智能型喷药装置的设计

张金波等

摘要：为消除传统喷药装置效率低、危害大的弊端，设计了一款智能喷药装置。介绍喷药装置的结构组成及工作原理，论述喷药过程及控制方法。该机可以最大程度提高工作效率、作业质量和作业安全性，是未来喷药机械发展的方向。

关键词：喷药装置；智能化；设计；信息采集

中图分类号：S491 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2015）01-0028-03

目前，我国的果园喷药机械和喷药技术相对落后，不仅作业效率低，而且劳动强度大、作业者所受危害大，农药利用率低且有大量残留。为消除这些弊端，采用喷药机器人进行病虫害防治是必然趋势。本文设计了一种智能喷药装置，用来替代现有的传统喷药设备。

1 智能喷药装置整体结构

喷药装置主要由机架、分水器、电磁阀、储药罐、吸药泵、电压调节箱、托板、主机、摄像头组成（如图1所示）。其中，主机固定在托板上，托板与转向机构相连接；可开式外壳通过螺栓固定在托盘上，且其正前端装有摄像头，便于捕捉信息；装置后端带有喷头。行走装置则由车轮组、减震器、驱动电机等组成。

2 喷药装置的组成及工作原理

智能喷药装置包括动力部分、控制部分、信息采集部分、转向部分以及喷药部分等，其组成及工作原理如图2所示。

2.1 喷药装置工作部分组成

喷药装置的工作部分即核心部分由输出电压为220 V直流发电机、控制主机、显示器、吸药泵、储药罐、分液器、喷药杆及一字排列的电磁阀等组成，其结构如图3所示。

2.1.1 发电机 发电机是装置的动力源，因此发电机的选择尤为重要。装置选用220 V直流发电机作为动力源，输出电压经电压调节箱稳压后，为其它工作部分提供安全稳定的电压。

2.1.2 控制主机与显示器 控制主机相当于人体的大脑，对机械的运行起着至关重要的作用。其控制指令依靠人工输入，并对传感器采集的信息进行处理。信息采集部分将采集到的地理数据传输给主机处理器，经主机数据处理模块处理后转换为可识别的信息输出到显示器上。

2.1.3 喷药控制部分 喷药控制部分主要负责喷药量的控制。吸药泵通过软管与储药罐引流管相连接，发电机为喷药泵提供电力驱动的动力，利用电磁阀控制喷头的开、关，并精确控制喷头的喷药量。

2.1.4 分液器 分液器带有增压装置和分组机构，对吸入其中的药液进行增压和分流。与储药罐相连接的吸药泵将药液吸入分液器，经分液器对药液进行加压后分流到各个喷头，并最终完成喷药作业。

2.1.5 喷药杆 喷药杆主要用于安装和支撑喷头，其尺寸直接决定喷药装置的工作效率。喷药杆分为3段，每两段之间通过铰接连接在一起，中间段固定在机架上。工作时，3段喷药杆展开呈一直线，其上安装的喷头可根据作物的行距进行调节。作业结束后，左右两段喷药杆可通过铰接点折叠并与中间段并排固定在机架上，节省空间。

2.2 驱动及行走部分

喷药机械的车轮以四驱式为基础进行设计，为保证车轮在作业时转向自如，使车轮具有良好的地面适应能力，每个车轮配备一个独立的驱动电机，并在车轮上端安装具有一定强度的刚性支撑架，使之与机架连接成一个完整的行走系统。喷药机械工作时遇到颠簸容易使小车丧失平衡，降低作业效率。为避免此现象，在方钢与7型车轮支撑架间装设减震器。当机械驶入凹凸地面时，减震器发挥缓冲减震作用，可保证小车具有稳定性，大幅提高工作效率。

2.3 转向机构

喷药机械采用折腰转向，如图4所示。通过改变两伸缩杆的伸缩长度，来推动或收缩转向部分，从而完成偏转转向。伸缩杆一端与从动部分横梁上的铰链相连接，另一端以销钉的连接方式与主动部分相连。从动部分与接触框架刚性连接，而主动部分的上端则与两对对称无自由度的自由式轮相接触，保证整体受力均匀。转向时，自由式轮起到支撑作用，避免造成头轻脚重的不良影响。

2.4 机架及外壳

外壳设计采用框架机构模型，框架成矩形，边角有倒角，以减少应力的集中。整体框架通过螺栓连接，方便拆卸。框架的侧面均安装透明的塑性玻璃，且均由合页连接，能够在平面开合，便于机械的安装与检修。整机前部透明玻璃开有圆孔，利于传感器采集信息；后面玻璃底端开有矩形长槽，有利于电磁阀与分水器连接，上表面则安装带有圆弧形状的白色端盖，以增加整机的散热性能。上端盖也能开合，方便添加药液和燃油。采用透明塑性材料的目的是减少机械的总质量，以及便于观察机械内部的工作情况。

2.5 信息采集系统

信息采集系统主要依靠固定在框架上端横梁正中间的传感器进行信息采集。外表面有开孔的透明玻璃，增加视野，便于清晰采集信号。传感器识别农作物并将捕捉到的信号传递给电脑主机，经电脑主机的PLC放大变换后，最终以电信号的方式输送给显示器，再由显示器执行相应的指令，根据作物的实际情况控制喷药量并最终完成药液喷洒作业。

3 喷药过程及控制

智能喷药装置作业时，左右两端的喷药杆由闭合状态变为展开状态，传感器自动捕捉农作物信号后将信号转化为电信号，由电脑主机发送指令，发电机将动力传输给4个驱动电机并驱动车轮转动行走。而喷药装置控制机构则根据主机输出的指令完成喷药作业。

传感器在采集信息时，可根据农作物颜色的深浅判断作物是否呈现病态并将信息传输给主机，再由主机的数据处理模块对采集到的数据进行处理，并由相应的位置发出指令，由分水器和电磁阀共同调节喷头的药量，完成喷药。

喷药时，喷头喷出散网状药雾，不但区域广，而且能喷洒到农作物的大多数枝叶。喷药结束后，分水器剩余的压力可将残余农药喷尽，并吸取清水洗涤喷头，起到节约资源、保护喷头的作用。

作业中需要转向时，由发电机提供动力并输送给安装在底盘的两个电动伸缩杆，控制折腰转向。向左转向时，右侧伸缩杆起到推动和增强（下转第32页）（上接第29页）底盘强度的作用，而左侧伸缩杆则起到拉动作用，两个伸缩杆相辅相成完成折腰转向；右转向时，各个转向部件工作方向相反。当喷药机直线行驶时，两侧伸缩杆只起到加强底盘强度的作用，并且保持直线行驶状态。

4 结语

喷药机械设备的智能化是未来农业喷药作业的发展趋势，因此，开发出具有自主知识产权的智能化喷药设备，对推动现代农业进步具有重要的现实意义。

参考文献

[1] 孙雪，宋朋，姚名晖.果园喷药机器人的创新设计[J].安徽农业科学，2013（30）：12 204-12 206.

[2] 汤修映，张铁中.果蔬收获机器人研究综述[J].机器人，2005，27（1）：95-96.

[3] 邹大军，张建军，谢守勇.蓝莓喷药机器人行走机构设计[J].农机化研究，2009（10）：102-104.

Abstract：In order to avoid low efficiency and serious harm of traditional spraying equipment， a intelligent spraying equipment was designed. The structural composition and working principle of intelligent spraying equipment were introduced， the spraying process and control method of its were discussed. This equipment can furthest improve working efficiency， working quality and working operation safety， intelligentize will be development direction for spraying equipment in the future.

Key words： spraying equipment； intelligentize； design； information collection