采用變量噴灑控制裝置的四旋翼無(wú)人機(jī)

衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 徐云川

0 引言

傳統(tǒng)農(nóng)林噴淋主要以手持擔(dān)架式噴霧機(jī)的方式噴灑，農(nóng)藥可以通過(guò)表皮汗腺直接進(jìn)入人體，危害人體健康，此外，這種噴灑方式對(duì)農(nóng)藥的利用率極低，大部分的農(nóng)藥由于重力沒(méi)有能夠附著在農(nóng)作物上而滴落。四軸飛行器在藥物噴淋和病蟲(chóng)害防治領(lǐng)域的應(yīng)用，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操縱方便等特點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)垂直起降和空中懸停。

現(xiàn)有植保無(wú)人機(jī)噴灑大多采用固定擔(dān)架噴淋方式，存在噴灑量不可控和噴灑角度不可調(diào)等不足，本文設(shè)計(jì)一種變量噴灑控制裝置，無(wú)人機(jī)作業(yè)時(shí)，遙控器可以在相應(yīng)通道的信號(hào)端控制輸出PWM信號(hào)，通過(guò)控制電子開(kāi)關(guān)控制液泵功率實(shí)現(xiàn)對(duì)藥液流量的控制，此外，通過(guò)控制舵機(jī)可以抬升支撐桿，實(shí)現(xiàn)對(duì)噴灑量和噴灑角度的控制。

1 四旋翼無(wú)人機(jī)飛行原理

機(jī)翼對(duì)稱分布在機(jī)體的前后、左右四個(gè)方向，4個(gè)旋翼處于同一高度平面，且4個(gè)旋翼的結(jié)構(gòu)和半徑都相同，4個(gè)電機(jī)對(duì)稱的安裝在飛行器的機(jī)架端，機(jī)架中間空間安放飛行控制芯片、動(dòng)力電池、傳感器組和無(wú)線通訊模塊。在飛控芯片的集中控制下，通過(guò)協(xié)調(diào)各電機(jī)的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向，實(shí)現(xiàn)垂直、俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航、前后、傾向運(yùn)動(dòng)。

2 無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用變量噴灑控制裝置的四旋翼無(wú)人機(jī)，主要有變量噴灑控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)和飛行器主體四大部分，如圖1所示。變量噴灑控制系統(tǒng)包括儲(chǔ)藥箱、支架、支撐桿、舵機(jī)、噴頭等；動(dòng)力系統(tǒng)包括動(dòng)力電池、無(wú)刷電機(jī)、電調(diào)、螺旋槳等；飛行控制系統(tǒng)包括遙控器、接收機(jī)、飛行控制器、GPS定位器等；飛行器主體包括機(jī)架、起落架、減震云臺(tái)等。

2.1 無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)布局

機(jī)架由上下兩層纖維板構(gòu)成，機(jī)翼通過(guò)螺絲分別與上下纖維板固定，中間形成夾倉(cāng)，上纖維板安裝有減震云臺(tái)。動(dòng)力電池、接收機(jī)固定在下纖維板。機(jī)翼末端安裝有無(wú)刷電機(jī)，螺旋槳通過(guò)螺帽固定在無(wú)刷電機(jī)上。飛行控制器安裝在減震云臺(tái)上，與接收機(jī)及電調(diào)連接。支架起到固定和支撐作用，支撐桿、噴灑裝置、儲(chǔ)藥箱均固定在支架上。支架設(shè)置在儲(chǔ)藥箱兩側(cè)，支撐桿位于儲(chǔ)藥箱下方且與支架連接，與機(jī)架腳呈最大90度的活動(dòng)角，等長(zhǎng)度延伸出機(jī)架兩端。支撐桿兩側(cè)設(shè)置有噴頭，噴頭呈對(duì)稱安裝在支撐桿上，液泵及液泵驅(qū)動(dòng)電路固定安裝在支架上。支架上還設(shè)置有舵機(jī)，舵機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)軸上綁定束線，束線另一端捆綁在支撐桿中間位置，舵機(jī)的信號(hào)線插入接收機(jī)通道。舵機(jī)與支撐桿完成聯(lián)動(dòng)控制支撐桿上下擺動(dòng)。

圖1 變量噴灑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 變量噴灑控制系統(tǒng)

變量噴灑控制系統(tǒng)是為實(shí)現(xiàn)對(duì)噴灑量和噴灑角度的可控而設(shè)置的，采用單片機(jī)作為微處理器，以動(dòng)力電池為電源，通過(guò)穩(wěn)壓電路輸出5V電壓，為液泵電路和單片機(jī)供電。藥液噴灑控制器由藥液流量控制單元和噴灑角度控制單元組成，電氣連接圖如圖2所示。由于液泵一般需要大電流驅(qū)動(dòng)能力，而接收機(jī)的輸出驅(qū)動(dòng)能力不強(qiáng)，就要采用單片機(jī)和液泵驅(qū)動(dòng)電路組合增強(qiáng)對(duì)液泵的電流驅(qū)動(dòng)能力。液泵驅(qū)動(dòng)電路是三極管和小型繼電器的組合。液泵采用直流微型溢壓回流水泵。

圖2 藥液噴灑控制器電氣連接圖

藥液流量控制單元工作原理如下：當(dāng)接收機(jī)接收到通道6（CH6）脈沖信號(hào)時(shí)，單片機(jī)捕獲脈沖信號(hào)，在其某個(gè)I/O端控制繼電器的打開(kāi)或閉合，導(dǎo)致液泵工作開(kāi)啟或關(guān)閉。噴灑角度控制單元工作原理如下：當(dāng)接收機(jī)接收到通道5（CH5）脈沖信號(hào)時(shí)，通過(guò)舵機(jī)拉緊（釋放）束線，由于支撐桿一端被固定在機(jī)架上，另一端捆綁束線，從而導(dǎo)致支撐桿的擺幅運(yùn)動(dòng)。

2.3 無(wú)人機(jī)動(dòng)力設(shè)計(jì)

農(nóng)藥噴灑無(wú)人機(jī)載重量需求大，電機(jī)的個(gè)數(shù)、電調(diào)的驅(qū)動(dòng)電流和槳葉的尺寸都決定著無(wú)人機(jī)的起飛載重量，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)電機(jī)的功率、螺旋槳的尺寸、飛機(jī)載重合理分配重量，以便無(wú)人機(jī)能有效完成預(yù)定功能，單個(gè)螺旋槳拉力計(jì)算公式：

其中，F(xiàn)是螺旋槳拉力（單位公斤），D是螺旋槳直徑（單位米），d是螺距（單位米），w是螺旋槳寬度（單位米），r是轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)每秒），1代表1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，E是標(biāo)準(zhǔn)誤差也為經(jīng)驗(yàn)值，一般取0.25。

電機(jī)選型主要考慮電機(jī)的KV值、功率和重量，KV值是電機(jī)輸入電壓每提高1V，電機(jī)空載轉(zhuǎn)速提高的量。經(jīng)驗(yàn)表明四旋翼采用KV值為1000左右的電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳效率較高，本文選用型號(hào)為X2216 KV880朗宇電機(jī)，無(wú)刷電機(jī)是三相電機(jī)，需要驅(qū)動(dòng)器，本文選用型號(hào)為40A的好盈電調(diào)。槳葉越大，升力也越大，但需要更大的扭力驅(qū)動(dòng)；電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，升力就越大；電機(jī)的KV值越小，扭力越大。高KV值得電機(jī)配大槳葉，扭力不足，電機(jī)和電調(diào)均容易燒壞；低KV值的電機(jī)配小槳，升力不足，無(wú)法起飛。電機(jī)和槳葉搭配需要考慮耗電流和效率相匹配，相比之下，1147槳拉力更大，功率也高，本文選用型號(hào)尺寸為1147的槳葉。

由于采用四軸旋翼驅(qū)動(dòng)，藥箱容量假定為5L，載藥量約為5公斤，其他機(jī)體結(jié)構(gòu)重量約為5公斤，結(jié)合本項(xiàng)目所選用的材料，計(jì)算得到單個(gè)螺旋槳拉力不低于2.6公斤，4個(gè)螺旋槳至少能產(chǎn)生10公斤以上的拉力。表1列出了采用變量噴灑控制裝置的四旋翼無(wú)人機(jī)所選用主要部件型號(hào)。

表1 無(wú)人機(jī)主要部件型號(hào)參數(shù)表

圖3 程序流程圖

2.4 飛行調(diào)試

系統(tǒng)采用STM 32F1微控制器讀取傳感器信息，綜合解算姿態(tài)角，輸出控制指令，通過(guò)接收機(jī)傳送給四個(gè)無(wú)刷電機(jī)完成四旋翼無(wú)人機(jī)的飛行控制；微處理器還輸出控制指令給舵機(jī)和液泵以實(shí)現(xiàn)變量可調(diào)的噴灑角度和藥液流量控制。系統(tǒng)程序流程圖如圖3所示。

按照系統(tǒng)程序流程圖，通過(guò)調(diào)整參數(shù)及程序，減小誤差，測(cè)試系統(tǒng)在自動(dòng)模式下飛行極限時(shí)長(zhǎng)及藥液流量消耗大小。測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，飛行時(shí)間代表無(wú)人機(jī)空中飛行時(shí)間，噴灑測(cè)試時(shí)間即變量噴灑控制裝置開(kāi)啟時(shí)間，流量即實(shí)際測(cè)得的液泵控制流量，噴灑面積即變量噴灑控制裝置噴灑范圍面積。測(cè)試結(jié)果顯示，藥箱在未滿載情況下，飛行和液泵流量實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)控制，噴灑面積換算成每平方米消耗農(nóng)藥量是10.559g/m3，查閱以往資料顯示，通常情況下，植保無(wú)人機(jī)每平方米需要12g噴灑農(nóng)藥，5kg農(nóng)藥理論上可以滿足473.53m2農(nóng)田的噴灑需求。飛行器可持續(xù)飛行大約30分鐘，對(duì)于小尺寸的植保無(wú)人機(jī)，基本可以滿足農(nóng)藥噴灑需求，采用變量噴灑控制裝置噴灑農(nóng)藥，實(shí)現(xiàn)了在單位噴灑面積下消耗農(nóng)藥量低的優(yōu)點(diǎn)。

表2 飛行測(cè)試數(shù)據(jù)表

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種變量噴灑控制裝置，無(wú)人機(jī)作業(yè)時(shí)，遙控器可以在相應(yīng)通道的信號(hào)端控制輸出PWM信號(hào)，通過(guò)控制電子開(kāi)關(guān)控制液泵功率實(shí)現(xiàn)對(duì)藥液流量的控制，此外，通過(guò)控制舵機(jī)可以抬升支撐桿，實(shí)現(xiàn)對(duì)噴灑量和噴灑角度的控制。根據(jù)調(diào)整參數(shù)，可以改變流量，使用方便，操作簡(jiǎn)單，噴灑裝置與無(wú)人機(jī)安裝簡(jiǎn)便，提高了農(nóng)藥噴灑效率。

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