李龙龙，何雄奎※，宋坚利，王潇楠，贾晓铭，刘朝辉

（1. 中国农业大学理学院，北京 100193；2. 中国农业大学工学院，北京 100083；3. 无锡市中波机械制造有限公司，无锡 214028）

基于变量喷雾的果园自动仿形喷雾机的设计与试验

李龙龙1，何雄奎1※，宋坚利1，王潇楠1，贾晓铭2，刘朝辉3

（1. 中国农业大学理学院，北京 100193；2. 中国农业大学工学院，北京 100083；3. 无锡市中波机械制造有限公司，无锡 214028）

为提高果园喷雾机自动化与精准喷雾作业性能，设计了一种基于变风量与变喷雾量的果园自动仿形喷雾机，喷雾系统以冠层分割模型作为变量处方，采用扫描精度高的激光传感器作为探测源，以电磁阀和无刷直流风机为执行元件，通过探测果树冠层体积调节电机和电磁阀的脉宽调制（pulse width modulation，PWM）信号以实时调节风机转速和喷头流量。设计了可独立调节风量和喷雾量的雾化单元，通过各个独立风机产生的高速气流协助雾滴穿透冠层；喷雾机最大作业高度4.2 m。田间试验结果表明，在行株距为5 m×2 m的单株苹果树左右两侧平均沉积量分别为1.92和1.37 uL/cm2，最少雾滴数为46.2个/cm2，大于常用方法对风送喷雾中雾滴喷幅界定的20个/cm2；树冠轮廓与沉积量和风速变化拟合结果显示，设计的喷雾机能够根据树冠信息实现仿形变量施药。该研究为果树病虫害防治提供新方法与新装备，为精准植保机具的结构设计和性能优化提供理论与方法参考。

喷雾；喷头；传感器；植保机械；精准施药；仿形喷雾；脉宽调制；无刷风机

0 引 言

风送喷雾机是作物喷雾作业中的重要技术装备，已经广泛应用多年，有很好的应用前景[1]。但果园风送式喷雾机在整个施药过程中连续喷雾，极易形成农药飘移和流失，不仅造成严重的农药浪费和环境污染，同时还会导致农产品农药残留超标[2-3]。

农药精准喷雾技术是指根据作物或杂草的冠层特征实时改变喷雾参数，如调节喷头流量和风机风量[4]，从而达到按需施药的目的，提高农药有效利用率和保护环境，近年来得到了较快发展[5]。传感器探测技术是实现农药精准喷雾的有效手段，国内外科研人员对其进行了诸多研究。翟长远等[6]、邹建军等[5]利用红外传感器技术建立了果树自动对靶探测系统；Tumbo等[7]、Zamahn等[8]利用超声波传感器实现了对树冠体积的测量，并研究了叶密度和行驶速度对测量结果的影响；翟长远等[9]利用超声波传感器开发了靶标外形探测试验平台，探测精度达到90%以上。Tellaeche等[10]、Lee 等[11]、Feyaerts等[12]利用图像传感器探测方法对杂草进行形态特征识别，确定施药区域。最近几年，激光传感器（light detection and ranging，LIDAR）作为一种高精度的探测装置被广泛应用于农业领域。Zhang等[13]、Arnó等[14]利用激光传感器建立了作物参数测量系统；Keir等[15]基于激光传感器建立了葡萄藤三维体积模型；Chen等[16]在前人研究基础上设计了树冠密度估测系统，指导精准施药。

基于传感器的树冠探测技术为果树精准喷雾机的研究提供了处方理论基础，将现有的果园喷雾机与探测传感器相结合是目前变量喷雾技术的主线，诸多学者通过超声波、图像传感器技术实现变量喷雾[17-20]，但该类传感器的精度受探测距离、温湿度和运行速度影响较大[12]；Escolà等[21]设计了基于激光传感器的变流量喷雾机，能够减小环境和工况对探测精度的影响；Chen等[22]利用激光传感器研制了根据树冠需求改变喷药量的变量喷雾机，实现了喷雾机单侧变量施药；Liu等[23]在Chen的基础上改进为270°激光传感器，实现了喷雾机两侧同时变量施药。在国家项目支持下，国内已经研制出了基于不同传感器的果园变流量喷雾机[3,24-26]。这些研究均实现了变流量喷雾，但多采用单个轴流风机做气流源[27]，不能根据树冠大小实时改调节风量，容易造成雾滴飘移。

受风机反应速度慢、实时性不能满足工作要求等方面的限制，既能调节风量又能调节喷雾量的喷雾机还未见报道。本文主要以纺锤形果树为对象，激光传感器为探测源，以提高农药沉积和减少飘移为目标，设计了基于冠层体积实时调节喷雾量和风量的果园自动仿形喷雾机，并进行田间试验测试。

1 研究系统结构与组成

基于变量喷雾的果园自动仿形喷雾机的系统体系结构和组成如图1所示。

图1 喷雾机系统结构框图Fig.1 Sprayer system structure diagram

2 整机研制实施方案

2.1 喷雾机的整体结构型式

根据国内果园、农机特点，考虑喷雾机作业的灵活性与经济性，确定变量自动仿形喷雾机整机结构型式为牵引式，可与具有动力输出轴的中小功率（20 kW）拖拉机牵引联接，以标准转速动力输出驱动隔膜泵。为减少加药次数，提高喷雾机的工作效率，设计喷雾机药箱容量 1 000 L。整机总体结构如图 2所示，主要包括SICK-LMS111-10100激光传感器（德国sick传感器有限公司）、ZM10000YCE汽油发电机（上海赞马机械制造有限公司）、AR75bp隔膜泵（意大利Annovi Reverberi有限公司）、Radar Ⅲ型地速传感器（美国帝强公司）、药箱、机架、风量调节系统、喷雾量调节系统、控制系统、雾化单元、变压模块等。为方便实现各功能的自动控制，系统电力供应由发电机提供。整机外型尺寸为2 200 mm×1 200 mm×3 400 mm，作业最小通过间距≤3 m。

图2 基于变量喷雾的自动仿形喷雾机总体结构示意图Fig.2 Overall structure of automatic profiling orchard sprayer based on variable air volume and flow rate

2.2 喷雾系统

为提高雾滴沉积均匀性和农药有效利用率，喷雾装置采用喷头、风机组合式雾化单元[28]。每个单元前端设有5个出风口，呈弧形排列，各出风口中央配置1个扇形雾喷头，后端通过涵道与风机联接。雾化单元的喷头流量和风机转速均可独立控制，且雾化单元与树冠距离可调，便于出风口处的高速气流可协助雾滴产生涡流穿透茂密的树冠。与单一喷头雾化相比，此雾化单元的喷头、风机组合可形成 5个扇形雾化区，有利于实现喷雾量的局部调节。如图3所示，喷雾机两侧各包含4个雾化单元，药液经隔膜泵泵出药箱，通过分流装置，一部分药液进入施药管路，另一部分流回药箱进行回流搅拌。进入施药管路的药液经过二级分流器再次分流成40路，经电磁阀输送到每个喷头。设计的喷雾工作压力为0.3 MPa。

图3 喷雾机喷雾系统Fig.3 Spray system of sprayer

2.3 冠层分割模型

根据果树冠层分布特点，以同时实现局部调节风量和喷雾量为目标设计变量喷雾模型。传感器激光源发射的激光到达树冠表面反射后被接收，视为一个有效激光点，系统自动计算该点到激光传感器的距离和扫描角度，根据公式（1）确定树冠上某点到树干中心的水平距离。如图4b，对于P点，该点到树干中心水平距离为：

式中Wp为P点到树干中心水平距离，m；D为激光传感器与树干中心距离，m；dP为点P到激光传感器的距离，m；θ为点P的扫描角度，（º）。

模型采用累积计算法[22]，如图4a所示，激光传感器沿Z轴方向，从树冠轮廓的左侧开始扫描（k=1）到右侧（k=n）结束，每扫描5次记为一个横向分割单元，相邻2次扫描之间的水平距离取决于激光传感器的运行速度和扫描频率。为提高靶标的扫描精度，激光传感器参数设置为扫描频率50 Hz，角分辨率0.25°。

树冠纵向分割单元高度为0.15 m，结合传感器横向分割计算方法，冠层可近似等效为若干个体积为 0.15 S·Wi的长方体，每个长方体定义为 1个冠层单元。则冠层单元密度ρi为[16]：

式中ρi为冠层单元i密度；Wj为树冠表面有效激光点到树干中心距离，m；Wmax为树冠表面有效激光点到树干中心的最大距离，m；m为有效激光点个数。

图4 冠层分割模型Fig.4 Canopy segmentation model

冠层单元体积计算公式（3）：

式中Voli为单位冠层单元体积，m3；h为纵向分割单元高度，m，h=0.15 m；v为激光传感器运行速度，m/s；t为5个扫描周期，s；Fre为激光传感器扫描频率，Hz。

每个喷头对应1个冠层单元，控制系统根据公式（1）～（4）将整个树冠分割成若干冠层单元，计算机根据喷雾模型分别计算冠层单元体积，为调节风量和喷雾量提供理论基础。

2.4 流量调节

整机共配有40个XBT1G1型电磁阀（成都鑫邦特机电有限责任公司），分别控制1个喷头。系统采用脉宽调制（pulse width modulation，PWM）间歇变量喷雾技术，单片机根据指令发送脉冲电平信号控制电磁阀占空比。试验结果表明，电磁阀在频率25 Hz，0.3 MPa喷雾压力下，单喷头流量与占空比的关系为

式中q为单喷头流量，L/min；x为电磁阀占空比，%。

根据公式（3），单位冠层单元所需喷雾量为

式中Qi为单位冠层单元所需喷雾量，L；u为单位体积所需药量，L/m3，u=0.1 L/m3[29]。

根据公式（5）和（6），得

则电磁阀PWM占空比x为

2.5 风量调节

整机单侧配有4个雾化单元，每个风机为5个冠层单元提供风量，根据置换原则，单个雾化单元产生风量应该置换对应冠层空间，本研究将冠层与雾化单元之间截面近似等效为梯形，则5个冠层单元所需风量计算公式为[26,30]

式中QW为5个冠层单元所需风量，m3/s；h1为5个冠层单元高度，m；h2为雾化单元出风口高度，m；Wia为5个冠层单元外侧到树干中心的平均距离，m；ρia为5个冠层单元密度平均值；ka为气流衰减系数；ks为置换空间系数。其中，h1=0.75 m，h2=0.23 m，ka=1，ks=0.6，其他参数均可通过系统计算得到。

风量与出风口风速、出风口面积关系为

式中VW为雾化单元出风口风速，m/s；SK为雾化单元出风口面积，m2，SK=0.008 m2。

试验测得出风口风速与占空比关系为

式中r为风机占空比，%。

根据公式（9）、（10）、（11）得风机PWM占空比为：

机具选用70-6-2839型无刷直流电机（深圳飞俊电机科技有限公司）作为风量执行元件，可通过改变电压调节电机转速，PWM等效输出电压根据公式（13）求得。风机叶轮直径85 mm，最大转速为28000 r/min，出风口最大风速54.65 m/s。

式中V0为输出的等效电压，V；Vcc为供给电压，V。

2.6 喷雾控制系统

上位机采用C++编程语言实现Windows程序界面可视化操作（图5a），实时显示喷雾机运行速度和施药量变化。变量控制系统分为自动和手动两种模式，为使传感器仅提供树冠信息，减少地面实物对数据的干扰，自动模式作业时，需提前设置相关参数（图5b），如果树的平均树高及干高等，系统根据参数控制传感器的扫描范围，防止误喷；无传感器条件下，手动输入风量和流量对应占空比参数，喷雾机也可进行常规作业。

图5 上位机控制系统Fig.5 Laptop control system

变量控制系统采用中央控制执行装置，通过以太网口RJ 45（Registered Jack 45）和串行通讯端口（cluster communication port，COM），计算机分别与激光传感器和单片机信号发生模块联接。图6为控制流程图，系统工作时，速度采集模块将速度传感器发回的电平信号转换为速度值传输给计算机；同时，计算机对激光传感器采集得到的树冠信息进行处理，通过冠层分割模型计算得到冠层单元体积，依据风量和喷雾量计算公式得到冠层所需的喷雾量和风量（公式6，公式9），得到对应的电磁阀和风机占空比（公式8，公式12）。信号发生模块以LPC2294HBD144单片机为核心，根据占空比信息指令输出PWM信号，随后，电磁阀驱动（40路）和风机驱动（8路）根据PWM信号调节各自对应的执行元件，实现喷雾量和风量的独立调节。

2.7 动力系统

喷雾机部件除隔膜泵通过拖拉机动力输出（power take off，PTO）驱动外，其他装置均为电控。在测试电磁阀功率、无刷电机功率、驱动及其他执行元件功率的基础上，考虑充足的功率余量，选择功率为8 kW的汽油发电机作为电力供应源。由于喷雾机各需电元件的工作电压均为直流12 V，因此添加变压、稳压模块将发电机输出的交流220 V转变为直流12 V电压。

图6 控制系统流程框图Fig.6 Flow chart of control system

3 田间试验

3.1 试验条件

试验地点：中国农业大学上庄试验站苹果示范基地；试验时间：2015年10月27日，试验时环境温度14 ℃，湿度50.3 %，空气流速0.7～1.2 m/s。试验对象为纺锤型苹果树，平均树高4.1 m，冠径2.6 m，行株距为5 m×2 m，机具平均运行速度0.8 m/s。

3.2 试验材料及方法

研究表明，不同国家、不同时期的胰腺炎病因谱存在一定的差异。在我国胰腺炎的主要病因为胆道系统疾病，而在欧美及西方发达国家则以饮酒和暴饮暴食为主要病因。鉴于此，本研究应用时间序列分析方法探讨改革开放30年来尤其是近20年山东聊城市人民医院收治的急性胰腺炎(AP)患者的病因，为该地区胰腺炎的预防和治疗提供决策支持。

主要试验材料及规格如下：304A型黄海金马拖拉机（马恒达悦达拖拉机有限公司），基于变量喷雾的果园自动仿形喷雾机（喷雾压力0.3 MPa），722s-可见光分光光度计（上海精密科学仪器有限公司），德国Testo410-2多通道风速测试仪（德国德图公司），柠檬黄85（上海染料研究所有限公司），金属筛网（2.5 cm×7.5 cm），水敏纸（2.6 cm×7.5 cm）。

为验证样机在果园作业中的仿形喷雾性能，考虑喷雾机风量和喷雾量与果树不同高度冠径变化的匹配性，对果树不同冠层高度上的雾滴沉积及风速分布进行测试，试验现场如图7。

图7 样机测试Fig.7 Prototype test

试验步骤如下：

1）选择3棵典型苹果树作为采样对象，如图8a所示，沿树冠测量不同高度的冠层直径，使用软件模拟得到AB点所在截面树冠轮廓图；

2）沉积测试

a. 如图8b所示，根据冠层形状，在冠层两侧与冠层内部进行布点，为测试喷雾过程中不同喷头雾化区域的沉积量及沉积均匀性，考虑树冠高度和雾化单元高度，避免在喷头中心位置布点导致试验误差，设置布样高度为1.2、1.6、2.0、2.4、2.8、3.2、3.6、4.0 m。每个采样点分别用双头夹固定金属筛网和水敏纸。2.5 ‰柠檬黄溶液作为试验药液。

b. 在树冠左侧行间进行第1次喷雾，分别收集金属筛网和水敏纸。

c. 在冠层两侧与冠层内部重新布样，于右侧行间进行第2次喷雾，收集金属筛网和水敏纸。

3）风速测试

a. 关闭喷雾机液泵，只调节风量。

b. 在树干左侧1.5 m处树立金属杆固定风速仪，如图8b所示，为测试工作过程中不同高度的风速分布，参考沉积测试布样设置及雾化单元出风口位置，综合考虑树高及布样数目，风速仪分别距地面1.2、1.6、2.0、2.4、2.8、3.2、3.6、4.0 m，测量频率为60 Hz。

c. 在树冠左侧行间进行第1次风速测试，将风速数据导出并处理。

d. 在右侧重新布置风速仪，于右侧行间进行第2次风速测试，将风速数据导出并处理。

图8 采样点布置示意图Fig.8 Sketch map of sampling points arrangement

3.3 试验结果与分析

使用Deposit scan雾滴扫描软件扫描水敏纸得到单位面积雾滴个数和雾滴覆盖率；采用722s-可见光分光光度计测定金属筛洗脱液的吸光度计算雾滴沉积量[31]；将不同高度的样本计算变异系数描述垂直方向的雾滴沉积均匀性。沉积试验结果如表1，样品的沉积量自左向右有减小的趋势，树冠左侧和中部的变异系数分别为14.2%和18.0%，右侧雾滴沉积变异系数最小，表明气流的变化提高了树冠背侧的沉积分布均匀性。

分别计算第1次喷雾的左侧和第2次喷雾的右侧雾滴总沉积量及不同高度的雾滴沉积占总沉积量的比率，用相同方法计算两次风送测试的风速比率，使用Matlab软件（美国MathWorks公司）将计算结果与树冠轮廓拟合得到3棵果树的变量喷雾仿形效果图（图9）。由图可知，风速和沉积量的分布规律符合树冠特征，与风速曲线相比，沉积量变化曲线与树冠轮廓的拟合度较低，笔者分析这是由于风送气流将雾滴吹向冠层的过程中，一些小雾滴偏离运行轨迹，在自然风的作用下沉积到其他靶标冠层造成误喷。

表1 冠层雾滴沉积分布Table 1 Deposition distribution on different parts of canopy

图9 变量喷雾仿形效果Fig.9 Effects of profile modeling based on variable rate spraying

图10为不同冠层高度水敏纸上的雾滴个数，结果表明不同冠层高度的雾滴数基本相同。Deposit scan扫描得到最小覆盖率样本雾滴个数为 46.2个/cm2，高于植保机械通用试验方法JB-T 9782-2014对风送喷雾中喷幅界定的20个/cm2要求。因此，设计的变量仿形喷雾机应用于病虫害防治，能够提高树冠背侧沉积均匀性，而且可以根据冠层生长特点实现仿形喷雾。

图10 不同冠层高度上样本雾滴个数Fig.10 Droplet number on samples at different heights of canopy

4 结 论

本文研制的基于变风量和变喷雾量的自动仿形喷雾机，达到设计要求，具体功能与参数如下：

1）采用激光传感器扫描靶标，设计了基于树冠结构的冠层分割模型，为风量和喷雾量的局部调节提供理论计算方法。

2）利用无刷直流风机代替PTO驱动的中央大风机，实现风量的局部调节，增加雾滴穿透性，提高施药精准度，风机最大转速28000 r/min。

3）PWM间歇式喷雾技术调节喷头流量，将调节风量和喷雾量结合，设计喷头、风机组合式雾化单元，最大作业高度为4.2 m。

4）在行株距为5 m×2 m的苹果树试验得到果树左右两侧平均沉积量分别为1.92和1.37 μL/cm2，雾滴沉积个数大于46.2个/cm2，可以满足果园病虫害防治要求。

[1] 邱威，顾家冰，丁为民，等. 果园风送式喷雾机防治效果试验[J]. 农业机械学报，2015，46(1)：94－99. Qiu Wei,Gu Jiabing,Ding Weimin,et al. Experiment on control effect of different pesticide concentration using airassisted sprayer[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2015,46(1):94－99.(in Chinese with English abstract)

[2] 邱白晶，闫润，马婧，等. 变量喷雾技术研究进展分析[J].农业机械学报，2015，46(3)：59－72. Qiu Baijing,Yan Run,Ma Jing,et al. Research progress analysis of variable rate sprayer technology[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2015,46(3):59－72.(in Chinese with English abstract)

[3] 何雄奎，严苛荣，储金宇，等. 果园自动对靶静电喷雾机设计与试验研究[J]. 农业工程学报，2003，19(6)：78－80. He Xiongkui,Yan Kerong,Chu Jinyu,et al. Design and testing of the automatic target detecting,electrostatic,air assisted,orchard sprayer[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2003,19(6):78－80.(in Chinese with English abstract)

[4] 王万章，洪添胜，李捷，等. 果树农药精准喷雾技术[J]. 农业工程学报，2004，20(6)：78－80. Wang Wanzhang,Hong Tiansheng,Li Jie,et al. Review of the pesticide precision orchard spraying technologies[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2004,20(6):78－80.(in Chinese with English abstract)

[5] 邹建军，曾爱军，何雄奎，等. 果园自动对靶喷雾机红外探测控制系统的研制[J]. 农业工程学报，2007，23(1)：129－132. Zou Jianjun,Zeng Aijun,He Xiongkui,et al. Research and development of infrared detection system for automatic target sprayer used in orchard[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2007,23(1):129－132.(in Chinese with English abstract)

[6] 翟长远，赵春江，王秀，等. 幼树靶标探测器设计与试验[J]. 农业工程学报，2012，28(2)：18－21. Zhai Changyuan,Zhao Chunjiang,Wang Xiu,et al. Design and experiment of young tree target detector[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2012,28(2):18－22.(in Chinese with English abstract)

[7] Tumbo S D,Salyani M,Whitney J D,et al. Investigation of laser and ultrasonic ranging sensors for measurements of citrus canopy volume[J]. Applied Engineering in Agriculture,2002,18(3):367－372．

[8] Zamahn Q U,Salyani M. Effects of foliage density and ground speed on ultrasonic measurement of citrus tree volume [J]. Applied Engineering in Agriculture,2004,20(2):173－178.

[9] 翟长远，赵春江，王秀，等．树型喷洒靶标外形轮廓探测方法[J]. 农业工程学报，2011，26(12)：173－177. Zhai Changyuan,Zhao Chunjiang,Wang Xiu,et al. Probing method of tree spray target profile[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2010,26(12):173－177.(in Chinese with English abstract)

[10] Tellaeche A，Burgosartizzu X P，Pajares G，et al． A new vision-based approach to differential spraying in precision agriculture[J]. Computers and Electronics in Agriculture,2008,60(2):144－155．

[11] Lee W S,Slaughter D C,Giles D K. Robotic weed control system for tomatoes[J]. Precision Agriculture. 1999,1(1):95－113．

[12] Feyaerts F,Van G L. Multi-spectral vision system for weed detection[J]. Pattern Recognition Letters,2001,22(6):667－674．

[13] Zhang Lei,Tony E G. A lidar-based crop height measurement system for Miscanthus giganteus[J]. Computer and Electronics in Agriculture,2012,85(5):70－76.

[14] Arnó J,Escolà A,Vallès J M,et al. Leaf area index estimation in vineyards using a ground-based LIDAR scanner[J]. Precision Agriculture,2013,14(3):290－306.

[15] Keir E K,Gerald W B. 3D volumetric modeling of grapevine biomass using tripod LIDAR[J]. Computer and Electronics in Agriculture,2010,74(2):305－312.

[16] Chen Yu,Zhu Heping,Ozkan H E. Real-time tree foliage density estimation with laser scanning sensor for variable-rate tree sprayer development[C/OL]// 2013 ASABE Annual International Meeting,ASABE Paper No.131596009,2013. http://elibrary.asabe.org/azdez.asp?JID=5&AID=43644&CID=miss2013&T=1

[17] Gil E,Llorens J,Llop J,et al. Variable rate sprayer. Part 2-vineyard prototype:Design,implementation,and validation[J]. Computers and Electronics in Agriculture,2013,95(1):136－150.

[18] Hong Y J,Zhu Heping,Richard D,et al. Evaluation of ultrasonic sensor for variable-rate spray applications[J]. Computers and Electronics in Agriculture,2011,75(1):213－221.

[19] Llorens J,Gil E,Llop J,et al. Variable rate dosing in precision viticulture:Use of electronic devices to improve application efficiency[J]. Crop Protection,2010,29(3):239－248.

[20] Gil E,Escolà A,Rosell J R,et al. Variable rate application of plant protection products in vineyard using ultrasonic sensors[J]. Crop Protection,2007,26(8):1287－1297.

[21] Escolà A,Rosell J R,Planas S,et al. Variable rate sprayer. Part 1–orchard prototype:Design,implementation,and validation[J]. Computers and Electronics in Agriculture,2013,95(1):122－135.

[22] Chen Yu,Zhu Heping,Ozkan H E. Development of LIDAR-guided sprayers to synchronize spray outputs with canopy structures[C/OL].//2011 ASABE Annual International Meeting,ASABE Paper No.1110496,2011. http://elibrary. asabe.org/azdez.asp?JID=5&AID=37206&CID=loui2011&T=1

[23] Liu Hui,Zhu Heping,Shen Yue,et al. Evaluation of a laser scanning sensor for variable-rate tree sprayer development [C/OL].//2013 ASABE Annual International Meeting,ASABE Paper No.131594563,2013. http://elibrary.asabe. org/azdez.asp?JID=5&AID=43399&CID=miss2013&T=1

[24] 胡开群，周舟，祁力钧，等. 直注式变量喷雾机设计与喷雾性能试验[J]. 农业机械学报，2010，41(6)：70－74，102．Hu Kaiqun,Zhou Zhou,Qi Lijun,et al. Spraying performance of the direct injection variable-rate sprayer[J]. Transactions ofthe Chinese Society for Agricultural Machinery,2010,41(6):70－74,102.(in Chinese with English abstract)

[25] 刘志壮，徐汉虹，洪添胜，等. 在线混药式变量喷雾系统设计与试验[J]. 农业机械学报，2009，40(12)：93－96，129. Liu Zhizhuang,Xu Hanhong,Hong Tiansheng,et al. Key technology of variable-rate spraying system of online mixing pesticide [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2009,40(12):93－96,129.(in Chinese with English abstract)

[26] 许林云，张昊天，张海锋，等. 果园喷雾机自动对靶喷雾控制系统研制与试验[J]. 农业工程学报，2014，30(22)：1－9. Xu Linyun,Zhang Haotian,Zhang Haifeng,et al. Development and experiment of automatic target spray control system used in orchard sprayer[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2014,30(22):1－9.(in Chinese with English abstract)

[27] 周良富，傅锡敏，丁为民,等. 组合圆盘式果园风送喷雾机设计与试验[J]. 农业工程学报，2015，31(10)：64－71. Zhou Liangfu,Fu Ximin,Ding Weimin,et al. Design and experiment of combined disc air-assisted orchard sprayer[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2015,31(10):64－71.(in Chinese with English abstract)

[28] Zhu Heping,Brazee R D,Derksen R C,et al. A specially designed air-assisted sprayer to improve spray penetration and air jet velocity distribution inside dense nursery crops[J]. Transactions of the ASABE,2006,49(5):1285－1294.

[29] Jenkins E,Hines R. Fruit Crop Pest Management:A Guide for Commercial Applicators Category 1C[M]. East Lansing:Michigan State University. 2003:25－42.

[30] 戴奋奋. 风送喷雾机风量的选择与计算[J]. 植物保护，2008，34(6)：124－127. Dai Fenfen. Selection and calculation of the air-blowing rate of air-assisted sprayers[J]. Plant Protection,2008,34(6):124－127.(in Chinese with English abstract)

[31] 马宁. 防飘喷头和标准扇形雾喷头的喷雾特性研究[D].北京：中国农业大学，2012. Ma Ning. Study of Spray Characteristics of Anti-floating Nozzle and Standard Fan-shaped Nozzle[D].Beijing:China Agriculture University,2012.(in Chinese with English abstract)

Design and experiment of automatic profiling orchard sprayer based on variable air volume and flow rate

Li Longlong1,He Xiongkui1※,Song Jianli1,Wang Xiaonan1,Jia Xiaoming2,Liu Chaohui3
(1. College of Science,China Agricultural University,Beijing 100193,China;2. College of Engineering,China Agricultural University,Beijing 100083,China;3. Wuxi Zhongbo Machinery Manufacturing CO.,LTD,Wuxi 214028,China)

In order to improve the automatic working performance of orchard sprayer,in this study,an automatically variable-rate orchard sprayer with 40 nozzles and 8 fans based on LIDAR(Light Detection and Ranging) was developed. The high-precision scanning laser sensor was adopted as the detecting source to detecting the canopy parameter. Electromagnetic valve and brushless fan were adopted as actuators to control the flow rate and air volume based on the pulse width modulation（PWM）signals. Each nozzle in the spray system,coupled with a solenoid,achieved variable rate delivery in real time based on the canopy volume. Each side of the prototype equipped four integrated atomization units with one independent brushless fan. The independent brushless fan located behind of atomization unit,and assisted the droplets sprayed from the five nozzles blowing into the canopy,which is conductive to the local regulation of spraying quantity. The brushless motor has the advantages of fast-response,high-speed,and long working-time. The rotating speed of each brushless motor could be adjusted in real-time by PWM signal according to the canopy parameters of fruit tree. The canopy segmentation model was designed to measure the volume and density of canopy,which could meet 3 m height canopy. The canopy was divided into many canopy units,and each nozzle corresponded with one canopy unit and each brushless fan corresponded with five canopy units. A laptop was used to calculate the volume and density of each canopy unit based on the data scanned by laser sensor and the segmentation model. Then the spraying quantity needed forcanopy unit and the air volume needed for five canopy units were acquired by control system. Next,the PWM signals emitted by single chip microcomputer would be transmitted to the drivers of valves and fans to adjust the flow rate and air flow. A total of 48 channel PWM signals were designed for the whole machine,and each channel would be controlled separately. The gasoline generator was adopted as energy source to realize long-working and fully automatic spraying,and the independent brushless fan was used instead of central fan with PTO(Power Take Off)-power to realize partly air volume and use-dosage according to canopy size. The field experiments were conducted in an apple orchard,a research farm belonging to the China Agricultural University,in Beijing. The main tests included the test of deposition distribution in the canopy and air velocity distribution of different height. The tree row space was 5m×2m,the average height of tree was 4.1 m,and the canopy diameter was 2.6m. The environment temperature was 14℃,the humidity was 50.3% and the wind speed was 0.7 - 1.2 m/s. Tartrazine(2.5‰) was chosen as the tracer material and travel speed was 0.8m/s. Water sensitive paper(2.6 cm×7.5 cm) and metallic screen mesh(2.5 cm×7.5 cm) were adopted to receive the deposition for the test of deposition distribution in the canopy. The artificial targets were arranged in the canopy in eight layers with three directions of right,left and middle in each layer. Also,a metal rod was established at the distance of 1.5m from tree center to fix the anemometers. The lowest anemometer was 1.2 m from the ground and the distance of adjacent anemometer was 0.4m. The results showed that the deposits on the front and back of tree were 1.92 and 1.37 μL/cm2,and the minimum number of droplets was 46.2per cm2,which was greater than the requirement of droplet adhesion rate over 25/cm2in the application of pest and disease control. The coefficient variation of three depths of tree was 14.2%,18.0% and 13.7%,respectively. The fitting results of canopy contour with deposition and air velocity distribution showed that the designed prototype could realize variable-rate spraying according to the canopy information,which could meet design requirement. In this study,we proposed a new equipment of plant protection for fusiform-type fruit tree,and also provided reference for design and performance optimization for plant protection machinery.

spraying;nozzles;sensors;plant protection machinery;precision spraying;profile modeling spray;PWM;brushless fan

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.009

S491

A

1002-6819(2017)-01-0070-07

李龙龙，何雄奎，宋坚利，王潇楠，贾晓铭，刘朝辉. 基于变量喷雾的果园自动仿形喷雾机的设计与试验[J]. 农业工程学报，2017，33(1)：70－76.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.009 http://www.tcsae.org

Li Longlong,He Xiongkui,Song Jianli,Wang Xiaonan,Jia Xiaoming,Liu Chaohui. Design and experiment of automatic profiling orchard sprayer based on variable air volume and flow rate[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2017,33(1):70－76.(in Chinese with English abstract)

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.009 http://www.tcsae.org

2016-06-06

2016-11-21

国家自然科学基金资助项目（31470099）；公益性行业（农业）科研专项资助项目（201203025，201503130）

李龙龙，男，山东平度人，博士生，主要从事植保机械与施药技术研究。北京 中国农业大学理学院，100193。Email：lizefeng1219@126.com

※通信作者：何雄奎，男，湖北通城人，教授，博士，博士生导师，主要从事植保机械与施药技术研究。北京 中国农业大学理学院，100193。Email：xiongkui@cau.edu.cn