一种基于单片机控制的遥控式树木病虫害防治装备设计

黄雪红， 马成章

(1.滨州职业学院机电工程学院，山东 滨州 256603；2.浙江理工大学机械与自动控制学院，浙江 杭州 310018)

随着人们环保意识的提高，人工林的面积越来越大，但是林木病虫害发生率逐年上升。在林木生长过程中，如若不加管理，可能会发生严重虫害。采用药物喷施法进行防治，不但浪费严重而且对环境产生巨大影响，残留在土壤里的药物极大地危害了其他物种的生存，给林区可持续发展带来了一定的阻力。预防和控制病虫害时使用树干药物注射法有许多优点，如减少农药对环境的污染、保护人畜安全，降低药物使用量等。目前，林木一般用药物注射法进行病虫防治，药物注射后的林木在一两年中不会受到病虫影响，林木在药物防护的条件下可以避免病虫繁殖，使虫害逐年减少，极大地减轻了林护工人的劳作强度。不同的林木适用于不同的防治注射方法，目前尚没有集打孔、注射、插瓶三种功能于一身的多功能机械，若将注射工作的三种功能集于一体，研发出三种功能可以任意切换，以适用于不同林木需求的机械装备，实现药物浪费量大为减少，工人劳作强度明显下降，作业效率显著提高的目的。

美国学者Muller在1926年发表《植物的内部治疗》一文，提出树木注药防治理论，树木注射技术已历经近百年的研究，得到了长久的发展[1]。然而，作为其技术基础的树干注药器械，还远远不能满足社会的需求。对国内外迄今70余年中开发的数十种树木注射施药机械工过程和特征的分析表明，此类机械已由最初的自然输导注射式衍生发展出手动气压式、手动液压式、手持直压式、贮能式和机械自动式等六个基本类型，其注射压力、一次注射药量两个数量指标为其主要性能参数[2]。树干注药机的总体趋势是由低压低浓度低速度注射型向着高压高浓度快速注射型方向发展[3]。

Shun G，Jian C等提出了不同的注射方式和时间会对植物产生不同的效果，因此对植物的生理状况，树干注射的最好部位还需要深入的研究[4]。Shang Q，Liao K等对针头的结构和密封机构进行了研究分析，在树干注射试验中，该针能注入大量营养液，取得了显著的经济效益。但是需要大量人力，无法进行大范围的作业，并且该机打孔部分仍需要人协助注入，在迈向自动注射方向仍需要完善[5]。

1 整体结构设计

本设计研究旨在解决树木病虫害的防治问题，丰富树干防虫药物注射设备功能，提高树干注射机械的自动化水平，降低对环境的污染程度，进一步实现节能环保，绿色作业。

树木病虫害综合防治装备的主要功能是灵活切换三种工作模式，适用不同林木的树干注射工作。注射机设计了打孔、注射、插瓶机构，能够适应多种林木的不同树干注射需求，作业高效、精确、稳定。这种新型的三种工作模式切换结构，使注射的工作不受林木种类以及不同作业要求的影响。

树木病虫害综合防治装备的总体结构如图1所示，包括主推杆电机1、换位舵机2、注射、插瓶机构3、打孔机构4、水平升降机构5、药剂瓶输送机构6、药剂箱7、主体机架8、驱动履带9、同步轮10、喷雾杆11、推杆电机固定架12等组成。树木病虫害综合防治装备主要完成行走，水平调节，打孔、注射、插瓶，药物喷洒等主要功能。履带机构由履带、驱动轮和承重轮组成，履带设置于驱动轮和承重轮的外围，驱动轮和承重轮均固定于底盘上，驱动轮由行走电机驱动，带动承重轮、履带及机架运动，完成行走功能。工作时，装备首先运行至所要防护的树木前，通过水平调节机构将底盘调节至水平状态。然后，通过换位舵机将设置有钻头的导向结构转动至推杆的前端，经主推电机对推杆的驱使，在电钻开启的过程中将钻头推入树干，实现树干的打孔作业。打孔完毕后，换位舵机将注射头转动至推杆的前方，并将注射头推入孔内，启动第一抽液泵，实现药物注射作业。如还需对树木进行插瓶，则换位舵机将药瓶存储块旋转至推杆的前方，推杆驱使药瓶存储块前移一段距离，然后药瓶箱上的推瓶电机将药瓶推下，药瓶落入药瓶存储块的凹槽内，推杆继续向前推动，将药瓶插入孔内，实现插瓶。

图1 树木病虫害综合防治装备的总体结构

2 关键部件设计

根据功能要求，树木病虫害综合防治装备需要具备打孔、注射、插瓶的功能。为了能够满足基本的功能需求，在车身前端设计并安装打孔、注射、插瓶综合机构。该机构需要在三种功能之间自由切换，进而适应不同的树干注射作业需求。整个综合机构由冷轧钢制成，避免工作时机构的弯曲变形。经调研发现大多数树木要求的注射深度为20 mm～30 mm之间，所需要的推力一般在800 N～1 400 N之间。

2.1 打孔机构

打孔机构如图2所示，主要由后部顶片、滑轨、775型电钻组成，进入工作状态后，后部的推杆电机首先启动，推动后部顶片和滑轨一起向前运动，位于滑轨前端的775小型电钻随滑轨一起向前运动。在到达预定工作位置时小型电钻启动，在树干上打出一个深度为20 mm～30 mm的孔，随后推杆电机回收，滑轨在弹簧的作用下带动小型电机回收，打孔工作完成。

图2 打孔机构

2.2 注射机构

注射机构如图3所示，主要由滑轨、后部顶片、注射头、药剂输送管、药剂箱、小型水泵组成。工作时舵机转换机构首先动作，带动转轴转动，小车切换到注射工作模式，随后推杆电机工作推动后部顶片和滑轨向前运动，位于滑轨前端的注射头随滑轨一起向前运动，在MK60单片机的控制下注射头准确进入已经打出的孔中，此时水泵将药液从药剂箱输通过注射头注入树干中，完成后推杆电机收回，整个机构在弹簧带动下收回，注射工作完成。

图3 注射机构

2.3 插瓶机构

插瓶机构如图4所示，主要由后部顶片、滑轨、下滑轨道、紧固舵机、药剂瓶输送机构组成。工作时舵机转换机构首先动作，带动转轴转动，小车切换到插瓶工作模式，随后推杆电机工作推动后部顶片和滑轨向前运动，位于滑轨上的滑槽随滑轨一起向前运动，到达预定位置后小车上部的药剂瓶输送机构工作，输送带在步进电机的带动下开始运动将药剂瓶送入滑槽中，当药剂瓶下滑到滑槽底部后位于底部的顶紧舵机工作将药剂瓶紧紧插入树干中。随后整个机构回收，输送停止工作，插瓶工作完成。

图4 插瓶机构

3 控制方案设计

为方便操作，提高自动化程度，设计采用遥控手柄进行远距离操作。操作人员可以通过液晶显示屏显示的数据，对整个系统进行实时监控。如当小车到达作业位置后，小车进行自动水平调节，MK60单片机通过分析和计算MMA8451加速度计、ENC-03RC陀螺仪的反馈信号，调节四个推杆电机，使车身保持水平，方便打孔、注射、插瓶机构精准完成注射工作。如果进行树干注射工作，当按动相应的功能键后中央处理器会快速处理相关信息，启动有关功能的电器元件带动有关的机械部位运动，通过转换舵机在打孔、注射、插瓶工作流程之间自动切换，进而实现树干注射的功能；如果是开启药物喷淋功能，555型电机启动通过同步轮、同步带以及滚珠丝杠传动装置使喷雾杆缓缓伸出，药剂箱中的药液在小型水泵的抽动下通过喷雾杆喷出，实现药物喷淋功能。控制系统整体工作流程如图5所示。

图5 控制系统整体流程

4 整机性能

树木病虫害综合防治装备通过遥控手柄进行远距离操作，操作人员可以通过液晶显示屏显示的数据，对整个系统进行实时监控。如当装备到达作业位置后，进行自动水平调节，MK60单片机通过分析和计算MMA8451加速度计、ENC-03RC陀螺仪的反馈信号，调节四个推杆电机，使车身保持水平，方便打孔、注射、插瓶机构精准完成注射工作。如进行树干注射作业到达指定位置后，利用推杆电机的特性使机器架起，利用陀螺仪使机器保持水平，以保证机器在工作过程中的稳定性，调节完成后使用遥控器选择工作模式。模式一：主推杆电机工作，使钻头伸出在树干上打孔，主推杆电机复位，换位舵机工作，主推杆电机使打药装置伸出，把药水注入到树干内，复位。模式二：主推杆电机工作，使钻头伸出在树干上打孔，主推杆电机复位，换位舵机工作，主推杆电机使打药装置伸出，把药水注入到树干内，主推杆电机复位，换位舵机工作，主推杆电机使插瓶装置伸出，推瓶装置将药瓶推下，紧固舵机将药瓶插入树干内，复位。模式三：主推杆电机工作，使钻头伸出在树干上打孔，主推杆电机复位，换位舵机工作，主推杆电机使插瓶装置伸出，推瓶装置将药瓶推下，紧固舵机将药瓶插入树干内，复位。如果是开启药物喷淋功能，555型电机启动通过同步轮、同步带以及滚珠丝杠传动装置使喷雾杆缓缓伸出，药剂箱中的药液在小型水泵的抽动下通过喷雾杆喷出，实现药物喷淋功能。树木病虫害综合防治装备性能指标见表1。

表1 树木病虫害综合防治装备性能指标

5 推广应用价值

本树木病虫害综合防治装备具有以下优点：

(1)功能齐全：集打孔、注射、插瓶，药物喷淋等功能于一体的实用型机械。

(2)小而灵活：车体和小巧的机械设计使设备可以在狭窄的地形中行进作业。

(3)节能环保：装备为纯电力驱动，无噪音，无污染性尾气排放，清洁环保，成本较低。

本机器从减少人力、提高作业效率的角度出发，所设计的树木病虫害综合防治装备采用自动化控制，可以在减少人力的同时实现大范围的树木病虫害防治，在未来的智能化园林建设中拥有很好的发展前景。