植保無(wú)人機(jī)變量噴灑系統(tǒng)研究

王朔

摘要：近年來(lái)，無(wú)人機(jī)在植保領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，農(nóng)業(yè)植保無(wú)人機(jī)無(wú)論是在便利性還是在噴灑效果方面都具有更顯著的優(yōu)勢(shì)。目前無(wú)人機(jī)噴灑系統(tǒng)主要采用分檔式調(diào)節(jié)流量的噴灑技術(shù)，這種技術(shù)在一段飛行速度區(qū)間使用同一檔位進(jìn)行噴灑作業(yè)，噴灑均勻性有待提升。通過(guò)設(shè)計(jì)變量噴灑系統(tǒng)的主控電路、隔離電路等完成了變量噴灑平臺(tái)的硬件搭建工作。針對(duì)飛行速度對(duì)噴灑均勻性的影響提出了一種提高植保無(wú)人機(jī)噴灑均勻性的PID流量控制算法，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比實(shí)現(xiàn)了變量噴灑系統(tǒng)的軟件功能。在無(wú)人機(jī)飛行速度從1 m/s增加到5 m/s的過(guò)程中，設(shè)計(jì)了分檔式算法和PID流量控制算法的變量噴灑對(duì)照試驗(yàn)，通過(guò)水敏紙的霧滴圖像信息來(lái)分析噴灑作業(yè)的效果。結(jié)果表明，在飛行速度從1 m/s增加到5 m/s的過(guò)程中，經(jīng)過(guò)流量PID調(diào)節(jié)的植保無(wú)人機(jī)噴灑覆蓋率整體波動(dòng)范圍較?。ǚ秶?09%～24.4%之間），相比之下分檔式植保無(wú)人機(jī)的覆蓋率波動(dòng)范圍略大（范圍在20.1%～29.8%）;同時(shí)驗(yàn)證了變量噴灑系統(tǒng)軟硬件的可行性，該變量噴灑系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了噴灑流量隨飛行速度自動(dòng)調(diào)整的功能，提升了噴灑的整體均勻性，能夠滿足小面積作業(yè)的基本要求。

關(guān)鍵詞：植保無(wú)人機(jī);變量噴灑系統(tǒng);流量控制算法;PWM脈寬調(diào)制;覆蓋率;噴灑效果;流量高精度控制

中圖分類號(hào)：S252+.3? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1002-1302（2019）10-0245-06

隨著城市化的不斷加快，大量的青壯年選擇進(jìn)城務(wù)工，農(nóng)村勞動(dòng)力嚴(yán)重不足，農(nóng)業(yè)機(jī)械化已經(jīng)成為一種不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。近年來(lái)，農(nóng)業(yè)植保無(wú)人機(jī)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。無(wú)人機(jī)植保與傳統(tǒng)人工施藥和地面機(jī)械施藥相比具有諸多優(yōu)勢(shì)，將是未來(lái)主流植保方式。隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)需求的增長(zhǎng)，對(duì)植保技術(shù)的要求也愈來(lái)愈高，對(duì)高均勻性、高精度的變量噴灑核心技術(shù)的研究已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的迫切需求。國(guó)內(nèi)關(guān)于農(nóng)業(yè)植保無(wú)人機(jī)的噴灑均勻性一直有研究，韓文霆研究了變量噴頭和均勻性的關(guān)系，研制了一種可實(shí)現(xiàn)變量噴灑的噴頭[1]。陳超等為了提高可變噴嘴的噴灌均勻性，設(shè)計(jì)了一種可調(diào)噴頭的可變噴嘴，利用流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)改變噴頭工作壓力，通過(guò)出口調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)改變噴頭出口，并統(tǒng)一調(diào)整噴嘴出口面積和工作壓力[2]。張濤濤等將噴頭的壓力與脈寬調(diào)制和飛行速度通過(guò)公式聯(lián)系起來(lái)，根據(jù)采集到的植被覆蓋指數(shù)（NDVI）和飛行速度信息來(lái)調(diào)整脈沖寬度調(diào)制（PWM），利用霍爾傳感器獲得拖拉機(jī)轉(zhuǎn)速，從而保證農(nóng)藥的有效使用[3]。劉大印在2011年研發(fā)了一套基于PWM的變量農(nóng)藥噴灑控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)首次根據(jù)霍爾傳感器獲取拖拉機(jī)速度調(diào)節(jié)噴灑流量[4]。徐興等于2014年設(shè)計(jì)了小型無(wú)人機(jī)機(jī)載農(nóng)藥變量噴灑系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)整PWM噴灑控制信號(hào)的占空比改變液泵的工作時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)變量噴灑，分別測(cè)試了0.3、0.4、0.5 L/min流量控制指標(biāo)下的變量噴灑試驗(yàn)效果，達(dá)到變量噴灑控制的目的[5]。何勇于2015年將變量噴灑技術(shù)應(yīng)用于單旋翼無(wú)人直升機(jī)，通過(guò)光流傳感器測(cè)量飛行速度，實(shí)現(xiàn)了流量根據(jù)飛行速度的變化自主調(diào)節(jié)，在不同的飛行速度內(nèi)采用不同的固定流量進(jìn)行噴灑[6]。2017年，肖利平等采用ST公司的STM32F407VGT6作為均勻噴灑中央處理模塊實(shí)現(xiàn)變量噴灑，將變量噴灑應(yīng)用于四旋翼無(wú)人機(jī)，完成了基于PWM的變量農(nóng)藥噴灑控制系統(tǒng)[7]。2014年，陳超等設(shè)計(jì)了一款改變壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)變量噴灑的裝置，而且研究了噴灑時(shí)的水力性能和能耗，方形域噴灑的能耗比圓形域噴灑低30.3%，可為變域噴灑提供一種低能耗的新模式[8]。當(dāng)噴灑高度逐漸增加時(shí)，對(duì)于多噴頭的植保無(wú)人機(jī)2個(gè)噴頭之間會(huì)有一定的重噴區(qū)域，其中2個(gè)噴頭會(huì)有一定的影響，噴射過(guò)程中往往產(chǎn)生沖撞等相互作用，噴頭之間會(huì)相互影響[9]。蔣煥煜等于2014年提出一種通過(guò)圖像處理技術(shù)以區(qū)域內(nèi)霧滴覆蓋率作為噴灑效果的判定指標(biāo)[10]。雖然國(guó)內(nèi)關(guān)于變量噴灑的研究已經(jīng)有了很大進(jìn)展，但是現(xiàn)有的PWM流量控制依然存在著流量控制較粗糙、整體噴灑均勻性較低、精度低等問(wèn)題。本試驗(yàn)重點(diǎn)研究的是根據(jù)實(shí)時(shí)速度自主調(diào)節(jié)流量的變量噴灑系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的高精度控制，從而達(dá)到較好的噴灑效果。

1 噴灑效果的衡量指標(biāo)和影響因素

1.1 噴灑效果的衡量指標(biāo)

霧滴的覆蓋率指的是水敏紙上粘上霧滴變藍(lán)的面積占整個(gè)水敏紙總面積的比例，所以本研究選用水敏紙檢測(cè)霧滴的覆蓋率。覆蓋率的計(jì)算公式如下：

C=SA。

其中：C指的是霧滴的覆蓋率;S指的是水敏紙上被霧滴染成藍(lán)色的面積;A指的是水敏紙的全部的面積。

水敏紙上霧滴的數(shù)量越多，每個(gè)霧滴的粒徑越大，則整體霧滴的覆蓋率越大。所以，霧滴的覆蓋率可以體現(xiàn)出霧滴在農(nóng)作物上的分布情況和覆蓋情況。霧滴的覆蓋率越大，說(shuō)明農(nóng)藥跟農(nóng)作物接觸的表面積也就越大，越有利于農(nóng)藥發(fā)揮其藥效作用。本研究將霧滴的覆蓋率作為評(píng)價(jià)噴灑效果的重要指標(biāo)。

1.2 噴灑效果的影響因素

農(nóng)業(yè)植保無(wú)人機(jī)飛行作業(yè)時(shí)，在轉(zhuǎn)彎階段或者正常作業(yè)時(shí)由于速度波動(dòng)等原因都不能保證絕對(duì)的勻速飛行。受到無(wú)人機(jī)飛行速度的影響，噴灑的覆蓋率波動(dòng)很大。假如植保機(jī)的飛行速度為v m/s，噴灑流量為N mL/s，作業(yè)面積示意圖如圖1所示。則1 s的作業(yè)面積就是（2d·v） m2。根據(jù)圖1可得單位面積的霧滴體積V為式（2）。

由式（2）不難看出，只有噴灑的速度和噴灑體積（也就是流量）成正比關(guān)系時(shí)，才能保證噴灑單位面積的覆蓋率不變，也就是保證單位面積的霧滴體積是恒定的。噴灑的速度越大，噴灑的流量也應(yīng)越大，才能保證噴灑的整體覆蓋率的均勻性，從而保證整體較好的噴灑效果。根據(jù)式（2）可以推算出流量和速度的具體關(guān)系[式（3）]，由此可以看出流量和速度是成正比的線性關(guān)系。

2 變量噴灑系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 變量噴灑系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

變量噴灑系統(tǒng)硬件主要由嵌入式板、飛行控制器、電子調(diào)速器、水泵、噴頭和流量計(jì)六大部分組成。本研究重點(diǎn)設(shè)計(jì)了嵌入式板，用AltiumDesigner軟件完成了原理圖、PCB的繪制，最終將實(shí)物完成。嵌入式板是整個(gè)噴灑系統(tǒng)的硬件核心，不僅負(fù)責(zé)給各個(gè)噴灑模塊供電，還要與各個(gè)模塊進(jìn)行通信。變量噴灑系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示。

2.1.1 變量噴灑系統(tǒng)主控芯片電路設(shè)計(jì) 主控芯片選用的是STM32F745，因?yàn)樗胸S富的外設(shè)資源、168 MHz的主頻。在設(shè)計(jì)主控芯片的原理圖時(shí)，并沒(méi)有采用傳統(tǒng)的原理圖與芯片實(shí)物一一對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)方法，而是采用了原理圖功能模塊化對(duì)主控原理圖進(jìn)行引腳分類，同一接口或者同一功能放在一起。主控原理圖設(shè)計(jì)還包括復(fù)位電路、晶振電路、LED指示電路和各個(gè)模塊接口電路的設(shè)計(jì)。由于是變量噴灑系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)原理圖時(shí)，重點(diǎn)設(shè)計(jì)了嵌入式板與飛控的通信接口，并且在通信線路上增加了隔離電阻防止對(duì)飛控造成影響。設(shè)計(jì)2路噴頭接口，使用的是GPIO口的復(fù)用定時(shí)器PWM功能。設(shè)計(jì)2路流量計(jì)接口，使用的是主控芯片的定時(shí)器捕獲引腳。主處理器的原理圖如圖3所示。

2.1.2 變量噴灑系統(tǒng)信號(hào)隔離電路 嵌入式板是整個(gè)噴灑系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)所有噴灑模塊的供電和通信。為了防止外部模塊的毀壞影響嵌入式板，同時(shí)也為了防止嵌入式板毀壞影響外部模塊，添加硬件隔離電路是必要的。本研究選用的是常用電壓隔離芯片TXS0108。隔離電路如圖4所示。

2.1.3 變量噴灑系統(tǒng)流量計(jì) 本研究選用的流量計(jì)型號(hào)為SEN-HZ21 WA（圖5），該流量計(jì)的精度高達(dá)3%，這款流量計(jì)通過(guò)霍爾原理產(chǎn)生方波脈沖來(lái)獲取流量信息。該流量計(jì)三線聯(lián)接：紅色為正極，黑色為負(fù)極，黃色為脈沖信號(hào)，最大壓力1.75 MPa，流量1～30 L/min。經(jīng)實(shí)際試驗(yàn)測(cè)得，本研究變量噴灑系統(tǒng)所需的最大流量對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)小于3 000個(gè)（詳見(jiàn)“31”節(jié)）。為了確保流量采集的精度，流量采集信號(hào)在硬件上要求的最小采集頻率為3 kHz。本變量噴灑系統(tǒng)配置系統(tǒng)時(shí)鐘為168 MHz，定時(shí)掛載到APB1，時(shí)鐘頻率為108 MHz。捕獲定時(shí)器設(shè)置為1 080分頻，經(jīng)過(guò)分頻后得到的信號(hào)采集的時(shí)鐘頻率為100 kHz。經(jīng)計(jì)算得到采樣精度為3%，已知流量計(jì)的精度為3%，最后得到流量系統(tǒng)的理論精度為5.91%[式（4）]。觸發(fā)條件設(shè)置為上升沿觸發(fā)，由于該變量噴灑系統(tǒng)僅須要獲取脈沖的數(shù)量，對(duì)脈沖波形和周期要求不高，該采樣頻率已經(jīng)滿足采樣要求。

2.2 變量噴灑系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

對(duì)于一個(gè)完整的變量噴灑控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，硬件電路只是其中的一部分，軟件的質(zhì)量直接影響系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。該控制系統(tǒng)采用模塊化的編程思想，通過(guò)編寫C代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本研究選用FreeRTOS作為軟件系統(tǒng)核心，使用Keil集成開(kāi)發(fā)環(huán)境完成軟件模塊化。圖5是變量噴灑系統(tǒng)的軟件框架設(shè)計(jì)。

2.2.1 變量噴灑系統(tǒng)軟件流程 變量噴灑系統(tǒng)進(jìn)行噴灑作業(yè)的具體流程如下：（1）嵌入式板通過(guò)解析Mavlink傳過(guò)來(lái)的心跳包，獲得無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)速度。（2）從噴灑設(shè)置文件中獲取噴灑設(shè)置的相關(guān)信息，確定本次作業(yè)的具體霧滴參數(shù)，并且結(jié)合速度計(jì)算出本次作業(yè)需要的理論實(shí)時(shí)流量值。（3）然后嵌入式板輸出對(duì)應(yīng)占空比的脈寬調(diào)制信號(hào)PWM來(lái)驅(qū)動(dòng)水泵和離心噴頭按照計(jì)算出來(lái)的流量進(jìn)行噴灑作業(yè)。（4）嵌入式板通過(guò)計(jì)算流量計(jì)傳回的實(shí)時(shí)脈沖數(shù)將噴頭輸出的實(shí)時(shí)流量計(jì)算出來(lái)。（5）根據(jù)得到的實(shí)際流量和之前計(jì)算出來(lái)的理論流量，可以得到2個(gè)流量間的差值，將這個(gè)誤差作為流量控制算法的輸入?yún)?shù)。（6）判斷差值與設(shè)定的流量閾值。當(dāng)差值大于流量閾值時(shí)，采用PID流量控制算法，使得誤差盡快減小;當(dāng)差值小于流量閾值時(shí)，采用PD流量控制算法，減小流量超調(diào)，使得誤差保持穩(wěn)定。（7）流量控制算法的輸出結(jié)果是最新的流量數(shù)據(jù)。通過(guò)調(diào)整嵌入式板輸出的脈寬調(diào)制信號(hào)PWM的占空比，使水泵和離心噴頭按照最新的流量進(jìn)行輸出，然后保存最新的流量數(shù)據(jù)到日志，方便以后分析數(shù)據(jù)和解決問(wèn)題。（8）最后判斷噴灑是否結(jié)束，如果沒(méi)有結(jié)束，則關(guān)閉超時(shí)定時(shí)器，等待循環(huán)定時(shí)器，實(shí)現(xiàn)循環(huán)執(zhí)行PID控制算法。如果接收到停止噴灑的指令，則關(guān)閉所有定時(shí)器，結(jié)束噴灑。當(dāng)噴灑過(guò)程中出現(xiàn)超時(shí)現(xiàn)象，則需要相應(yīng)的超時(shí)處理，并且發(fā)出異常信號(hào)，傳送到地面站上。

為了噴灑的穩(wěn)定可靠性，設(shè)計(jì)一個(gè)軟件定時(shí)器，在定時(shí)器中定時(shí)調(diào)用流量控制函數(shù)。為了防止變量噴灑軟件反應(yīng)超時(shí)，再嵌套1個(gè)超時(shí)定時(shí)器，1個(gè)噴灑從流量監(jiān)測(cè)到進(jìn)行流量調(diào)節(jié)流程必須在規(guī)定時(shí)間t0 s內(nèi)完成，每隔t1 s調(diào)用1次變量噴灑主函數(shù)，因此必須要求t1>t0。變量噴灑系統(tǒng)軟件流程如圖6所示。

2.2.2 變量噴灑系統(tǒng)流量控制算法 流量控制算法在處理器中使用采樣控制，不能像模擬量那樣連續(xù)處理。有考慮到處理器的處理能力受到一定限制，綜合考慮該系統(tǒng)采用的是離散式PID控制算法，其算法公式為：

PID流量控制是提高噴灑覆蓋率的核心算法，用戶設(shè)定流量是根據(jù)飛行速度確定的理論流量，流量測(cè)量傳感器反饋回來(lái)的是實(shí)際流量，理論流量和實(shí)際流量的差值即為流量誤差e（k）。單純地使用傳統(tǒng)的PID算法有可能導(dǎo)致較大的積分累積，使得噴頭噴灑流量超過(guò)噴頭所允許的最大輸出流量，引起系統(tǒng)較大的超調(diào)或振蕩，輸出的流量極不穩(wěn)定，從而降低噴灑的覆蓋率。為了解決這個(gè)問(wèn)題，本研究引入了分離積分式PD控制算法，可單純的PD控制算法又存在反應(yīng)滯后的問(wèn)題，就是實(shí)際流量和設(shè)定的流量無(wú)法進(jìn)行同步導(dǎo)致的滯后問(wèn)題，流量的變化無(wú)法跟上實(shí)時(shí)速度的變化，也不能較好地解決噴灑覆蓋率隨速度變化而變化的問(wèn)題。因此，解決這個(gè)辦法的思路就是設(shè)定一個(gè)流量閾值ε，當(dāng)流量誤差大于這個(gè)閾值ε時(shí)，采用PID流量控制算法，使實(shí)際流量快速趨近穩(wěn)定線;當(dāng)流量誤差小于這個(gè)閾值ε時(shí)，采用PD流量控制算法使實(shí)際流量減少振動(dòng)，這樣既避免噴灑系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)，又保證噴灑系統(tǒng)有較快的響應(yīng);當(dāng)誤差小于設(shè)定值時(shí)，采用PID控制，保證噴灑的覆蓋率一直恒定不變。整體流量控制算法的流程如圖7所示。

經(jīng)過(guò)PID流量處理的離散的流量PID控制算法系統(tǒng)函數(shù)如式（6）。

當(dāng)e（k）>ε時(shí)，β=1;當(dāng)e（k）≤ε時(shí)，β=0。通過(guò)這個(gè)變量β來(lái)實(shí)現(xiàn)當(dāng)流量誤差大于閾值ε時(shí)，采用PID流量控制算法，使實(shí)際流量快速趨近穩(wěn)定線;當(dāng)流量誤差小于這個(gè)流量閾值時(shí)，采用PD流量控制算法使實(shí)際流量減少振動(dòng)，這樣既避免噴灑系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)，又保證變量噴灑系統(tǒng)有較快的響應(yīng)。

3 結(jié)果與分析

3.1 流量采集精度測(cè)量試驗(yàn)

本研究流量計(jì)選用的是SEN-HZ21 WA高精度流量傳感器。流量計(jì)工作時(shí)，水流帶動(dòng)流量計(jì)里的風(fēng)扇高速轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)扇上裝有磁鐵，每轉(zhuǎn)動(dòng)1圈磁鐵接觸到霍爾元件，從而產(chǎn)生1個(gè)方波信號(hào)，本研究選用的流量計(jì)為每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的流量1.5 mL，水流轉(zhuǎn)動(dòng)得越快，產(chǎn)生的方波信號(hào)頻率次數(shù)越多。流量計(jì)的信號(hào)線連接在嵌入式板的具有捕獲復(fù)用功能的IO口上，可以將處理器的IO口設(shè)置為上升沿觸發(fā)（由于本研究選用的是變頻流量計(jì)，所以可以不考慮占空比的問(wèn)題），然后將每次的流量乘以當(dāng)前捕獲到的上升沿次數(shù)就是該時(shí)刻的實(shí)時(shí)流量。因?yàn)榱髁坑?jì)的值是反饋給PID流量控制算法的，所以要保證算法及時(shí)處理，不然系統(tǒng)就會(huì)有嚴(yán)重的延遲。計(jì)算出實(shí)時(shí)流量后將數(shù)據(jù)通過(guò)串口UART再經(jīng)過(guò)USB轉(zhuǎn)串口線傳給筆記本計(jì)算機(jī)，筆記本計(jì)算機(jī)通過(guò)串口調(diào)試助手將收到的流量數(shù)據(jù)及時(shí)打印出來(lái)。在這里單純?yōu)榱藴y(cè)量流量計(jì)的精度、方便計(jì)算，特地將定時(shí)器的時(shí)間延長(zhǎng)到1 min，統(tǒng)計(jì)這 1 min 內(nèi)的上升沿?cái)?shù)，讓其乘以每次的流量得到這1 min的流量，將數(shù)據(jù)顯示在筆記本計(jì)算機(jī)的串口調(diào)試助手上。流量精度測(cè)量試驗(yàn)如圖8所示。

本試驗(yàn)通過(guò)脈沖數(shù)計(jì)算出來(lái)的是理論流量值，通過(guò)高精度電子稱測(cè)的是實(shí)際流量值。可以通過(guò)調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制信號(hào)PWM的占空比控制流量計(jì)的流量，得到不同占空比下的理論流量和實(shí)際流量，從而可以經(jīng)過(guò)計(jì)算得到每次的流量誤差精度。占空比從5.6%～7.9%之間以0.1%的間隔總共進(jìn)行24組試驗(yàn)，表1是24組不同占空比下的流量誤差精度試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

由表1中24組試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算得到誤差精度，誤差精度范圍均在6%以下，精度滿足試驗(yàn)要求，可以進(jìn)行變量噴灑試驗(yàn)。在5.6%～7.9%之間，水泵噴頭的實(shí)際噴灑流量與占空比呈正相關(guān)，并且試驗(yàn)結(jié)果表明變量噴灑系統(tǒng)軟硬件實(shí)現(xiàn)了測(cè)量流量的功能和流量控制算法具有可行性。

3.2 變量噴灑系統(tǒng)對(duì)照試驗(yàn)

實(shí)現(xiàn)變量噴灑的方法除了本研究的PID流量控制方法外，還有一種分檔式的方法。為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的有效性和實(shí)際作業(yè)效果，本研究特地設(shè)計(jì)了對(duì)照試驗(yàn)。由于對(duì)照試驗(yàn)要求變量的單一性，特地采用本研究的硬件平臺(tái)，而不同的是軟件算法。在本研究設(shè)計(jì)的變量噴灑系統(tǒng)平臺(tái)中分別采用分檔式算法和PID流量控制算法進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)。分檔式算法分成5擋來(lái)設(shè)計(jì)，詳細(xì)分檔參數(shù)見(jiàn)表2。

本次試驗(yàn)采用水敏紙檢測(cè)方法檢測(cè)農(nóng)業(yè)植保無(wú)人機(jī)在不同飛行速度下的作業(yè)效果。農(nóng)業(yè)植保無(wú)人機(jī)作業(yè)時(shí)將霧滴噴灑在水敏紙上，水敏紙立即發(fā)生顏色的變化。收集水敏紙時(shí)注意手指不要觸摸水敏紙正面，以免水敏紙遇到手上的汗液發(fā)生變色干擾試驗(yàn)數(shù)據(jù)。得到水敏紙后，采用專業(yè)的HP M1216掃描儀（掃描精度是1 200×1 200 dpi）進(jìn)行掃描，結(jié)果如圖9所示。得到的水敏紙通過(guò)圖像處理的方法，通過(guò)數(shù)據(jù)處理和分析得到霧滴的噴灑效果。

將掃描到的圖像經(jīng)過(guò)PhotoShop軟件進(jìn)行處理，得到該圖像的紅（R）綠（G）藍(lán)（B）單通道的圖像信息碼，結(jié)果如圖10所示。對(duì)比3個(gè)圖像的灰度效果，R通道信息相對(duì)比較少、比較單一、處理起來(lái)比較方便，所以選取了R通道的圖像來(lái)作圖像分割。

Otsu閾值法是一種簡(jiǎn)單而有效的全局自動(dòng)閾值處理方法，用于對(duì)灰度圖像（如前景和背景）進(jìn)行二值化處理，該方法在計(jì)算機(jī)視覺(jué)和醫(yī)學(xué)成像方面有很多的用途。分割后的圖片如圖11所示。

然后將處理好的圖片通過(guò)霧滴分析軟件打開(kāi)，就可以得到本次水敏紙上霧滴的各種參數(shù)。該軟件包含霧滴密度、霧滴覆蓋率、霧滴粒徑等信息，霧滴分析軟件結(jié)果如圖12所示。

本試驗(yàn)的對(duì)照組是使用分檔式算法的植保無(wú)人機(jī)在飛行速度從1 m/s增加到5 m/s下進(jìn)行噴灑，試驗(yàn)時(shí)間為2017年12月25日 試驗(yàn)地點(diǎn)在杭州電子科技大學(xué)操場(chǎng)。對(duì)分檔式和PID算法分別設(shè)計(jì)試驗(yàn)進(jìn)行噴灑，然后通過(guò)上述圖像處理方法得出試驗(yàn)組和對(duì)照組的覆蓋率和飛行速度的詳細(xì)數(shù)據(jù)（表3）。

由表3可以看出，在飛行速度從1 m/s增加到5 m/s的過(guò)程中，經(jīng)過(guò)流量PID調(diào)節(jié)的植保無(wú)人機(jī)噴灑的覆蓋率整體波動(dòng)范圍較?。ǚ秶?0.9%～24.4%之間），相比之下分檔式植保無(wú)人機(jī)的覆蓋率波動(dòng)范圍略大（范圍在20.1%～298%）。結(jié)果表明，本研究的變量噴灑系統(tǒng)具有可行性，該變量噴灑系統(tǒng)提升了噴灑的整體均勻性，實(shí)現(xiàn)了流量隨飛行速度自主調(diào)節(jié)的功能，能夠滿足小面積作業(yè)的基本要求。

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