劉維仁王洪興任 喆辛 雨

(1.黑龍江生物科技職業(yè)學院，哈爾濱 150025；2.哈爾濱理工大學測控技術與通信工程學院，哈爾濱 150050；3.北京新風航天裝備有限公司，北京 100854)

0 引言

近年來，隨著農業(yè)植保無人機技術的不斷發(fā)展，各種類型的植保無人機已經廣泛應用于農業(yè)生產中，提高了農業(yè)生產的工作效率，并且節(jié)省了人力、物力的消耗。伴隨著規(guī)?；N植引發(fā)的市場新需求，植保無人機市場漸入佳境，行業(yè)已經基本度過市場初級階段。市場需求帶動產業(yè)升級換代，無人機市場也從最初的專人操作逐漸向智能化方向發(fā)展?，F(xiàn)有的植保無人機噴灑方式，普遍采用相對比較粗放的作業(yè)方式，藥液高濃度、噴霧較細的噴霧技術，很大程度上依靠無人機駕駛員的手動操作或者程序預設，由人工決定配藥比例和藥劑噴灑的地點和流量[1]。但是依靠人的經驗進行判斷，常常會造成藥液濃度不均衡，噴灑過程中也存在漏噴或者重復噴灑等問題，尤其是在躲避障礙物、減速換壟等環(huán)節(jié)，經常會出現(xiàn)噴灑量過大，造成燒苗等現(xiàn)象，對農作物的生長有一定影響。為了保證植保無人機的作業(yè)質量，需要對植保無人機的噴灑系統(tǒng)進行進一步優(yōu)化[2]。噴灑系統(tǒng)的藥液配比及流量控制是其廣泛應用的一個障礙，如何能夠實現(xiàn)噴灑系統(tǒng)智能化控制是目前亟待解決的問題。

1 智能噴灑系統(tǒng)的硬件設計

為了解決現(xiàn)有的無人機噴灑系統(tǒng)不能實現(xiàn)噴灑系統(tǒng)的藥液配比及流量控制，并且噴灑效率低，影響農作物生長。本文提出了一種植保無人機智能控制噴灑系統(tǒng)，包括：智能配藥模塊、精準噴灑模塊、智能監(jiān)測模塊。智能控制噴灑系統(tǒng)具有智能化配藥，精準化噴灑和系統(tǒng)化監(jiān)測等優(yōu)點[3]，可以有效解決植保無人機配藥粗放不精細、流量噴灑難以控制、各項指標監(jiān)測不全面等問題，可以更加精細地實施植保作業(yè)。

1.1 智能配藥單元

智能配藥模塊主要用于高精度的農藥配比和混合，采集藥箱和水箱的液位高度，根據(jù)作業(yè)需求按照一定比例進行農藥配比，并進行調配和混合，經檢測濃度合格后灌入噴灑箱，該模塊包括藥箱、水箱、控制單元1、控制單元2、調配單元、混合單元和噴灑箱(圖1)。具體用于噴灑前的藥品裝配階段，將農藥和水按照作物要求的配比進行混合?？刂茊卧?采集藥箱的液位和濃度，并控制藥品的流量；控制單元2采集水箱的液位高度并控制水的流量，根據(jù)作業(yè)需求按照一定的比例進行農藥配比，在調配區(qū)進行藥品的預混合，由于部分藥劑混合速度較慢或需要攪拌，所以進行調配后在混合區(qū)由混合電機進行攪拌混合。經調配區(qū)濃度傳感器檢測濃度合格后灌入噴灑箱。

圖1 智能配藥單元結構示意圖

1.2 精準噴灑單元

精準噴灑模塊用于控制植保無人機進行精準噴灑作業(yè)，采集流量數(shù)據(jù)、水壓數(shù)據(jù)，并且把采集到的信息反饋給噴灑CPU。該模塊包括噴灑CPU、變頻單元、水泵單元和可調噴頭單元(圖2)。具體用于作業(yè)中的噴灑精準控制，噴灑CPU將控制信號發(fā)送給變頻單元，變頻單元通過變頻處理后的控制信號來控制和調節(jié)水泵單元，水泵單元將藥液輸送至噴頭單元，噴頭單元將藥液噴灑出去[4]。噴頭的噴灑角度可由噴灑CPU 獨立控制，同時水泵單元將水壓檢測信號反饋至噴灑CPU，可調配噴頭單元將流量監(jiān)測信號反饋至噴灑CPU。

圖2 精準噴灑單元結構示意圖

1.3 智能監(jiān)測單元

智能監(jiān)測模塊監(jiān)測并記錄飛機的實時飛行數(shù)據(jù)、噴灑數(shù)據(jù)，并采集外部環(huán)境的相應數(shù)據(jù)，通過智能算法分析后對飛機噴灑系統(tǒng)進行實時反饋處理和實時修正，該模塊包括監(jiān)測CPU、飛行數(shù)據(jù)采集單元、噴灑數(shù)據(jù)采集單元、外部環(huán)境信息采集單元和智能算法單元(圖3)。監(jiān)測CPU采集數(shù)據(jù)，包括飛行數(shù)據(jù)、噴灑數(shù)據(jù)和外部環(huán)境信息，并且用卷積神經網絡智能算法進行數(shù)據(jù)處理和分析，重點進行噴灑數(shù)據(jù)和飛行數(shù)據(jù)的優(yōu)化，將優(yōu)化后的數(shù)據(jù)傳輸至噴灑模塊的噴灑CPU，就可以對飛機噴灑系統(tǒng)進行實時的優(yōu)化處理和飛行姿態(tài)及速度修正[5]。

圖3 智能監(jiān)測單元結構示意圖

2 結語

本文設計的植保無人機智能噴灑系統(tǒng)，可完成高精度的農藥配比和混合，并且采集流量數(shù)據(jù)、水壓數(shù)據(jù)，同時把采集到的信息反饋給噴灑CPU；監(jiān)測并記錄飛機的實時飛行數(shù)據(jù)、噴灑數(shù)據(jù)，并采集外部環(huán)境的相應數(shù)據(jù)，通過智能算法分析后對飛機噴灑系統(tǒng)進行實時的反饋處理和實時修正。從而可以對植保無人機的噴灑作業(yè)進行智能化調整和控制，以實現(xiàn)植保無人機進行精準化智能噴灑作業(yè)。

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