植保无人机变量喷雾自动控制系统的设计

植保无人机变量喷雾自动控制系统的设计摘要:先进的航空施药技术有利于实现农作物病虫害的统防统治，提高农业资源利用率，实现精准喷施作业。

采用无人机进行农药喷洒具有运营成本低、作业调度灵活、药液飘移量少、雾滴穿透性强等特点，逐步成为航空植保的重要发展方向。

但无人机运行的稳定性易受气象条件的干扰，影响作业效果。

而无人机喷药控制技术是针对作业过程中受到的外界干扰及作业要求的变化对喷施量做出实时调整的一种精准施药技术。

因此本文针对多旋翼植保无人机的微型隔膜水泵，基于飞思卡尔K60单片机设计了一套可随无人机作业速度实时调控喷雾流量的水泵控制系统，以保证无人机植保精准、高效的施药效果。

关键词：控制系统精量植保无人机中图分类号：0 引言我国关于农作物病虫害的防治依然是以化学农药防治手段为主。

利用无人机进行植保作业是传统人工作业效率的20~30倍，相比地面大型植保机械，其作业成本更低，更加节省农药，作业调度也更加灵活。

但无人机作业极易受到气象条件的干扰，影响机体运行的稳定性从而影响施药效果。

且无人机旋翼产生的下洗气流场在促进作物冠层叶片扰动的同时也造成了大量小体积农药液滴的漂移和蒸发，造成农药的浪费。

无人机植保作业的作业幅宽及药液沉积分布规律也会随着当天的气象条件而变化，这就对无人机运行的线路规划提出难题，若规划不合理，则会严重影响施药的均匀性，造成漏喷和重喷。

因此本文提出一种无人机喷量控制系统，以实现农药的精量、均匀的喷施，提高农药的利用率。

1变量喷雾控制技术国内外研究现状1.1基于GPS、GIS技术的喷量控制方式采用这种控制方式进行作业时，机具根据卫星定位系统（GPS）得出当前作业机具的坐标，并读取出作业处方地图中相应坐标位置的施药量处方，进而对喷雾系统的喷药量进行控制，达到目标施药量，其中GPS精度是保证作业效果的关键。

1.2基于实时传感技术的喷量控制方式这种控制方式主要依赖于各种传感器，来获得农作物病虫草害分布及密度信息。

经计算机分析处理后生成目标喷量发送给喷雾控制单元进行变量喷雾。

目前这种系统在国外已有较为成功的应用，并且提出了许多用于杂草识别、决策控制的算法，积累了较多的相关理论[1]。

1.3调节流量的变量喷雾技术对流量直接调节的变量喷雾技术有PWM流量调节方式、喷雾泵变频控制方式以及变量喷头[2]与组合式喷头控制方式。

Gile DK等1996开发了脉宽调制(PWM)喷头应用于车载农药喷雾装备。

在脉宽调节控制方式下，通过调节喷头的启闭时间来调节喷雾流[3]。

Tian L等用建模的方法研究了PWM喷头工作过程中的雾滴沉积分布情况[4]。

King BA与1996年开发了一种可变流量的喷头，通过调节位于喷头内的移动销，调节喷头开口面积，从而调节喷头流量[5]。

1.4药液浓度调节式变量喷雾技术药液浓度调节式变量喷雾技术主要分为药剂注入式[6]的变量喷雾技术和药剂与水并列注入式的变量喷雾技术。

Rockwell和Ayers的研究结果表明，与前面在喷杆上注入药剂的注入式系统相比，在喷头处注入药剂能有效减少滞后时。

测得对于一个阶跃输入，输出从10％到90％所需要的平均时间是3.8s。

邵陆寿等采用2个步进电机设计出药剂和水并列注入式变量喷雾控制系统，其中一个电机带动进水泵来控制进水量，另一个用来控制进药量，并设计相应的模糊控制器实现对药液浓度的控制[7]。

对于无人机植保作业，其运行速度是地面喷雾机械的数倍，因此若要实现空中变量喷雾技术，就要求控制系统具有更加灵敏的反应速度，因此，基于GPS和GIS技术预先绘制田间处方图的变量喷雾技术采用调节流量的变量喷雾方式更加适用于无人机植保作业。

2变量喷雾控制系统的设计2.1系统的组成及工作原理系统主要由运行速度信息采集模块、单片机、水泵电机调速器、水泵、流量传感器等组成。

工作原理是当无人机进行作业时，速度信息采集装置获取无人机移动速度，并将速度信息通过电信号传递给单片机，单片机获取并储存速度信号，由内部计算程序进行计算，得出当前速度下所需要输出的流量，并将流量输出量转化成脉冲信号传递给水泵电机调速器，电机调速器根据传输来的脉冲信号转化成PWM信号控制水泵电机的转速，从而控制水泵输出流量。

水泵输出流量再由流量传感器进行采集，并将水泵流量转化成电信号传输给单片机，单片机对实际流量和目标流量值进行对比，进行pid调控。

这样就水泵控制系统就构成了一个完整的闭合回路，使流量可以准确、迅速到达所需值，工作流程如图1所示。

图1精量控制系统工作流程图2.2系统各部件的选择及功能的实现2.2.1无人机运行速度获取功能无人机运行速度采用加速度传感器对无人机实时加速度进行采集，并通过通过对加速度积分运算求出速度值，如式1。

v=∫a（t）dt （1）式中v--速度（m/s），a--加速度(m/s2)，t--时间(s)。

2.2.2无人机水泵流量自动调控功能水泵流量控制功能的实现是基于飞思卡尔k60单片机作为主控制器，其体积小，运算速度快，可满足变量控制的要求如图2所示。

对水泵电机的调节装置选用无人机常用的无刷电调如图3所示。

图2 飞思卡尔k60单片机图3 电子调速器首先通过水泵电机控制试验测得电调控制水泵电机所用的占空比与对应输出流量间的关系为：C=-0.2703W3+0.6536W2-0.2059W+0.5145 （2）式中c--占空比，W--系统流量（L/min）。

系统所需流量与相关影响因素的关系为：（3）式中w--系统所需流量(L/min)，v--无人机运行速度(m/s)，L--每亩喷量(L)，H--作业高度(m)， --喷头雾锥角，S--喷头间距（m），N--喷头数量（个）因亩喷量、作业高度、喷头雾锥角、喷头间距、喷头数量等参数可在作业前确定，因此将公式3中这些参数及常数提取即得到一常量P为：（4）因此可构建出运行速度与电调占空比间的关系为：C=-0.2703（vp）3+0.6536（vp）2-0.2059（vp）+0.5145 （6）将该计算模型写入单片机，即可实现根据实时的运行速度调节水泵的流量。

为了减小系统控制输出流量与目标流量间的误差，本文加入流量传感器将实时采集系统流量信号反馈给单片机，通过与目标流量进行对比，将差分信号再次传输给电调，控制水泵进行流量的补偿，构成一个完整的闭环流量控制系统，提高控制精度。

2.2.3 参数输入及可视化功能为了使本控制系统适用于不同结构的无人机在不同的作业条件下使用，本文为控系统设计了参数输入功能，在控制面板上增加了10物理按键，以实现喷嘴型号、喷头数量、喷头安装间距、喷雾高度、目标亩施药量等参数的输入。

并安装了显示模块以便于参数输入的可视化。

最终控制面板如图5所示。

图5 核心控制面板3.结论本文设计了一套基于多旋翼植保无人机的流量自动控制系统，可以根据无人机运行速度的变化自动调控水泵电机转速，从而实现对水泵流量的自动控制。

可提高在确定单位面积施药量后的喷施精度和喷施均匀性。

本系统可以减少无人机植保作业过程中由于操作误差及外界环境因素影响下造成的单位面积喷施量不精确的不良影响，大大降低操作难度，提高作业精度，在满足作业要求的同时可以提高作业效率。

参考文献1.Kevin Gillis P, Giles D Ken, Slaughter David C, et a1.Injection and fluid handing system for machine-vision controlled spraying. 2001 ASAE Meeting, Paper 011114.2.Alvin R Womae, D Bui. Development of a variable flow rate fan spray nozzle for precision chemical application.2001 ASAE Annual International Meeting,2001.3.Giles D,Henderson G W Funk k Dital control of flow rate and spray droplet size from agricultural nozzles for precision chemical application.1996.In Precision Agriculture,Proc.3rd Int.Conference,729-738.4.Tian L, Zheng J Q. Dynamic deposition PaRem simulation of modulated spraying[J].Trans of the ASAE,2000,43(1):5-10.5.King B~Kineaid D C. Variable flow sprinkler for site specific water and nutrientmanagement,1996 ASAE Annual International Meeting,1996.6.Tompkins F D, Howard K D, Mote C R. Boom Flow Characteristics with Direct ChemicalInjection[J].Trans. ASAE,1990,33(3):737—743.7.邵陆寿.基于模糊控制的变量施药控制系统[J].农业机械学报,2005,36(11):110-112.。