一種多旋翼植保無(wú)人機(jī)靜電噴霧系統(tǒng)研究

王亞濤 吳開(kāi)華

摘要：為提高多旋翼植保無(wú)人機(jī)的植保效果，設(shè)計(jì)一種用于多旋翼植保無(wú)人機(jī)的靜電噴霧系統(tǒng)。該靜電噴霧系統(tǒng)包括靜電噴頭、噴霧流量控制模塊?；诟袘?yīng)式荷電原理設(shè)計(jì)了感應(yīng)式靜電離心噴頭，基于PID算法設(shè)計(jì)噴霧流量控制模塊，基于網(wǎng)狀目標(biāo)法設(shè)計(jì)荷質(zhì)比測(cè)量裝置。結(jié)果表明，該多旋翼植保無(wú)人機(jī)靜電噴霧系統(tǒng)中靜電噴頭可使霧滴荷電，噴霧流量控制模塊能夠穩(wěn)定地控制噴霧流量，荷質(zhì)比測(cè)量裝置能夠穩(wěn)定測(cè)量霧滴荷質(zhì)比，隨著荷電電壓增加，霧滴荷質(zhì)比逐漸增加，當(dāng)荷電電壓為8 kV時(shí)，荷質(zhì)比達(dá)到最大值，為0.59 mC/kg。

關(guān)鍵詞：多旋翼植保無(wú)人機(jī);靜電噴霧系統(tǒng);感應(yīng)式靜電離心噴頭;荷質(zhì)比測(cè)量裝置;噴霧流量控制模塊

中圖分類(lèi)號(hào)： S252+.3 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2020）03-0225-06

靜電噴霧技術(shù)可有效提高霧滴沉積效果[1]。多旋翼無(wú)人機(jī)可有效替代人力完成植保作業(yè)，并使得植保作業(yè)效率大大提高[2]。靜電噴霧技術(shù)結(jié)合多旋翼植保無(wú)人機(jī)技術(shù)可有效提高植保效率和植保效果。針對(duì)多旋翼植保無(wú)人機(jī)靜電噴霧系統(tǒng)的研究對(duì)于農(nóng)業(yè)植保技術(shù)發(fā)展和農(nóng)作物病蟲(chóng)害防護(hù)具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)靜電噴霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要基于感應(yīng)式荷電、電暈式荷電、接觸式荷電等3種基本原理[3]，其中作業(yè)平臺(tái)主要為地面植保器械、航空飛機(jī)或無(wú)人直升機(jī)等平臺(tái)，基于多旋翼植保無(wú)人機(jī)平臺(tái)的靜電噴霧系統(tǒng)研究相對(duì)較少。茹煜等針對(duì)XY8D型無(wú)人直升機(jī)設(shè)計(jì)了感應(yīng)式靜電噴霧系統(tǒng)[4]。王士林等針對(duì)3WQF120-12型油動(dòng)單旋翼植保無(wú)人直升機(jī)設(shè)計(jì)了接觸式靜電噴霧系統(tǒng)[5]。楊洲等針對(duì)地面植保器械設(shè)計(jì)了一種果園在線混藥型靜電噴霧機(jī)，其靜電噴霧系統(tǒng)為感應(yīng)式靜電噴霧系統(tǒng)[6]。廉琦設(shè)計(jì)了多旋翼植保無(wú)人機(jī)靜電噴霧系統(tǒng)，其中靜電噴頭為感應(yīng)式壓力靜電噴頭[7]。賈衛(wèi)東等基于接觸式荷電原理設(shè)計(jì)了背負(fù)式靜電噴霧器，并針對(duì)噴霧器噴霧性能進(jìn)行了測(cè)試研究[8]。國(guó)外對(duì)于靜電噴霧系統(tǒng)的研究主要有地面植保器械和航空靜電噴霧系統(tǒng)等，加拿大相關(guān)學(xué)者基于拖拉機(jī)開(kāi)發(fā)了風(fēng)送式靜電噴霧系統(tǒng)[9]，英國(guó)相關(guān)學(xué)者基于拖拉機(jī)開(kāi)發(fā)了靜電噴霧機(jī)[10]，美國(guó)相關(guān)學(xué)者主要基于航空飛機(jī)和直升機(jī)設(shè)計(jì)了航空靜電噴霧系統(tǒng)[11-12]。

為將靜電噴霧技術(shù)與多旋翼植保無(wú)人機(jī)植保技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)多旋翼植保無(wú)人機(jī)靜電噴霧系統(tǒng)，包括靜電噴頭、噴霧流量控制模塊，針對(duì)荷電效果測(cè)量設(shè)計(jì)霧滴荷質(zhì)比測(cè)量裝置，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證該系統(tǒng)有效性及穩(wěn)定性。

1 多旋翼植保無(wú)人機(jī)靜電噴霧系統(tǒng)

多旋翼植保無(wú)人機(jī)靜電噴霧系統(tǒng)主要基于感應(yīng)式荷電原理而設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)如圖1所示。該靜電噴霧系統(tǒng)主要包括靜電噴頭、高壓靜電發(fā)生器、供電電源等。其中靜電噴頭為自行設(shè)計(jì)的感應(yīng)式離心靜電噴頭，靜電噴頭基于噴頭懸架垂直固定于旋翼下方。當(dāng)無(wú)人機(jī)在植保作業(yè)時(shí)，旋翼旋轉(zhuǎn)時(shí)所形成垂直向下的風(fēng)場(chǎng)可防止霧滴團(tuán)漂移。高壓靜電發(fā)生器為江蘇浩瑞電子公司生產(chǎn)的小型、可調(diào)靜電發(fā)生器（高壓可調(diào)范圍為0～10 kV），質(zhì)量為 83 g，其供電電源為12 V直流電源，電源質(zhì)量為 180 g，該靜電發(fā)生器與供電電源分別固定于無(wú)人機(jī)橫軸上。該靜電噴霧系統(tǒng)作業(yè)平臺(tái)為杭州瓦屋科技有限公司生產(chǎn)的W730S四旋翼半自動(dòng)植保無(wú)人機(jī)，每軸旋翼下方固定有感應(yīng)式靜電離心噴頭，相鄰噴頭之間的間距為180 cm。其藥箱容積為10 L，動(dòng)力和飛控供電電池容量為16 000 mA·h，可滿足植保作業(yè)時(shí)間大于10 min。

1.1 靜電噴頭

由圖2可知，靜電噴霧系統(tǒng)中噴頭為感應(yīng)式靜電離心噴頭，該噴頭由感應(yīng)環(huán)、感應(yīng)環(huán)懸架、離心電機(jī)、旋葉等組成。其中，感應(yīng)環(huán)材料為404不銹鋼，具有較高的強(qiáng)度和耐腐蝕性。感應(yīng)環(huán)垂直方向距離出水口2 cm，環(huán)的寬度為2 cm，能較好地滿足荷電需求。感應(yīng)環(huán)懸架的材料為尼龍PA6T，由于尼龍PA6T分子中具有大量的苯環(huán)，因此具有較好的耐腐蝕性和絕緣性，可滿足對(duì)化學(xué)農(nóng)藥的耐腐蝕性和對(duì)感應(yīng)環(huán)的絕緣性需求。將感應(yīng)環(huán)懸架分別與感應(yīng)環(huán)和多旋翼植保無(wú)人機(jī)固定，固定方式為軸向固定。

1.2 靜電發(fā)生器接線方式

靜電發(fā)生器的接線方式對(duì)靜電噴霧系統(tǒng)中的霧滴荷電效果具有重要影響。根據(jù)感應(yīng)式荷電原理，當(dāng)靜電發(fā)生器的正極與感應(yīng)環(huán)相接時(shí)，靜電發(fā)生器負(fù)極需要接地。同理，當(dāng)靜電發(fā)生器的負(fù)極與感應(yīng)環(huán)相接時(shí)，靜電發(fā)生器正極需要接地。靜電發(fā)生器的接線示意圖如圖3所示。當(dāng)靜電發(fā)生器的負(fù)極接多旋翼植保無(wú)人機(jī)機(jī)架時(shí)，負(fù)極所產(chǎn)生的電荷會(huì)流入機(jī)架，此時(shí)從靜電發(fā)生器接地效果上機(jī)架相當(dāng)于大地，靜電發(fā)生器接線實(shí)物圖如圖4所示。

1.3 靜電噴霧流量控制

噴霧流量是影響霧滴荷電效果的重要因素，噴霧流量大小改變會(huì)對(duì)霧滴荷電效果產(chǎn)生較大影響[13]。因此為保證無(wú)人機(jī)噴霧流量穩(wěn)定，設(shè)計(jì)W730S植保無(wú)人機(jī)噴霧流量穩(wěn)定控制模塊，該流量穩(wěn)定控制模塊如圖5所示。流量控制系統(tǒng)是由噴灑控制模塊、噴灑模塊、流量測(cè)量模塊等組成。飛控系統(tǒng)將速度數(shù)據(jù)通過(guò)MAVLINK協(xié)議發(fā)送至噴灑控制模塊。噴灑控制模塊根據(jù)接收到的飛行速度計(jì)算理論噴灑流量值，通過(guò)產(chǎn)生相應(yīng)的PWM波信號(hào)傳至噴灑控制模塊中的電子調(diào)速器，電子調(diào)速器根據(jù)收到的PWM波信號(hào)調(diào)整噴灑模塊中的離心泵轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)流量控制。其中PWM脈寬調(diào)制信號(hào)有2個(gè)主要的參數(shù)：頻率、占空比，根據(jù)離心泵中電機(jī)頻率，本研究采用的PWM波頻率為45.45 Hz。無(wú)人機(jī)自帶流量控制硬件電路模塊通過(guò)調(diào)節(jié)PWM波的占空比實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速。

為實(shí)現(xiàn)噴霧流量穩(wěn)定，采用PID控制算法來(lái)控制噴霧流量。根據(jù)無(wú)人機(jī)飛行速度v獲得初始噴霧流量L，并采用當(dāng)前誤差e作為PID控制器的輸入。噴霧流量PID控制算法如圖6所示，根據(jù)當(dāng)前誤差e得到PID控制參數(shù)KP、KI、KD，PID控制器通過(guò)噴灑模塊中電子調(diào)速器來(lái)調(diào)整離心泵中電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整噴霧流量，采用流量測(cè)量模塊中流量計(jì)測(cè)量出的噴霧流量L′作為負(fù)反饋，通過(guò)不斷將噴霧流量偏差值累加到噴霧流量初始值可獲得PID輸出參數(shù)。

2 驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 噴霧流量穩(wěn)定性試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證噴霧流量的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)噴霧流量測(cè)試試驗(yàn)。根據(jù)多旋翼植保無(wú)人機(jī)飛行速度最大范圍vmax及飛行速度調(diào)整間隔Δv，設(shè)置Nv組試驗(yàn)，其中Nv的計(jì)算方法如公式（1）所示。為驗(yàn)證不同噴霧流量下流量的穩(wěn)定性，首先通過(guò)Simulink仿真試驗(yàn)獲得PID控制參數(shù)。然后采用重復(fù)測(cè)量試驗(yàn)法對(duì)噴霧流量進(jìn)行重復(fù)測(cè)量。設(shè)定噴霧時(shí)間，在噴霧時(shí)間內(nèi)采用積液筒對(duì)噴霧霧滴進(jìn)行收集，噴霧結(jié)束后采用高精度電子天平對(duì)積液筒中的霧滴質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而可得到單位流量值。在同一流量下重復(fù)多次測(cè)量，并計(jì)算單位流量值的平均相對(duì)偏差KL，計(jì)算方式如公式（2）所示。KL值越小，表明多旋翼植保無(wú)人機(jī)噴霧流量越穩(wěn)定。以流量誤差PL表征實(shí)際平均流量與理論流量誤差，其計(jì)算公式如公式（3）所示。噴霧流量測(cè)試示意圖如圖7所示。

針對(duì)霧滴荷質(zhì)比測(cè)量，基于網(wǎng)狀目標(biāo)法設(shè)計(jì)霧滴荷質(zhì)比測(cè)量裝置，如圖8-a所示。金屬網(wǎng)分為3層，網(wǎng)孔數(shù)目從上至下依次為400、250、100目，材質(zhì)為404不銹鋼，具有良好的導(dǎo)電性，霧滴荷質(zhì)比測(cè)量裝置實(shí)物圖如圖8-b所示。當(dāng)荷電霧滴群下落時(shí)，不同粒徑霧滴會(huì)沉積到不同網(wǎng)孔數(shù)目的金屬網(wǎng)上，此時(shí)霧滴所攜帶的電荷會(huì)流經(jīng)金屬網(wǎng)進(jìn)行釋放。在電荷釋放過(guò)程中電荷會(huì)不斷流過(guò)精密電流表，電流表會(huì)顯示出電流值示數(shù)，因而可通過(guò)精密電流表對(duì)霧滴電荷量進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)噴霧完成后，通過(guò)串口電子天平測(cè)量噴霧時(shí)間內(nèi)積液筒收集到霧滴的質(zhì)量，其中串口電子天平為安衡電子秤公司生產(chǎn)的櫻花串口電子天平（如圖9所示），該天平帶有串口RS232，具有與計(jì)算機(jī)數(shù)字通訊功能。通過(guò)噴霧時(shí)間、電流表示數(shù)和收集到的霧滴質(zhì)量可計(jì)算出霧滴荷質(zhì)比。

3 結(jié)果與分析

3.1 噴霧流量穩(wěn)定性驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證噴霧流量的穩(wěn)定性，在固定噴霧時(shí)間內(nèi)采集單噴頭噴出的全部霧滴，并測(cè)量霧滴的質(zhì)量。PID控制參數(shù)通過(guò)Simulink仿真試驗(yàn)獲得，其中控制參數(shù)KP、KI、KD分別為66.0、2.4、435.6。噴霧流量測(cè)量試驗(yàn)場(chǎng)景如圖10所示。試驗(yàn)根據(jù)多旋翼植保無(wú)人機(jī)飛行速度檔位數(shù)分為5組，每組重復(fù)5次測(cè)量，得到的噴霧流量數(shù)據(jù)如表1所示，表1中試驗(yàn)數(shù)據(jù)中流量誤差和流量平均相對(duì)偏差是根據(jù)公式（1）、公式（2）計(jì)算所得。

由表1可以看出，隨著無(wú)人機(jī)飛行速度增加，噴霧流量值逐漸增加。同時(shí)，采用PID控制后噴霧流量誤差最大不超過(guò)1.9%，表明噴霧流量控制模塊可精準(zhǔn)控制噴霧流量的大小。每組噴霧流量平均相對(duì)偏差最大不超過(guò)1.2%，表明噴霧流量控制模塊可穩(wěn)定控制噴霧流量的大小。

3.2 荷質(zhì)比測(cè)量試驗(yàn)

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的多旋翼植保無(wú)人機(jī)靜電噴霧系統(tǒng)是否可正常進(jìn)行噴霧作業(yè)及研究不同荷電電壓下霧滴荷質(zhì)比，采用“2.2”節(jié)中所設(shè)計(jì)的荷質(zhì)比測(cè)量裝置進(jìn)行測(cè)量試驗(yàn)。同時(shí)為保證在每次測(cè)量過(guò)程中荷電電壓為設(shè)定的固定值，采用高壓衰減碳棒（圖11）并連接電壓表測(cè)量荷電電壓，該高壓衰減碳棒的衰減比例為1 000 ∶ 1，正負(fù)極性均可測(cè)量。

荷質(zhì)比測(cè)量試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，噴霧時(shí)采用單個(gè)噴頭測(cè)量方式。試驗(yàn)分為5組，每組重復(fù)3次測(cè)量，每次測(cè)量過(guò)程中的噴霧時(shí)間設(shè)定為1 min。其中，噴霧時(shí)間計(jì)時(shí)方式為秒表計(jì)時(shí)，當(dāng)噴霧開(kāi)始時(shí)打開(kāi)計(jì)時(shí)開(kāi)關(guān)，當(dāng)噴霧結(jié)束時(shí)關(guān)閉計(jì)時(shí)開(kāi)關(guān)。靜電發(fā)生器的電壓變化范圍為0～10 kV，電壓變化間隔為 2 kV，噴霧高度設(shè)置為50 cm。

荷電電壓下測(cè)量得到霧滴荷質(zhì)比數(shù)據(jù)如表2所示，荷質(zhì)比為噴霧時(shí)間為1 min內(nèi)的荷質(zhì)比平均值，荷質(zhì)比偏差為噴霧1 min內(nèi)荷質(zhì)比的平均相對(duì)偏差。對(duì)表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到霧滴荷質(zhì)比與荷電電壓的關(guān)系，如圖12所示。

由圖12中可以看出，通過(guò)荷質(zhì)比測(cè)量裝置可以測(cè)量出霧滴荷質(zhì)比，表明該多旋翼植保無(wú)人機(jī)靜電噴霧系統(tǒng)能夠?qū)F滴荷電。隨著荷電電壓逐漸增加，霧滴荷質(zhì)比逐漸增加。但當(dāng)荷電電壓增加至8 kV 左右時(shí)，霧滴荷質(zhì)比有趨于飽和的趨勢(shì)。且從表2中可以看出，霧滴荷質(zhì)比平均相對(duì)偏差小于9.0%，表明荷質(zhì)比測(cè)量裝置能夠穩(wěn)定地測(cè)量霧滴荷質(zhì)比的大小。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)多旋翼植保無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)一種靜電噴霧系統(tǒng)，包括感應(yīng)式靜電離心噴頭、噴霧流量控制模塊，并為測(cè)量霧滴荷電效果，設(shè)計(jì)荷質(zhì)比測(cè)量裝置。噴霧流量穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果表明，該噴霧流量控制算法可穩(wěn)定控制噴霧流量。荷質(zhì)比測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果表明感應(yīng)式靜電離心噴頭可使霧滴荷電，隨著荷電電壓增加，霧滴荷質(zhì)比逐漸增加，當(dāng)荷電電壓為8 kV時(shí)，霧滴荷質(zhì)比為0.59 mC/kg，荷質(zhì)比測(cè)量裝置可較為穩(wěn)定地測(cè)量霧滴荷質(zhì)比。該多旋翼植保無(wú)人機(jī)靜電噴霧系統(tǒng)霧滴沉積效果研究將會(huì)在后續(xù)工作中開(kāi)展。

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