毛竹林植保无人机喷粉挂件装置设计与试验*

林峰铭

（福建三明林业学校，福建 三明 365001）

0 引言

毛竹（Phyllostachys Edulis）是生长速度快、经营效果好、产量高的可再生植物资源，深受林农喜爱。福建地区属亚热带季风气候，适于竹类植物的生长，竹林面积居全国首位，已成为福建省重要的森林资源之一，为农业和农村经济的发展创造了巨大的经济效益，发展竹业经济已成为山区经济快速增长、山区农民脱贫致富的重要途径。然而，近年来由于片面强调集中连片，竹林面积不断扩大，且毛竹林生态系统受到人为破坏，其虫害日趋严重，其中刚竹毒蛾、蝗虫是毛竹林的主要食叶害虫，影响了竹产业的健康发展。目前，竹林在虫害防治方面主要采用地面装备进行人工防治，因竹林地面积大、丘陵山区地形地貌复杂、地势不平坦等因素，人工作业不仅劳动强度大、作业时间长，而且容易导致作业人员药物中毒和喷施程度不均匀等现象，达不到预期效果[1-2]。无人机（Unmanned Aerial Vehicle）防治作为一种新型农业技术，其作业不受地形限制，具有操作灵活、作业速度快、安全可靠、工作效率高、覆盖密度均匀、防治效果好等优点，特别适合在竹林中应用[3]。

针对福建省竹林地面不断扩大、丘陵山区地形地貌复杂、竹林分布状况繁杂等情况，结合毛竹林无人机防治技术操作灵活、作业速度快、工作效率高、防治效果好、操作便利等优点，笔者研发了一种与无人机平台相配套的毛竹林无人机喷粉挂件装置。对喷粉挂件装置进行设计与试验分析，以期为毛竹林无人机防治技术和喷粉挂件装置设计提供技术参考。

1 总体结构与工作原理

1.1 无人机喷粉挂件装置总体结构

无人机喷粉挂件装置以无人机作为动力平台，由喷粉挂件装置和控制设备组成总体结构，如图1所示[4]。无人机平台采用六旋翼无人机（型号：SH-X6-10B），喷粉挂件装置和控制设备机载部分固定在无人机平台上。无人机喷粉挂件装置的主要设备由部件药箱、粉料入口、舵机、涡轮壳、防护罩、粉料出口等组成，如图2所示。

1.2 工作原理

作业时，将药粉从粉料入口装入药箱，药箱进料口处设置入口挡板12和进料调节板13，如图3所示，通过遥控器控制电机转动，使电机带动电机转杆转动从而带动风扇叶转动，风扇叶在起风室内旋转，使出粉室内形成气流。当需要调节进粉量时，驱动舵机，使得入口挡板和进料调节板所形成的进料间隙变大，从而使药粉依次经过进粉槽和入粉室，随后药粉进入出粉室后被气流吹出装置，再利用无人机旋翼产生的下旋气流将药粉飘散到植株表面上，从而达到杀死病虫的目的[5]。

图3 无人机喷粉装置进粉口控制结构

2 关键结构设计及技术效果

2.1 进粉口控制结构

本结构设计意图是，该设备使已装入药箱的药粉不被喷粉装置吹出，还可以调节进粉量。不同农作物所需要的药粉量不同，不同林区植物覆盖率也有所差异，单纯不具有调节功能的进粉口，无法满足多种使用需求。因此，设计出一款能适用于多种情况、灵活控制进粉量的喷粉进粉控制装置。

本结构的主要应用原理是，药粉从进料口22进入喷粉装置内部，当需要调节进粉量时，通过用电线连接在无人机上的电池，驱动舵机17，舵机的活动端旋转带动摆臂16内推（或外拉）推拉杆14，从而推拉杆带动进料调节板13，使得入口挡板12和进料调节板所形成的进料空隙变小（变大）。其中，利用旋转型舵机作为驱动源，体积小，重量轻，占用空间少，增设安装座15，以使得进料调节板的活动高度与现有舵机的活动端高度适配，保证整个旋转推动过程顺畅平稳。如图3所示。

2.2 药粉防结块结构

本结构设计意图是，喷粉装置中主要是通过电机带动风扇叶旋转，将药粉吹送至出料口，但由于药粉会吸收空气或其他物质的水分，从而出现结块现象，尤其在空气潮湿的时节和地区，药粉结块现象会更严重，而且与粉状的药粉相比，结块的药粉更难吹送，容易堆积在风扇叶转轴处，从而造成堵塞。因此，设计出一款能有效解决药粉结块、不易吹送问题的防结块装置。

本结构的主要应用原理是，当药粉从进粉接头进入喷粉装置内部，电机提供动力将药粉往外吹送，完成喷粉工作。其中，针对药粉结块问题，当药粉块从进粉接头的内壁上端往下掉时，会首先撞击到散粉板27散成小团块，利用药粉下落必然存在的撞击散粉板完成第一步打散。然后从散粉板27上分流后继续往下掉，搅拌轴28在电机的带动下，不断旋动将小团块药粉进一步打散，使得药粉均匀散开，因此，利用电机驱动搅拌轴敲击药粉完成第二步打散。与直接在旋转轴上连接搅拌轴相比，增设连接座30作为过渡件，使得搅拌轴与旋转轴的安装更加方便快捷，且连接稳固。整体装置在药粉下落的路径上设计了两重打散，结合实际情况利用了自然重力，实用性强；结构简单，成本低，防结块效果好。如图4所示。

图4 喷粉装置防结块结构示意图

2.3 喷粉风机防抖结构

本结构设计意图是，喷粉装置采用电机带动风扇叶旋转，将药粉打散后从出料口撒出，但由于电机旋转轴处于悬空状态，且安装有风扇叶，风扇叶旋转时两侧扇叶压强不同，风扇叶两侧会抖动，从而对与风扇叶连接的电机旋转轴也造成一定伤害，还会导致无人机整体飞行的不平稳。因此，设计出一款能有效解决风扇叶和电机抖动问题的防抖结构。

本结构的主要应用原理是，药箱6内的粉料，由进料口进入喷粉装置，驱动电机提供动力带动风扇叶旋转，将粉料向外吹送，完成对农作物的喷粉工作。设计中使电机旋转轴处于悬臂状态下，在喷粉过程中增设锁紧螺母34，通过其将电机和箱体连接，电机旋转轴两端均有着力点，当风扇叶旋转时由于两侧扇叶压强不同而抖动时，箱体的上下两侧均能承受抖动力，受力均匀，从而有效解决了以往设计中整体装置容易抖动的问题。设置有保护电机的保护罩19，以适应无人机授粉常在野外作业的特性，有效地避免了驱动装置被树枝、沙石直接刮伤或撞击的情况，提高电机的使用寿命。喷粉装置保护罩上设置有多个散热通槽36，在进行保护的同时，结合电机工作时会产生热量的情况，设计的通槽保证电机所产生的热量能迅速散发出去，散热良好。轴承33采用深沟球轴承，非常耐用，无须经常维护，且摩擦系数小，既不影响电机的正常转动，又能限制住其转动轴的抖动，极好地保证了转动轴运动的平稳顺畅。因此，整体装置安装和拆卸方便，且结构简单、成本低，防抖动效果好，确保了喷粉过程中无人机和喷粉装置的运动平稳，对整体装置和无人机的保护效果好。如图5所示。

图5 喷粉装置风机防抖剖视图结构

3 试验

3.1 试验条件

试验地位于三明市永安市贡川镇，毛竹林分布在平均海拔600米以上，毛竹林立竹度为1 800~2 300株/公顷。

3.2 研究内容

1）试验时间：2021年4月20日开始防治试验，清晨6–9时，飞行高度h=3米（距竹林冠层），飞行速度v=10米/秒。

2）试验材料：采用六旋翼植保无人机（型号SHX6-10B）、喷白僵菌粉剂（用量为2千克/公顷）。

3）试验方法：考察六旋翼无人机喷粉防治与人工防治毛竹刚竹毒蛾的效果及效率。

3.3 结果与分析

六旋翼植保无人机喷粉装置防治药剂使用量是人工作业防治的用药量的一半，节约了药剂。六旋翼植保无人机喷粉装置的速度是人工作业防治速度的6倍，工作效率有很大的提高。目前，城市化进程加快，农村劳动力流失，特别在基层林业的用人情况较为紧张，六旋翼植保无人机喷粉装置对毛竹林刚竹毒蛾的防治工作，有利于缓解人力资源短缺的压力。科学技术手段不断更新，六旋翼植保无人机的续航能力逐渐加强，更具有实用性，使六旋翼植保无人机在毛竹病虫害防治中的应用更加可靠科学，同时解决了地形条件恶劣导致工作人员无法进行正常防治工作的问题。刚竹毒蛾防治效率表如表1所示。

表1 刚竹毒蛾防治效率表

4 结语

本课题设计的植保无人机喷粉装置能够很好地解决人工作业劳动强度大、作业时间长、容易引起作业人员药物中毒及喷施程度不均匀等问题。通过试验证明，植保无人机喷粉挂件装置能保证毛竹植株防治更均匀施撒药粉，能够适应竹林地多种复杂的地形，提高防治效率，降低人工劳动强度，提升机械化水平，减少农业生产成本，推动农业智能化和自动化发展。