水药分离变量喷洒系统设计与试验

张宝玉　朱鹏宇　张怀杨　王卫兵　孙铁波

摘要：为克服传统农药喷洒方式混药不合理和喷洒控制复杂及高成本的缺点，设计一种水和药独立供给控制的变量喷洒系统。首先通过分析SK、SX和SH三种混合器的性能，确定单元数为3的SK型混合器。然后设计喷头转速、喷头高度等试验方案，测得喷头转速为11 750r/min（占空比为75%），幅角为112.6°，喷头高度为1.0m时，作物单位面积颗粒数达48个/cm2以上，施药浓度误差不大于3%。最后以小麦返青时节纹枯病为防治对象，对人工作业区、无人机作业区、变量喷洒区以及对照区域进行喷洒试验。结果表明：在喷洒15天和30天后，变量喷洒区域的1级和2级生长情况之和占比均达到97%，小麦返青期纹枯病的防治效果较理想，高于其他区域。

关键词：水药分离；变量喷洒；植保机械；病虫害等级；混合性能

中图分类号：S224.3文献标识码：A文章编号：20955553 （2023） 11005706

Design and experiment of variable spraying system for water-pesticide separation

Zhang Baoyu， Zhu Pengyu， Zhang Huaiyang， Wang Weibing， Sun Tiebo

（School of Intelligent Manufacturing， Jiangsu Food & Pharmaceutical Science College， Huaian， 223003， China）

Abstract：In order to overcome the shortcomings of unreasonable mixing of traditional pesticide spraying methods and the complexity and high cost of spraying control， a variable spraying system with independent supply control of water and pesticide was designed in this paper. Firstly， the SK mixer with 3 units was determined by analyzing the performance of SK， SX and SH mixers. Then， the test schemes such as nozzle speed and nozzle height were designed. When the nozzle speed was 11 750r/min （Duty cycle was 75%）， the amplitude angle was 112.6， and the nozzle height was 1.0 m， the number of particles per unit area of crops reached more than 48 pieces/cm2， and the error of pesticide concentration was not more than 3%. Finally， taking the wheat sheath blight as the control object， the spraying experiments were carried out on the manual operation area， the UAV operation area， the variable spraying area and the blank area. The results showed that the sum of grade 1 and grade 2 growth conditions in the variable spraying area accounted for 97%， and the control effect of wheat sheath blight at returning green stage was ideal， which was higher than that in other areas after 15 days and 30 days of spraying.

Keywords：water-pesticide separation; variable spraying; plant protection machinery; disease and pest level; mixing performance

0引言

变量喷洒技术作为一种针对作业区域病虫草害的发病指数按需施药的方法，能有效提高农药利用率和减少环境污染，符合精准农业理念。随着国家大力发展精细化和绿色农业，新型高效植保机械技术革新步伐日益加快，变量喷洒技术得到了大力推广［1］。

国内外专家学者对变量喷洒技进行了大量研究工作。焦雨轩等［2］重点分析了目前施药喷头研究存在的问题，预测了喷头喷洒性能的发展趋势。李彦沛等［3］基于多传感器和神经网络PID控制理论的变量喷洒无人机，实现了动态调整无人机作业姿态，并利用灰色理論的神经网络算法，实现精准和快速决策。王朔等［4］提出并设计了一种提高植保无人机喷洒均匀性的PID流量控制算法，实现了喷洒流量随飞行速度自动调整的功能，提升了喷洒的整体均匀性，能满足小面积作业的基本要求。王大帅等［5］设计了一套基于脉冲宽度调制（PWM）技术的多旋翼植保无人机变量喷洒系统，通过占空比与喷洒流量关系实验，验证了喷洒流量达到最大且不随占空比增加而变化。郭一鸣［6］搭建的一种可控喷头流量和雾滴粒径的变量喷洒控制系统为植保无人机变量喷洒控制系统的研究提供了借鉴。刘道奇［7］利用闭环回路控制原理设计悬挂式喷杆喷雾机变量喷雾系统，试验结果表明实际喷雾量与理论喷雾量误差<15%，系统稳定可靠，能够达到变量喷雾指标。

针对国内主流喷药技术的农药浪费和环境污染等问题，设计一种水药分离的农药变量喷洒系统，通过设计水、药独立供给单元，进行实时水药用量精确控制，减少传统混药剩余药液的浪费，设计带有混合器和混药箱的混药单元进行均勻高效混合，以提高农药利用率。

1系统结构与工作原理

1.1硬件结构

变量喷洒系统由供水单元、供药单元、混药单元和喷洒单元以及控制单元等组成，系统结构如图1所示。

其中，供水单元由水箱、水泵（蠕动泵）、过滤器和管路组成，用于提供定量纯水；供药单元由药箱、药泵（蠕动泵）、过滤器和管路组成，用于提供纯净的农药；混药单元由混合器、混药箱和电磁阀等组成，用于充分均匀地混合农药和水，并减少压力脉动；控制单元采用STM32单片机作为核心部件，利用视觉相机、速度传感器等获取并分析作物病虫害灰度图、车速和系统压力等数据，与内部存储喷药数据进行匹配，再通过STM32调节PWM的占空比实现对蠕动泵和喷头等执行器的转速调节，实现农药变量喷洒。

1.2工作原理

系统工作过程如下：药泵根据控制单元的脉冲宽度从药箱泵出一定量的农药，经过过滤器过滤掉杂质后进入混合器，流量计将实时药流量值输入控制单元，作为闭环控制的反馈信号；同时，水泵根据控制单元的脉冲宽度从水箱泵出一定量的纯水，经过过滤器过滤掉杂质后进入混合器，流量计作用与药路相同；进入混药器的水和药进行充分混合后，再经过混药箱衰减脉动并存储药液，经过电磁阀，喷药泵，流量计等进入喷杆，最后经过调速器进入离心喷头喷出。

占空比（Duty cycle，η）是负载或电路开启时间与关闭时间之比，也称为“占空系数”，表示为导通时间的百分比。脉冲宽度是实际开启时间的度量，以ms为单位。如图2（a）所示，当输入信号x（t）小于锯齿波信号时输出低电平，反之输出高电平。图2（b）所示为周期T=0.1s的方波，η=T_ON/T_OFF×100%，显然η=90%（T_ON=0.09s）比η=10%（T_ON=0.01s）控制电磁阀通电的时间长，以此控制本文相应的蠕动泵或调速器打开时间，则流量可以实现实时控制，从而实现了变量喷洒作业。其中T_ON表示一个周期高电平时间，即通电时间，T_OFF表示一个周期低电平时间，即断电时间。

2关键参数设计与验证

2.1关键参数设计

2.1.1混合器选型与设计

静态混合器是一种没有运动部件的高效混合设备，目前已经在化工、石油、环保、食品以及医药等行业得到广泛的应用［8］。其中，在工业上通常串联多个混合器以实现更好的液体混合效果［912］。

本文设计的水药分离变量喷洒系统在供水和供药单元之后设计以静态混药器为核心部件的混药单元。为了确定最佳混合效果的混合器，预设药液浓度为3.00%，对常见的SK型、SX型和SH型三种静态混合器进行混药性能测试。由图3可知，SK型混合器10次试验的平均值为2.986%，相比于其他两种最接近预设值3%，且标准差最小，混合均匀性最好。

图4所示为SK型混合器结构，其中，L为螺旋板长度（mm），D为混合器直径（mm），Ne为混合单元数（个）。

摩阻系数对混合器的压降影响显著，摩阻系数越小，混合器压降越小。为定量分析混合器摩阻系数与单元数的变化关系，本文选取单元数为1～6的混合器进行试验，结果如表1所示。当混合单元数Ne=3时，摩阻系数为0.255，之后摩阻系数基本稳定。

为进一步验证以上结果，依据文献［9］长径比L/D>1.5时摩阻系数趋于稳定，因此选取L=150mm，D=100mm的SK型混合器，以单元间的顺流方式为例，分别取单元数Ne为1、2、3和4进行分析。由图5可知，随着单元数增加，浓度标准差越小，究其原因是药液每经过一级混合螺旋单元其混合越充分。单元数由1增至3混合程度提升较显著，当混合距离大于1 000mm后，单元数超过3个后混合效果提升缓慢。因此，本文选取单元数Ne=3的SK型混合器。

2.1.2喷头转速试验

通过雾滴收集和分析，验证喷雾雾滴粒径（或粒数）与喷头转速之间的关系。把雾滴近似看成球体，且喷洒前后药液总体积不变，雾滴粒数n（个）、施药量Q（L/hm2）和雾滴直径d（μm）之间存在关系

n=60/π（100/d）³Q（1）

由式（1）可知，雾滴粒数n与雾滴直径d的三次方成反比，即雾滴直径减小1倍，则粒数增加8倍。由文献［13］可知，当药液总量一定，防治效果同单位面积雾滴粒数成正相关［14］。因此，改变粒径大小可以控制雾滴粒数，即粒径越小，粒数越多，则喷洒均匀性越好，但也不是越小越好，过小的雾滴在光照、温度和风等环境因素的影响下很可能蒸发或漂移，影响作业效果。

为了保证单片机精确输出占空比值，进行喷头转速与雾滴粒径测试，试验采用激光转速计测量电机转速，DepositScan软件试验水敏纸上收集的雾滴粒径大小以及雾滴覆盖率，得到各参数与占空比之间的关系曲线如图6所示。

电机转速、雾滴覆盖率与占空比成线性正相关，雾滴粒径与占空比呈线性负相关。尽管雾滴粒径越小越容易覆盖到作物上，但温度较高、风速较大时容易发生雾滴蒸发或漂移，导致药液浪费和防治效果。

参照文献［14］，结合图6确定不同农药类型对应的雾滴粒径和喷头转速值，结果如表2所示。

综上分析，选用防治爬行虫和真菌类的农药，控制输出占空比为75%，对应喷头转速为11 750r/min，雾滴粒径为125μm。

2.1.3喷头高度确定

喷头喷洒作业示意图如图7所示。其喷幅

A=2htanβ/2（2）

式中：

h——喷头距地高度，m；

β——喷洒幅角，（°）。

喷洒作业中，喷头转速与占空比值密切相关，当控制电机输出转速为11 750r/min，实测喷洒幅角β为112.6°，则tan（β/2）≈1.5，此时A=3h。为确定喷头高度和喷幅之间关系，设置0.8m、1.0m、1.2m、1.4m和1.6m五组喷头高度进行试验，结果如图8所示。

图8的拟合结果：A=3.005h+0.001，相关系数R²=0.99996，大于0.9，说明具有较高拟合精度，且近似线性相关，与上述结果吻合度较高。

2.1.4雾滴密度分析

为了验证喷洒效果，对喷头下喷幅范围内药液颗粒数进行收集统计，并计算单位面积雾滴颗粒数，考虑试验数据准确度和降低操作难度，试验每隔0.4m获取一组数据，共获取13组数据，如图9所示。

喷幅A为3m时，单位面积雾滴粒数平均为（38+50+55+56+57+50+50+47+33）/9=48.4个，当喷幅为4.0m时，单位面积雾滴粒数为43个左右，而在喷幅为4.8m时，单位面积雾滴粒数为37个左右。由此可知：喷幅越大，单位面积平均雾滴粒数越少，且越是距离喷头正下方越远单位面积颗粒数越小，究其原因一是受到自然风影响产生飘逸，二是外围雾滴运动距离远，受重力作用会向内侧滴落。为保证喷洒效果，认定当颗粒数大于45个/cm2时为较理想喷幅，且为了不出现重喷和漏喷现象，相邻喷头间距应为喷幅值A=3m，才能达到较好的喷洒效果［1516］。此时，由关系A=3.005h+0.001，可求h=0.998m，结合试验设置的高度数据，在此取h=1.0m。

2.2喷洒精准性验证试验

为进一步验证农药混合均匀性和精准度，分别检验喷洒颗粒效果及喷洒浓度。变量喷洒系统测试试验台如图10所示。

考虑行走速度对喷洒的影响，本文控制喷药机械以2m/s的速度进行喷洒作业，结合图8关系曲线取喷头高度h=1.0m，喷头间距为3.0m。单片机通过调节水、药蠕动泵转速，配置5组药液浓度。试验时每间隔10s用烧杯收集一次，每组试验进行3次，并取平均数。使用液相色谱仪检测溶液浓度，5组浓度设定值和实测结果及误差如表3所示。可以看出实测浓度与设定浓度误差小于3%，符合实际要求。

3结果与分析

本次试验的作业对象为冬小麦，针对小麦返青期纹枯病的防治，喷施药剂选用无抗性效果好和价格低廉的30%苯甲·丙环唑（苯醚甲环唑和丙环唑复配而成）和99%磷酸二氢钾100，每10天喷一次，连喷2次，作业环境为上午10：00，温度22.5℃。

为定量分析变量喷洒系统作业效果，本次试验共设置四个作业区域，分别为：人工作业区域、无人机作业区域、变量喷洒区域以及对照区域（纯水），具体参数如表4所示。每个区域面积均为1hm2（长宽均为100m）。作业前将单片机处理过的病虫草害处方图遥感图像传送至变量喷洒系统，系统会根据作业区域内小麦的长势及病虫草害情况与预设等级进行匹配，计算输出参考浓度值，再在控制面板手动设置不同等级对应的喷洒浓度，完成变量喷洒作业。

农药喷洒第15天和第30天观察各处理区域小麦生长情况，观察时选取五点收集法，即在每个作业区域内随机选取五个小区域，每个小区域内选取20株共计100株小麦观察其发病情况（图11），根据其生长情况进行等级划分：1级：小麦正常生长；2级：叶鞘上存在少量淡黄色小斑点；3级：颈基部存在褐色条斑；4级：麦苗茎折断或枯死［17］。

如图11所示，15天、30天后变量喷洒作业区域的1级数占比分别为87%和85%，高于其他区域，结合四个等级病虫害情况，将1级和2级总数之和作为衡量病虫害防治的主要指标，变量喷洒区域可以达到97%，小麦苗颈基部存在褐色条斑的茎折断或枯死率不超过3%，明显低于人工区域和无人家区域，且15天和30天后的變量喷洒区域的病虫害维持平稳状态，其余两种呈现缓慢恶化态势。

不喷洒农药的对比区域随着时间延续1级数量明显减少，2～4级数量显著增多，即病虫害程度加剧，符合作物实际生长规律。由此可见，该变量喷洒系统符合科学施药理念，提高了农药利用率和病虫害防治效果，可推广示范。

4结论

农药喷洒是防治作物病虫草害的有效措施，而变量喷洒技术是提高喷洒效果实现精准农业的关键技术路径。本文设计了一种水药分离变量喷洒系统，通过采用独立的供水和供药单元，由单片机采集所需信号控制各自的蠕动泵占空比实时调节用量来配置不同浓度的药液，在一定程度上避免了传统混药方式造成的药液浪费问题，大大提高了农药利用率。

1）  分析了三种混合器的混药性能和单元数与摩阻系数之间关系，确定并选取了单元螺旋板长径比L/D=1.5、单元数Ne=3的SK型静态混合器，达到了较高的水药混合均匀性。

2）  通过转速试验、高度试验和滴雾密度试验，测定了占空比与喷头转速、喷雾粒径大小和覆盖率之间的关系，选用了防治爬行虫和真菌类的农药，控制输出占空比为75%，对应喷头转速为11 750r/min，雾滴粒径为125μm；喷幅与喷头高度之间相关系数R²=0.99996，成正相关；当喷头高度h为1m时，单位面积平均药液粒数可以达到48个/cm²，且五组试验数据的试验浓度值和预设值浓度误差均小于3%，说明本系统的混药精准性较高。

3）  以行走式植保机械为载体，进行了行走试验。对比分析了不同喷洒方式下防治小麦返青期纹枯病的效果，设计的变量喷洒系防治效果最佳，病虫害等级1级和2级之和达到了97%，避免了农药浪费和环境污染以及施药过多造成的药害。

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