植保無人機藥箱液量監(jiān)測裝置的設計與試驗

姜 銳，周志艷,3，徐 巖，蘭玉彬，羅錫文

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植保無人機藥箱液量監(jiān)測裝置的設計與試驗

姜 銳1,2，周志艷1,2,3※，徐 巖1，蘭玉彬1,2，羅錫文1,2

（1. 華南農(nóng)業(yè)大學工程學院/廣東省農(nóng)業(yè)航空應用工程技術(shù)研究中心，廣州 510642； 2. 國家精準農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)國際聯(lián)合研究中心，廣州 510642；3. 南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，長沙 410128）

藥箱的液量是植保無人機精準作業(yè)中需要監(jiān)測的重要信息之一。為了實現(xiàn)對植保無人機藥箱液量的實時監(jiān)測，針對植保無人機作業(yè)過程中存在的液面波動劇烈、藥液的理化特性各異、藥箱空間小、防腐蝕要求高等特點，該文提出一種雙氣壓式液量監(jiān)測裝置的設計方案，包括雙氣壓式液位監(jiān)測、藥箱液面震蕩干擾濾波、機身傾斜干擾校正以及液位-液量換算模型等。為了驗證方案的可行性，制作了液量監(jiān)測裝置的樣機，并設計了相關(guān)的驗證試驗進行性能測試。試驗結(jié)果表明：采用同時監(jiān)測環(huán)境氣壓和密閉氣室內(nèi)氣壓的雙氣壓式差值法，液位高度與氣壓差值之間呈線性負相關(guān)關(guān)系，決定系數(shù)為0.998 9，可有效消除環(huán)境氣壓變化對測量精度和穩(wěn)定性帶來的影響；融合了中位值平均濾波法與滑動平均濾波法優(yōu)勢的混合數(shù)字濾波算法，使藥箱液位數(shù)據(jù)的變異系數(shù)由濾波處理前的28.45%降低到12.27%，對液面震蕩干擾具有較好的濾波效果；基于微機械陀螺儀的校正算法，在機身傾斜30°時，氣壓差值誤差從校正前的-1.09 hPa，降低至校正后的0.05 hPa，可較好地消除植保無人機飛行中機身傾斜帶來的藥箱傾斜干擾誤差；在植保無人機機載動態(tài)測試試驗中，設計了前進、后退、田間掉頭移行等3種常見的飛行工況中進行測試，在2、4、6 L的載藥量時，液量監(jiān)測器輸出的液量數(shù)據(jù)均值分別為1.985、3.942、5.984 L，經(jīng)過校正處理后液量相對誤差分別為0.75%、1.45%、0.77%，均方根誤差分別為0.182、0.199、0.180 L，表明液量監(jiān)測器在不同實際作業(yè)工況中的數(shù)據(jù)輸出較穩(wěn)定可靠。

無人機；設計；試驗；農(nóng)業(yè)航空；藥箱；液量監(jiān)測；無線監(jiān)測

0 引 言

藥箱是植保無人機的關(guān)鍵部件，在植保作業(yè)過程中，藥箱內(nèi)藥液處于質(zhì)量變化狀態(tài)，其中的藥量隨著作業(yè)推進逐漸減少，是一個動態(tài)變化的過程。因此，飛控手要進行施藥的精準控制，必須時刻關(guān)注藥箱的藥量信息，以便根據(jù)藥箱的藥量及時調(diào)整植保無人機的飛行操控策略，例如藥箱藥量與電池電量或油料的優(yōu)化搭配、斷點續(xù)噴等。通過實時掌握藥箱藥量信息，可最大限度避免發(fā)生頻繁起降、電池損耗大、作業(yè)效率低下和漏噴等不利現(xiàn)象[1-2]。

液位信息的獲取是實現(xiàn)液量監(jiān)測的技術(shù)手段之一，藥箱的液位監(jiān)測面臨液面波動劇烈、藥液的理化特性各異、藥箱空間小、防腐蝕要求高等問題。傳統(tǒng)液位監(jiān)測方法受到諸多局限[3-4]，較難滿足植保無人機藥箱液位監(jiān)

測的需要。例如：差壓式液位測量[5]的系統(tǒng)構(gòu)造復雜，且較長的連接管路不適合安裝在體積較小的植保無人機藥箱內(nèi)；浮體式液位測量[6-9]、光電式液位測量[10-12]和機器視覺法測量[13-15]液位的裝置體積、質(zhì)量較大，安裝于結(jié)構(gòu)非常緊湊的植保無人機藥箱面臨諸多困難；電容式液位測量[16-18]、電極式液位測量[19-21]適用于導電特性穩(wěn)定、且黏性較小的液體，且兩者的標定工作較為復雜；超聲波液位測量[22]、激光液位測量[23-24]存在盲區(qū)，需要距離液面一定高度才能正常使用，這類裝置的安裝條件會減少本就有限的載藥量。此外，超聲波及激光測距傳感器設備的抗腐蝕抗污染能力較差，揮發(fā)性的液體可能在傳感器探頭表面凝結(jié)，藥液晃動時易沾到傳感器會使其受到侵蝕極易造成傳感器數(shù)據(jù)異常甚至失靈[25]。李加念等[26]用壓力變送器測量了蓄水池的液位信息，由于水位較高，池低液壓不會因環(huán)境氣壓變化出現(xiàn)較大偏差，取得了不錯的效果。但植保無人機藥箱體積小，總液位較低，環(huán)境大氣壓影響不可忽略，且壓力變送器質(zhì)量較大，因此，需要針對植保無人機藥箱的特點，研發(fā)適用于植保無人機藥箱液位、液量監(jiān)測的方法和裝置。

此外，現(xiàn)有常見的植保無人機藥箱液量監(jiān)測技術(shù)有流量計法和流量估算法。流量計法是根據(jù)滿箱時固定液量或設定的液量減去流過流量計的液量進行剩余液量估計，需要在每次作業(yè)之前進行手動輸入載藥量。流量估算法是根據(jù)經(jīng)過地面測試的噴嘴液體流速和作業(yè)時間推算消耗的液量，同樣需要明確初始總液量。若因故障暫停而中途加藥使得起飛前初始總液量發(fā)生變化時就會造成測量誤差。

本文擬結(jié)合植保無人機作業(yè)的特點及其藥箱的特殊性，設計一種適合植保無人機的質(zhì)量輕、功耗小、精度高、耐腐蝕的藥箱液量監(jiān)測裝置，并制作樣機進行實際應用測試試驗，為實現(xiàn)植保無人機精準施藥提供參考。

1 植保無人機藥箱液量監(jiān)測裝置的設計

1.1 總體設計方案

現(xiàn)有研究對植保無人機藥箱液位監(jiān)測裝置中需要應對的問題進行了較全面的闡述[2]，包括液面波動劇烈、機身傾斜工況多、藥液的理化特性各異、藥箱空間小、防腐蝕要求高、功耗要求小等問題。針對植保無人機藥箱液量監(jiān)測裝置設計中需要克服的難題，結(jié)合植保無人機作業(yè)時的實際情況，本文提出一種雙氣壓式液量無線監(jiān)測裝置的設計方案。該裝置包括液量監(jiān)測器1、液量信息轉(zhuǎn)發(fā)器3、空心管4、地面監(jiān)控器5以及用于標定的流量傳感器6等，如圖1a所示。

1. 液量監(jiān)測器2. 供電與通信電纜3. 液量信息轉(zhuǎn)發(fā)器4. 空心管5. 地面監(jiān)控器 6. 流量傳感器7. 流量標定線纜8. K1校正按鍵9. K2校正按鍵10. 植保無人機 11. 藥箱

1. Liquid quantity monitor 2. Power supply and communication cable 3. Liquid quantity information transponder 4. Hollow tube 5. Ground monitor 6. Flow sensor 7. Flow calibration cable 8. K1 correction button 9. K2 correction button 10. Spraying UAV 11. Pesticide tank

a.雙氣壓式液量無線監(jiān)測裝置設計方案示意圖

a. Design schematic diagram of dual-pressure liquid quantity wireless monitoring device

1. 環(huán)境氣壓通氣孔 2.鋁制頂蓋 3.存儲器 4,11.氣壓傳感器5. 電路基板 6. 供電通信接口7. 處理器 8. 密閉氣室 9. 鋁制底殼 10. 空心管接口 12. 流量標定數(shù)據(jù)接口 13. 陀螺儀 14. 電源指示燈

1. Vent of atmosphere pressure 2. Aluminum cap 3. Storage 4, 11. Air pressure sensor 5. Circuit board 6. Power supply and communication interface 7. Processor 8. Closed chamber 9. Aluminum base 10. Hollow tube interface 12. Flow calibration data interface 13. Gyroscope 14. Power indicator light

b. 雙氣壓式液量監(jiān)測器結(jié)構(gòu)圖

b. Structure diagram of dual-pressure liquid quantity monitor

圖1 雙氣壓式液量無線監(jiān)測裝置

Fig.1 Dual-pressure liquid quantity wireless monitoring device

在藥箱的合適位置安裝液量監(jiān)測器，空心管的一端與液量監(jiān)測器連接，該連接端不低于被監(jiān)測容器的滿箱位置水平線；空心管的另一自由端與被監(jiān)測藥箱的空箱位置水平線齊平，并避免堵塞。液量信息轉(zhuǎn)發(fā)器為液量監(jiān)測器提供電能同時通過無線通信鏈路轉(zhuǎn)發(fā)液量信息至地面監(jiān)控器。地面監(jiān)控器可實時顯示剩余液量信息。

流量傳感器與液量監(jiān)測器的流量標定數(shù)據(jù)接口連接，僅在標定階段使用，用于液位-液量的換算標定，以解決藥箱形狀、大小各異的問題，使該監(jiān)測裝置最大程度適用于各類不同藥箱的安裝和使用。

1.2 雙氣壓式液量監(jiān)測器

監(jiān)測器由環(huán)境氣壓通氣孔1、鋁制頂蓋2、存儲器3、氣壓傳感器4,11、電路基板5、供電通信接口6、處理器7、空心管接口10、流量標定數(shù)據(jù)接口12、陀螺儀13、電源指示燈14等組成，如圖1b所示。

將存儲器AT24C08（CATALYST公司生產(chǎn)的8192位的串行電可擦寫可編程只讀存儲器）、MS5611氣壓傳感器（MEAS推出的SPI和I2C總線接口的氣壓傳感器）、STM32F103處理器（意法半導體生產(chǎn)的32位處理器）、供電通信接口、流量標定數(shù)據(jù)接口、微機械陀螺儀（MPU6050系列）、電源指示燈焊接在電路基板上，其中MS5611選用內(nèi)置處理器的采集器模塊，其采樣輸出頻率為10 Hz。氣壓傳感器一位于電路基板頂面，與鋁制頂蓋的環(huán)境氣壓通氣孔相通，保證了氣壓傳感器與外部空氣聯(lián)通，用于監(jiān)測環(huán)境大氣壓?？招墓芙涌跒橥鈴? mm的全金屬直通外螺紋接頭，嵌入到鋁制底殼側(cè)壁，用于外接內(nèi)徑4 mm的空心管，空心管連通密閉氣室，與空心管內(nèi)液面形成密閉空間。氣壓傳感器二位于電路基板底面，檢測電路基板與底殼無縫黏合形成的密閉氣室內(nèi)氣壓。

1.3 液量信息轉(zhuǎn)發(fā)器

液量監(jiān)測器安裝于植保無人機上，為了方便查看藥箱液量信息和進行斷點續(xù)噴等二次開發(fā)利用，設計了既可以單獨為液量監(jiān)測器供電又可將液量信息發(fā)送到地面站或輸出至飛控的液量信息轉(zhuǎn)發(fā)器。轉(zhuǎn)發(fā)器包括電池、電量監(jiān)測模塊、2.4 G無線數(shù)傳模塊和充電電路。電池選用3.7 V (1 000 mAh)鋰電池，在40 mA的額定工作電流下，可支持液量監(jiān)測器工作25 h。數(shù)傳模塊選擇成都澤耀科技有限公司研發(fā)的AS14-TTL型號（核心芯片為NRF24L01）的大功率無線串口，支持定頻定點模式傳輸。

1.4 地面監(jiān)控器

地面監(jiān)控器主要用于顯示藥箱液量信息，包括液量顯示模塊、無線數(shù)傳接收器模塊和電池等部分。接收器與轉(zhuǎn)發(fā)器的無線數(shù)傳模塊配對連通。為了可視化顯示藥箱中的液量信息，設計了10級液量指示燈：0，10%，20%……100%。與轉(zhuǎn)發(fā)器類似，同樣內(nèi)置大容量鋰電池，配有標準充電保護和電量監(jiān)測電路。為了方便地面計算機采集數(shù)據(jù)，提供了液量信息輸出接口，如圖2所示。

1.5 液量信息的校準與標定

1.5.1 環(huán)境大氣壓變化的校準

由于液量監(jiān)測器中氣壓傳感器二監(jiān)測的密閉氣室氣壓是相對于環(huán)境氣壓測得的，在不同環(huán)境氣壓下，氣壓傳感器二測得的氣壓值與真值存在差距，故需要獲得環(huán)境大氣壓對其進行實時校準，校準方法如下：氣壓傳感器一監(jiān)測環(huán)境大氣壓P，氣壓傳感器二監(jiān)測藥箱液面與空心管圍閉形成的密閉氣室的氣壓P，該氣壓值受液位高度和環(huán)境大氣壓影響。

為了消除環(huán)境大氣壓的影響，采用差值法間接建立液位高度與密閉氣室中氣壓的相關(guān)關(guān)系。該氣壓差值為：

P=P- P（1）

式中P為環(huán)境大氣壓值，P密閉氣室的氣壓值，hPa。

采用上述雙氣壓傳感器方法的好處在于：用氣壓差值來反演液位高度信息，可減小環(huán)境氣壓變化引起的測量結(jié)果不穩(wěn)定；空心管的伸入式監(jiān)測方法不會占用原本緊湊的藥箱內(nèi)部空間，解決了藥箱空間小對監(jiān)測裝置體積約束的問題；由于傳感器不需要直接與被測液體接觸，可較好地解決農(nóng)藥或助劑對傳感器的腐蝕和污染問題。

1.5.2 液面震蕩及機身傾斜干擾的校正

植保無人機作業(yè)過程中，藥箱液位不僅是動態(tài)變化的，還會受到多種干擾：一是陣風干擾、地頭轉(zhuǎn)彎調(diào)頭等特殊工況下，液面易出現(xiàn)較劇烈的波動，對液位測量的結(jié)果造成干擾；二是植保無人機在前進、后退、左移、右移等飛行姿態(tài)中通常機身呈傾斜狀態(tài)，需要對機身傾斜角引起的液位測量誤差進行校正。

針對液面震蕩干擾，擬采用低滯后的混合數(shù)字濾波算法進行濾除處理；針對機身傾斜干擾，擬采用基于微機械陀螺儀的液位校正算法進行校正處理。

1）混合數(shù)字濾波算法

數(shù)字濾波算法是濾除噪聲干擾，提高測量精度的有效方法之一[27-28]。目前常見的數(shù)字濾波算法主要有限幅濾波法、中位值濾波法、算術(shù)平均濾波法[29]、遞推平均濾波法[30]、中位值平均濾波法、限幅平均濾波法[31]、一階滯后濾波法、加權(quán)遞推平均濾波法、消抖濾波法、限幅消抖濾波法[32]等，但每種算法都有其自身的優(yōu)缺點，通常要在其適用的條件下才能發(fā)揮較好的作用，否則仍然會有較大的誤差出現(xiàn)[33]。楊運經(jīng)等[34]采用了中位值平均濾波法濾除液面晃動干擾，但會存在數(shù)據(jù)滯后問題。

結(jié)合植保無人機藥箱液位監(jiān)測的特點，本文將中位值平均濾波法與滑動平均濾波法融合，提出一種混合數(shù)字濾波算法，該算法流程如下：連續(xù)采樣個數(shù)據(jù)，去掉一個最大值和一個最小值，然后計算（-2）個數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值；在這個數(shù)組末位加入新采集的2個數(shù)據(jù)，再進行一次去最大值最小值，然后求得平均值作為新的計算結(jié)果，計算結(jié)果滯后性較??；依次類推。值的選取范圍為3～14，本文取=10。

2）基于微機械陀螺儀的機身傾斜校正算法

基于微機械陀螺儀的機身傾斜校正算法的原理如下：如式（1）所示，以密閉氣室的氣壓P和實時環(huán)境氣壓P為主變量，陀螺儀硬件實測的機身（藥箱）角度作為校正參量，先根據(jù)式（1）計算出P與P的差值，然后再經(jīng)過微機械陀螺儀角度校正后得到新的氣壓差值，用校正后氣壓差值參與數(shù)字濾波計算。

如圖3a所示，液量監(jiān)測器安裝時，確保其水平面與機身懸停時的平面平行，液量監(jiān)測器內(nèi)陀螺儀軸與飛行器偏航角平行，軸與飛行器俯仰角平行，軸與飛行器翻滾角平行，陀螺儀用于測量機身傾斜角。

1. 雙氣壓式液量監(jiān)測器 2. 藥箱 3. 空心管 4. 液量監(jiān)測器內(nèi)部陀螺儀

1. Dual-pressure liquid quantity monitor 2. Pesticide tank 3. Hollow pipe 4. Internal gyroscope of liquid quantity monitor

注：軸與無人機翻滾角平行；軸與無人機俯仰角平行；軸與無人機偏航角平行；1表示實際液面；2表示藥箱傾斜液面；1表示實際液位；2表示藥箱傾斜實測液位；1表示實際液位與實測液位夾角，(o)；2表示機身傾角，機身傾角等于藥箱傾角，(o)。

Note:axis is paralleled with rolling angle of aircraft;axis is paralleled with pitch angle of aircraft;axis is paralleled with yaw angle of aircraft;1 represents actual liquid surface;2 represents liquid surface when pesticide tank is tilted;1represents actual liquid level;2represents measured liquid level of tilted pesticide tank;1represents angle of actual liquid surface and liquid surface when pesticide tank tilted, (o);2represents inclination of fuselage, equaled to inclination of pesticide tank, (o).

圖3 液量監(jiān)測器安裝方式和藥箱水平及傾斜時藥箱液位動態(tài)監(jiān)測示意圖

Fig.3 Installation mode of liquid quantity monitor and schematic diagram of dynamic monitoring liquid level when pesticide tank is horizontal and tilted

圖3b為植保無人機水平或傾斜時的藥箱液位監(jiān)測圖，1為實際液位高度；2為機身發(fā)生傾斜時液量監(jiān)測器實測的液位高度。從圖3b中可知，機身（藥箱）傾角2與實際液位和實測液位的夾角1相等，實測液位高度2與實際液位高度1的關(guān)系為

液量監(jiān)測器的實測密閉氣室氣壓P為

（3）

式中為液體密度（具體藥液密度），kg/m3；為重力加速度，m/s2；2為藥箱傾斜實測液位，mm；1為實際液位，mm；為空心管橫截面積，mm2。

1.5.3 液位-液量的換算標定

目前，用于植保無人機的藥箱形狀主要有方形、矩形、碟形、圓錐形以及其他為了適應機身構(gòu)架的不規(guī)則藥箱形狀，不同類型的植保無人機的藥箱大小不一、形狀規(guī)格不同，使得藥箱的液位與液量之間的關(guān)系也存在不確定性。為了使液位監(jiān)測裝置最大程度適用于各類不同藥箱的液量監(jiān)測，設計了液位-液量換算標定的方法，如圖4a所示。

關(guān)閉藥箱出口，在藥箱中加入藥液至滿箱，并水平放置藥箱；將流量傳感器連接至液量監(jiān)測器的流量標定數(shù)據(jù)接口，打開藥液出口閥門，液量監(jiān)測器開始測量液位百分比；藥液流過流量傳感器時，會發(fā)送脈沖至液量監(jiān)測器，監(jiān)測器檢測到脈沖觸發(fā)信號后自動進入流量檢測計數(shù)中斷服務程序，根據(jù)滿箱狀態(tài)下總流量減去每個液位百分比對應的已流流量，得到剩余液量與液位百分比的數(shù)據(jù)對照表，將其固化保存到存儲器中；在后續(xù)作業(yè)中進行液量監(jiān)測時，直接查詢該對照表，即可實現(xiàn)液位-液量的換算。

本文所用流量傳感器為基于磁信號的YF-S401霍爾式流量傳感器（佛山市順德區(qū)中江節(jié)能電子有限公司生產(chǎn)，單脈沖精度0.17 mL），主要由塑料閥體、轉(zhuǎn)子組件和霍爾傳感器組成。其性能參數(shù)如表1所示。

表1 流量傳感器參數(shù)

1.6 植保無人機作業(yè)中液量信息監(jiān)測方法

液量監(jiān)測器安裝時，保證其位資與植保無人機機身懸停時水平面平行。

當藥箱內(nèi)沒有藥液時，空心管的液位高度=0，按下地面監(jiān)控器空箱校正按鍵，通過無線通訊方式將校正指令由轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)送至液量監(jiān)測器，液量監(jiān)測器的氣壓傳感器同時獲取當前環(huán)境大氣壓值P和當前密閉氣室氣壓P1，此時，密閉氣室與環(huán)境大氣連通，故有

P1=P （5）

空箱時的氣壓差值記為10。當藥箱裝滿藥液時，其液位高度為，由于液柱的壓縮作用，密閉氣室內(nèi)氣壓大于環(huán)境大氣壓強，滿箱時密閉氣室內(nèi)氣壓記為P2，根據(jù)式（1）計算出氣壓差值2，按下地面監(jiān)控器滿箱校正按鍵，通過無線通訊方式將校正指令由轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)送至液量監(jiān)測器，液量監(jiān)測端存儲當前氣壓差值2。

在噴灑作業(yè)過程中，動態(tài)變化的藥箱液位高度為2，同樣方法得出動態(tài)氣壓差值3。

（7）

測得動態(tài)氣壓差值3后，經(jīng)過前述的液面震蕩及機身傾斜干擾的校正處理后，得到經(jīng)過校正的31，并計算得出藥箱的液位百分比

根據(jù)液位百分比，查詢該藥箱的剩余液量與液位百分比的數(shù)據(jù)對照表，換算出目前的液量信息。

2 測試試驗與結(jié)果分析

根據(jù)前述設計方案制作了藥箱液量監(jiān)測器樣機，圖5為整體樣機實物圖。液量監(jiān)測器樣機性能指標如下：額定工作電壓為5 V，質(zhì)量為40 g，功耗為0.2 W。

為了驗證前述的雙氣壓式液位監(jiān)測、藥箱液面震蕩干擾濾波、機身傾斜干擾校正以及液位-液量換算模型等方法，設計了相關(guān)的驗證試驗進行性能測試。

2.1 藥箱液位高度的實驗室靜態(tài)測試試驗

該測試試驗步驟如下：采用50 mL容量的量筒（靜態(tài)滿液位高度為125 mm），量筒靜置于水平桌面上。將液量監(jiān)測器樣機水平安置于量筒頂部，空心管伸入量筒，使其末端與量筒底部基本水平。使用1 mL規(guī)格的滴管攝取量筒內(nèi)液體使其液位高度每次減少2.5 mm（單次攝取1 mL），記錄液量監(jiān)測器采集到的動態(tài)氣壓差值。

如圖6所示，液量監(jiān)測器采集到的氣壓差值隨著液位降低而較小，當液位高度為125 mm時，氣壓差值為10.2 hPa；當液位高度為0 mm時，氣壓差值為0 hPa，擬合曲線為=0.080 6+0.431 5，2=0.998 9，液量監(jiān)測器采集到的氣壓差值與液位高度呈顯著的線性負相關(guān)關(guān)系，表明可以利用氣壓差值來反演液位信息。

圖6 動態(tài)的氣壓差值與實際液位的關(guān)系

2.2 藥箱液面震蕩干擾的濾波測試試驗

該測試試驗步驟如下：在10 L的藥箱中裝滿水，施加不規(guī)則大小的外力，模擬植保無人機飛行中所產(chǎn)生的液面震蕩，液量監(jiān)測器的測得雙氣壓的氣壓差值，采樣頻率為10 Hz，測量時間30 s。濾波前后氣壓差值的對比如圖7所示。

圖7 藥箱液面震蕩的氣壓差值濾波測試結(jié)果

上述測試中，液面靜止時，液量監(jiān)測器測得雙氣壓的氣壓差值為9.82 hPa（真實值），濾波處理前后的平均值分別為10.15和9.79 hPa。對圖8中的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析后得出，濾波前氣壓差值的變異系數(shù)為28.45%，濾波后氣壓差值的變異系數(shù)為12.27%，小于15%，且濾波后平均值更接近真實值，說明前述混合數(shù)字濾波算法表現(xiàn)良好。

該算法的優(yōu)點是融合了中位值平均濾波法和滑動平均濾波法2種方法的優(yōu)點，既能抑制隨機干擾，又能濾除明顯的脈沖干擾，具有較高的平滑度。植保無人機在田間掉頭等工況下易出現(xiàn)液面震蕩波動的情況，這種液面震蕩波動既有隨機性，又有脈沖波動特性，比較適合采用混合數(shù)字濾波算法進行處理。

2.3 靜態(tài)機身傾斜干擾的校正測試試驗

該測試試驗步驟如下：在容量為8 L的方形藥箱中裝5 L水，將液量監(jiān)測器樣機水平安裝于藥箱頂部，空心管伸入藥箱，使其末端與藥箱空箱位置基本水平。模擬10°、15°、20°、30°共4種不同角度傾斜藥箱，記錄液量監(jiān)測器測得各傳感器的值如表2所示。

表2 藥箱傾斜干擾校正前后數(shù)據(jù)對比

由表2可知，P環(huán)境大氣壓值穩(wěn)定在1 001.09 hPa左右，藥箱未受傾斜干擾時（傾斜角為0o）雙氣壓差值測量值為8.43 hPa，而受到藥箱傾斜干擾后氣壓差值測量值逐漸減小。根據(jù)陀螺儀角度校正后，氣壓差值最大誤差從校正前的-1.09 hPa降低至校正后的0.05 hPa。可見，本文算法可以較好地消除植保無人機飛行中機身傾斜帶來的藥箱傾斜干擾誤差。

2.4 圓錐形藥箱液位-液量換算的標定試驗

該測試試驗步驟如下：

1）安裝固定好支撐架，將藥箱水平放置于固定架上，藥箱底部外接出水管和閥門，閥門接霍爾流量傳感器，閥門打開后，水可以通過流量傳感器流入水桶。將液量監(jiān)測器樣機水平安裝于藥箱頂部，空心管伸入藥箱，其末端與藥箱空箱位置基本水平，使標有刻度的滴管最低點與藥箱空箱位置持平，且底部出口與藥箱出口連通，記錄藥箱滿箱時滴管內(nèi)液面所對應的刻度值。

2）對液位監(jiān)測器進行空箱、滿箱標定，標定完成后，使液量監(jiān)測器進入實時監(jiān)測模式，打開閥門，液體流過流量傳感器，流量傳感器發(fā)送脈沖到液量監(jiān)測器，根據(jù)上文提出的液位-液量換算標定方法及流程得到100組液位百分比和剩余液量數(shù)據(jù)對照表。

3）在同一藥箱內(nèi)再次裝滿水，讀取滴管中液面對應刻度所指示的高度，設定液量監(jiān)測器根據(jù)所建數(shù)據(jù)表在液位每下降百分之一輸出一次剩余液量，同時刻度滴管中總高度每下降百分之一記錄流量計的已流出流量，再求與藥箱總體積的差值，記為滴管測試剩余液量，將其作為真值，與液量監(jiān)測器輸出的液量進行比較，以分析判斷液位-液量換算標定的準確性。

圖8是圓錐型藥箱液位-液量換算標定測試驗結(jié)果，統(tǒng)計分析結(jié)果可知，滴管測試剩余液量曲線和液量監(jiān)測器輸出液量在前段接近直線，之后呈弧線，原因是錐形藥箱上半部分（柱型）的液位與藥箱內(nèi)藥液體積呈線性相關(guān)，從而液位與液量之間存在線性關(guān)系，而在下半部分（錐型）液位與藥箱內(nèi)藥液體積呈非線性關(guān)系。2組數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)為0.967。液量監(jiān)測器輸出剩余液量值相對于滴管測試剩余液量的最大誤差為0.359 L，平均誤差0.099 L，均方根誤差為0.027 L，誤差較小，利用液量監(jiān)測器的液位-液量標定方法效果較好。

圖8 圓錐型藥箱液位和液量換算標定試驗結(jié)果

2.5 植保無人機機載動態(tài)測試試驗

試驗機型為谷上飛3WDM4-10植保無人機（珠海羽人飛行器有限公司生產(chǎn)），其性能指標參數(shù)如表3所示。將液量監(jiān)測器樣機和轉(zhuǎn)發(fā)器水平安裝于藥箱頂部，空心管伸入到藥箱底部，使其末端與藥箱空箱位置基本水平。為方便存儲和處理數(shù)據(jù)，將地面計算機與地面監(jiān)控器的輸出接口連接，把液量監(jiān)測器發(fā)回的原始數(shù)據(jù)和校正處理后數(shù)據(jù)存儲于地面計算機，用于后續(xù)統(tǒng)計分析。

表3 3WDM4-10植保無人機參數(shù)

為了驗證液量監(jiān)測裝置在植保無人飛機作業(yè)中不同工況條件下測量的準確性，設計了2、4、6 L共3種液量狀態(tài)，分別在前進、后退、田間掉頭移行等3種常見的飛行工況中進行測試，飛行速度為3 m/s。

圖9為谷上飛3WDM4-10植保無人機安裝效果，圖10是谷上飛3WDM4-10植保無人機在2、4、6 L的載藥量時，液量監(jiān)測器輸出的數(shù)據(jù)對比。經(jīng)過校正處理后液量均值分別為1.985、3.942、5.984 L，經(jīng)過校正處理后液量相對誤差分別為0.75%、1.45%、0.77%，均方根誤差分別為0.182、0.199、0.180 L。表4是在不同載藥量時液量監(jiān)測器監(jiān)測到液量數(shù)據(jù)在校正前后的變異系數(shù)對比，從表4中可知，校正后變異系數(shù)明顯小于校正前的變異系數(shù)，表明液量監(jiān)測器可以有效濾除不同工況帶來的干擾，液量監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)輸出穩(wěn)定可靠。

圖9 液量監(jiān)測器在3WDM4-10植保無人機上的安裝方式

圖10 3WDM4-10植保無人機液量監(jiān)測試驗結(jié)果

表4 3WDM4-10植保無人機液量監(jiān)測數(shù)據(jù)校正前后變異系數(shù)

3 結(jié)論與討論

根據(jù)植保無人機藥箱的特點，為適應植保無人機作業(yè)的實際需要，提出了雙氣壓式液量監(jiān)測裝置的設計方案，并進行了測試試驗，結(jié)果表明：

1）采用同時監(jiān)測環(huán)境氣壓和密閉氣室內(nèi)氣壓的雙氣壓式差值法，建立液位高度與氣壓差值之間的相關(guān)關(guān)系，決定系數(shù)2為0.998 9，可有效消除環(huán)境氣壓變化對測量精度和穩(wěn)定性帶來的影響。

2）針對液面震蕩干擾，設計了混合數(shù)字濾波算法，同時融合了中位值平均濾波法與滑動平均濾波法的優(yōu)勢，使藥箱液位數(shù)據(jù)的變異系數(shù)由濾波處理前的28.45%降低到12.27%，對液面震蕩干擾具有較好的濾波效果；針對機身傾斜干擾，設計了基于微機械陀螺儀的校正算法，在機身傾斜30°時，誤差從校正前的-1.09 hPa，降低至校正后的0.05 hPa，可較好地消除植保無人機飛行中機身傾斜帶來的藥箱傾斜干擾誤差。

3）在植保無人機機載動態(tài)測試試驗中，設計了前進、后退、田間掉頭移行等3種常見的飛行工況中進行測試，在2、4、6 L的載藥量時，液量監(jiān)測器輸出的液量數(shù)據(jù)均值分別為1.985、3.942、5.984 L，經(jīng)過校正處理后液量相對誤差分別為0.75%、1.45%、0.77%，均方根誤差分別為0.182、0.199、0.180 L，表明液量監(jiān)測器在不同實際作業(yè)工況中的數(shù)據(jù)輸出較穩(wěn)定可靠。

本文所述方法較好地解決了現(xiàn)有液位監(jiān)測裝置由于機械結(jié)構(gòu)復雜、裝置龐大、安裝不便、成本過高、通用性能差等特點而難以在植保無人機液位監(jiān)測中應用的問題，并實現(xiàn)了液位-液量的精確換算，但測量精度還有較大的提高空間，因此還需對此進行更深一步的研究。

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Design and experiment of liquid quantity monitor for pesticide tank in spraying UAV

Jiang Rui1,2, Zhou Zhiyan1,2,3※, Xu Yan1, Lan Yubin1,2, Luo Xiwen1,2

(1.510642,; 2.510642; 3.410128)

The liquid quantity data is one of the most important information to spraying UAV(unmanned aerial vehicle). During the aerial spraying, the liquid quantity in the pesticide tank is dynamic, the operators have always to paid attention to the liquid quantity so that they can make suitable decisions for the flight controlling. Therefore, the liquid quantity monitoring method for pesticide tank is the most important in UAV spraying operation. However, other special characteristics need to be evaluated in order to achieve real-time monitoring the amount of pesticide liquid of spraying UAV, including unstable liquid surface, variation of physical and chemical properties of different pesticides, shapes of different tanks, the anti-corrosion requirements, tank sizes, etc. In this paper, we aimed to explore the feasible method for liquid quantity monitoring of pesticide tank in spraying UAV. Based on the above characteristics, we developed a solution called dual-pressure liquid quantity monitoring system, which consisted of double pressure sensors for liquid-level monitor, wave filter for liquid level turbulence (i.e.va combination of the median filter and the moving average filter), liquid level correction for aircraft on a tilt (based on a gyroscope), and conversion model for liquid level and liquid quantity. In order to verify the feasibility of the proposed method, a prototype of liquid monitoring device was developed, and the relevant verification test was conducted to test its performance. The experimental results showed that there was a significant (< 0.05) linear negative correlation between the liquid level and pressure difference (between ambient atmospheric pressure and sealed air chamber pressure caused by liquid level), and the correlation coefficient2was 0.9989. It showed that the dual-pressure method can effectively eliminate the influence of ambient atmospheric pressure changes on the measurement accuracy and stability. By using the proposed wave filter, the C.V. (coefficient of variation) of liquid level data decreased from 28.45% to 12.27%, indicating that the proposed wave filter can filter off the liquid level turbulence effectively. By using liquid-level correction for aircraft on a tilt, the error was reduced to 0.05 from -1.09 hPa when the aircraft tilt up to 30°. Therefore, the proposed tilt correction method can effectively eliminate the error caused by aircraft body tilt. In order to test the performance of prototype of liquid quantity monitor in the actual spraying operation, the test based on a spraying UAV, 3WDM4-10, was conducted. The test included three different flying attitudes, forward, backward and turn around at the edge of field. When the payload of the pesticide tank was 2, 4 and 6 L, the mean liquid quantity data out by the liquid quantity monitor were 1.985, 3.942, and 5.984 L, the relative errors of the liquid quantity monitor were 0.75 %、1.45%、0.77%, the RMS error was 0.182, 0.199 and 0.180 L, respectively. The results demonstrated that the output of the proposed liquid quantity monitor is stable and reliable in different flying attitude.

unmanned aerial vehicles; design; experiments; agricultural aviation; pesticide tank; liquid quantity monitoring; wireless monitoring

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.014

S252+.3

B

1002-6819(2017)-12-0107-09

2017-02-10

2017-05-10

廣東省科技計劃項目（2014B090904073，2014A020208103，2015B020206003）；國家重點研發(fā)計劃（2016YFD0200700）

姜 銳，男，山西晉中人，主要從事農(nóng)業(yè)航空應用技術(shù)研究。廣州 華南農(nóng)業(yè)大學工程學院，510642。Email：469289264@qq.com.

周志艷，男（漢族），湖南永州人，教授，主要從事農(nóng)業(yè)航空應用技術(shù)研究。廣州 華南農(nóng)業(yè)大學工程學院，510642。 Email：zyzhou@scau.edu.cn。中國農(nóng)業(yè)工程學會會員：周志艷（E042100021M）

姜 銳，周志艷，徐 巖，蘭玉彬，羅錫文. 植保無人機藥箱液量監(jiān)測裝置的設計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2017，33(12)：107－115. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.014 http://www.tcsae.org

Jiang Rui, Zhou Zhiyan, Xu Yan, Lan Yubin, Luo Xiwen. Design and experiment of liquid quantity monitor for pesticide tank in spraying UAV[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(12): 107－115. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.014 http://www.tcsae.org