無人機(jī)變量施藥實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

劉洋洋 茹 煜 陳 青 陳旭陽 劉 彬

(南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院， 南京 210037)

0 引言

農(nóng)藥利用率低一直是困擾我國施藥機(jī)械、施藥技術(shù)發(fā)展的重要因素，常規(guī)施藥方式的農(nóng)藥利用率只有30%，不僅影響了病蟲害防治效果，也造成環(huán)境污染[1-2]。精準(zhǔn)施藥技術(shù)是農(nóng)業(yè)植保技術(shù)未來的發(fā)展方向[3-4]，其中旋翼類無人機(jī)具有作業(yè)靈活、成本低、效率高、不受作物長勢和地理因素制約、旋翼氣流可以增加藥液沉積效果等優(yōu)勢[5-9]，被廣泛應(yīng)用于信息遙感、農(nóng)業(yè)監(jiān)測和農(nóng)業(yè)植保中[10-11]?；跓o人機(jī)發(fā)展精準(zhǔn)施藥技術(shù)對提高我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平、實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)具有重要意義。

航空變量施藥是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施藥的重要途徑之一[12-15]。主要體現(xiàn)在可以根據(jù)處方圖的作業(yè)需求，以及作業(yè)高度、作業(yè)速度等參數(shù)的變化，實(shí)時調(diào)節(jié)施藥流量，避免造成農(nóng)藥浪費(fèi)或施藥量不足，從而實(shí)現(xiàn)單位面積施藥量的一致。航空變量施藥的關(guān)鍵是實(shí)時監(jiān)測施藥作業(yè)參數(shù)和精準(zhǔn)調(diào)控施藥流量[16]。施藥作業(yè)參數(shù)監(jiān)測是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施藥的前提，國內(nèi)外學(xué)者對無人機(jī)施藥監(jiān)測展開了一些相關(guān)研究。Adapco公司生產(chǎn)的Wingman GX[17]和袁玉敏[18]設(shè)計(jì)的無人機(jī)高精度定位系統(tǒng)都可以監(jiān)測無人機(jī)的位置和施藥軌跡，但是不能對施藥流量進(jìn)行監(jiān)測。翟長遠(yuǎn)等[19]設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的地面植保機(jī)械施藥監(jiān)測系統(tǒng)，可以同時監(jiān)測施藥壓力和施藥流量，但航空施藥在作業(yè)軌跡規(guī)劃、作業(yè)速度、作業(yè)高度等方面都與地面施藥有很大的不同。目前的研究還不能滿足航空變量施藥的監(jiān)測需求。在航空變量施藥控制方面國內(nèi)外學(xué)者也取得了一定的研究成就。邢航等[20]研發(fā)的無人機(jī)變量噴灑地面監(jiān)控系統(tǒng)和王玲等[21]研發(fā)的無人機(jī)變量施藥系統(tǒng)，可對施藥流量進(jìn)行手動控制，這種基于經(jīng)驗(yàn)的人為調(diào)控方式難以保證施藥的精準(zhǔn)性。張瑞瑞等[22]設(shè)計(jì)的有人直升機(jī)變量施藥控制系統(tǒng), LIAN 等[23]設(shè)計(jì)的變速噴灑系統(tǒng)和YAO等[24]設(shè)計(jì)的變速噴灑系統(tǒng)，主要研究作業(yè)速度、風(fēng)向、添加劑等因素對液滴沉積、飄移和液滴大小的影響，并根據(jù)作業(yè)速度變化調(diào)節(jié)流量。以上研究不能同時根據(jù)作業(yè)高度、作業(yè)速度和公頃施藥量等多參數(shù)的變化自動調(diào)控施藥流量。

我國地形復(fù)雜，尤其在南方山區(qū)山坡、丘陵較多，農(nóng)田不平整。無人機(jī)在這種特殊地形上空作業(yè)時，很難控制恒定的飛行參數(shù)，在調(diào)頭、轉(zhuǎn)向、爬坡等過程中，作業(yè)高度、作業(yè)速度、施藥流量等參數(shù)需要實(shí)時改變。本文結(jié)合我國實(shí)際情況，針對無人機(jī)施藥提出一種航空變量施藥分級控制算法，并研發(fā)適合我國航空變量施藥的實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時監(jiān)測無人機(jī)的作業(yè)高度、作業(yè)速度、作業(yè)航跡、施藥流量及藥液余量等信息，并根據(jù)飛行參數(shù)的變化自動調(diào)節(jié)施藥流量。

1 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 控制理論

為了達(dá)到農(nóng)業(yè)病蟲害有效的防治效果，單位面積需要滿足一定的施藥量。施藥量過少起不到植保的目的，過多則會造成農(nóng)藥浪費(fèi)與環(huán)境污染。所以單位面積的施藥量應(yīng)該控制在一定范圍內(nèi)，本文對施藥量的控制采用調(diào)節(jié)流量閥門開度的方式。根據(jù)實(shí)際無人機(jī)施藥作業(yè)經(jīng)驗(yàn)可知，作業(yè)高度、作業(yè)速度、施藥流量都會影響單位面積施藥量(即公頃施藥量)。因此閥門的開度需要根據(jù)作業(yè)高度、作業(yè)速度和公頃施藥量的情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。

本文通過開發(fā)的分級控制算法控制流量閥門的開度，分級控制算法包括：確定無人機(jī)的作業(yè)高度、作業(yè)速度和公頃施藥量的權(quán)重；根據(jù)作業(yè)高度、作業(yè)速度、公頃施藥量以及閥門開度變化范圍，生成分級控制表；當(dāng)作業(yè)高度、作業(yè)速度和公頃施藥量改變時，根據(jù)分級控制表和分級控制公式計(jì)算閥門對應(yīng)的開度。

采用層次分析法確定各施藥參數(shù)的權(quán)重[25]。確定方法主要包括：①設(shè)置施藥參數(shù)判斷表，如表1所示，并邀請安徽、江蘇、浙江、山東、河北、河南6省的9家植保公司共計(jì)80位員工進(jìn)行打分。分值評定為：同等重要、稍微重要、明顯重要、強(qiáng)烈重要和極端重要5個等級，對應(yīng)的分值分別為1、3、5、7、9分。

表1 施藥參數(shù)判斷表Tab.1 Determination table of spray parameters

②計(jì)算判斷矩陣的特征向量，計(jì)算公式為

(1)

式中Wi——特征向量，施藥參數(shù)判斷表中第i行參數(shù)的權(quán)重

eij——施藥參數(shù)判斷表中第i行第j列分值

特征向量即為各參數(shù)對應(yīng)的權(quán)重，通過計(jì)算80位評分人員的打分，可得出作業(yè)高度的權(quán)重為0.3，作業(yè)速度的權(quán)重為0.3，公頃施藥量的權(quán)重為0.4。

分級控制表是根據(jù)無人機(jī)植保作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和作業(yè)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得出。無人機(jī)正常施藥作業(yè)時的作業(yè)高度在1～5 m，作業(yè)速度在3～6 m/s，公頃施藥量在7.5～15 L/hm2，施藥流量在1.2～2.1 L/min。把作業(yè)高度、作業(yè)速度、公頃施藥量和施藥流量各分為5個等級。其中流量由電磁閥門開口面積和藥液流速共同決定，在藥液流速和施藥時間不變的前提下，閥門開口面積越大流量越大。由于開度閥都是球型電磁閥，開口面積可視為兩個大小相等圓重合、相交或相切。閥門開度的調(diào)節(jié)范圍為0°～90°，當(dāng)閥門開度為0°時，兩圓重合，此時閥門處于全開狀態(tài)；當(dāng)閥門開度在0°～90°之間時，兩圓相交；當(dāng)閥門開度為90°時，兩圓相切，此時閥門處于關(guān)閉狀態(tài)。因此可推導(dǎo)出流量與閥門開度的公式為

(2)

式中qv——施藥流量，L/min

θ——閥門開度，(°)

v1——藥液流速，m/s

R——閥門管道半徑，mm

由于施藥流量在1.2～2.1 L/min之間，本文選擇額定流量為3.5 L/min的隔膜泵，管徑為6分管。所以在正常施藥時，閥門開度的變化范圍在51°～90°之間。因此流量等級可以轉(zhuǎn)換成閥門開度等級。由于閥門開度、作業(yè)高度、作業(yè)速度和公頃施藥量都為連續(xù)型變量，因此采用一般線性模型的方法進(jìn)行分級，如表2所示。

表2 分級控制表Tab.2 Hierarchical control table

計(jì)算閥門開度，需要先確定閥門開度等級。閥門開度等級是把作業(yè)高度、作業(yè)速度和公頃施藥量的實(shí)際值，在分級控制表中對應(yīng)的等級，代入閥門開度等級公式得出。閥門開度等級公式為

Dθ=0.3Dh+0.3Dv+0.4Dc

(3)

式中Dθ——閥門開度等級

Dh——作業(yè)高度等級

Dv——作業(yè)速度等級

Dc——公頃施藥量等級

把閥門開度等級代入閥門開度公式

(4)

即可計(jì)算出閥門開度。

當(dāng)作業(yè)高度、作業(yè)速度和公頃施藥量發(fā)生變化時，系統(tǒng)根據(jù)分級控制表再結(jié)合公式(3)、(4)，可及時調(diào)節(jié)閥門到相應(yīng)的開度，進(jìn)而合理地改變施藥流量，達(dá)到精準(zhǔn)施藥的目的。

1.2 硬件設(shè)計(jì)

該監(jiān)控系統(tǒng)的硬件部分主要包括：單片機(jī)、GPS導(dǎo)航模塊、流量傳感器、液位傳感器、高精度大氣壓傳感器、無線通信傳輸模塊、按鍵和顯示屏等，圖1為航空施藥監(jiān)控系統(tǒng)整體框架圖[26]。采用Ublox公司生產(chǎn)的GPS導(dǎo)航模塊獲取無人機(jī)飛行坐標(biāo)和對地飛行速度；選用深圳林恩科技公司生產(chǎn)的LRL01型渦輪流量傳感器采集施藥流量；選用深圳林恩科技公司生產(chǎn)的LDY02型電容式液位傳感器采集藥箱液面高度；選用廣州市浩云安防科技股份有限公司生產(chǎn)的GY-63 MS5611-01BA03型高精度大氣壓傳感器采集作業(yè)高度；選用英國ARM公司生產(chǎn)的STM32F103VET6單片機(jī)作為信息處理控制的微控制器，用于對多元信號進(jìn)行融合處理，計(jì)算出無人機(jī)的實(shí)際飛行狀態(tài)和施藥情況；通過深圳永達(dá)創(chuàng)力電子有限公司生產(chǎn)的RGB顯示屏和手機(jī)終端APP將無人機(jī)飛行狀態(tài)和施藥情況以數(shù)值和圖表的形式直觀地顯示。

圖1 系統(tǒng)框架圖Fig.1 System frame diagram

為了保證不影響無人機(jī)正常作業(yè)，該系統(tǒng)配有獨(dú)立的電源模塊，通過大容量鋰電池為系統(tǒng)供電，由于電池輸出電壓為3.7 V，而微控制器、傳感器、通信模塊以及繼電器等需要不同的電壓，為保證輸出穩(wěn)定電壓，分別用LM2577和AMS1117電源芯片進(jìn)行穩(wěn)壓。其中，LM2577主要為GPS模塊、通信模塊、工業(yè)繼電器和微控制器提供穩(wěn)定的5 V電壓；AMS1117主要為多元傳感器、微控制器和存儲設(shè)備提供穩(wěn)定的3.3 V電壓。GPS導(dǎo)航模塊、流量傳感器、液位傳感器和大氣壓傳感器通過串行通信方式與微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，通信模塊作為無線傳輸?shù)闹饕绞酵ㄟ^異步串行通信口與微控制器相連。以復(fù)位電路、晶振電路與微控制器內(nèi)部電路相結(jié)合的方式，使微控制器穩(wěn)定運(yùn)行。工業(yè)繼電器作為閥門的控制開關(guān)，其電路原理圖如圖2所示，通過控制兩個繼電器的斷開與接通方式，來調(diào)節(jié)閥門開度。

圖2 繼電器電路圖Fig.2 Diagram of relay circuit

1.3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)無人機(jī)施藥監(jiān)控的可靠性、實(shí)時性以及可維護(hù)性等要求，采用C語言編寫系統(tǒng)軟件程序，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。在系統(tǒng)啟動時，先進(jìn)行初始化程序，再調(diào)用執(zhí)行GPS子程序、作業(yè)高度子程序、流量監(jiān)測子程序、液位監(jiān)測子程序。其中，由于GPS導(dǎo)航模塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采用標(biāo)準(zhǔn)的NMEA-0183協(xié)議，所以在GPS導(dǎo)航模塊監(jiān)測應(yīng)用中，通常采用隊(duì)列的方式來接收數(shù)據(jù)，串口接收到數(shù)據(jù)后存入隊(duì)列中，最后再對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，可得到飛行坐標(biāo)。

圖3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.3 System software design flow chart

由于流量傳感器輸出的信號是脈沖信號，無法直接得出流量。所以需要調(diào)用流量積分函數(shù)，把得到的脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號，進(jìn)而得到流量信息。流量積分函數(shù)根據(jù)流量傳感器特性而定，該傳感器的計(jì)算函數(shù)為

(5)

式中Q——實(shí)時流量，L/min

f——脈沖頻率，Hz

K——每轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)

V0——每轉(zhuǎn)一周流過的藥液體積，L

作業(yè)高度信息和液位信息則是通過A/D轉(zhuǎn)換器把傳感器監(jiān)測的模擬量電流信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再經(jīng)過單片機(jī)處理后得到作業(yè)高度和液面高度。

微控制器每100 ms讀取一次傳感器信息，并對多元傳感器獲得的坐標(biāo)信息、流量信息、作業(yè)高度信息、液位信息進(jìn)行融合處理。其中，通過連接每個時刻的飛行坐標(biāo)點(diǎn)得到軌跡信息；通過計(jì)算單位時間內(nèi)的坐標(biāo)點(diǎn)位移變化量得到無人機(jī)的作業(yè)速度；通過高精度大氣壓傳感器模塊得到作業(yè)高度信息；通過流量傳感器輸出的脈沖信號結(jié)合公式(5)可以得到施藥流量信息；通過液面高度信息再結(jié)合該高度位置藥箱的截面積，計(jì)算出藥液剩余量。

在得到多元傳感器信息后，單片機(jī)通過分級控制算法，把監(jiān)測的數(shù)據(jù)根據(jù)分級控制表和公式(3)、(4)，計(jì)算出閥門相應(yīng)的開度。

系統(tǒng)把監(jiān)控信息每100 ms自動存儲到數(shù)據(jù)存儲器。并將信息以數(shù)值和圖形的形式通過RGB顯示屏顯示，與此同時把數(shù)據(jù)打包發(fā)送到IOT平臺，為以后的研究提供參考。數(shù)據(jù)上傳采用TCP通訊協(xié)議，通過上傳的自定義腳本來實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的解析以及向設(shè)備下發(fā)數(shù)據(jù)。用戶通過手機(jī)、平板計(jì)算機(jī)或者個人計(jì)算機(jī)等終端設(shè)備與平臺網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接，即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測[27]。

2 試驗(yàn)

為了衡量自主研發(fā)的監(jiān)測系統(tǒng)的精準(zhǔn)性，確保作業(yè)區(qū)域內(nèi)單位面積的施藥量一致，需要開展航跡監(jiān)測試驗(yàn)、施藥流量監(jiān)測試驗(yàn)、液位監(jiān)測試驗(yàn)和變量施藥控制試驗(yàn)。

試驗(yàn)場地選擇面積約為0.3 hm2的矩形空地，頂點(diǎn)經(jīng)緯度為(117.476 644 37°E，39.298 906 45°N)、(117.476 645 71°E，39.298 601 33°N)、(117.477 538 88°E，39.298 600 29°N)、(117.477 540 22°E，39.298 908 53°N)。試驗(yàn)時間為2019年6月27日，平均氣溫為24～33℃，風(fēng)速為1.6～3.3 m/s。試驗(yàn)通過大疆MG-1SA型電動八旋翼植保無人機(jī)搭載自主研發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行，噴頭采用德國LECHLER公司生產(chǎn)的ST110-02型植保無人機(jī)霧化高壓扇形噴頭。

2.1 航跡監(jiān)測試驗(yàn)

航跡監(jiān)測即對無人機(jī)飛行軌跡經(jīng)度、緯度和高度的監(jiān)測。

試驗(yàn)前先設(shè)置噴幅為5 m，作業(yè)速度為4 m/s，再在空地上規(guī)劃出長72 m、寬30 m的矩形試驗(yàn)場地，根據(jù)噴幅設(shè)置12個坐標(biāo)點(diǎn)，其中前6個坐標(biāo)點(diǎn)作業(yè)高度設(shè)置為2 m，后6個坐標(biāo)點(diǎn)作業(yè)高度設(shè)置為3 m，如表3所示。最后規(guī)劃出飛行航線。試驗(yàn)時控制無人機(jī)依次遍歷所標(biāo)定的12個空間坐標(biāo)點(diǎn)。在飛行過程中，系統(tǒng)通過GPS模塊獲取飛機(jī)的經(jīng)緯度信息，通過GY-63型大氣壓傳感器獲取無人機(jī)的高度位置。本試驗(yàn)通過記錄每個航點(diǎn)的經(jīng)緯度和作業(yè)高度來描述無人機(jī)的三維作業(yè)軌跡。

表3 無人機(jī)飛行軌跡信息數(shù)據(jù)Tab.3 UAV flight track information data

將本系統(tǒng)監(jiān)測的軌跡與規(guī)劃航線進(jìn)行對比，檢驗(yàn)該監(jiān)測系統(tǒng)對飛行軌跡監(jiān)測的精準(zhǔn)度。試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次，飛行作業(yè)現(xiàn)場如圖4所示。

圖4 飛行作業(yè)圖Fig.4 Flight operation diagram

由于GPS獲取的是經(jīng)緯度信息，因此需要通過高斯-克呂格等角度投影法把經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換成平面直角坐標(biāo)信息[28-30]。無人機(jī)的作業(yè)航線為三維空間軌跡，所以通過歐幾里得度量計(jì)算三維空間中兩個航點(diǎn)之間的距離即航跡偏差，計(jì)算公式為

(6)

式中x1——規(guī)劃點(diǎn)橫坐標(biāo)，m

x2——監(jiān)測點(diǎn)橫坐標(biāo)，m

y1——規(guī)劃點(diǎn)縱坐標(biāo)，m

y2——監(jiān)測點(diǎn)縱坐標(biāo)，m

z1——規(guī)劃作業(yè)高度，m

z2——監(jiān)測作業(yè)高度，m

δ——航跡偏差，m

航跡偏差主要影響單位時間的作業(yè)面積，進(jìn)而影響單位面積的施藥量。當(dāng)實(shí)際公頃施藥量與設(shè)定的公頃施藥量偏差在10%以內(nèi)時，即可認(rèn)為滿足農(nóng)業(yè)航空施藥作業(yè)需求[23]。在航跡監(jiān)測試驗(yàn)中，當(dāng)施藥流量不變，作業(yè)面積的變化范圍在90%～110%之間時，即可認(rèn)為航跡監(jiān)測精度滿足航空施藥的需求。所以用航跡偏差的平均值作為有效值可計(jì)算單位面積的施藥誤差，計(jì)算公式為

(7)

式中φ——單位面積施藥誤差，%

B——噴幅，mt——作業(yè)時間，s

v——作業(yè)速度，m/s

2.2 施藥流量監(jiān)測試驗(yàn)

在額定流量為3.5 L/min的隔膜泵上安裝功率調(diào)節(jié)器，將液泵輸出功率分為7擋進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)擋位來改變施藥流量，本系統(tǒng)通過LRL01型渦輪流量傳感器實(shí)時監(jiān)測無人機(jī)流量。在施藥流量監(jiān)測試驗(yàn)前，先通過量筒向藥箱裝入6 L水代替藥液。試驗(yàn)時依次改變調(diào)節(jié)器的擋位，用本系統(tǒng)監(jiān)測不同擋位下的流量，并記錄抽出5 L水所用時長，每個擋位試驗(yàn)重復(fù)4次，取平均值視為時間有效值。流量理論值為5 L水的體積與時間有效值的百分比，通過計(jì)算系統(tǒng)監(jiān)測的流量有效值與理論流量值的百分比，可獲得誤差。計(jì)算公式為

(8)

式中η——流量相對誤差，%

q0——流量監(jiān)測有效值，L/min

t0——時間有效值，s

為確定結(jié)果的可靠性和可信賴程度，計(jì)算平均相對誤差，計(jì)算公式為

(9)

式中ψ——流量平均相對誤差，%

q1——第1次監(jiān)測流量，L/min

q2——第2次監(jiān)測流量，L/min

q3——第3次監(jiān)測流量，L/min

q4——第4次監(jiān)測流量，L/min

為了確定數(shù)據(jù)的離散程度，需要計(jì)算變異系數(shù)，計(jì)算公式為

(10)

2.3 液位監(jiān)測試驗(yàn)

預(yù)先對藥箱裝載一定的藥液，用刻度尺測量液面高度，作為實(shí)際值。再操作無人機(jī)按照正常施藥時的速度飛行，但不進(jìn)行施藥。本試驗(yàn)作業(yè)速度設(shè)定為4 m/s，在飛行過程中本系統(tǒng)通過LDY02型電容式液位傳感器監(jiān)測記錄液面高度。每組液面高度重復(fù)試驗(yàn)5次，取平均值作為監(jiān)測的有效值，最后與實(shí)際值進(jìn)行對比，計(jì)算出相對誤差。計(jì)算公式為

(11)

式中φ——液位相對誤差，%

h′——液位監(jiān)測有效值，mm

h0——液位實(shí)際值，mm

2.4 變量施藥控制試驗(yàn)

在進(jìn)行變量控制試驗(yàn)時，先規(guī)劃飛行作業(yè)航線，按照規(guī)劃的航線進(jìn)行作業(yè)，在飛行過程中實(shí)時監(jiān)測航跡，如果發(fā)生偏離需及時調(diào)整航線，以保證作業(yè)面積為0.14 hm2。試驗(yàn)過程中通過流量傳感器記錄0.14 hm2試驗(yàn)田施藥總量，再除以試驗(yàn)場地面積，即可得出實(shí)際每公頃的施藥量，最后與所設(shè)定公頃施藥量比較，計(jì)算誤差，計(jì)算公式為

(12)

式中σ——公頃施藥量相對誤差，%

c′——實(shí)際公頃施藥量，L/hm2

c0——設(shè)定公頃施藥量，L/hm2

試驗(yàn)包括單因素試驗(yàn)和多因素試驗(yàn)兩部分。單因素試驗(yàn)是分別以作業(yè)速度、作業(yè)高度和公頃施藥量作為可變因素，進(jìn)行該因素三水平測試。其中，G1組是在保持作業(yè)高度和公頃施藥量不變，對作業(yè)速度做三水平試驗(yàn)；G2組是在保持作業(yè)速度和公頃施藥量不變，對作業(yè)高度做三水平試驗(yàn)；G3組是在保持作業(yè)高度和作業(yè)速度不變，對公頃施藥量做三水平試驗(yàn)。多因素試驗(yàn)是以作業(yè)速度、作業(yè)高度、公頃施藥量為可變因素，進(jìn)行三因素四水平測試。每個水平測試重復(fù)3次，取平均值作為實(shí)際公頃施藥量的有效值。

3 結(jié)果與分析

3.1 飛行軌跡監(jiān)測試驗(yàn)結(jié)果

飛行軌跡如圖5所示，圖中黃色線為規(guī)劃航跡，綠色線為監(jiān)測航跡。

圖5 飛行軌跡圖Fig.5 Flight track diagram

從圖5可以看出，監(jiān)測航跡與規(guī)劃航跡有一定的偏差，這是由于在飛行過程中 GPS 定位存在一定的誤差，且受風(fēng)向風(fēng)速等環(huán)境因素的影響，使航跡發(fā)生偏移。對照表3的數(shù)據(jù)結(jié)果也可發(fā)現(xiàn)，在航跡監(jiān)測試驗(yàn)中，飛行最大航跡偏差為1.25 m，最小航跡偏差為0.80 m，平均航跡偏差為0.98 m。由于航跡偏差隨機(jī)分布在規(guī)劃航線兩側(cè)，并且本次試驗(yàn)的噴幅為5 m，因此通過公式(7)可得面積平均變化范圍在90.2%～109.8%之間，該區(qū)間包含于區(qū)間90%～110%，因此該監(jiān)測系統(tǒng)對航跡監(jiān)測精度較高，滿足航空施藥對航跡監(jiān)測的需求。由于航跡主要依賴GPS采集與計(jì)算，但是GPS模塊對位置的獲取存在誤差，因此誤差不可避免。

3.2 施藥流量監(jiān)測試驗(yàn)結(jié)果

施藥流量監(jiān)測試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。通過圖6可知，液泵在低擋位工作時監(jiān)測的流量與理論的流量誤差較大，最大是10%，隨著擋位的提高，誤差呈縮小趨勢。誤差產(chǎn)生的主要原因是液泵在低功率工作時，管道內(nèi)藥液流速低，混有部分空氣，影響傳感器監(jiān)測精度，使該系統(tǒng)不能及時監(jiān)測出通過的真實(shí)流量。隨著擋位提升，液泵的工作功率逐漸增大，藥液流速增大，監(jiān)測的精準(zhǔn)度也隨之提高。但由于液泵及水管等之間連接處密封性問題、液泵電壓的波動以及流量傳感器的精度等問題，誤差始終存在，本試驗(yàn)的最小誤差是1.6%，平均誤差為3.57%。試驗(yàn)表明，在無人機(jī)戶外飛行施藥作業(yè)時，流量監(jiān)測誤差在1.6%～10%之間。誤差為10%時流量為0.5 L/min，此時造成施藥量誤差為0.05 L/min，無人機(jī)每分鐘作業(yè)面積在0.07 hm2以上，所以每公頃施藥量的誤差在0.71 L以內(nèi)。而正常施藥時每公頃施藥量在7.5～15 L之間，所以施藥量的誤差在10%以內(nèi)，滿足航空施藥對流量檢測的需求。試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變異系數(shù)在1.991%～3.889%之間，并且平均相對誤差在2.97%以內(nèi)，說明試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散程度小，數(shù)據(jù)可靠性高。

圖6 流量誤差分析圖Fig.6 Error analysis diagram

3.3 液位監(jiān)測試驗(yàn)結(jié)果

液位監(jiān)測試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，系統(tǒng)對液位的監(jiān)測和實(shí)際液位誤差最大為3.51%，最小為1.23%，平均誤差為1.97%。雖然在作業(yè)過程中是勻速直線飛行，但是由于飛機(jī)振動和傳感器存在精度誤差問題，所以監(jiān)測誤差不可避免。由于無人機(jī)藥箱的橫截面在400 cm2左右，所以平均液位誤差1.97%造成的藥液量監(jiān)測誤差為78.8 mL，低于管道內(nèi)殘余藥量，因此滿足航空施藥對液位檢測的需求。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)對液位監(jiān)測的準(zhǔn)確性較高，且誤差在合理范圍內(nèi)。在更高要求的液位監(jiān)測中，可以通過選用更高精度的傳感器，也可以在系統(tǒng)中優(yōu)化防振程序，以提高液位監(jiān)測的精度。

圖7 液位監(jiān)測試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Result of liquid level monitoring test

3.4 變量施藥控制試驗(yàn)結(jié)果

3組單因素試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Tab.4 Single factor test design and results

通過表4可知，分別改變作業(yè)高度、作業(yè)速度和公頃施藥量時，該變量監(jiān)控制系統(tǒng)能根據(jù)單一參數(shù)的改變及時準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)流量，以保證施藥均勻性，避免局部少噴或者多噴現(xiàn)象。并且實(shí)際公頃施藥量與設(shè)定值的誤差在0.99%～8.53%范圍內(nèi)，小于10%。因此該系統(tǒng)在單一參數(shù)變化時對流量控制的精度滿足農(nóng)業(yè)航空變量施藥的需求。

多因素試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。由表5可得，當(dāng)作業(yè)高度、作業(yè)速度、公頃施藥量在設(shè)置范圍內(nèi)同時改變時，實(shí)際公頃施藥量與設(shè)定值的誤差在0.20%～9.26%范圍內(nèi)，小于10%，說明該系統(tǒng)在多參數(shù)同時變化時可以準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)流量，保證公頃施藥量一致。系統(tǒng)對流量控制的精度滿足農(nóng)業(yè)航空變量施藥的需求。

表5 多因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Tab.5 Multi-factor test design and results

4 結(jié)論

(1)針對無人機(jī)施藥作業(yè)，提出了一種航空變量施藥分級控制算法。在航空施藥過程中，當(dāng)作業(yè)高度、作業(yè)速度和公頃施藥量發(fā)生變化時，該算法可以自動調(diào)節(jié)施藥流量，以保證單位面積施藥量的一致性。

(2)基于該算法設(shè)計(jì)了航空變量施藥實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)，通過監(jiān)測試驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)監(jiān)測的精準(zhǔn)性。監(jiān)測試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)對航跡監(jiān)測的偏差范圍為0.80～1.25 m，施藥流量監(jiān)測誤差范圍為1.6%～10%，液位高度監(jiān)測誤差范圍為1.23%～3.51%，誤差在合理范圍內(nèi)，能夠滿足航空施藥的監(jiān)測需求。

(3)變量施藥試驗(yàn)結(jié)果表明，無論是單一飛行參數(shù)改變，還是多參數(shù)同時改變，該系統(tǒng)可精準(zhǔn)調(diào)節(jié)施藥流量，最大誤差為9.26%，小于10%，滿足農(nóng)業(yè)航空變量施藥的控制需求。