基于單片機(jī)的無人機(jī)變量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

唐 婧，唐政林，車 剛

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319)

0 引言

如何實(shí)時(shí)且有效地控制農(nóng)作物病蟲草害一直是人們比較關(guān)注的問題。然而，傳統(tǒng)的噴藥方式，會(huì)使沒有遭受蟲害的農(nóng)田受到農(nóng)藥污染[3]。隨著我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化的普遍發(fā)展，作業(yè)面積逐年增加，傳統(tǒng)的施藥模式已經(jīng)無法很好地滿足我國農(nóng)田噴灑的需要。因此，無人機(jī)的速度對(duì)流量的調(diào)節(jié)起著至關(guān)重要的作用。

近年來，無人機(jī)開發(fā)公司已經(jīng)涉及各行各業(yè)，如無人機(jī)快遞、航拍，同時(shí)在農(nóng)業(yè)用潛在市場(chǎng)也得到足夠的重視[1-2]。傳統(tǒng)農(nóng)耕在人力成本高昂、講究實(shí)效的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)面前，已經(jīng)逐漸顯示出劣勢(shì)，無人機(jī)能提供高效、廣泛、便捷的作業(yè)，為快速高效殺滅病蟲害提供了更好的平臺(tái)[4]；但也存在著一定的問題，無人機(jī)進(jìn)行作業(yè)時(shí)往往使用等量噴藥的方式，大部分參數(shù)都由無人機(jī)自有的參數(shù)決定，不能做到按需處理，對(duì)于病蟲害的預(yù)防效率大大降低，不僅會(huì)增加成本，甚會(huì)導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)及造成作物土壤二次污染，影響下次播種，這與我國所提倡的可持續(xù)發(fā)展是不符的[1-2]?！熬珳?zhǔn)農(nóng)業(yè)”提倡的是精準(zhǔn)投入、精準(zhǔn)作業(yè)，根據(jù)需求進(jìn)行精確管理，在保護(hù)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)上獲取最大收益。根據(jù)每個(gè)地塊的具體病蟲草害的情況，按需準(zhǔn)確的施藥，為達(dá)到這個(gè)目的，無人機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)速度改變流量技術(shù)變得尤為重要[1-2]。變量噴施控制技術(shù)裝備可對(duì)農(nóng)田實(shí)施精準(zhǔn)管理，實(shí)現(xiàn)每個(gè)地塊根據(jù)實(shí)際情況全面平衡施藥，既提高了農(nóng)藥利用率、經(jīng)濟(jì)效益和作物產(chǎn)量，也減少了農(nóng)藥的浪費(fèi)及多余農(nóng)藥對(duì)作物的不良影響，充分體現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 研究背景及意義

目前，市場(chǎng)上占據(jù)主流地位的系統(tǒng)控制主要分3個(gè)模塊：①檢測(cè)模塊，通過人工輸入來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；②噴施優(yōu)化模塊，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)內(nèi)部所搭建模型進(jìn)行運(yùn)算，得出最優(yōu)用藥量和噴灑速度；③變量噴施執(zhí)行模塊，通過第2模塊所給出的數(shù)據(jù)讓無人機(jī)執(zhí)行噴灑任務(wù)，以達(dá)到調(diào)節(jié)效果。在控制程序中起到核心關(guān)鍵作用的是變量應(yīng)用過程[7]。

我國目前對(duì)于控制系統(tǒng)中前兩個(gè)模塊已經(jīng)進(jìn)行了大量研究[8-9], 但變流量執(zhí)行模塊應(yīng)用仍有待提高。目前，針對(duì)農(nóng)業(yè)變量噴施系統(tǒng)的探究大部分是根據(jù)電信號(hào)完成對(duì)閥門的啟閉作用[8]，且液壓泵的調(diào)速控制其實(shí)是在調(diào)節(jié)噴嘴的供壓條件，無法更好地提供自動(dòng)化控制。

因我國人均耕地面積少，無人機(jī)噴灑在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中無市場(chǎng)，所以農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、機(jī)械化發(fā)展起步較晚，且無人機(jī)變流量噴藥技術(shù)還不成熟，仍需要時(shí)間來進(jìn)行改進(jìn)升級(jí)。其最關(guān)鍵的流量自動(dòng)控制環(huán)節(jié)，更應(yīng)深入研究，使其最優(yōu)化[10-11]。發(fā)達(dá)國家在精準(zhǔn)噴藥過程中，尤其看重變量噴藥系統(tǒng)的開發(fā)，有大量的關(guān)于改進(jìn)變流量噴藥系統(tǒng)的研究報(bào)告[12-14]。為扭轉(zhuǎn)我國農(nóng)業(yè)無人機(jī)噴灑技術(shù)在國際上的落后局面，防止環(huán)境破壞、降低投資成本和提高作物產(chǎn)量，就要優(yōu)化變量噴藥技術(shù)，尤其優(yōu)化自動(dòng)控制的變量執(zhí)行系統(tǒng)至關(guān)重要。其對(duì)實(shí)施精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、保護(hù)農(nóng)耕環(huán)境、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展及提高農(nóng)業(yè)機(jī)械化起到重要作用[15]。

1.2 整體方案

該變量噴施控制系統(tǒng)基于單片機(jī)控制超聲波測(cè)距，通過相應(yīng)的公式將其測(cè)得的距離轉(zhuǎn)換成所需要的速度，然后通過噴藥系統(tǒng)進(jìn)行的精確變量噴施。整個(gè)噴藥系統(tǒng)是由超聲波、電機(jī)、水泵進(jìn)行調(diào)節(jié)，并采用串口通信方式將速度信息發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)同時(shí)接收超聲波測(cè)試出的距離信號(hào)，計(jì)算出速度；將速度信號(hào)通過數(shù)字濾波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，綜合各類信息后，控制系統(tǒng)通過預(yù)先設(shè)定好的速度與流量的關(guān)系來改變噴藥量，從而實(shí)現(xiàn)變量噴藥。當(dāng)飛行速度較快時(shí)，可通過速度變化來改變流量的開口，增加或減少流量。系統(tǒng)的總體方案如圖1所示，單片機(jī)模塊如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案

圖2 實(shí)物圖

1.3 噴藥控制系統(tǒng)

整個(gè)控制系統(tǒng)由單片機(jī)控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、超聲波測(cè)速模塊及LED顯示模塊組成。該設(shè)計(jì)采取人為給定施藥量的方法，即設(shè)定單位面積的施藥量，選擇和設(shè)定相關(guān)的噴藥量；變量噴施系統(tǒng)根據(jù)無人機(jī)飛行的速度，通過超聲波測(cè)出速度，利用速度變化改變噴藥量，使實(shí)際噴藥量與設(shè)定值相一致；同時(shí)，利用單片機(jī)對(duì)超聲波測(cè)速進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)噴霧。

該模塊實(shí)現(xiàn)控制器與超聲波之間的數(shù)據(jù)通信，將超聲波模塊采集到的速度信號(hào)傳送給控制器，同時(shí)該模塊將編譯好的程序燒進(jìn)單片機(jī)，從而單片機(jī)進(jìn)行流量的調(diào)節(jié)。噴藥控制系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 噴藥控制系統(tǒng)

1.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

對(duì)于小功率直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，方法是通過改變電機(jī)電壓接通時(shí)間與通電周期的比值來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 該部分主要是采用雙L9110S芯片的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，提供2.5～12V的電壓，可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，一個(gè)兩相式步進(jìn)電機(jī)。由于其體積模塊小，適合組裝，故適合在無人機(jī)上試用。電機(jī)驅(qū)動(dòng)圖如圖4所示。

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)圖

1.5 超聲波模塊

超聲波模塊可實(shí)現(xiàn)2～400cm的非接觸式距離測(cè)距轉(zhuǎn)換成速度的功能，測(cè)試的精度可以達(dá)到3mm，包含超聲波發(fā)射器、接收器與控制器。工作原理：超聲波會(huì)發(fā)射10μs的脈沖信號(hào)，此時(shí)內(nèi)部會(huì)發(fā)生40Hz周期電平用來計(jì)時(shí)，等待接收器接收信號(hào)；當(dāng)接收到回波信號(hào)時(shí)就會(huì)形成回響信號(hào),且相應(yīng)的脈沖寬度與速度成正比[26]。計(jì)算出距離，進(jìn)而知道實(shí)時(shí)速度，從而實(shí)現(xiàn)通過速度變化改變流量的噴施過程。超聲波時(shí)序圖如圖5所示。

圖5 超聲波時(shí)序圖

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 整體方案

根據(jù)設(shè)計(jì)的最初想法，首先需要確定軟件設(shè)計(jì)的基本方案，即確定軟件需要完成哪些功能；其次，為了達(dá)到這些功能需要分成多少個(gè)模塊，以及每個(gè)程序模塊的對(duì)應(yīng)任務(wù)是什么。模塊的劃分有很大的靈活性[13-14]，根據(jù)模塊功能的運(yùn)用，將該程序可以分成測(cè)速模塊、電機(jī)模塊及顯示模塊等，系統(tǒng)主要模塊程序圖如圖6所示。

圖6 主程序框圖

2.2 數(shù)據(jù)采集及處理

變量噴霧系統(tǒng)要對(duì)流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并以此來適合控制算法對(duì)該流量進(jìn)行的控制，所以需要完成實(shí)時(shí)流量數(shù)據(jù)的采集。

2.3 自動(dòng)控制輸出

實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)噴灑流量精準(zhǔn)控制是整個(gè)軟件的核心，通過對(duì)以往資料數(shù)據(jù)研究分析及搭建的速度和流量的數(shù)學(xué)模型，并將其轉(zhuǎn)化為程序，然后得出單片機(jī)的控制量。

2.4 數(shù)據(jù)維護(hù)

為了對(duì)試驗(yàn)時(shí)的控制量進(jìn)行觀察和數(shù)據(jù)分析，對(duì)需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、保存。

軟件設(shè)計(jì)主要包含串口輸入模塊和超聲波測(cè)速模塊，兩者根據(jù)嚴(yán)格規(guī)定的順序輸入到變量噴藥系統(tǒng)；輸出主要包含液晶顯示程序和電機(jī)執(zhí)行程序。液晶顯示主要是為了給現(xiàn)場(chǎng)的工作人員提供人機(jī)界面，使現(xiàn)場(chǎng)工作人員能夠更清晰地了解系統(tǒng)工作情況，并按照產(chǎn)生的不同的工作狀況調(diào)整相關(guān)工作參數(shù)，使變量噴藥系統(tǒng)達(dá)到工作的最佳狀態(tài)。

3 試驗(yàn)過程

本控制噴施系統(tǒng)安裝在無人機(jī)上，可以在進(jìn)行飛行試驗(yàn)前，進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。假定飛機(jī)以速度a飛行，噴藥速度為b,飛行了c這段距離，剛好將藥噴完。其次，假設(shè)飛機(jī)以d速度飛行(d速度比a速度慢)同樣以噴藥速度b進(jìn)行噴藥，攜帶的藥是不夠飛完c這段距離的。同時(shí)，運(yùn)用預(yù)先設(shè)定好的7個(gè)速度來進(jìn)行試驗(yàn)，收集在不同飛行速度的情況下的流量數(shù)量。 該系統(tǒng)能夠通過超聲波測(cè)距轉(zhuǎn)換成速度信號(hào)，從而改變噴霧量。試驗(yàn)時(shí)，飛機(jī)按照設(shè)定的飛行速度進(jìn)行飛行，通過相應(yīng)的程序燒進(jìn)單片機(jī)，根據(jù)速度進(jìn)行流量的轉(zhuǎn)變，自動(dòng)調(diào)節(jié)控制噴量。因此，只要測(cè)量從飛機(jī)飛過的路程上，每一段的藥量是否接近或者相等，就可以驗(yàn)證是否飛行速度可以改變噴藥量，從而驗(yàn)證能否滿足實(shí)際的生產(chǎn)需求。

在此設(shè)噴頭的單位噴量為Δv(L/min),設(shè)定的理論噴量為R(L/hm2)，無人機(jī)飛行速度為v(m/s)，噴幅為L(m)，那它們之間的關(guān)系可以表示為

(1)

(2)

根據(jù)試驗(yàn)采集到的實(shí)時(shí)噴量(L/min)，再根據(jù)式(2)可以轉(zhuǎn)換得到無人機(jī)在單位面積上的實(shí)際噴量，再與理論控制噴量進(jìn)行對(duì)比即可得到兩者的關(guān)系。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。噴霧流量變化如圖8所示。

由表1、圖8可知：控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)隨著速度變快，流量變大的功能；同時(shí)試驗(yàn)表明，系統(tǒng)可靠性高，符合本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的基本要求。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示

圖7 飛行速度變化

圖8 噴霧流量變化

4 結(jié)論

在系統(tǒng)性能的測(cè)試中，考慮了很多因素對(duì)流量的影響，發(fā)現(xiàn)飛行速度作為變量噴施的主變量是可靠的。通過分析大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)其規(guī)律，農(nóng)藥噴灑的流量和無人機(jī)速度之間具有聯(lián)系，通過內(nèi)部測(cè)速模塊檢測(cè)到的無人機(jī)速度，就可以獲得對(duì)應(yīng)的噴藥流量數(shù)據(jù)，并依據(jù)速度飛行的快慢，改變噴施藥量的多少，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)藥的高利用率。此外，農(nóng)藥噴灑量變化的實(shí)現(xiàn)是通過電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，從而取代了價(jià)格較高的流量傳感器，既滿足設(shè)計(jì)所需要求，又大大節(jié)約了成本。該系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：

1)電路簡單，使用單片機(jī)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。

2)由于單片機(jī)有很強(qiáng)的邏輯能力，可以完成高運(yùn)算速度和高精度的轉(zhuǎn)化，因此可以完成復(fù)雜的控制。

3)在整個(gè)循環(huán)過程中，添加數(shù)傳模塊，編寫MAVLANK協(xié)議，通過速度閉環(huán)系統(tǒng)，使速度信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，從而改變流量。

4)由于整個(gè)控制方式是由算法部分協(xié)助完成，因此靈活性較高，能適應(yīng)不同情況下的變化。在整個(gè)的調(diào)試過程中，可以不斷改進(jìn)最優(yōu)參數(shù)，十分方便。