西北農林科技大學1緒論1.1設計背景及意義中國目前位列全球葡萄生產和消費的前列，葡萄產業已成為推動多地區農業發展的關鍵產業，對鄉村振興及精準扶貧計劃有著顯著的貢獻。盡管中國的葡萄種植面積全球領先，但主要由家庭農戶負責，種植模式分散，缺少組織化管理，難以獲得先進技術支持。大量農戶仍采用傳統的管理方法，未能實現生產的規模化或形成具有地方特色的葡萄品牌，導致葡萄易受惡劣天氣和病蟲害影響，進而影響產量和品質。當前，國內葡萄病蟲害的防治主要依賴化學農藥，盡管我國在農藥生產技術上已達到國際先進水平，但施藥技術和工具的應用卻大幅落后，導致農藥的利用效率低下，施藥效果不理想。這不僅導致農產品中農藥殘留問題，還引發了環境污染和操作安全風險。據估計，農藥的實際利用率不足30%，流失率高達60%至70%。目前的做法是針對多種病蟲害同時發生的情況下，采用混合多種農藥一次性噴施，這種方法不但增加了土壤和環境的污染，也提高了生產成本，影響了葡萄的品質。落后的施藥技術限制了農藥的有效應用，增加了施藥頻次和用量，導致了農藥殘留和環境污染問題的加劇。為了解決低農藥利用率和無法針對特定病害施藥的問題，本文設計了一種葡萄園變量噴藥裝置。通過圖像技術收集果園病害信息，指導噴藥裝置進行精準和變量化施藥，不僅能降低農藥使用量，還能根據果園病害的實際情況進行有針對性的治療，從而降低生產成本，提升農業經濟效益。同時，該裝置的應用有助于減少農藥對環境的污染，推動果園機械化裝備的自動化發展，為國內變量噴藥技術的實際應用提供了理論和技術基礎。1.2國內外研究現狀國際上對變量噴施技術的研究始于20世紀70年代，這項技術通過調整噴頭壓力、在一定壓力下變化流量，以及采用脈沖寬度調制的方式，實現精確控制農藥的施用量，其核心優勢在于顯著減少農藥的使用。眾多國內外學者對這一技術的發展潛力和實踐應用前景持續關注，尤其在美國、法國、日本等農業技術發展先進國家，已廣泛開展這一技術的研究、開發及應用設計工作，標志著變量噴霧技術正成為高新技術研究與應用的關鍵環節。通過長期的研究探索，變量噴施技術已經主要演化為兩大類：一是基于機器視覺的技術，二是基于傳感器的技術，展示了其在現代農業中的廣泛應用潛力。1.2.1基于機器視覺的變量噴施在果園病蟲害防治方面，RittnerT(2018)現狀顯示，農業發達國家如日本和美國已經在使用智能化果樹噴藥機器人，這些機器人能夠遠程控制，有效分離人體與農藥，減少對人體的危害并節省勞動力。這些機器人搭載了變量噴藥系統，可以根據果樹的生物特征參數調控施藥量，實現精準噴藥。陳麗娟（2009）針對春季玉米田的穴播模式，開發了一個基于機器視覺的穴間變量噴霧控制系統。通過自動取閾值方法實現了對綠色作物與背景的有效分離，并提出了一種依據作物株心位置特征，將田間分為過度個體區塊的新策略。基于這些株心位置，系統對噴霧區域進行劃分并執行像素級的統計分析以判別雜草區塊，進而通過計算機并行接口控制電磁閥進行精準噴霧。實驗顯示，該系統能以87.7%的準確率實時檢測雜草區塊，并將噴霧精度控制在55mm以內，證明了所提出的圖像處理算法及系統匹配模型的有效性與準確性。然而，機動車輛行進速度的穩定性及其直線行駛的精確性，對系統定位的精度和雜草區塊判別的準確性有顯著影響。黨滿意（2021）使用樹莓派作為控制核心，設計了一個基于機器視覺的馬鈴薯晚疫病檢測與變量噴藥裝置。研究通過圖像處理技術，從病斑的形狀、顏色和紋理三個維度構建了馬鈴薯晚疫病的分級模型，該模型在識別病斑的早期、中期和晚期階段時，平均準確率超過86%。基于這一模型，研究進一步建立了一種脈沖寬度調制（PWM）控制下的噴藥流量控制模型，通過田間移動試驗和噴藥效果測試，驗證了該裝置能夠有效滿足田間變量噴施的作業需求。ZaidnerG（2016）結合了機電一體化、LiDAR、多傳感器、自動控制等先進技術，以提高植保設備對農作物精準高效的施藥要求。1.2.2基于傳感器技術的變量噴施國外研究方面，Robotics(2016)探討了RNAi技術在植物病蟲害防控領域的應用，包括通過轉基因植物（HIGS）、病毒或微生物遞送（VIGS）、噴灑型RNA農藥（SIGS）和納米載體遞送（NDGS）等四種途徑。這些技術具有靶向性高、易降解、靶點豐富等優勢，但也面臨合成成本、保護劑和載體制備工藝、生物安全性評估等挑戰。在美國，一家公司成功開發了名為WeedSeeker的噴霧系統，該系統由葉綠素光學傳感器、控制電路，以及包含噴嘴和電磁閥的閥體組成。此傳感器利用770納米的近紅外光和656納米的紅光來識別土壤背景中的雜草。系統的關鍵部件為phD600型閥體，當傳感器偵測到植物葉綠素并判斷存在雜草時，便激活噴頭向目標噴射除草劑。WeedSeeker噴霧系統已被安裝在多種噴灑設備上，用于除草作業，如行間、溝邊和道路兩側，能夠減少60%-80%的農藥使用。美國FMC公司為果園噴霧機配備了計算機控制系統，通過超聲波傳感器捕捉果樹的形態，實現根據果樹形狀變化自動調整農藥噴霧量，從而達到自動化變量噴藥。該技術已在印第安納州中部的果園得到應用，該地區因病蟲害情況及生態條件多樣，80%的農戶采用精準噴藥技術后，農藥使用量大幅下降至原有的10%，每公頃收益增加了50美元。李為（2014）基于嵌入式Linux平臺，利用傳感器和風送噴霧技術，開發了一款基于超聲波傳感器的定向噴霧機器人。該設備能實時監控噴霧壓力、流量、車速和果樹冠層等信息，通過模糊控制理論，將傳感器反饋的數據轉換為精確的噴藥量。試驗結果顯示，系統在車速變化時能自動調整噴藥量，最大誤差為10.15%，最小誤差為3.08%，證明了其通過監測并計算速度和流量數據來調整電動球閥的開度，以變化噴藥量的有效性。綜上所述，現行的變量噴施技術主要依據植被冠層信息或存在的病蟲害情況來執行作業，雖然在一定程度上實現了精準和變量噴藥，降低了農業生產成本，但這些技術未能充分考慮病害分級信息，且在面對多種病蟲害共存時，無法實施針對性治療。因此，開發一種能針對具體病害實施噴施的變量噴施裝置，對減少農藥使用、提高農業生產效率具有重要的現實意義。1.3研究內容本研究的核心目標是開發一款適應設施葡萄園病害防治需求的自動化噴藥裝置，研究，研究內容如下（1）從設計背景與意義的探討，到國內外現有技術的調研分析，旨在明確行業發展現狀，并識別創新點和改進空間。（2）深入農藝需求分析，確立技術參數和設計原則，確保噴藥裝置能夠滿足葡萄作物特性、精準施藥、地形適應性、作物保護和噴灑均勻性等關鍵需求。（3）將對行走機構、動力系統、噴藥裝置等關鍵部件進行詳細設計，以實現高效、穩定和安全的噴藥作業。（4）對全文進行了總結，對未來研究進行了展望。1.4技術路線本研究的技術路線始于市場調研與需求分析，繼而深入理論研究與技術儲備，隨后進入設計構思與方案制定階段，對關鍵技術進行研究，并開展詳細設計與仿真分析，確保裝置的高效性和穩定性，形成一個從理論到實踐、從設計到市場的完整研究流程。2基于設施葡萄的病害噴藥裝置總體設計2基于設施葡萄的病害噴藥裝置總體設計2.1農藝需求2.1.1作物特性適應性葡萄樹作為多年生的藤本植物，其生長特性對噴藥裝置的設計提出了特定的要求。首先，葡萄樹的行間距通常為3000mm，相鄰植株間的距離為1500mm，這些數據決定了噴藥裝置的寬度和噴藥覆蓋范圍。其次，樹冠的總寬度大約為1000mm，這要求噴藥裝置能夠覆蓋整個樹冠，以確保藥物能夠均勻噴灑到每一片葉子上。再者，葡萄樹樹根部分距離地面的高度約為500mm，而樹葉所能覆蓋的高度為1200mm，這意味著噴藥裝置的高度需要在這兩個數據之間，以適應葡萄樹的生長高度，確保藥物能夠覆蓋到樹根至樹冠的整個區域。2.1.2精準施藥精準施藥是現代農業的一個重要發展方向，它不僅可以提高農藥的使用效率，減少農藥的浪費，還能有效降低農藥對環境的污染。因此，葡萄果園噴藥裝置需要具備精準施藥的能力。這包括能夠對葡萄樹進行精確識別，確定其位置和需要噴藥的區域，以及能夠根據葡萄樹的生長狀況和病蟲害發生情況，調整噴藥量和噴藥頻率。2.1.3適應不同地形葡萄園的地形可能因地理位置、土壤類型和耕作方式的不同而有所差異。噴藥裝置需要能夠適應不同的地形條件，包括平坦的耕地、有坡度的丘陵地帶，甚至是石質較多的山地。這要求噴藥裝置的行走機構具有良好的通過性和穩定性，能夠在不同的地形條件下穩定運行，保證噴藥作業的連續性和均勻性。2.1.4作物保護在噴藥過程中，除了要保證藥物能夠均勻覆蓋到葡萄樹的各個部位，還需要考慮到對葡萄樹的保護。噴藥裝置在設計時，應考慮到噴藥過程中可能對葡萄樹造成的物理損傷，尤其是對幼嫩的樹葉和果實的保護。此外，噴藥裝置的噴頭設計應避免對葡萄樹造成刮擦或撞擊，確保噴藥過程的安全性。2.1.5農藥噴灑均勻性農藥噴灑的均勻性直接影響到病蟲害防治的效果。噴藥裝置需要能夠保證農藥在葡萄樹上的均勻分布，避免局部藥物過量或不足。這要求噴藥裝置的噴頭設計要合理，噴藥壓力和噴藥量要能夠根據葡萄樹的生長狀況和病蟲害發生情況進行調整，以達到最佳的噴灑效果。2.2技術要求2.2.1尺寸設計噴藥裝置的尺寸設計需要充分考慮葡萄樹的生長特性和葡萄園的作業空間。裝置的外形尺寸為1155mm×580mm×680mm（長×寬×高），這一尺寸既能夠適應葡萄樹的行間距和植株間距，又能夠保證裝置在葡萄園中的通過性。噴頭距離地面的高度為620mm，這一高度既能夠覆蓋到葡萄樹的整個生長區域，又能夠避免對地面造成不必要的污染。2.2.2行走機構行走機構是噴藥裝置移動的基礎，其設計需要考慮到裝置的穩定性、通過性和移動效率。四輪式的輪式行走機構能夠提供穩定的支撐和良好的通過性，前輪驅動的設計則能夠保證裝置在移動過程中的穩定性和靈活性。此外，行走機構的設計還需要考慮到裝置的重量分布和載荷，以避免對機架產生過大的集中載荷，影響裝置的使用壽命。2.2.3動力系統動力系統是噴藥裝置正常運行的關鍵。電動機作為動力源，需要提供足夠的動力來驅動行走裝置和噴藥裝置。電動機的選擇應考慮到其功率、扭矩、效率和耐用性，以滿足噴藥裝置在不同工作條件下的動力需求。同時，動力系統的設計與安裝也需要考慮到裝置的整體布局和重量分布，以保證裝置的穩定性和運行效率。2.2.4噴藥裝置噴藥裝置是實現農藥噴灑的關鍵部件，其設計需要考慮到噴藥的均勻性、效率和安全性。噴頭的設計應保證農藥能夠均勻噴灑到葡萄樹的各個部位，同時避免對葡萄樹造成損傷。噴藥裝置的運動控制需要與行走機構和控制系統緊密配合，以實現噴藥作業的自動化和智能化。此外，噴藥裝置的設計還需要考慮到農藥的種類、濃度和噴灑量，以適應不同的病蟲害防治需求。2.2.5安全性設計安全性是噴藥裝置設計的重要考慮因素。在噴藥過程中，需要考慮到操作人員的安全防護，避免農藥對人體造成傷害。此外，噴藥裝置在運行過程中可能會遇到各種意外情況，如碰撞、翻倒等，因此需要設計相應的安全防護措施，如緊急停止按鈕、防撞裝置等，以確保噴藥作業的安全性。2.3總體設計原理本次設計的葡萄果園噴藥裝置如圖2.1所示，主要由噴藥裝置、藥箱、識別裝置、行走裝置、電動機及控制系統等組成。為了避免藥箱、電動機等裝置過于集中，對機架產生集中載荷，影響機具使用壽命，故本次設計的葡萄果園用噴藥裝置采用前輪驅動的方式。在整體布局上，噴藥裝置和電動機安裝在機架的前半段，藥箱安裝在車架的后半段。根據文獻[8]可知，標準化葡萄園行間距為3000mm，相鄰植株之間的距離為1500mm，樹冠總寬度大小為1000mm左右。葡萄樹樹根部分距離葡萄園地面距離大致為500mm，葡萄樹樹葉所能覆蓋的高度為1200mm。因此，本次設計的葡萄果園噴藥裝置外形尺寸為1155mm×580mm×680mm（長×寬×高），噴頭距離地面的高度為620mm。葡萄果園噴藥裝置在工作過程中，電動機輸出動力，傳遞給行走裝置和噴藥裝置。行走裝置實現葡萄果園噴藥裝置的運動，到達指定位置后，攝像頭對果園環境進行攝像，并將拍下的圖片發送給微控制器，微控制器對照片信息進行處理，對需要噴藥的位置進行標定，并發出指令控制噴藥裝置調整噴藥角度。待噴藥裝置完成角度調整后，藥泵啟動，開始噴藥作業。完成噴藥后，關閉藥泵，微控制器發出指令，葡萄果園噴藥裝置繼續向前前進，進行下一環節的噴藥工作。1.車架2.噴藥裝置3.藥管4.上藥口5.識別裝置6.藥箱7.電動機8.行走裝置圖2.1基于設施葡萄的病害噴藥裝置總體結構2.4關鍵機構的確定2.4.1行走方式確定葡萄果園噴藥裝置的移動執行機制，即行走機構，根據特定的作業需求驅動裝置進行移動。存在多種行走機制，如橡膠輪式、履帶式、步行式、混合式及蠕動式，各適用于特定場景。輪式行走機構利用輪子推進，特點包括穩定的移動、低能量消耗、快速運行及簡化的控制。履帶式機構，適合在泥土等柔軟地面上使用，由導向輪、張緊裝置和履帶架組成，依靠多功能輪的配合推動履帶旋轉以驅動機械前進。步行式機構模擬動物行走，依賴腳部關節實現移動，優勢在于較低的對環境的依賴性，適用于不平整地面，甚至能夠應對爬坡和樓梯，適合于地形復雜的勘探、軍事偵查和星球探測等場合。考慮到成本、簡便性和實用性，本設計最終決定采用四輪式的輪式行走機構，配置為前兩輪和后兩輪的布局方式。2.4.2對靶方案確定在自動噴藥系統中，測量噴桿與葡萄之間的距離是實現精確施藥的關鍵步驟之一。為此，選擇適當的測距模塊至關重要。目前，葡萄信息的檢測方法主要分為以下幾類：（1）使用攝像頭進行檢測。在此設計中，目標作物為葡萄，只需對其在指定區域內靜止時的圖像進行采集，而不需追蹤其移動軌跡。考慮到操作空間的限制，標準的相機組件便能夠滿足檢測葡萄的需求。（2）使用紅外傳感器進行檢測。紅外傳感器發射的光波長度與可見光相近，可能會在檢測過程中遇到信號干擾問題。盡管如此，紅外傳感器的檢測速度快，且精度較高。總的來說，攝像頭因其較小的環境干擾敏感性和更低的成本而相對于紅外傳感器具有優勢。綜合考量成本和應用場景后，本研究決定選用樹莓派廣角攝像頭作為檢測組件。圖2.2樹莓派廣角攝像頭表2.1樹莓派廣角攝像頭參數參數名稱技術規格名稱樹毒派廣角攝像頭像素500萬像素感光芯片OV5647靜態圖片分辨率2592×1944尺寸25mm×24mm×9mm拍攝角度65度支持類型1080p30，720p60以及640×480p60/90錄像2.5本章小結本章對設施葡萄病害噴藥裝置的總體設計進行了全面闡述，涵蓋了作物特性適應性、精準施藥、地形適應性、作物保護和噴灑均勻性等農藝需求，以及尺寸設計、行走機構、動力系統、噴藥裝置和安全性設計等技術要求。通過明確設計原理和確定關鍵機構，本章為構建高效、精準且安全的葡萄園噴藥系統奠定了堅實基礎。4基于設施葡萄的病害噴藥裝置動力系統設計3基于設施葡萄的病毒噴藥裝置關鍵部件設計設施葡萄的病毒噴藥裝置關鍵部件包括機架、噴藥裝置、噴藥控制部件以及動力系統，本章將重點對這些方面進行分析。3.1機架設計機架充當了葡萄果園噴藥裝置中的核心支撐構件，是設備整體架構的基本組成部分，由1350mm×1350mm×80mm規格的方形鋼管焊接制成。為了確保藥箱和噴藥部件在設備靜止不工作時的穩定性，機架的藥箱兩側加裝了焊接固定擋板，這是為了防止藥箱在移動過程中因慣性作用而脫落。整個系統的各個部件都與機架連接，機架的結構穩定性對于設備的正常運作至關重要。葡萄果園噴藥裝置的機架設計是通過SolidWorks軟件完成的，其三維結構如圖3.1所示。圖3.1主機架3.2噴藥裝置設計噴藥裝置的組成包括噴頭、隔膜泵、藥箱、渦輪流量傳感器以及智能流量控制器。精確的設計確保了施藥的準確性。在開始噴藥過程時，通過設置智能流量控制器以調整所需的藥液流量，渦輪流量傳感器則負責監測并調節流經的藥液量，以確保其達到預設值。藥液管道入口處裝有過濾器，用于去除藥液中的雜質。隔膜泵啟動并工作時，會將過濾后的藥液增壓，然后從藥箱中推送至管道，并通過管道輸送至噴頭，最終由噴頭將藥液噴射出去。通過智能流量控制器和渦輪流量傳感器的配合使用，可以對每個分支的藥液流量進行精確控制，實現了噴藥裝置的精準施藥功能。藥液管路圖如圖3.2所示。1.藥箱2.過濾器3.智能流量控制儀4.壓力傳感器5.渦輪流量傳感器6.電動隔膜泵7.噴頭圖3.2噴霧系統的藥液管路圖3.2.1噴頭選型噴頭是噴藥裝置中的核心部件，負責將藥液霧化并均勻噴灑至目標區域，對于噴霧作業的效果具有顯著影響。根據噴霧的形態，噴頭主要分為橢圓形、圓錐形和扇形三種類型。為確保高效的植保操作，選擇與作物匹配的噴頭類型至關重要，這有助于實現植保作業的最優效果。扇形噴頭產生的是扇面形狀的噴霧，該形狀能夠保持噴霧的集中度，不會向外過度擴散，確保噴霧下垂、分布均勻，具有較強的通用性和高效的利用率。因其廣泛的適用性和高效率，在植保機械中得到了廣泛應用。因此，選擇扇形噴頭作為噴藥裝置的噴頭是出于其廣泛的適應性和高效的藥液利用效率。（1）噴霧角扇形噴頭產生的噴霧具有一個特定的覆蓋角度，被稱為噴霧角。為確保噴出的霧滴能夠完全覆蓋目標區域，噴霧所形成的扇面在接觸目標時需要適當重疊。然而，這種重疊不能過度，否則會導致藥液在某些區域重復噴灑，從而引起藥液的浪費。噴頭布局與其相互間的位置關系對于達到這一目的至關重要，如圖3.3所示，通過合理的噴頭配置和調整，可以實現有效的噴霧覆蓋，同時避免藥液的過度使用。圖3.3噴頭的位置關系為了避免在噴霧過程中噴藥裝置與葡萄植株產生直接接觸，從而防止對葡萄樹枝和果實造成損害，噴頭設計需考慮其與葡萄植株的空間距離。具體而言，噴頭距離葡萄植株的左右兩側的距離應維持在約300mm，而兩個噴頭之間的間隔約為550mm。葡萄植株的平均高度為1200mm，其最低部葉片至地面的高度約為500mm。噴藥操作實際高度定為500mm。為確保藥液能夠完全覆蓋植株，兩個相鄰噴頭噴出的霧流在接觸植株時需要有適當的重疊部分，即圖示中的l小于L。給定噴霧角α，設定噴灑高度h為500mm，和植株間的距離L為700mm。依據公式：L/2≤h×tanα式中：L為扇形噴頭間距，mm；h為噴頭到葡萄植株的距離，mm；α為扇形噴頭的噴霧角，°。將上述參數代入公式中，求出噴霧角α≥38°，故選擇50°扇形噴頭。（2）噴霧量在滿足殺滅病蟲害的基礎下，盡量降低農藥對環境的污染，即果園的噴藥量設定為，機組前進的速度在，工作幅寬，噴藥裝置的流量根據下式計算：式中：——所有噴頭流量，；——用藥液量，；——機車前進速度，；——工作幅寬，；將所需的參數帶入公式，得。預計該噴藥裝置安裝6個噴頭，故可求得單個噴頭流哩。綜上，即可得到該噴頭的參數為噴霧角為50°，流量為4L/min。噴頭三維模型如圖3.4所示。圖3.4噴頭三維模型3.2.2液壓泵選型液壓泵是噴藥裝置的關鍵組成部分，其類型繁多，包括柱塞泵、隔膜泵、齒輪泵和離心泵等。選擇合適的液壓泵對提高噴藥裝置的工作效率至關重要。下面分析各類型液壓泵的特點及適用場景：（1）柱塞泵優點：具有較高的耐壓能力、工作效率和傳輸功率；轉速范圍廣，使用壽命長。缺點：對介質的清潔度要求較高；結構較為復雜，成本高，維護相對困難。（2）隔膜泵優點：適合輸送化學性質不穩定的流體；能夠完全隔離物料與外界，特別適合處理有害或腐蝕性物質；體積小，便于移動，安裝簡單經濟，適合作為移動式輸送泵。缺點：承受的壓力有限；在處理大量氣體時噪音和振動較大；膜片壽命較短，易損壞；流量較小，通常用于小型系統。（3）齒輪泵優點：結構簡單，體積小巧，成本低，工作可靠；自吸性好，對油液污染不敏感，維護簡便。缺點：流量和壓力波動較大，噪聲高，排量不可調，容積效率低。（4）離心泵優點：結構簡單緊湊，占地面積小，重量輕，成本低，適合高速運行；無內部活動閥門，能輸送含有懸浮液的流體，特殊設計可處理含有大塊固體的懸浮液；可以使用耐化學腐蝕材料制造，適合輸送腐蝕性溶液；排液均勻，無脈沖。缺點：啟動前需充滿液體；不當安裝可能產生氣阻現象；操作不當可能影響生產。鑒于藥液具有腐蝕性，選用的液壓泵應具備耐腐蝕性和結構簡單的特點。根據上述分析，隔膜泵因其體積小、結構緊湊、操作維護便捷，且能在短時間脫水狀態下工作，以及能隔離腐蝕性藥液與動態部件，延長使用壽命，因此成為合適的選擇。考慮到噴頭流量和數量要求，選擇型號為DP1436的雙核隔膜泵，具有12V電壓、4.5A電流、0.72Mpa壓力和5.5L/min流量，能滿足噴藥裝置的需求。3.2.3藥箱設計藥箱的主要功能是儲存噴藥裝置將要噴灑的藥液。藥箱常用材料有不銹鋼、聚乙烯（PE）等，考慮到藥液的腐蝕性，藥箱材料采用聚乙烯材料進行制作，聚乙烯（PE）是一種常用的塑料材料，具有良好的化學穩定性，耐多種酸、堿和其他化學物質的腐蝕。此外，藥箱的容量設計需恰當，容量太小會導致噴灑作業時間過短。假設藥箱尺寸為700mm×550mm×500mm，通過計算，藥箱的容量約為192.5升。基于正常行駛速度，可以進一步計算出噴射一整箱藥液所需的時間。式中：——藥箱容量，；——單個噴頭的噴量，；根據計算可得，噴完藥液需要24.06min，既可以避免頻繁加藥，又可以維持一段時間，藥箱容量合適。藥箱三維模型如圖3.5所示。圖3.5藥箱3.3噴藥裝置控制元件為實現噴霧作業的自動化，確保噴頭噴出的藥液流量與目標作物相匹配，采用智能流量控制器和渦輪流量傳感器的配合使用是必要的。渦輪流量傳感器采用的是硬質合金軸承止推式設計，這不僅提高了精度和耐磨性，還簡化了結構，并便于裝卸。當藥液流過傳感器殼體時，由于葉輪葉片與流向形成一定角度，藥液對葉片的動力作用產生轉動力矩，當此力矩克服了摩擦力矩和流體阻力之后，葉輪開始旋轉，并在力矩達到平衡后，轉速變得穩定。在特定條件下，葉輪的轉速與流速成正比關系。鑒于葉片具有導磁性，在信號檢測器的磁場中旋轉的葉片會周期性地改變線圈的磁通量，進而在線圈兩端產生電脈沖信號。該電脈沖信號經過放大和整形處理后，變為一系列有確定幅寬的矩形脈沖波，這些信號傳送至控制儀表，顯示出藥液的即時流量或總流量。在一定的流量范圍內，脈沖頻率f與通過傳感器的流體即時流量Q呈正比關系。式中：——脈沖頻率，；——傳感器的儀表系數，；——流體的瞬時流量，；渦輪流量傳感器應安裝在管道中，以確保準確測量流體流速。為保障測量精度，傳感器前端需配置長度為10倍流量傳感器直徑(D)的直管段，其后端則需要5倍直徑(D)的直管段。此配置有助于穩定流體流動，減少測量誤差。安裝完畢后，該傳感器將與智能流量控制儀相連，用戶可在控制儀上預設所需的流量定量值。在系統啟動并達到預定流量值后，流量控制儀將自動指令電磁閥關閉，以停止流體流動。同時，控制儀不僅能夠顯示流體的瞬時流量和累積流量，還具備上下限報警功能，能夠在流量超出預設范圍時提醒用戶，保證作業的精準度和安全性。3.4基于設施葡萄的病毒噴藥裝置動力系統設計3.4.1電動機選型在一般的工業生產中，對電動機普遍只要求擁有一定的過載能力的即可。但葡萄果園用噴藥裝置所使用的電動機與一般的工業用電動機不同，葡萄果園用噴藥裝置在相對復雜的土壤作業條件下，不能出現倒退的情況發生，因此要求滿足一些基本要求：（1）需具備較強的過載能力；（2）大的功率因數，能夠支持高的瞬時輸出功率；（3）能支持頻繁的啟停、加減速以滿足噴藥作業；用于電力驅動系統的常見電機類型主要有異步電動機（感應電動機）、直流電動機、開關磁阻電動機和永磁無刷直流電機等。四種電機的性能參數如表3.1所示。表3.1四種電機的性能參數對比異步電動機直流電動機開關磁阻式電動機永磁無刷直流電動機負荷效率（%）79-8580-8778-8685-97功率因數（%）82-85--60-6590-93過載能力（%）300-500200300-500300功率密度中低好高轉矩轉速特性一般好好好可靠性好一般好優良質量中重輕輕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從表3.1可以得出永磁直流無刷電動機與其它三種電動機相比的最大特點是質量輕、可靠性高、控制器成本低、功率密度高、效率高等特點。此外，由于永磁直流無刷電機具備優秀的電磁轉矩控制特性，并且其轉矩速度特性表現出低速時為恒轉矩、高速時為恒功率特性，由于該葡萄果園用噴藥裝置主要集中在低速高轉矩的作業環境，因此結合成本因素、扭矩特性等最后選用永磁無刷直流電動機作為本機的原動機。永磁無刷直流電機作為電葡萄果園用噴藥裝置的原動機，不僅要滿足葡萄果園用噴藥裝置的噴藥裝置的功率需求，還要保證整機短距離轉移時的扭矩輸出，功率、轉速、轉矩是無刷電動機三個最主要的性能參數，本節對電機功率的計算，主要從整機的噴藥功率及行走功率來進行計算，通過對這兩部分的計算，從而確定整機的總功率需求。通過大量的試驗表明，葡萄果園用噴藥裝置在作業時消耗的功率可由式表示：式中：——噴藥裝置所耗費的功率，為葡萄果園用噴藥裝置最為主要的功率消耗，總功率的；——整機行走運動所消耗的功率，約為；與電動汽車不同，葡萄果園用噴藥裝置主要以低速作業為主，加速阻力與空氣阻力可以忽略，因此，本次行走功率的計算主要進行滾動阻力消耗功率計算。由于果園內一般壟內坡度及壟間坡度不大于15°，因此對整機在進行爬坡時的受力狀態進行分析，由圖4.1可知：——葡萄果園用噴藥裝置的重量，假設整機設計質量為80kg，重力加速度取，故；——整機作業時或壟間轉移時的速度；——葡萄果園用噴藥裝置的驅動力，即土壤給行走輪的反作用力；——土壤對整機的支持力；——葡萄果園用噴藥裝置的行駛阻力。——坡度及重力的方向與坡度垂直方向的夾角，這里取。圖3.6葡萄果園用噴藥裝置爬坡時受力分析由圖3.6可知，葡萄果園用噴藥裝置爬坡時的阻力主要來自，因此行走功率的計算如下式：式中：——葡萄果園用噴藥裝置作業或短距離轉移過程中所需的功率(W)；——滾動阻力系數，由于地面的差別，兩種工作條件的的滾動阻力系數不同，這里取兩者的較大值；——在工作時的理論最高行駛速度，根據取V=3.6km/h；通過上式的計算可得：由前面隔膜泵選型知道隔膜泵功率為54W，因此，可得出葡萄果園用噴藥裝置所需額定功率如下：因此，電動機的功率需大于1.6KW才能滿足葡萄果園用噴藥裝置的工作要求。經過對比，最終選擇藤尺D110BLD2000-48A-20S/RV75永磁直流無刷電機作為整機原動機，相關參數如表3.2所示。表3.2電動機主要性能參數類型額定功率額定電壓額定轉速空載轉速額定電流空載電流額定扭矩減速比直流無刷2000W48V2000rpm2700rpm52.08A≤16A9.55Nm153.4.2蓄電池選型通過對相關文獻的查閱及市場調查，適用于葡萄果園用噴藥裝置的蓄電池有鉛-酸（Lead-Acid）電池、鎳-輻（Ni-Cd）電池、鎳氫（Ni-Cd）電池、鋰（Li-lon）電池四種電池。通過對四種蓄電池的對比，鋰電池具有以下幾個優點：一、能量密度高，體積小、重要輕：二、循環壽命比其它蓄電池更長：三、工作效率高。因此，本設計使用鋰電池作為葡萄果園用噴藥裝置的能量源。對于葡萄果園用噴藥裝置動力電池組的數量，本設計根據無刷電機消耗的最大功率來確定。鋰電池所需要的數量n的計算為：式中：——無刷電機的最大輸出功率，1.6kw；——鋰離子電池(單個)所提供的最大功率，單個鋰電池的輸出電流為2500mA，輸出電壓為3.7V，則能提供的最大功率為3.7×2.5=9.25A；——電機和控制器正常工作時整體效率，取0.80。代入上式得因此，本設計中采用3組鋰電池組，每組將8組10個串聯的單個鋰電池并聯在一起，組成一組48V20AH的電池，再將3組48V20AH的鋰電池組并聯成48V60AH的蓄電池，一組的電池數量為10×8=80個，3組共240個鋰電池個數，符合電池的選用條件。鋰電池組相關參數如表3.3。表3.3鋰電池組相關參數組合方式13串8并單節電池參數3.7V2500mA標稱電壓/V48V滿電電壓/V54.6V放電截止電壓/V39V電池尺寸/mm260mm×150mm×70mm持續放電電流/A50A瞬間電流/A100A自耗電≤50μA完成上述關鍵部件設計和選型后，利用SolidWords軟件對其進行建模并裝配，最終得到基于設施葡萄的病毒噴藥裝置的三維模型如圖3.7所示。圖3.7基于設施葡萄的病毒噴藥裝置整機模型3.5本章小結本章深入探討了基于設施葡萄的病毒噴藥裝置的關鍵部件設計，包括機架、噴藥裝置及其控制元件，以及動力系統。機架設計考慮了結構穩定性和承載能力，確保了裝置的耐用性和可靠性。噴藥裝置設計涵蓋了噴頭選型、液壓泵選型和藥箱設計，以實現高效均勻的噴灑效果。控制元件的設計則保障了噴藥過程的精確控制。動力系統部分，對電動機和蓄電池進行了細致的選型，以滿足裝置在不同工作條件下的動力需求。這些設計細節共同構成了高效、精準的病毒噴藥裝置，為設施葡萄園的病害防治提供了有力支持。結論4結論與展望4.1總結針對設施葡萄園病害防治的自動化和精準化需求，采用機器視覺、傳感器技術和自動化控制原理，本文成了基于設施葡萄的病害噴藥裝置的設計，該裝置具有自動化、精確噴施的功能，對于提高葡萄病害防治效果和降低農藥使用量具有重要作用。主要成果如下：（1）設施葡萄病害噴藥的技術要求和方案進行了分析，確定了裝置的行走方式和對靶方案。接著，完成了噴藥裝置的總體結構設計，包括機架、噴藥裝置以及控制元件等關鍵部件的設計。（2）進行了葡萄園病害噴藥裝置關鍵部件的設計，包括機架、噴藥裝置、噴頭、液壓泵和藥箱等，并進行了尺寸設計和選型。設計了噴藥裝置的動力系統，包括電動機和蓄電池的選型與功率計算，確保了裝置的動力供應充足且高效。（3）開發了噴藥裝置的控制系統，集成了行走控制、噴藥控制以及安全防護等功能，實現了自動化操作。4.2展望在本研究中，雖然我們成功設計并初步測試了基于設施葡萄的病毒噴藥裝置，但仍存在一些不足之處，并對未來發展提出展望。4.2.1研究不足（1）試驗環境限制：當前的測試主要在模擬環境或小規模實際葡萄園中進行，尚未在大規模商業葡萄園中進行全面驗證。（2）技術集成度：盡管各部件設計合理，但系統集成度和自動化水平還有待進一步提高，以實現更流暢的作業流程。控制系統的用戶友好性和交互體驗需要進一步優化，以滿足不同用戶的需求。（3）環境適應性：裝置在不同氣候和土壤條件下的適應性尚未得到充分測試，需要進一步研究以增強其魯棒性。4.2.2未來展望（1）大規模應用測試：計劃在更廣泛的葡萄園中進行實地測試，以驗證裝置在不同環境條件下的性能和可靠性。（2）智能化升級：將探索集成更先進的傳感器和機器學習算法，提高裝置的智能化水平和自主決策能力。（3）多功能集成：考慮將噴藥裝置與其他農業機械或自動化系統相結合，提供更全面的農業解決方案。同時可開發定制化服務，根據用戶的特定需求調整裝置的設計和功能，提升用戶體驗。通過未來研究，我們期望未來的研究能夠為設施葡萄園提供更加高效、智能和環保的病害防治解決方案。參考文獻參考文獻全瑞倬,鄒偉,杜小鴻,等.履帶式果園噴藥機遙控作業系統設計[J].農機化研究,2024,46(09):82-88.李敏,閆成功,馬帥,等.我國葡萄植保機械化技術發展現狀與對策[J].中國農機化學報,2024,45(01):76-82.王炯錫,胡天讓,陳立濤