一种模拟旋翼飞机农药静电喷洒沉积装置的设计与试验

王继环，赵春江,2,4，王　秀，冯青春，邹　伟，谢新华

(1.西北农林科技大学，陕西 杨凌　712100;2.国家农业信息化工程技术研究中心，北京　100097;3.国家农业智能装备工程技术研究中心，北京　100097;4. 农业部 农业信息技术重点实验室，北京　100097)



一种模拟旋翼飞机农药静电喷洒沉积装置的设计与试验

王继环1，赵春江1,2,4，王秀3,4，冯青春3,4，邹伟3,4，谢新华3

(1.西北农林科技大学，陕西 杨凌712100;2.国家农业信息化工程技术研究中心，北京100097;3.国家农业智能装备工程技术研究中心，北京100097;4. 农业部 农业信息技术重点实验室，北京100097)

摘要：在农业植保领域中，航空喷雾技术在农业领域的应用具有广阔的前景，特别是无人直升机喷雾具有高效、节水、优质、全能、安全及便利等优点，克服了传统喷雾技术对地形要求较高、作业时间长、作业面积小、伤害作物，以及人员中毒风险较高等缺点。为此，研究了一种模拟旋翼飞机的农药喷洒沉积测定装置，其行进速度和喷杆高度均可以调节，充电电压可以调节，也可进行模拟PWM恒压变量喷雾的测试，且可对旋翼飞机的农药喷洒过程进行模拟。同时，进行了模拟无人静电喷雾试验，并对沉积效果进行了测试和比较。

关键词：精准施药；无人直升机；静电施药;试验台

0引言

作物生长和保护是提高农产品生产率的一个重要组成部分。农业和农业化学农药喷洒过程中化学药品的巨大损耗和随之而来的环境污染，常常是由于常规杀虫剂脱靶的漂移沉积造成，通常通过带电喷雾来减少这些漂移。传统的喷雾，有时只有20%的喷雾药液到达目标[1]。由于植保成本增加及农药对于环境污染引起民众的广泛关注，需要一种提高常规农药喷雾效率应用方法。荷电喷雾的农业应用对液滴运输过程控制加强，且提高沉积和减少浪费。采用静电喷洒，应用的效率可以提高到80%，并且减少了50%喷洒化学成分的使用[2]。静电作用对小液滴比重力更突出，因此，喷雾液滴的静电充电提供一种改进的沉积方式以减少漂移[3]。此外，一些昆虫，如棉铃虫(瓜蚜)一般都在植物的隐蔽侧，如果能够使用精准定位的施药手段，可以在灭虫工作中减少人力物力的使用[4]。另一方面，由于气候的变化，农林病虫草害发生情况逐步呈现扩大趋势,病虫常常爆发性、 突发性的出现。航空无人机喷雾技术可用于大型农场、草原、大面积及森林等农作物的防治工作[5]，具有全地形均可使用、作业时间短、作业面积大、对作物无伤害、使用遥控操作及降低中毒风险性等优点，是其他植保机械无法替代的[6]。驾驶农用飞机通常用于大范围连片的土地,而对于小范围地块的利用率较低，效率不高，如采用无人机的方式，可以远程控制或基于预编程自主飞行，可收到较好的植保效果[7]。目前在我国，无人直升机航空施药的研究才刚刚起步，由于在一些地方实际飞行申请较为困难，考虑实际使用无人直升机成本与安全性，笔者研发了一种模拟旋翼飞机喷洒沉积装置，方便进行旋翼飞机的前期模拟研究沉积试验；同时根据静电施药原理进行了直升机静电喷洒试验，且分析了静电施药在旋翼飞机施药上的沉积效果[8]。

1静电施药平台的设计

1.1旋翼飞机模拟的原理

采用工业风扇模拟旋翼飞机的向下风送过程：采用进口的一体整体4m长的无油滑轨作为移动轨道；风扇与喷头整体位于同一横杆上，横杆的两端固定在两处滑块上，整体可以伴随滑块的移动而沿着滑轨移动;喷头置于风扇下方，沿着风送方向进行喷洒作业。

1.2平台结构设计

测试平台外设置有药液箱，可以通过进药管道接喷泵的入口，采用12V直流供电稳压泵提供恒定压力;水泵的流出通过三组电磁阀PWM控制管路开闭[9]，进入喷头，喷头组的上方有直径750mm的工业风扇，下方正对第一个喷头。风扇与喷头形成一个整体，固定在一移动杆上，移动杆为铝型材，两端固定在两个滑块上；两滑块分别在两条相互平行的导轨上；导轨总长4m，整体为铝型材框架便于移动。移动杆通过同步带与轴相连，采用伺服电机作为动力输出装置。使用可编程逻辑控制器控制移动环节与移动参数预先设置，同时可以进行脉宽调制通过控制电磁阀的开闭控制流出流量。加有静电喷头，可以模拟静电施药过程，实现多种组合喷雾的模拟[10]。

如图1所示，移动部分主要包括无油滑轨、滑块、霍尔传感器、同步带、夹块及轴。其中，限位传感器安装在两侧，主要是用于滑块的限位；行走部件采用伺服电机作为驱动，行走的速度靠电机转速的改变；电机与滑块靠同步带连接，由同轴保证两侧滑块移动同步，因此当电机转动时可以保证药液喷施部件移动速度与预定相同；可以通过触摸屏调节速度，也可以通过控制盒上实体按键进行控制。如图1、图2所示，药液喷施部件主要由可调速风扇、药液箱、泵、静电喷头、药液管及药液控制电磁阀构成。喷头固定在喷头固定杆上，喷头的位置与横向间距可以调节；药液由药液箱流出，经过恒压泵，到达喷头；上方的模拟旋翼的风扇产生定风场向下，液滴在原始的液体压力与风的共同作用下加速吹向靶标；加静电环电压开启的情况下，液滴会通过静电环中心的静电场成为带电雾滴[11]。

1.霍尔传感器　2.无油滑轨1　3.进水管　4.滑块1　5. 铝型材杆　6.药液控制电磁阀　7.风扇支架　8.同步带　9.轴　10.电机同步带

26.夹块　27.风扇支架　28.喷头支架　29.轴承座

1.3液体管路风送及控制系统设计

液体管路经药液箱连通过恒压泵，管路上有压力经过分路后到达3个不同的电磁阀，静电喷头固定在铝型材上。3组电喷头，中间一组位于风扇正下方，其余两组在其正下方垂直于无油滑轨的左右部分。整个平台主体框架采用60mm×40mm铝型材制成，减轻了整体的质量，更加易于移动和拆卸。铝型材上方，滑块的移动依靠中部的夹块与同步带驱动，同步带与轴相连，轴上布置的齿轮与同步带相连，由伺服电机驱动。整个系统的高压部分由高压线、0～100kV可调高压静电发生器及静电喷头共同组成，采用12V开关电源为电磁阀，静电发生器供电。风送系统由风扇系统构成，风扇支架、风扇及控制盒，控制盒中可编程逻辑控制器经过变频器调节风扇转速。控制单元示意图如图3所示。其以PLC作为其主动控制单元核心，控制器可以控制电磁阀的开闭及药液泵的启停。风扇的启停，还可以设置滑块的移动速度。通过电磁阀的开闭频率可以得到一个合适的占空比与开闭频率达到模拟PWM喷雾的效果。通过触摸屏或者控制盒上面的手动开关可以设置移动参数与电磁阀开闭参数。限位传感器作为一种控制器件，当其到达该位置时停止移动。伺服电机位于型材左上方，固定于固定板上 ，通过同步带与轴相连，轴同时在两侧，用以定位同步带。控制盒与电磁阀相连，通过PWM进行流量静电喷头的流量控制，控制风扇的速度与开关，整体喷头与风扇的行程控制与速度控制均由控制盒控制。控制盒中触摸屏可以设置行进速度，在0～6m/s内可进行调节，在行程的两侧均有限位开关。 上面所述试验台下方有行走轮，中控制装置由开关电源、可编程逻辑控制器及速度控制装置共同构成其控制装盒[12]。

图3　控制系统示意图

2喷洒测定试验

2.1试验前准备

将6个行走轮水平置于地面的合适试验位置，保证其在水平后将地轮锁好，药箱加灌好药液；选用罗丹明溶液(荧光测定剂)与自来水(采自北京市精准农业示范基地)的混合溶液；以罗丹明混合溶液作为示踪剂跟踪检测各样本上中药液沉积量；使用量杯量取50mL罗丹明溶液加入5L自来水中，倒入药液箱中，重复2次；将10L混合溶液使用玻璃棒搅拌均匀后，倒入药液桶作为试验药液。选用Turner Designs公司生产的Trilogy分光光度仪测定试验样品的浓度值[13]。

2.2试验条件

2014年6月30日，在国家农业信息化工程技术研究中心小汤山精准农业基地进行了验证试验，环境温度 28℃～ 30℃;环境湿度 55% ， 风力1～2级，喷头行进速度1m/s 喷头高度距离地面1m，风扇风速4.7m/s。此时，静电电压调节至30kV，选用TXVK-6型喷头作为施药喷头。采用占空比为1的频率，即喷头全开的情况，液泵压力恒定为0.2MPa。试验前，选择高压静电源的电压，设置好喷头中静电环是否带静电(若测试静电喷雾，需将模拟植株与大地短接，保证植株在试验期间不带电荷)，调整喷头间间距位置，在触摸屏上设置好预期移动速度、风扇转速及电磁阀频率占空比等。

2.3水平沉积试验

风扇中心位置下方放置3个喷头，中心的喷头位于风扇正下方，其余两个喷头位于中心喷头两侧各距离中心喷头50cm的位置。水平沉积试验，如图4所示。其采用直径90mm的圆形滤纸作为靶标收集装置，固定于地面防止其翻转；第1张位于风扇中心正下方其余均分布其两侧，间隔25cm，总共布置11个点。由风扇开关及静电电源开关总共4种情况进行作业[14]。

图4　水平沉积试验

植株试验：在地面喷杆经过的范围下方按照需求不同位置、不同高度放置好靶标，靶标选用两株中心杆高60cm的拔节期玉米作为靶标，如图5所示。直径9cm的滤纸固定在叶片表面(正反面)作为靶标收集喷洒出来沉积溶液的装置，采用回形针固定于叶片中心位置，并且每一株值选取由下向上第2、第3和第4片叶子。液滴由喷头滴落到叶面上的滤纸上,由此作为药液收集用。植株采用导线接地，保证植株与大地之间保持同一电势。

图5　植株试验

2.4试验过程

开启泵电源开关启动泵，操作人员通过遥控(或手动)喷雾杆启动作业后，喷雾杆装置会在带的带动下移动，一边移动一边进行药液喷洒。启动时，风机、电机和电磁阀自动开启且喷药过程中会按设定的风速和移动速度而运动，直到到达限位点后完成一次喷施作业。试验前，植株在中间且植株中心均距离移动中心线20cm，此时喷雾杆准备沿着一个方向移动，经过短时间加速后达到预定工作状态；喷头在运动过程中一直向下喷洒雾滴；风扇送风模拟直升机旋翼所产生的风场，当通过模拟植株时，液滴洒落在区域中，落入叶片上相应面积的液滴被滤纸所吸收；喷杆继续前进，直至到达限位点处停止移动，关闭风扇、泵和静电电源[15]。

3试验结果

第1组水平沉积试验可得到在水平层次上的雾滴沉积，分布情况如表1、表2所示，其不同工作条件下沉积的情况如图6～图9所示，整体的沉积平均值情况对比已由图10列出。

表1　水平沉积分布统计

沉积结果：经还原后溶液荧光素浓度(μg/L)。

表2　水平分布结果分析

图6　旋翼开静电关情况沉积

图7　旋翼关静电开情况沉积

图8旋翼关静电关情况沉积

Fig.8Deposition of air-assisted off and charged-off

图9　旋翼开静电开情况沉积

图10　水平沉积分布情况

由平均值可以得出：当风扇打开时，相对于风扇关闭时其漂移明显减少。其中，有风无电漂移增加47.4%，无风有电情况下增加16.8%，有风有电情况下漂移增加36.2%。静电在无风情况下会导致雾滴粒径更小，在无风送情况下导致漂移增大，但是漂移情况增加并不大。当旋翼风送的情况下，降低了11.2%的漂移量，表明在无人机施药情况下加入静电可以显著减少漂移。

由变异系数可以看出：当加风送后，变异系数明显降低；有风无电变异系数减少了39.8%，无风有电情况下变异系数降低12.8%，有风有电情况下降低28.3%。第2组植株试验中根据风送中加静电与不加静电经行对比，两株玉米每株的三叶片按从下向上分别编号，第一株由下向上分别为1、2、3，第2株由下向上分别为4、5、6。由此标出植株叶片沉积分布如图6所示。

图11　植株试验靶标沉积情况分布

由测试结果可以得到：加静电的背面沉积大幅度提高，普通情况下在单位面积沉积时，背面的沉积加大，其叶片两面的沉积更加均匀[16]。

此次试验对叶面背部沉积效果的影响静电喷雾背面沉积效果明显优于不带静电的雾滴；平均背面沉积提高162%，背面沉积效果提升明显；叶面总体沉积率提高4%。

4结论

1)风送式喷雾，特别是旋翼产生的向下的风场能够提高雾滴的穿透性且能够使得雾滴沉积更加均匀。

2)旋翼送风由于风会造成较大的雾滴侧面漂移。

3)静电喷洒能够提高旋翼飞机喷洒的抗漂移能力。

4)静电喷雾能够使得旋翼飞机喷洒中植株叶片背面药液沉积显著提高。

5)静电施药与旋翼飞机风送的结合使用，使农药的利用效率得到了增加，降低了施药成本，减少了农药环境的污染，提高了施药效果。

参考文献：

[1]傅泽田，祁力钧，王俊红. 精准施药技术研究进展与对策[J]. 农业机械学报，2007，38(1)：189-192.

[2]Giles D K, Blewett T C.Effects of conventional and reduced volume, charged spray application techniques on dislodgeable foliar residue of captan on strawberries[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry，1996，39:1646-1651.

[3]Wolf T M, Downer.Effect of electrostatic charging on the dose transfer of water based pesticide mixtures[J].Pesticide Formulations and Application Systems, 1996, 15：3-14.

[4]茹煜, 周宏平, 贾志成, 等.航空静电喷雾系统的设计及应用[J].南京林业大学学报：自然科学版， 2011，35(1)：91-94.

[5]薛新宇，梁建，傅锡敏.我国航空植保技术发展前景[J].农业技术与装备, 2010(5):27-28.

[6]王慧勇,魏唯,宁宗娥. UHVCVD SiGe外延设备真空腔室及自动传输系统设计[J].电子工业专用设备, 2013(4):9-12.

[7]Y Huang, W C Hoffmann, Y Lan, et al.Development of a spray system for an unmanned aerial vehicle platform[J].Applied Engineering in Agriculture, 2009, 25(6):803-809.

[8]朱艳东.喷雾试验台的设计与研究[D].哈尔滨: 东北农业大学, 2012：1-62.

[9]Hang Zhu, Yubin Lan, Wenfu Wu, et al.Development of a PWM Precision Spraying Controller for Unmanned Aerial Vehicles[J].Journal of Bionic Engineering, 2010(7):276-283.

[10]茹煜, 贾志成, 范庆妮, 等.无人直升机远程控制喷雾系统[J].农业机械学报， 2012，43(6):47-52.

[11]Devanand maski, Divaker Durairaj. Effects of charging voltage, application speed, target height, and orientation upon charged spray deposition on leaf abaxial and adaxial surfaces[J].Crop Protection, 2010, 29:134-141.

[12]周宏平，茹煜, 舒朝然, 等.航空静电喷雾装置的改进及效果试验[J].农业工程学报, 2012,28(12):7-12.

[13]袁雪, 王俊, 周舟, 等.喷雾荧光示踪剂回收率影响因素实验[J].农业机械学报, 2010,41(10):54-57.

[14]Law S E. Agricultural electrostatic spray application: a review of significant research and development during the 20th century[J].Jour of Electrostatics, 2001, 51(1): 25-42.

[15]翟长远，王秀，葛纪帅, 等.风送喷雾雾滴粒径测量系统设计与影响因素试验[J].农业工程学报，2012, 28(19)：33-38.

[16]邱白晶，王立伟，蔡东林，等.无人直升机飞行高度与速度对喷雾沉积分布的影响[J].农业工程学报，2013，29(24)：25-32.

Design and Test of an Analog Rotorcraft Electrostatic Spraying Pesticide Deposition Apparatus

Wang Jihuan1， Zhao Chunjiang1,2,4， Wang Xiu3,4, Feng Qingchun3,4, Zou Wei3,4, Xie Xinhua3,4

(1.College of Mechanical and Electronic Engineering，Northwest A & F University，Yangling 712100，China;2.National Engineering Research Center for Information Technology in Agriculture, Beijing 100097,China;3.National Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing 100097,China;4.Key laboratory of Agri-informatics, Ministry of Agriculture, Beijing 100097,China)

Abstract：Aerial spraying technology in crop protection field the has promising prospects, especially unmanned helicopter spraying is an efficient, water-saving, high-quality, all-round, safety, convenience way for farmers. In order to overcome the traditional spray technology limits, like terrain restriction, short operating time, small operating area, damage crops. While the direct operating persons may under the higher risks of poisoning. In this paper, an analog rotorcraft pesticide spray deposition measuring device, wherein the traveling speed and boom height can be adjusted, the charging voltage can be adjusted, but also for analog PWM constant pressure variable spray added. Rotorcraft for pesticide spraying process was simulated, while simulated unmanned electrostatic spraying, and deposition effects were tested and compared.

Key words：precise spray; unmanned helicopter; electrostatic spray; test-bed

文章编号：1003-188X(2016)01-0095-06

中图分类号：S252+.2

文献标识码：A

作者简介：王继环(1989-)，男，陕西安康人，硕士研究生，(E-mail)wangjihuan@21cn.com。通讯作者：赵春江(1964-)，男，河北定兴人，研究员，博士， (E-mail) zhaocj@nercita.org.cn。

基金项目：国家“863计划”项目(2013AA102406)

收稿日期：2015-03-02