采用變量噴灑控制裝置的四旋翼無人機

衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 徐云川

0 引言

傳統(tǒng)農(nóng)林噴淋主要以手持擔(dān)架式噴霧機的方式噴灑，農(nóng)藥可以通過表皮汗腺直接進入人體，危害人體健康，此外，這種噴灑方式對農(nóng)藥的利用率極低，大部分的農(nóng)藥由于重力沒有能夠附著在農(nóng)作物上而滴落。四軸飛行器在藥物噴淋和病蟲害防治領(lǐng)域的應(yīng)用，具有結(jié)構(gòu)簡單、操縱方便等特點，能實現(xiàn)垂直起降和空中懸停。

現(xiàn)有植保無人機噴灑大多采用固定擔(dān)架噴淋方式，存在噴灑量不可控和噴灑角度不可調(diào)等不足，本文設(shè)計一種變量噴灑控制裝置，無人機作業(yè)時，遙控器可以在相應(yīng)通道的信號端控制輸出PWM信號，通過控制電子開關(guān)控制液泵功率實現(xiàn)對藥液流量的控制，此外，通過控制舵機可以抬升支撐桿，實現(xiàn)對噴灑量和噴灑角度的控制。

1 四旋翼無人機飛行原理

機翼對稱分布在機體的前后、左右四個方向，4個旋翼處于同一高度平面，且4個旋翼的結(jié)構(gòu)和半徑都相同，4個電機對稱的安裝在飛行器的機架端，機架中間空間安放飛行控制芯片、動力電池、傳感器組和無線通訊模塊。在飛控芯片的集中控制下，通過協(xié)調(diào)各電機的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向，實現(xiàn)垂直、俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航、前后、傾向運動。

2 無人機結(jié)構(gòu)設(shè)計

采用變量噴灑控制裝置的四旋翼無人機，主要有變量噴灑控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)和飛行器主體四大部分，如圖1所示。變量噴灑控制系統(tǒng)包括儲藥箱、支架、支撐桿、舵機、噴頭等；動力系統(tǒng)包括動力電池、無刷電機、電調(diào)、螺旋槳等；飛行控制系統(tǒng)包括遙控器、接收機、飛行控制器、GPS定位器等；飛行器主體包括機架、起落架、減震云臺等。

2.1 無人機結(jié)構(gòu)布局

機架由上下兩層纖維板構(gòu)成，機翼通過螺絲分別與上下纖維板固定，中間形成夾倉，上纖維板安裝有減震云臺。動力電池、接收機固定在下纖維板。機翼末端安裝有無刷電機，螺旋槳通過螺帽固定在無刷電機上。飛行控制器安裝在減震云臺上，與接收機及電調(diào)連接。支架起到固定和支撐作用，支撐桿、噴灑裝置、儲藥箱均固定在支架上。支架設(shè)置在儲藥箱兩側(cè)，支撐桿位于儲藥箱下方且與支架連接，與機架腳呈最大90度的活動角，等長度延伸出機架兩端。支撐桿兩側(cè)設(shè)置有噴頭，噴頭呈對稱安裝在支撐桿上，液泵及液泵驅(qū)動電路固定安裝在支架上。支架上還設(shè)置有舵機，舵機的電機轉(zhuǎn)軸上綁定束線，束線另一端捆綁在支撐桿中間位置，舵機的信號線插入接收機通道。舵機與支撐桿完成聯(lián)動控制支撐桿上下擺動。

圖1 變量噴灑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 變量噴灑控制系統(tǒng)

變量噴灑控制系統(tǒng)是為實現(xiàn)對噴灑量和噴灑角度的可控而設(shè)置的，采用單片機作為微處理器，以動力電池為電源，通過穩(wěn)壓電路輸出5V電壓，為液泵電路和單片機供電。藥液噴灑控制器由藥液流量控制單元和噴灑角度控制單元組成，電氣連接圖如圖2所示。由于液泵一般需要大電流驅(qū)動能力，而接收機的輸出驅(qū)動能力不強，就要采用單片機和液泵驅(qū)動電路組合增強對液泵的電流驅(qū)動能力。液泵驅(qū)動電路是三極管和小型繼電器的組合。液泵采用直流微型溢壓回流水泵。

圖2 藥液噴灑控制器電氣連接圖

藥液流量控制單元工作原理如下：當(dāng)接收機接收到通道6（CH6）脈沖信號時，單片機捕獲脈沖信號，在其某個I/O端控制繼電器的打開或閉合，導(dǎo)致液泵工作開啟或關(guān)閉。噴灑角度控制單元工作原理如下：當(dāng)接收機接收到通道5（CH5）脈沖信號時，通過舵機拉緊（釋放）束線，由于支撐桿一端被固定在機架上，另一端捆綁束線，從而導(dǎo)致支撐桿的擺幅運動。

2.3 無人機動力設(shè)計

農(nóng)藥噴灑無人機載重量需求大，電機的個數(shù)、電調(diào)的驅(qū)動電流和槳葉的尺寸都決定著無人機的起飛載重量，設(shè)計時應(yīng)根據(jù)電機的功率、螺旋槳的尺寸、飛機載重合理分配重量，以便無人機能有效完成預(yù)定功能，單個螺旋槳拉力計算公式：

其中，F(xiàn)是螺旋槳拉力（單位公斤），D是螺旋槳直徑（單位米），d是螺距（單位米），w是螺旋槳寬度（單位米），r是轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)每秒），1代表1個標準大氣壓，E是標準誤差也為經(jīng)驗值，一般取0.25。

電機選型主要考慮電機的KV值、功率和重量，KV值是電機輸入電壓每提高1V，電機空載轉(zhuǎn)速提高的量。經(jīng)驗表明四旋翼采用KV值為1000左右的電機驅(qū)動螺旋槳效率較高，本文選用型號為X2216 KV880朗宇電機，無刷電機是三相電機，需要驅(qū)動器，本文選用型號為40A的好盈電調(diào)。槳葉越大，升力也越大，但需要更大的扭力驅(qū)動；電機轉(zhuǎn)速越快，升力就越大；電機的KV值越小，扭力越大。高KV值得電機配大槳葉，扭力不足，電機和電調(diào)均容易燒壞；低KV值的電機配小槳，升力不足，無法起飛。電機和槳葉搭配需要考慮耗電流和效率相匹配，相比之下，1147槳拉力更大，功率也高，本文選用型號尺寸為1147的槳葉。

由于采用四軸旋翼驅(qū)動，藥箱容量假定為5L，載藥量約為5公斤，其他機體結(jié)構(gòu)重量約為5公斤，結(jié)合本項目所選用的材料，計算得到單個螺旋槳拉力不低于2.6公斤，4個螺旋槳至少能產(chǎn)生10公斤以上的拉力。表1列出了采用變量噴灑控制裝置的四旋翼無人機所選用主要部件型號。

表1 無人機主要部件型號參數(shù)表

圖3 程序流程圖

2.4 飛行調(diào)試

系統(tǒng)采用STM 32F1微控制器讀取傳感器信息，綜合解算姿態(tài)角，輸出控制指令，通過接收機傳送給四個無刷電機完成四旋翼無人機的飛行控制；微處理器還輸出控制指令給舵機和液泵以實現(xiàn)變量可調(diào)的噴灑角度和藥液流量控制。系統(tǒng)程序流程圖如圖3所示。

按照系統(tǒng)程序流程圖，通過調(diào)整參數(shù)及程序，減小誤差，測試系統(tǒng)在自動模式下飛行極限時長及藥液流量消耗大小。測試實驗中，飛行時間代表無人機空中飛行時間，噴灑測試時間即變量噴灑控制裝置開啟時間，流量即實際測得的液泵控制流量，噴灑面積即變量噴灑控制裝置噴灑范圍面積。測試結(jié)果顯示，藥箱在未滿載情況下，飛行和液泵流量實現(xiàn)了精準控制，噴灑面積換算成每平方米消耗農(nóng)藥量是10.559g/m3，查閱以往資料顯示，通常情況下，植保無人機每平方米需要12g噴灑農(nóng)藥，5kg農(nóng)藥理論上可以滿足473.53m2農(nóng)田的噴灑需求。飛行器可持續(xù)飛行大約30分鐘，對于小尺寸的植保無人機，基本可以滿足農(nóng)藥噴灑需求，采用變量噴灑控制裝置噴灑農(nóng)藥，實現(xiàn)了在單位噴灑面積下消耗農(nóng)藥量低的優(yōu)點。

表2 飛行測試數(shù)據(jù)表

3 結(jié)論

本文設(shè)計了一種變量噴灑控制裝置，無人機作業(yè)時，遙控器可以在相應(yīng)通道的信號端控制輸出PWM信號，通過控制電子開關(guān)控制液泵功率實現(xiàn)對藥液流量的控制，此外，通過控制舵機可以抬升支撐桿，實現(xiàn)對噴灑量和噴灑角度的控制。根據(jù)調(diào)整參數(shù)，可以改變流量，使用方便，操作簡單，噴灑裝置與無人機安裝簡便，提高了農(nóng)藥噴灑效率。

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