基于设施葡萄的病害喷药装置设计

西北农林科技大学1绪论1.1设计背景及意义中国目前位列全球葡萄生产和消费的前列，葡萄产业已成为推动多地区农业发展的关键产业，对乡村振兴及精准扶贫计划有着显著的贡献。尽管中国的葡萄种植面积全球领先，但主要由家庭农户负责，种植模式分散，缺少组织化管理，难以获得先进技术支持。大量农户仍采用传统的管理方法，未能实现生产的规模化或形成具有地方特色的葡萄品牌，导致葡萄易受恶劣天气和病虫害影响，进而影响产量和品质。当前，国内葡萄病虫害的防治主要依赖化学农药，尽管我国在农药生产技术上已达到国际先进水平，但施药技术和工具的应用却大幅落后，导致农药的利用效率低下，施药效果不理想。这不仅导致农产品中农药残留问题，还引发了环境污染和操作安全风险。据估计，农药的实际利用率不足30%，流失率高达60%至70%。目前的做法是针对多种病虫害同时发生的情况下，采用混合多种农药一次性喷施，这种方法不但增加了土壤和环境的污染，也提高了生产成本，影响了葡萄的品质。落后的施药技术限制了农药的有效应用，增加了施药频次和用量，导致了农药残留和环境污染问题的加剧。为了解决低农药利用率和无法针对特定病害施药的问题，本文设计了一种葡萄园变量喷药装置。通过图像技术收集果园病害信息，指导喷药装置进行精准和变量化施药，不仅能降低农药使用量，还能根据果园病害的实际情况进行有针对性的治疗，从而降低生产成本，提升农业经济效益。同时，该装置的应用有助于减少农药对环境的污染，推动果园机械化装备的自动化发展，为国内变量喷药技术的实际应用提供了理论和技术基础。1.2国内外研究现状国际上对变量喷施技术的研究始于20世纪70年代，这项技术通过调整喷头压力、在一定压力下变化流量，以及采用脉冲宽度调制的方式，实现精确控制农药的施用量，其核心优势在于显著减少农药的使用。众多国内外学者对这一技术的发展潜力和实践应用前景持续关注，尤其在美国、法国、日本等农业技术发展先进国家，已广泛开展这一技术的研究、开发及应用设计工作，标志着变量喷雾技术正成为高新技术研究与应用的关键环节。通过长期的研究探索，变量喷施技术已经主要演化为两大类：一是基于机器视觉的技术，二是基于传感器的技术，展示了其在现代农业中的广泛应用潜力。1.2.1基于机器视觉的变量喷施在果园病虫害防治方面，RittnerT(2018)现状显示，农业发达国家如日本和美国已经在使用智能化果树喷药机器人，这些机器人能够远程控制，有效分离人体与农药，减少对人体的危害并节省劳动力。这些机器人搭载了变量喷药系统，可以根据果树的生物特征参数调控施药量，实现精准喷药。陈丽娟（2009）针对春季玉米田的穴播模式，开发了一个基于机器视觉的穴间变量喷雾控制系统。通过自动取阈值方法实现了对绿色作物与背景的有效分离，并提出了一种依据作物株心位置特征，将田间分为过度个体区块的新策略。基于这些株心位置，系统对喷雾区域进行划分并执行像素级的统计分析以判别杂草区块，进而通过计算机并行接口控制电磁阀进行精准喷雾。实验显示，该系统能以87.7%的准确率实时检测杂草区块，并将喷雾精度控制在55mm以内，证明了所提出的图像处理算法及系统匹配模型的有效性与准确性。然而，机动车辆行进速度的稳定性及其直线行驶的精确性，对系统定位的精度和杂草区块判别的准确性有显著影响。党满意（2021）使用树莓派作为控制核心，设计了一个基于机器视觉的马铃薯晚疫病检测与变量喷药装置。研究通过图像处理技术，从病斑的形状、颜色和纹理三个维度构建了马铃薯晚疫病的分级模型，该模型在识别病斑的早期、中期和晚期阶段时，平均准确率超过86%。基于这一模型，研究进一步建立了一种脉冲宽度调制（PWM）控制下的喷药流量控制模型，通过田间移动试验和喷药效果测试，验证了该装置能够有效满足田间变量喷施的作业需求。ZaidnerG（2016）结合了机电一体化、LiDAR、多传感器、自动控制等先进技术，以提高植保设备对农作物精准高效的施药要求。1.2.2基于传感器技术的变量喷施国外研究方面，Robotics(2016)探讨了RNAi技术在植物病虫害防控领域的应用，包括通过转基因植物（HIGS）、病毒或微生物递送（VIGS）、喷洒型RNA农药（SIGS）和纳米载体递送（NDGS）等四种途径。这些技术具有靶向性高、易降解、靶点丰富等优势，但也面临合成成本、保护剂和载体制备工艺、生物安全性评估等挑战。在美国，一家公司成功开发了名为WeedSeeker的喷雾系统，该系统由叶绿素光学传感器、控制电路，以及包含喷嘴和电磁阀的阀体组成。此传感器利用770纳米的近红外光和656纳米的红光来识别土壤背景中的杂草。系统的关键部件为phD600型阀体，当传感器侦测到植物叶绿素并判断存在杂草时，便激活喷头向目标喷射除草剂。WeedSeeker喷雾系统已被安装在多种喷洒设备上，用于除草作业，如行间、沟边和道路两侧，能够减少60%-80%的农药使用。美国FMC公司为果园喷雾机配备了计算机控制系统，通过超声波传感器捕捉果树的形态，实现根据果树形状变化自动调整农药喷雾量，从而达到自动化变量喷药。该技术已在印第安纳州中部的果园得到应用，该地区因病虫害情况及生态条件多样，80%的农户采用精准喷药技术后，农药使用量大幅下降至原有的10%，每公顷收益增加了50美元。李为（2014）基于嵌入式Linux平台，利用传感器和风送喷雾技术，开发了一款基于超声波传感器的定向喷雾机器人。该设备能实时监控喷雾压力、流量、车速和果树冠层等信息，通过模糊控制理论，将传感器反馈的数据转换为精确的喷药量。试验结果显示，系统在车速变化时能自动调整喷药量，最大误差为10.15%，最小误差为3.08%，证明了其通过监测并计算速度和流量数据来调整电动球阀的开度，以变化喷药量的有效性。综上所述，现行的变量喷施技术主要依据植被冠层信息或存在的病虫害情况来执行作业，虽然在一定程度上实现了精准和变量喷药，降低了农业生产成本，但这些技术未能充分考虑病害分级信息，且在面对多种病虫害共存时，无法实施针对性治疗。因此，开发一种能针对具体病害实施喷施的变量喷施装置，对减少农药使用、提高农业生产效率具有重要的现实意义。1.3研究内容本研究的核心目标是开发一款适应设施葡萄园病害防治需求的自动化喷药装置，研究，研究内容如下（1）从设计背景与意义的探讨，到国内外现有技术的调研分析，旨在明确行业发展现状，并识别创新点和改进空间。（2）深入农艺需求分析，确立技术参数和设计原则，确保喷药装置能够满足葡萄作物特性、精准施药、地形适应性、作物保护和喷洒均匀性等关键需求。（3）将对行走机构、动力系统、喷药装置等关键部件进行详细设计，以实现高效、稳定和安全的喷药作业。（4）对全文进行了总结，对未来研究进行了展望。1.4技术路线本研究的技术路线始于市场调研与需求分析，继而深入理论研究与技术储备，随后进入设计构思与方案制定阶段，对关键技术进行研究，并开展详细设计与仿真分析，确保装置的高效性和稳定性，形成一个从理论到实践、从设计到市场的完整研究流程。2基于设施葡萄的病害喷药装置总体设计2基于设施葡萄的病害喷药装置总体设计2.1农艺需求2.1.1作物特性适应性葡萄树作为多年生的藤本植物，其生长特性对喷药装置的设计提出了特定的要求。首先，葡萄树的行间距通常为3000mm，相邻植株间的距离为1500mm，这些数据决定了喷药装置的宽度和喷药覆盖范围。其次，树冠的总宽度大约为1000mm，这要求喷药装置能够覆盖整个树冠，以确保药物能够均匀喷洒到每一片叶子上。再者，葡萄树树根部分距离地面的高度约为500mm，而树叶所能覆盖的高度为1200mm，这意味着喷药装置的高度需要在这两个数据之间，以适应葡萄树的生长高度，确保药物能够覆盖到树根至树冠的整个区域。2.1.2精准施药精准施药是现代农业的一个重要发展方向，它不仅可以提高农药的使用效率，减少农药的浪费，还能有效降低农药对环境的污染。因此，葡萄果园喷药装置需要具备精准施药的能力。这包括能够对葡萄树进行精确识别，确定其位置和需要喷药的区域，以及能够根据葡萄树的生长状况和病虫害发生情况，调整喷药量和喷药频率。2.1.3适应不同地形葡萄园的地形可能因地理位置、土壤类型和耕作方式的不同而有所差异。喷药装置需要能够适应不同的地形条件，包括平坦的耕地、有坡度的丘陵地带，甚至是石质较多的山地。这要求喷药装置的行走机构具有良好的通过性和稳定性，能够在不同的地形条件下稳定运行，保证喷药作业的连续性和均匀性。2.1.4作物保护在喷药过程中，除了要保证药物能够均匀覆盖到葡萄树的各个部位，还需要考虑到对葡萄树的保护。喷药装置在设计时，应考虑到喷药过程中可能对葡萄树造成的物理损伤，尤其是对幼嫩的树叶和果实的保护。此外，喷药装置的喷头设计应避免对葡萄树造成刮擦或撞击，确保喷药过程的安全性。2.1.5农药喷洒均匀性农药喷洒的均匀性直接影响到病虫害防治的效果。喷药装置需要能够保证农药在葡萄树上的均匀分布，避免局部药物过量或不足。这要求喷药装置的喷头设计要合理，喷药压力和喷药量要能够根据葡萄树的生长状况和病虫害发生情况进行调整，以达到最佳的喷洒效果。2.2技术要求2.2.1尺寸设计喷药装置的尺寸设计需要充分考虑葡萄树的生长特性和葡萄园的作业空间。装置的外形尺寸为1155mm×580mm×680mm（长×宽×高），这一尺寸既能够适应葡萄树的行间距和植株间距，又能够保证装置在葡萄园中的通过性。喷头距离地面的高度为620mm，这一高度既能够覆盖到葡萄树的整个生长区域，又能够避免对地面造成不必要的污染。2.2.2行走机构行走机构是喷药装置移动的基础，其设计需要考虑到装置的稳定性、通过性和移动效率。四轮式的轮式行走机构能够提供稳定的支撑和良好的通过性，前轮驱动的设计则能够保证装置在移动过程中的稳定性和灵活性。此外，行走机构的设计还需要考虑到装置的重量分布和载荷，以避免对机架产生过大的集中载荷，影响装置的使用寿命。2.2.3动力系统动力系统是喷药装置正常运行的关键。电动机作为动力源，需要提供足够的动力来驱动行走装置和喷药装置。电动机的选择应考虑到其功率、扭矩、效率和耐用性，以满足喷药装置在不同工作条件下的动力需求。同时，动力系统的设计与安装也需要考虑到装置的整体布局和重量分布，以保证装置的稳定性和运行效率。2.2.4喷药装置喷药装置是实现农药喷洒的关键部件，其设计需要考虑到喷药的均匀性、效率和安全性。喷头的设计应保证农药能够均匀喷洒到葡萄树的各个部位，同时避免对葡萄树造成损伤。喷药装置的运动控制需要与行走机构和控制系统紧密配合，以实现喷药作业的自动化和智能化。此外，喷药装置的设计还需要考虑到农药的种类、浓度和喷洒量，以适应不同的病虫害防治需求。2.2.5安全性设计安全性是喷药装置设计的重要考虑因素。在喷药过程中，需要考虑到操作人员的安全防护，避免农药对人体造成伤害。此外，喷药装置在运行过程中可能会遇到各种意外情况，如碰撞、翻倒等，因此需要设计相应的安全防护措施，如紧急停止按钮、防撞装置等，以确保喷药作业的安全性。2.3总体设计原理本次设计的葡萄果园喷药装置如图2.1所示，主要由喷药装置、药箱、识别装置、行走装置、电动机及控制系统等组成。为了避免药箱、电动机等装置过于集中，对机架产生集中载荷，影响机具使用寿命，故本次设计的葡萄果园用喷药装置采用前轮驱动的方式。在整体布局上，喷药装置和电动机安装在机架的前半段，药箱安装在车架的后半段。根据文献[8]可知，标准化葡萄园行间距为3000mm，相邻植株之间的距离为1500mm，树冠总宽度大小为1000mm左右。葡萄树树根部分距离葡萄园地面距离大致为500mm，葡萄树树叶所能覆盖的高度为1200mm。因此，本次设计的葡萄果园喷药装置外形尺寸为1155mm×580mm×680mm（长×宽×高），喷头距离地面的高度为620mm。葡萄果园喷药装置在工作过程中，电动机输出动力，传递给行走装置和喷药装置。行走装置实现葡萄果园喷药装置的运动，到达指定位置后，摄像头对果园环境进行摄像，并将拍下的图片发送给微控制器，微控制器对照片信息进行处理，对需要喷药的位置进行标定，并发出指令控制喷药装置调整喷药角度。待喷药装置完成角度调整后，药泵启动，开始喷药作业。完成喷药后，关闭药泵，微控制器发出指令，葡萄果园喷药装置继续向前前进，进行下一环节的喷药工作。1.车架2.喷药装置3.药管4.上药口5.识别装置6.药箱7.电动机8.行走装置图2.1基于设施葡萄的病害喷药装置总体结构2.4关键机构的确定2.4.1行走方式确定葡萄果园喷药装置的移动执行机制，即行走机构，根据特定的作业需求驱动装置进行移动。存在多种行走机制，如橡胶轮式、履带式、步行式、混合式及蠕动式，各适用于特定场景。轮式行走机构利用轮子推进，特点包括稳定的移动、低能量消耗、快速运行及简化的控制。履带式机构，适合在泥土等柔软地面上使用，由导向轮、张紧装置和履带架组成，依靠多功能轮的配合推动履带旋转以驱动机械前进。步行式机构模拟动物行走，依赖脚部关节实现移动，优势在于较低的对环境的依赖性，适用于不平整地面，甚至能够应对爬坡和楼梯，适合于地形复杂的勘探、军事侦查和星球探测等场合。考虑到成本、简便性和实用性，本设计最终决定采用四轮式的轮式行走机构，配置为前两轮和后两轮的布局方式。2.4.2对靶方案确定在自动喷药系统中，测量喷杆与葡萄之间的距离是实现精确施药的关键步骤之一。为此，选择适当的测距模块至关重要。目前，葡萄信息的检测方法主要分为以下几类：（1）使用摄像头进行检测。在此设计中，目标作物为葡萄，只需对其在指定区域内静止时的图像进行采集，而不需追踪其移动轨迹。考虑到操作空间的限制，标准的相机组件便能够满足检测葡萄的需求。（2）使用红外传感器进行检测。红外传感器发射的光波长度与可见光相近，可能会在检测过程中遇到信号干扰问题。尽管如此，红外传感器的检测速度快，且精度较高。总的来说，摄像头因其较小的环境干扰敏感性和更低的成本而相对于红外传感器具有优势。综合考量成本和应用场景后，本研究决定选用树莓派广角摄像头作为检测组件。图2.2树莓派广角摄像头表2.1树莓派广角摄像头参数参数名称技术规格名称树毒派广角摄像头像素500万像素感光芯片OV5647静态图片分辨率2592×1944尺寸25mm×24mm×9mm拍摄角度65度支持类型1080p30，720p60以及640×480p60/90录像2.5本章小结本章对设施葡萄病害喷药装置的总体设计进行了全面阐述，涵盖了作物特性适应性、精准施药、地形适应性、作物保护和喷洒均匀性等农艺需求，以及尺寸设计、行走机构、动力系统、喷药装置和安全性设计等技术要求。通过明确设计原理和确定关键机构，本章为构建高效、精准且安全的葡萄园喷药系统奠定了坚实基础。4基于设施葡萄的病害喷药装置动力系统设计3基于设施葡萄的病毒喷药装置关键部件设计设施葡萄的病毒喷药装置关键部件包括机架、喷药装置、喷药控制部件以及动力系统，本章将重点对这些方面进行分析。3.1机架设计机架充当了葡萄果园喷药装置中的核心支撑构件，是设备整体架构的基本组成部分，由1350mm×1350mm×80mm规格的方形钢管焊接制成。为了确保药箱和喷药部件在设备静止不工作时的稳定性，机架的药箱两侧加装了焊接固定挡板，这是为了防止药箱在移动过程中因惯性作用而脱落。整个系统的各个部件都与机架连接，机架的结构稳定性对于设备的正常运作至关重要。葡萄果园喷药装置的机架设计是通过SolidWorks软件完成的，其三维结构如图3.1所示。图3.1主机架3.2喷药装置设计喷药装置的组成包括喷头、隔膜泵、药箱、涡轮流量传感器以及智能流量控制器。精确的设计确保了施药的准确性。在开始喷药过程时，通过设置智能流量控制器以调整所需的药液流量，涡轮流量传感器则负责监测并调节流经的药液量，以确保其达到预设值。药液管道入口处装有过滤器，用于去除药液中的杂质。隔膜泵启动并工作时，会将过滤后的药液增压，然后从药箱中推送至管道，并通过管道输送至喷头，最终由喷头将药液喷射出去。通过智能流量控制器和涡轮流量传感器的配合使用，可以对每个分支的药液流量进行精确控制，实现了喷药装置的精准施药功能。药液管路图如图3.2所示。1.药箱2.过滤器3.智能流量控制仪4.压力传感器5.涡轮流量传感器6.电动隔膜泵7.喷头图3.2喷雾系统的药液管路图3.2.1喷头选型喷头是喷药装置中的核心部件，负责将药液雾化并均匀喷洒至目标区域，对于喷雾作业的效果具有显著影响。根据喷雾的形态，喷头主要分为椭圆形、圆锥形和扇形三种类型。为确保高效的植保操作，选择与作物匹配的喷头类型至关重要，这有助于实现植保作业的最优效果。扇形喷头产生的是扇面形状的喷雾，该形状能够保持喷雾的集中度，不会向外过度扩散，确保喷雾下垂、分布均匀，具有较强的通用性和高效的利用率。因其广泛的适用性和高效率，在植保机械中得到了广泛应用。因此，选择扇形喷头作为喷药装置的喷头是出于其广泛的适应性和高效的药液利用效率。（1）喷雾角扇形喷头产生的喷雾具有一个特定的覆盖角度，被称为喷雾角。为确保喷出的雾滴能够完全覆盖目标区域，喷雾所形成的扇面在接触目标时需要适当重叠。然而，这种重叠不能过度，否则会导致药液在某些区域重复喷洒，从而引起药液的浪费。喷头布局与其相互间的位置关系对于达到这一目的至关重要，如图3.3所示，通过合理的喷头配置和调整，可以实现有效的喷雾覆盖，同时避免药液的过度使用。图3.3喷头的位置关系为了避免在喷雾过程中喷药装置与葡萄植株产生直接接触，从而防止对葡萄树枝和果实造成损害，喷头设计需考虑其与葡萄植株的空间距离。具体而言，喷头距离葡萄植株的左右两侧的距离应维持在约300mm，而两个喷头之间的间隔约为550mm。葡萄植株的平均高度为1200mm，其最低部叶片至地面的高度约为500mm。喷药操作实际高度定为500mm。为确保药液能够完全覆盖植株，两个相邻喷头喷出的雾流在接触植株时需要有适当的重叠部分，即图示中的l小于L。给定喷雾角α，设定喷洒高度h为500mm，和植株间的距离L为700mm。依据公式：L/2≤h×tanα式中：L为扇形喷头间距，mm；h为喷头到葡萄植株的距离，mm；α为扇形喷头的喷雾角，°。将上述参数代入公式中，求出喷雾角α≥38°，故选择50°扇形喷头。（2）喷雾量在满足杀灭病虫害的基础下，尽量降低农药对环境的污染，即果园的喷药量设定为，机组前进的速度在，工作幅宽，喷药装置的流量根据下式计算：式中：——所有喷头流量，；——用药液量，；——机车前进速度，；——工作幅宽，；将所需的参数带入公式，得。预计该喷药装置安装6个喷头，故可求得单个喷头流哩。综上，即可得到该喷头的参数为喷雾角为50°，流量为4L/min。喷头三维模型如图3.4所示。图3.4喷头三维模型3.2.2液压泵选型液压泵是喷药装置的关键组成部分，其类型繁多，包括柱塞泵、隔膜泵、齿轮泵和离心泵等。选择合适的液压泵对提高喷药装置的工作效率至关重要。下面分析各类型液压泵的特点及适用场景：（1）柱塞泵优点：具有较高的耐压能力、工作效率和传输功率；转速范围广，使用寿命长。缺点：对介质的清洁度要求较高；结构较为复杂，成本高，维护相对困难。（2）隔膜泵优点：适合输送化学性质不稳定的流体；能够完全隔离物料与外界，特别适合处理有害或腐蚀性物质；体积小，便于移动，安装简单经济，适合作为移动式输送泵。缺点：承受的压力有限；在处理大量气体时噪音和振动较大；膜片寿命较短，易损坏；流量较小，通常用于小型系统。（3）齿轮泵优点：结构简单，体积小巧，成本低，工作可靠；自吸性好，对油液污染不敏感，维护简便。缺点：流量和压力波动较大，噪声高，排量不可调，容积效率低。（4）离心泵优点：结构简单紧凑，占地面积小，重量轻，成本低，适合高速运行；无内部活动阀门，能输送含有悬浮液的流体，特殊设计可处理含有大块固体的悬浮液；可以使用耐化学腐蚀材料制造，适合输送腐蚀性溶液；排液均匀，无脉冲。缺点：启动前需充满液体；不当安装可能产生气阻现象；操作不当可能影响生产。鉴于药液具有腐蚀性，选用的液压泵应具备耐腐蚀性和结构简单的特点。根据上述分析，隔膜泵因其体积小、结构紧凑、操作维护便捷，且能在短时间脱水状态下工作，以及能隔离腐蚀性药液与动态部件，延长使用寿命，因此成为合适的选择。考虑到喷头流量和数量要求，选择型号为DP1436的双核隔膜泵，具有12V电压、4.5A电流、0.72Mpa压力和5.5L/min流量，能满足喷药装置的需求。3.2.3药箱设计药箱的主要功能是储存喷药装置将要喷洒的药液。药箱常用材料有不锈钢、聚乙烯（PE）等，考虑到药液的腐蚀性，药箱材料采用聚乙烯材料进行制作，聚乙烯（PE）是一种常用的塑料材料，具有良好的化学稳定性，耐多种酸、碱和其他化学物质的腐蚀。此外，药箱的容量设计需恰当，容量太小会导致喷洒作业时间过短。假设药箱尺寸为700mm×550mm×500mm，通过计算，药箱的容量约为192.5升。基于正常行驶速度，可以进一步计算出喷射一整箱药液所需的时间。式中：——药箱容量，；——单个喷头的喷量，；根据计算可得，喷完药液需要24.06min，既可以避免频繁加药，又可以维持一段时间，药箱容量合适。药箱三维模型如图3.5所示。图3.5药箱3.3喷药装置控制元件为实现喷雾作业的自动化，确保喷头喷出的药液流量与目标作物相匹配，采用智能流量控制器和涡轮流量传感器的配合使用是必要的。涡轮流量传感器采用的是硬质合金轴承止推式设计，这不仅提高了精度和耐磨性，还简化了结构，并便于装卸。当药液流过传感器壳体时，由于叶轮叶片与流向形成一定角度，药液对叶片的动力作用产生转动力矩，当此力矩克服了摩擦力矩和流体阻力之后，叶轮开始旋转，并在力矩达到平衡后，转速变得稳定。在特定条件下，叶轮的转速与流速成正比关系。鉴于叶片具有导磁性，在信号检测器的磁场中旋转的叶片会周期性地改变线圈的磁通量，进而在线圈两端产生电脉冲信号。该电脉冲信号经过放大和整形处理后，变为一系列有确定幅宽的矩形脉冲波，这些信号传送至控制仪表，显示出药液的即时流量或总流量。在一定的流量范围内，脉冲频率f与通过传感器的流体即时流量Q呈正比关系。式中：——脉冲频率，；——传感器的仪表系数，；——流体的瞬时流量，；涡轮流量传感器应安装在管道中，以确保准确测量流体流速。为保障测量精度，传感器前端需配置长度为10倍流量传感器直径(D)的直管段，其后端则需要5倍直径(D)的直管段。此配置有助于稳定流体流动，减少测量误差。安装完毕后，该传感器将与智能流量控制仪相连，用户可在控制仪上预设所需的流量定量值。在系统启动并达到预定流量值后，流量控制仪将自动指令电磁阀关闭，以停止流体流动。同时，控制仪不仅能够显示流体的瞬时流量和累积流量，还具备上下限报警功能，能够在流量超出预设范围时提醒用户，保证作业的精准度和安全性。3.4基于设施葡萄的病毒喷药装置动力系统设计3.4.1电动机选型在一般的工业生产中，对电动机普遍只要求拥有一定的过载能力的即可。但葡萄果园用喷药装置所使用的电动机与一般的工业用电动机不同，葡萄果园用喷药装置在相对复杂的土壤作业条件下，不能出现倒退的情况发生，因此要求满足一些基本要求：（1）需具备较强的过载能力；（2）大的功率因数，能够支持高的瞬时输出功率；（3）能支持频繁的启停、加减速以满足喷药作业；用于电力驱动系统的常见电机类型主要有异步电动机（感应电动机）、直流电动机、开关磁阻电动机和永磁无刷直流电机等。四种电机的性能参数如表3.1所示。表3.1四种电机的性能参数对比异步电动机直流电动机开关磁阻式电动机永磁无刷直流电动机负荷效率（%）79-8580-8778-8685-97功率因数（%）82-85--60-6590-93过载能力（%）300-500200300-500300功率密度中低好高转矩转速特性一般好好好可靠性好一般好优良质量中重轻轻成本中高低中控制操作性能好最好好好控制器成本高低很高一般从表3.1可以得出永磁直流无刷电动机与其它三种电动机相比的最大特点是质量轻、可靠性高、控制器成本低、功率密度高、效率高等特点。此外，由于永磁直流无刷电机具备优秀的电磁转矩控制特性，并且其转矩速度特性表现出低速时为恒转矩、高速时为恒功率特性，由于该葡萄果园用喷药装置主要集中在低速高转矩的作业环境，因此结合成本因素、扭矩特性等最后选用永磁无刷直流电动机作为本机的原动机。永磁无刷直流电机作为电葡萄果园用喷药装置的原动机，不仅要满足葡萄果园用喷药装置的喷药装置的功率需求，还要保证整机短距离转移时的扭矩输出，功率、转速、转矩是无刷电动机三个最主要的性能参数，本节对电机功率的计算，主要从整机的喷药功率及行走功率来进行计算，通过对这两部分的计算，从而确定整机的总功率需求。通过大量的试验表明，葡萄果园用喷药装置在作业时消耗的功率可由式表示：式中：——喷药装置所耗费的功率，为葡萄果园用喷药装置最为主要的功率消耗，总功率的；——整机行走运动所消耗的功率，约为；与电动汽车不同，葡萄果园用喷药装置主要以低速作业为主，加速阻力与空气阻力可以忽略，因此，本次行走功率的计算主要进行滚动阻力消耗功率计算。由于果园内一般垄内坡度及垄间坡度不大于15°，因此对整机在进行爬坡时的受力状态进行分析，由图4.1可知：——葡萄果园用喷药装置的重量，假设整机设计质量为80kg，重力加速度取，故；——整机作业时或垄间转移时的速度；——葡萄果园用喷药装置的驱动力，即土壤给行走轮的反作用力；——土壤对整机的支持力；——葡萄果园用喷药装置的行驶阻力。——坡度及重力的方向与坡度垂直方向的夹角，这里取。图3.6葡萄果园用喷药装置爬坡时受力分析由图3.6可知，葡萄果园用喷药装置爬坡时的阻力主要来自，因此行走功率的计算如下式：式中：——葡萄果园用喷药装置作业或短距离转移过程中所需的功率(W)；——滚动阻力系数，由于地面的差别，两种工作条件的的滚动阻力系数不同，这里取两者的较大值；——在工作时的理论最高行驶速度，根据取V=3.6km/h；通过上式的计算可得：由前面隔膜泵选型知道隔膜泵功率为54W，因此，可得出葡萄果园用喷药装置所需额定功率如下：因此，电动机的功率需大于1.6KW才能满足葡萄果园用喷药装置的工作要求。经过对比，最终选择藤尺D110BLD2000-48A-20S/RV75永磁直流无刷电机作为整机原动机，相关参数如表3.2所示。表3.2电动机主要性能参数类型额定功率额定电压额定转速空载转速额定电流空载电流额定扭矩减速比直流无刷2000W48V2000rpm2700rpm52.08A≤16A9.55Nm153.4.2蓄电池选型通过对相关文献的查阅及市场调查，适用于葡萄果园用喷药装置的蓄电池有铅-酸（Lead-Acid）电池、镍-辐（Ni-Cd）电池、镍氢（Ni-Cd）电池、锂（Li-lon）电池四种电池。通过对四种蓄电池的对比，锂电池具有以下几个优点：一、能量密度高，体积小、重要轻：二、循环寿命比其它蓄电池更长：三、工作效率高。因此，本设计使用锂电池作为葡萄果园用喷药装置的能量源。对于葡萄果园用喷药装置动力电池组的数量，本设计根据无刷电机消耗的最大功率来确定。锂电池所需要的数量n的计算为：式中：——无刷电机的最大输出功率，1.6kw；——锂离子电池(单个)所提供的最大功率，单个锂电池的输出电流为2500mA，输出电压为3.7V，则能提供的最大功率为3.7×2.5=9.25A；——电机和控制器正常工作时整体效率，取0.80。代入上式得因此，本设计中采用3组锂电池组，每组将8组10个串联的单个锂电池并联在一起，组成一组48V20AH的电池，再将3组48V20AH的锂电池组并联成48V60AH的蓄电池，一组的电池数量为10×8=80个，3组共240个锂电池个数，符合电池的选用条件。锂电池组相关参数如表3.3。表3.3锂电池组相关参数组合方式13串8并单节电池参数3.7V2500mA标称电压/V48V满电电压/V54.6V放电截止电压/V39V电池尺寸/mm260mm×150mm×70mm持续放电电流/A50A瞬间电流/A100A自耗电≤50μA完成上述关键部件设计和选型后，利用SolidWords软件对其进行建模并装配，最终得到基于设施葡萄的病毒喷药装置的三维模型如图3.7所示。图3.7基于设施葡萄的病毒喷药装置整机模型3.5本章小结本章深入探讨了基于设施葡萄的病毒喷药装置的关键部件设计，包括机架、喷药装置及其控制元件，以及动力系统。机架设计考虑了结构稳定性和承载能力，确保了装置的耐用性和可靠性。喷药装置设计涵盖了喷头选型、液压泵选型和药箱设计，以实现高效均匀的喷洒效果。控制元件的设计则保障了喷药过程的精确控制。动力系统部分，对电动机和蓄电池进行了细致的选型，以满足装置在不同工作条件下的动力需求。这些设计细节共同构成了高效、精准的病毒喷药装置，为设施葡萄园的病害防治提供了有力支持。结论4结论与展望4.1总结针对设施葡萄园病害防治的自动化和精准化需求，采用机器视觉、传感器技术和自动化控制原理，本文成了基于设施葡萄的病害喷药装置的设计，该装置具有自动化、精确喷施的功能，对于提高葡萄病害防治效果和降低农药使用量具有重要作用。主要成果如下：（1）设施葡萄病害喷药的技术要求和方案进行了分析，确定了装置的行走方式和对靶方案。接着，完成了喷药装置的总体结构设计，包括机架、喷药装置以及控制元件等关键部件的设计。（2）进行了葡萄园病害喷药装置关键部件的设计，包括机架、喷药装置、喷头、液压泵和药箱等，并进行了尺寸设计和选型。设计了喷药装置的动力系统，包括电动机和蓄电池的选型与功率计算，确保了装置的动力供应充足且高效。（3）开发了喷药装置的控制系统，集成了行走控制、喷药控制以及安全防护等功能，实现了自动化操作。4.2展望在本研究中，虽然我们成功设计并初步测试了基于设施葡萄的病毒喷药装置，但仍存在一些不足之处，并对未来发展提出展望。4.2.1研究不足（1）试验环境限制：当前的测试主要在模拟环境或小规模实际葡萄园中进行，尚未在大规模商业葡萄园中进行全面验证。（2）技术集成度：尽管各部件设计合理，但系统集成度和自动化水平还有待进一步提高，以实现更流畅的作业流程。控制系统的用户友好性和交互体验需要进一步优化，以满足不同用户的需求。（3）环境适应性：装置在不同气候和土壤条件下的适应性尚未得到充分测试，需要进一步研究以增强其鲁棒性。4.2.2未来展望（1）大规模应用测试：计划在更广泛的葡萄园中进行实地测试，以验证装置在不同环境条件下的性能和可靠性。（2）智能化升级：将探索集成更先进的传感器和机器学习算法，提高装置的智能化水平和自主决策能力。（3）多功能集成：考虑将喷药装置与其他农业机械或自动化系统相结合，提供更全面的农业解决方案。同时可开发定制化服务，根据用户的特定需求调整装置的设计和功能，提升用户体验。通过未来研究，我们期望未来的研究能够为设施葡萄园提供更加高效、智能和环保的病害防治解决方案。参考文献参考文献全瑞倬,邹伟,杜小鸿,等.履带式果园喷药机遥控作业系统设计[J].农机化研究,2024,46(09):82-88.李敏,闫成功,马帅,等.我国葡萄植保机械化技术发展现状与对策[J].中国农机化学报,2024,45(01):76-82.王炯锡,胡天让,陈立涛