高效自適應(yīng)噴霧植保無人機(jī)設(shè)計與研究

朱 超，張紅欣

(昌吉學(xué)院 物理系,新疆 昌吉 831100)

0 引言

現(xiàn)代化作物植保具有精量化、精細(xì)化、高效及藥物流失少的特點(diǎn)[1]。常規(guī)的植保作業(yè)，采用操作手目測的方式完成無人機(jī)施藥任務(wù)，因操作手視力范圍有限，不能實(shí)時精確地根據(jù)植株的高度和密度進(jìn)行動態(tài)的飛行施藥動作調(diào)整[2]。在對植株進(jìn)行施藥過程中根據(jù)植株生長高度行精量化施藥，可有效提高藥物沉積率，降低霧滴飄移；對植株生長密度進(jìn)行精準(zhǔn)化施藥可減少藥物流失同時降低藥物對水體和土壤的傷害[3-4]。采用超聲波測距技術(shù)完成無人機(jī)可實(shí)現(xiàn)植株的豎直距離及植株密度的采集，實(shí)時完成作業(yè)環(huán)境的動態(tài)感知，進(jìn)行對無人機(jī)各項(xiàng)參數(shù)(噴霧高度、噴霧時間)自適應(yīng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對作業(yè)環(huán)境精準(zhǔn)精量噴霧。

1 精準(zhǔn)精量噴霧控制系統(tǒng)

1.1 植保無人機(jī)硬件框架

豐富的硬件配置將采集的實(shí)時作業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)化處理可完成飛行姿態(tài)(飛行速度、飛行高度)與噴嘴開度高效的耦合，并根據(jù)自適應(yīng)控制系統(tǒng)下發(fā)精準(zhǔn)的控制指令是無人機(jī)完成一次高效施藥作業(yè)的關(guān)鍵。無人機(jī)采用意法半導(dǎo)體Cortex-M4內(nèi)核的STM32F407處理器作為集中控制器的MCU，不僅具有高性能的處理能力及較短的指令處理周期，同時增加了豐富的外設(shè)接口，且采用更先進(jìn)的電池管理模式，使處理器具有較低的工作功耗。

對微控制器的外圍接口進(jìn)行了二次開發(fā)可實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)的自身狀態(tài)的采集與實(shí)時控制。同時，配備了用于姿態(tài)調(diào)節(jié)的六軸加速度傳感器、高精度角度測量傳感器、氣壓傳感器、電子羅盤、GPS、電子調(diào)速器及無線通訊模塊等，以及用于施藥操作的供藥部件、超聲波測距模塊、壓差式液位測量系統(tǒng)[5]、施藥噴嘴及電子調(diào)速器控制模塊。高效植保無人機(jī)噴霧控制系統(tǒng)硬件框架如圖1所示。

1.2 定高噴霧原理

超聲波測距技術(shù)具有不傷害被檢測物，不受粉塵、電磁波、光波的干擾，測量精度可達(dá)厘米級的特點(diǎn)[6]。植保無人機(jī)在施藥過程中影響噴霧效率的重要因素由目標(biāo)植株高度、霧滴流場的輸運(yùn)特性、農(nóng)藥霧滴的物化程度及霧滴穿透力組成。當(dāng)無人機(jī)飛行高度較高時，霧滴容易受自然風(fēng)、風(fēng)向和溫度的影響，易造成霧滴的漂移使得霧滴分布不均勻；當(dāng)作業(yè)高度較低時，霧滴大部分集中在植株中下部[7]，導(dǎo)致了噴藥效率低，藥物污染大等問題。

植保無人機(jī)針對不同的施藥作物，飛行的高度和速度均有所改變。為實(shí)現(xiàn)對作物施藥作業(yè)效率的最大化，在施藥開始前，需根據(jù)現(xiàn)場的作業(yè)環(huán)境及農(nóng)業(yè)專家知識對無人機(jī)距植株的豎直飛行高度及飛行速度進(jìn)行參數(shù)初始化設(shè)定，同時檢查各項(xiàng)工作模塊是否正常運(yùn)行。

1.3 超聲波測距電路

為了實(shí)現(xiàn)無人機(jī)與葉面距離的實(shí)時監(jiān)測，根據(jù)作物葉面朝向及噴霧實(shí)際操作的具體要求設(shè)計了超聲波測距結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)安裝在噴頭的正下方，主要由超生波發(fā)射電路(超聲波激勵電路、超聲波探頭)及超聲波接收電路(信號采集、信號調(diào)理)組成。當(dāng)飛行到作物高度較低(較高)時，植保無人機(jī)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的豎直高度進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)(下降或上升)，從而最大限度地提高噴藥利用率。

超聲波信號發(fā)射電路主要由超聲波激勵電路和超聲波探頭組成，如圖2所示。激勵電路采用SP3232作為超聲波換能芯片，該芯片將特定激勵電壓輸入到探頭中得到特定頻率的超聲信號，工作電壓為3～5.5V，同時具有低功耗帶電模式。引腳的C2-、C2+用于電壓反轉(zhuǎn)，C1+、C1-用于對電荷泵的蓄能。

圖1 植保無人機(jī)硬件框架Fig.1 Hardware framework of spray protection UAV

圖2 超聲波發(fā)射電路Fig.2 Ultrasonic emission circuit

超聲波生成中STM32高分辨率定時器發(fā)送互補(bǔ)可調(diào)占空比的PWM信號至SP3232的T2IN、T1IN引腳中，通過芯片自帶的電壓反轉(zhuǎn)功能產(chǎn)生+6V、-6V電壓，通過T2OUT、T1OUT口驅(qū)動超聲波換能器，發(fā)出特定頻率的超聲波。

超聲波在介質(zhì)中傳播時經(jīng)障礙物反射得到的回波信號幅值隨測距距離而有所改變，為得到準(zhǔn)確的少噪聲和回波信號，需對回波信號進(jìn)行放大處理。系統(tǒng)采用NE5532運(yùn)算放大器對回波信號進(jìn)行再處理，該芯片具有低噪聲、多運(yùn)放、高性能的特點(diǎn)。因回波信號隨著距離的增加其幅值與測距呈指數(shù)規(guī)律衰減，本文采用時間增益補(bǔ)償電路對衰減的回波進(jìn)行增益補(bǔ)償。超聲波接收電路如圖3所示。

圖3 超聲波接收電路Fig.3 Ultrasonic receiving circuit

1.4 精量噴霧原理

農(nóng)作物生長密度受土壤酸堿性、澆水適度性等因素影響，造成農(nóng)作物生長密度存在差異[8]，生長密度均勻和密度在較少植株區(qū)域在施藥過程中不能同一而論地進(jìn)行噴霧工作；同時，噴嘴直徑及流體壓強(qiáng)對藥液流速流量、噴霧顆粒大小及霧滴的沉積分布存在不同強(qiáng)度的影響[3-4]。高效無人機(jī)采用電動離心噴嘴，在施藥過程中可實(shí)現(xiàn)在植株葉面真反面及徑部均勻霧滴噴灑。

植保過程中當(dāng)無人機(jī)飛行至植株密度較低的區(qū)域時，超聲波根據(jù)渡越時間確定噴頭下方是否存在植株及植株生長密度。同時，將檢測數(shù)據(jù)傳送至微處理器中，通過專用通訊協(xié)議調(diào)動電子調(diào)速器，從而實(shí)現(xiàn)對藥箱中隔膜泵和用于施藥的電動離心噴頭進(jìn)行調(diào)速控制,進(jìn)而根據(jù)作物密度進(jìn)行藥物流量、噴幅范圍和形成的霧滴半徑進(jìn)行調(diào)控。無人機(jī)在施藥時其飛行速度與所需施藥量呈一定數(shù)學(xué)關(guān)系式[9]，即

其中，Q為計算流量(L/min)；A為碰頭噴幅(m)；W為目標(biāo)面積使用量(L/hm2)；U為無人機(jī)飛行速度(m/s)。

圖4為精量噴藥控制系統(tǒng)控制原理圖。

圖4 精量噴藥控制系統(tǒng)控制原理圖Fig.4 Control principle diagram of precision spray control system

2 無人機(jī)位置控制原理

本文設(shè)計的植保無人機(jī)為“十”字交叉型結(jié)構(gòu)模型的四旋翼飛行器，結(jié)構(gòu)如圖5所示。在無人機(jī)十字結(jié)構(gòu)的末端分別為4個直流電機(jī)。

通過控制各個電機(jī)電流大小來控制轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)速不同所產(chǎn)生的升力、阻力不同，這樣通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)速就可以改變飛行器的飛行姿態(tài)。較為典型的姿態(tài)調(diào)整原理如圖6所示。

當(dāng)4個電機(jī)均保持同一額定轉(zhuǎn)速時，飛行器將保持懸停動作；當(dāng)同時增大(降低)4個電機(jī)的轉(zhuǎn)速時，飛行器將完成上升(下降)運(yùn)動；當(dāng)電機(jī)2轉(zhuǎn)速降低，電機(jī)4轉(zhuǎn)速增大時，飛行器完成左傾(右傾)運(yùn)動；當(dāng)電機(jī)2、4加速，電機(jī)1、3減速時，飛行器完成順(逆)時針旋轉(zhuǎn)；通過對4個電機(jī)轉(zhuǎn)速的增大和減小動作的組合，可實(shí)現(xiàn)飛行姿態(tài)的位置運(yùn)動。關(guān)于四旋翼無人機(jī)位置具體控制步驟和分析可根據(jù)文獻(xiàn)[10-13]進(jìn)行建模的推導(dǎo)，本文在此不再贅述。

圖5 四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)模型Fig.5 Structure model of four rotor aerocraft

圖6 四旋翼飛行器姿態(tài)調(diào)整原理Fig.6 Attitude adjustment principle of four rotor aerocraft

3 高效自適應(yīng)噴霧控制系統(tǒng)

基于ARM架構(gòu)的變量施藥控制系統(tǒng)和基于脈寬調(diào)制技術(shù)的施藥流量控制方法，將超聲波測得的高度與預(yù)設(shè)定的施藥高度進(jìn)行實(shí)時對比，對比結(jié)果表明：根據(jù)高精度模糊推理系統(tǒng)作用于各旋翼電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)最優(yōu)施藥距離完成無人機(jī)的施藥高度的動態(tài)調(diào)整；根據(jù)對作物生長密度的信息采集對施藥噴頭的參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)配置，可實(shí)現(xiàn)噴霧效率最大化、藥物使用精量化；整個自適應(yīng)噴霧過程實(shí)現(xiàn)了施藥流量與施藥幅度同飛行高度、速度的自動匹配。高效自適應(yīng)噴霧控制系統(tǒng)控制原理流程圖如圖7所示。

圖7 高效自適應(yīng)噴霧控制系統(tǒng)控制流程圖Fig.7 Control flow chart of efficient adaptive spray control system

4 噴霧試驗(yàn)結(jié)果及分析

針對在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境對超聲波測距系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)，分別對各個豎直距離的參數(shù)進(jìn)行測定，設(shè)計的超聲波測距模塊總誤差在4%以內(nèi)，達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 超聲波測距結(jié)果Table 1 The result of ultrasonic distance measurement

試驗(yàn)在昌吉州園藝場5隊開展針對棉花施藥作業(yè)進(jìn)行，環(huán)境平均相對濕度53%，平均溫度27℃，風(fēng)速小于1.4m/s，如圖8所示。

圖8 植保無人機(jī)噴霧實(shí)驗(yàn)圖Fig.8 Spray experiment map of plant protection UAV

在該試驗(yàn)田選取5組密度不同的棉花條列，植保無人機(jī)可負(fù)載15L農(nóng)藥，通過使用高效噴霧系統(tǒng)的施藥作業(yè)使用藥量與常規(guī)進(jìn)行噴藥作業(yè)的施藥藥量進(jìn)行對比，高效噴霧系統(tǒng)整體節(jié)藥量最高達(dá)18.81%，平均節(jié)藥量為16.63%，如表2所示。

表2 高效噴霧與常規(guī)噴霧藥量對比Table 2 Comparison of high efficiency spray and conventional spray dosage

在試驗(yàn)田內(nèi)選取一列棉花植株生長密度不均勻的條列，采用文獻(xiàn)[14]中介紹的霧滴沉積量檢測方法檢測單位葉面的霧滴沉積量，如表3所示。在該條列中選取的20個作物編號統(tǒng)計的結(jié)果表明：高效噴霧控制系統(tǒng)在植株生長密度不均勻作業(yè)環(huán)境下，霧滴噴灑沉積量均勻，偏差可控制在較小范圍內(nèi)。

表3 霧滴沉積量數(shù)據(jù)統(tǒng)計Table 3 Statistics of droplet deposition data

5 結(jié)論

1)針對植保過程中由于目測施藥造成施藥不均勻，設(shè)計的基于ARM架構(gòu)的高效噴霧植保無人機(jī)具有豐富的外圍作業(yè)環(huán)境信息采集模塊，便于后期針對噴霧過程中噴霧效率受生成氣流、環(huán)境風(fēng)速風(fēng)向影響的深入研究?，F(xiàn)階段開發(fā)的高效噴霧控制系統(tǒng)可根據(jù)植株高度完成無人機(jī)姿態(tài)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，同時采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)對噴霧量及幅度進(jìn)行了自動控制，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)作業(yè)環(huán)境進(jìn)行飛行狀態(tài)與施藥量的自適應(yīng)匹配。

2)通過在昌吉州園藝場5隊面積為6.8hm2的試驗(yàn)田中的多組試驗(yàn)結(jié)果表明：設(shè)計研發(fā)的噴霧植保無人機(jī)飛行過程中能準(zhǔn)確檢測與植株的距離，誤差可控制在4%以內(nèi)；根據(jù)植株密度進(jìn)行自適應(yīng)可靠控制噴藥流量，施藥量明顯降低，與常規(guī)作業(yè)相比噴藥量平均降低16.63%，施藥作業(yè)霧滴沉積量較為均勻；試驗(yàn)過程無人機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，自適應(yīng)響應(yīng)快，具有較高的魯棒性。