無(wú)人機(jī)飛行高度和速度對(duì)噴藥效果的影響分析

劉海明

(蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 蘇州 215008)

0 引言

近年來(lái),隨著農(nóng)業(yè)智能化種植水平的不斷提高,無(wú)人機(jī)用于農(nóng)田施藥灌溉的領(lǐng)域不斷拓寬,其優(yōu)點(diǎn)在于能夠大大提升灌溉作業(yè)效率。早期一致認(rèn)為,一定的平衡安全飛行高度可保證無(wú)人機(jī)噴藥的定量性。為了進(jìn)一步掌握無(wú)人機(jī)在進(jìn)行施藥過(guò)程中霧滴的變化規(guī)律及最大限度節(jié)約藥物使用量和噴藥的覆蓋率等,專家學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),無(wú)人機(jī)的飛行高度和速度是主要制約因素之一,不同的速度變化會(huì)帶來(lái)不同的霧滴沉積分布,不同的高度變化會(huì)引起噴藥幅度的變化等等。為此,在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上,從無(wú)人機(jī)施藥系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)及控制原理角度出發(fā),對(duì)飛行高度和飛行速度造成的不同噴藥效果展開研究。

1 無(wú)人機(jī)原理及組成

農(nóng)用無(wú)人機(jī)在進(jìn)行田間施藥作業(yè)時(shí)按照一定的軌跡順序進(jìn)行,作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。無(wú)人機(jī)避免了人工大面積噴灌的弊端,旋轉(zhuǎn)的機(jī)翼可對(duì)作物的背光面起到一定的風(fēng)力作用,致使噴灑的藥物能夠較為便利地達(dá)到,提高了整體的噴藥效率。其作業(yè)原理可簡(jiǎn)要概述為:通過(guò)地面的監(jiān)控系統(tǒng)與無(wú)人機(jī)機(jī)體上的通信裝置進(jìn)行控制調(diào)節(jié)(整體運(yùn)作機(jī)理如圖2所示),無(wú)人機(jī)機(jī)體上裝載一系列的功能模塊,如通信控制、數(shù)據(jù)顯示與保存、命令控制等;飛行軌跡規(guī)劃模塊及相關(guān)算法則通過(guò)UDP通信至作業(yè)田間視景顯示模塊到達(dá)無(wú)人機(jī)裝置,無(wú)人機(jī)按照軌跡路徑指令進(jìn)行噴灑作業(yè)。

圖1 無(wú)人機(jī)進(jìn)行噴藥作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.1 Working scene of the spraying of the unmanned aerial vehicle。

圖2 無(wú)人機(jī)進(jìn)行施藥作業(yè)整體運(yùn)作機(jī)理圖Fig.2 Whole operation mechanism of the UAV spraying working。

無(wú)人機(jī)的機(jī)體上加裝了安全感知和避讓系統(tǒng)及GPS定位,包含識(shí)別異常狀態(tài)的自動(dòng)返程功能。表1為農(nóng)用噴藥無(wú)人機(jī)所應(yīng)具備的核心性能參數(shù)。由表1可知:其作業(yè)幅寬及霧滴粒徑大小的形成,不僅與噴藥系統(tǒng)噴頭數(shù)量及噴出流量有關(guān),而且與無(wú)人機(jī)的作業(yè)速度和高度變化情況存在一定的內(nèi)部聯(lián)系。通常而言,高度設(shè)定的恰當(dāng)性更為關(guān)鍵。

表1 農(nóng)用噴藥無(wú)人機(jī)核心性能參數(shù)Table 1 Core performance parameters of the agricultural drug spraying UAV。

續(xù)表1。

2 實(shí)施噴藥機(jī)理分析

2.1 理論模型建立

以無(wú)人機(jī)飛行施藥過(guò)程中流動(dòng)的霧滴為研究對(duì)象,選取霧滴沉積密度、沉積覆蓋率和分布均勻度作為衡量噴藥效果好壞的衡量指標(biāo),列出噴藥機(jī)理的理論模型為

(1)

式中D—霧滴沉積密度;

n—收集到的霧滴沉積數(shù)量;

A—試驗(yàn)用水敏紙張面積。

(2)

式中C—霧滴沉積覆蓋率;

S—霧滴沉積顆粒面積;

A—試驗(yàn)用水敏紙張面積。

(3)

式中CV—霧滴沉積均勻度變異系數(shù);

SD—霧滴沉積顆粒標(biāo)準(zhǔn)差;

X—試驗(yàn)采集到的平均霧滴數(shù)量。

霧滴沉積密度越大,表明無(wú)人機(jī)施藥在作物上的作用點(diǎn)越多,施藥范圍越廣;霧滴沉積覆蓋率越大,表明噴灑藥物與作物的接觸面積在增大,噴藥效果良好;霧滴沉積均勻度變異系數(shù)越小,表明噴灑區(qū)域霧滴分布情況均勻度越好。

無(wú)人機(jī)噴藥系統(tǒng)的智能化施藥作業(yè)控制流程如圖3所示。其中,PWM控制器作為實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵控制的主要步驟,其上的數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)兩路進(jìn)行數(shù)據(jù)信息傳遞:一路經(jīng)驅(qū)動(dòng)放大電路傳遞給噴藥執(zhí)行開關(guān),到達(dá)隔膜泵進(jìn)行動(dòng)作;另一路經(jīng)驅(qū)動(dòng)放大電路傳遞給噴藥執(zhí)行機(jī)構(gòu)電動(dòng)離心噴頭,進(jìn)行感應(yīng)動(dòng)作,同時(shí)壓力、流量等信息將實(shí)時(shí)反饋給數(shù)據(jù)采集電路進(jìn)行對(duì)比調(diào)控,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施藥。

圖3 智能化控制的無(wú)人機(jī)噴藥系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖Fig.3 Design block diagram of UAV spraying system with intelligent control。

2.2 系統(tǒng)硬件配置

無(wú)人機(jī)施藥系統(tǒng)的硬件配置必須保證施藥的給藥、噴灑、關(guān)閉等環(huán)節(jié)動(dòng)作銜接,其內(nèi)部控制的數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)如圖4所示。為保證信號(hào)識(shí)別處理的精準(zhǔn)性,選擇ARM系列微處理裝置,由穩(wěn)壓電源給予不間斷供電。工作時(shí),從田間獲取的信號(hào)經(jīng)輸入輸出接口進(jìn)入信號(hào)前處理模塊,功率的放大與信號(hào)的分配起到分類整理作用,經(jīng)整定后分別經(jīng)數(shù)字、模擬信號(hào)端口輸出。

圖4 無(wú)人機(jī)控制內(nèi)部數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Data acquisition structure flowchart of UAV control system。

針對(duì)各硬件配置(如傳感器、穩(wěn)壓電源、濾波器等)需要進(jìn)行規(guī)格選定,表2給出該系統(tǒng)用的位姿傳感裝置主要參數(shù)情況,以便準(zhǔn)確獲得無(wú)人機(jī)在進(jìn)行飛行施藥作業(yè)過(guò)程中轉(zhuǎn)角精度變化感應(yīng)信息,為下一步軌跡調(diào)整做出參考和提示。

表2 無(wú)人機(jī)飛行系統(tǒng)位姿傳感器主要參數(shù)設(shè)置Table 2 Main parameters set of the posture sensor on the flight system of the unmanned aerial vehicle。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)進(jìn)行施藥作業(yè)時(shí),其航行軌跡的規(guī)劃決定飛行噴灑的有序性和完整性,按照既定的規(guī)劃路徑可以最完整的設(shè)計(jì)狀態(tài)完成噴藥作業(yè)。噴藥高度及速度的設(shè)置融合在該系統(tǒng)的軟件控制后臺(tái)程序中,按照規(guī)劃飛行軌跡控制原理(見圖5),進(jìn)行方向及曲率控制器的參數(shù)設(shè)置、加速度控制器及姿態(tài)與速度等控制器的正確連接和參數(shù)輸入,各控制參數(shù)須有序傳送至無(wú)人機(jī)本體,同時(shí)本體將反饋于各飛行軌跡控制裝置進(jìn)行比較調(diào)整,形成實(shí)時(shí)性的閉環(huán)控制。

圖5 無(wú)人機(jī)飛行軌跡控制原理簡(jiǎn)圖Fig.5 Control principle sketch of the UAV flight trajectory。

噴藥過(guò)程中,系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理較為龐大,外部體現(xiàn)的飛行高度設(shè)置和速度設(shè)置在飛行過(guò)程中不斷變化實(shí)現(xiàn),針對(duì)噴藥系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理須明確流程(如圖6),根據(jù)獲得的單位幀激光數(shù)據(jù)通過(guò)濾波處理和核心算法換算后得到機(jī)體可識(shí)別的控制指令,從而帶動(dòng)無(wú)人機(jī)的飛行動(dòng)作及噴藥動(dòng)作機(jī)構(gòu)執(zhí)行。

圖6 無(wú)人機(jī)噴藥系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)處理流程簡(jiǎn)圖Fig.6 Flow chart of data processing in the UAV spraying system。

3 實(shí)施噴藥效果試驗(yàn)

3.1 條件設(shè)置

無(wú)人機(jī)噴藥試驗(yàn)裝置如圖7所示。

進(jìn)行無(wú)人機(jī)噴藥效果試驗(yàn),利用遠(yuǎn)程遙控進(jìn)行不同飛行高度和速度下的噴藥作業(yè),條件設(shè)置如下:①選擇溫度、濕度相對(duì)穩(wěn)定的田間環(huán)境;②靜風(fēng)狀態(tài)下對(duì)飛行速度不造成干擾;③田間作物生長(zhǎng)高度及地形保持較好的一致性;④無(wú)人機(jī)試噴藥過(guò)程信息暢通等。

3.2 過(guò)程分析

在相對(duì)濕度保持在55%、田間溫度保持在16℃的環(huán)境下,無(wú)人機(jī)的施藥流量控制在0.85L/min左右,噴嘴壓力設(shè)置為0.2MPa,各自保持飛行速度在0.5、0.7、0.9m/s,分別變換飛行高度為1.2、1.4、1.6m,結(jié)果如表3所示。

表3 無(wú)人機(jī)飛行噴藥試驗(yàn)不同參數(shù)下的指標(biāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 3 Indicator statistics data for UAV flight spray test under different parameters。

續(xù)表3。

由表3可知:不同飛行高度的霧滴沉積覆蓋率平均為14.56%(H=1.2m)、14.20%(H=1.4m)、11.03(H=1.6m),整體呈現(xiàn)出下降趨勢(shì),可見高度與速度不一定越快越好。

進(jìn)一步對(duì)比數(shù)據(jù)可知:在無(wú)人機(jī)選擇飛行高度H=1.4m、飛行速度V=0.5 m/s組合參數(shù)下,該噴藥裝置可實(shí)現(xiàn)的霧滴沉積密度為中上等,可達(dá)72.2%,符合施藥要求;霧滴沉積覆蓋率為試驗(yàn)組合中最大為26.9%,最終的霧滴粒徑分布均勻度達(dá)90%以上,為最佳施藥參數(shù)組合,后期經(jīng)Matlab軟件數(shù)據(jù)擬合也驗(yàn)證了該結(jié)論。

4 結(jié)論

1) 通過(guò)了解無(wú)人機(jī)進(jìn)行施藥作業(yè)的運(yùn)作機(jī)理,分析噴藥的效果影響因素,建立了理論評(píng)價(jià)指標(biāo)模型。同時(shí),從無(wú)人機(jī)的噴藥系統(tǒng)控制環(huán)節(jié)入手,進(jìn)行硬件裝置配備和軟件程序調(diào)控,形成整體性的無(wú)人機(jī)智能化噴藥作業(yè)系統(tǒng)。

2) 選取無(wú)人機(jī)飛行高度和飛行速度作為噴藥作業(yè)的變換參數(shù),內(nèi)部設(shè)定相關(guān)控制指令與程序,進(jìn)行一定條件下的無(wú)人機(jī)噴藥試驗(yàn)。

3) 試驗(yàn)結(jié)果表明:霧滴沉積覆蓋由無(wú)人機(jī)飛行高度逐漸升高呈現(xiàn)出降低趨勢(shì)。同時(shí),經(jīng)數(shù)據(jù)對(duì)比可知最佳飛行高度1.4m和飛行速度0.7m/s組合條件下無(wú)人機(jī)噴藥效果最佳,從而為進(jìn)一步研究無(wú)人機(jī)噴藥作業(yè)提供參考。