基于植保無人機(jī)近地面施藥技術(shù)的研究*

王丹丹，杜 雪，李宏杰

（1.上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子技術(shù)與工程學(xué)院，上海 201411；2.安陽工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，河南 安陽 454000；3.哈爾濱工程大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 151000）

0 引言

農(nóng)作物在生長過程中經(jīng)常遭到病蟲災(zāi)害的威脅，病蟲災(zāi)害成為了抑制農(nóng)作物產(chǎn)量的一個(gè)重要問題。除蟲、除草、灌溉等一系列植保工作是農(nóng)作物從播種到豐收的必經(jīng)過程，因此，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)植保方式對于老年人來說是一種負(fù)擔(dān)。由于低效率的勞動(dòng)力和危險(xiǎn)性較大農(nóng)藥噴灑的工作已不適合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，噴霧性農(nóng)藥的缺點(diǎn)也越來越明顯。為了更有效、更科學(xué)地進(jìn)行農(nóng)藥噴灑，新的植保方式脫穎而出。早在20 世紀(jì)初期，美國、日本、德國、荷蘭等一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)研發(fā)了一些農(nóng)業(yè)自動(dòng)化設(shè)備，一臺(tái)設(shè)備能達(dá)到人工效率的數(shù)十倍。無人機(jī)（UAV）[1-3]具有高效率運(yùn)行、可垂直起降、安全性能高、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以很好地完成農(nóng)業(yè)信息收集和殺蟲劑散發(fā)工作，工作人員也可以通過間接接觸來控制工作。使用無人機(jī)噴灑農(nóng)藥具有很多優(yōu)點(diǎn)，如藥水在螺旋槳產(chǎn)生的下旋力作用下霧化得更均勻，霧化后藥水附著率可達(dá)99%，有效降低化學(xué)污染。所以，植保無人機(jī)噴灑農(nóng)藥技術(shù)的研究勢在必行。使用人工背負(fù)式噴藥機(jī)噴灑農(nóng)藥和使用無人機(jī)噴灑農(nóng)藥的作業(yè)場景分別如圖1和圖2所示。

圖1 人工背負(fù)式噴藥機(jī)噴灑農(nóng)藥

圖2 無人機(jī)噴灑農(nóng)藥

在搜索引擎上檢索，課題組發(fā)現(xiàn)最早在2006 年的新聞中就已經(jīng)出現(xiàn)了“農(nóng)業(yè)+無人機(jī)”的組合，2009年就出現(xiàn)了植保無人機(jī)的提法。2017年，農(nóng)業(yè)部聯(lián)合財(cái)政部等發(fā)布農(nóng)機(jī)購置補(bǔ)貼通知，引導(dǎo)植保無人飛機(jī)（亦稱農(nóng)用遙控飛行噴霧機(jī)）技術(shù)開發(fā)和規(guī)范應(yīng)用，助力農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展。國外對植保無人機(jī)的應(yīng)用很早，美國、日本等國家應(yīng)用農(nóng)業(yè)航空產(chǎn)品的時(shí)間超過30 年，最近幾年農(nóng)業(yè)無人機(jī)的滲透率更是達(dá)到了50%以上。

為了減輕農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度，預(yù)防害蟲和疾病，使用無人機(jī)噴灑殺蟲劑成為了現(xiàn)代植物保護(hù)作業(yè)不可缺少的部分。我國開展植保無人機(jī)的研究相對較晚，但基于中國農(nóng)業(yè)強(qiáng)國的特點(diǎn)，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)及植保無人機(jī)導(dǎo)航技術(shù)[4-6]正處于飛速發(fā)展階段。同時(shí)，中國的農(nóng)航開發(fā)也根據(jù)全國各地農(nóng)耕地不同而進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)推進(jìn)了“多機(jī)型和多種運(yùn)營方法”。針對精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)及植保無人機(jī)導(dǎo)航技術(shù)落后等問題，課題組設(shè)計(jì)了一臺(tái)操作簡單的小型植保無人機(jī)，重點(diǎn)介紹了飛行姿態(tài)控制算法[7-9]，并采用模糊PID 控制算法進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)[10]，通過調(diào)整參數(shù)，得到較為穩(wěn)定的飛行器姿態(tài)參數(shù)，表明了該算法用于植保無人機(jī)姿態(tài)估計(jì)的可行性及穩(wěn)定性。

1 植保無人機(jī)飛行動(dòng)力學(xué)分析

無人機(jī)的電機(jī)電壓與力矩方程：

無人機(jī)所選用的電機(jī)較小，所以電感也比較小，可忽略不計(jì)，將式（1）簡化為：

電機(jī)動(dòng)力學(xué)方程改寫為：

選用三相無刷直流電動(dòng)機(jī)，當(dāng)線路接通后接收機(jī)接到遙控器發(fā)射的控制量后，電機(jī)會(huì)隨著不同的指令進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)整，使無人機(jī)達(dá)到預(yù)期的飛行姿態(tài)。

2 模糊PID控制算法

當(dāng)植保無人機(jī)執(zhí)行噴灑任務(wù)時(shí)，其自身質(zhì)量會(huì)不斷減小，無人機(jī)執(zhí)行的是變載荷飛行；本研究選用模糊PID 控制算法，通過設(shè)置PID 參數(shù)來控制無人機(jī)在變載荷時(shí)依然能夠平穩(wěn)地進(jìn)行植保作業(yè)，并對無人機(jī)飛行姿態(tài)進(jìn)行了相應(yīng)仿真實(shí)驗(yàn)。

模糊PID 控制算法，將誤差和誤差的變化率作為整個(gè)系統(tǒng)輸入的值，控制原理框圖如圖3 所示。圖中，表示系統(tǒng)的輸入值，表示系統(tǒng)響應(yīng)的輸出值。

圖3 模糊PID 控制原理框圖

2.1 模糊PID控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

定義輸入、輸出變量論域的模糊子集及其隸屬函數(shù)，如表1所示。

表1 輸入、輸出變量論域及其隸屬函數(shù)

通過以上設(shè)計(jì)的模糊控制規(guī)則表和輸入、輸出變量論域的模糊子集及其隸屬函數(shù)，即可建立模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

2.2 模糊PID控制系統(tǒng)的仿真

利用Matlab 對植保無人機(jī)的飛行姿態(tài)進(jìn)行模糊PID 控制仿真，輸入相應(yīng)指令后便可得到模糊PID 控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真環(huán)境，實(shí)時(shí)變化的誤差e和de兩個(gè)輸入值通過模糊推理對PID 三個(gè)控制參數(shù)進(jìn)行查表、計(jì)算、整定之后并計(jì)算當(dāng)前的KP、KI、KD值以達(dá)到對PID 控制參數(shù)進(jìn)行在線自動(dòng)修正的目的。其模擬仿真流程圖如圖4 所示。

圖4 模擬仿真流程圖

根據(jù)以上內(nèi)容確定模糊推理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，本設(shè)計(jì)的模糊推理結(jié)構(gòu)由輸入e和de以及輸出KP、KI、KD構(gòu)成，編輯后的變量?？騾^(qū)如圖5所示。

圖5 編輯后的變量模框區(qū)

建立植保無人機(jī)模糊PID 控制系統(tǒng)的Simukink仿真模型，如圖6所示。

圖6 利用模糊邏輯控制器建立的仿真模型

將設(shè)計(jì)好的FIS 文件導(dǎo)入模糊邏輯控制器中，運(yùn)行仿真得到的結(jié)果如圖7所示。

圖7 俯仰角階躍響應(yīng)

由圖7 可知，σ=0.38，td=0.115 s，tr=0.4 s，ts=0.9 s，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差較小，這足以說明模糊PID控制對時(shí)變載荷下的植保無人機(jī)控制系統(tǒng)具有很好的調(diào)控性。

2.3 經(jīng)典PID控制與模糊PID控制的對比分析

為了更直觀地分析出經(jīng)典PID 和模糊PID 作用于變載荷植保無人機(jī)下的優(yōu)劣勢，將二者都應(yīng)用于飛行控制系統(tǒng)當(dāng)中進(jìn)行仿真，通過示波器仿真圖形進(jìn)行對比分析，經(jīng)典PID 和模糊PID 控制器分別作用到控制系統(tǒng)當(dāng)中時(shí)輸出的仿真圖形如圖8所示。

由圖8 可以看出，在植保作業(yè)剛開始時(shí)經(jīng)典PID控制與模糊PID 控制輸出相差無幾，但是隨著植保作業(yè)的進(jìn)行，藥液的重量在不斷減少，隨著控制輸入的變化經(jīng)典控制沒有進(jìn)行更好的實(shí)時(shí)調(diào)整輸出，出現(xiàn)了振蕩的情況。模糊PID 控制隨著控制輸入的變化在之前設(shè)定好的模糊控制規(guī)則當(dāng)中進(jìn)行自運(yùn)算，很好地控制輸出，依然能保證無人機(jī)平穩(wěn)飛行，使植保無人機(jī)與植物保持一定的相對高度并進(jìn)行噴灑作業(yè)。經(jīng)典PID控制和模糊PID控制性能參數(shù)如表2所示。

圖8 仿真結(jié)果對比

表2 經(jīng)典PID 控制與模糊PID控制仿真結(jié)果對比

由上表所示參數(shù)可以分析得到：模糊PID 控制算法能夠有效地控制無人機(jī)的飛行姿態(tài)，且有效地控制植物和無人機(jī)之間的相對高度。

3 噴灑裝置的結(jié)構(gòu)

藥箱、水泵、噴霧泵、噴霧頭和軟管構(gòu)成噴霧系統(tǒng)，藥液從注入口流入，水泵開啟后，藥液過軟管流入藥液注入口，然后通過水泵加壓，在出口噴出藥液。水管進(jìn)入轉(zhuǎn)換器，將水流分成兩股，并分別連接兩根軟管使噴頭對作物進(jìn)行噴灑作業(yè)。噴灑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。

圖9 噴灑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

使用遙控器控制噴灑裝置的開和關(guān)，其控制原理如圖10所示。

圖10 電子開關(guān)控制原理

噴灑泵選用的是BPG 蠕動(dòng)泵，具有體積小、噪聲小、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，蠕動(dòng)泵的進(jìn)水口接藥箱（150 mL），出水口接一個(gè)三通用來分流，用BPT 軟管連接三通和噴頭。當(dāng)接收到開關(guān)信號時(shí)隔膜泵開始工作，隔膜泵工作時(shí)內(nèi)部抽成真空，形成壓力以達(dá)到形成噴霧效果，隔膜泵的流量約為15 mL/min，藥液可以連續(xù)噴灑10 min左右。

4 植保無人機(jī)的組裝與測試

對組裝好的植保無人機(jī)進(jìn)行植保作業(yè)測試，選擇好一塊田地之后規(guī)劃噴灑路徑，然后進(jìn)行施藥。植保無人機(jī)在植保作業(yè)過程中有效防止了漏噴、誤噴和重噴的不良現(xiàn)象，并且飛行穩(wěn)定，飛行與噴灑效果達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。植保無人機(jī)進(jìn)行噴灑農(nóng)藥測試實(shí)景如圖11所示。

圖11 植保無人機(jī)進(jìn)行植保作業(yè)

課題組對植保無人機(jī)的整體部件進(jìn)行選型、安裝與調(diào)試，通過查閱資料選擇植保無人機(jī)的各個(gè)模塊，然后進(jìn)行安裝測試。通過植保作業(yè)過程可以看出，課題組設(shè)計(jì)安裝的植保無人機(jī)完全能夠勝任農(nóng)藥噴灑作業(yè)，并且穩(wěn)定性好，沒有出現(xiàn)漏噴、重噴等現(xiàn)象。