張瑞瑞，李 楊，伊銅川，陳立平

(1.國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100097；2.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097)

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有人直升機(jī)變量施藥控制系統(tǒng)的設(shè)計與試驗

張瑞瑞1,2，李 楊1,2，伊銅川1,2，陳立平1,2

(1.國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100097；2.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097)

為了實現(xiàn)航空施藥作業(yè)時施藥量的變量控制，設(shè)計了一種用于有人直升機(jī)的變量施藥控制系統(tǒng)。系統(tǒng)能根據(jù)施藥直升機(jī)飛行速度的變化情況，自動調(diào)整施藥管道內(nèi)的施藥量，從而實現(xiàn)單位面積施藥量保持不變。試驗結(jié)果表明：當(dāng)直升機(jī)飛行速度小于160km/h時，實際施藥量和設(shè)定施藥量之間的誤差保持在10%以內(nèi)。

有人直升機(jī)；變量施藥；控制系統(tǒng)；STM32

0 引言

航空施藥作業(yè)是農(nóng)業(yè)航空服務(wù)最主要的作業(yè)項目。近年來，隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)手段(如 GPS自動導(dǎo)航、施藥自動控制系統(tǒng)及各種作業(yè)模型)的逐步應(yīng)用，施藥作業(yè)變得更加精準(zhǔn)、高效，對環(huán)境的污染也在不斷降低[1-3]。

目前，國外已經(jīng)有商用化的航空變量施藥控制系統(tǒng)在售，如加拿大AG-NAV公司型號為AG-FLOW的導(dǎo)航控制設(shè)備，它能夠?qū)崟r顯示噴藥地塊、路線及施藥量等[4]。Adapco公司生產(chǎn)的Wingman GX具有較大的使用范圍，可以提供基本的飛行指導(dǎo)、飛行記錄及噴灑流量控制等功能，并且能夠?qū)崟r通過氣象傳感器系統(tǒng)接收和處理氣象信息，從而減少了噴灑過程中農(nóng)藥在非靶標(biāo)作物上的飄移量，最大程度地優(yōu)化噴灑質(zhì)量[5]。

我國農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)近年來得到了快速發(fā)展，但仍與發(fā)達(dá)國家存在較大差距。目前，國內(nèi)許多科研人員對于航空施藥導(dǎo)航和控制的研究主要集中在無人機(jī)的平臺上，國內(nèi)尚沒有學(xué)者針對有人直升機(jī)的施藥量控制裝置展開研究[6-8]；國內(nèi)基于有人直升機(jī)的施藥作業(yè)均采用的是無差別施藥，其施藥量在每個作業(yè)區(qū)域都是相同的，在一定程度上造成了農(nóng)藥浪費，或造成需藥量多的區(qū)域藥量不足，達(dá)不到施藥效果。

國外變量施藥裝備價格昂貴，且難以進(jìn)行二次開發(fā)，直接引進(jìn)國外現(xiàn)有的變量施藥設(shè)備，由于缺乏對各類機(jī)型的實際施藥參數(shù)進(jìn)行測試，無法滿足國內(nèi)有人直升機(jī)機(jī)施藥作業(yè)的需求[9]。

為此，本文在消化吸收國外變量施藥控制系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國有人直升機(jī)施藥的實際情況，研發(fā)了一套適合有人直升機(jī)的變量施藥控制系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的控制效果進(jìn)行了試驗研究。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 總體設(shè)計

圖1為本文所設(shè)計的航空施藥變量控制系統(tǒng)框圖。其采用STM32作為系統(tǒng)的主控制器，主要完成飛機(jī)飛行速度和施藥流量的采集和計算、按鍵輸入模塊和電動球閥的驅(qū)動、顯示器的實時顯示及控制算法的實施；GNSS模塊用來測量施藥過程中飛機(jī)的飛行速度；流量傳感器選用口徑為DN25的渦輪流量計，用來實現(xiàn)施藥管道內(nèi)瞬時流量的采集；顯示器用來顯示用戶通過按鍵輸入模塊設(shè)定的作業(yè)幅寬、單位面積施藥量的修改過程，并能實時顯示施藥飛機(jī)的實際瞬時施藥量；電動球閥驅(qū)動器根據(jù)主控制器發(fā)出的控制信號，調(diào)節(jié)電動球閥的開度，實現(xiàn)施藥管道中流量的實時調(diào)節(jié)；數(shù)據(jù)存儲模塊選用SD卡，用來實現(xiàn)施藥過程中設(shè)定的作業(yè)幅寬、設(shè)定施藥量、瞬時流量及實際施藥量等數(shù)據(jù)的存儲，便于后續(xù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1.2 控制算法

圖2為本文所設(shè)計的航空變量施藥控制系統(tǒng)的控制方案流程圖。該方案的控制目標(biāo)為：在一定速度范圍內(nèi)，無論施藥飛機(jī)的飛行速度是恒定還是變化，系統(tǒng)自動使實際施藥量與設(shè)定施藥量之間的誤差保持在10%以內(nèi)。

圖1 變量施藥控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 控制方案流程圖

1.3 控制方案設(shè)計

1)瞬時流量的計算。瞬時流量q通過流量傳感器輸出脈沖進(jìn)行計量，其與脈沖頻率之間的關(guān)系可以描述為

(1)

其中，f為流量傳感器輸出脈沖的頻率(Hz)；k為傳感器的儀表系數(shù)，由生產(chǎn)廠家提供(1/L)；q為藥液的瞬時流量(L/h)。

2)實際施藥量計算。飛機(jī)在施藥過程中的飛行速度，通過機(jī)載的GNSS模塊輸出的信息，提取得到飛機(jī)的實時飛行速度v(km/h);通過按鍵輸入模塊設(shè)定飛機(jī)施藥作業(yè)的作業(yè)幅寬d(m)、單位面積的設(shè)定施藥量Qs(L/hm2)。根據(jù)設(shè)定參數(shù)計算得到實際施藥量Qv(L/hm2)，實際施藥量可表示為

(2)

其中，d為施藥的作業(yè)幅寬(m)；v為施藥飛機(jī)的飛行速度(km/h)；

根據(jù)施藥過程中的實際要求，當(dāng)實際施藥量Qv大于設(shè)定施藥量Qs時，通過施藥控制器，調(diào)節(jié)三通球閥的開度使施藥管道內(nèi)流量減?。划?dāng)實際施藥量Qv小于設(shè)定施藥量Qs時，通過施藥量控制器，調(diào)節(jié)三通球閥的開度使施藥管道內(nèi)流量增加，從而實現(xiàn)實際施藥量和設(shè)定施藥量保持一致的目的。

1.4 軟件設(shè)計

航空施藥變量控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、LED顯示和按鍵設(shè)定4個部分。其中，數(shù)據(jù)采集部分主要完成GPS速度信號和流量傳感器信號的提?。蝗缓笸ㄟ^數(shù)據(jù)處理模塊對流量傳感器采集的信號進(jìn)行濾波等預(yù)處理，根據(jù)按鍵設(shè)定的作業(yè)幅寬、設(shè)定施藥量及飛機(jī)飛行速度計算出單位面積的施藥量；然后通過球閥驅(qū)動器調(diào)節(jié)電動球閥的開度，使實際施藥量和設(shè)定施藥量保持一致；最后，通過LED顯示模塊將實際的施藥量進(jìn)行實時顯示。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 模塊設(shè)計

系統(tǒng)包含電源、主控制器、按鍵輸入、顯示器和電動球閥驅(qū)動5個主要模塊。

2.1 電源模塊

球閥驅(qū)動器和流量傳感器供電電壓均為24V，因此采用飛機(jī)上的DC24V電瓶進(jìn)行供電；通過LM2695將24V轉(zhuǎn)換為12V給顯示器和電動球閥驅(qū)動電路供電；選用MP2359將12V電壓首先轉(zhuǎn)換成5V，再通過ASM1117-3.3V芯片得到3.3V電壓，給單片機(jī)系統(tǒng)、SD卡和GPS模塊供電。

2.2 主控制器模塊

系統(tǒng)選用STM32F103RCT6作為主控制器，其最小系統(tǒng)原理圖如圖4所示。主控制器通過內(nèi)置PWM模塊采集流量傳感器輸出的脈沖信號，根據(jù)測得的脈沖信號計算出施藥管道內(nèi)的瞬時流量；結(jié)合按鍵輸入模塊設(shè)定的作業(yè)幅寬和設(shè)定施藥量，實現(xiàn)對實際施藥量的調(diào)節(jié)。

圖4 主控制器原理圖

2.3 按鍵輸入模塊

圖5為本系統(tǒng)設(shè)計的按鍵輸入面板實物圖。 其中，“+”和“-”按鈕用來實現(xiàn)對幅寬和設(shè)定施藥量的修改操作；設(shè)定按鈕用來實現(xiàn)設(shè)定施藥量、作業(yè)幅寬和實際施藥量的切換，系統(tǒng)啟動后默認(rèn)顯示設(shè)定施藥量。

圖5 按鍵輸入面板

2.4 顯示器模塊

選用4位數(shù)碼管顯示屏，來對直升機(jī)作業(yè)過程中設(shè)定的作業(yè)幅寬、設(shè)定施藥量和實際施藥量進(jìn)行顯示，數(shù)碼顯示屏與主控制器STM32之間采用RS485通訊協(xié)議進(jìn)行通訊。

2.5 球閥驅(qū)動模塊

系統(tǒng)選擇博力謀公司生產(chǎn)的NRQU24-SR快速調(diào)節(jié)型球閥驅(qū)動器，來實現(xiàn)三通球閥的開度控制，從而達(dá)到調(diào)節(jié)施藥管道內(nèi)施藥量的目的。NRQU24-SR球閥驅(qū)動器供電電壓為12V，控制信號為0～10V直流電壓。由于STM32 DAC輸出的電壓范圍為0～3.3V，因此需要設(shè)計電壓放大跟隨電路將STM32輸出的0～3.3V電壓信號轉(zhuǎn)化為0～10V電壓信號。為此，本文選用LM358作為運(yùn)算放大器，首先將STM32輸出的電壓信號放大3倍，然后通過電壓跟隨器提高控制信號的帶負(fù)載能力。圖6為所設(shè)計的球閥驅(qū)動器控制信號的電路原理圖。

圖6 控制信號電路原理圖

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 試驗設(shè)計

為了驗證本文所設(shè)計變量施藥系統(tǒng)控制的可行性及實際效果，在實驗室內(nèi)搭建了一套變量施藥控制系統(tǒng)，如圖7所示。

圖7 試驗裝置

有人直升機(jī)在施藥作業(yè)時，作業(yè)幅寬范圍為20～50m，飛行速度范圍為90～160km/h。由公式(2)可得：當(dāng)作業(yè)幅寬和設(shè)定施藥量固定時，飛機(jī)的飛行速度與流量傳感器輸出的脈沖頻率成正比關(guān)系，而脈沖頻率又跟實際施藥量成正比關(guān)系。因此，通過測量變量施藥系統(tǒng)在不同速度情況下實際施藥量的變化情況，來驗證系統(tǒng)的實際性能。具體的實驗步驟為：設(shè)定作業(yè)幅寬為30m，施藥量為6.0L/hm2，然后分別測量速度為90、110、120、160km/h條件下實際施藥量的變化情況。試驗過程中，為了保證實驗結(jié)果的嚴(yán)謹(jǐn)性與可靠性，同一速度下重復(fù)測量3次，取3次測量結(jié)果的平均值作為有效值，試驗過程中數(shù)據(jù)的記錄頻率為1Hz。

3.2 試驗結(jié)果分析

表1給出了在不同試驗速度下測量得到的設(shè)定施藥量、實際施藥量及二者之間的相對偏差。從表1所示試驗結(jié)果可以看出：當(dāng)速度在90～160km/h范圍內(nèi)時，測量得到的實際施藥量與設(shè)定施藥量的最小偏差為3.3%，最大偏差為8.3%，即設(shè)定施藥量和實際施藥量的偏差范圍始終保持在10%以內(nèi)。這表明，實際施藥量基本能夠跟隨設(shè)定施藥量進(jìn)行變化。結(jié)合有人直升機(jī)航空作業(yè)的實際情況，本文所設(shè)計的變量施藥控制系統(tǒng)，已經(jīng)基本能夠滿足目前有人直升機(jī)施藥作業(yè)的需要。

表1 試驗數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

設(shè)計了一種用于有人直升機(jī)的航空施藥變量控制系統(tǒng)。首先對系統(tǒng)進(jìn)行了總體介紹，然后給出了具體的控制方案和對應(yīng)的控制算法，完成了系統(tǒng)的硬件模塊搭建和軟件設(shè)計，最后對設(shè)計的系統(tǒng)在實驗室內(nèi)進(jìn)行了試驗驗證。試驗結(jié)果表明：當(dāng)直升機(jī)飛行速度在90～160km/h時，實際施藥量和設(shè)定施藥量之間的最大相對偏差為8.3%，保持在10%以內(nèi)，能夠滿足有人直升機(jī)施藥作業(yè)的實際需要。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)有人直升機(jī)在施藥過程中的精準(zhǔn)施藥，可針對田間不同地塊進(jìn)行差異施藥，解決了有人直升機(jī)無差別施藥造成的農(nóng)藥浪費，提高了農(nóng)藥的有效利用率。

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Design and Experiments of Control System of Variable Pesticide Application for Manned Helicopter

Zhang Ruirui1,2， Li Yang1,2， Yi Tongchuan1,2， Chen Liping1,2

(1.National Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing 100097, China; 2.Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture，Beijing 100097，China)

A control system of variable pesticide application for manned helicopter is designed, in order to achieve variable pesticide application. The system can automatically adjust the medication in the piping, according to the change in the rate of the helicopter, so as to realize the medication of per unit area remains the same. The experimental results showed that when the speed of the helicopter is less than 160km/h, the error between the actual application pesticide volume and the pesticide application volume set does not exceed 10%.

manned helicopter；variable pesticide application；control system；STM32

2016-07-15

北京市自然科學(xué)基金項目(6164032)；國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目(2012AA101901)；北京科技創(chuàng)新基地培育與發(fā)展專項(Z151100001615016)

張瑞瑞(1983-)，男，山東濱州人，博士，(E-mail)zhangrr@nercita.org.cn。

S252+.3；TP237

A

1003-188X(2017)10-0124-04