朱 超，張紅欣

(昌吉學(xué)院 物理系,新疆 昌吉 831100)

0 引言

現(xiàn)代化作物植保具有精量化、精細(xì)化、高效及藥物流失少的特點(diǎn)[1]。常規(guī)的植保作業(yè)，采用操作手目測(cè)的方式完成無(wú)人機(jī)施藥任務(wù)，因操作手視力范圍有限，不能實(shí)時(shí)精確地根據(jù)植株的高度和密度進(jìn)行動(dòng)態(tài)的飛行施藥動(dòng)作調(diào)整[2]。在對(duì)植株進(jìn)行施藥過(guò)程中根據(jù)植株生長(zhǎng)高度行精量化施藥，可有效提高藥物沉積率，降低霧滴飄移；對(duì)植株生長(zhǎng)密度進(jìn)行精準(zhǔn)化施藥可減少藥物流失同時(shí)降低藥物對(duì)水體和土壤的傷害[3-4]。采用超聲波測(cè)距技術(shù)完成無(wú)人機(jī)可實(shí)現(xiàn)植株的豎直距離及植株密度的采集，實(shí)時(shí)完成作業(yè)環(huán)境的動(dòng)態(tài)感知，進(jìn)行對(duì)無(wú)人機(jī)各項(xiàng)參數(shù)(噴霧高度、噴霧時(shí)間)自適應(yīng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)環(huán)境精準(zhǔn)精量噴霧。

1 精準(zhǔn)精量噴霧控制系統(tǒng)

1.1 植保無(wú)人機(jī)硬件框架

豐富的硬件配置將采集的實(shí)時(shí)作業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)化處理可完成飛行姿態(tài)(飛行速度、飛行高度)與噴嘴開(kāi)度高效的耦合，并根據(jù)自適應(yīng)控制系統(tǒng)下發(fā)精準(zhǔn)的控制指令是無(wú)人機(jī)完成一次高效施藥作業(yè)的關(guān)鍵。無(wú)人機(jī)采用意法半導(dǎo)體Cortex-M4內(nèi)核的STM32F407處理器作為集中控制器的MCU，不僅具有高性能的處理能力及較短的指令處理周期，同時(shí)增加了豐富的外設(shè)接口，且采用更先進(jìn)的電池管理模式，使處理器具有較低的工作功耗。

對(duì)微控制器的外圍接口進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)可實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的自身狀態(tài)的采集與實(shí)時(shí)控制。同時(shí)，配備了用于姿態(tài)調(diào)節(jié)的六軸加速度傳感器、高精度角度測(cè)量傳感器、氣壓傳感器、電子羅盤、GPS、電子調(diào)速器及無(wú)線通訊模塊等，以及用于施藥操作的供藥部件、超聲波測(cè)距模塊、壓差式液位測(cè)量系統(tǒng)[5]、施藥噴嘴及電子調(diào)速器控制模塊。高效植保無(wú)人機(jī)噴霧控制系統(tǒng)硬件框架如圖1所示。

1.2 定高噴霧原理

超聲波測(cè)距技術(shù)具有不傷害被檢測(cè)物，不受粉塵、電磁波、光波的干擾，測(cè)量精度可達(dá)厘米級(jí)的特點(diǎn)[6]。植保無(wú)人機(jī)在施藥過(guò)程中影響噴霧效率的重要因素由目標(biāo)植株高度、霧滴流場(chǎng)的輸運(yùn)特性、農(nóng)藥?kù)F滴的物化程度及霧滴穿透力組成。當(dāng)無(wú)人機(jī)飛行高度較高時(shí)，霧滴容易受自然風(fēng)、風(fēng)向和溫度的影響，易造成霧滴的漂移使得霧滴分布不均勻；當(dāng)作業(yè)高度較低時(shí)，霧滴大部分集中在植株中下部[7]，導(dǎo)致了噴藥效率低，藥物污染大等問(wèn)題。

植保無(wú)人機(jī)針對(duì)不同的施藥作物，飛行的高度和速度均有所改變。為實(shí)現(xiàn)對(duì)作物施藥作業(yè)效率的最大化，在施藥開(kāi)始前，需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)環(huán)境及農(nóng)業(yè)專家知識(shí)對(duì)無(wú)人機(jī)距植株的豎直飛行高度及飛行速度進(jìn)行參數(shù)初始化設(shè)定，同時(shí)檢查各項(xiàng)工作模塊是否正常運(yùn)行。

1.3 超聲波測(cè)距電路

為了實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)與葉面距離的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)作物葉面朝向及噴霧實(shí)際操作的具體要求設(shè)計(jì)了超聲波測(cè)距結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)安裝在噴頭的正下方，主要由超生波發(fā)射電路(超聲波激勵(lì)電路、超聲波探頭)及超聲波接收電路(信號(hào)采集、信號(hào)調(diào)理)組成。當(dāng)飛行到作物高度較低(較高)時(shí)，植保無(wú)人機(jī)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的豎直高度進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)(下降或上升)，從而最大限度地提高噴藥利用率。

超聲波信號(hào)發(fā)射電路主要由超聲波激勵(lì)電路和超聲波探頭組成，如圖2所示。激勵(lì)電路采用SP3232作為超聲波換能芯片，該芯片將特定激勵(lì)電壓輸入到探頭中得到特定頻率的超聲信號(hào)，工作電壓為3～5.5V，同時(shí)具有低功耗帶電模式。引腳的C2-、C2+用于電壓反轉(zhuǎn)，C1+、C1-用于對(duì)電荷泵的蓄能。

圖1 植保無(wú)人機(jī)硬件框架Fig.1 Hardware framework of spray protection UAV

圖2 超聲波發(fā)射電路Fig.2 Ultrasonic emission circuit

超聲波生成中STM32高分辨率定時(shí)器發(fā)送互補(bǔ)可調(diào)占空比的PWM信號(hào)至SP3232的T2IN、T1IN引腳中，通過(guò)芯片自帶的電壓反轉(zhuǎn)功能產(chǎn)生+6V、-6V電壓，通過(guò)T2OUT、T1OUT口驅(qū)動(dòng)超聲波換能器，發(fā)出特定頻率的超聲波。

超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)經(jīng)障礙物反射得到的回波信號(hào)幅值隨測(cè)距距離而有所改變，為得到準(zhǔn)確的少噪聲和回波信號(hào)，需對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行放大處理。系統(tǒng)采用NE5532運(yùn)算放大器對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行再處理，該芯片具有低噪聲、多運(yùn)放、高性能的特點(diǎn)。因回波信號(hào)隨著距離的增加其幅值與測(cè)距呈指數(shù)規(guī)律衰減，本文采用時(shí)間增益補(bǔ)償電路對(duì)衰減的回波進(jìn)行增益補(bǔ)償。超聲波接收電路如圖3所示。

圖3 超聲波接收電路Fig.3 Ultrasonic receiving circuit

1.4 精量噴霧原理

農(nóng)作物生長(zhǎng)密度受土壤酸堿性、澆水適度性等因素影響，造成農(nóng)作物生長(zhǎng)密度存在差異[8]，生長(zhǎng)密度均勻和密度在較少植株區(qū)域在施藥過(guò)程中不能同一而論地進(jìn)行噴霧工作；同時(shí)，噴嘴直徑及流體壓強(qiáng)對(duì)藥液流速流量、噴霧顆粒大小及霧滴的沉積分布存在不同強(qiáng)度的影響[3-4]。高效無(wú)人機(jī)采用電動(dòng)離心噴嘴，在施藥過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)在植株葉面真反面及徑部均勻霧滴噴灑。

植保過(guò)程中當(dāng)無(wú)人機(jī)飛行至植株密度較低的區(qū)域時(shí)，超聲波根據(jù)渡越時(shí)間確定噴頭下方是否存在植株及植株生長(zhǎng)密度。同時(shí)，將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳送至微處理器中，通過(guò)專用通訊協(xié)議調(diào)動(dòng)電子調(diào)速器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)藥箱中隔膜泵和用于施藥的電動(dòng)離心噴頭進(jìn)行調(diào)速控制,進(jìn)而根據(jù)作物密度進(jìn)行藥物流量、噴幅范圍和形成的霧滴半徑進(jìn)行調(diào)控。無(wú)人機(jī)在施藥時(shí)其飛行速度與所需施藥量呈一定數(shù)學(xué)關(guān)系式[9]，即

其中，Q為計(jì)算流量(L/min)；A為碰頭噴幅(m)；W為目標(biāo)面積使用量(L/hm2)；U為無(wú)人機(jī)飛行速度(m/s)。

圖4為精量噴藥控制系統(tǒng)控制原理圖。

圖4 精量噴藥控制系統(tǒng)控制原理圖Fig.4 Control principle diagram of precision spray control system

2 無(wú)人機(jī)位置控制原理

本文設(shè)計(jì)的植保無(wú)人機(jī)為“十”字交叉型結(jié)構(gòu)模型的四旋翼飛行器，結(jié)構(gòu)如圖5所示。在無(wú)人機(jī)十字結(jié)構(gòu)的末端分別為4個(gè)直流電機(jī)。

通過(guò)控制各個(gè)電機(jī)電流大小來(lái)控制轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)速不同所產(chǎn)生的升力、阻力不同，這樣通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速就可以改變飛行器的飛行姿態(tài)。較為典型的姿態(tài)調(diào)整原理如圖6所示。

當(dāng)4個(gè)電機(jī)均保持同一額定轉(zhuǎn)速時(shí)，飛行器將保持懸停動(dòng)作；當(dāng)同時(shí)增大(降低)4個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速時(shí)，飛行器將完成上升(下降)運(yùn)動(dòng)；當(dāng)電機(jī)2轉(zhuǎn)速降低，電機(jī)4轉(zhuǎn)速增大時(shí)，飛行器完成左傾(右傾)運(yùn)動(dòng)；當(dāng)電機(jī)2、4加速，電機(jī)1、3減速時(shí)，飛行器完成順(逆)時(shí)針旋轉(zhuǎn)；通過(guò)對(duì)4個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速的增大和減小動(dòng)作的組合，可實(shí)現(xiàn)飛行姿態(tài)的位置運(yùn)動(dòng)。關(guān)于四旋翼無(wú)人機(jī)位置具體控制步驟和分析可根據(jù)文獻(xiàn)[10-13]進(jìn)行建模的推導(dǎo)，本文在此不再贅述。

圖5 四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)模型Fig.5 Structure model of four rotor aerocraft

圖6 四旋翼飛行器姿態(tài)調(diào)整原理Fig.6 Attitude adjustment principle of four rotor aerocraft

3 高效自適應(yīng)噴霧控制系統(tǒng)

基于ARM架構(gòu)的變量施藥控制系統(tǒng)和基于脈寬調(diào)制技術(shù)的施藥流量控制方法，將超聲波測(cè)得的高度與預(yù)設(shè)定的施藥高度進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比，對(duì)比結(jié)果表明：根據(jù)高精度模糊推理系統(tǒng)作用于各旋翼電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)最優(yōu)施藥距離完成無(wú)人機(jī)的施藥高度的動(dòng)態(tài)調(diào)整；根據(jù)對(duì)作物生長(zhǎng)密度的信息采集對(duì)施藥噴頭的參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)配置，可實(shí)現(xiàn)噴霧效率最大化、藥物使用精量化；整個(gè)自適應(yīng)噴霧過(guò)程實(shí)現(xiàn)了施藥流量與施藥幅度同飛行高度、速度的自動(dòng)匹配。高效自適應(yīng)噴霧控制系統(tǒng)控制原理流程圖如圖7所示。

圖7 高效自適應(yīng)噴霧控制系統(tǒng)控制流程圖Fig.7 Control flow chart of efficient adaptive spray control system

4 噴霧試驗(yàn)結(jié)果及分析

針對(duì)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境對(duì)超聲波測(cè)距系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)，分別對(duì)各個(gè)豎直距離的參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距模塊總誤差在4%以內(nèi)，達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 超聲波測(cè)距結(jié)果Table 1 The result of ultrasonic distance measurement

試驗(yàn)在昌吉州園藝場(chǎng)5隊(duì)開(kāi)展針對(duì)棉花施藥作業(yè)進(jìn)行，環(huán)境平均相對(duì)濕度53%，平均溫度27℃，風(fēng)速小于1.4m/s，如圖8所示。

圖8 植保無(wú)人機(jī)噴霧實(shí)驗(yàn)圖Fig.8 Spray experiment map of plant protection UAV

在該試驗(yàn)田選取5組密度不同的棉花條列，植保無(wú)人機(jī)可負(fù)載15L農(nóng)藥，通過(guò)使用高效噴霧系統(tǒng)的施藥作業(yè)使用藥量與常規(guī)進(jìn)行噴藥作業(yè)的施藥藥量進(jìn)行對(duì)比，高效噴霧系統(tǒng)整體節(jié)藥量最高達(dá)18.81%，平均節(jié)藥量為16.63%，如表2所示。

表2 高效噴霧與常規(guī)噴霧藥量對(duì)比Table 2 Comparison of high efficiency spray and conventional spray dosage

在試驗(yàn)田內(nèi)選取一列棉花植株生長(zhǎng)密度不均勻的條列，采用文獻(xiàn)[14]中介紹的霧滴沉積量檢測(cè)方法檢測(cè)單位葉面的霧滴沉積量，如表3所示。在該條列中選取的20個(gè)作物編號(hào)統(tǒng)計(jì)的結(jié)果表明：高效噴霧控制系統(tǒng)在植株生長(zhǎng)密度不均勻作業(yè)環(huán)境下，霧滴噴灑沉積量均勻，偏差可控制在較小范圍內(nèi)。

表3 霧滴沉積量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of droplet deposition data

5 結(jié)論

1)針對(duì)植保過(guò)程中由于目測(cè)施藥造成施藥不均勻，設(shè)計(jì)的基于ARM架構(gòu)的高效噴霧植保無(wú)人機(jī)具有豐富的外圍作業(yè)環(huán)境信息采集模塊，便于后期針對(duì)噴霧過(guò)程中噴霧效率受生成氣流、環(huán)境風(fēng)速風(fēng)向影響的深入研究?，F(xiàn)階段開(kāi)發(fā)的高效噴霧控制系統(tǒng)可根據(jù)植株高度完成無(wú)人機(jī)姿態(tài)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，同時(shí)采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)對(duì)噴霧量及幅度進(jìn)行了自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)作業(yè)環(huán)境進(jìn)行飛行狀態(tài)與施藥量的自適應(yīng)匹配。

2)通過(guò)在昌吉州園藝場(chǎng)5隊(duì)面積為6.8hm2的試驗(yàn)田中的多組試驗(yàn)結(jié)果表明：設(shè)計(jì)研發(fā)的噴霧植保無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中能準(zhǔn)確檢測(cè)與植株的距離，誤差可控制在4%以內(nèi)；根據(jù)植株密度進(jìn)行自適應(yīng)可靠控制噴藥流量，施藥量明顯降低，與常規(guī)作業(yè)相比噴藥量平均降低16.63%，施藥作業(yè)霧滴沉積量較為均勻；試驗(yàn)過(guò)程無(wú)人機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，自適應(yīng)響應(yīng)快，具有較高的魯棒性。