王亞濤 吳開華

摘要：為提高多旋翼植保無人機的植保效果，設計一種用于多旋翼植保無人機的靜電噴霧系統(tǒng)。該靜電噴霧系統(tǒng)包括靜電噴頭、噴霧流量控制模塊?；诟袘胶呻娫碓O計了感應式靜電離心噴頭，基于PID算法設計噴霧流量控制模塊，基于網(wǎng)狀目標法設計荷質(zhì)比測量裝置。結(jié)果表明，該多旋翼植保無人機靜電噴霧系統(tǒng)中靜電噴頭可使霧滴荷電，噴霧流量控制模塊能夠穩(wěn)定地控制噴霧流量，荷質(zhì)比測量裝置能夠穩(wěn)定測量霧滴荷質(zhì)比，隨著荷電電壓增加，霧滴荷質(zhì)比逐漸增加，當荷電電壓為8 kV時，荷質(zhì)比達到最大值，為0.59 mC/kg。

關(guān)鍵詞：多旋翼植保無人機;靜電噴霧系統(tǒng);感應式靜電離心噴頭;荷質(zhì)比測量裝置;噴霧流量控制模塊

中圖分類號： S252+.3 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2020）03-0225-06

靜電噴霧技術(shù)可有效提高霧滴沉積效果[1]。多旋翼無人機可有效替代人力完成植保作業(yè)，并使得植保作業(yè)效率大大提高[2]。靜電噴霧技術(shù)結(jié)合多旋翼植保無人機技術(shù)可有效提高植保效率和植保效果。針對多旋翼植保無人機靜電噴霧系統(tǒng)的研究對于農(nóng)業(yè)植保技術(shù)發(fā)展和農(nóng)作物病蟲害防護具有重要意義。

目前，國內(nèi)靜電噴霧系統(tǒng)設計主要基于感應式荷電、電暈式荷電、接觸式荷電等3種基本原理[3]，其中作業(yè)平臺主要為地面植保器械、航空飛機或無人直升機等平臺，基于多旋翼植保無人機平臺的靜電噴霧系統(tǒng)研究相對較少。茹煜等針對XY8D型無人直升機設計了感應式靜電噴霧系統(tǒng)[4]。王士林等針對3WQF120-12型油動單旋翼植保無人直升機設計了接觸式靜電噴霧系統(tǒng)[5]。楊洲等針對地面植保器械設計了一種果園在線混藥型靜電噴霧機，其靜電噴霧系統(tǒng)為感應式靜電噴霧系統(tǒng)[6]。廉琦設計了多旋翼植保無人機靜電噴霧系統(tǒng)，其中靜電噴頭為感應式壓力靜電噴頭[7]。賈衛(wèi)東等基于接觸式荷電原理設計了背負式靜電噴霧器，并針對噴霧器噴霧性能進行了測試研究[8]。國外對于靜電噴霧系統(tǒng)的研究主要有地面植保器械和航空靜電噴霧系統(tǒng)等，加拿大相關(guān)學者基于拖拉機開發(fā)了風送式靜電噴霧系統(tǒng)[9]，英國相關(guān)學者基于拖拉機開發(fā)了靜電噴霧機[10]，美國相關(guān)學者主要基于航空飛機和直升機設計了航空靜電噴霧系統(tǒng)[11-12]。

為將靜電噴霧技術(shù)與多旋翼植保無人機植保技術(shù)相結(jié)合，設計多旋翼植保無人機靜電噴霧系統(tǒng)，包括靜電噴頭、噴霧流量控制模塊，針對荷電效果測量設計霧滴荷質(zhì)比測量裝置，并通過試驗驗證該系統(tǒng)有效性及穩(wěn)定性。

1 多旋翼植保無人機靜電噴霧系統(tǒng)

多旋翼植保無人機靜電噴霧系統(tǒng)主要基于感應式荷電原理而設計，該系統(tǒng)如圖1所示。該靜電噴霧系統(tǒng)主要包括靜電噴頭、高壓靜電發(fā)生器、供電電源等。其中靜電噴頭為自行設計的感應式離心靜電噴頭，靜電噴頭基于噴頭懸架垂直固定于旋翼下方。當無人機在植保作業(yè)時，旋翼旋轉(zhuǎn)時所形成垂直向下的風場可防止霧滴團漂移。高壓靜電發(fā)生器為江蘇浩瑞電子公司生產(chǎn)的小型、可調(diào)靜電發(fā)生器（高壓可調(diào)范圍為0～10 kV），質(zhì)量為 83 g，其供電電源為12 V直流電源，電源質(zhì)量為 180 g，該靜電發(fā)生器與供電電源分別固定于無人機橫軸上。該靜電噴霧系統(tǒng)作業(yè)平臺為杭州瓦屋科技有限公司生產(chǎn)的W730S四旋翼半自動植保無人機，每軸旋翼下方固定有感應式靜電離心噴頭，相鄰噴頭之間的間距為180 cm。其藥箱容積為10 L，動力和飛控供電電池容量為16 000 mA·h，可滿足植保作業(yè)時間大于10 min。

1.1 靜電噴頭

由圖2可知，靜電噴霧系統(tǒng)中噴頭為感應式靜電離心噴頭，該噴頭由感應環(huán)、感應環(huán)懸架、離心電機、旋葉等組成。其中，感應環(huán)材料為404不銹鋼，具有較高的強度和耐腐蝕性。感應環(huán)垂直方向距離出水口2 cm，環(huán)的寬度為2 cm，能較好地滿足荷電需求。感應環(huán)懸架的材料為尼龍PA6T，由于尼龍PA6T分子中具有大量的苯環(huán)，因此具有較好的耐腐蝕性和絕緣性，可滿足對化學農(nóng)藥的耐腐蝕性和對感應環(huán)的絕緣性需求。將感應環(huán)懸架分別與感應環(huán)和多旋翼植保無人機固定，固定方式為軸向固定。

1.2 靜電發(fā)生器接線方式

靜電發(fā)生器的接線方式對靜電噴霧系統(tǒng)中的霧滴荷電效果具有重要影響。根據(jù)感應式荷電原理，當靜電發(fā)生器的正極與感應環(huán)相接時，靜電發(fā)生器負極需要接地。同理，當靜電發(fā)生器的負極與感應環(huán)相接時，靜電發(fā)生器正極需要接地。靜電發(fā)生器的接線示意圖如圖3所示。當靜電發(fā)生器的負極接多旋翼植保無人機機架時，負極所產(chǎn)生的電荷會流入機架，此時從靜電發(fā)生器接地效果上機架相當于大地，靜電發(fā)生器接線實物圖如圖4所示。

1.3 靜電噴霧流量控制

噴霧流量是影響霧滴荷電效果的重要因素，噴霧流量大小改變會對霧滴荷電效果產(chǎn)生較大影響[13]。因此為保證無人機噴霧流量穩(wěn)定，設計W730S植保無人機噴霧流量穩(wěn)定控制模塊，該流量穩(wěn)定控制模塊如圖5所示。流量控制系統(tǒng)是由噴灑控制模塊、噴灑模塊、流量測量模塊等組成。飛控系統(tǒng)將速度數(shù)據(jù)通過MAVLINK協(xié)議發(fā)送至噴灑控制模塊。噴灑控制模塊根據(jù)接收到的飛行速度計算理論噴灑流量值，通過產(chǎn)生相應的PWM波信號傳至噴灑控制模塊中的電子調(diào)速器，電子調(diào)速器根據(jù)收到的PWM波信號調(diào)整噴灑模塊中的離心泵轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)流量控制。其中PWM脈寬調(diào)制信號有2個主要的參數(shù)：頻率、占空比，根據(jù)離心泵中電機頻率，本研究采用的PWM波頻率為45.45 Hz。無人機自帶流量控制硬件電路模塊通過調(diào)節(jié)PWM波的占空比實現(xiàn)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速。

為實現(xiàn)噴霧流量穩(wěn)定，采用PID控制算法來控制噴霧流量。根據(jù)無人機飛行速度v獲得初始噴霧流量L，并采用當前誤差e作為PID控制器的輸入。噴霧流量PID控制算法如圖6所示，根據(jù)當前誤差e得到PID控制參數(shù)KP、KI、KD，PID控制器通過噴灑模塊中電子調(diào)速器來調(diào)整離心泵中電機轉(zhuǎn)速調(diào)整噴霧流量，采用流量測量模塊中流量計測量出的噴霧流量L′作為負反饋，通過不斷將噴霧流量偏差值累加到噴霧流量初始值可獲得PID輸出參數(shù)。

2 驗證試驗設計

2.1 噴霧流量穩(wěn)定性試驗設計

為驗證噴霧流量的穩(wěn)定性，設計噴霧流量測試試驗。根據(jù)多旋翼植保無人機飛行速度最大范圍vmax及飛行速度調(diào)整間隔Δv，設置Nv組試驗，其中Nv的計算方法如公式（1）所示。為驗證不同噴霧流量下流量的穩(wěn)定性，首先通過Simulink仿真試驗獲得PID控制參數(shù)。然后采用重復測量試驗法對噴霧流量進行重復測量。設定噴霧時間，在噴霧時間內(nèi)采用積液筒對噴霧霧滴進行收集，噴霧結(jié)束后采用高精度電子天平對積液筒中的霧滴質(zhì)量進行測量，進而可得到單位流量值。在同一流量下重復多次測量，并計算單位流量值的平均相對偏差KL，計算方式如公式（2）所示。KL值越小，表明多旋翼植保無人機噴霧流量越穩(wěn)定。以流量誤差PL表征實際平均流量與理論流量誤差，其計算公式如公式（3）所示。噴霧流量測試示意圖如圖7所示。

針對霧滴荷質(zhì)比測量，基于網(wǎng)狀目標法設計霧滴荷質(zhì)比測量裝置，如圖8-a所示。金屬網(wǎng)分為3層，網(wǎng)孔數(shù)目從上至下依次為400、250、100目，材質(zhì)為404不銹鋼，具有良好的導電性，霧滴荷質(zhì)比測量裝置實物圖如圖8-b所示。當荷電霧滴群下落時，不同粒徑霧滴會沉積到不同網(wǎng)孔數(shù)目的金屬網(wǎng)上，此時霧滴所攜帶的電荷會流經(jīng)金屬網(wǎng)進行釋放。在電荷釋放過程中電荷會不斷流過精密電流表，電流表會顯示出電流值示數(shù)，因而可通過精密電流表對霧滴電荷量進行測量。當噴霧完成后，通過串口電子天平測量噴霧時間內(nèi)積液筒收集到霧滴的質(zhì)量，其中串口電子天平為安衡電子秤公司生產(chǎn)的櫻花串口電子天平（如圖9所示），該天平帶有串口RS232，具有與計算機數(shù)字通訊功能。通過噴霧時間、電流表示數(shù)和收集到的霧滴質(zhì)量可計算出霧滴荷質(zhì)比。

3 結(jié)果與分析

3.1 噴霧流量穩(wěn)定性驗證試驗

為驗證噴霧流量的穩(wěn)定性，在固定噴霧時間內(nèi)采集單噴頭噴出的全部霧滴，并測量霧滴的質(zhì)量。PID控制參數(shù)通過Simulink仿真試驗獲得，其中控制參數(shù)KP、KI、KD分別為66.0、2.4、435.6。噴霧流量測量試驗場景如圖10所示。試驗根據(jù)多旋翼植保無人機飛行速度檔位數(shù)分為5組，每組重復5次測量，得到的噴霧流量數(shù)據(jù)如表1所示，表1中試驗數(shù)據(jù)中流量誤差和流量平均相對偏差是根據(jù)公式（1）、公式（2）計算所得。

由表1可以看出，隨著無人機飛行速度增加，噴霧流量值逐漸增加。同時，采用PID控制后噴霧流量誤差最大不超過1.9%，表明噴霧流量控制模塊可精準控制噴霧流量的大小。每組噴霧流量平均相對偏差最大不超過1.2%，表明噴霧流量控制模塊可穩(wěn)定控制噴霧流量的大小。

3.2 荷質(zhì)比測量試驗

為驗證設計的多旋翼植保無人機靜電噴霧系統(tǒng)是否可正常進行噴霧作業(yè)及研究不同荷電電壓下霧滴荷質(zhì)比，采用“2.2”節(jié)中所設計的荷質(zhì)比測量裝置進行測量試驗。同時為保證在每次測量過程中荷電電壓為設定的固定值，采用高壓衰減碳棒（圖11）并連接電壓表測量荷電電壓，該高壓衰減碳棒的衰減比例為1 000 ∶ 1，正負極性均可測量。

荷質(zhì)比測量試驗在室內(nèi)進行，噴霧時采用單個噴頭測量方式。試驗分為5組，每組重復3次測量，每次測量過程中的噴霧時間設定為1 min。其中，噴霧時間計時方式為秒表計時，當噴霧開始時打開計時開關(guān)，當噴霧結(jié)束時關(guān)閉計時開關(guān)。靜電發(fā)生器的電壓變化范圍為0～10 kV，電壓變化間隔為 2 kV，噴霧高度設置為50 cm。

荷電電壓下測量得到霧滴荷質(zhì)比數(shù)據(jù)如表2所示，荷質(zhì)比為噴霧時間為1 min內(nèi)的荷質(zhì)比平均值，荷質(zhì)比偏差為噴霧1 min內(nèi)荷質(zhì)比的平均相對偏差。對表2中的數(shù)據(jù)進行分析得到霧滴荷質(zhì)比與荷電電壓的關(guān)系，如圖12所示。

由圖12中可以看出，通過荷質(zhì)比測量裝置可以測量出霧滴荷質(zhì)比，表明該多旋翼植保無人機靜電噴霧系統(tǒng)能夠?qū)F滴荷電。隨著荷電電壓逐漸增加，霧滴荷質(zhì)比逐漸增加。但當荷電電壓增加至8 kV 左右時，霧滴荷質(zhì)比有趨于飽和的趨勢。且從表2中可以看出，霧滴荷質(zhì)比平均相對偏差小于9.0%，表明荷質(zhì)比測量裝置能夠穩(wěn)定地測量霧滴荷質(zhì)比的大小。

4 結(jié)束語

針對多旋翼植保無人機設計一種靜電噴霧系統(tǒng)，包括感應式靜電離心噴頭、噴霧流量控制模塊，并為測量霧滴荷電效果，設計荷質(zhì)比測量裝置。噴霧流量穩(wěn)定性試驗結(jié)果表明，該噴霧流量控制算法可穩(wěn)定控制噴霧流量。荷質(zhì)比測量試驗結(jié)果表明感應式靜電離心噴頭可使霧滴荷電，隨著荷電電壓增加，霧滴荷質(zhì)比逐漸增加，當荷電電壓為8 kV時，霧滴荷質(zhì)比為0.59 mC/kg，荷質(zhì)比測量裝置可較為穩(wěn)定地測量霧滴荷質(zhì)比。該多旋翼植保無人機靜電噴霧系統(tǒng)霧滴沉積效果研究將會在后續(xù)工作中開展。

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