金　蘭，茹　煜

(南京林業(yè)大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，南京　210037)

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基于無人直升機(jī)的航空靜電噴霧系統(tǒng)研究

金蘭，茹煜

(南京林業(yè)大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，南京210037)

摘要：航空靜電噴霧技術(shù)具有防治效率好、可及時控制大面積病蟲害的優(yōu)點(diǎn)。為此，針對AF-811無人直升機(jī)設(shè)計(jì)了一套航空靜電噴霧系統(tǒng)，由航空靜電噴頭、水泵、藥箱、擺動懸臂、直流電源、高壓靜電發(fā)生器、流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)組成。將該靜電噴霧系統(tǒng)搭載在AF-811無人機(jī)上進(jìn)行了有效噴幅和霧滴沉積效果試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明：無人機(jī)靜電噴霧不僅施藥靈活，而且增加了農(nóng)藥在目標(biāo)上的附著率，減少了霧滴的飄移，起到更好的保護(hù)生態(tài)環(huán)境的效果。

關(guān)鍵詞：病蟲害防治；無人直升機(jī)；航空噴霧；靜電噴霧

0引言

農(nóng)林病蟲害嚴(yán)重危害我國的農(nóng)業(yè)、林業(yè)生產(chǎn)及生態(tài)環(huán)境。我國森林病蟲害種類繁多，發(fā)生率高，2006-2010年，我國每年因森林病蟲害致死的林木就達(dá)4 000萬多株，年均病蟲害發(fā)生面積為1 133.33萬hm2[1]，糧食和經(jīng)濟(jì)作物年均病蟲害發(fā)生面積為47 000萬hm2[2]。目前，我國大部分農(nóng)藥噴霧以動力機(jī)噴霧為主，這種噴灑方式僅使少部分農(nóng)藥附著在植物冠表面上，農(nóng)藥的有效利用率只有20%～30%，而真正到達(dá)害蟲體的藥量不到施藥量的1%[3]。目前，應(yīng)用無人機(jī)施藥的優(yōu)勢已經(jīng)非常明顯[4-5]：不需要固定機(jī)場；作業(yè)靈活；作業(yè)效率高空飛率低，爬升率大；地形適應(yīng)性好(丘陵、山區(qū)、坡地、作物密集等復(fù)雜地形)；操縱控制簡單，可以實(shí)現(xiàn)隨作物高度變化的仿形噴霧。

靜電噴霧與常規(guī)噴霧相比有著顯著的優(yōu)勢，霧滴尺寸均勻、沉積性能好、漂移損失小、穿透性強(qiáng)，尤其是在植物葉片背面也能附著霧滴[6]。在航空靜電噴霧的試驗(yàn)研究中，國外起步早[7]、技術(shù)較為先進(jìn)。例如，美國靜電噴霧器公司(Spectrum Electrostatic Sprayers, Inc)制造的航空靜電噴霧系統(tǒng)是自20世紀(jì)90年代以來最先進(jìn)的航空靜電噴霧器械，適用于各種中小型螺旋槳飛機(jī)和直升機(jī)掛載[8-10]。

目前，國內(nèi)在無人直升機(jī)靜電噴霧技術(shù)方面的應(yīng)用研究還較少，因此研究和發(fā)展無人機(jī)航空靜電噴霧施藥技術(shù)，對提高施藥效率和靈活性及有效減少農(nóng)藥浪費(fèi)，顯得尤為重要。為此，在消化吸收國外航空靜電噴霧系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，研制開發(fā)了適合無人直升機(jī)AF-811的航空靜電噴霧系統(tǒng)并開展了相關(guān)的試驗(yàn)研究。

1無人直升機(jī)航空靜電噴霧系統(tǒng)

無人直升機(jī)航空靜電噴霧系統(tǒng)主要由霧化系統(tǒng)、高壓靜電充電裝置、流量控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)4大部分組成。其噴霧原理如圖1所示。

圖1　無人直升機(jī)靜電噴霧原理圖

1.1霧化系統(tǒng)

該無人直升機(jī)霧化系統(tǒng)主要由藥箱、水泵、靜電噴頭及擺動懸臂組成?？紤]到現(xiàn)有無人直升機(jī)起落架較小的特點(diǎn)，得到的初步布局方案是：將兩藥箱設(shè)置在起落架的兩側(cè)，采用一套噴霧系統(tǒng)，從兩側(cè)藥箱輸送來的藥液經(jīng)一個三通后共同輸送到水泵中，再由水泵經(jīng)過一個三通接頭分別輸送至兩側(cè)4個噴頭中。

圖2為無人機(jī)噴霧系統(tǒng)，主要固定在無人機(jī)起落架支撐平臺上。其中，兩個專用藥箱通過螺栓連接對稱布置在大支撐平臺兩側(cè)，考慮飛機(jī)承載量，每個藥箱的容量為4.5L；12V、20W的微型直流隔膜水泵固定在大支撐平臺底部，上側(cè)小支撐平臺固定12V直流電源、高壓靜電發(fā)生器及控制盒(流量及遠(yuǎn)程控制)。選用的噴頭是單噴嘴航空靜電噴頭，噴頭與接頭相連后固定在擺動懸臂上。

1.機(jī)身　2.藥箱　3.起落架　4.噴頭　5.擺動懸臂　6.電池

擺動懸臂由支撐座、噴桿和擋風(fēng)板組成，如圖3所示。其通過支撐座固定在無人機(jī)起落架上，功能是一方面在施藥過程中，噴頭能根據(jù)風(fēng)向轉(zhuǎn)動，改善施藥效果；另一方面，使無人機(jī)噴霧系統(tǒng)在不使用時，兩側(cè)噴桿向上收起，節(jié)約擺放的空間。兩側(cè)噴桿各為長700mm、外徑17mm的空心鋁管，通過滾針和角接觸球組合軸承NKIB5903(JB/T8877-2001)連接噴桿和支撐座。因此，噴桿可實(shí)現(xiàn)橫向的轉(zhuǎn)動，帶動噴頭轉(zhuǎn)動。在實(shí)際施藥時，無人機(jī)旋翼有一個較大的下旋氣流，飛行時受到一個氣流，如果這個組合氣流能夠穿過靜電噴頭的電極支撐環(huán)，那么就能使霧滴沿著風(fēng)向噴灑下去，增大噴灑的有效面積，提高的噴灑效果。

圖3　擺動懸臂

在噴桿中間安裝塑料材質(zhì)的擋風(fēng)板，實(shí)際所受的合力作用使噴桿轉(zhuǎn)動起來。外力是存在的，不管是來自無人機(jī)旋翼下旋的風(fēng)力還是飛行中所受的阻力。因此，結(jié)合實(shí)際，設(shè)計(jì)了一塊擋風(fēng)板，固定在噴桿的中間位置，支撐座通過間隙配合與起落架水平圓管連接，利用內(nèi)側(cè)水平擋塊使懸臂保持水平。

1.2高壓靜電充電裝置

針對本設(shè)計(jì)基于AF-811的航空靜電噴霧系統(tǒng)，選用的是12V的航空專用電池，配套選擇了輸入電壓為12V的高壓靜電發(fā)生器，能產(chǎn)生4～10kV的高壓。其質(zhì)量較小，僅為260g，適用于小型無人機(jī)航空噴霧。由高壓靜電發(fā)生器后生成的高壓電，經(jīng)高壓導(dǎo)線輸送到靜電噴頭的金屬環(huán)電極處，導(dǎo)線與圓管狀電極接頭相連后插到電極處。

1.3流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)

考慮到噴霧系統(tǒng)中流量的實(shí)際變化曲率相對平緩，本流量控制系統(tǒng)采用調(diào)整電動比例控制閥的開度大小來實(shí)現(xiàn)噴霧系統(tǒng)的流量控制。

該流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的主要工作原理(見圖4)：通過微型水泵將藥箱里的藥液抽到噴霧管路中，在噴霧管路中接一條分流支路，分流支路中接1個節(jié)流閥和1個電動比例調(diào)節(jié)閥。節(jié)流閥可以手動調(diào)節(jié)支路的流量大小，電動比例調(diào)節(jié)閥可以通過無線遙控調(diào)節(jié)閥口開口的大小來調(diào)節(jié)支路的流量，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)。當(dāng)支路的閥口開的比較小也就是支路流量很小時，分流影響比較小，主干路的壓力和流量比較大，噴頭處噴出的霧滴量也就比較大；當(dāng)支路的閥口開的比較大，支路的分流效果就比較明顯，主干路的壓力和流量就比較小，從而噴頭處噴出的霧滴量也就比較小。此系統(tǒng)通過對支路流量的控制實(shí)現(xiàn)對整個噴霧系統(tǒng)流量的控制，其優(yōu)點(diǎn)就在于可以手動調(diào)節(jié)節(jié)流閥控制流量，也可以在無人機(jī)上通過無線遙控來控制流量的大??；同時，此系統(tǒng)也有體積小、輕便等優(yōu)點(diǎn)，便于在無人機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。圖5為流量控制裝置實(shí)物圖。

圖4　流量控制系統(tǒng)的示意圖

1.4遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)通過操作地面發(fā)射端，以無線電、紅外等方式可以傳輸?shù)孛婵刂菩盘?，將接收模塊接入到無人機(jī)的噴霧系統(tǒng)的控制箱中，保證接收模塊能準(zhǔn)確接收信號；并按照已經(jīng)設(shè)置好的程序作出相應(yīng)的反應(yīng)，并達(dá)到定點(diǎn)針對性施藥的目標(biāo)。通過設(shè)置多個接收端來接受不同的功能型號，以此實(shí)現(xiàn)噴霧系統(tǒng)的施藥工作，包括控制水泵的開閉、高壓靜電發(fā)生器的開閉及調(diào)節(jié)流量大小。例如：當(dāng)需要實(shí)施噴藥時，按下遙控器按鈕，發(fā)射對應(yīng)型號，打開水泵，系統(tǒng)開始噴藥；當(dāng)需要終止農(nóng)藥的噴灑時，再從地面發(fā)出相應(yīng)的關(guān)閉信號，停止噴霧系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.控制閥出口　2.止動片　3.控制閥進(jìn)口　4.電機(jī)螺桿

2航空噴灑試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)準(zhǔn)備

2014年4月下旬，將航空靜電噴霧系統(tǒng)安裝在AF-118無人機(jī)上，在西安進(jìn)行了有效噴幅、噴霧沉積效果方面的測試。試驗(yàn)所用噴灑裝置為改進(jìn)設(shè)計(jì)的圓錐管狀電極式航空靜電噴頭。試驗(yàn)分為兩組：一組是航空靜電噴嘴不帶電進(jìn)行航空噴灑，即常規(guī)航空噴霧；另一組為航空靜電噴嘴帶電噴灑。

試驗(yàn)設(shè)備包括：

①AF-811無人直升機(jī)；

②噴霧裝置(單噴嘴航空靜電噴頭、12V直流電源、高壓靜電發(fā)生器、藥箱、12V微型隔膜水泵、流量調(diào)節(jié)裝置、擺動噴桿)；

③黑色墨水、復(fù)印紙。

試驗(yàn)條件：

①環(huán)境溫度25℃；②風(fēng)力為1～2級；③無人機(jī)飛行高度為 3m；④飛行速度為5m/s；⑤選用靜電噴頭噴嘴直徑為0.9mm；⑥噴霧壓力為0.5MPa。

2.2有效噴幅的測試及分析

為了能夠比較準(zhǔn)確地測定與本套無人機(jī)靜電噴霧系統(tǒng)的有效噴幅，在水泥地面垂直于無人機(jī)飛行方向鋪設(shè)8m長的采樣復(fù)印紙[11-13]，如圖6所示。按上文所示測試條件重復(fù)測量兩次，同一架次進(jìn)行靜電噴霧與非靜電噴霧后，比較非靜電與靜電兩種情況下航空噴灑的有效噴幅，收集并記錄靶標(biāo)(復(fù)印紙)上的黑色霧滴沉積情況。根據(jù)GB/T17997-2008農(nóng)藥噴霧機(jī)(器)田間操作規(guī)程及噴灑質(zhì)量評定，采用超大容量噴霧防蟲或治病時，噴灑在作物上的霧滴粒徑數(shù)應(yīng)不少于10滴/cm2，以這一標(biāo)準(zhǔn)來衡量有效幅寬的范圍。

圖6　噴幅測試實(shí)驗(yàn)

2.3霧滴飄移的測試及分析

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，采集0～8m范圍內(nèi)復(fù)印紙上的沉積霧滴，分析得到霧滴的沉積效果。

如圖7所示，將每 -4～-3.75m，…，0，…，3.75～4m區(qū)間的霧滴沉積作為32個試片，通過觀察和計(jì)算可獲得該試片的平均霧滴數(shù)。

圖7　噴幅測試

圖8是無人機(jī)在飛行高度為3m時，非靜電噴灑和靜電噴灑情況下的霧滴在試片上平均霧滴數(shù)的記錄。霧滴沉積數(shù)可以得出大多數(shù)試片達(dá) 15滴 /cm2以上，只有少數(shù)小于10 /cm2；非靜電噴霧時達(dá)到的有效幅寬為 7m，而靜電噴霧時達(dá)到的有效幅寬為6.5m。非靜電噴霧相對于靜電噴霧時噴幅大，霧滴沉積數(shù)量少，說明霧滴的飄移嚴(yán)重些；靜電噴霧的噴幅相對較小，而霧滴數(shù)量卻明顯增多，說明了在相同用藥量的情況下，靜電噴霧更能發(fā)揮藥液的效能。

圖8　霧滴密度分布曲線

從圖8霧滴分布曲線可以看出：由于環(huán)境風(fēng)速的影響，霧滴會產(chǎn)生側(cè)向漂移，因此沉積結(jié)果并不是對稱分布的；但兩曲線中間偏右部分均比較平緩，沒有出現(xiàn)明顯的波峰和波谷，也說明了4個噴頭安裝位置相對合理。

從經(jīng)濟(jì)效益方面來看，AF-811無人直升機(jī)的作業(yè)航速約為5m/s，有效噴霧幅寬為6.5m，則作業(yè)面積為1 950m2/min。1 000m× 50m的一塊田，無人機(jī)的噴灑時間只需25min左右，作業(yè)效率為12hm2/h，而人工機(jī)械作業(yè)的效率為2hm2/h。相比較而言，無人機(jī)的作業(yè)效率是人工機(jī)械作業(yè)的6倍。

3結(jié)論

1)基于無人直升機(jī)AF-811設(shè)計(jì)的航空靜電噴霧系統(tǒng)包括專用藥箱、12V微型隔膜水泵、航空單噴嘴靜電噴頭及擺動懸臂(噴桿能實(shí)現(xiàn)折疊與轉(zhuǎn)動功能)；12V直流電源、12V的高壓靜電發(fā)生器；流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)(采用調(diào)整電動比例控制閥的開度大小方式實(shí)現(xiàn)了噴霧流量調(diào)節(jié))；遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)(采用無線電方式實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制功能)。

2)在靜電和非靜電條件下，在室外開展了無人機(jī)靜電噴霧系統(tǒng)有效噴幅和沉積效果的研究，結(jié)果表明：靜電相比非靜電噴霧時噴幅相對較小，而霧滴數(shù)量卻明顯增多，噴霧均勻性也較好，說明了在相同用藥量的情況下，靜電噴霧更能發(fā)揮藥液的效能；同時，根據(jù)無人機(jī)靜電噴霧作業(yè)速度5m/s和噴幅6.5m，得出其作業(yè)效率為12hm2/h，相比較而言，無人機(jī)的作業(yè)效率是人工機(jī)械作業(yè)的6倍，說明無人直升機(jī)靜電噴霧作業(yè)效率高。

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Research on UAV-based Aerial Electrostatic Spraying System

Jin Lan, Ru Yu

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China)

Abstract：It is wide foreground that aerial electrostatic spraying technology is applied for prevention and cure pests in agriculture and forestry.The electrostatic spraying system was designed for the AF-118 helicopter. The structural of spray system was designed, including: tank, pump, the swinging spray boom, the aerial electrostatic nozzle; 12V DC power supply, electrostatic generator; the flow control device and the special remote control system.Some experimental studies about aerial electrostatic spraying set were introduced and conducted on the electrostatic spraying system assembled in the AF-118 helicopter. These experiments included the effective spraying breadth, droplets deposition characteristics and so on. It was shown that the spraying system had several advantages such as flexibility, steady working, increased deposition and well-distributed.

Key words：control pest； unmanned aerial vehicle (UAV)； aerial spraying； electrostatic spraying

文章編號：1003-188X(2016)03-0227-04

中圖分類號：S252;S251

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：金蘭(1989-)，女，江蘇蘇州人，碩士研究生，(E-mail)joanna200889@126.com。通訊作者：茹煜(1973-)，女，南京人，副教授，博士，(E-mail)superchry@163.com。

基金項(xiàng)目：江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20131422)；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目(PAPD)

收稿日期：2015-03-04