有人直升機變量施藥控制系統的設計與試驗

張瑞瑞，李 楊，伊銅川，陳立平

(1.國家農業智能裝備工程技術研究中心，北京 100097；2.北京農業智能裝備技術研究中心，北京 100097)

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有人直升機變量施藥控制系統的設計與試驗

張瑞瑞1,2，李 楊1,2，伊銅川1,2，陳立平1,2

(1.國家農業智能裝備工程技術研究中心，北京 100097；2.北京農業智能裝備技術研究中心，北京 100097)

為了實現航空施藥作業時施藥量的變量控制，設計了一種用于有人直升機的變量施藥控制系統。系統能根據施藥直升機飛行速度的變化情況，自動調整施藥管道內的施藥量，從而實現單位面積施藥量保持不變。試驗結果表明：當直升機飛行速度小于160km/h時，實際施藥量和設定施藥量之間的誤差保持在10%以內。

有人直升機；變量施藥；控制系統；STM32

0 引言

航空施藥作業是農業航空服務最主要的作業項目。近年來，隨著精準農業技術手段(如 GPS自動導航、施藥自動控制系統及各種作業模型)的逐步應用，施藥作業變得更加精準、高效，對環境的污染也在不斷降低[1-3]。

目前，國外已經有商用化的航空變量施藥控制系統在售，如加拿大AG-NAV公司型號為AG-FLOW的導航控制設備，它能夠實時顯示噴藥地塊、路線及施藥量等[4]。Adapco公司生產的Wingman GX具有較大的使用范圍，可以提供基本的飛行指導、飛行記錄及噴灑流量控制等功能，并且能夠實時通過氣象傳感器系統接收和處理氣象信息，從而減少了噴灑過程中農藥在非靶標作物上的飄移量，最大程度地優化噴灑質量[5]。

我國農業航空施藥技術近年來得到了快速發展，但仍與發達國家存在較大差距。目前，國內許多科研人員對于航空施藥導航和控制的研究主要集中在無人機的平臺上，國內尚沒有學者針對有人直升機的施藥量控制裝置展開研究[6-8]；國內基于有人直升機的施藥作業均采用的是無差別施藥，其施藥量在每個作業區域都是相同的，在一定程度上造成了農藥浪費，或造成需藥量多的區域藥量不足，達不到施藥效果。

國外變量施藥裝備價格昂貴，且難以進行二次開發，直接引進國外現有的變量施藥設備，由于缺乏對各類機型的實際施藥參數進行測試，無法滿足國內有人直升機機施藥作業的需求[9]。

為此，本文在消化吸收國外變量施藥控制系統技術的基礎上，結合我國有人直升機施藥的實際情況，研發了一套適合有人直升機的變量施藥控制系統，并對系統的控制效果進行了試驗研究。

1 系統設計

1.1 總體設計

圖1為本文所設計的航空施藥變量控制系統框圖。其采用STM32作為系統的主控制器，主要完成飛機飛行速度和施藥流量的采集和計算、按鍵輸入模塊和電動球閥的驅動、顯示器的實時顯示及控制算法的實施；GNSS模塊用來測量施藥過程中飛機的飛行速度；流量傳感器選用口徑為DN25的渦輪流量計，用來實現施藥管道內瞬時流量的采集；顯示器用來顯示用戶通過按鍵輸入模塊設定的作業幅寬、單位面積施藥量的修改過程，并能實時顯示施藥飛機的實際瞬時施藥量；電動球閥驅動器根據主控制器發出的控制信號，調節電動球閥的開度，實現施藥管道中流量的實時調節；數據存儲模塊選用SD卡，用來實現施藥過程中設定的作業幅寬、設定施藥量、瞬時流量及實際施藥量等數據的存儲，便于后續對數據進行分析。

1.2 控制算法

圖2為本文所設計的航空變量施藥控制系統的控制方案流程圖。該方案的控制目標為：在一定速度范圍內，無論施藥飛機的飛行速度是恒定還是變化，系統自動使實際施藥量與設定施藥量之間的誤差保持在10%以內。

圖1 變量施藥控制系統結構圖

圖2 控制方案流程圖

1.3 控制方案設計

1)瞬時流量的計算。瞬時流量q通過流量傳感器輸出脈沖進行計量，其與脈沖頻率之間的關系可以描述為

(1)

其中，f為流量傳感器輸出脈沖的頻率(Hz)；k為傳感器的儀表系數，由生產廠家提供(1/L)；q為藥液的瞬時流量(L/h)。

2)實際施藥量計算。飛機在施藥過程中的飛行速度，通過機載的GNSS模塊輸出的信息，提取得到飛機的實時飛行速度v(km/h);通過按鍵輸入模塊設定飛機施藥作業的作業幅寬d(m)、單位面積的設定施藥量Qs(L/hm2)。根據設定參數計算得到實際施藥量Qv(L/hm2)，實際施藥量可表示為

(2)

其中，d為施藥的作業幅寬(m)；v為施藥飛機的飛行速度(km/h)；

根據施藥過程中的實際要求，當實際施藥量Qv大于設定施藥量Qs時，通過施藥控制器，調節三通球閥的開度使施藥管道內流量減小；當實際施藥量Qv小于設定施藥量Qs時，通過施藥量控制器，調節三通球閥的開度使施藥管道內流量增加，從而實現實際施藥量和設定施藥量保持一致的目的。

1.4 軟件設計

航空施藥變量控制系統的軟件設計主要包括數據采集、數據處理、LED顯示和按鍵設定4個部分。其中，數據采集部分主要完成GPS速度信號和流量傳感器信號的提取；然后通過數據處理模塊對流量傳感器采集的信號進行濾波等預處理，根據按鍵設定的作業幅寬、設定施藥量及飛機飛行速度計算出單位面積的施藥量；然后通過球閥驅動器調節電動球閥的開度，使實際施藥量和設定施藥量保持一致；最后，通過LED顯示模塊將實際的施藥量進行實時顯示。軟件系統結構圖如圖3所示。

圖3 軟件系統結構圖

2 模塊設計

系統包含電源、主控制器、按鍵輸入、顯示器和電動球閥驅動5個主要模塊。

2.1 電源模塊

球閥驅動器和流量傳感器供電電壓均為24V，因此采用飛機上的DC24V電瓶進行供電；通過LM2695將24V轉換為12V給顯示器和電動球閥驅動電路供電；選用MP2359將12V電壓首先轉換成5V，再通過ASM1117-3.3V芯片得到3.3V電壓，給單片機系統、SD卡和GPS模塊供電。

2.2 主控制器模塊

系統選用STM32F103RCT6作為主控制器，其最小系統原理圖如圖4所示。主控制器通過內置PWM模塊采集流量傳感器輸出的脈沖信號，根據測得的脈沖信號計算出施藥管道內的瞬時流量；結合按鍵輸入模塊設定的作業幅寬和設定施藥量，實現對實際施藥量的調節。

圖4 主控制器原理圖

2.3 按鍵輸入模塊

圖5為本系統設計的按鍵輸入面板實物圖。 其中，“+”和“-”按鈕用來實現對幅寬和設定施藥量的修改操作；設定按鈕用來實現設定施藥量、作業幅寬和實際施藥量的切換，系統啟動后默認顯示設定施藥量。

圖5 按鍵輸入面板

2.4 顯示器模塊

選用4位數碼管顯示屏，來對直升機作業過程中設定的作業幅寬、設定施藥量和實際施藥量進行顯示，數碼顯示屏與主控制器STM32之間采用RS485通訊協議進行通訊。

2.5 球閥驅動模塊

系統選擇博力謀公司生產的NRQU24-SR快速調節型球閥驅動器，來實現三通球閥的開度控制，從而達到調節施藥管道內施藥量的目的。NRQU24-SR球閥驅動器供電電壓為12V，控制信號為0～10V直流電壓。由于STM32 DAC輸出的電壓范圍為0～3.3V，因此需要設計電壓放大跟隨電路將STM32輸出的0～3.3V電壓信號轉化為0～10V電壓信號。為此，本文選用LM358作為運算放大器，首先將STM32輸出的電壓信號放大3倍，然后通過電壓跟隨器提高控制信號的帶負載能力。圖6為所設計的球閥驅動器控制信號的電路原理圖。

圖6 控制信號電路原理圖

3 試驗結果與分析

3.1 試驗設計

為了驗證本文所設計變量施藥系統控制的可行性及實際效果，在實驗室內搭建了一套變量施藥控制系統，如圖7所示。

圖7 試驗裝置

有人直升機在施藥作業時，作業幅寬范圍為20～50m，飛行速度范圍為90～160km/h。由公式(2)可得：當作業幅寬和設定施藥量固定時，飛機的飛行速度與流量傳感器輸出的脈沖頻率成正比關系，而脈沖頻率又跟實際施藥量成正比關系。因此，通過測量變量施藥系統在不同速度情況下實際施藥量的變化情況，來驗證系統的實際性能。具體的實驗步驟為：設定作業幅寬為30m，施藥量為6.0L/hm2，然后分別測量速度為90、110、120、160km/h條件下實際施藥量的變化情況。試驗過程中，為了保證實驗結果的嚴謹性與可靠性，同一速度下重復測量3次，取3次測量結果的平均值作為有效值，試驗過程中數據的記錄頻率為1Hz。

3.2 試驗結果分析

表1給出了在不同試驗速度下測量得到的設定施藥量、實際施藥量及二者之間的相對偏差。從表1所示試驗結果可以看出：當速度在90～160km/h范圍內時，測量得到的實際施藥量與設定施藥量的最小偏差為3.3%，最大偏差為8.3%，即設定施藥量和實際施藥量的偏差范圍始終保持在10%以內。這表明，實際施藥量基本能夠跟隨設定施藥量進行變化。結合有人直升機航空作業的實際情況，本文所設計的變量施藥控制系統，已經基本能夠滿足目前有人直升機施藥作業的需要。

表1 試驗數據

4 結論

設計了一種用于有人直升機的航空施藥變量控制系統。首先對系統進行了總體介紹，然后給出了具體的控制方案和對應的控制算法，完成了系統的硬件模塊搭建和軟件設計，最后對設計的系統在實驗室內進行了試驗驗證。試驗結果表明：當直升機飛行速度在90～160km/h時，實際施藥量和設定施藥量之間的最大相對偏差為8.3%，保持在10%以內，能夠滿足有人直升機施藥作業的實際需要。該系統可以實現有人直升機在施藥過程中的精準施藥，可針對田間不同地塊進行差異施藥，解決了有人直升機無差別施藥造成的農藥浪費，提高了農藥的有效利用率。

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[3] 周志艷，臧英，羅錫文，等.中國農業航空植保產業技術創新發展戰略[J]．農業工程學報，2013，29(24):1-10．

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Design and Experiments of Control System of Variable Pesticide Application for Manned Helicopter

Zhang Ruirui1,2， Li Yang1,2， Yi Tongchuan1,2， Chen Liping1,2

(1.National Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing 100097, China; 2.Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture，Beijing 100097，China)

A control system of variable pesticide application for manned helicopter is designed, in order to achieve variable pesticide application. The system can automatically adjust the medication in the piping, according to the change in the rate of the helicopter, so as to realize the medication of per unit area remains the same. The experimental results showed that when the speed of the helicopter is less than 160km/h, the error between the actual application pesticide volume and the pesticide application volume set does not exceed 10%.

manned helicopter；variable pesticide application；control system；STM32

2016-07-15

北京市自然科學基金項目(6164032)；國家高技術研究發展計劃項目(2012AA101901)；北京科技創新基地培育與發展專項(Z151100001615016)

張瑞瑞(1983-)，男，山東濱州人，博士，(E-mail)zhangrr@nercita.org.cn。

S252+.3；TP237

A

1003-188X(2017)10-0124-04