基于單片機的無人機變量控制系統(tǒng)的設(shè)計

唐 婧，唐政林，車 剛

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319)

0 引言

如何實時且有效地控制農(nóng)作物病蟲草害一直是人們比較關(guān)注的問題。然而，傳統(tǒng)的噴藥方式，會使沒有遭受蟲害的農(nóng)田受到農(nóng)藥污染[3]。隨著我國農(nóng)業(yè)機械化的普遍發(fā)展，作業(yè)面積逐年增加，傳統(tǒng)的施藥模式已經(jīng)無法很好地滿足我國農(nóng)田噴灑的需要。因此，無人機的速度對流量的調(diào)節(jié)起著至關(guān)重要的作用。

近年來，無人機開發(fā)公司已經(jīng)涉及各行各業(yè)，如無人機快遞、航拍，同時在農(nóng)業(yè)用潛在市場也得到足夠的重視[1-2]。傳統(tǒng)農(nóng)耕在人力成本高昂、講究實效的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)面前，已經(jīng)逐漸顯示出劣勢，無人機能提供高效、廣泛、便捷的作業(yè)，為快速高效殺滅病蟲害提供了更好的平臺[4]；但也存在著一定的問題，無人機進行作業(yè)時往往使用等量噴藥的方式，大部分參數(shù)都由無人機自有的參數(shù)決定，不能做到按需處理，對于病蟲害的預(yù)防效率大大降低，不僅會增加成本，甚會導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)及造成作物土壤二次污染，影響下次播種，這與我國所提倡的可持續(xù)發(fā)展是不符的[1-2]?！熬珳?zhǔn)農(nóng)業(yè)”提倡的是精準(zhǔn)投入、精準(zhǔn)作業(yè)，根據(jù)需求進行精確管理，在保護環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)上獲取最大收益。根據(jù)每個地塊的具體病蟲草害的情況，按需準(zhǔn)確的施藥，為達到這個目的，無人機控制系統(tǒng)根據(jù)速度改變流量技術(shù)變得尤為重要[1-2]。變量噴施控制技術(shù)裝備可對農(nóng)田實施精準(zhǔn)管理，實現(xiàn)每個地塊根據(jù)實際情況全面平衡施藥，既提高了農(nóng)藥利用率、經(jīng)濟效益和作物產(chǎn)量，也減少了農(nóng)藥的浪費及多余農(nóng)藥對作物的不良影響，充分體現(xiàn)了經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 研究背景及意義

目前，市場上占據(jù)主流地位的系統(tǒng)控制主要分3個模塊：①檢測模塊，通過人工輸入來進行數(shù)據(jù)采集；②噴施優(yōu)化模塊，對采集到的數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)內(nèi)部所搭建模型進行運算，得出最優(yōu)用藥量和噴灑速度；③變量噴施執(zhí)行模塊，通過第2模塊所給出的數(shù)據(jù)讓無人機執(zhí)行噴灑任務(wù)，以達到調(diào)節(jié)效果。在控制程序中起到核心關(guān)鍵作用的是變量應(yīng)用過程[7]。

我國目前對于控制系統(tǒng)中前兩個模塊已經(jīng)進行了大量研究[8-9], 但變流量執(zhí)行模塊應(yīng)用仍有待提高。目前，針對農(nóng)業(yè)變量噴施系統(tǒng)的探究大部分是根據(jù)電信號完成對閥門的啟閉作用[8]，且液壓泵的調(diào)速控制其實是在調(diào)節(jié)噴嘴的供壓條件，無法更好地提供自動化控制。

因我國人均耕地面積少，無人機噴灑在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中無市場，所以農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、機械化發(fā)展起步較晚，且無人機變流量噴藥技術(shù)還不成熟，仍需要時間來進行改進升級。其最關(guān)鍵的流量自動控制環(huán)節(jié)，更應(yīng)深入研究，使其最優(yōu)化[10-11]。發(fā)達國家在精準(zhǔn)噴藥過程中，尤其看重變量噴藥系統(tǒng)的開發(fā)，有大量的關(guān)于改進變流量噴藥系統(tǒng)的研究報告[12-14]。為扭轉(zhuǎn)我國農(nóng)業(yè)無人機噴灑技術(shù)在國際上的落后局面，防止環(huán)境破壞、降低投資成本和提高作物產(chǎn)量，就要優(yōu)化變量噴藥技術(shù)，尤其優(yōu)化自動控制的變量執(zhí)行系統(tǒng)至關(guān)重要。其對實施精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、保護農(nóng)耕環(huán)境、實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展及提高農(nóng)業(yè)機械化起到重要作用[15]。

1.2 整體方案

該變量噴施控制系統(tǒng)基于單片機控制超聲波測距，通過相應(yīng)的公式將其測得的距離轉(zhuǎn)換成所需要的速度，然后通過噴藥系統(tǒng)進行的精確變量噴施。整個噴藥系統(tǒng)是由超聲波、電機、水泵進行調(diào)節(jié)，并采用串口通信方式將速度信息發(fā)送給單片機，單片機同時接收超聲波測試出的距離信號，計算出速度；將速度信號通過數(shù)字濾波轉(zhuǎn)換成電信號，綜合各類信息后，控制系統(tǒng)通過預(yù)先設(shè)定好的速度與流量的關(guān)系來改變噴藥量，從而實現(xiàn)變量噴藥。當(dāng)飛行速度較快時，可通過速度變化來改變流量的開口，增加或減少流量。系統(tǒng)的總體方案如圖1所示，單片機模塊如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案

圖2 實物圖

1.3 噴藥控制系統(tǒng)

整個控制系統(tǒng)由單片機控制模塊、電機驅(qū)動模塊、超聲波測速模塊及LED顯示模塊組成。該設(shè)計采取人為給定施藥量的方法，即設(shè)定單位面積的施藥量，選擇和設(shè)定相關(guān)的噴藥量；變量噴施系統(tǒng)根據(jù)無人機飛行的速度，通過超聲波測出速度，利用速度變化改變噴藥量，使實際噴藥量與設(shè)定值相一致；同時，利用單片機對超聲波測速進行實時自動調(diào)節(jié)控制，從而實現(xiàn)精準(zhǔn)噴霧。

該模塊實現(xiàn)控制器與超聲波之間的數(shù)據(jù)通信，將超聲波模塊采集到的速度信號傳送給控制器，同時該模塊將編譯好的程序燒進單片機，從而單片機進行流量的調(diào)節(jié)。噴藥控制系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 噴藥控制系統(tǒng)

1.4 電機驅(qū)動電路

對于小功率直流電機調(diào)速系統(tǒng)，方法是通過改變電機電壓接通時間與通電周期的比值來控制電機的轉(zhuǎn)速。 該部分主要是采用雙L9110S芯片的電機驅(qū)動，提供2.5～12V的電壓，可以同時驅(qū)動兩個直流電機，一個兩相式步進電機。由于其體積模塊小，適合組裝，故適合在無人機上試用。電機驅(qū)動圖如圖4所示。

圖4 電機驅(qū)動圖

1.5 超聲波模塊

超聲波模塊可實現(xiàn)2～400cm的非接觸式距離測距轉(zhuǎn)換成速度的功能，測試的精度可以達到3mm，包含超聲波發(fā)射器、接收器與控制器。工作原理：超聲波會發(fā)射10μs的脈沖信號，此時內(nèi)部會發(fā)生40Hz周期電平用來計時，等待接收器接收信號；當(dāng)接收到回波信號時就會形成回響信號,且相應(yīng)的脈沖寬度與速度成正比[26]。計算出距離，進而知道實時速度，從而實現(xiàn)通過速度變化改變流量的噴施過程。超聲波時序圖如圖5所示。

圖5 超聲波時序圖

2 軟件設(shè)計

2.1 整體方案

根據(jù)設(shè)計的最初想法，首先需要確定軟件設(shè)計的基本方案，即確定軟件需要完成哪些功能；其次，為了達到這些功能需要分成多少個模塊，以及每個程序模塊的對應(yīng)任務(wù)是什么。模塊的劃分有很大的靈活性[13-14]，根據(jù)模塊功能的運用，將該程序可以分成測速模塊、電機模塊及顯示模塊等，系統(tǒng)主要模塊程序圖如圖6所示。

圖6 主程序框圖

2.2 數(shù)據(jù)采集及處理

變量噴霧系統(tǒng)要對流量進行實時監(jiān)測，并以此來適合控制算法對該流量進行的控制，所以需要完成實時流量數(shù)據(jù)的采集。

2.3 自動控制輸出

實現(xiàn)系統(tǒng)噴灑流量精準(zhǔn)控制是整個軟件的核心，通過對以往資料數(shù)據(jù)研究分析及搭建的速度和流量的數(shù)學(xué)模型，并將其轉(zhuǎn)化為程序，然后得出單片機的控制量。

2.4 數(shù)據(jù)維護

為了對試驗時的控制量進行觀察和數(shù)據(jù)分析，對需要的數(shù)據(jù)進行顯示、保存。

軟件設(shè)計主要包含串口輸入模塊和超聲波測速模塊，兩者根據(jù)嚴(yán)格規(guī)定的順序輸入到變量噴藥系統(tǒng)；輸出主要包含液晶顯示程序和電機執(zhí)行程序。液晶顯示主要是為了給現(xiàn)場的工作人員提供人機界面，使現(xiàn)場工作人員能夠更清晰地了解系統(tǒng)工作情況，并按照產(chǎn)生的不同的工作狀況調(diào)整相關(guān)工作參數(shù)，使變量噴藥系統(tǒng)達到工作的最佳狀態(tài)。

3 試驗過程

本控制噴施系統(tǒng)安裝在無人機上，可以在進行飛行試驗前，進行室內(nèi)試驗。假定飛機以速度a飛行，噴藥速度為b,飛行了c這段距離，剛好將藥噴完。其次，假設(shè)飛機以d速度飛行(d速度比a速度慢)同樣以噴藥速度b進行噴藥，攜帶的藥是不夠飛完c這段距離的。同時，運用預(yù)先設(shè)定好的7個速度來進行試驗，收集在不同飛行速度的情況下的流量數(shù)量。 該系統(tǒng)能夠通過超聲波測距轉(zhuǎn)換成速度信號，從而改變噴霧量。試驗時，飛機按照設(shè)定的飛行速度進行飛行，通過相應(yīng)的程序燒進單片機，根據(jù)速度進行流量的轉(zhuǎn)變，自動調(diào)節(jié)控制噴量。因此，只要測量從飛機飛過的路程上，每一段的藥量是否接近或者相等，就可以驗證是否飛行速度可以改變噴藥量，從而驗證能否滿足實際的生產(chǎn)需求。

在此設(shè)噴頭的單位噴量為Δv(L/min),設(shè)定的理論噴量為R(L/hm2)，無人機飛行速度為v(m/s)，噴幅為L(m)，那它們之間的關(guān)系可以表示為

(1)

(2)

根據(jù)試驗采集到的實時噴量(L/min)，再根據(jù)式(2)可以轉(zhuǎn)換得到無人機在單位面積上的實際噴量，再與理論控制噴量進行對比即可得到兩者的關(guān)系。試驗數(shù)據(jù)如表1所示。噴霧流量變化如圖8所示。

由表1、圖8可知：控制系統(tǒng)能實現(xiàn)隨著速度變快，流量變大的功能；同時試驗表明，系統(tǒng)可靠性高，符合本設(shè)計系統(tǒng)的基本要求。

表1 試驗數(shù)據(jù)顯示

圖7 飛行速度變化

圖8 噴霧流量變化

4 結(jié)論

在系統(tǒng)性能的測試中，考慮了很多因素對流量的影響，發(fā)現(xiàn)飛行速度作為變量噴施的主變量是可靠的。通過分析大量的試驗數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)其規(guī)律，農(nóng)藥噴灑的流量和無人機速度之間具有聯(lián)系，通過內(nèi)部測速模塊檢測到的無人機速度，就可以獲得對應(yīng)的噴藥流量數(shù)據(jù)，并依據(jù)速度飛行的快慢，改變噴施藥量的多少，實現(xiàn)了農(nóng)藥的高利用率。此外，農(nóng)藥噴灑量變化的實現(xiàn)是通過電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，從而取代了價格較高的流量傳感器，既滿足設(shè)計所需要求，又大大節(jié)約了成本。該系統(tǒng)有如下特點：

1)電路簡單，使用單片機對控制系統(tǒng)進行控制。

2)由于單片機有很強的邏輯能力，可以完成高運算速度和高精度的轉(zhuǎn)化，因此可以完成復(fù)雜的控制。

3)在整個循環(huán)過程中，添加數(shù)傳模塊，編寫MAVLANK協(xié)議，通過速度閉環(huán)系統(tǒng)，使速度信號轉(zhuǎn)化成電信號，從而改變流量。

4)由于整個控制方式是由算法部分協(xié)助完成，因此靈活性較高，能適應(yīng)不同情況下的變化。在整個的調(diào)試過程中，可以不斷改進最優(yōu)參數(shù)，十分方便。