丘陵茶园自动喷药装置设计与试验

邓兴旭，叶芙蓉，张 涛，唐兴隆，庞有伦，林 通，陈 宇，罗书强

(1.西南大学工程技术学院，重庆 400715；2.重庆市农业科学院农业机械研究所，重庆 401329)

我国西南地区是茶树的原产地，但西南地区的地形以丘陵山区居多，独特的地形限制了对茶园的自动化管理。茶树的病虫害防护在茶树的日常管理中尤为重要。传统的喷杆式喷药装置无法实现高效、精准、低污染的喷药，导致了农药的浪费和土地的污染。Giles、Osterman等[1-2]利用传感器、机器视觉及改良算法等实现了喷雾器的精准对靶。Lešnik、Endalew等[3-4]通过构建CFD模型，通过风场分析改善风送装置，提高了喷雾附着效果。但国外研究人员对精准对靶和风送装置的研究主要在大中型拖拉机上开展，而大中型拖拉机无法进入丘陵山区进行作业。杨鹏[5]设计了一种外形小、操作方便且雾滴使用率高的果园遥控弥雾机。丁为民等[6]通过图像处理技术提取树冠图像面积特征和轮廓特征来获取树冠的体积。曲峰[7]提出了一种基于奇异值分解的叶片病害图像背景分割方法，获得了完整的病害叶片区域。王利霞等[8]设计了一种具有手动控制、自动控制和试验标定3种工作模式的变量喷雾控制系统。马驰等[9]设计了一种多方位自动喷药装置，该装置采用超声波模块检测喷药距离来增大药液利用率。赵建柱等[10]基于雷达传感技术设计了一种狼毒草对靶喷药装置。我国在喷药领域的研究起步较晚，近几年才逐渐增加，但所研究的复杂机械结构无法适用于丘陵山区。

针对丘陵山区茶园喷药管理，本文研制出自适性自动喷药装置，该装置机械结构紧凑、简单且能进入丘陵山区作业。该装置的控制系统主要由信息采集模块和执行器模块组成，通过软件控制来适应丘陵山区茶园不同地形及茶树形状，完成自动化喷药。

1 自动喷药装置结构与工作原理

1.1 自动喷药装置结构

根据设计要求，并结合我国丘陵山区茶园建设现状，本文在茶园管理机移动平台上搭建自动喷药系统，由机械结构、喷药回路系统和自动控制系统组成(图1)。喷药装置的工作原理是由超声波测距模块采集数据，主控芯片对采集的数据进行处理，判断喷头是否在喷药规定范围内，若在规定范围内，驱动电路打开电磁阀，若不在规定范围内，驱动步进电机通过升降装置调节喷杆与茶树冠层距离在设定范围内，再驱动电路打开电磁阀，完成自动喷药。整机主要技术参数如表1所示。

1.支撑架；2. 药液箱；3. 扶手架；4. 管道；5. 喷杆；6. 超声波测距模块；7. 丝杠滑轨；8. 滑块；9. 喷头；10. 步进电机；11. 发动机；12. 行走轮1. Support frame；2. Liquid medicine tank；3. Handrail；4. Pipeline；5. Spray bar；6. Ultrasonic ranging module；7. Screw rails；8. Slider；9. Spray nozzle；10. Stepper motor；11. Engine；12. Walking wheel

表1 整机主要技术参数

1.2 支架设计与喷头布置

据测量，重庆市二圣茶叶有限公司标准化茶园行距茶树集中度最多的高度为710 mm，茶园茶垄宽度为1 100～1 400 mm，最小通行间距300～400 mm。本文根据上述参数，制定合理的喷药方案，以确保自动喷药装置满足茶园环境适应性要求。西南山区茶园分布于云南中北部、西藏东南部、四川省、贵州省和重庆市等地，茶树的主要病虫害是茶小绿叶蝉、茶黑毒蛾及茶炭疽病等，这些茶园害虫栖息比较隐蔽，其低龄幼虫多在茶树中下部的成熟老叶背面啃食叶片[11]，一般喷药机械难以覆盖，因此本文采用水平和45°两种喷药模式相结合进行喷射，使得药剂可喷入成熟老叶背面，以防治病虫的危害。具体喷药模式如图2所示。

图2 喷杆喷药模式Fig.2 Spray rod spraying mode

据测量值可知茶园茶垄宽度的平均值约为L=1 200 mm，因此本文喷杆长度设为1 100 mm。《NY/T 650～2013 喷雾机作业质量》[12]规定低容量喷雾机施液量应小于450 L·hm-2，故本文选用扇形喷头VP110-02，该喷头在车速2.78 m·s-1的情况下喷洒量设为96 L·hm-2，满足低容量喷雾机要求。

喷头安装需满足约束条件如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，k1为最小重叠系数；k2为最大重叠系数；x为两喷头之间的距离，m；L为茶垄宽度，m；f为喷头安装竖直面右侧幅宽，m；f′为舍弃喷幅，m；f″为单喷头喷幅，m；h为喷头到冠层顶面距离，m；α为喷头与水平面夹角，°；β为喷头标定喷雾角，°；γ为舍弃的局部喷雾角，°。

茶树低容量喷雾时，扇形喷头VP110-02的k1为10%，k2为20%，γ为5°～10°。考虑低容量喷雾时雾滴均为细雾，为减少雾滴飘移，喷雾高度取0.3～0.5 m[13-14]，据测量值可知茶园茶垄宽度的平均值约为L=1.2 m。扇形喷头VP110-02的标定喷雾角β为110°，45°角喷射模式中喷头与水平面的倾角α为45°。将L=1.2 m，h=0.3 m，γ=5°，α=45°，β=110°带入上述公式中得0.49 m≤x≤0.52 m，取x=0.5 m，即两喷头间距为0.5 m。两喷头之间的距离为0.5 m，单侧喷杆上共3个喷头，因此设计的喷杆总长为1.1 m。

为适应茶树不同生长时期的高度，本文选用电机、丝杠滑轨与喷杆组成可移动喷杆，可在垂直方向上移动来适应不同高度的茶树。可移动喷杆参数如表2所示。

表2 可移动喷杆各部件参数

1.3 发动机型号及主动轮参数确定

本文的茶园自动喷药装置是以茶园管理机为喷雾载体，茶园管理机对茶园可实现耕整、开沟、施肥、覆土、除草和喷药等功能。在上述功能中耕整工作消耗的发动机功率最大，经计算所得茶园管理机进行耕整作业时所需功率为1.83 kW，所选发动机功率应大于最大消耗功率，才可满足其他功能作业的功率消耗，因此本文选用重庆宗申巴贝锐拖拉机制造有限公司的NH130型发动机，具体参数如表3所示。

表3 NH130汽油机参数

1.4 喷药回路系统性能参数

本文所选扇形喷头VP110-02的最大流量为0.4 L·min-1且使用压力不低于0.3 MPa，喷药装置共设有6个喷头，因此电动泵的流量不小于2.4 L·min-1且需提供的压力不低于0.3 MPa，电磁阀使用压力不低于0.3 MPa。

查阅《农业机械设计手册》[15]，得到估算药箱有效容积公式：

(5)

式中，Q为常用喷量，L·min-1；v为机组平均作业速度，km·h-1；扇形喷头VP110-02在v=8 km·h-1下的常用喷量Q=0.4 L·min-1；茶园每行茶树垄的距离约为20 m，设定喷药作业每周期内工作100个来回，则工作100个来回的总行程L=4 000 m，即药箱的有效容积为Δ=43 L。

为满足喷药流量和压力的要求，喷药回路系统主要由24V蓄电池、DHE-7501直流电动泵、供药管路、43 L药箱、CJV23-C12A1电磁阀及扇形喷头VP110-02组成。喷药回路系统主要技术参数如表4所示。

表4 喷药回路系统主要技术参数

1.5 管道流场分析

茶园自动喷药装置喷药回路系统中管路连接如图3所示。

图3 管道连接示意图Fig.3 Diagram of pipeline connection

本文设计的自动喷药装置采用VP110-02型号的扇形喷头，扇形VP110-02喷头的最大流量为0.4 L·min-1，装置共有6个喷头，在0.3 MPa工作压力下双侧总流量Q=144 L·h-1，高压管1的内径d1=5 mm，计算可得高压管1内流速v1为2.04 m·s-1。25℃下水的运动黏度为v=0.897×10-6m2·s-1，计算得到高压管1内雷诺数Re1为11371>2300，其运动状态为紊流。

高压管2在0.3 MPa工作压力下单侧总流量Q=72 L·h-1，高压管2的内径d=8.5 mm，则高压管2内流速v2为0.35 m·s-1，计算得到高压管2内雷诺数Re2为3316>2300，其运动状态也为紊流。

在紊流状态下，系统水流机械能损失主要为流体流动阻力能量损失和局部水流损失，紊流时的摩擦系数沿程摩擦系数λ采用Blasius.H.公式得出[10]。计算得出高压管1的沿程摩擦系数λ1为0.03，已知高压管1的长度l1=600 mm，内径d1=5 mm，其沿程流体流动阻力hf1为0.76 m，则高压管1的沿程压强损失为：

Pf1=ρghf1=1000×9.8×0.76=0.7448×104Pa

(6)

根据Blasius.H.公式，计算得出高压管2的沿程摩擦系数λ2为0.04，已知高压管2的长度l2=2 200 mm，内径d=8.5 mm，其沿程流体流动阻力hf2为0.06 m，则高压管2的沿程压强损失为：

Pf2=ρghf2=1000×9.8×0.06=612.5 Pa

(7)

已知高压管2内径d2=8.5 mm，三孔喷头接座内径d3=2.5 mm，三孔喷头接座的内部结构为突缩管结构，所以其局部水头损失系数ξ为0.475。A2为高压管2截面面积，A3为三孔喷头接座内管截面面积。三孔喷头接座长度为l=80 mm，内径d3=2.5 mm，其三孔喷头接座的局部水头损失hf3为0.003 m，则三孔喷头接座的局部压强损失为：

Pf3=ρghf4=1000×9.8×0.003=29.4 Pa

(8)

管道流体流动总压强损失为：

Pf=Pf1+2Pf2+2Pf3=0.09 MPa

(9)

综上所述，管道流体流动总压强损失为0.09 MPa，电动泵的工作压力为0.5 MPa，因此，喷药系统中的6个扇形喷头能获得额定工作压力。

2 控制系统设计

控制系统以STC89C52为微控制器。信息采集模块通过速度传感器与超声波传感器对茶园自动喷药装置行走速度和喷杆与茶树之间的距离进行采集。微控制器对采集到的数据进行处理，判断喷杆与茶树之间的距离是否在300～500 mm范围内，若在范围内打开继电器1驱动电磁阀进行喷药，若不在范围内则打开继电器2驱动电机，直至喷杆与茶树之间的距离在300～500 mm范围内。主控系统硬件电路如图4所示。

图4 主控制系统硬件电路Fig.4 Hardware circuit of main control system

3 控制系统软件设计

控制系统软件在uVision4开发平台上用C语言开发，分为信息采集和处理模块、电磁阀调节器模块和电机控制模块。

3.1 信息采集和处理

超声波模块的控制端口Trig和接收端口Echo分别与单片机的外部中断口P3.2和P3.3连接，通过定时和中断计数的方法获取距离。外部中断判断回波电平，定时器中断用作超声波测距计时。系统时钟为1/8晶振，定时器为12分频。测量结果的高8位与寄存器的低8位合成16位数据(distance_data)，据超声波测距原理Ym=(Xs×344)/2，即Xs=(2×Ym)/344=0.0058×Ym，从上述关系式中可得到定时器得到的定时时间(μs)除以580等于所测距离(mm)，所以测量距离为：

(distance_data×12)/580

测距程序如下：

distance_data=outcomeH;

distance_data<<=8;

distance_data=distance_data|outcomeL;

distance_data*=12;

distance_data/=580;

3.2 电机控制

电机控制模块通过控制输出的脉冲频率控制电机转速，改变相应引脚的电位控制电机转动方向。在程序设计中确定电机正反转方向信号，单片机IO口P1^3输出0时为正转，步进电机正转一步，输出为1时，步进电机反转一步。根据预设的值控制丝杠滑轨的最大行程。转动轴电机则根据目前的位置(当前计数值)及目标位置(目标计数值)，对应调整转动方向，并向该方向转动对应步数。本文选用的步进电机转一步所配套的丝杠行程为10 mm。

3.3 电磁阀控制

单片机的输出控制口P1.0、P1.2分别与电磁阀驱动电路芯片L298的IN1、IN3端口连接。系统初始化后检测P1.0口的状态，超声测距信号传给单片机P1.0口，若测量距离在设定范围内，则P1.0=0，根据单片机信号处理，将P1.1与P1.2口置0，电磁阀打开，喷头工作；若测量距离在设定范围外，则P1.0=1，单片机将P1.1与P1.2口置1，电磁阀关闭，喷头停止工作。

4 样机调试与试验

4.1 田间试验

茶园现场试验选择在重庆市北碚区三圣镇青峰茶场，该茶园位于青峰山上，海拔800～1 040 m，茶园地块小、地势陡且大型机械无法作业，符合丘陵山区茶园特点。田间试验情况如图5所示。

图5 田间试验Fig.5 Field test

4.1.1 试验方案设计 本文采用三因素三水平正交试验对茶园自动喷药装置实际工作情况进行评估，检验不同喷雾高度、行走速度及冠层梯度对喷药质量的影响。该试验的因子水平表如表5所示。表5中，每个因素3个水平数值的选取均符合均匀性要求。

表5 因素水平表

本文以雾滴覆盖率为主要评价指标，以沉积密度作为辅助指标，采用水敏试纸布置在茶树冠层特征点处，对喷药结果进行采集和分析，正交试验方案如表6所示。

表6 正交试验方案

4.1.2 采样特征点选取 试验过程中，选取冠层参数基本相同的茶行，在茶冠层横截面上每处理采用5点取样法，即左右两侧各布置2点，中间布置1点，如图6所示。茶叶冠层梯度分为上、中、下3个梯度，如图7所示，每个梯度冠层横截面采用五点取样法。其中，将外侧4个点的水敏纸置于茶行边缘附近，中间点放置在外侧4个点的对角线交点处，5点取样法中的每个点都在相同的高度上，每个点位都放置一张水敏纸。

图6 茶树5点采样分布图Fig.6 5-point sampling distribution of tea tree canopy

4.2 试验数据处理与结果分析

文中选用重庆市六六山下植保高新科技有限责任公司生产制造的水敏试纸进行试验。试纸的尺寸为30 mm×80 mm，自然色调为淡黄色，雾滴接触水敏纸时即与水敏纸迅速发生反应，反应处由浅紫色逐渐变为深紫色，如图8a、b所示。该水敏纸具有较好的雾滴检测特性，遇水迅速变色。喷雾田间试验完成后，将用于试验的水敏纸干燥，放进有相对应标识的包装袋中。在试验室中，运用扫描机将包装袋的水敏纸一一转化成分辨率为600×600的PNG文件格式。通过与水敏纸配套的雾滴分析软件(重庆六六山下植保科技有限公司的六六山下雾滴分析软件V2.0)开展图像处理，如图8c所示，测算出雾滴沉积总面积与水敏纸总面积之比，则为雾滴覆盖率。

图8 收集液滴后的水敏纸图像Fig.8 Image of water-sensitive paper after collecting droplets

雾滴沉积密度正交试验所得结果如表7。从表中可以看出，每个位置的雾滴平均沉积密度均高于20个·cm-2，满足JB /T 9782—2014《植保机械通用试验方法》[16]对喷雾机雾滴沉积密度的要求。为继续深入探究不同喷雾高度、行走速度和冠层梯度对雾滴沉积密度的影响，本文利用SPSS软件进行组间二维方差分析，测试结果如表8所示。在主效应检验中，整体模型F为4.286，P为0.020，表明在P<0.05显著性水平下方差分析模型整体显著。其中冠层梯度P<0.001，而喷雾高度和行走速度的P值分别为0.110和0.589，表明冠层梯度对雾滴沉积密度有显著性影响，喷雾高度和行走速度对雾滴沉积密度无显著性影响。偏Eta平方值可以反映因素对效应量的作用大小，根据表8中效应量的度量值偏Eta平方值判断，可以看出冠层梯度的偏Eta平方值最大且通过了显著性检验，喷雾高度和行走速度偏Eta平方值均小于冠层梯度的偏Eta平方值且均未通过显著性检验。由表8可得：茶园现场试验中不同因素对雾滴沉积密度的影响程度由大到小依次为冠层梯度、喷雾高度、行走速度。

表8 雾滴沉积密度主体间效应的检验

对不同冠层梯度和喷雾高度下雾滴沉积密度的LSD多重比较如表9所示，由P值可得，上部雾滴沉积密度P<0.001，显著多于中、下部雾滴沉积密度，而中、下部P=0.731>0.05，则中、下部冠层梯度的雾滴数量相差不大。导致此现象的原因在于，茶树冠层梯度上部的叶片生长茂盛，将大多数雾滴遮挡在上层，因此造成了上层雾滴沉积密度最大，上部与中下部的雾滴沉积密度出现了显著性差异。茶叶树冠上下重叠，遮拦严重。只有一部分从树冠上部渗透到树冠中部的液滴沉积在中部的叶片上，其余的通过叶片之间的间隙继续渗透到树冠下部。雾滴被上部和中部的叶子层层拦截，使下部的雾滴数量沉积密度最小。与沉积密度最高的上部相比，雾滴在中下部的沉积密度差异相对较小，没有明显差异。

从表9中列1和列2的平均值差值可以看出，喷雾高度为30 cm时，相较喷雾高度50 cm雾滴沉积密度最大；喷雾高度为40 cm时，相较喷雾高度30 cm和50 cm，其雾滴沉积密度差异不大。可见，喷雾高度为50 cm时雾滴沉积密度最小，沉积的雾滴随着喷雾高度的增加而递减。主要原因是随着喷雾高度的增加，雾滴沉积的宽度也增加，单位面积液滴数量减少。喷雾高度(h)与雾滴沉积幅宽(B)之间的关系为：B=2htanβ/2。由关系式可以看出，雾滴沉积幅宽是喷雾高度的2倍以上，因此雾滴沉积幅宽受喷雾高度的影响较大，喷雾高度为30 cm与为50 cm时的雾滴数量差异性显著。通过最小显著性差异法多重比较，可为后续优化样机和提高喷药效率提供理论依据。

表9 冠层梯度和喷雾高度对雾滴沉积密度的LSD多重比较

5 结 论

本文设计的丘陵山区茶园自动喷药装置，采用水平和45°角两种喷药模式同时进行喷射，使其茶树中下部叶面背部等喷射盲区能被覆盖；装置使用超声波传感器测距，通过软件控制实现自动化喷药。通过田间试验得出结论：茶树不同冠层梯度下各点位雾滴平均沉积密度均大于26个·cm-2，高于JB/T9782—2014《植保机械通用试验方法》[16]对喷雾机中喷幅界定的20个·cm-2要求，试验中各喷施参数对雾滴沉积密度的影响程度从大到小依次为冠层梯度、喷雾高度、行驶速度。