林木育苗农药精准喷洒装置的设计研究

蒋顺勇， 邵双驹， 谢银楚， 仝缘圆， 林文树

(东北林业大学工程技术学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

随着我国生态环境保护和生态治理工程不断深化[1]，国家对林木培育也越来越重视，发展现代林木育苗技术对提高林木育苗综合水平具有重要意义。在林木育苗过程中，为防止苗木受到病虫害影响，农药喷洒是重要的一环。但是，过量喷洒会造成烧苗[2]，少喷则达不到效果，对病情严重区则需要加大喷洒剂量，生长良好区则需要减少喷洒量，然而在林木育苗管理的过程中，苗木的病害区域分布是随机的，很难做到农药的精准喷洒。

现行的林木育苗农药喷洒，大多依赖人工，作业方式简单，而且控制农药喷洒剂量全部靠人工经验判断，常常会出现喷洒不均匀[3-4]、多喷或少喷等现象，难以精确控制喷洒剂量。同时，大多数喷洒装置只是单一的实现喷洒而不具备精准喷洒和流量控制等功能，农药喷洒效果差、效率低、精度差，大大降低作业效率，造成了资源的浪费，也会对环境造成一定影响。为了提高林木育苗农药喷洒作业效率以及保证喷洒的精确性，需要对现有林木育苗农药喷洒装置进行研究设计并优化。因此如何实现精准喷洒以及进行流量控制是目前存在的一个难题，解决此问题对于提高我国林木育苗管理水平具有重要意义。

目前国内外均有林木育苗过程中农药喷洒装置的相关研究，国外发达国家的农药喷洒基本由机械完成，较为传统的喷药方式将水和农药事先按比例配制好装入药箱，通过压力泵传送至执行机构实施喷雾。这种方法具有自动化程度高、节约人力成本等优点，缺点是没有考虑病虫草害分布差异，无差别均匀施药很容易造成农药浪费和环境污染。德国波恩大学农业机械研究所设计了一种喷嘴直接注入式农药喷洒系统，可以实现农药和水分离存放，两者通过混合腔在喷洒时均匀混合，避免了农药浪费，也减少了操作人员与农药的接触时间[5]。我国在喷洒装置方面也取得了一定的成果，例如重庆大学机械工程学院研制了一种耗水量小，扩散角度大、水流均匀且连续分布的新型喷洒装置。该喷洒装置具有能耗小、性能稳定、结构简单，使用寿命长等优点。国家农业信息化工程技术研究中心研发了一种农药喷洒靶标输送装置[7-8]，为了提高系统的稳定性在该装置的自动控制系统中采用了PLC与变频控制技术相结合的控制方式。通过大量的实验发现该装置具有较高的控制精度能够满足农药的自动化喷雾要求。昆明理工大学针对圆形喷洒域喷头导致漏喷、水量重叠和界外喷洒的突出问题，研制了一种适用于无风环境的方形喷洒域喷灌装置[9]，以提高农药喷洒均匀度和利用效率。

通过对比国内外农药相关喷洒装置的研究，本文基于SolidWorks 2020和AutoCAD 2016等计算机辅助设计软件，采用STM32单片机进行控制，设计了一款林木育苗农药精准喷洒装置。STM32单片机通过输出不同占空比的PWM信号控制喷洒装置在固定平台下方的三维空间内进行精准的旋转，可实现立体喷洒农药。喷洒装置的流量控制机构在STM32的控制下，能精准控制流体流量，该机构配合研究设计的圆锥形喷头能控制喷洒的范围和喷洒的药量，可提高农药利用率，减少农药使用量，减小环境污染[10]，提高我国精细化林木育苗管理水平。

1 整体结构方案设计

为了适应不同林木育苗的作业需求，解决林木育苗过程中的喷洒精度低、喷洒效果差以及不能调控流量大小等问题，实现对林业苗木管理中农药的精准喷洒，提供以下喷洒装置系统设计，如图1所示。

该喷洒装置的总体结构示意图如图2所示，包括固定平台、高精度转向机构、喷头组件和STM32控制模块，其中高精度转向机构位于固定平台下方，喷头组件安装在转向机构上。固定平台由滑轨、滑台组成，起固定和控制机构运动的作用。林木育苗农药精准喷洒装置可用于林木苗圃农药喷洒，为提高林木育苗的精细化管理水平，设置高精度转向机构，可对林木苗圃区域的苗木进行点对点瞄准，喷头组件内置的流量控制机构可针对林木苗圃具体不同情况控制农药喷洒剂量，喷头组件和高精度转向机构相互配合，可实现对林木苗圃的农药精准喷洒。

图1 喷洒装置系统设计

图2 喷洒装置总体设计图1.滑轨；2.主云台舵机；3.U型悬架；4.次云台舵机；5.进水口；6.高压储水室；7.单轴舵机；8.电动滑阀；9.混合室；10.出水口；11.STM32控制模块；12.滑台

2 关键结构设计

2.1 控制模块设计

本研究设计基于STM32单片机对喷洒装置进行控制，设计采用STM32F103C8T6单片机作为控制器，单片机引脚图如图3所示，负责整个喷洒装置的信号处理和协调控制功能，与关联设备共同实现精准转向[11]、流量控制以及流量调节。

控制系统包括电源模块、DS3115单轴舵机、RDS3115双轴舵机以及STM32F103C8T6单片机等。本装置选用的电源模块为5 V/2 A恒压电源，选用的单轴与双轴舵机控制精度为3 μs，可转动角度为270°，5 V时扭矩为1.5 N·m，具有控制精度高，线性度好，响应速度快，扭矩大等优点。STM32单片机通过发出不同占空比的PWM信号控制舵机轴的转动角度，实现喷头精准转动以及流量控制。

主云台舵机采用DS3115单轴舵机、次云台舵机采用RDS3115双轴舵机，流量控制机构的舵机采用DS3115单轴舵机。控制系统结构如图4所示，STM32单片机产生频率200 Hz、脉冲宽度1 620 μs的PWM信号控制主云台舵机、次云台舵机转动不同角度，可使喷头精确瞄准林木苗圃，实现立体喷洒和点对点精准喷洒。单片机输出的PWM信号可调节流量控制机构的单轴舵机转动，进而带动电动滑阀中心轴进给，从而控制喷洒流量。

2.2 高精度转向机构设计

高精度转向结构是喷洒装置的关键部件，转向机构的精准旋转是实现精准喷洒的前提。通过控制高精度转向机构对需要进行喷洒的区域进行点对点的瞄准，保证其精准喷洒的能力。

高精度转向机构设计如图5所示，由悬架和主次云台舵机组成，主云台舵机为单轴舵机，次云台舵机为双轴舵机，其中主云台舵机安装在U型悬架上方，可使U型悬架带动喷洒装置在水平面内进行360°精确旋转；次云台舵机位于U型悬架下方，次云台舵机双轴与U型悬架两吊耳相连接，在次云台舵机带动下，可使喷洒装置在竖直面内进行360°精确旋转。次云台舵机下端与高压储水室连接。

高精度转向机构工作流程如图6所示，机构有两个自由度，分别是主云台舵机在水平面内的旋转和次云台舵机在竖直面上的旋转，同时控制主云台舵机和次云台舵机，可实现喷头组件在水平和竖直方向的高精度旋转转向，实现精准喷洒。

高精度转向机构的主次云台舵机正交分布，其中主云台舵机转轴在竖直方向，次云台舵机转轴位于水平方向。同时控制主次云台舵机转动的角度，能够实现喷头组件在水平和竖直方向的高精度旋转转向，对需要喷洒的苗圃中苗木进行高精度瞄准，保障其精准喷洒的能力。

图3 STM32F103C8T6单片机引脚图

图4 控制系统结构图

图5 高精度转向机构设计图

图6 高精度转向机构工作流程图

2.3 喷头组件的设计

喷头组件是本装置的另一个关键部件，精准喷洒装置通过喷头组件对林木苗圃进行农药喷洒，通过内置的流量控制机构控制流量，实现精准喷洒。

喷头组件由进水口、高压储水室、流量控制机构、混合室和出水口组成，喷头组件通过转轴与转向机构相连接，高压储水室位于转轴下方，其中高压储水室的右侧为进水口，进水口与外部相连；高压储水室下方为流量控制机构，其中流量控制机构由单轴舵机，电动滑阀组成，通过单轴舵机来控制电动滑阀，能够精确控制流量以及压力大小；混合室位于流量控制机构下，下接出水口。

高精度转向机构带动喷头组件能对需要喷洒的林木进行高精度瞄准，流量控制机构在单轴舵机的带动下能够精确控制流量大小，实现对林木的精准喷洒。

2.3.1 流量控制机构设计

流量控制机构是本装置的一个主要部件，通过流量控制机构可调节控制流量大小，精确控制喷洒剂量，保障精细化育苗能力。

流量控制机构如图7所示，由单轴舵机，电动滑阀组成，通过单轴舵机来控制电动滑阀，调节流量大小以及控制混合室压力大小，其中电动滑阀由阀体、阀芯、电动滑阀进水口和电动滑阀出水口组成，阀芯安装在阀体内部，阀芯左侧通过弹簧与阀体相接，阀芯右侧贯穿阀体通过齿条与单轴舵机相连接；阀体上下两侧开口，一侧为电动滑阀进水口，一侧为电动滑阀出水口。所述阀芯由中心轴、大橡胶轮和小橡胶轮组成，大橡胶轮和小橡胶轮位于中心轴上，其中小橡胶轮安装在中心轴的左端，大橡胶轮位于中心轴的中部，位于出水口处；大橡胶轮和小橡胶轮与阀体紧密相接，通过单轴舵机转动，大橡胶轮进给可控制电动滑阀出水口的大小，实现对流量的控制和压力大小的调控。

图7 电动滑阀结构示意图1.弹簧；2.小橡胶轮；3.大橡胶轮；4.阀体；5.中心轴

2.3.2 喷嘴的选型设计

喷嘴是本装置的关键部件，其原理是利用喷嘴内孔面积的变化使高压水聚集起来，并转化成动能再以高速射流的形式喷出，从而实现对林木苗圃的喷洒喷灌。根据喷雾效果、喷雾粒径和喷嘴用途设计了三种不同类型的喷嘴，喷嘴类型图如图8所示。

图8 喷嘴类型图

图8(a)为扇形喷嘴，是林木灌溉常用的一种喷嘴，具有流量范围宽、雾角幅度大的特点[12]，扇形喷嘴产生的水射流平坦均匀、致密性好[13]、水流射速大，常用于强冲击的清洗应用。图8(b)为圆柱喷嘴，作为最常用的连续射流喷嘴，是在圆锥收敛形喷嘴的基础上衍变出来的实心流喷嘴，当高压水进入喷头时，首先产生收缩，而后逐渐扩大以致充满整个喷头而出流[14]，圆柱形喷嘴因其加工制造方便、射流特性较好，被广泛应用于高压水射流工业[15]。图8(c)为圆锥形喷嘴，圆锥形喷嘴其主要就是把液体散开，达到液体雾化开的效果，能产生实心锥形喷雾形状，喷射区域呈圆形。圆锥形喷嘴以结构简单、射流对中性好及打击力集中等优点著称[16]，雾化效果好。

对比三种喷嘴，扇形喷嘴射流打击力度大，喷雾为扇形，在林木育苗领域，扇形喷雾面积过小，影响作业效率。圆柱喷嘴射流集中，能量密度大，不适合林木育苗的喷洒作业。圆锥形喷嘴在实现基本喷洒的同时，又有较好的雾化喷洒效果，并且结构简单，射流对中性好，打击力集中，很好的满足精准喷洒要求。综合考虑林木育苗喷洒装置的应用场景，以及三种喷嘴的结构特点，最终决定采用圆锥形喷嘴为本装置的喷嘴。

3 工作原理

喷洒装置工作原理如图9所示，工作人员可控制喷头在滑轨上移动，通过单片机操控主云台舵机、次云台舵机，针对不同场景、不同需求的小区域苗木进行精准瞄准，带动喷头组件同时在水平和竖直两个平面内旋转，能够实现喷头组件在水平和竖直方向的高精度旋转转向，实现精准喷洒；单片机输出的PWM信号可调节流量控制机构的单轴舵机转动，进而带动电动滑阀中心轴进给，从而控制喷洒流量。当需要对苗木病情严重区进行喷洒农药时，工作人员可操控主次云台舵机旋转转向，将喷头对准病情严重区进行精准喷洒，并操控单轴舵机控制电动滑阀，加大喷洒流量，增强喷洒效果；当遇到病情良好区时，则减少喷洒流量，避免因农药喷洒过量造成烧苗。

图9 喷洒装置工作原理图

4 实施方法

该喷洒装置的固定平台可安装在温室大棚，露天苗圃或林业喷洒车等装备上，喷洒装置的进水口接外部药管，工作人员可接高压、低压药管对高压储水室进行供给农药。高压储水室具有一定的缓冲作用，避免因外部液压变化导致喷头流量突然变化，影响喷洒效果。流量控制机构可根据液体压力的变化，调节流量大小，当液体压力过高时，STM32单片机控制单轴舵机，推动电动滑阀减少电动滑阀出水口大小，避免混合室水压过高影响喷洒效果。当液体压力过低时，STM32单片机控制单轴舵机工作，推动大橡胶轮移动，增大电动滑阀出水口大小，增大流量，快速补给混合室的流量，避免影响喷洒效果。当液体压力不稳定时，工作人员可根据具体情况控制单轴舵机对流量进行调节，也可根据实际工作需要，对流量进行调节。本装置的高精度转向机构可根据具体情况，对苗木进行精准喷洒，工作人员可操控主云台舵机、次云台舵机，调节主云台舵机、次云台舵机的工作角度，喷头组件则可以在固定平台下方进行上下左右自由转动，可对苗木实施精准喷洒。

5 总结与展望

林木育苗农药精准喷洒装置通过滑轨移动和高精度转向机构可实现喷头覆盖区域内的高精度喷洒，精度高、效率高。本装置的主次云台舵机，可智能调控转向角度，稳定性高，可靠性强；本装置的流量调控机构，可调控流量大小，提高雾化程度，机动调节喷洒范围，可针对不同喷洒要求进行流量调节，避免过多或过少的喷洒，造成对育苗的不可逆影响，做到节约资源和增强喷洒效果。本装置基于STM32单片机实现了高精度喷洒和调控喷洒流量等功能，对于提高我国林业育苗技术管理水平提供参考。

本文研究了林木育苗农药精准喷洒装置的机械结构部分和STM32控制模块部分，其未来应向智能化、数字化、高效、安全、低污染方向发展。通过传感器和机器视觉装置来快速、准确地采集林木苗圃信息，有效地监测苗圃，对采集到的图像处理，抽取有用的信息并将其输出。其结果可供技术人员观察，并且传输给装置的控制系统，完成智能化作业。未来农药喷洒装置还将对针对不同场景进行变浓度调节，降低农药的使用量，减少对环境的污染，逐步向绿色喷洒迈进。此外，本喷洒装置也适用于林木育苗日常管理中苗木水的喷洒。