劉澤鋒，唐 宇，駱少明，侯超鈞，黃偉鋒，陳亞勇

(仲愷農業(yè)工程學院 自動化學院，廣州 510225)

0 引言

我國作為農業(yè)大國，擁有1.5億hm2基本農田，農業(yè)病蟲害的防治依然是農業(yè)生產的重點內容，是保證農業(yè)高產高質，實現(xiàn)農業(yè)經濟可持續(xù)發(fā)展的基礎。與發(fā)達國家相比, 我國的植保機械仍然較為落后, 目前使用手動施藥藥械與背負式機動藥械分別約占國內植保機械保有量的93.07%和5.53%，植保作業(yè)投入的勞力多、勞動強度大，容易導致環(huán)境污染，還會造成施藥人員農藥中毒現(xiàn)象[1-2]。近年來，為了促使農業(yè)作業(yè)方式的可持續(xù)發(fā)展，國家大力扶持農用無人機的發(fā)展，與傳統(tǒng)地面田間植保機械相比，植保無人機具有效率高、體積小、避免中毒、能應對突發(fā)和爆發(fā)性病蟲害等特點。

目前，國內相關科研院所、大學、企業(yè)等都爭相對植保無人機航空噴灑技術展開了深入的研究。王玲等應用微型無人機對噴灑霧滴沉積規(guī)律進行了研究[3]，結果表明：風速是影響霧滴沉積效果的顯著因素；劉乃玲等對不同壓力式噴嘴進行流量特性實驗研究[4]，結果表明：噴嘴流量與噴霧壓力和噴孔直徑之間呈指數(shù)函數(shù)關系；廉琦設計了一款新型的扇形霧靜電噴頭，霧滴平均沉積密度比非靜電噴頭提高了13.6%以上[5]。但是，與發(fā)達國家相比，我國的農業(yè)航空技術發(fā)展仍在發(fā)展階段，特別是針對多旋翼植保無人機噴灑系統(tǒng)中液泵動態(tài)控制系統(tǒng)的研制較少。市面上大部分的液泵控制器仍然采用較為落后的開關式控制，無法對無人機噴灑流量進行變量控制，而使農藥過量使用，導致環(huán)境污染和作業(yè)成本增加。

為此，本研究應用脈寬調制(Pulse Width Modulation，PWM)技術設計了多旋翼植保無人機變量噴灑系統(tǒng)，通過控制液泵的輸入功率改變噴灑管道壓力，從而控制噴灑流量。同時，采用Abaqus有限元分析軟件對多旋翼植保無人機變量噴灑系統(tǒng)的關鍵受力部件進行線性靜力分析，確保噴灑系統(tǒng)結構穩(wěn)定。

1 植保無人機起落架設計

1.1 結構設計

本論文采用我校自主研發(fā)的六軸六旋翼無人機ZHKU-0606-02作為主體設計結構，機體參數(shù)如下：軸距1 400mm，機體質量8.98kg，標準載重10 L，標準載重飛行時間10min。

起落架是農業(yè)植保無人機的重要組成部分，與普通航拍無人機不同，農業(yè)植保無人機起落架的設計合理性可確保無人機的結構穩(wěn)定和飛行時的姿態(tài)平穩(wěn)。起落架需要具備較高的機械強度和韌性，并且具有較輕的質量，以減小無人機的額外負載。

本研究設計的植保無人機起落架采用碳纖維桿作為主要結構材料，連接部件分采用一體化硬鋁材料；采用支撐腳外傾15°的方式確保結構穩(wěn)定性，采用藥箱內包含的結構，無人機電池則置于藥箱上方，可以有效降低無人機重心，確保無人機飛行時的姿態(tài)平穩(wěn)。本研究設計的植保無人機起落架結構如圖1所示。該機構具備了無人機起風與降落所需的強度、韌性和輕盈性。經破壞性實驗，在植保無人機滿載飛行高度3m的情況下，瞬間失控俯沖墜機時，本研究設計的起落架提供了緩沖作用。墜機僅導致在起落架橫向支撐桿處出現(xiàn)8cm裂痕，機體仍保持結構完整及穩(wěn)定性。

1.支撐腳 2.藥箱 3.藥箱固定部件 4.底部承重部件 5.底板 6.電池 7.液泵

1.2 部件有限元分析

有限元分析(Finite Element Analysis，F(xiàn)EA)是一種利用離散化思想計算復雜結構物理系統(tǒng)的數(shù)值分析方法，可以為復雜結構問題提供了簡單求解道路。顧文杰在山地作物低空噴灑系統(tǒng)的研究中對多旋翼無人機機體部分部件進行了靜力有限元分析[6]，表明Abaqus可應用于無人機部件受力分析。本研究使用Abaqus有限元分析軟件對植保無人機起落架關鍵受力部件進行靜力受力分析。

植保無人機起落架的承重部件主要有底部承重部件及藥箱固定部件等。本設計主要針對底部承重部件與藥箱固定部件這兩塊受力易變形斷裂的部件進行有限元分析。部件安裝位置如圖1所示。

1.2.1 底部承重部件

底部承重部件是植保無人機中心板與起落架之間的連接部件，植保無人機工作時底部承重部件承受著飛行器向上的升力與噴灑系統(tǒng)的重力，是多旋翼植保無人機各部件中重要的受力部件。

通過Abaqus對底部承重部件進行部件繪制、施加載荷及劃分網格的操作結果如圖2所示。其中，圖2(a)為部件繪制圖；底部承重部件上表面固定于中心板，下端碳管固定筒承受向下35N載荷，如圖2(b)所示。采用掃掠算法劃分網格的方式，節(jié)點數(shù)為4 864，單元總數(shù)為3 222，劃分算法為C3D8R，網格劃分結果如圖2(c)所示。

圖2 底部承重部件有限元分析Fig.2 Bottom bearing part finite element analysis

部件繪制完成后，對其進行有限元模型求解。如圖2(d)所示，最大位移為1.180×10-3mm，發(fā)生在碳管鎖定管尾部，可以忽略不計；如圖2(e)和圖2(f)所示，最大應力與最大應變發(fā)生于連接部位，且最大應力為1.708MPa，遠遠小于硬鋁的屈服力325.8MPa，符合強度要求。由此說明，底部承重部件設計合理可靠。

1.2.2 藥箱固定部件

藥箱由藥箱固定部件固定于起落架上，本設計將電池放置于藥箱上，所以藥箱固定部件需要承受標準載重時藥箱與電池的質量。

部件繪制、施加載荷及劃分網格如圖3所示。圖3(a)為部件繪制圖，藥箱固定部件通過大孔固定在起落架碳軸的中部，通過螺絲穿過小孔連接藥箱的頂部，將承受向下32.5N載荷，如圖3(b)中白色箭頭所示。采用掃掠劃分的方式，節(jié)點數(shù)為7 812，單元總數(shù)為6 120，劃分算法為C3D8R，網格劃分結果如圖3(c)所示。

部件繪制完成后對其進行有限元模型求解。如圖3(d)所示，最大位移為3.252×10-4mm，發(fā)生在小孔外側，可以忽略不計。如圖3(e)與圖3(f)所示，最大應力與最大應變發(fā)生于連接處大孔內側，最大應力為1.411MPa，遠遠小于硬鋁的屈服力325.8MPa，符合強度要求。由此說明，藥箱固定部件設計合理可靠。

圖3 藥箱固定部件有限元分析Fig.3 Medicine chest fixing part finite element analysis

2 變量噴灑系統(tǒng)設計

2.1 硬件設計

本變量噴灑控制系統(tǒng)采用單片機控制水泵的方式，實現(xiàn)對噴頭的變量控制，通過控制液泵流量進而控制噴頭噴灑流量。水泵使用PLD-1205微型直流隔膜液泵，其額定電壓為12V，額定功率為25W，最大壓力為0.65MPa，最大流量3.2L/min，如圖4所示。PLD-1205微型直流隔膜液泵具有自吸功能和熱保護功能，可以長時間連續(xù)空轉以及長時間連續(xù)負載運轉，可滿足機載農藥噴灑工作的要求。

本系統(tǒng)由控制核心、液泵驅動電路及UBEC這3部分組成?？刂坪诵慕邮盏浇邮諜C發(fā)出的控制信號后，將接收到的信號轉換為PWM信號發(fā)送至液泵驅動電路，最終控制液泵輸出功率，實現(xiàn)變量控制噴灑流量的功能。

UBEC為電源控制電路，主要用于將鋰電池提供的12V電源轉換為單片機和接收機可以的5V電源。系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖4 藥液泵實物圖Fig.4 Liquid pumps physical map

圖5 變量噴灑系統(tǒng)框圖Fig.5 Variable spraying system block diagram

本系統(tǒng)采用STC15F104W單片機作為控制核心，它是STC公司生產的高性能、低功耗的8051單片機，4K字節(jié)可編程Flash，128字節(jié)SROM，1K字節(jié)EEPROM，2個定時器/計數(shù)器，內部可編程時鐘，是一款增強型的C51內核單片機。由于STC15F104W內部集成晶振及復位電路，所以主控制系統(tǒng)無需連接外部晶振及復位電路。

本系統(tǒng)使用格式ACE3Sl鋰電池，由于STC15F104W為5V單片機，工作電壓為3.8～5.5V，因此需要對12V電源進行降壓處理，實際降壓電路如圖6所示。其使用三端穩(wěn)壓集成芯片LM7805，最大輸入電壓為35V，輸出電流可達1A，內含過流、過熱和過載保護電路；輸出端并聯(lián)入25V470uF電解電容消除7805所產生的自激振蕩。由于輸出電容儲存的電壓在斷電的瞬間無法完全釋放，當輸入端斷開時會造成輸入輸出兩端電壓倒置，極易損壞穩(wěn)壓器，所以需要在電源輸入端接入16V470uF電解電容。

圖6 UBEC原理圖Fig.6 Principle diagram of UBEC

液泵驅動電路如圖7所示。

圖7 液泵驅動原理圖Fig.7 Principle diagram of liquid pumps drive

電路中使用了IRF3205晶體管，屬于N溝道MOS管，最大漏源極電壓為55V，允許連續(xù)漏極電流為110A，門極閾值電壓為2～4V。STC15F104W單片機引腳輸出最高電壓為5V，恰好可以對IRF3205進行開關控制，控制端接入二極管起到對單片機引腳保護作用。由于液泵電機屬于感性負載，并聯(lián)入肖特基二極管起到續(xù)流作用。

本系統(tǒng)采用Altium Designer進行的PCB設計，它是一款主流的電子線路圖繪制軟件，在制圖工程師中被廣泛應用，主要功能包括電路原理圖繪制、電路原理仿真、PCB布線及報表文件生成等。本文采用熱轉印法制作PCB，如圖8所示。熱轉印法通過加熱的方式將附著在轉印紙上碳粉轉印到覆銅板上，再通過腐蝕劑腐蝕掉多余的銅，最后得到所繪制的電路圖。由于加熱轉印與腐蝕銅是經過物理化學處理，具有一定誤差，無法做到廠產PCB那般精確制作PCB，所以在繪制電路圖時需要加入誤差冗余，避免制作過程產生的誤差導致制版失敗。本設計繪制電路板時皆將線路與焊盤適當加大加粗。

圖8 控制系統(tǒng)PCBFig.8 Control system PCB

2.2 軟件設計

變量噴灑控制系統(tǒng)的主程序流程圖如圖9所示。當系統(tǒng)開啟后，則進行以下流程：

1)對各部分硬件驅動、軟件設置進行初始化，包括輸入信號函數(shù)定義等。

2)進行水泵驅動行程校準。行程校準是判決是否是變量噴灑控制系統(tǒng)的關鍵之一，只有設置并定義好行程校準函數(shù)才能有效進行變量噴灑控制。

3)系統(tǒng)通過讀取接收機輸出的PWM信號并進行信號判斷：①當輸入脈寬等于1ms時，即控制端搖桿處于最低位時，變量噴灑控制系統(tǒng)開啟；②否則，系統(tǒng)將重新進入輸入信號判斷。

由工程經驗得知，在控制端油門大于10%時所輸出的電壓才足以使水泵啟動。因此，在變量噴灑控制系統(tǒng)開啟之后，當輸入脈寬大于1.1ms(即控制端油門大于10%)時，根據輸入信號計算出對應的輸出PWM并循環(huán)該步驟；否則，重新進入輸入信號判斷。

行程校準是判決是否是變量噴灑控制系統(tǒng)的關鍵之一，只有設置并定義好行程校準函數(shù)，才能有效地進行變量噴灑控制。行程校準流程圖如圖10所示。

圖9 系統(tǒng)控制流程圖Fig.9 System control flow chart

圖10 行程校準程序流程圖Fig.10 The program flow chart of stroke calibration

進行校準時，需先將控制端油門拉至最大，然后為變量噴灑控制系統(tǒng)上電，這時系統(tǒng)提示燈閃爍，之后再將油門拉至最?。划斚到y(tǒng)提示燈再次閃爍時，說明行程校準完成。

3 占空比與流量關系試驗與結果

3.1 試驗裝置

本試驗裝置主要由ST110-015噴頭、藥箱、硅膠導管、水泵、變量噴灑控制器、遙控器、接收機，以及霍爾流量計組成，各部分連接方式如圖11所示。

圖11 實驗裝置連接圖Fig.11 Experimental device connection diagram

實際試驗裝置如圖12所示。試驗時，首先開啟遙控器，再為各部分電氣器件上電，開啟水泵，設定試驗所需控制信號占空比。值得注意的是，由于噴頭剛開始噴灑時霧滴較不穩(wěn)定，在開始進行流量測量試驗時，需等待噴灑穩(wěn)定后再開啟流量計進行流量測量，確保試驗有效性。在開啟流量計的同時開始計時，等待工作20s后，拉低遙控器控制柄；噴頭下方鋪設傾斜V型導流板使液滴聚集，并流入V型導流板下方燒杯；最終通過測量燒杯中液體容積和記錄流量計示數(shù)兩種方式保證流量測量準確性。

圖12 實際實驗裝置Fig.12 Actual experiment device

3.2 試驗結果

本變量噴灑控制系統(tǒng)通過檢測輸入信號占空比來控制輸出端電壓的方法實現(xiàn)變量控制。變量噴灑控制器輸入端接收信號為接收機輸出信號，本設計使用接收機為天地飛9通道接收機，其采用PWM信號通訊協(xié)議，信號周期為20ms，脈寬時間的范圍為1～2ms，遙控器可控步長為0.025ms。經試驗證實，控制占空比小于6%時液泵未能達到最小啟動功率，液泵無法啟動工作。因此，在程序中限制了輸入調節(jié)范圍，有效調節(jié)范圍控制在6%～10%，變量噴灑控制器輸出端對應輸出2.4～12V電壓。

試驗以占空比6%為起點，每組試驗增加1個可控步長，對應占空比增加0.125%，直至占空比增至10%結束。每組占空比試驗重復3次試驗,每次試驗的噴灑時間是20s，把每次試驗得到的流量乘以3便可得到每次試驗在1分鐘內的噴灑流量，并求出平均噴灑流量，試驗數(shù)據如表1所示。

表1 占空比與噴灑流量的關系實驗數(shù)據Table 1 The experimental data of duty ratio and flow rate

續(xù)表1

對表1的試驗數(shù)據，采用3次多項式擬合方法，得到噴灑流量Q與占空比D之間的關系表達式為

Q=0.005D3-0.1508D2+1.5254D-4.4648

圖13是試驗數(shù)據的擬合示意圖。其中，R2=0.998，均方根誤差為0.010 7L/min，說明數(shù)據擬合程度較好。在占空比為6%時，實際流量與擬合值之間的誤差為3.51%；占空比為7%時，誤差為1.69%；占空比為8%時，誤差為0.92%；占空比為9%時，誤差為0.52%。由此可知，擬合曲線的誤差隨占空比的增加逐步減少。實際流量與擬合值之間的均方根誤差為0.96%，說明完全可以使用該關系表達式來描述占空比與噴灑流量之間的關系。

圖13 占空比與噴灑流量的擬合曲線Fig.13 Curing fitting between duty ratio and flow rate

在圖13中，占空比在6%～8%階段，擬合曲線斜率較大，噴灑流量隨占空比增加顯線性增長；當占空比大于8%時，擬合曲線較為平緩，此時隨著占空比的增加噴灑流量變化較小，最大噴灑流量為0.752L/min。導致之一結果的原因是：本設計使用的噴頭為ST110-015扇型噴頭(具體參數(shù)見表2)，其在最大壓力0.5MPa時所反映的最大噴灑流量為0.78L/min。經測量，占空比在8%時，輸水管道內部壓力為0.457MPa，接近0.5MPa。

表2 ST10-015扇形噴頭參數(shù)Table 2 Fan spray nozzle parameters

由此可知，當占空比在8%時噴頭噴灑水壓已接近最大壓力，噴灑流量已近乎最大噴灑流量。

4 結論

1)有限元分析結果表明：底部承重部件最大應變發(fā)生在夾角內側，藥箱固定部件最大應變發(fā)生在碳管套孔內側。兩個部件最大應變都非常小，說明兩個部件受力較小，設計合理。

2)在占空比為6%～8%時，得到了噴灑流量與占空比的3次多項式擬合關系模型。其中，R2=0.998，均方根誤差為0.010 7L/min，顯示本系統(tǒng)的噴灑控制的輸出誤差較少，具有穩(wěn)定的流量控制效果。

3)在占空比大于等于8%時，噴灑流量基本不隨占空比的增加而變化。由于本設計只使用雙噴頭，限制了水泵最大導流量，若有噴幅及大流量需要，可將噴頭增加至4個，即可得到3.12L/min大流量噴灑。此時，控制端需將油門拉至最大才可達到最大噴灑，并可使噴灑流量隨占空比增加而顯線性增長。