KR102399733B1 - Drone nozzle for agriculture - Google Patents

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KR102399733B1
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정성용
김성근
문종운
최희원
김지연
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조선대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 농업용 드론 노즐에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 드론을 이용하여 물과 살충제를 공중에서 스프레이함에 있어, 효과적인 스프레이 폭, 액적 크기 및 스프레이 균일성을 향상시킬 수 있도록 할 목적으로, 일측에 에어 유입구(110)가 구비되고 타측에 스프레이 배출구(130)가 구비되며 상기 에어 유입구(110)로부터 상기 스프레이 배출구(130) 방향으로 단면적이 감소된 에어 유로(111)가 형성되고 상기 에어 유로(111)의 단부로부터 상기 스프레이 배출구(130)까지 노즐부(120)가 형성된 노즐 본체; 노즐부 입구(121)와 노즐부 출구(122)를 상호 연결하고 상기 노즐부(120)와 병렬로 배치되는 피드백 채널(140); 상기 노즐부 출구(122)에 연결된 워터 유입구(150); 를 포함하는 농업용 드론 노즐에 관한 것이다.The present invention relates to an agricultural drone nozzle, and more specifically, in spraying water and pesticides in the air using a drone, in order to improve the effective spray width, droplet size and spray uniformity, An inlet 110 is provided, a spray outlet 130 is provided on the other side, and an air channel 111 having a reduced cross-sectional area in the direction from the air inlet 110 to the spray outlet 130 is formed, and the air channel 111 is formed. a nozzle body in which a nozzle part 120 is formed from the end of the spray outlet 130; a feedback channel 140 interconnecting the nozzle part inlet 121 and the nozzle part outlet 122 and disposed in parallel with the nozzle part 120; a water inlet 150 connected to the nozzle outlet 122; It relates to an agricultural drone nozzle comprising a.

Description

농업용 드론 노즐{Drone nozzle for agriculture}Drone nozzle for agriculture

본 발명은 농업용 드론 노즐에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 공중에서 농작물에 대하여 물과 살충제를 효과적으로 스프레이 하기 위해 드론에 장착되는, 피드백 채널을 갖춘 농업용 드론 노즐에 관한 것이다.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to drone nozzles for agriculture, and more particularly to drone nozzles for agricultural use with a feedback channel, mounted on a drone for effectively spraying water and pesticides on crops in the air.

일반적으로 드론(drone)은 무선전파로 조종할 수 있는 무인항공기로, 카메라, 센서, 통신시스템 등이 탑재되어 있으며 수천 킬로미터를 비행할 수 있는 대형 항공기부터 제한된 공간에서 비행할 수 있는 소형 항공기에 이르기까지 다양하다.In general, a drone is an unmanned aerial vehicle that can be controlled by radio waves, and is equipped with a camera, sensor, and communication system. varied up to

초기 드론은 군사 목적과 수색 및 구조 작전을 지원하기 위해 개발되었지만 그 이후로 드론은 운송 및 화재 진압과 같은 다양한 민간 목적으로 개발되었으며, 현재까지 드론에 대한 대부분의 연구는 비행시간을 개선하거나, 균형을 유지하여 내구성을 향상시키는 공기역학적 해석 방법 등이 제안되었다.Although early drones were developed for military purposes and to support search and rescue operations, since then drones have been developed for a variety of civilian purposes, such as transportation and fire suppression. An aerodynamic analysis method to improve durability by maintaining

최근에는 드론을 이용한 공중 스프레이 기술이 활용되고 있는데, 이 방식은 인건비를 줄이는 동시에 기계의 바퀴나 트랙에 의한 작물과 토양에 대한 물리적 손상 위험을 제거하기 때문에 농업 분야에서 드론을 이용한 공중 스프레이 기술이 주목을 받고 있다.Recently, aerial spray technology using drones is being used. This method reduces labor costs and at the same time eliminates the risk of physical damage to crops and soil caused by wheels or tracks of machines. are receiving

농업용 드론의 스프레이 성능은 효과적인 스프레이 폭, 스프레이 균일성, 액적 크기, 스프레이 액적 부착률, 산란 특성 등 다양한 요인을 통해 평가할 수 있으나, 기존 농업용 드론에 대한 연구는 주로 스프레이 방향이나 범위를 개선하는데 초점을 맞추고 있다.The spray performance of agricultural drones can be evaluated through various factors such as effective spray width, spray uniformity, droplet size, spray droplet adhesion rate, and scattering characteristics. However, existing research on agricultural drones mainly focuses on improving the spray direction or range are aligning

일 예로서, 대한민국 특허등록 제10-2155527호(특허문헌 1)에서는 회전날개가 장착되고, 약액통이 장착된 드론 본체와; 상기 회전날개보다 하부에서 상기 드론 본체에 장착되고, 상기 약액통으로부터 약액을 공급받아 하방향으로 분사하는 분사노즐;을 포함하여 이루어지되, 상기 분사노즐은 상기 드론 본체에 대하여 상기 드론 본체의 비행방향으로 경사지게 배치되어, 상기 분사노즐에서 분사되는 약액이 상기 드론 본체의 비행방향으로 상기 드론 본체에 대하여 경사지게 분사되게 한 농업용 드론이 제안된 바 있는데, 이러한 종래 기술은 약액의 분사 방향을 개선하는데에만 집중하고 있을 뿐, 드론의 스프레이 성능을 평가할 수 있는 스프레이 폭, 스프레이 균일성, 액적 크기, 스프레이 액적 부착률, 산란 특성 등에 관해서는 제시하지 않고 있다.As an example, in the Republic of Korea Patent Registration No. 10-2155527 (Patent Document 1), a drone body equipped with a rotary blade and a chemical liquid container; A spray nozzle that is mounted on the drone body from a lower portion than the rotor blade, receives the chemical solution from the chemical solution container and sprays it downwardly; the injection nozzle is made to include, but the jet nozzle is the flight direction of the drone body with respect to the drone body There have been proposed agricultural drones that are disposed obliquely to the spray nozzle so that the chemical liquid sprayed from the injection nozzle is sprayed obliquely with respect to the drone body in the flight direction of the drone body. However, it does not suggest spray width, spray uniformity, droplet size, spray droplet adhesion rate, scattering characteristics, etc. that can evaluate the spray performance of drones.

1. 대한민국 특허등록 제10-2155527호 등록특허공보1. Korean Patent Registration No. 10-2155527 Patent Publication

1. Foundation of Agri. Tech. Commercialization & Transfer, "Comprehensive test of agricultural unmanned aerial spreader", 22 (2016)1. Foundation of Agri. Tech. Commercialization & Transfer, "Comprehensive test of agricultural unmanned aerial spreader", 22 (2016) 2. LEE, Sang. Woo, "Study on the Structures of the Nozzle for the Spray", Korean Society for Agricultural Machinery, Vol. 18, No. 2, 100~109, 22 (1993).2. LEE, Sang. Woo, "Study on the Structures of the Nozzle for the Spray", Korean Society for Agricultural Machinery, Vol. 18, No. 2, 100-109, 22 (1993).

본 발명은 상기의 종래 기술이 내포한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 드론을 이용하여 물과 살충제를 공중에서 스프레이 함에 있어, 효과적인 스프레이 폭, 액적 크기 및 스프레이 균일성을 향상시킬 수 있게 하는 농업용 드론 노즐을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.The present invention is to solve the problems inherent in the prior art, and in spraying water and pesticides in the air using a drone, an agricultural drone nozzle that can improve effective spray width, droplet size and spray uniformity The purpose is to provide

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 농업용 드론 노즐은, 일측에 에어 유입구가 구비되고 타측에 스프레이 배출구가 구비되며 상기 에어 유입구로부터 상기 스프레이 배출구 방향으로 단면적이 감소된 에어 유로가 형성되고 상기 에어 유로의 단부로부터 상기 스프레이 배출구까지 노즐부가 형성된 노즐 본체; 노즐부 입구와 노즐부 출구를 상호 연결하고 상기 노즐부와 병렬로 형성되는 피드백 채널; 상기 노즐부 출구에 연결된 워터 유입구; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.In the agricultural drone nozzle of the present invention for achieving the above object, an air inlet is provided on one side, a spray outlet is provided on the other side, and an air flow path with a reduced cross-sectional area in the direction of the spray outlet from the air inlet is formed, and the air flow path a nozzle body formed with a nozzle part from the end of the to the spray outlet; a feedback channel interconnecting the nozzle inlet and the nozzle outlet and formed in parallel with the nozzle; a water inlet connected to the nozzle outlet; It is characterized in that it includes.

바람직한 실시 예로서, 상기 스프레이 배출구의 단면적은 에어 배출 방향으로 점차 확장될 수 있다.As a preferred embodiment, the cross-sectional area of the spray outlet may be gradually expanded in the air outlet direction.

더 바람직한 실시 예로서, 상기 피드백 채널은 한 쌍이 상기 노즐부를 사이에 두고 상호 대칭으로 배치될 수 있다.As a more preferred embodiment, a pair of the feedback channels may be disposed symmetrically with the nozzle unit interposed therebetween.

이에 따라 노즐부 및 노즐부와 병렬로 연결된 피드백 채널로 유체가 공급되면 피드백 챔버 벽에 근접하여 분출되는 기류가 벽에 부착되는 코안다 효과(coanda effect)가 발생하게 되고, 이러한 코안다 효과를 이용하여 노즐 내부의 피드백 흐름 경로를 통해 교차 흐름을 생성하여 유체가 출구에서 진동하게 된다.Accordingly, when the fluid is supplied to the nozzle unit and the feedback channel connected in parallel with the nozzle unit, a Coanda effect occurs in which an airflow ejected close to the wall of the feedback chamber is attached to the wall. This creates a cross flow through the feedback flow path inside the nozzle, causing the fluid to vibrate at the outlet.

본 발명과 같이 피드백 채널이 있는 농업용 드론 노즐은 추가 외부 장비 없이 노즐부와 피드백 채널의 상호 작용을 통해 진동 제트 흐름을 생성하게 되고, 이러한 진동은 기존 노즐에 비해 균일한 분사를 생성할 수 있다.Agricultural drone nozzles with a feedback channel as in the present invention generate a vibrating jet flow through the interaction between the nozzle unit and the feedback channel without additional external equipment, and this vibration can generate a uniform spray compared to conventional nozzles.

또한, 피드백 채널이 있는 농업용 드론 노즐은 액적 크기가 최소 6 ~ 8배 감소하여 스프레이로 사용하기에 적합하고, 상용 노즐보다 향상된 분사 균일성을 가진다.In addition, agricultural drone nozzles with feedback channels have a droplet size that is reduced by at least 6 to 8 times, making them suitable for use as sprays and have improved spraying uniformity than commercial nozzles.

게다가 피드백 채널이 있는 농업용 드론 노즐은 액적 크기 및 균일성을 포함한 스프레이 성능 외에도 물과 살충제의 소비를 감소시킬 수 있으며, 그에 따라 본 발명의 농업용 드론 노즐은 스프레이 성능을 향상시킬 수 있을 뿐 아니라 농업 분야의 드론 시장 확대에 기여할 수 있는 등의 효과를 가진다.Besides, agricultural drone nozzle with feedback channel can reduce the consumption of water and pesticide in addition to spray performance including droplet size and uniformity, so that the agricultural drone nozzle of the present invention can not only improve spray performance but also agricultural field It has effects such as contributing to the expansion of the drone market of

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 농업용 드론 노즐의 정면도.
도 2는 도 1의 A-A선을 절개한 단면도.
도 3은 도 2의 B-B선을 절개한 단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 농업용 드론 노즐의 실험용 설계도.
도 5는 농업용 드론 노즐의 스프레이 성능 측정을 위한 실험 장치 설정도.
도 6은 다양한 부하에 따른 유량 및 압력 변화를 보인 그림.
도 7은 이미지 처리 절차를 순차적으로 보인 그림.
도 8은 다양한 부하에 대해 도 5의 1 및 2 위치에서 얻은 대표 이미지.
도 9는 상용 노즐 및 피드백 노즐에 대해 부하 변화에 따른 스프레이 영역 윤곽을 나타낸 그림.
도 10은 피드백 노즐에 대해 도 5의 1 위치에서 부하 변화에 따라 측정된 스프레이 영역 윤곽을 나타낸 그림.
도 11은 z축 5에서 노즐 분사량을 나타낸 라인 프로파일.
도 12는 상용 노즐과 부하 변화에 따른 피드백 노즐에 대해 반경 방향에 따른 평균 입자 크기 분포 및 총 액적의 직경을 대비한 그림.
도 13은 방사형 위치(a) 및 해당 FWHM(b)에 따른 분부량 변화를 보인 그림.
도 14는 다양한 방사형 위치에서 분무량의 정규화 된 표준 편차를 보인 그림.
도 15는 반경 방향에 따른 평균 입자 크기 분포(a) 및 비피드백 노즐의 총 액적 직경(b)을 비교한 그림.
도 16은 방사형 위치에 따른 분사량 변화(a) 및 비피드백 노즐에 대한 해당 FWHM(b)를 보인 그림.
1 is a front view of an agricultural drone nozzle according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a cross-sectional view taken along line AA of Figure 1;
Figure 3 is a cross-sectional view taken along line BB of Figure 2;
Figure 4 is an experimental design of the agricultural drone nozzle according to an embodiment of the present invention.
5 is a set of experimental equipment for measuring spray performance of agricultural drone nozzles.
6 is a diagram showing changes in flow rate and pressure according to various loads.
7 is a diagram sequentially showing an image processing procedure.
Fig. 8 is representative images from positions 1 and 2 of Fig. 5 for various loads.
9 is a diagram showing the spray area contour according to load change for commercial nozzles and feedback nozzles.
FIG. 10 is a plot of the spray area measured as a function of load change at position 1 in FIG. 5 for a feedback nozzle; FIG.
11 is a line profile showing the nozzle injection amount in the z-axis 5.
12 is a graph comparing the average particle size distribution and total droplet diameter along the radial direction for a commercial nozzle and a feedback nozzle according to a load change.
13 is a diagram showing the change in spraying amount according to the radial position (a) and the corresponding FWHM (b).
14 is a diagram showing the normalized standard deviation of the spray volume at various radial positions.
15 is a graph comparing the average particle size distribution along the radial direction (a) and the total droplet diameter of the non-feedback nozzle (b).
16 is a diagram showing the change of injection amount according to the radial position (a) and the corresponding FWHM (b) for the non-feedback nozzle.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 이하에서는 본 발명의 바람직한 양태를 예시하고, 이에 기하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 그러나 이는 본 발명을 예시된 양태에만 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위는 예시된 형태의 통상적인 변경이나 균등물 내지 대체물까지 포함한다.Since the present invention can have various modifications and can have various embodiments, preferred embodiments of the present invention will be exemplified below, and the present invention will be described in detail based thereon. However, this is not intended to limit the present invention to only the illustrated embodiments, and the spirit and scope of the present invention includes ordinary modifications or equivalents to substitutes of the illustrated forms.

또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'된다는 것은 '직접적으로 연결'되거나 어떠한 요소를 두고 '간접적으로 연결'된 경우를 포함하며, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아닌, 다른 구성요소가 추가될 수 있는 것을 의미한다.In addition, throughout the specification, that a part is 'connected' to another part includes a case in which it is 'directly connected' or 'indirectly connected' with an element, and 'includes' a certain element is specifically opposed. Unless otherwise stated, it means that other components may be added, rather than excluding other components.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 농업용 드론 노즐의 정면도이고, 도 2는 도 1의 A-A선을 절개한 단면도이며, 도 3은 도 2의 B-B선을 절개한 단면도이다.1 is a front view of an agricultural drone nozzle according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line A-A of FIG. 1, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line B-B of FIG.

도 1 내지 도 3을 참조하는 바와 같이 본 발명의 농업용 드론 노즐은, 드론에 장착되어 공중에서 에어와 함께 물과 살충제를 스프레이 하기 위한 것으로 드론에 장착되는 노즐 본체(100)를 포함한다.1 to 3, the agricultural drone nozzle of the present invention is mounted on a drone to spray water and pesticides together with air in the air, and includes a nozzle body 100 mounted on the drone.

상기 노즐 본체(100)의 일측에는 에어가 소정 압력으로 유입되는 에어 유입구(110)가 구비되고 상기 노즐 본체(100)의 타측에는 스프레이 배출구(130)가 구비되는 한편, 상기 에어 유입구(110)로부터 상기 스프레이 배출구(130) 방향으로 단면적이 감소된 에어 유로(111)가 형성되고 상기 에어 유로(111)의 단부로부터 상기 스프레이 배출구(130)까지 노즐부(120)가 형성된다.An air inlet 110 through which air is introduced at a predetermined pressure is provided on one side of the nozzle body 100 , and a spray outlet 130 is provided on the other side of the nozzle body 100 , while the air inlet 110 is An air passage 111 having a reduced cross-sectional area is formed in the spray outlet 130 direction, and a nozzle unit 120 is formed from an end of the air passage 111 to the spray outlet 130 .

상기 노즐 본체(100) 내부에는 상기 노즐부(120)와 병렬로 설치되는 피드백 채널(140)이 구비되고, 상기 피드백 채널(140)의 일측 단부는 노즐부 입구(121)에 연결되며 피드백 채널(140)의 타측 단부는 노즐부 출구(122)에 연결된다.A feedback channel 140 installed in parallel with the nozzle part 120 is provided inside the nozzle body 100, and one end of the feedback channel 140 is connected to the nozzle part inlet 121 and the feedback channel ( The other end of 140 is connected to the nozzle outlet 122 .

상기 노즐 본체(100) 내부에 물을 주입하기 위한 워터 유입구(150)는 상기 노즐부 출구(122)에 연결된다.The water inlet 150 for injecting water into the nozzle body 100 is connected to the nozzle part outlet 122 .

이때 상기 스프레이 배출구(130)는 소정의 길이를 가지며, 그의 단면적은 에어 배출 방향으로 점차 확장될 수 있다.At this time, the spray outlet 130 has a predetermined length, and its cross-sectional area may be gradually expanded in the air discharge direction.

또한, 상기 피드백 채널(140)은 한 쌍이 상기 노즐부(120)를 사이에 두고 상호 대칭으로 배치될 수 있다.In addition, a pair of the feedback channels 140 may be disposed symmetrically with the nozzle unit 120 interposed therebetween.

이하, 본 발명에 따른 농업용 드론 노즐의 스프레이 성능 실험에 관하여 상세히 설명하며, 이를 통해 본 발명이 더 구체화될 것이다.Hereinafter, the spray performance test of the agricultural drone nozzle according to the present invention will be described in detail, and the present invention will be further embodied through this.

1. 실험 방법1. Experimental method

- 분사 성능- Spraying performance

농업용 드론의 분사 성능은 분무 균일성, 액적 크기 및 속도, 분무 입자의 부착률 및 산란 특성과 같은 매개 변수를 사용하여 평가되며, 선택한 변수는 목표와 평가자에 따라 달라질 수 있다. 한국 정부는 농업용 드론 인증의 기준으로 스프레이 균일성을 사용하고 있다(비특허문헌 1 참조).The spraying performance of agricultural drones is evaluated using parameters such as spray uniformity, droplet size and velocity, adhesion rate of spray particles, and scattering properties, the parameters chosen may vary depending on the target and the rater. The Korean government is using spray uniformity as a standard for agricultural drone certification (see Non-Patent Document 1).

이에, 스프레이 균일성과 액적 크기를 기반으로 본 발명의 농업용 드론 노즐과 기존 드론 유형의 각 분사 성능을 비교하였다. 이러한 매개 변수는 바람 및 온도와 같은 외부 요인의 영향 없이 스프레이 성능에 대한 노즐 설계의 유일한 영향을 평가할 수 있다.Accordingly, the spraying performance of the agricultural drone nozzle of the present invention and the conventional drone type was compared based on the spray uniformity and droplet size. These parameters can evaluate the unique effect of nozzle design on spray performance without the influence of external factors such as wind and temperature.

후술하는 FWHM(full width at half maximum)은 최대 값의 절반에 있는 점 사이의 곡선 너비를 나타내는 값이며 분포를 위한 함수의 크기를 나타내는데 사용된다. 본 발명자는 FWHM을 이용하여 분사 폭을 계산하였으며, 방사상 위치에 따른 분사량 및 액적 크기 측면에서 분사 균일성을 비교하였다.FWHM (full width at half maximum), which will be described later, is a value indicating the width of a curve between points at half the maximum value and is used to indicate the size of a function for distribution. The present inventors calculated the spray width using the FWHM, and compared the spraying uniformity in terms of the spray amount and droplet size according to the radial position.

- 실험 노즐- Experimental nozzle

본 발명의 드론 노즐의 분사 성능을 다른 두 노즐의 분사 성능과 비교하였다.The injection performance of the drone nozzle of the present invention was compared with that of the other two nozzles.

먼저, 본 발명에 따른 농업용 드론 노즐은 도 4에 도시된 바와 같이 설계된 것으로 3D 프린팅 기법으로 제조(이하, '피드백 노즐'이라 한다)하였다. 주요 부분의 치수는, 에어 유입구(110)의 직경 8mm, 워터 유입구(150)의 직경 1mm, 에어 유로(111), 노즐부(120) 및 스프레이 배출구(130)의 각 폭 2mm, 에어 유로(111)의 높이는 10mm에서 3.2mm로 감소되게 하고, 스프레이 배출구(130)는 3.2mm에서 10mm까지 확장시켰다.First, the agricultural drone nozzle according to the present invention was designed as shown in FIG. 4 and manufactured by 3D printing technique (hereinafter referred to as 'feedback nozzle'). The dimensions of the main part are, the diameter of the air inlet 110 is 8 mm, the diameter of the water inlet 150 is 1 mm, the air passage 111, the width of each of the nozzle unit 120 and the spray outlet 130 is 2 mm, the air passage 111 ) was reduced from 10mm to 3.2mm in height, and the spray outlet 130 was extended from 3.2mm to 10mm.

비교재로서, 하나는 팬 모양의 상업용 노즐(TEEJET XR11002, 스프레이 시스템)(이하, '상용 노즐'이라 한다)로서 현재 상업용 및 농업용 드론에 사용되고 있으며, 다른 하나는 피드백 노즐의 피드백 채널 효과를 확인하기 위해 피드백 채널이 없는 노즐(이하, '비피드백 노즐'이라 약칭함)이다. 비피드백 노즐의 규격은 피드백 채널을 제외하고 다른 물리적 치수는 도 4의 피드백 노즐의 규격과 동일하다. 노즐 테스트를 위한 유속은 실제로 농업용 드론에서 사용하고 있는 조건과 유사한 500mL/min로 하였다.As a comparative material, one is a fan-shaped commercial nozzle (TEEJET XR11002, spray system) (hereinafter referred to as 'commercial nozzle'), which is currently used in commercial and agricultural drones, and the other is to check the feedback channel effect of the feedback nozzle. It is a nozzle without a feedback channel (hereinafter abbreviated as 'non-feedback nozzle'). The dimensions of the non-feedback nozzle are the same as those of the feedback nozzle of FIG. 4 except for the feedback channel. The flow rate for the nozzle test was set to 500mL/min, which is similar to the conditions actually used in agricultural drones.

- 분사 성능 측정- Measurement of injection performance

도 5는 분사 성능을 측정하는데 사용되는 실험 설정 구조를 개략적으로 나타낸 것으로, 주유량은 에어 펌프(Wob-L Piston Gas Pump WA80DC, YLKTECH)를 이용하여 주입하였으며, 워터 유입구를 통한 물 공급은 정수압을 통해 제어하였다. 에어 펌프를 이용하여 주입구에서 8.1L/min의 주유량을 생성한 후 정수압을 가하여 분사하였다. 정수압 변경을 위해 워터 피스톤 상부에 분동을 추가하고 중량을 0kg에서 50kg으로 10kg 단위로 변경하여 분사 성능을 확인하였다. 정적압력은 도 5에 표시된 1 내지 4 위치에서 측정하였고, 워터 피스톤의 다양한 부하에 해당하는 압력과 유속은 도 6에 예시하였다. 부하가 없는 경우 압력과 유속은 0.05bar 및 50mL/min이고, 압력과 유량은 부하가 증가함에 따라 증가하는 것으로 나타났다. 변경률은 30kg보다 큰 부하에서 더 증가하는 것으로 나타났으며, 부하가 30kg을 초과하면 부하가 증가함에 따라 압력과 유량이 모두 증가한다.5 schematically shows the experimental setup structure used to measure the injection performance, and the amount of oil was injected using an air pump (Wob-L Piston Gas Pump WA80DC, YLKTECH), and the water supply through the water inlet is through hydrostatic pressure. Controlled. After generating an oil flow of 8.1L/min at the inlet using an air pump, hydrostatic pressure was applied to spray. To change the hydrostatic pressure, a weight was added to the upper part of the water piston and the weight was changed from 0 kg to 50 kg in 10 kg increments to check the injection performance. The static pressure was measured at positions 1 to 4 shown in FIG. 5 , and the pressure and flow rate corresponding to various loads of the water piston are illustrated in FIG. 6 . In the case of no load, the pressure and flow rate were 0.05 bar and 50 mL/min, and the pressure and flow rate were found to increase with increasing load. The rate of change was found to increase more at a load greater than 30 kg, and when the load exceeds 30 kg, both pressure and flow increase as the load increases.

스프레이 입자의 이미지는 고속 카메라(Fastcam Mini UX50, Photron, USA)로 초당 2000프레임으로 캡처하였다. 얻은 이미지는 디지털 이미지 처리 기술을 사용하여 분석하였고, 원점은 분석에서 노즐 출구의 중심에 설정되었으며, 도 5에서 x 축과 z 축은 각각 방사형 및 분사 방향을 나타낸다. Images of the spray particles were captured at 2000 frames per second with a high-speed camera (Fastcam Mini UX50, Photron, USA). The obtained images were analyzed using digital image processing techniques, the origin was set at the center of the nozzle exit in the analysis, and the x-axis and z-axis in Fig. 5 represent the radial and jetting directions, respectively.

도 5에서 보는 바와 같이 넓은 범위의 입자 분포를 확인하기 위해 분무 물방울을 4개 영역에서 시각화하고 카메라를 x축으로 ±50mm, z축으로 50mm 이동하여 촬영하였다.As shown in FIG. 5 , spray droplets were visualized in four areas to confirm the particle distribution in a wide range, and the camera was moved ±50 mm in the x-axis and 50 mm in the z-axis to take pictures.

- 데이터 분석- Data analysis

도 7은 이미지 처리 절차를 나타낸 것으로, 도 7의 (a)는 원본 이미지, (b)는 임계값 보정, (c)는 노이즈 감소, (d)는 입자 추적을 보인 것이다.7 shows an image processing procedure, (a) is the original image, (b) is threshold correction, (c) is noise reduction, (d) is particle tracking.

처리된 이미지는 Image J 소프트웨어를 사용하여 원본 이미지에 대해 임계값 보정 및 노이즈 감소를 순차적으로 수행하여 얻었으며, Image J 소프트웨어의 입자 추적 기능은 위치 및 크기를 포함한 스프레이 액적 정보를 추출하기 위해 처리된 이미지와 함께 사용하였다.The processed images were obtained by sequentially performing threshold correction and noise reduction on the original image using Image J software, and the particle tracking function of Image J software was used to extract the spray droplet information including position and size. Used with images.

도 8은 도 5의 위치 1과 2에서 얻은 피드백 노즐의 대표적인 처리 이미지를 나타낸 것으로, 도 8의 (a)는 위치 1, (b)는 위치 2에서 얻은 것이다.FIG. 8 shows representative processed images of the feedback nozzles obtained at positions 1 and 2 of FIG. 5 , wherein (a) of FIG. 8 is obtained at position 1, (b) is obtained at position 2.

통계 분석을 위해 스프레이 이미지를 1초 동안 캡처하고 최종 액적 정보를 합산하고 평균을 냈으며, 액적 정보로부터 방사상 위치에 대한 FWHM 및 액적 분포와 같은 다양한 매개 변수를 계산하여 분무 성능을 비교하였다.For statistical analysis, spray images were captured for 1 second, final droplet information was summed and averaged, and various parameters such as FWHM for radial position and droplet distribution were calculated from the droplet information to compare spray performance.

2. 결과2. Results

- 스프레이 분포- Spray distribution

도 9는 상용 노즐과 피드백 노즐의 각 스프레이 분포의 윤곽을 비교한 것으로, 도 9의 (a)는 상용 노즐을, (b) 내지 (e)는 각각 피드백 노즐에서 부하가 0kg, 30kg, 40kg, 50kg이 가해진 상태를 나타낸다.9 is a comparison of the outline of each spray distribution of the commercial nozzle and the feedback nozzle, (a) of FIG. 9 is a commercial nozzle, (b) to (e) are 0kg, 30kg, 40kg, respectively, the load in the feedback nozzle, Indicates the state in which 50 kg is applied.

도 10은 도 5의 위치 1에서의 피드백 노즐의 스프레이 분포를 통해 스프레이 영역의 윤곽을 더 명확하게 비교하기 위한 것으로, 도 10의 (a) 내지 (d)는 각각 피드백 노즐에서 부하가 0kg, 30kg, 40kg, 50kg이 가해진 상태를 나타낸다.10 is to more clearly compare the outline of the spray area through the spray distribution of the feedback nozzle at position 1 of FIG. , indicates the state in which 40 kg and 50 kg are applied.

모든 경우에 노즐의 중심선을 따라 많은 양의 물방울이 분출되며, 노즐 끝에서 멀어질수록 물방울의 양이 감소하였다.In all cases, a large amount of water droplets were ejected along the center line of the nozzle, and the amount of water droplets decreased as the distance from the nozzle tip increased.

또한, 정량적 비교를 위해 z = 5일 때 각 부하에 대한 분사량의 선 프로파일을 도 11에 나타내었다. 분사 폭은 도 10과 같이 부하가 증가함에 따라 증가한다. 분사된 물은 노즐 팁 근처에 집중되지만 피드백 노즐은 노즐 팁에서 더 멀리 떨어져 있는 고유값을 갖는다. 부하가 증가함에 따라 분사량과 유효 분사 각도 모두 증가하였으며, 이는 피드백 노즐에서 더 높은 부하가 가해질 때 균일한 스프레이를 더 쉽게 만들 수 있음을 의미한다.In addition, for quantitative comparison, the line profile of the injection amount for each load when z = 5 is shown in FIG. 11 . The injection width increases as the load increases, as shown in FIG. 10 . The jetted water is concentrated near the nozzle tip, but the feedback nozzle has an intrinsic value further away from the nozzle tip. As the load increased, both the spray volume and the effective spray angle increased, meaning that it was easier to produce a uniform spray when a higher load was applied from the feedback nozzle.

- 액적 크기- droplet size

도 12의 (a)는 상용 노즐과 다양한 부하를 가한 피드백 노즐에 대한 반경 방향에 따른 평균 입자 크기 분포를 나타낸 것이고, (b)는 총 액적 직경을 비교한 것이다. 왼쪽 축과 오른쪽 축은 각각 피드백 노즐과 상용 노즐용이다.Fig. 12 (a) shows the average particle size distribution along the radial direction for a commercial nozzle and a feedback nozzle to which various loads are applied, and (b) is a comparison of the total droplet diameter. The left and right axes are for feedback nozzles and commercial nozzles, respectively.

노즐 중심에서 방사상 위치의 평균 액적 크기 분포는 도 12 (a)와 같이 모든 경우에 노즐 중앙에서 더 큰 액적이 관찰된다. 피드백 노즐과 비교하여 상용 노즐은 급격한 피크 분포를 나타내며, 상용 노즐의 액적 크기는 x/D = 1.5에서 10%로 감소하였다. 피드백 노즐은 상용 노즐보다 훨씬 작은 액적 크기를 가지며 반경 위치가 증가함에 따라 크기가 점차 감소하였고, 이러한 분포는 피드백 노즐이 상용 노즐보다 더 넓은 범위에서 더 균일한 액적 크기를 생성할 수 있음을 보여준다.As for the average droplet size distribution at the radial position from the nozzle center, a larger droplet is observed at the nozzle center in all cases as shown in Fig. 12(a). Compared with the feedback nozzle, the commercial nozzle showed a sharp peak distribution, and the droplet size of the commercial nozzle decreased from x/D = 1.5 to 10%. The feedback nozzle had a much smaller droplet size than the commercial nozzle and gradually decreased in size as the radial position increased, and this distribution shows that the feedback nozzle can produce a more uniform droplet size over a wider range than the commercial nozzle.

그림 12의 (b)는 전체 위치에서 평균 액적 크기를 보인 것으로, 비특허문헌 2의 "분무기용 노즐의 구조에 관한 연구"에 따르면 스프레이 입자의 직경이 150 ~ 440㎛이고, 비산을 방지하기 위한 최적 직경이 250 ~ 500㎛일 때 좋은 스프레이 효과를 얻을 수 있다.Figure 12 (b) shows the average droplet size in all positions, and according to "Study on the Structure of Nozzle for Sprayer" of Non-Patent Document 2, the diameter of the spray particles is 150 ~ 440㎛, and When the optimum diameter is 250 ~ 500㎛, good spray effect can be obtained.

상용 노즐은 분무기에 적합한 범위를 초과하는 1.70mm의 액적 크기를 가지는 반면, 피드백 노즐은 농업 분야에 적합한 30kg 부하 조건에서 226㎛의 액적 크기를 가진다. 40kg 및 50kg의 부하 조건에서 액적의 직경은 각각 265㎛ 및 280㎛이며, 이는 비산을 방지하기에 충분하다. 액적 크기의 감소는 피드백 노즐이 농업용 드론의 성능을 향상시킬 수 있음을 나타낸다.Commercial nozzles have a droplet size of 1.70 mm, which exceeds the range suitable for sprayers, while feedback nozzles have a drop size of 226 μm at 30 kg load conditions suitable for agricultural applications. Under the load conditions of 40 kg and 50 kg, the diameters of the droplets are 265 μm and 280 μm, respectively, which is sufficient to prevent scattering. The reduction in droplet size indicates that feedback nozzles can improve the performance of agricultural drones.

- 스프레이 균일성- Spray uniformity

도 13의 (a)는 반경 방향에 따른 평균 액적 크기 분포를 보인 것이고, (b)는 비피드백 노즐과 피드백 노즐의 총 액적 직경을 비교한 것이다.13 (a) shows the average droplet size distribution along the radial direction, and (b) compares the total droplet diameters of the non-feedback nozzle and the feedback nozzle.

도 13의 (a)에서 분무량은 방사상 위치가 동일한 모든 z 위치에서 입자의 면적을 합산하여 구했다. 부하가 없는 상용 노즐 및 피드백 노즐의 최대량은 각각 약 30470㎟ 및 1784㎟이다. 분무량은 부하에 따라 증가하여 50kg 부하 조건에서 28705㎟에 이른다. 도 13의 (b)는 부하 조건(1.017D) 없이도 상용 노즐이 피드백 노즐보다 FWHM(0.233D)이 훨씬 더 작다는 것을 보여준다. 30kg 이상의 부하에서는 부하 조건에 관계없이 FWHM은 유사하다.In (a) of FIG. 13 , the spray amount was obtained by summing the area of the particles at all z positions having the same radial position. The maximum amount of unloaded commercial nozzles and feedback nozzles is about 30470 mm 2 and 1784 mm 2 respectively. The amount of spray increases according to the load and reaches 28705mm2 under the 50kg load condition. Fig. 13(b) shows that the FWHM (0.233D) of the commercial nozzle is much smaller than that of the feedback nozzle even without the load condition (1.017D). At a load of 30 kg or more, the FWHM is similar regardless of the load condition.

효과적인 스프레이와 드론의 비행시간 연장을 위해서 균일한 스프레이가 핵심 매개 변수임을 고려할 때 상용 노즐의 분사량이 많음에도 FWHM 결과는 피드백 노즐이 스프레이 균일성 측면에서 우수한 것으로 나타났다. 또한, 피드백 노즐은 상용 노즐에 비해 살충제 사용량을 감소시킬 수 있다.Considering that uniform spray is a key parameter for effective spraying and extending the flight time of drones, the FWHM result shows that the feedback nozzle is superior in terms of spray uniformity despite the large amount of spraying of commercial nozzles. In addition, feedback nozzles can reduce pesticide usage compared to commercial nozzles.

도 14는 총 분사량의 평균값으로 정규화된 다양한 방사형 위치에서 분사량에 대한 표준 편차를 나타낸다. 모든 그래프는 표준 편차가 그래프 중심에서 x/D = ± 1.5까지 반경 방향을 따라 감소하는 유사한 추세를 보여준다. 개발된 노즐의 표준 편차는 적용된 부하에 따라 증가하며, 부하가 50kg인 상용 노즐과 피드백 노즐의 최대 표준 편차는 각각 약 17 및 11.5로 피드백 노즐의 분포가 더 균일함을 확인할 수 있다.14 shows the standard deviation for the injection amount at various radial positions normalized to the average value of the total injection amount. All graphs show a similar trend in which the standard deviation decreases along the radial direction from the center of the graph to x/D = ± 1.5. The standard deviation of the developed nozzle increases with the applied load, and the maximum standard deviation of a commercial nozzle with a load of 50 kg and a feedback nozzle is about 17 and 11.5, respectively, confirming that the distribution of the feedback nozzles is more uniform.

- 피드백 채널의 효과- Effects of feedback channels

피드백 채널의 유효성을 확인하기 위해 피드백 노즐과 유사한 설정으로 비피드백 노즐에 대한 실험을 수행하였다. 무부하 실험은 피드백 노즐 실험에서 관찰된 바와 같이 분사량이 부족하여 제외되었다. 도 15의 (a)는 비피드백 노즐의 방사형 위치와 평균 액적 직경에 따른 액적 크기의 변화를 나타낸 것으로, 크기 변화는 피드백 노즐의 것과 유사하고, 노즐 중심에서 더 큰 액적이 관찰되며, 반경 거리가 증가함에 따라 크기가 감소한다. 도 15의 (b)에서 보는 바와 같이 모든 경우의 직경은 적절한 범위를 초과하였고, 이 결과는 피드백 채널이 적절한 크기의 액적과 균일한 스프레이를 생성하는데 효과적임을 보여준다.To check the effectiveness of the feedback channel, an experiment was performed on a non-feedback nozzle with a setting similar to that of the feedback nozzle. The no-load test was excluded due to insufficient injection amount as observed in the feedback nozzle test. Fig. 15 (a) shows the change in droplet size according to the radial position and average droplet diameter of the non-feedback nozzle. The size change is similar to that of the feedback nozzle, a larger droplet is observed at the nozzle center, and the radial distance is It decreases in size as it increases. As shown in (b) of FIG. 15 , the diameters in all cases exceeded the appropriate range, and this result shows that the feedback channel is effective in generating droplets of an appropriate size and a uniform spray.

방사상 위치에 따른 분사량과 비피드백 노즐에 대한 FWHM은 도 16에 나타내었다. 즉 도 16의 (a)는 방사상 위치에 따른 분사량의 변화를 나타낸 것이고, (b)는 비피드백 노즐에 대한 해당 FWHM을 나타낸 것으로, 피드백 시나리오와 유사하게, 분사량은 더 높은 부하에서 증가하고, 최대량은 50kg 부하에서 20036.8㎟이다. FWHM은 30kg에서 1.329, 40kg에서 1.375, 50kg에서 1.375이며, 이는 피드백 노즐에 비해 비피드백 노즐은 분사량과 FWHM 값이 적게 나타난 것으로, 이를 통해 피드백 채널이 균일한 분사에 더 효과적임을 확인하였다.Fig. 16 shows the injection amount according to the radial position and the FWHM for the non-feedback nozzle. That is, (a) of FIG. 16 shows the change in the injection amount according to the radial position, and (b) shows the corresponding FWHM for the non-feedback nozzle. Similar to the feedback scenario, the injection amount increases at a higher load, and the maximum amount is 20036.8㎟ at 50kg load. The FWHM was 1.329 at 30 kg, 1.375 at 40 kg, and 1.375 at 50 kg, which showed that the non-feedback nozzle showed less injection amount and FWHM value than the feedback nozzle, confirming that the feedback channel is more effective for uniform injection.

피드백 채널의 효과를 더 확인하기 위해 피드백 채널이 없는 노즐의 분사 성능을 추가로 검토한바, 비피드백 노즐 직경은 상용 노즐보다 작았지만 부하 조건에 관계없이 피드백 채널이 제거됨에 따라 액적 크기가 증가하였고, 비피드백 노즐의 액적 직경은 분무기에 사용하기에 적합하지 않았다. 또한, 비피드백 노즐의 분사 균일성은 피드백이 있는 경우보다 낮았으며, 액적 크기와 분사 균일성을 모두 고려할 때 FWHM은 30kg을 초과하는 부하에 거의 독립적인데 비해, 부하가 증가함에 따라 액적 크기가 증가하였으며, 따라서 30kg 부하 조건이 최적임을 확인하였다. 또한, 액적 크기 및 균일성을 포함한 스프레이 성능 외에도, 피드백 노즐은 물과 살충제의 소비를 감소시킬 수 있는데, 예를 들어 50kg 부하가 가해질 때 피드백 노즐의 유량은 150mL/min로 이는 상용 노즐(500mL/min)보다 물과 살충제의 소비를 대폭 감소시킬 수 있음을 의미한다.In order to further confirm the effect of the feedback channel, the jetting performance of the nozzle without the feedback channel was further reviewed. The diameter of the non-feedback nozzle was smaller than that of the commercial nozzle, but the droplet size increased as the feedback channel was removed regardless of the load condition. The droplet diameter of the non-feedback nozzle was not suitable for use in the nebulizer. In addition, the spray uniformity of the non-feedback nozzle was lower than that with feedback, and when both droplet size and spray uniformity were considered, the FWHM was almost independent of the load exceeding 30 kg, whereas the droplet size increased as the load increased. , therefore, it was confirmed that the 30 kg load condition was optimal. In addition, in addition to spray performance including droplet size and uniformity, feedback nozzles can reduce water and pesticide consumption, for example, when a 50 kg load is applied, the feedback nozzle's flow rate is 150 mL/min, which is equivalent to that of commercial nozzles (500 mL/min). min), which means that the consumption of water and pesticides can be significantly reduced.

한편, 도 4에서 예시된 피드백 노즐의 규격에 비해 소형화된 피드백 노즐에 대해 위와 같이 동일한 실험을 수행하였으며, 그 결과 도 4의 규격 노즐보다 33% 작아진 노즐 범위까지 위의 실험 결과와 유사한 효과가 나타났음을 확인하였으며, 따라서 본 발명의 농업용 드론 노즐은 도 4에서 예시된 규격으로 한정되지 않으며, 그것보다 33% 작아진 범위까지 적용될 수 있다는 것을 밝혀둔다.On the other hand, the same experiment was performed on the feedback nozzle smaller than the standard of the feedback nozzle illustrated in FIG. 4 , and as a result, an effect similar to the above experiment result was obtained up to a nozzle range that was 33% smaller than the standard nozzle of FIG. It was confirmed that appeared, therefore, the agricultural drone nozzle of the present invention is not limited to the standard illustrated in FIG.

이와 같이 상술한 설명은 본 발명의 기술 사상을 보인 한정된 실시 예에 따라 설명하였으나, 본 발명은 특정의 실시예나 형상 및 수치에 한정되지 아니하며, 실시 예들의 구성요소 일부를 변경, 혼합하는 등, 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 수정 및 변형 실시가 가능하고, 그러한 수정 및 변형 실시는 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.As such, the above description has been described according to limited embodiments showing the technical spirit of the present invention, but the present invention is not limited to specific embodiments or shapes and figures, and by changing, mixing, etc., some of the components of the embodiments. Various modifications and variations can be made by those of ordinary skill in the art to which the invention pertains without departing from the gist of the invention, and such modifications and variations are not to be individually understood from the technical spirit or prospect of the present invention. it won't be

100... 노즐 본체
110... 에어 유입구
111... 에어 유로
120... 노즐부
121... 노즐부 입구
122... 노즐부 출구
130... 스프레이 배출구
140... 피드백 채널
150... 워터 유입구
100... nozzle body
110... air inlet
111... Air Euro
120... Nozzle
121... Nozzle inlet
122... Nozzle part outlet
130... spray outlet
140... Feedback Channel
150... water inlet

Claims (3)

일측에 에어 유입구가 구비되고 타측에 스프레이 배출구가 구비되며 상기 에어 유입구로부터 상기 스프레이 배출구 방향으로 단면적이 감소된 에어 유로가 형성되고 상기 에어 유로의 단부로부터 상기 스프레이 배출구까지 노즐부가 형성된 노즐 본체;
노즐부 입구와 노즐부 출구를 상호 연결하고 상기 노즐부와 병렬로 배치되는 피드백 채널;
상기 노즐부 출구에 연결된 워터 유입구; 를 포함하는 농업용 드론 노즐로서,
상기 스프레이 배출구의 단면적은 에어 배출 방향으로 점차 확장되고,
상기 피드백 채널은 한 쌍이 상기 노즐부를 사이에 두고 상호 대칭으로 배치되며,
상기 농업용 드론 노즐은, 상기 에어 유입구의 직경 8mm, 상기 워터 유입구의 직경 1mm, 상기 에어 유로, 노즐부 및 스프레이 배출구의 각 폭 2mm, 상기 에어 유로의 높이는 10mm에서 3.2mm로 감소되게 하고, 상기 스프레이 배출구는 3.2mm에서 10mm까지 확장시킨 것을 특징으로 하는 농업용 드론 노즐.
a nozzle body having an air inlet on one side and a spray outlet on the other side, an air passage having a reduced cross-sectional area in a direction from the air inlet to the spray outlet, and a nozzle unit formed from an end of the air passage to the spray outlet;
a feedback channel interconnecting the nozzle inlet and the nozzle outlet and disposed in parallel with the nozzle;
a water inlet connected to the nozzle outlet; As an agricultural drone nozzle comprising a,
The cross-sectional area of the spray outlet gradually expands in the air discharge direction,
A pair of the feedback channels are disposed symmetrically with each other with the nozzle unit interposed therebetween,
The agricultural drone nozzle is, the diameter of the air inlet is 8mm, the diameter of the water inlet is 1mm, each width of the air passage, the nozzle part and the spray outlet is 2mm, the height of the air passage is reduced from 10mm to 3.2mm, and the spray Agricultural drone nozzle, characterized in that the outlet is extended from 3.2mm to 10mm.
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