械学报，2002，33（6）：129-131.
[4] 孟祥金，沈從举，汤智辉，等.果园作业机械的现状与发展[J].农机化研究，2012（1）：238-241.
[5] 王海波，刘凤之，王孝娣，等.我国果园机械研发与应用概述[J].果树学报，2013，30（1）：165-170.
[6] 日本机器人学会机器人技术手册[M].宗光华，城君实，等，译.北京：科学出版社，2008.
[7] 王方.微型纯电动汽车动力性能参数匹配及仿真研究[D].合肥：合肥工业大学，2011.
[8] 中华人民共和国国土资源部.第二次全国土地调查技术规程：TD/T 1014—2007[S].北京：[出版者不详]，2007.
[9] 曹其新，张蕾.轮式自主移动机器人[M].上海：上海交通大学出版社，2012.
[10] 李保国.脉动燃烧器及其尾管传热分析[J].上海理工大学学报，2001（3）：263-265.
[11] 程祥之.脈冲式烟雾机的构造和工作原理[J].林业科技开发，1997（2）：55-56.
关键词 果园高效脉冲喷雾机；遥控轮式；可视化
中图分类号 S491 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）17-0175-02
病虫害防治是我国传统农业、园果林业、设施蔬菜种植中最主要的管理作业，但由于国内目前种植业标准不统一，粗放式耕作经营导致很多地区仍使用手动、踏板式喷雾器和高压喷枪，采用大雾量、雨淋式喷药方法[1]。这种粗放落后的药械和施药方法容易导致农药利用率低，不仅浪费了资源，而且造成了环境污染。这种传统喷药作业的效率低，劳动强度大，容易导致操作人员中毒[2]。
1 目前果园喷雾情况
国外基于大面积种植模式能最大程度地发挥自然条件的优势以形成规模效应，有利于农业大规模的机械化、标准化、专业化生产及产业化经营。且种植区配合沟灌、喷灌、滴灌设备，基本实现了从耕地到收割、贮存几乎所有农作物生产领域的机械化，直接帮助了农场主大幅提高农业生产效率，最终达到成本最小化、利润最大化的目的。欧美国家的果园为规模化种植，行距和株距统一规划，便于机械化作业。因此，大多数国外喷药机械可实现大中型机械化作业，植保机械多用罩盖循环、风送式、静电喷雾、自动对靶、定向仿形控制等，实现了低喷量、精喷洒、少污染和高功效[3]。
我国目前大片果园规模化、专业化、标准化程度低，仍主要采取一家一户的经营模式，生产规模小，地势、土壤复杂多变，树种和栽培模式繁多，机械作业空间狭小，栽培管理专业化和标准化程度低，不利于果園机械的推广和应用[4]。但随着我国果园种植面积的扩大，果园规模化发展和规范化管理的要求日益提高，果园机械化管理的重要性日益凸显。
虽然目前在我国东北、新疆等地实行现代、规范化、规模化的林果种植，有大中型喷药设备使用，但大多数果林病虫害防治很难进行大规模机械化作业，因而亟需开发适合我国果树种植者且易操作使用的高效精细喷雾机械装备[5]。
2 遥控轮式果园高效脉冲喷雾机的整体结构与工作原理
本课题研制一款小型遥控可视自走式电动果园喷雾平台，适用于我国现代低矮密植果园的种植模式。整机由电动力驱动，远程遥控作业，实现低碳环保的新型植保作业方式。
整机工作控制过程如图1 所示。果园种植户由操控终端发射信号；机具总电源接通，信号接收端即接收命令、分析相应给出信号，把命令信号传给行走系统、喷药系统等工作部件并执行命令。整车行走和喷雾控制互不干扰，行走速度、姿态由果园种植户通过回传视频确定，实现变量弥雾。通过可视化喷药云台的控制可针对病虫、病灶多发处进行定点、定量施药，实现实时变量控制。
2.1 行走系统驱动电机功率选择
行走系统采用典型轮式移动构造。由车体、车轮、车轮—车体两者之间将两者结合起来的支撑机构、车轮驱动机构等组成[6]。而纯电动轮式机车平台的输出动力全部由电动机提供，所以电动机功率的选择需满足机车的最高车速以及最大爬坡度等动力需求。
2.1.1 以最高设计车速确定电机额定功率。根据文献[7]，当机车依最高设定速度Vmax匀速行驶时，电机所需提供的功率计算公式为：
式中，η—整车动力传动系统效率（包括主减速器和驱动电机及控制器的工作效率），取0.86；m—机车满载质量，取60 kg；g—重力加速度，取9.8 m/s2；f—滚动阻力系数，取0.1；Cd—空气阻力系数，取0.6；A—电动机车迎风面面积，取0.6×0.5=0.3 m2（设计车身宽度×车身高度）；Vmax—最高车速，取15 km/h。
将以上数据带入（1）中，计算得当机车依设计最高时速行驶时，电机所需提供的功率：
即在设定最大行驶速度为15 km/h的情况下，选300 W以上的电机即可符合设计要求。
2.1.2 爬坡情况下电机额定功率计算。满足以Vslope=10 km/h的车速行驶通过20%坡度（农村土地調查将耕地坡度划分为≤2°、2°～6°、6°～15°、15°～25°、>25°共5个级别[8]）所需的电机峰值功率计算公式为：
满足以Vslope=10 km/h的车速行驶通过20%坡度所需的电机峰值功率应大于177 W。因此，按照最大行驶速度设定，选择300 W电机即可。
2.2 四轮配置及转向
前轮用独立悬挂转向方式，后轮非独立悬挂作为动力输出轮，车轮驱动方式是电机经过减速器后直接驱动车轮的车轴[9]。在果园复杂的环境下采用独立前悬挂，每个车轮用螺旋弹簧安装在车架下方，这样可最大限度地保证一轮在前进过程中发生跳动时另外一轮不受影响，使车身稳定性提高。
3 遥控轮式果园高效脉冲喷雾机的喷药系统
喷药系统采用脉冲式喷气发动机原理（图2），药机发动时，先将电源开关打开使火花塞处于持续高压点火状态，再将空气手动压入启动单项三通阀，一路供给出油系统保证燃油被压入燃烧管道，将燃油供应到燃烧室，另一路进入燃烧气管，同被压出的燃油在燃烧室混合并被火花塞点燃，接着爆炸开始，瞬间产生巨大气压将热空气从发动机的开口喷出。当空气被喷出燃烧室，燃烧室内便产生真空。真空迫使即将被喷出排气管的火焰吸回燃烧室[10]。此时喷管已排出火焰并吸入新鲜空气。该过程循环重复直至工作结束。
脉冲式发动机产生的高温高压气流从喷管出口处高速喷出，打开药阀后，药箱内气压将药液压至爆发管内，与高温高速气流混合产生负压（引射原理），药剂在负压条件下通过输水/药管道，将水/药送入喷管中在高频热流的震荡下进一步进行雾化，将吸进来的药剂炸碎成0.5～1.0 μm药物粒子。药物微粒随气流从喷管喷出弥散成细小的雾状覆盖整个靶标对象[11]，达到杀虫防病的效果。使用脉冲式喷气发动机原理可以大量减少喷雾过程中水的使用量。 脉冲式喷雾机由于在燃烧室和喷管中将水/药高频震荡后形成了微小药物粒子，可长时间在空中漂浮。一般在5 m以下的农作物，用水或烟雾剂兑农药后进行喷雾操作，一般配比为10∶1，喷雾效率高，每株树木1～2 s内即可完成喷雾作业，比传统喷雾器节省药水60%以上。
由于该机具喷出的药成弥散形式，因而防治空间大大增加，且喷出的药物成油性，可更高效地附着于靶标上，节水省药。因此，近年来利用这种原理防治农业、林业病虫害的机具越来越多，是今后植物保护机械发展的重要方向。
4 遥控轮式果园高效脉冲喷雾机的性能试验
4.1 试验结果
将果园高效脉冲喷雾机样机在礼泉县苹果树试验基地进行田间性能试验检测。试验对象为苹果园。果树较矮，行距为1.4 m左右，株距为1.1 m左右，作业空间为1.5 m左右。载药量20 L，有效喷射距离10 m，雾滴直径0.5～1.0 μm，续航时间15 h，传动效率88%，可靠性89%，节水60%。
4.2 结果分析
一是整车体型较低，结构简单牢固，可在低矮密植果园中灵活行走、掉头，具有良好的通过性和越障能力。二是经由高频脉冲器震荡后产生的药物粒子直径在0.5～1.0 μm之间，可漂浮在空中1～3 h，叶片的受药率大幅提高。喷雾效率高，每株树木喷射1～2 s，较传统喷雾器节省药水60%以上。三是远程无线信号发射与接收稳定，图传清晰可靠，整机控制性较高，达94%，在保证作业效率的前提下尽可能地使作业者远离农药覆盖范围，保障作业人员人身安全。四是整车采用24 V蓄电池为动力，蓄电池可与大多数市售电池更换，低碳节能，维修方便。
5 结论与展望
遥控轮式果园高效脉冲喷雾机可完全适应密植果园的特点，该作业机具结构紧凑、行动灵活，可适应不同树形、树种的作业需求，可针对回传重点病灶进行定点、定量施药，提高了机具施药对靶性能，提高了农药利用率。
随着越来越多的标准低矮密植果园的出现以及现代油改电技术的发展，电动力微型遥控植保机械具有广阔的推广应用前景。因此，研究人员应当在此基础上，进一步提高智能化作业，建立无人值守的新型果园机具。
6 参考文献
[1] 何雄奎，严荷荣，储金宇，等.果园自动对靶静电喷雾机设计与试验研究[J].农业工程学报，2003，19（6）：78-80.
[2] 宋坚利，何雄奎，曾爱军，等.三种果园施药机械施药效果研究[J].中国农机化，2006（5）：79-82.
[3] 杨学军，严荷荣，徐赛章，等.植保机械的研究现状及发展趋势[J].农业机械学报，2002，33（6）：129-131.
[4] 孟祥金，沈從举，汤智辉，等.果园作业机械的现状与发展[J].农机化研究，2012（1）：238-241.
[5] 王海波，刘凤之，王孝娣，等.我国果园机械研发与应用概述[J].果树学报，2013，30（1）：165-170.
[6] 日本机器人学会机器人技术手册[M].宗光华，城君实，等，译.北京：科学出版社，2008.
[7] 王方.微型纯电动汽车动力性能参数匹配及仿真研究[D].合肥：合肥工业大学，2011.
[8] 中华人民共和国国土资源部.第二次全国土地调查技术规程：TD/T 1014—2007[S].北京：[出版者不详]，2007.
[9] 曹其新，张蕾.轮式自主移动机器人[M].上海：上海交通大学出版社，2012.
[10] 李保国.脉动燃烧器及其尾管传热分析[J].上海理工大学学报，2001（3）：263-265.
[11] 程祥之.脈冲式烟雾机的构造和工作原理[J].林业科技开发，1997（2）：55-56.