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        基于植保無人機(jī)近地面施藥技術(shù)的研究*

        2022-07-05 05:31:24王丹丹李宏杰
        南方農(nóng)機(jī) 2022年13期
        關(guān)鍵詞:作業(yè)農(nóng)業(yè)

        王丹丹,杜 雪,李宏杰

        (1.上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子技術(shù)與工程學(xué)院,上海 201411;2.安陽工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院,河南 安陽 454000;3.哈爾濱工程大學(xué)自動化學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 151000)

        0 引言

        農(nóng)作物在生長過程中經(jīng)常遭到病蟲災(zāi)害的威脅,病蟲災(zāi)害成為了抑制農(nóng)作物產(chǎn)量的一個重要問題。除蟲、除草、灌溉等一系列植保工作是農(nóng)作物從播種到豐收的必經(jīng)過程,因此,傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)植保方式對于老年人來說是一種負(fù)擔(dān)。由于低效率的勞動力和危險性較大農(nóng)藥噴灑的工作已不適合現(xiàn)代農(nóng)業(yè),噴霧性農(nóng)藥的缺點也越來越明顯。為了更有效、更科學(xué)地進(jìn)行農(nóng)藥噴灑,新的植保方式脫穎而出。早在20 世紀(jì)初期,美國、日本、德國、荷蘭等一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)研發(fā)了一些農(nóng)業(yè)自動化設(shè)備,一臺設(shè)備能達(dá)到人工效率的數(shù)十倍。無人機(jī)(UAV)[1-3]具有高效率運行、可垂直起降、安全性能高、機(jī)動性強(qiáng)等優(yōu)點,可以很好地完成農(nóng)業(yè)信息收集和殺蟲劑散發(fā)工作,工作人員也可以通過間接接觸來控制工作。使用無人機(jī)噴灑農(nóng)藥具有很多優(yōu)點,如藥水在螺旋槳產(chǎn)生的下旋力作用下霧化得更均勻,霧化后藥水附著率可達(dá)99%,有效降低化學(xué)污染。所以,植保無人機(jī)噴灑農(nóng)藥技術(shù)的研究勢在必行。使用人工背負(fù)式噴藥機(jī)噴灑農(nóng)藥和使用無人機(jī)噴灑農(nóng)藥的作業(yè)場景分別如圖1和圖2所示。

        圖1 人工背負(fù)式噴藥機(jī)噴灑農(nóng)藥

        圖2 無人機(jī)噴灑農(nóng)藥

        在搜索引擎上檢索,課題組發(fā)現(xiàn)最早在2006 年的新聞中就已經(jīng)出現(xiàn)了“農(nóng)業(yè)+無人機(jī)”的組合,2009年就出現(xiàn)了植保無人機(jī)的提法。2017年,農(nóng)業(yè)部聯(lián)合財政部等發(fā)布農(nóng)機(jī)購置補(bǔ)貼通知,引導(dǎo)植保無人飛機(jī)(亦稱農(nóng)用遙控飛行噴霧機(jī))技術(shù)開發(fā)和規(guī)范應(yīng)用,助力農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展。國外對植保無人機(jī)的應(yīng)用很早,美國、日本等國家應(yīng)用農(nóng)業(yè)航空產(chǎn)品的時間超過30 年,最近幾年農(nóng)業(yè)無人機(jī)的滲透率更是達(dá)到了50%以上。

        為了減輕農(nóng)民的勞動強(qiáng)度,預(yù)防害蟲和疾病,使用無人機(jī)噴灑殺蟲劑成為了現(xiàn)代植物保護(hù)作業(yè)不可缺少的部分。我國開展植保無人機(jī)的研究相對較晚,但基于中國農(nóng)業(yè)強(qiáng)國的特點,精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)及植保無人機(jī)導(dǎo)航技術(shù)[4-6]正處于飛速發(fā)展階段。同時,中國的農(nóng)航開發(fā)也根據(jù)全國各地農(nóng)耕地不同而進(jìn)行調(diào)整,同時推進(jìn)了“多機(jī)型和多種運營方法”。針對精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)及植保無人機(jī)導(dǎo)航技術(shù)落后等問題,課題組設(shè)計了一臺操作簡單的小型植保無人機(jī),重點介紹了飛行姿態(tài)控制算法[7-9],并采用模糊PID 控制算法進(jìn)行模擬實驗[10],通過調(diào)整參數(shù),得到較為穩(wěn)定的飛行器姿態(tài)參數(shù),表明了該算法用于植保無人機(jī)姿態(tài)估計的可行性及穩(wěn)定性。

        1 植保無人機(jī)飛行動力學(xué)分析

        無人機(jī)的電機(jī)電壓與力矩方程:

        無人機(jī)所選用的電機(jī)較小,所以電感也比較小,可忽略不計,將式(1)簡化為:

        電機(jī)動力學(xué)方程改寫為:

        選用三相無刷直流電動機(jī),當(dāng)線路接通后接收機(jī)接到遙控器發(fā)射的控制量后,電機(jī)會隨著不同的指令進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)整,使無人機(jī)達(dá)到預(yù)期的飛行姿態(tài)。

        2 模糊PID控制算法

        當(dāng)植保無人機(jī)執(zhí)行噴灑任務(wù)時,其自身質(zhì)量會不斷減小,無人機(jī)執(zhí)行的是變載荷飛行;本研究選用模糊PID 控制算法,通過設(shè)置PID 參數(shù)來控制無人機(jī)在變載荷時依然能夠平穩(wěn)地進(jìn)行植保作業(yè),并對無人機(jī)飛行姿態(tài)進(jìn)行了相應(yīng)仿真實驗。

        模糊PID 控制算法,將誤差和誤差的變化率作為整個系統(tǒng)輸入的值,控制原理框圖如圖3 所示。圖中,表示系統(tǒng)的輸入值,表示系統(tǒng)響應(yīng)的輸出值。

        圖3 模糊PID 控制原理框圖

        2.1 模糊PID控制系統(tǒng)的設(shè)計

        定義輸入、輸出變量論域的模糊子集及其隸屬函數(shù),如表1所示。

        表1 輸入、輸出變量論域及其隸屬函數(shù)

        通過以上設(shè)計的模糊控制規(guī)則表和輸入、輸出變量論域的模糊子集及其隸屬函數(shù),即可建立模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

        2.2 模糊PID控制系統(tǒng)的仿真

        利用Matlab 對植保無人機(jī)的飛行姿態(tài)進(jìn)行模糊PID 控制仿真,輸入相應(yīng)指令后便可得到模糊PID 控制系統(tǒng)的動態(tài)仿真環(huán)境,實時變化的誤差e和de兩個輸入值通過模糊推理對PID 三個控制參數(shù)進(jìn)行查表、計算、整定之后并計算當(dāng)前的KP、KI、KD值以達(dá)到對PID 控制參數(shù)進(jìn)行在線自動修正的目的。其模擬仿真流程圖如圖4 所示。

        圖4 模擬仿真流程圖

        根據(jù)以上內(nèi)容確定模糊推理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),本設(shè)計的模糊推理結(jié)構(gòu)由輸入e和de以及輸出KP、KI、KD構(gòu)成,編輯后的變量??騾^(qū)如圖5所示。

        圖5 編輯后的變量??騾^(qū)

        建立植保無人機(jī)模糊PID 控制系統(tǒng)的Simukink仿真模型,如圖6所示。

        圖6 利用模糊邏輯控制器建立的仿真模型

        將設(shè)計好的FIS 文件導(dǎo)入模糊邏輯控制器中,運行仿真得到的結(jié)果如圖7所示。

        圖7 俯仰角階躍響應(yīng)

        由圖7 可知,σ=0.38,td=0.115 s,tr=0.4 s,ts=0.9 s,系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差較小,這足以說明模糊PID控制對時變載荷下的植保無人機(jī)控制系統(tǒng)具有很好的調(diào)控性。

        2.3 經(jīng)典PID控制與模糊PID控制的對比分析

        為了更直觀地分析出經(jīng)典PID 和模糊PID 作用于變載荷植保無人機(jī)下的優(yōu)劣勢,將二者都應(yīng)用于飛行控制系統(tǒng)當(dāng)中進(jìn)行仿真,通過示波器仿真圖形進(jìn)行對比分析,經(jīng)典PID 和模糊PID 控制器分別作用到控制系統(tǒng)當(dāng)中時輸出的仿真圖形如圖8所示。

        由圖8 可以看出,在植保作業(yè)剛開始時經(jīng)典PID控制與模糊PID 控制輸出相差無幾,但是隨著植保作業(yè)的進(jìn)行,藥液的重量在不斷減少,隨著控制輸入的變化經(jīng)典控制沒有進(jìn)行更好的實時調(diào)整輸出,出現(xiàn)了振蕩的情況。模糊PID 控制隨著控制輸入的變化在之前設(shè)定好的模糊控制規(guī)則當(dāng)中進(jìn)行自運算,很好地控制輸出,依然能保證無人機(jī)平穩(wěn)飛行,使植保無人機(jī)與植物保持一定的相對高度并進(jìn)行噴灑作業(yè)。經(jīng)典PID控制和模糊PID控制性能參數(shù)如表2所示。

        圖8 仿真結(jié)果對比

        表2 經(jīng)典PID 控制與模糊PID控制仿真結(jié)果對比

        由上表所示參數(shù)可以分析得到:模糊PID 控制算法能夠有效地控制無人機(jī)的飛行姿態(tài),且有效地控制植物和無人機(jī)之間的相對高度。

        3 噴灑裝置的結(jié)構(gòu)

        藥箱、水泵、噴霧泵、噴霧頭和軟管構(gòu)成噴霧系統(tǒng),藥液從注入口流入,水泵開啟后,藥液過軟管流入藥液注入口,然后通過水泵加壓,在出口噴出藥液。水管進(jìn)入轉(zhuǎn)換器,將水流分成兩股,并分別連接兩根軟管使噴頭對作物進(jìn)行噴灑作業(yè)。噴灑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。

        圖9 噴灑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

        使用遙控器控制噴灑裝置的開和關(guān),其控制原理如圖10所示。

        圖10 電子開關(guān)控制原理

        噴灑泵選用的是BPG 蠕動泵,具有體積小、噪聲小、壽命長等優(yōu)點,蠕動泵的進(jìn)水口接藥箱(150 mL),出水口接一個三通用來分流,用BPT 軟管連接三通和噴頭。當(dāng)接收到開關(guān)信號時隔膜泵開始工作,隔膜泵工作時內(nèi)部抽成真空,形成壓力以達(dá)到形成噴霧效果,隔膜泵的流量約為15 mL/min,藥液可以連續(xù)噴灑10 min左右。

        4 植保無人機(jī)的組裝與測試

        對組裝好的植保無人機(jī)進(jìn)行植保作業(yè)測試,選擇好一塊田地之后規(guī)劃噴灑路徑,然后進(jìn)行施藥。植保無人機(jī)在植保作業(yè)過程中有效防止了漏噴、誤噴和重噴的不良現(xiàn)象,并且飛行穩(wěn)定,飛行與噴灑效果達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。植保無人機(jī)進(jìn)行噴灑農(nóng)藥測試實景如圖11所示。

        圖11 植保無人機(jī)進(jìn)行植保作業(yè)

        課題組對植保無人機(jī)的整體部件進(jìn)行選型、安裝與調(diào)試,通過查閱資料選擇植保無人機(jī)的各個模塊,然后進(jìn)行安裝測試。通過植保作業(yè)過程可以看出,課題組設(shè)計安裝的植保無人機(jī)完全能夠勝任農(nóng)藥噴灑作業(yè),并且穩(wěn)定性好,沒有出現(xiàn)漏噴、重噴等現(xiàn)象。

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