王朔

摘要：近年來，無人機在植保領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，農(nóng)業(yè)植保無人機無論是在便利性還是在噴灑效果方面都具有更顯著的優(yōu)勢。目前無人機噴灑系統(tǒng)主要采用分檔式調(diào)節(jié)流量的噴灑技術(shù)，這種技術(shù)在一段飛行速度區(qū)間使用同一檔位進行噴灑作業(yè)，噴灑均勻性有待提升。通過設(shè)計變量噴灑系統(tǒng)的主控電路、隔離電路等完成了變量噴灑平臺的硬件搭建工作。針對飛行速度對噴灑均勻性的影響提出了一種提高植保無人機噴灑均勻性的PID流量控制算法，通過調(diào)節(jié)占空比實現(xiàn)了變量噴灑系統(tǒng)的軟件功能。在無人機飛行速度從1 m/s增加到5 m/s的過程中，設(shè)計了分檔式算法和PID流量控制算法的變量噴灑對照試驗，通過水敏紙的霧滴圖像信息來分析噴灑作業(yè)的效果。結(jié)果表明，在飛行速度從1 m/s增加到5 m/s的過程中，經(jīng)過流量PID調(diào)節(jié)的植保無人機噴灑覆蓋率整體波動范圍較?。ǚ秶?09%～24.4%之間），相比之下分檔式植保無人機的覆蓋率波動范圍略大（范圍在20.1%～29.8%）;同時驗證了變量噴灑系統(tǒng)軟硬件的可行性，該變量噴灑系統(tǒng)實現(xiàn)了噴灑流量隨飛行速度自動調(diào)整的功能，提升了噴灑的整體均勻性，能夠滿足小面積作業(yè)的基本要求。

關(guān)鍵詞：植保無人機;變量噴灑系統(tǒng);流量控制算法;PWM脈寬調(diào)制;覆蓋率;噴灑效果;流量高精度控制

中圖分類號：S252+.3? 文獻標志碼：A? 文章編號：1002-1302（2019）10-0245-06

隨著城市化的不斷加快，大量的青壯年選擇進城務(wù)工，農(nóng)村勞動力嚴重不足，農(nóng)業(yè)機械化已經(jīng)成為一種不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。近年來，農(nóng)業(yè)植保無人機越來越受到人們的關(guān)注。無人機植保與傳統(tǒng)人工施藥和地面機械施藥相比具有諸多優(yōu)勢，將是未來主流植保方式。隨著精準農(nóng)業(yè)需求的增長，對植保技術(shù)的要求也愈來愈高，對高均勻性、高精度的變量噴灑核心技術(shù)的研究已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的迫切需求。國內(nèi)關(guān)于農(nóng)業(yè)植保無人機的噴灑均勻性一直有研究，韓文霆研究了變量噴頭和均勻性的關(guān)系，研制了一種可實現(xiàn)變量噴灑的噴頭[1]。陳超等為了提高可變噴嘴的噴灌均勻性，設(shè)計了一種可調(diào)噴頭的可變噴嘴，利用流量調(diào)節(jié)機構(gòu)改變噴頭工作壓力，通過出口調(diào)節(jié)機構(gòu)改變噴頭出口，并統(tǒng)一調(diào)整噴嘴出口面積和工作壓力[2]。張濤濤等將噴頭的壓力與脈寬調(diào)制和飛行速度通過公式聯(lián)系起來，根據(jù)采集到的植被覆蓋指數(shù)（NDVI）和飛行速度信息來調(diào)整脈沖寬度調(diào)制（PWM），利用霍爾傳感器獲得拖拉機轉(zhuǎn)速，從而保證農(nóng)藥的有效使用[3]。劉大印在2011年研發(fā)了一套基于PWM的變量農(nóng)藥噴灑控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)首次根據(jù)霍爾傳感器獲取拖拉機速度調(diào)節(jié)噴灑流量[4]。徐興等于2014年設(shè)計了小型無人機機載農(nóng)藥變量噴灑系統(tǒng)，通過調(diào)整PWM噴灑控制信號的占空比改變液泵的工作時間，從而實現(xiàn)變量噴灑，分別測試了0.3、0.4、0.5 L/min流量控制指標下的變量噴灑試驗效果，達到變量噴灑控制的目的[5]。何勇于2015年將變量噴灑技術(shù)應(yīng)用于單旋翼無人直升機，通過光流傳感器測量飛行速度，實現(xiàn)了流量根據(jù)飛行速度的變化自主調(diào)節(jié)，在不同的飛行速度內(nèi)采用不同的固定流量進行噴灑[6]。2017年，肖利平等采用ST公司的STM32F407VGT6作為均勻噴灑中央處理模塊實現(xiàn)變量噴灑，將變量噴灑應(yīng)用于四旋翼無人機，完成了基于PWM的變量農(nóng)藥噴灑控制系統(tǒng)[7]。2014年，陳超等設(shè)計了一款改變壓力來實現(xiàn)變量噴灑的裝置，而且研究了噴灑時的水力性能和能耗，方形域噴灑的能耗比圓形域噴灑低30.3%，可為變域噴灑提供一種低能耗的新模式[8]。當噴灑高度逐漸增加時，對于多噴頭的植保無人機2個噴頭之間會有一定的重噴區(qū)域，其中2個噴頭會有一定的影響，噴射過程中往往產(chǎn)生沖撞等相互作用，噴頭之間會相互影響[9]。蔣煥煜等于2014年提出一種通過圖像處理技術(shù)以區(qū)域內(nèi)霧滴覆蓋率作為噴灑效果的判定指標[10]。雖然國內(nèi)關(guān)于變量噴灑的研究已經(jīng)有了很大進展，但是現(xiàn)有的PWM流量控制依然存在著流量控制較粗糙、整體噴灑均勻性較低、精度低等問題。本試驗重點研究的是根據(jù)實時速度自主調(diào)節(jié)流量的變量噴灑系統(tǒng)，實現(xiàn)對流量的高精度控制，從而達到較好的噴灑效果。

1 噴灑效果的衡量指標和影響因素

1.1 噴灑效果的衡量指標

霧滴的覆蓋率指的是水敏紙上粘上霧滴變藍的面積占整個水敏紙總面積的比例，所以本研究選用水敏紙檢測霧滴的覆蓋率。覆蓋率的計算公式如下：

C=SA。

其中：C指的是霧滴的覆蓋率;S指的是水敏紙上被霧滴染成藍色的面積;A指的是水敏紙的全部的面積。

水敏紙上霧滴的數(shù)量越多，每個霧滴的粒徑越大，則整體霧滴的覆蓋率越大。所以，霧滴的覆蓋率可以體現(xiàn)出霧滴在農(nóng)作物上的分布情況和覆蓋情況。霧滴的覆蓋率越大，說明農(nóng)藥跟農(nóng)作物接觸的表面積也就越大，越有利于農(nóng)藥發(fā)揮其藥效作用。本研究將霧滴的覆蓋率作為評價噴灑效果的重要指標。

1.2 噴灑效果的影響因素

農(nóng)業(yè)植保無人機飛行作業(yè)時，在轉(zhuǎn)彎階段或者正常作業(yè)時由于速度波動等原因都不能保證絕對的勻速飛行。受到無人機飛行速度的影響，噴灑的覆蓋率波動很大。假如植保機的飛行速度為v m/s，噴灑流量為N mL/s，作業(yè)面積示意圖如圖1所示。則1 s的作業(yè)面積就是（2d·v） m2。根據(jù)圖1可得單位面積的霧滴體積V為式（2）。

由式（2）不難看出，只有噴灑的速度和噴灑體積（也就是流量）成正比關(guān)系時，才能保證噴灑單位面積的覆蓋率不變，也就是保證單位面積的霧滴體積是恒定的。噴灑的速度越大，噴灑的流量也應(yīng)越大，才能保證噴灑的整體覆蓋率的均勻性，從而保證整體較好的噴灑效果。根據(jù)式（2）可以推算出流量和速度的具體關(guān)系[式（3）]，由此可以看出流量和速度是成正比的線性關(guān)系。

2 變量噴灑系統(tǒng)設(shè)計

2.1 變量噴灑系統(tǒng)硬件設(shè)計

變量噴灑系統(tǒng)硬件主要由嵌入式板、飛行控制器、電子調(diào)速器、水泵、噴頭和流量計六大部分組成。本研究重點設(shè)計了嵌入式板，用AltiumDesigner軟件完成了原理圖、PCB的繪制，最終將實物完成。嵌入式板是整個噴灑系統(tǒng)的硬件核心，不僅負責(zé)給各個噴灑模塊供電，還要與各個模塊進行通信。變量噴灑系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示。

2.1.1 變量噴灑系統(tǒng)主控芯片電路設(shè)計 主控芯片選用的是STM32F745，因為它有豐富的外設(shè)資源、168 MHz的主頻。在設(shè)計主控芯片的原理圖時，并沒有采用傳統(tǒng)的原理圖與芯片實物一一對應(yīng)的設(shè)計方法，而是采用了原理圖功能模塊化對主控原理圖進行引腳分類，同一接口或者同一功能放在一起。主控原理圖設(shè)計還包括復(fù)位電路、晶振電路、LED指示電路和各個模塊接口電路的設(shè)計。由于是變量噴灑系統(tǒng)，在設(shè)計原理圖時，重點設(shè)計了嵌入式板與飛控的通信接口，并且在通信線路上增加了隔離電阻防止對飛控造成影響。設(shè)計2路噴頭接口，使用的是GPIO口的復(fù)用定時器PWM功能。設(shè)計2路流量計接口，使用的是主控芯片的定時器捕獲引腳。主處理器的原理圖如圖3所示。

2.1.2 變量噴灑系統(tǒng)信號隔離電路 嵌入式板是整個噴灑系統(tǒng)的核心，負責(zé)所有噴灑模塊的供電和通信。為了防止外部模塊的毀壞影響嵌入式板，同時也為了防止嵌入式板毀壞影響外部模塊，添加硬件隔離電路是必要的。本研究選用的是常用電壓隔離芯片TXS0108。隔離電路如圖4所示。

2.1.3 變量噴灑系統(tǒng)流量計 本研究選用的流量計型號為SEN-HZ21 WA（圖5），該流量計的精度高達3%，這款流量計通過霍爾原理產(chǎn)生方波脈沖來獲取流量信息。該流量計三線聯(lián)接：紅色為正極，黑色為負極，黃色為脈沖信號，最大壓力1.75 MPa，流量1～30 L/min。經(jīng)實際試驗測得，本研究變量噴灑系統(tǒng)所需的最大流量對應(yīng)的脈沖數(shù)小于3 000個（詳見“31”節(jié)）。為了確保流量采集的精度，流量采集信號在硬件上要求的最小采集頻率為3 kHz。本變量噴灑系統(tǒng)配置系統(tǒng)時鐘為168 MHz，定時掛載到APB1，時鐘頻率為108 MHz。捕獲定時器設(shè)置為1 080分頻，經(jīng)過分頻后得到的信號采集的時鐘頻率為100 kHz。經(jīng)計算得到采樣精度為3%，已知流量計的精度為3%，最后得到流量系統(tǒng)的理論精度為5.91%[式（4）]。觸發(fā)條件設(shè)置為上升沿觸發(fā)，由于該變量噴灑系統(tǒng)僅須要獲取脈沖的數(shù)量，對脈沖波形和周期要求不高，該采樣頻率已經(jīng)滿足采樣要求。

2.2 變量噴灑系統(tǒng)軟件設(shè)計

對于一個完整的變量噴灑控制系統(tǒng)的開發(fā)，硬件電路只是其中的一部分，軟件的質(zhì)量直接影響系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。該控制系統(tǒng)采用模塊化的編程思想，通過編寫C代碼來實現(xiàn)的。本研究選用FreeRTOS作為軟件系統(tǒng)核心，使用Keil集成開發(fā)環(huán)境完成軟件模塊化。圖5是變量噴灑系統(tǒng)的軟件框架設(shè)計。

2.2.1 變量噴灑系統(tǒng)軟件流程 變量噴灑系統(tǒng)進行噴灑作業(yè)的具體流程如下：（1）嵌入式板通過解析Mavlink傳過來的心跳包，獲得無人機的實時速度。（2）從噴灑設(shè)置文件中獲取噴灑設(shè)置的相關(guān)信息，確定本次作業(yè)的具體霧滴參數(shù)，并且結(jié)合速度計算出本次作業(yè)需要的理論實時流量值。（3）然后嵌入式板輸出對應(yīng)占空比的脈寬調(diào)制信號PWM來驅(qū)動水泵和離心噴頭按照計算出來的流量進行噴灑作業(yè)。（4）嵌入式板通過計算流量計傳回的實時脈沖數(shù)將噴頭輸出的實時流量計算出來。（5）根據(jù)得到的實際流量和之前計算出來的理論流量，可以得到2個流量間的差值，將這個誤差作為流量控制算法的輸入?yún)?shù)。（6）判斷差值與設(shè)定的流量閾值。當差值大于流量閾值時，采用PID流量控制算法，使得誤差盡快減小;當差值小于流量閾值時，采用PD流量控制算法，減小流量超調(diào)，使得誤差保持穩(wěn)定。（7）流量控制算法的輸出結(jié)果是最新的流量數(shù)據(jù)。通過調(diào)整嵌入式板輸出的脈寬調(diào)制信號PWM的占空比，使水泵和離心噴頭按照最新的流量進行輸出，然后保存最新的流量數(shù)據(jù)到日志，方便以后分析數(shù)據(jù)和解決問題。（8）最后判斷噴灑是否結(jié)束，如果沒有結(jié)束，則關(guān)閉超時定時器，等待循環(huán)定時器，實現(xiàn)循環(huán)執(zhí)行PID控制算法。如果接收到停止噴灑的指令，則關(guān)閉所有定時器，結(jié)束噴灑。當噴灑過程中出現(xiàn)超時現(xiàn)象，則需要相應(yīng)的超時處理，并且發(fā)出異常信號，傳送到地面站上。

為了噴灑的穩(wěn)定可靠性，設(shè)計一個軟件定時器，在定時器中定時調(diào)用流量控制函數(shù)。為了防止變量噴灑軟件反應(yīng)超時，再嵌套1個超時定時器，1個噴灑從流量監(jiān)測到進行流量調(diào)節(jié)流程必須在規(guī)定時間t0 s內(nèi)完成，每隔t1 s調(diào)用1次變量噴灑主函數(shù)，因此必須要求t1>t0。變量噴灑系統(tǒng)軟件流程如圖6所示。

2.2.2 變量噴灑系統(tǒng)流量控制算法 流量控制算法在處理器中使用采樣控制，不能像模擬量那樣連續(xù)處理。有考慮到處理器的處理能力受到一定限制，綜合考慮該系統(tǒng)采用的是離散式PID控制算法，其算法公式為：

PID流量控制是提高噴灑覆蓋率的核心算法，用戶設(shè)定流量是根據(jù)飛行速度確定的理論流量，流量測量傳感器反饋回來的是實際流量，理論流量和實際流量的差值即為流量誤差e（k）。單純地使用傳統(tǒng)的PID算法有可能導(dǎo)致較大的積分累積，使得噴頭噴灑流量超過噴頭所允許的最大輸出流量，引起系統(tǒng)較大的超調(diào)或振蕩，輸出的流量極不穩(wěn)定，從而降低噴灑的覆蓋率。為了解決這個問題，本研究引入了分離積分式PD控制算法，可單純的PD控制算法又存在反應(yīng)滯后的問題，就是實際流量和設(shè)定的流量無法進行同步導(dǎo)致的滯后問題，流量的變化無法跟上實時速度的變化，也不能較好地解決噴灑覆蓋率隨速度變化而變化的問題。因此，解決這個辦法的思路就是設(shè)定一個流量閾值ε，當流量誤差大于這個閾值ε時，采用PID流量控制算法，使實際流量快速趨近穩(wěn)定線;當流量誤差小于這個閾值ε時，采用PD流量控制算法使實際流量減少振動，這樣既避免噴灑系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)，又保證噴灑系統(tǒng)有較快的響應(yīng);當誤差小于設(shè)定值時，采用PID控制，保證噴灑的覆蓋率一直恒定不變。整體流量控制算法的流程如圖7所示。

經(jīng)過PID流量處理的離散的流量PID控制算法系統(tǒng)函數(shù)如式（6）。

當e（k）>ε時，β=1;當e（k）≤ε時，β=0。通過這個變量β來實現(xiàn)當流量誤差大于閾值ε時，采用PID流量控制算法，使實際流量快速趨近穩(wěn)定線;當流量誤差小于這個流量閾值時，采用PD流量控制算法使實際流量減少振動，這樣既避免噴灑系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)，又保證變量噴灑系統(tǒng)有較快的響應(yīng)。

3 結(jié)果與分析

3.1 流量采集精度測量試驗

本研究流量計選用的是SEN-HZ21 WA高精度流量傳感器。流量計工作時，水流帶動流量計里的風(fēng)扇高速轉(zhuǎn)動，風(fēng)扇上裝有磁鐵，每轉(zhuǎn)動1圈磁鐵接觸到霍爾元件，從而產(chǎn)生1個方波信號，本研究選用的流量計為每個脈沖對應(yīng)的流量1.5 mL，水流轉(zhuǎn)動得越快，產(chǎn)生的方波信號頻率次數(shù)越多。流量計的信號線連接在嵌入式板的具有捕獲復(fù)用功能的IO口上，可以將處理器的IO口設(shè)置為上升沿觸發(fā)（由于本研究選用的是變頻流量計，所以可以不考慮占空比的問題），然后將每次的流量乘以當前捕獲到的上升沿次數(shù)就是該時刻的實時流量。因為流量計的值是反饋給PID流量控制算法的，所以要保證算法及時處理，不然系統(tǒng)就會有嚴重的延遲。計算出實時流量后將數(shù)據(jù)通過串口UART再經(jīng)過USB轉(zhuǎn)串口線傳給筆記本計算機，筆記本計算機通過串口調(diào)試助手將收到的流量數(shù)據(jù)及時打印出來。在這里單純?yōu)榱藴y量流量計的精度、方便計算，特地將定時器的時間延長到1 min，統(tǒng)計這 1 min 內(nèi)的上升沿數(shù)，讓其乘以每次的流量得到這1 min的流量，將數(shù)據(jù)顯示在筆記本計算機的串口調(diào)試助手上。流量精度測量試驗如圖8所示。

本試驗通過脈沖數(shù)計算出來的是理論流量值，通過高精度電子稱測的是實際流量值?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制信號PWM的占空比控制流量計的流量，得到不同占空比下的理論流量和實際流量，從而可以經(jīng)過計算得到每次的流量誤差精度。占空比從5.6%～7.9%之間以0.1%的間隔總共進行24組試驗，表1是24組不同占空比下的流量誤差精度試驗數(shù)據(jù)。

由表1中24組試驗數(shù)據(jù)經(jīng)計算得到誤差精度，誤差精度范圍均在6%以下，精度滿足試驗要求，可以進行變量噴灑試驗。在5.6%～7.9%之間，水泵噴頭的實際噴灑流量與占空比呈正相關(guān)，并且試驗結(jié)果表明變量噴灑系統(tǒng)軟硬件實現(xiàn)了測量流量的功能和流量控制算法具有可行性。

3.2 變量噴灑系統(tǒng)對照試驗

實現(xiàn)變量噴灑的方法除了本研究的PID流量控制方法外，還有一種分檔式的方法。為了驗證本系統(tǒng)的有效性和實際作業(yè)效果，本研究特地設(shè)計了對照試驗。由于對照試驗要求變量的單一性，特地采用本研究的硬件平臺，而不同的是軟件算法。在本研究設(shè)計的變量噴灑系統(tǒng)平臺中分別采用分檔式算法和PID流量控制算法進行對照試驗。分檔式算法分成5擋來設(shè)計，詳細分檔參數(shù)見表2。

本次試驗采用水敏紙檢測方法檢測農(nóng)業(yè)植保無人機在不同飛行速度下的作業(yè)效果。農(nóng)業(yè)植保無人機作業(yè)時將霧滴噴灑在水敏紙上，水敏紙立即發(fā)生顏色的變化。收集水敏紙時注意手指不要觸摸水敏紙正面，以免水敏紙遇到手上的汗液發(fā)生變色干擾試驗數(shù)據(jù)。得到水敏紙后，采用專業(yè)的HP M1216掃描儀（掃描精度是1 200×1 200 dpi）進行掃描，結(jié)果如圖9所示。得到的水敏紙通過圖像處理的方法，通過數(shù)據(jù)處理和分析得到霧滴的噴灑效果。

將掃描到的圖像經(jīng)過PhotoShop軟件進行處理，得到該圖像的紅（R）綠（G）藍（B）單通道的圖像信息碼，結(jié)果如圖10所示。對比3個圖像的灰度效果，R通道信息相對比較少、比較單一、處理起來比較方便，所以選取了R通道的圖像來作圖像分割。

Otsu閾值法是一種簡單而有效的全局自動閾值處理方法，用于對灰度圖像（如前景和背景）進行二值化處理，該方法在計算機視覺和醫(yī)學(xué)成像方面有很多的用途。分割后的圖片如圖11所示。

然后將處理好的圖片通過霧滴分析軟件打開，就可以得到本次水敏紙上霧滴的各種參數(shù)。該軟件包含霧滴密度、霧滴覆蓋率、霧滴粒徑等信息，霧滴分析軟件結(jié)果如圖12所示。

本試驗的對照組是使用分檔式算法的植保無人機在飛行速度從1 m/s增加到5 m/s下進行噴灑，試驗時間為2017年12月25日 試驗地點在杭州電子科技大學(xué)操場。對分檔式和PID算法分別設(shè)計試驗進行噴灑，然后通過上述圖像處理方法得出試驗組和對照組的覆蓋率和飛行速度的詳細數(shù)據(jù)（表3）。

由表3可以看出，在飛行速度從1 m/s增加到5 m/s的過程中，經(jīng)過流量PID調(diào)節(jié)的植保無人機噴灑的覆蓋率整體波動范圍較?。ǚ秶?0.9%～24.4%之間），相比之下分檔式植保無人機的覆蓋率波動范圍略大（范圍在20.1%～298%）。結(jié)果表明，本研究的變量噴灑系統(tǒng)具有可行性，該變量噴灑系統(tǒng)提升了噴灑的整體均勻性，實現(xiàn)了流量隨飛行速度自主調(diào)節(jié)的功能，能夠滿足小面積作業(yè)的基本要求。

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