CN104148206B - 农业航空自适应离心雾化控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种农业航空自适应离心雾化控制系统，该装置用于航空作业离心雾化喷嘴，可根据无人机作业高度，调整离心雾化转盘的转速，使雾滴尺寸的大小随着无人机作业高度的变化而变化，使航空施药作业能兼顾作业效果与环境保护，以达到提高作业效果降低环境污染的目的。为实现上述目的，使用电机、喷嘴、离心雾化转盘，并设计以单片机和外围电路构成的嵌入式控制系统，根据无人机当前的飞行高度调整雾化转盘的转速，达到改变雾滴尺寸的目的。

Description

农业航空自适应离心雾化控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种农业航空自适应离心雾化控制系统，该装置用于航空作业离心雾化喷嘴，可根据无人机作业高度，调整离心雾化转盘的转速，使雾滴尺寸的大小随着无人机作业高度的变化而变化，使航空施药作业能兼顾作业效果与环境保护，以达到提高作业效果降低环境污染的目的。

背景技术

农药雾滴飘移是造成环境污染、农药流失、农药有效利用率低的一个重要原因，由于人们对环保的日益关注，控制农药漂移一直是植保机械及施药技术领域的研究重点。农业航空作业时往往使用高浓度药液，在这些药液雾化并由空中向地面运动的过程中，小尺寸的雾滴会在空中挥发或跟随气流和空气的运动飘离靶标区域，影响周边水源、土壤与其他农作物生长，亦会造成靶标区域上空有毒空气蔓延。另一方面，大尺寸的雾滴在作物上的附着率较低，分布不均匀，影响施药效果。因此雾滴尺寸的大小，对航空施药的效果起着决定性的作用。

研究表明，为保证施药效果和减少飘移，不同高度的航空施药作业，需要不同尺寸大小的雾滴群，雾滴群的平均尺寸应随着作业高度的增高而增大，但由于航空施药过程中，无人机受气流波动与操控手人为操纵的影响，无法保证其全过程中作业高度的一致性，往往上下波动幅度超过1.5m甚至达到3m，因此，单一雾滴尺寸型号的喷嘴，无法保证作业效果与环保效果兼顾。

发明内容

为实现航空施药雾滴尺寸的大小随着无人机作业高度的变化而变化，使用电机、喷嘴、离心雾化转盘，并设计以单片机和外围电路构成的嵌入式控制系统，根据无人机当前的飞行高度调整雾化转盘的转速，达到改变雾滴尺寸的目的。

原理：

在喷头结构及喷头流量、压力一定条件下，雾滴尺寸与离心雾化转盘转速相关，通过线性拟合，采用5阶线性算法，获得离心雾化转盘转速与雾滴尺寸之间关系式，如下：

f(x)＝-2.194E^-15x⁵+5.981E^-11x⁴-6.344E^-7x³+0.003268x²-8.224x+8509

其中f(x)为雾滴尺寸，x为离心雾化转盘转速。

根据飞行高度，查表获得雾滴尺寸期望值，通过上述雾滴尺寸与离心雾化转盘转速关系式，计算离心雾化转盘转速，单片机采用外部中断与定时中断累加算法求取当前离心雾化转盘转速的反馈值，采用增量式PID控制算法实现雾滴尺寸可控的目的。

硬件：

将无人机上原有GPS高度测量信号引入控制系统，实时读取当前无人机的飞行高度。控制系统通过改变电机输入电压，调整离心雾化转盘转速，使雾滴尺寸大小可控。不同高度下航空施药雾滴尺寸大小，依据航空施药技术规范与航空安全施药标准的内容，与航空施药模型仿真计算获取，离心雾化转盘转速与雾滴尺寸大小之间的关系通过实验获取。此外，施药器核心电子部件有防水防震设计，能够抵挡药液飘入，不会因为潮湿和震动影响施药的连续性。

软件：

考虑到无人机的飞行高度和施药雾滴尺寸相匹配特性，在软件设计方面采用控制系统与无人机同步响应的自适应控制策略，以单片机为主体，接近开关和高度计为反馈，管脚中断为触发信号，定时器作为时间计量工具，通过控制调节直流电机的电压，达到雾化转盘转速调节的目的。

附图说明

图1为具体实施例中系统电路图；

图2为具体实施例中整体结构示意图；

图3为具体实施例中离心雾化转盘转速与其对应雾滴尺寸线性拟合图；

图4为具体实施例中主控制程序流程图；

图5为具体实施例中离心雾化转盘测速子程序流程图；

图6为具体实施例中增量式PID计算子程序。

图中：1-控制器、2-直流电机、3-接近开关、4-离心雾化转盘、5-喷头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

一种农业航空自适应离心雾化控制系统，包括直流电机2、离心雾化转盘4，电机转轴与离心雾化转盘4连接，接近开关3包括安装在电机转轴上的条形金属和位于电机机壳上的开关触头，当电机运转时，条形金属也跟随电机主轴转动，每转过接近开关3一次，接近开关3的输出信号会经历一个从低到高再从高到低的跳变过程，单片机利用外部中断功能读取接近开关的信号，记录单位时间内条形金属转过开关触头的次数，从而计算当前离心雾化转盘4的转速。

接近开关3通过光耦连接单片机，接近开关3的输出的脉冲信号幅值为12V，而单片机能接受的最大电压为3.6V，光耦通过光电隔离的方式，使得接近开关3的12V电信号改变至3.6V，被单片机使用。同时光耦还能隔离接近开关输出信号的一些不稳定高频杂波，提高系统抗干扰能力。

高度传感器采用机载GPS，将高度测量信号引入控制器，控制器1包括单片机及外围电路，控制器1根据测得的飞行高度及相对应的离心雾化转盘转速期望值调整当前离心雾化转盘转速，达到雾滴尺寸可控的目的。

外围电路包括如下：高度传感器通过A/D模块经串口电路与单片机实现数据通信；机载电源通过稳压电路为单片机供电；程序接口电路为单片机提供控制程序，控制程序包括主控制程序及离心雾化转盘测速子程序、增量式PID计算子程序；数字电压调节模块连接单片机调节离心雾化转盘转速。

外围电路还包括：无线传输模块与单片机连接提供无线控制模式，实现2km范围内，施药系统的远程无线控制；8路继电器控制端连接单片机分别控制8路喷头开关和隔膜泵的开启与关闭；单片机还可接入语音控制模块，实现语音控制。

具体硬件设备包括如下：如图1所示为系统电路图，采用MSP430F149单片机为主控制芯片，接收反馈信号，拟定控制策略，发送控制指令；采用数字电压调节模块输出可调电压信号，实现离心雾化转盘的转速调节；采用CC1100无线传输模块，实现2km范围内施药系统的远程无线控制；同时，设计以LM2576、6N137、IRF540等集成模块组成的具有稳压、隔离、放大功能的外围电路与多路继电器控制端口。

其外围电路有：U6存储芯片电路、U2复位芯片电路、U3时钟芯片、J15程序接口。232通讯模块选用MAX232芯片，其信号在隔离后与上位机P3.4、P3.5管脚相连。上位机P2.0-2.7管脚组成双路数字电压调节模块控制端，接入数字电位计的INC、UD及CS管脚，数字电位计与数字电压调节模块LM2576adj的反馈端相连，组成电压可调稳压开关电源，亦可实现对12V直流隔膜泵的流量控制。上位机P3.0-3.2管脚以SPI的传输方式与CC1100无线传输模块连接，组成无线通讯模块。上位机P4.0-4.7管脚作为键盘输入端。P5.0-5.7管脚与8路9013三极管与8路继电器组成的开关控制端相连，可控制8路喷头与液泵开启或关闭。语音控制模块选用华邦公司的ISD1700模块，其中J3、J4中的SPK+、SPK-可用来连接喇叭，SLK、SS、MOSI、SIMO与下位机SPI总线相连。

整体结构示意图如图2所示，喷头接入离心雾化转盘，离心雾化转盘通过转轴连接直流电机，直流电机上安装接近开关，单片机及外围电路组成的控制器实现对喷头及离线雾化转盘的控制。

上述设备硬件及控制器的具体操作方法如下：

1、确定离心雾化转盘转速与雾滴尺寸关系方程式：

首先通过试验获取离心雾化转盘转速与雾滴尺寸大小之间的关系，表1所示为试验获取的在喷头直径1.0mm、喷头压力0.2MP、喷头流量845ml/min条件下，离心雾化转盘转速与雾滴体积中径对应关系表：

喷头流量(ml/min)	转盘转速(rad/min)	雾滴体积中径Dv50(μm)
			845	2088	861
845	3036	428
			845	3831	370
845	5057	315
			845	6311	227
845	7518	206

表1

根据上表，采用5阶线性算法，获得离心雾化转盘转速与雾滴尺寸之间关系式，如下：

f(x)＝-2.194E^-15x⁵+5.981E^-11x⁴-6.344E^-7x³+0.003268x²-8.224x+8509

其中f(x)为雾滴尺寸，x为离心雾化转盘转速；

如图3所示线性拟合图，虚线为使用多个分段函数组成的方程估算的离心雾化转盘转速与其对应雾滴尺寸的关系，准确度低，且程序繁琐，实线为通过5阶线性算法拟合后的关系曲线，一条方程且更为精确。

然后，单片机读取高度传感器反馈值，依据航空施药技术规范与航空安全施药标准的内容，确定该高度下施药雾滴尺寸；根据已确定的施药雾滴尺寸与拟合的5阶线性方程，计算离心雾化转盘转速期望值；执行离心雾化转盘测速子程序，测量当前离心雾化转盘转速；依据当前离心雾化转盘转速，执行增量式PID计算子程序，计算输出电压增量，调节离心雾化转盘转速达期望值；循环上述过程。图4为主控制程序流程图。

图5为离心雾化转盘测速子程序流程图，包括如下步骤：

(1)计数器、定时器初始化；

(2)等待接近开关脉冲信号的输入；

(3)规定时间t内，每当有脉冲信号输入时，累加器+1，超出规定时间t，跳出循环；

(4)计算离心雾化转盘转速＝(累加器数值/2)/规定时间t。

图6为增量式PID计算子程序，其中：

e(k)：代表当前时间节点上，输出值与期望值之间的差值

e(k-1)：代表上一个时间节点上，输出值与期望值之间的差值

e(k-2)：代表上上个时间节点上，输出值与期望值之间的差值

Kp：比例系数；

Ki：积分系数；

Kd：微分系数。

Claims (6)

1.一种农业航空自适应离心雾化控制系统，包括电机、离心雾化转盘，电机转轴与离心雾化转盘连接，其特征在于：接近开关测离心雾化转盘转速输入控制器，高度传感器连接控制器，控制器连接电机控制电机转速进而控制离心雾化转盘转速；

控制器包括单片机及外围电路，外围电路包括如下：高度传感器通过A/D模块经串口电路与单片机实现数据通信；机载电源通过稳压电路为单片机供电；程序接口电路为单片机提供控制程序；数字电压调节模块连接单片机调节离心雾化转盘转速。

2.根据权利要求1所述的农业航空自适应离心雾化控制系统，其特征在于：外围电路还包括：无线传输模块与单片机连接提供无线控制模式。

3.根据权利要求1所述的农业航空自适应离心雾化控制系统，其特征在于：外围电路还包括：多路继电器控制端连接单片机且分别控制喷头开关和隔膜泵。

4.根据权利要求1所述的农业航空自适应离心雾化控制系统，其特征在于：接近开关包括安装在电机转轴上的条形金属和位于电机机壳上的开关触头，接近开关通过光耦连接单片机。

5.一种权利要求1-4任一项所述的农业航空自适应离心雾化控制系统的控制方法，其特征在于：

(1)在喷头结构及喷头流量、压力一定条件下，雾滴尺寸与离心雾化转盘转速相关，通过线性拟合，采用5阶线性算法，获得离心雾化转盘转速与雾滴尺寸之间关系式，如下：

f(x)＝-2.194E^-15x⁵+5.981E^-11x⁴-6.344E-7x³+0.003268x²-8.224x+8509

其中f(x)为雾滴尺寸，x为离心雾化转盘转速；

(2)单片机读取高度传感器反馈值，依据航空施药技术规范与航空安全施药标准的内容，确定该高度下施药雾滴尺寸；

(3)根据已确定的施药雾滴尺寸与步骤(1)中拟合的5阶线性方程，计算离心雾化转盘转速期望值；

(4)执行离心雾化转盘测速子程序，测量当前离心雾化转盘转速；

(5)依据当前离心雾化转盘转速，执行增量式PID计算子程序，计算输出电压增量，调节离心雾化转盘转速达期望值；

(6)重复步骤(2)至(5)。

6.根据权利要求5所述的农业航空自适应离心雾化控制系统的控制方法，其特征在于：步骤(4)中离心雾化转盘测速子程序包括如下步骤：

(1)计数器、定时器初始化；

(2)等待接近开关脉冲信号的输入；

(3)规定时间t内，每当有脉冲信号输入时，累加器+1，超出规定时间t，跳出循环；

(4)计算离心雾化转盘转速＝(累加器数值/2)/规定时间t。