劉海明

(蘇州農業(yè)職業(yè)技術學院,江蘇 蘇州 215008)

0 引言

近年來,隨著農業(yè)智能化種植水平的不斷提高,無人機用于農田施藥灌溉的領域不斷拓寬,其優(yōu)點在于能夠大大提升灌溉作業(yè)效率。早期一致認為,一定的平衡安全飛行高度可保證無人機噴藥的定量性。為了進一步掌握無人機在進行施藥過程中霧滴的變化規(guī)律及最大限度節(jié)約藥物使用量和噴藥的覆蓋率等,專家學者研究發(fā)現(xiàn),無人機的飛行高度和速度是主要制約因素之一,不同的速度變化會帶來不同的霧滴沉積分布,不同的高度變化會引起噴藥幅度的變化等等。為此,在借鑒前人研究成果的基礎上,從無人機施藥系統(tǒng)的整體設計及控制原理角度出發(fā),對飛行高度和飛行速度造成的不同噴藥效果展開研究。

1 無人機原理及組成

農用無人機在進行田間施藥作業(yè)時按照一定的軌跡順序進行,作業(yè)現(xiàn)場如圖1所示。無人機避免了人工大面積噴灌的弊端,旋轉的機翼可對作物的背光面起到一定的風力作用,致使噴灑的藥物能夠較為便利地達到,提高了整體的噴藥效率。其作業(yè)原理可簡要概述為:通過地面的監(jiān)控系統(tǒng)與無人機機體上的通信裝置進行控制調節(jié)(整體運作機理如圖2所示),無人機機體上裝載一系列的功能模塊,如通信控制、數據顯示與保存、命令控制等;飛行軌跡規(guī)劃模塊及相關算法則通過UDP通信至作業(yè)田間視景顯示模塊到達無人機裝置,無人機按照軌跡路徑指令進行噴灑作業(yè)。

圖1 無人機進行噴藥作業(yè)現(xiàn)場圖Fig.1 Working scene of the spraying of the unmanned aerial vehicle。

圖2 無人機進行施藥作業(yè)整體運作機理圖Fig.2 Whole operation mechanism of the UAV spraying working。

無人機的機體上加裝了安全感知和避讓系統(tǒng)及GPS定位,包含識別異常狀態(tài)的自動返程功能。表1為農用噴藥無人機所應具備的核心性能參數。由表1可知:其作業(yè)幅寬及霧滴粒徑大小的形成,不僅與噴藥系統(tǒng)噴頭數量及噴出流量有關,而且與無人機的作業(yè)速度和高度變化情況存在一定的內部聯(lián)系。通常而言,高度設定的恰當性更為關鍵。

表1 農用噴藥無人機核心性能參數Table 1 Core performance parameters of the agricultural drug spraying UAV。

續(xù)表1。

2 實施噴藥機理分析

2.1 理論模型建立

以無人機飛行施藥過程中流動的霧滴為研究對象,選取霧滴沉積密度、沉積覆蓋率和分布均勻度作為衡量噴藥效果好壞的衡量指標,列出噴藥機理的理論模型為

(1)

式中D—霧滴沉積密度;

n—收集到的霧滴沉積數量;

A—試驗用水敏紙張面積。

(2)

式中C—霧滴沉積覆蓋率;

S—霧滴沉積顆粒面積;

A—試驗用水敏紙張面積。

(3)

式中CV—霧滴沉積均勻度變異系數;

SD—霧滴沉積顆粒標準差;

X—試驗采集到的平均霧滴數量。

霧滴沉積密度越大,表明無人機施藥在作物上的作用點越多,施藥范圍越廣;霧滴沉積覆蓋率越大,表明噴灑藥物與作物的接觸面積在增大,噴藥效果良好;霧滴沉積均勻度變異系數越小,表明噴灑區(qū)域霧滴分布情況均勻度越好。

無人機噴藥系統(tǒng)的智能化施藥作業(yè)控制流程如圖3所示。其中,PWM控制器作為實現(xiàn)關鍵控制的主要步驟,其上的數據采集卡通過兩路進行數據信息傳遞:一路經驅動放大電路傳遞給噴藥執(zhí)行開關,到達隔膜泵進行動作;另一路經驅動放大電路傳遞給噴藥執(zhí)行機構電動離心噴頭,進行感應動作,同時壓力、流量等信息將實時反饋給數據采集電路進行對比調控,實現(xiàn)精準施藥。

圖3 智能化控制的無人機噴藥系統(tǒng)設計框圖Fig.3 Design block diagram of UAV spraying system with intelligent control。

2.2 系統(tǒng)硬件配置

無人機施藥系統(tǒng)的硬件配置必須保證施藥的給藥、噴灑、關閉等環(huán)節(jié)動作銜接,其內部控制的數據采集結構如圖4所示。為保證信號識別處理的精準性,選擇ARM系列微處理裝置,由穩(wěn)壓電源給予不間斷供電。工作時,從田間獲取的信號經輸入輸出接口進入信號前處理模塊,功率的放大與信號的分配起到分類整理作用,經整定后分別經數字、模擬信號端口輸出。

圖4 無人機控制內部數據采集結構框圖Fig.4 Data acquisition structure flowchart of UAV control system。

針對各硬件配置(如傳感器、穩(wěn)壓電源、濾波器等)需要進行規(guī)格選定,表2給出該系統(tǒng)用的位姿傳感裝置主要參數情況,以便準確獲得無人機在進行飛行施藥作業(yè)過程中轉角精度變化感應信息,為下一步軌跡調整做出參考和提示。

表2 無人機飛行系統(tǒng)位姿傳感器主要參數設置Table 2 Main parameters set of the posture sensor on the flight system of the unmanned aerial vehicle。

2.3 系統(tǒng)軟件設計

無人機進行施藥作業(yè)時,其航行軌跡的規(guī)劃決定飛行噴灑的有序性和完整性,按照既定的規(guī)劃路徑可以最完整的設計狀態(tài)完成噴藥作業(yè)。噴藥高度及速度的設置融合在該系統(tǒng)的軟件控制后臺程序中,按照規(guī)劃飛行軌跡控制原理(見圖5),進行方向及曲率控制器的參數設置、加速度控制器及姿態(tài)與速度等控制器的正確連接和參數輸入,各控制參數須有序傳送至無人機本體,同時本體將反饋于各飛行軌跡控制裝置進行比較調整,形成實時性的閉環(huán)控制。

圖5 無人機飛行軌跡控制原理簡圖Fig.5 Control principle sketch of the UAV flight trajectory。

噴藥過程中,系統(tǒng)的數據處理較為龐大,外部體現(xiàn)的飛行高度設置和速度設置在飛行過程中不斷變化實現(xiàn),針對噴藥系統(tǒng)內部的數據處理須明確流程(如圖6),根據獲得的單位幀激光數據通過濾波處理和核心算法換算后得到機體可識別的控制指令,從而帶動無人機的飛行動作及噴藥動作機構執(zhí)行。

圖6 無人機噴藥系統(tǒng)內部數據處理流程簡圖Fig.6 Flow chart of data processing in the UAV spraying system。

3 實施噴藥效果試驗

3.1 條件設置

無人機噴藥試驗裝置如圖7所示。

進行無人機噴藥效果試驗,利用遠程遙控進行不同飛行高度和速度下的噴藥作業(yè),條件設置如下:①選擇溫度、濕度相對穩(wěn)定的田間環(huán)境;②靜風狀態(tài)下對飛行速度不造成干擾;③田間作物生長高度及地形保持較好的一致性;④無人機試噴藥過程信息暢通等。

3.2 過程分析

在相對濕度保持在55%、田間溫度保持在16℃的環(huán)境下,無人機的施藥流量控制在0.85L/min左右,噴嘴壓力設置為0.2MPa,各自保持飛行速度在0.5、0.7、0.9m/s,分別變換飛行高度為1.2、1.4、1.6m,結果如表3所示。

表3 無人機飛行噴藥試驗不同參數下的指標數據統(tǒng)計Table 3 Indicator statistics data for UAV flight spray test under different parameters。

續(xù)表3。

由表3可知:不同飛行高度的霧滴沉積覆蓋率平均為14.56%(H=1.2m)、14.20%(H=1.4m)、11.03(H=1.6m),整體呈現(xiàn)出下降趨勢,可見高度與速度不一定越快越好。

進一步對比數據可知:在無人機選擇飛行高度H=1.4m、飛行速度V=0.5 m/s組合參數下,該噴藥裝置可實現(xiàn)的霧滴沉積密度為中上等,可達72.2%,符合施藥要求;霧滴沉積覆蓋率為試驗組合中最大為26.9%,最終的霧滴粒徑分布均勻度達90%以上,為最佳施藥參數組合,后期經Matlab軟件數據擬合也驗證了該結論。

4 結論

1) 通過了解無人機進行施藥作業(yè)的運作機理,分析噴藥的效果影響因素,建立了理論評價指標模型。同時,從無人機的噴藥系統(tǒng)控制環(huán)節(jié)入手,進行硬件裝置配備和軟件程序調控,形成整體性的無人機智能化噴藥作業(yè)系統(tǒng)。

2) 選取無人機飛行高度和飛行速度作為噴藥作業(yè)的變換參數,內部設定相關控制指令與程序,進行一定條件下的無人機噴藥試驗。

3) 試驗結果表明:霧滴沉積覆蓋由無人機飛行高度逐漸升高呈現(xiàn)出降低趨勢。同時,經數據對比可知最佳飛行高度1.4m和飛行速度0.7m/s組合條件下無人機噴藥效果最佳,從而為進一步研究無人機噴藥作業(yè)提供參考。