農(nóng)用無人機(jī)噴灑系統(tǒng)研究

肖儒亮　何景峰　張廣楨

摘 要：本文首先分析了農(nóng)用無人機(jī)（unmanned aerial vehicle，UAV）的發(fā)展和優(yōu)勢，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種農(nóng)用無人機(jī)噴灑系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)以四旋翼無人機(jī)為平臺，利用無線傳輸技術(shù)最終實(shí)現(xiàn)噴灑系統(tǒng)的液位高度測量、液位臨界點(diǎn)報(bào)警、水泵自動(dòng)關(guān)閉等功能。

關(guān)鍵詞：農(nóng)用無人機(jī)； 噴灑系統(tǒng)；液位高度

中圖分類號：S251 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20160332029

1 農(nóng)用無人機(jī)優(yōu)勢

無人機(jī)（unmanned aerial vehicle，UAV）是一種機(jī)上無人駕駛的航空器，其具有動(dòng)力裝置和導(dǎo)航模塊，在一定范圍內(nèi)靠無線電遙控設(shè)備或計(jì)算機(jī)預(yù)編程序自主控制飛行[1]。20世紀(jì)初，無人機(jī)最先出現(xiàn)在美國，并被運(yùn)用在軍事上，經(jīng)過近百年的發(fā)展，無人機(jī)技術(shù)越來越成熟，并且被廣泛運(yùn)用在各個(gè)領(lǐng)域，尤其是農(nóng)業(yè)方面越來越多的出現(xiàn)無人機(jī)的蹤影。農(nóng)用無人機(jī)按結(jié)構(gòu)可以分為固定翼無人機(jī)、多旋翼無人機(jī)和無人直升機(jī)。按動(dòng)力分，分為電動(dòng)、油動(dòng)混合動(dòng)力無人機(jī)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，勞動(dòng)成本的提高，無人機(jī)越來越多的被用在農(nóng)藥噴灑、灌溉作業(yè)、森林滅火、電力尋線、水質(zhì)監(jiān)測等農(nóng)業(yè)方面。

我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，發(fā)展安全、節(jié)約、高效的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，也是我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個(gè)目標(biāo)。無人機(jī)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展中具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值，因此也成為當(dāng)前我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展中的迫切需求[2]。與固定翼、無人直升機(jī)相比，多旋翼農(nóng)用無人機(jī)在噴灑農(nóng)藥，液體肥料等方面有更大優(yōu)勢。其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

1.1 高效安全

與純手工相比，無人機(jī)噴灑效率提升近30倍，無人機(jī)灑藥平均每667m2只需2min，每天可噴灑20hm2，而人工每人每天僅能完成0.67hm2 [3]。人工打藥勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、天熱還容易中毒，無人機(jī)作業(yè)使人無需與藥物直接接觸，能夠有效解決安全問題。

1.2 霧化效果好

無人機(jī)飛行高度低、旋翼向下的巨大旋力推動(dòng)農(nóng)藥霧流對作物從上到下穿透、漂移少、霧化效果較好。與地面常規(guī)大容量噴霧相比，無人機(jī)低量噴霧的藥劑稀釋倍數(shù)減少了40倍，也即霧滴中的藥劑濃度提高了40倍[4]，藥物用量大大減少了，而霧化效果大大提高了。

1.3操作簡單靈活

多旋翼的最大特點(diǎn)是，操作簡單，易上手。多旋翼無人機(jī)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)非常對稱，飛機(jī)的重心在機(jī)身的幾何中心點(diǎn)，再加之，其有智能化飛行系統(tǒng)，所以飛機(jī)在空中姿態(tài)特別平穩(wěn)。多旋翼無人機(jī)由于能夠垂直起降、自由懸停，可適應(yīng)于各種速度及各種飛行剖面航路的飛行狀況[5]，具有很好的靈活性。

2 噴灑系統(tǒng)原理介紹

噴灑系統(tǒng)主要包括液位測量系統(tǒng)與無線電遙控系統(tǒng)。液位檢測系統(tǒng)檢測機(jī)載端液位高度，無線電遙控系統(tǒng)傳輸實(shí)時(shí)液位高度數(shù)據(jù)，在低液位時(shí)進(jìn)行低液位報(bào)警，并對水泵開閉進(jìn)行相關(guān)的控制[5]。當(dāng)飛機(jī)在遠(yuǎn)處進(jìn)行噴灑作業(yè)時(shí)，人的肉眼無法看到藥箱中藥物剩余量以及藥物是否噴盡。這時(shí)可以在藥箱中設(shè)置一個(gè)電容式液位測量傳感器，來實(shí)時(shí)檢測液位高度。被測量通過傳感器的檢測，把液位高度數(shù)據(jù)傳送給處理器，處理器將機(jī)載端的液位數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)發(fā)射端傳送到地面端數(shù)據(jù)接收端，數(shù)據(jù)接收端與地面遙控系統(tǒng)有線連接，地面系統(tǒng)通過無線電波控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開閉，從而達(dá)到對測量的控制。原理圖如圖1所示：

3 噴灑系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 噴灑系統(tǒng)液位測量控制

噴灑系統(tǒng)液采用8031處理器進(jìn)行控制，液位測量采用電容式液位傳感器。電容式傳感器是將被測非電量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化的一種傳感器[6]。主要包含1個(gè)測量電路，包括以下幾個(gè)模塊：信號發(fā)生模塊、接收采樣模塊、DSP處理模塊和時(shí)鐘模塊。測量的原理是：電容敏感元件的兩極浸沒在被測液體，隨著液面高度的變化而變化，從而引起對應(yīng)電容量的變化，最后將電容量變化轉(zhuǎn)化為對應(yīng)液位高度即可。

噴頭是帶有防滴功能的硬管和軟管全部兼容的內(nèi)走水噴頭，主體采用高強(qiáng)度尼龍，噴嘴采用銅制成，強(qiáng)度和韌性更好，同時(shí)可配備50目或80目高質(zhì)量不銹鋼過濾網(wǎng)，不易堵、霧粒細(xì)、霧化均勻，大大提高農(nóng)藥的利用率。

主體組成：該種噴頭由噴頭體、快接嘴、防隔膜、防滴帽、過濾網(wǎng)、密封墊、快拆帽、噴嘴等組成。更換或清洗噴嘴、過濾網(wǎng)時(shí)非常方便，只需將快拆帽擰動(dòng)1/4圈即可；噴嘴還可以任意調(diào)整噴灑角度。主體由高強(qiáng)度尼龍與銅組成，制作精良，經(jīng)久耐用。

霧化：由于噴嘴由銅制成，不僅經(jīng)久耐用不變形，而且銅噴嘴的制作工藝比傳統(tǒng)塑料噴頭可以做的更加精細(xì)，所以使得霧化效果更好。

流量：由于快接嘴使用的管徑6mm的銅制成，而傳統(tǒng)噴頭使用的管徑10mm尼龍制成。這樣的情況下，同樣容量的水，使用同樣的壓力，該噴頭的壓力更大，流量更小。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸控制

飛行數(shù)據(jù)處理采用疊加模塊（IOSD），與飛控系統(tǒng)配合使用，對飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，也可將噴灑系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加與傳送。

數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳送模塊包括2部分，圖傳發(fā)射極和圖傳接收極。發(fā)射極處于機(jī)載端，傳送飛行數(shù)據(jù)及噴灑系統(tǒng)液位高度數(shù)據(jù)，接收極處于地面端，兩者是通過無線電波進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送的。

無線遙控模塊包括遙控發(fā)射極和遙控接收極，通過無線電的來控制電子開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷，進(jìn)而控制水泵的通與斷，最終達(dá)到控制液位的目的。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

噴灑系統(tǒng)主要包括液位測量系統(tǒng)與無線電遙控系統(tǒng)。液位測量系統(tǒng)軟件以Arduino為開發(fā)環(huán)境，以C/C++為基礎(chǔ)語言。系統(tǒng)軟件總流程圖如圖3所示，第1條語句if （millis（）-fast_loopTimer >29）中的millis（）函數(shù)是在程序開始運(yùn)行進(jìn)入系統(tǒng)初始化時(shí)開始中斷等待，如果等待時(shí)間超過30ms時(shí)就會執(zhí)行下面全部程序，不滿足條件就會一直等待。初始化完成以后，然后系統(tǒng)會進(jìn)入系統(tǒng)參數(shù)檢測的子程序，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、讀取。如果系統(tǒng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)讀取不成功或者有誤，將會重新返回，進(jìn)行參數(shù)檢測，直至數(shù)據(jù)讀取成功為止。讀取的數(shù)據(jù)一方面通過無線電遠(yuǎn)程傳送，在顯示器上顯示液位高度，另一方面將讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)修改、儲存在FLASH中，返回到“中斷等待”，準(zhǔn)備下一次液位高度的讀取。其中，無線遙控系統(tǒng)主要是根據(jù)液位測量系統(tǒng)獲取的液位高度，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，即對水泵的遠(yuǎn)程控制，達(dá)到控制液位高度的目的。

5 結(jié)論與展望

實(shí)際作業(yè)中表明系統(tǒng)噴灑效果好，效率高。中國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)方式還未普及，再加之勞動(dòng)力的缺乏，給無人機(jī)在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用與推廣帶來了前所未有的機(jī)會。多軸無人機(jī)因其智能化程度高，飛行穩(wěn)定、操作簡單，在噴灑農(nóng)藥方面，受到人們的廣泛喜愛。由于其動(dòng)力的限制，使用鋰電作為動(dòng)力電池，所以續(xù)航時(shí)間有限（15～20min）。希望能找到一種混合動(dòng)力來替代純電動(dòng)動(dòng)力，來突破續(xù)航時(shí)間的限制。

參考文獻(xiàn)

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