農用無人機噴灑系統研究

肖儒亮　何景峰　張廣楨

摘 要：本文首先分析了農用無人機（unmanned aerial vehicle，UAV）的發展和優勢，在此基礎上設計了一種農用無人機噴灑系統。本設計以四旋翼無人機為平臺，利用無線傳輸技術最終實現噴灑系統的液位高度測量、液位臨界點報警、水泵自動關閉等功能。

關鍵詞：農用無人機； 噴灑系統；液位高度

中圖分類號：S251 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20160332029

1 農用無人機優勢

無人機（unmanned aerial vehicle，UAV）是一種機上無人駕駛的航空器，其具有動力裝置和導航模塊，在一定范圍內靠無線電遙控設備或計算機預編程序自主控制飛行[1]。20世紀初，無人機最先出現在美國，并被運用在軍事上，經過近百年的發展，無人機技術越來越成熟，并且被廣泛運用在各個領域，尤其是農業方面越來越多的出現無人機的蹤影。農用無人機按結構可以分為固定翼無人機、多旋翼無人機和無人直升機。按動力分，分為電動、油動混合動力無人機。隨著科學技術的發展，勞動成本的提高，無人機越來越多的被用在農藥噴灑、灌溉作業、森林滅火、電力尋線、水質監測等農業方面。

我國是一個農業大國，發展安全、節約、高效的精準農業是農業現代化的重要標志，也是我國農業發展的一個目標。無人機在精準農業發展中具有非常重要的應用價值，因此也成為當前我國現代化農業發展中的迫切需求[2]。與固定翼、無人直升機相比，多旋翼農用無人機在噴灑農藥，液體肥料等方面有更大優勢。其優點主要表現在以下幾點：

1.1 高效安全

與純手工相比，無人機噴灑效率提升近30倍，無人機灑藥平均每667m2只需2min，每天可噴灑20hm2，而人工每人每天僅能完成0.67hm2 [3]。人工打藥勞動強度大、效率低、天熱還容易中毒，無人機作業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

無人機飛行高度低、旋翼向下的巨大旋力推動農藥霧流對作物從上到下穿透、漂移少、霧化效果較好。與地面常規大容量噴霧相比，無人機低量噴霧的藥劑稀釋倍數減少了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

多旋翼的最大特點是，操作簡單，易上手。多旋翼無人機的飛機結構非常對稱，飛機的重心在機身的幾何中心點，再加之，其有智能化飛行系統，所以飛機在空中姿態特別平穩。多旋翼無人機由于能夠垂直起降、自由懸停，可適應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 噴灑系統原理介紹

噴灑系統主要包括液位測量系統與無線電遙控系統。液位檢測系統檢測機載端液位高度，無線電遙控系統傳輸實時液位高度數據，在低液位時進行低液位報警，并對水泵開閉進行相關的控制[5]。當飛機在遠處進行噴灑作業時，人的肉眼無法看到藥箱中藥物剩余量以及藥物是否噴盡。這時可以在藥箱中設置一個電容式液位測量傳感器，來實時檢測液位高度。被測量通過傳感器的檢測，把液位高度數據傳送給處理器，處理器將機載端的液位數據通過數據發射端傳送到地面端數據接收端，數據接收端與地面遙控系統有線連接，地面系統通過無線電波控制執行機構的開閉，從而達到對測量的控制。原理圖如圖1所示：

3 噴灑系統硬件設計

3.1 噴灑系統液位測量控制

噴灑系統液采用8031處理器進行控制，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化為電容量變化的一種傳感器[6]。主要包含1個測量電路，包括以下幾個模塊：信號發生模塊、接收采樣模塊、DSP處理模塊和時鐘模塊。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，從而引起對應電容量的變化，最后將電容量變化轉化為對應液位高度即可。

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

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

霧化：由于噴嘴由銅制成，不僅經久耐用不變形，而且銅噴嘴的制作工藝比傳統塑料噴頭可以做的更加精細，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 數據傳輸控制

飛行數據處理采用疊加模塊（IOSD），與飛控系統配合使用，對飛行數據進行疊加，也可將噴灑系統的實時數據進行疊加與傳送。

數據遠程傳送模塊包括2部分，圖傳發射極和圖傳接收極。發射極處于機載端，傳送飛行數據及噴灑系統液位高度數據，接收極處于地面端，兩者是通過無線電波進行實時數據傳送的。

無線遙控模塊包括遙控發射極和遙控接收極，通過無線電的來控制電子開關的導通與關斷，進而控制水泵的通與斷，最終達到控制液位的目的。

4 系統軟件設計

噴灑系統主要包括液位測量系統與無線電遙控系統。液位測量系統軟件以Arduino為開發環境，以C/C++為基礎語言。系統軟件總流程圖如圖3所示，第1條語句if （millis（）-fast_loopTimer >29）中的millis（）函數是在程序開始運行進入系統初始化時開始中斷等待，如果等待時間超過30ms時就會執行下面全部程序，不滿足條件就會一直等待。初始化完成以后，然后系統會進入系統參數檢測的子程序，對數據進行處理、讀取。如果系統系統的數據讀取不成功或者有誤，將會重新返回，進行參數檢測，直至數據讀取成功為止。讀取的數據一方面通過無線電遠程傳送，在顯示器上顯示液位高度，另一方面將讀取的數據進行參數修改、儲存在FLASH中，返回到“中斷等待”，準備下一次液位高度的讀取。其中，無線遙控系統主要是根據液位測量系統獲取的液位高度，對執行機構進行控制，即對水泵的遠程控制，達到控制液位高度的目的。

5 結論與展望

實際作業中表明系統噴灑效果好，效率高。中國是一個農業大國，農業機械化生產方式還未普及，再加之勞動力的缺乏，給無人機在農業方面的應用與推廣帶來了前所未有的機會。多軸無人機因其智能化程度高，飛行穩定、操作簡單，在噴灑農藥方面，受到人們的廣泛喜愛。由于其動力的限制，使用鋰電作為動力電池，所以續航時間有限（15～20min）。希望能找到一種混合動力來替代純電動動力，來突破續航時間的限制。

參考文獻

[1] Adem C，Vincent G，Everett A. Unmanned Air-craft System in Romote Sensing and Scientific Research：Classifcation and considerations of Users[J].Romote Sensing ，2012（4）：1671-1692.

[2]檀律科，何志文，薛新宇等.美國農用無人機的發展困境及啟示[J] ，浙江農業科學，2014（11）： 1660-1664.

[3]阮曉東.農用無人機現代農業的助航者[J]，新經濟導刊， 2015（4）： 66-70.

[4]岳基隆，張慶杰，朱華勇.微小型四旋翼無人機研究進展及關鍵技術淺析[J].電光與控制，2010（10）：47-51.

[5]高圓圓. 無人直升機（UAV）低空低容量噴灑農藥霧滴在禾本科作物冠層的沉積分布及防治效果研究[D]. 東北農業大學， 2013：1-5.

[6]招慧玲，周美娟， 胡遠忠.電容式液位傳感器的設計[J].傳感器技術，2004（3）：40-42.