無人機飛行高度和速度對噴藥效果的影響分析

劉海明

(蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學院,江蘇 蘇州 215008)

0 引言

近年來,隨著農(nóng)業(yè)智能化種植水平的不斷提高,無人機用于農(nóng)田施藥灌溉的領(lǐng)域不斷拓寬,其優(yōu)點在于能夠大大提升灌溉作業(yè)效率。早期一致認為,一定的平衡安全飛行高度可保證無人機噴藥的定量性。為了進一步掌握無人機在進行施藥過程中霧滴的變化規(guī)律及最大限度節(jié)約藥物使用量和噴藥的覆蓋率等,專家學者研究發(fā)現(xiàn),無人機的飛行高度和速度是主要制約因素之一,不同的速度變化會帶來不同的霧滴沉積分布,不同的高度變化會引起噴藥幅度的變化等等。為此,在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上,從無人機施藥系統(tǒng)的整體設(shè)計及控制原理角度出發(fā),對飛行高度和飛行速度造成的不同噴藥效果展開研究。

1 無人機原理及組成

農(nóng)用無人機在進行田間施藥作業(yè)時按照一定的軌跡順序進行,作業(yè)現(xiàn)場如圖1所示。無人機避免了人工大面積噴灌的弊端,旋轉(zhuǎn)的機翼可對作物的背光面起到一定的風力作用,致使噴灑的藥物能夠較為便利地達到,提高了整體的噴藥效率。其作業(yè)原理可簡要概述為:通過地面的監(jiān)控系統(tǒng)與無人機機體上的通信裝置進行控制調(diào)節(jié)(整體運作機理如圖2所示),無人機機體上裝載一系列的功能模塊,如通信控制、數(shù)據(jù)顯示與保存、命令控制等;飛行軌跡規(guī)劃模塊及相關(guān)算法則通過UDP通信至作業(yè)田間視景顯示模塊到達無人機裝置,無人機按照軌跡路徑指令進行噴灑作業(yè)。

圖1 無人機進行噴藥作業(yè)現(xiàn)場圖Fig.1 Working scene of the spraying of the unmanned aerial vehicle。

圖2 無人機進行施藥作業(yè)整體運作機理圖Fig.2 Whole operation mechanism of the UAV spraying working。

無人機的機體上加裝了安全感知和避讓系統(tǒng)及GPS定位,包含識別異常狀態(tài)的自動返程功能。表1為農(nóng)用噴藥無人機所應具備的核心性能參數(shù)。由表1可知:其作業(yè)幅寬及霧滴粒徑大小的形成,不僅與噴藥系統(tǒng)噴頭數(shù)量及噴出流量有關(guān),而且與無人機的作業(yè)速度和高度變化情況存在一定的內(nèi)部聯(lián)系。通常而言,高度設(shè)定的恰當性更為關(guān)鍵。

表1 農(nóng)用噴藥無人機核心性能參數(shù)Table 1 Core performance parameters of the agricultural drug spraying UAV。

續(xù)表1。

2 實施噴藥機理分析

2.1 理論模型建立

以無人機飛行施藥過程中流動的霧滴為研究對象,選取霧滴沉積密度、沉積覆蓋率和分布均勻度作為衡量噴藥效果好壞的衡量指標,列出噴藥機理的理論模型為

(1)

式中D—霧滴沉積密度;

n—收集到的霧滴沉積數(shù)量;

A—試驗用水敏紙張面積。

(2)

式中C—霧滴沉積覆蓋率;

S—霧滴沉積顆粒面積;

A—試驗用水敏紙張面積。

(3)

式中CV—霧滴沉積均勻度變異系數(shù);

SD—霧滴沉積顆粒標準差;

X—試驗采集到的平均霧滴數(shù)量。

霧滴沉積密度越大,表明無人機施藥在作物上的作用點越多,施藥范圍越廣;霧滴沉積覆蓋率越大,表明噴灑藥物與作物的接觸面積在增大,噴藥效果良好;霧滴沉積均勻度變異系數(shù)越小,表明噴灑區(qū)域霧滴分布情況均勻度越好。

無人機噴藥系統(tǒng)的智能化施藥作業(yè)控制流程如圖3所示。其中,PWM控制器作為實現(xiàn)關(guān)鍵控制的主要步驟,其上的數(shù)據(jù)采集卡通過兩路進行數(shù)據(jù)信息傳遞:一路經(jīng)驅(qū)動放大電路傳遞給噴藥執(zhí)行開關(guān),到達隔膜泵進行動作;另一路經(jīng)驅(qū)動放大電路傳遞給噴藥執(zhí)行機構(gòu)電動離心噴頭,進行感應動作,同時壓力、流量等信息將實時反饋給數(shù)據(jù)采集電路進行對比調(diào)控,實現(xiàn)精準施藥。

圖3 智能化控制的無人機噴藥系統(tǒng)設(shè)計框圖Fig.3 Design block diagram of UAV spraying system with intelligent control。

2.2 系統(tǒng)硬件配置

無人機施藥系統(tǒng)的硬件配置必須保證施藥的給藥、噴灑、關(guān)閉等環(huán)節(jié)動作銜接,其內(nèi)部控制的數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)如圖4所示。為保證信號識別處理的精準性,選擇ARM系列微處理裝置,由穩(wěn)壓電源給予不間斷供電。工作時,從田間獲取的信號經(jīng)輸入輸出接口進入信號前處理模塊,功率的放大與信號的分配起到分類整理作用,經(jīng)整定后分別經(jīng)數(shù)字、模擬信號端口輸出。

圖4 無人機控制內(nèi)部數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Data acquisition structure flowchart of UAV control system。

針對各硬件配置(如傳感器、穩(wěn)壓電源、濾波器等)需要進行規(guī)格選定,表2給出該系統(tǒng)用的位姿傳感裝置主要參數(shù)情況,以便準確獲得無人機在進行飛行施藥作業(yè)過程中轉(zhuǎn)角精度變化感應信息,為下一步軌跡調(diào)整做出參考和提示。

表2 無人機飛行系統(tǒng)位姿傳感器主要參數(shù)設(shè)置Table 2 Main parameters set of the posture sensor on the flight system of the unmanned aerial vehicle。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

無人機進行施藥作業(yè)時,其航行軌跡的規(guī)劃決定飛行噴灑的有序性和完整性,按照既定的規(guī)劃路徑可以最完整的設(shè)計狀態(tài)完成噴藥作業(yè)。噴藥高度及速度的設(shè)置融合在該系統(tǒng)的軟件控制后臺程序中,按照規(guī)劃飛行軌跡控制原理(見圖5),進行方向及曲率控制器的參數(shù)設(shè)置、加速度控制器及姿態(tài)與速度等控制器的正確連接和參數(shù)輸入,各控制參數(shù)須有序傳送至無人機本體,同時本體將反饋于各飛行軌跡控制裝置進行比較調(diào)整,形成實時性的閉環(huán)控制。

圖5 無人機飛行軌跡控制原理簡圖Fig.5 Control principle sketch of the UAV flight trajectory。

噴藥過程中,系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理較為龐大,外部體現(xiàn)的飛行高度設(shè)置和速度設(shè)置在飛行過程中不斷變化實現(xiàn),針對噴藥系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理須明確流程(如圖6),根據(jù)獲得的單位幀激光數(shù)據(jù)通過濾波處理和核心算法換算后得到機體可識別的控制指令,從而帶動無人機的飛行動作及噴藥動作機構(gòu)執(zhí)行。

圖6 無人機噴藥系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)處理流程簡圖Fig.6 Flow chart of data processing in the UAV spraying system。

3 實施噴藥效果試驗

3.1 條件設(shè)置

無人機噴藥試驗裝置如圖7所示。

進行無人機噴藥效果試驗,利用遠程遙控進行不同飛行高度和速度下的噴藥作業(yè),條件設(shè)置如下:①選擇溫度、濕度相對穩(wěn)定的田間環(huán)境;②靜風狀態(tài)下對飛行速度不造成干擾;③田間作物生長高度及地形保持較好的一致性;④無人機試噴藥過程信息暢通等。

3.2 過程分析

在相對濕度保持在55%、田間溫度保持在16℃的環(huán)境下,無人機的施藥流量控制在0.85L/min左右,噴嘴壓力設(shè)置為0.2MPa,各自保持飛行速度在0.5、0.7、0.9m/s,分別變換飛行高度為1.2、1.4、1.6m,結(jié)果如表3所示。

表3 無人機飛行噴藥試驗不同參數(shù)下的指標數(shù)據(jù)統(tǒng)計Table 3 Indicator statistics data for UAV flight spray test under different parameters。

續(xù)表3。

由表3可知:不同飛行高度的霧滴沉積覆蓋率平均為14.56%(H=1.2m)、14.20%(H=1.4m)、11.03(H=1.6m),整體呈現(xiàn)出下降趨勢,可見高度與速度不一定越快越好。

進一步對比數(shù)據(jù)可知:在無人機選擇飛行高度H=1.4m、飛行速度V=0.5 m/s組合參數(shù)下,該噴藥裝置可實現(xiàn)的霧滴沉積密度為中上等,可達72.2%,符合施藥要求;霧滴沉積覆蓋率為試驗組合中最大為26.9%,最終的霧滴粒徑分布均勻度達90%以上,為最佳施藥參數(shù)組合,后期經(jīng)Matlab軟件數(shù)據(jù)擬合也驗證了該結(jié)論。

4 結(jié)論

1) 通過了解無人機進行施藥作業(yè)的運作機理,分析噴藥的效果影響因素,建立了理論評價指標模型。同時,從無人機的噴藥系統(tǒng)控制環(huán)節(jié)入手,進行硬件裝置配備和軟件程序調(diào)控,形成整體性的無人機智能化噴藥作業(yè)系統(tǒng)。

2) 選取無人機飛行高度和飛行速度作為噴藥作業(yè)的變換參數(shù),內(nèi)部設(shè)定相關(guān)控制指令與程序,進行一定條件下的無人機噴藥試驗。

3) 試驗結(jié)果表明:霧滴沉積覆蓋由無人機飛行高度逐漸升高呈現(xiàn)出降低趨勢。同時,經(jīng)數(shù)據(jù)對比可知最佳飛行高度1.4m和飛行速度0.7m/s組合條件下無人機噴藥效果最佳,從而為進一步研究無人機噴藥作業(yè)提供參考。