3WP-200型智能植保机器人作业效率设计计算

张义胜，侯心爱，宫玉敏，王文丽，陈金利，魏云怡，吴瑜敏

（淄博市农业机械研究所，山东淄博 255086）

0 引言

我国是果树种植大国，水果是我国主要的特色经济作物，其田间管理过程中存在作业环节多、用工量大、生产成本高等突出问题［1-3］。

我国农业劳动力日益短缺，改变农业生产对劳动力的强依赖性，实现农业生产过程的自动化、智能化、机器人化是解决上述问题的根本途径[4]。我国作为农业大国，田间农药的喷洒仍需人工作业，耗时耗力、效率低下、危害人体健康、成本高，而发展智能农业机器人可实现高效、低损作业，解决传统农业存在的问题，这是21世纪农业机械最重要的发展趋势之一[5]。

植保机器人作为一种可实现自动化和智能化作业的装备，已经得到越来越多的重视，被视为农业现代化的趋势。在“精准农业”新概念[5]的前提下，农业植保机器人作为最为重要的农业机器人之一，其对于降低农机操作人员的劳动强度，提高作业精度与作业效率等方面，起着重要的作用[6]。

广大的山区或丘陵地区，种植地块面积小，道路狭窄，大型植保机械不方便进入土地作业，因此，小型智能植保机器人的研发，具有广阔的市场前景。

3WP-200型智能植保机器人，机型尺寸小，遥控自走式，四轮驱动，前进、倒退、转弯作业灵活，具有良好的地形适应性和通过性，容易进入丘陵山区狭小的地块作业。该机型克服大型陆走式喷药设备、空中飞行器喷药设备、人工背负式喷药等喷药作业的不足。一机多用，可完成果园、葡萄园及大田的植保作业。实现农药减量控害，提高喷雾工作效率，减轻对土壤污染。

作业效率、药液续航时间等参数是考核植保机器人的重要指标。介绍了植保机器人的喷枪、喷杆结构形式，对其作业幅宽、作业效率、单位面积用药量、药液续航时间等进行了设计计算。

1 喷枪、喷杆结构简介

根据项目任务书的要求，3WP-200型智能植保机器人，其主要技术参数为，行进速度：≤5.5 km/h；药箱容量：200 L；药泵流量：≥6 L/min；工作压力：0.2～0.3 MPa；大田作业型宽度：6～8 m；葡萄专用型作业高度：≤2 m；果树型作业高度：≤6 m。

植保机器人由动力系统、控制系统、行走系统和喷雾系统四部分组成。动力系统由汽油发电机和交直流转换器组成，也可更换为蓄电池，分别为四轮驱动电机、四轮转向电机、药泵、摆动电机、控制系统提供电力。控制系统由控制器和遥控器组成，控制植保机器人的前进、后退、停止、转向和作业。行走系统由四轮驱动机构、转向电机组成。喷雾系统由药泵、药液箱、喷洒装置组成。

植保机器人采用后置式喷洒装置，其喷洒作业分喷枪、喷杆式两种作业型式。其中喷枪作业用于果园树的喷洒，喷杆式又分为葡萄架作业和大田作业两种作业型式。更换喷杆、喷枪，可完成果园、葡萄园及大田的植保作业。喷杆、喷枪的更换安装快速方便。

用于果园树作业的喷枪结构型式代号为3WP-200A；用于葡萄架作业的结构型式代号为3WP-200B；用于大田作业的结构型式代号为3WP-200C。

3WP-200A型结构如图1所示。喷洒装置由摆动电机、减速机、摆动机构、左喷枪、喷枪固定板、右喷枪、组成。药泵的两个出口分别连接到两个喷枪的进口。摆动电机经过减速机减速后，带动摆动机构来回摆动。摆动机构带动两个喷枪来回摆动，从而实现对两侧果树的农药喷洒。调整药泵压力既喷枪出口的大小，可以改变农药喷洒量的大小。

图1 3WP-200A结构示意图

3WP-200B型结构如图2所示。喷洒装置是由左喷杆喷头、左进水管、左进水口、左固定板、右固定板、右进水口、右进水管组成，药泵的两个出口分别连接到三组喷杆的进口，两组垂直安装喷杆喷头实现对两侧葡萄的农药喷洒，一组水平安装喷杆喷头实现对顶部葡萄的农药喷洒。调整药泵压力既喷头出口的大小，可以改变农药喷洒量的大小。

图2 3WP-200B结构示意图

3WP-200C型结构如图3所示。喷洒装置由左进水管、左喷杆喷头、左固定板、左进水口、固定架、右固定板、右进水口、右进水管、右喷杆喷头组成。药泵的两个出口分别连接到左右对称的两组水平安装喷杆喷头的进水口，两组水平安装喷杆喷头上的喷头直接把农药喷洒到大田的作物上。两组喷杆喷头的高度可在一定范围内调整，以适应不同的作物高度。调整药泵压力既喷头出口的大小，可以改变农药喷洒量的大小。

图3 3WP-200C结构示意图

2 作业幅宽计算

3WP-200A型，用两个摆动喷枪给果园树喷洒农药，在0.2～0.3 MPa的工作压力下，其喷洒高度小于6 m。按照喷洒高度4 m计算，两个喷枪的作业幅宽按8 m计算。

3WP-200B型，用喷杆喷头给葡萄架喷洒农药，喷架高度小2 m，上面横杆喷洒宽度按照2 m计算，喷杆喷头的作业幅宽为6 m。

3WP-200C型，用喷杆喷头给大田喷洒农药，喷杆喷头的作业幅宽为6～8 m，这里按照6 m计算。

3 作业效率计算

植保机器人作业效率的计算公式为：

式中：E—作业效率（hm2/h）；

B-作业幅宽（m）；

v-作业速度（km/h）。

植保机器人的作业速度一般在1～5 km/h，按照此作业速度，对应的作业效率为：3WP-200A型：0.8～4 hm2/h；3WP-200B型：0.6～3 hm2/h；3WP-200C型：0.6～3 hm2/h。

4 农药喷洒量计算

4.1 单位时间喷洒量计算

植保机器人工作压力为0.2～0.3 MPa，在0.3 MPa的工作压力下，测试喷枪、喷杆喷头单位时间农药喷洒量。

在0.3 Mpa的工作压力情况下，药泵出口阀门、喷枪出口、喷头出口开到最大。经测试，3WP-200A型两个喷枪单位时间农药喷洒量为Q=2.5 L/min。对于3WP-200B型和3WP-200C型，这里喷杆喷头按照12个喷头按照测试，12个喷头单位时间农药喷洒量为Q=5 L/min。

4.2 单位面积喷洒量计算

每公顷农药的喷洒量计算公式为：

式中：E—作业效率（hm2/h）；

Q-喷枪、喷头喷洒量（L/min）；

F-单位面积喷洒量（L/hm2）。

植保机的作业速度一般在1～5 km/h，按照此作业速度，对应的3WP-200A型作业效率为0.8～4 hm2/h；农药的喷洒量为37.5～187.5 L/hm2。对应的3WP-200B型作业效率为0.6～3 hm2/h，农药的喷洒量为100～500 L/hm2。对应的3WP-200C型农药的喷洒量为0.6～3 hm2/h，农药的喷洒量为100～500 L/hm2。

5 药箱续航时间计算

药箱续航时间的计算公式为：

式中：V—药箱容量（L）；

Q-喷枪、喷头喷洒量（L/min）；

t-药箱续航时间（min）。

药箱容量为200 L，3WP-200A型喷枪的喷洒量为Q=2.5 L/min，药箱续航时间为80 min。3WP-200B型和3WP-200C型，喷杆喷头的喷洒量为Q=5 L/min，药箱续航时间为40 min。

6 结语

植保机器人作业效率的高低与作业幅宽和作业速度成正比，在作业幅宽一定的情况下，作业速度越高，作业效率越高，反之，作业效率越低。

植保机器人单位面积农药喷洒量的大小与喷枪、喷头单位时间喷洒量成正比，与作业效率成反比。喷枪、喷头单位时间喷洒量越大，作业效率越低，则单位面积农药喷洒量越大；反之，单位面积农药喷洒量越低。

植保机器人药箱续航时间的长短与药箱容量成正比，与喷枪、喷头单位时间喷洒量成反比。药箱容量越大，喷枪、喷头单位时间喷洒量越低，药箱续航时间就越长，反之，药箱续航时间就越短。