基于CAN總線的旋翼無人機噴灑模擬系統

張艷超 陳 楊 李藝健 劉 飛 何 勇

(1.浙江大學生物系統工程與食品科學學院， 杭州 310058； 2.農業部設施農業裝備與信息化重點實驗室， 杭州 310058)

0 引言

利用植保無人機進行農田噴灑已成為新型農機應用熱點。目前國內農用植保無人機領域的研究正處于快速發展階段，相對于傳統人工噴藥，無人機在植保噴藥方面具有速度快、效率高、安全性較好、噴灑效果好等優點。但植保無人機的使用中，也有較多細節問題需要優化與完善，如適用于無人機的噴灑系統關鍵部件的優化與設計，包括藥泵、藥箱、噴頭等的優化，噴灑助劑研究與噴灑效果評價等方面。秦維彩等[1]研究了基于無人直升機的噴霧參數對玉米冠層霧滴沉積分布的影響，噴灑參數包括作業高度與橫向噴幅，確定了針對其所使用無人機較為適宜的作業參數。張宋超等[2]采用N-3型農用無人直升機作為載機，通過CFD(Computational fluid dynamics)在約束條件下對作業過程中旋翼風場和農藥噴灑的兩相流進行了模擬，并設計了條件相似的對應試驗進行驗證，試驗結果表明，在飛行高度6 m，側風風速分別在1、2、3 m/s下，仿真模擬結果與實測數據的擬合直線決定系數R2分別為0.748 2、0.805 0和0.687 5，對實際生產具有一定指導意義。

然而無人機噴施作業中受很多因素影響，如風力風向、雨雪大霧、風場等自然因素，操作人員技術水平、設備掛載安裝等人為因素。同時由于目前無人機系統穩定性、安全性和可靠性仍需時間檢驗，無人機機載實驗需要承擔很大風險，使得實驗開展困難，單次實驗人力、財力花費較高，不利于植保無人機噴灑技術的快速發展。因此需要開發一種可以快速在地面測試各種噴灑參數的無人機噴灑模擬系統[3]。本文設計一套無人機噴灑模擬系統，并進行系統性能測試試驗，旨在模擬無人機機載田間噴灑試驗。

1 無人機噴灑測試平臺搭建

1.1 系統設計

系統設計如圖1所示。本系統主要包含3部分：機電部分、電氣控制部分和上位機軟件部分。其中機電部分為執行運動機構(包含水平和豎直方向上的直線運動)，包含噴灑組件及風壓系統。電氣控制系統包含伺服電機編碼器、電子調速器、主控板、遠端控制板。上位機軟件主要包含串口通訊、系統參數設定、系統運行狀況顯示。

機電部分實現對植保無人機噴灑動作仿真。采用2個伺服電機實現對水平移動速度和垂直移動速度的精確控制。直線導軌相對于滑軌等其他直線運動導軌系統力學性能好，實際工作中滾動摩擦小，在長時間的往復運動過程中，磨損較小，適合做高精度大型儀器與系統[3]，直線導軌制作精密，且各向最大承受拉壓力及扭轉力矩差別很小，多用在自動化機械上提供導向和支撐作用，如PCB(Printed circuit board)制板、3D打印、數控加工機床等精密加工機械[4-6]。為滿足植保噴藥的需求，本系統采用直線導軌作為直線運動執行機構，電動缸作為垂直運動執行機構。系統載荷為50 kg，滿足掛載噴灑設備和噴灑控制器，采用懸垂設計，水平導軌采用30 mm的方形滾珠直線導軌。為覆蓋較大量程，水平方向設計長度為12 m，采用3段直線導軌拼接而成，并安裝在一整條槽鋼上。為使得3段導軌能夠較好的配合在同一平面，降低內部應力，設計將3段直線導軌安裝在一個用車床沖出的導槽上，并通過8 mm的螺紋旋緊固定，考慮到金屬熱脹冷縮，導軌與導軌之間留有1 mm安裝間距。直線導軌上掛載2個滑塊，滑塊最大可承受拉壓力為38.74 kN，在上下翻動、左右搖晃以及側向旋轉3個方向上最大承受扭矩分別為0.88、0.92、0.92 kN·m。這使得系統強度高，變形小，可以承受較大的側向和徑向扭矩，從而降低了系統因為頻繁加減速而損壞的可能。直線導軌的滑塊由于其如圖2所示的設計結構，滑塊在各個方向上最大承受力基本相同，拉力和壓力的作用效果相同，使得其對不同方向的沖擊具有很好的保護作用，并且由于該系統為吊裝，執行往復運動，主要的受力形式包括：垂直向下的拉力、加減速時俯仰方向的力矩MP、振動引起橫滾方向和偏航方向的力矩MR和MY。分別針對以上受力形式進行強度設計和分析，以保障系統安全。

圖1為垂直方向采用電動缸的機械結構，其最大提升力為750 N，滿足系統設計需求。電動缸是伺服電機與絲杠一體化的機械組件，將電機旋轉運動轉化為直線運動，其在機械系統中被大量使用[7-9]。電動缸有效行程為0.5 m，最大拉升速度為0.5 m/s。電氣部分水平方向采用東菱1.2 kW伺服電機，驅動編碼器采用配套的EPS145型驅動編碼器。垂直部分采用松下200 W伺服電機，驅動器為原裝MAD-1507CA型驅動器。由于伺服電機內部存在鎖緊裝置，可以很好地停在所需要的位置。鎖緊方法與內部PID調節有關，內部編碼器感應到主軸旋轉產生的位移量，將其作為反饋，對速度和位移做出相應的調節。17 bit的編碼器在旋轉一周時產生的脈沖數為217，通過減速比可算出水平方向上的指令脈沖當量為0.001 mm，豎直方向上位置分辨率為0.000 5 mm。

圖2 滑塊組成與受力圖Fig.2 Slider stress

圖3 系統控制流程圖Fig.3 Flow chart of system control

系統在水平和豎直方向上采用限位開關來實現系統歸零和位移標定。水平限位開關采用光電式限位開關，檢測限5 mm，安裝時滑塊距離光電接近開關2 mm，滿足觸發條件。豎直限位開關采用磁感應式，當電動缸內的磁環下移到限位開關時，觸發開關產生中斷脈沖。中斷脈沖被主控記錄并作為水平和垂直方向的零點，同時中斷脈沖成為系統停止運行的信號。由于該系統電壓不同，限位開關的接線需要做電磁屏蔽，以防止信號被干擾。

1.2 主控板與執行端控制器

為提高系統的自動化程度，采用如圖3所示的系統設計。上位機軟件向下與主控板采用串口通訊，主控板到上位機的通訊字段包括：水平方向速度和位置，垂直方向速度與位置，導管內液體流速。上位機軟件到主控板的通訊字段包括：設定的水平方向速度和位置，設定的垂直方向速度與位置，設定的風力，設定的流速。

主控板采用12 V獨立電源供電，可接受的電壓范圍在10～50 V之間。兩邊作為排針接口，與伺服電機驅動器相連。由于限位開關只有通斷兩種狀態，因此設立兩路Pulse+和Pulse-給限位開關。主控板采用意法STM32F103RCT6嵌入式微控制器，搭配8 MHz外部晶振。該芯片核心頻率72 MHz，提供了豐富的傳感器接口，如CAN(Controller area network)，I2C，IrDA(Infrared data association)，LIN(Local interconnect network)，SPI(Serial peripheral interface)，UART/USART(Universal asynchronous receiver/transmitter)，USB，并為外圍設備如電機等提供PWM輸出信號，提供51路的輸入與輸出，工作電壓3.6 V。

為實現對遠端機載部分的控制，本系統采用CAN總線進行數據通訊和控制指令發送。由于主控芯片意法STM32F103RCT6已經提供CAN接口，不再需要配合CAN控制器[10]。CAN總線技術是多主分布式控制系統串行通訊較好的總線解決方案，具有高位率、高抗電磁干擾、容錯性強、實時性好等優點[11]。由于控制端處于移動狀態并且離主控器較遠(>10 m)，其他信息傳輸方式難以實現長距離的控制和數據通訊，CAN總線采用雙絞線[12-14]，傳輸距離較遠，易于部署系統，成為該系統設計的最佳方案。

遠端噴灑控制器主要控制板采用意法STM32F103RCT6，控制板采用獨立12 V鋰電池供電。控制器與主控板通過CAN總線進行通訊，波特率設置為57 600 bps，實測通訊長度為17.5 m，遠低于CAN總線的最長傳輸距離。遠端噴灑控制器向齒輪泵驅動器發送PWM(Pulse width modulation)信號，控制齒輪泵轉速；流量傳感器發送脈沖計數的方法計算單位時間內通過的液體流量；控制器向無刷電動機的電子調速器發送PWM信號控制電動機轉速，PWM頻率50 Hz，占空比變化范圍為25%～75%，通過改變電動機轉速來改變產生的風壓。

1.3 噴灑組件

噴灑組件包括齒輪泵及其MOS(Metal oxide semiconductor)管調速器、流量計、無刷電動機、螺旋槳、導液管及藥箱噴桿等。齒輪泵為385微型齒輪泵，額定電壓12 V，空載電流0.4 A，最大水壓力0.23 MPa。控制板輸出的PWM信號通過MOS管來調節輸出齒輪泵電動機轉速。輸出流量與PWM指令之間的關系如圖4所示，其標定函數為

V=9.396×10-5N3-0.049 24N2+11.93N-49.03

(1)

圖5 系統完成構架與軟件操作界面Fig.5 System image and software user interface

式中V——輸出流量，mL/minN——PWM占空比(0～1)量化為256級之后的值

圖4 水泵標定曲線Fig.4 Pump calibration curve

通過測量數據可以看出該齒輪泵輸出與PWM的輸入呈三次相關，決定系數R2=0.998 6。

流量計采用基于霍爾元件的微量流量計，其最小檢測流量為0.4 L/min，最大流量為3 L/min，最大承受壓力0.8 MPa。基于霍爾元件流量計的工作原理[15]，當液體流過時，葉輪旋轉帶動葉輪上的金屬片在霍爾元件處產生磁感應，從而產生脈沖，通過計算脈沖數對應流過液體的體積。通過檢測并計算信號輸出上升沿的次數，判斷流速，通過標定方法進行測試，得到標定方程為

L=0.222 6n+71.377

(2)

式中L——通過霍爾傳感器的液體體積n——霍爾傳感器輸出的波形上升沿數

其R2=1，表明流量傳感器可以準確地反映管道中的流速。

風力系統以浙江大學研制的SH-8V系列植保無人機的動力風場進行模擬，電動機采用高壓無刷電動機[16]，最大電流22.8 A，相應的電子調速器也要選擇較大型號，并且有優化過的散熱結構，本系統采用雙天100 A電子調速器[17]，可以通過較高電流，并且設計有散熱片，具有較好的散熱性能。配15寸55 mm螺距的碳纖尾槳，在22.2 V電壓下通過風速計測量，最大風速為4.4 m/s，電動機位于噴頭正上方，以模擬原型機中風場對噴灑霧滴的影響效果[18]。

導液管及藥箱噴桿等采用與原型植保無人機相同的噴灑部件。所搭載噴灑部件皆可依據特定的噴灑環境進行定制化開發，當前采用的噴灑部件中噴頭為國產Licheng 102A-1型扇形噴頭(Licheng Ltd.，浙江)[19-20]，噴灑錐角為45°，噴頭間隔1 m。

1.4 上位機軟件開發

為實現對試驗因素(如噴灑高度、噴灑流量和噴灑風力等)遠程精確控制，及噴灑流量的實時顯示，本系統設計開發了上位機軟件。軟件開發采用Visual C++ 2010開發環境，上位機軟件采用串口通信，串口波特率選擇57 600 bps，設計界面如圖5所示。由于PC一般不安裝串口，通過串口轉USB接到PC的USB接口處。

考慮到以后系統的便攜性，增加WiFi轉發，將PC機通過LAN口與平板電腦連接入同一局域網中，通過WiFi路由器將平板控制指令傳輸到PC機上，將實時信息顯示在平板上。平板電腦采用國產某型Intel CPU平板電腦，搭載Windows 8系統，運行界面如圖5所示。其中運動模塊由OpenGL制作模型并集成進系統用以顯示系統運行狀態。OpenGL是一個跨編程語言、跨平臺的專業圖形程序接口，用于二維和三維圖像的顯示，是一個功能強大、調用方便的底層圖形庫。

1.5 系統安全性

由于本系統運動部分較重，在啟動和停止時需要較大作用力來使得懸掛系統產生與設定所需速度值相同的速度，同時懸掛系統并非一體成型，中間存在諸如減振墊等軟性連接部分，在完成運動過程中會產生振動和位移。為降低振動和位移，提高系統安全性，考慮以下問題：機械結構設計優化、控制程序優化、緊急保護。

結構設計優化主要體現在：平移部件優化、減振連接件優化設計、噴灑平臺平衡性優化。水平移動是系統中最多的運動，若用單一滑塊搭配電動缸運行，則會在產生加速度時對垂直方向的電動缸產生過大的剪切應力，對滑塊和電動缸造成損害，因此在水平方向上構建三角形來提高水平移動方向的強度。該設計在提高系統強度的同時減小由于加速度作用造成的懸垂系統的位移。

減振連接件針對下方承載較重的情況，采用VV型減振器連接的方式。橡膠減振器利用橡膠具有較高彈性和黏彈性，沖擊剛度高，靜剛度低，有利于減小變形等特點，將金屬件與橡膠直接硫化粘合[21]，成為各類機械、汽車、飛機及航空器等廣泛使用的減振連接[22]。設計采用4個M4螺紋的橡膠減振器，如圖6所示。

圖6 橡膠減振器示意圖Fig.6 Rubber damper demonstration1.螺紋 2.封口鐵 3.橡膠內填物 4.底面封口鐵

控制程序優化主要用于電動機可能出現較大加速度時的緩速控制。優化表現為：①啟動時，橫向在啟動速度大于0.5 m/s時，采用從0.3 m/s啟動，在1 s內提速到設定速度，在到達設定位置之后，在1 s內降低到0。垂直方向由于速度不大(設定范圍為0～0.5 m/s)，而且距離有限(50 cm)，如果緩速啟動的話，存在較大的未使用空間。選擇電動缸進行運動控制，足以應對上下產生的加速度。②水平和垂直方向的復位動作采用較低的0.2 m/s的速度進行。由于在檢測零位的時候存在急停剎車動作，因此不宜采用較大的行進速度進行零位尋找。緊急保護措施有電源緊急切斷以及限位螺栓。在配電柜外部有緊急電源關閉的開關，當限位措施失效時有限位螺栓卡緊運動部分，防止滑塊出現脫軌現象。

2 系統性能測試試驗

2.1 位置精度測試

采用iLDM激光測距儀(CEM Ltd., 深圳, 中國)進行，該儀器的量程為0.05～70 m，測量精度±1.5 mm。該儀器采用635 nm typeⅡ型激光儀進行長度測量，激光功率低于1 mW。激光測距儀安裝在電動缸端點，安裝誤差為俯仰方向±0.1°，偏航方向±0.2°。俯仰角安裝誤差通過測距儀讀數調節，采用測量遠點與零位點在垂直參考面上亮點距離，通過三角方程近似算出偏航角誤差。其中最近端與最遠端在參考平面的距離為7 cm。垂向測量采用平行于電動缸主軸方向安裝，激光測距儀安裝位于電動缸的下端點，并以電動缸活動端點的安裝板作為參考平面，安裝誤差在±0.2°。激光測距儀通過藍牙與手機相連，可以通過手機來觸發采集數據和數據監控。其安裝方式如圖7所示。平臺沿著水平方向分別按照0.05、0.10、0.15、0.20 m/s運行，每0.25 m設置1個點進行位置測量。每一個位置的數據點做3次重復，取平均值。所得的36個位置數據如圖8所示。橫軸為通過上位機發送的位置指令，縱軸為實測所得值。垂直方向的位置測量，使系統在垂向分別按照0.01、0.02、0.03、0.04 m/s 4種速度運行，每種速度做3次重復，以5 cm為間隔采集位置點，取3次重復之后的平均值，垂向的位置測量結果如圖9所示。其中水平向重復誤差低于2 mm，垂直向重復誤差低于1 mm。

2.2 振動測試

圖7 激光測距儀安裝方式與測試Fig.7 Laser distance meter installment and measurement

圖8 水平方向不同速度下距離測量結果Fig.8 Horizontal test results at different moving speeds

振動和晃動在自動化系統中很難避免，一般由電動機轉動、不規則加減速等原因造成，而本系統中運動部件為懸垂安裝，以上原因造成的振動和晃動對系統精度影響更為顯著，對系統運行的穩定性和安全性有著很大的影響。且本系統對直線導軌的準直度要求很高，在系統安裝和操作過程中，都會降低系統的表現，準直度低會降低系統壽命。在維護保養中，直線導軌和滑塊的銹蝕都會影響系統的表現。因此系統的振動與晃動是系統的基礎功能指標。振動與晃動采用華盛昌CEM DT178型振動分析儀進行測量，內置3軸加速度計，采樣率為256 Hz，量程±180 m/s2，測量精度為0.062 5 m/s2，支持FFT(Fast fourier transformation)。該振動分析儀固定在云臺上，系統以0.05、0.10、0.15 m/s速度運行，分別測量其振動數據如圖10所示，通過分析振動晃動數據，可知在不同運動速度下，系統振動晃動均不超過20 m/s2，其中X向和Y向在運行中存在較為均勻的4～5 m/s2的加速度，在合理范圍內。

圖9 垂直方向不同速度下距離測量結果Fig.9 Vertical test results at different moving speeds

圖10 不同速度下的振動數據Fig.10 Vibration data at different moving speeds

3 結論

(1)針對目前農用植保無人機快速發展，而相關的機載霧滴檢測及噴灑理論驗證缺乏的現狀，設計了無人機仿真噴灑系統。基于PWM的齒輪泵控制量與實際出水量決定系數R2=0.998 6。采用激光測距儀對系統水平運動在0.05、0.10、0.15、0.20 m/s,垂直運動在0.01、0.02、0.03、0.04 m/s進行測量，系統控制精度高，控制參數與實際行程決定系數均為R2=1,水平與豎直重復精度優于2 mm，其水平方向重復誤差為2 mm，為無人機噴灑理論測試提供了良好的平臺。采用振動測試儀對系統在0.05、0.10、0.15 m/s運行速度下進行測試，通過分析振動晃動數據，在不同運動速度下系統振動均不超過20 m/s2，其中X向和Y向在運行中存在較為穩定的4～5 m/s2的加速度，可知系統運行穩定。

(2)系統對無人機噴灑過程中的風力、流量、移動速度進行在線遠程控制，采用CAN總線作為遠端與控制臺的通訊手段，具有較高的實時性，并且實現了噴灑狀態的實時回傳和顯示。

(3)設計了伺服電機控制器以及遠端噴灑控制器、噴灑組件、上位機軟件，實現了室內噴灑系統自動化集成，為系統化研究無人機噴灑過程中各項參數對最終噴灑效果的影響提供了有力支撐。

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