CN105984588A - 一种基于旋翼无人机机载的新型变量喷雾系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于旋翼无人机机载的新型变量喷雾系统，整个系统由三部分组成：电动离心喷头调速系统、远程控制系统和上位机系统。电动离心喷头调速系统包括ARM主控制器、传感器、喷头等；远程控制系统包括ARM主控制器、LCD和按键等；上位机系统可以显示传感器数据，并发送指令改变PWM占空比。整个系统有两种模式：手动和自动。手动模式下，改变雾化盘转速，得到需要的雾滴。自动模式下，以雾滴的体积中值直径（Dv50）等于100µm为目标，根据试验得到雾化盘转速与温湿度和高度之间的关系式，系统可以考虑雾滴下降过程中挥发的因素实时的改变雾化盘转速，使沉积到农作物叶片上的雾滴的体积中值直径始终为100µm左右。该变量喷雾装置具有“节水节药”“保护环境”的效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于小型旋翼无人机的新型变量喷雾系统，能够以手动和自动模式精确调整喷雾参数，该装置用于小型旋翼植保无人机的航空喷雾，在自动模式下，考虑了雾滴在下落过程中挥发因素的影响，根据喷雾时的飞行高度和当时的大气温度、湿度，实时自动的调整雾化盘转速，保证落到农作物叶片上雾滴的体积中值直径为100µm左右（根据中华人民共和国农业航空作业质量作业指标的内容，对低量和超低量喷雾，100µm左右是大多数农药消灭病虫害的最佳雾滴直径）；在手动模式下，通过上位机改变电动离心喷头的转速，使雾滴的粒径尺寸、雾滴覆盖率符合用户的要求；在两种模式下，都可以将占空比和传感器数据远程传输到上位机，并且对数据进行保存，便于后续的系统优化。该变量喷雾系统能够做到“按需喷药”，满足“精确农业”的要求，用最小的药量、最小的环境污染达到最有效控制病虫害的目的。
背景技术
我国是一个农业大国，农药的研制水平已居世界前列，但植保机械的研制和施药水平还很欠缺，实际农药喷洒作业中雾滴粒径的大小对消灭病虫害的效果具有很大的影响，而在雾滴的下落过程中的挥发因素对雾滴粒径的大小影响不可忽视，否则雾滴在农作物上的沉积特性不能达到要求。比如，在天气气温较高，相对湿度较小时，过小粒径尺寸的雾滴在下降过程中，会有大量的挥发且很容易漂移到其他的农田，在农作物上附着时间和雾滴覆盖率也很不理想，由于水分的挥发导致局部药液浓度过高，容易引发药害，反之，空气相对湿度较大，气温较低时，过大粒径尺寸的雾滴在农作物上附着时很容易从植物叶片上滚落，附着率和附着时间都较低，既达不到理想的防止病虫害的目的又污染了土壤。同理，施药高度的不同，导致雾滴下落距离不同，挥发因素对雾滴的参数也有很大的影响。因此，施药高度和空气温湿度对雾滴在农作物表面的沉积情况有很大影响；研究表明，为了保证理想的施药效果和保护环境，在不同的施药高度和温湿度的情况下，需要具有不同雾滴参数的初始喷出的雾滴，由于一年四季天气情况变化多端，不同的喷雾飞行平台又需要不同的施药高度，一般的变量喷雾装置只是定性的而非定量的精确的改变雾滴的参数，即使能够定量的改变雾滴的参数，也只是考虑了其中一种因素，因此，在纷繁多变的环境中，能够根据多因素的喷雾环境实时自动的精确的改变喷雾参数很重要。
发明内容
为了应对施药高度和空气温湿度的变化，实时自动的精确改变喷雾的参数，设计了新型变量喷雾系统，主要有以下四个部分：使用隔膜泵、电动离心喷头、软管、药箱等构成液路系统；使用ARM微处理器、温湿度传感器、声呐高度传感器、声呐测位传感器、无线收发模块、电机驱动模块及其他外围电路构成电动离心喷头调速系统；使用ARM微处理器、无线收发模块，LCD液晶显示屏、按键及其他外围电路构成远程控制系统；又设计了上位机控制系统，显示施药高度、温湿度和液位数据并控制电动离心喷头转速；远程控制系统和上位机都可以控制离心喷头的转速，可以在不同的条件的方便选用；
原理：电动离心喷头调速原理：电动离心喷头调速系统采用ARM微处理器数字输出频率相同（频率为500Hz）占空比不同的PWM波（脉冲宽度调制信号），通过电机驱动模块驱动电动离心喷头，获得不同的转速，从而可以得到不同雾化参数（雾滴粒径尺寸）的雾滴，根据《中华人民共和国民用航空行业标准》中农业航空作业质量指标（喷洒作业）得知，对于低量和超低量的杀虫作业，最佳的雾滴大小是50-150µm，这里我们设置100µm为喷雾目标体积中值直径；
通过三因素二次回归旋转正交试验，得出温湿度和高度对雾滴参数的影响都极其显著，得到雾化盘转速与温湿度和喷雾高度的具体的函数表达式为：
（1）
其中V为当体积中值直径为100µm时雾化盘转速，和分别为喷雾时的温度、湿度和高度；
在不同的PWM波占空比下，用高精度测速表测量电动离心喷头的转速，得到PWM波占空比和电动离心喷头的转速关系如下：
（2）
其中v为电动离心喷头转速，单位为rmp. 拟合关系式的相关系数R² = 0.9986
t为PWM波占空比的百分数；
超声波根据频率在20HZ-20KHZ范围内的声波在空气中的传播速度和发射脉冲到接收反射脉冲的时间间隔计算出障碍物到超声波测距器之间的距离，计算公式为：
（3）
其中S为超声波和被测物的距离，为声速，为声波来回的总时间；
硬件部分设计：在电动离心喷头调速系统中，声呐高度传感器测量高度，温湿度传感器测量温湿度，声呐测位传感器测量药箱中剩余药液的高度，温湿度、高度和液位数据通过无线收发模块无线传输到远程控制系统和上位机系统，手动模式下，远程控制系统和上位机都可以发送指令改变ARM控制器输出的PWM波的占空比的大小。在自动模式下雾滴的参数（主要指雾滴的体积中值直径）和传感器数据之间的函数关系由三因素二次回归旋转正交试验得出，喷头转速的大小和PWM波占空比由五次方程拟合出的函数表达式确定。电动离心喷头调速系统和旋翼无人机的飞控系统有很好的电磁隔离，避免相互之间的电子干扰，电动隔膜泵和电动离心喷头采用防水设计而成，并且安装在旋翼无人机的下面，避免喷雾时或出现故障时，药液进入喷头调速系统。远程控制系统连接LCD液晶显示器和按键；上位机显示传感器和占空比数据，与远程控制系统通过串口线连接；
本发明的有益效果是，在手动模式下，用户可以改变雾化盘转速，得到需要的雾滴粒径；在自动模式下，系统可以根据传感器采集的数据，通过回归旋转正交试验得到的函数表达式得到需要的转速，再通过占空比和转速关系式得到合适的占空比大小，自动的调节捕获/比较寄存器（TIMx—CCRx）的预装载值，改变占空比大小；手动和自动两种模式配合使用，可以满足大多数的农作物和不同天气条件、施药高度下的喷雾作业，喷雾参数的大小考虑了施药高度和温湿度多个因素，因此更加有效的满足“精准施药”的要求。传感器数据可以显示在上位机界面，存储在上位机后台的数据库，便于以后的数据分析和系统优化升级；
软件部分设计：对于电动离心喷头调速系统，以ARM控制器为主体，选择PWM输出模式，ARM控制器利用通用定时器中断产生两路完全相同的PWM波输出信号，ARR和PSC两个寄存器设置PWM波的周期（频率），通过TIMx_CCRx改变占空比的大小，控制两个挂载在旋翼无人机两侧的完全相同的两个电动离心喷头。对于远程控制系统，按键作为外部触发中断，在中断函数中，占空比显示在LCD液晶显示器上，并且将占空比传给无线收发模块，然后无线传输到电动离心喷头调速系统。对于上位机系统，上位机通过串口线与远程控制系统相连接，上位机串口接受远程控制器传过来的传感器信息，触发串口控件，串口控件将数据显示在文本框控件中，点击改变占空比的按钮控件，将占空比指令通过远程控制系统和无线收发模块传输到调速系统，改变喷头的转速。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对发明进一步的说明
图1为具体实施例中整个系统的结构图
图2为具体实施例中系统实施概况图
图3为具体实例中管路系统结构图
图4为具体实例中ARM控制器输出的PWM波占空比和电动离心喷头转速曲线拟合图
图5为具体实例中远程控制系统主控制程序流程图
图6为具体实例中电动离心喷头调速系统主控制程序流程图
图7为具体实例中ARM控制器产生PWM波配置步骤流程图
图8为上位机系统界面
图9为上位机系统主程序流程图
图10为声呐测量液位的示意图
图2中：101-远程控制系统主控制器 102-按键模块 103-LCD显示模块 104-电源集成模块 105-无线收发模块； 201-调速系统主控制器 202-无线收发模块 203-温湿度传感器204-声呐高度传感器 205-声呐测位传感器 206-电子调速器 207-电动离心喷头 208-无人机机架中心板 209-药箱 210-PVC专用喷药软管 211-隔膜泵； 301-上位机系统 302-串口线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
一种基于旋翼无人机机载的新型变量喷雾系统，包括电动离心喷头调速系统、远程控制系统、上位机控制系统。电动离心喷头调速系统包括ARM控制器（201）、电动离心喷头（207）、温湿度传感器（203）、声呐高度传感器（204）、直流电机驱动模块（206）、无线收发模块（202）、声呐测位传感器（205）组成，声呐测位传感器（205）安装在药箱（209）的上部，测量药箱中药液的液位，温湿度、高度和药箱中液位数据发送到无线收发模块（202），同时无线收发模块（202）接受远程控制系统发送过来的占空比改变指令，再经过ARM控制器（201）和直流电机驱动模块（206）驱动电动离心喷头（207）转动；远程控制系统包括ARM主控制器（101）、按键（102）、LCD显示屏（103）、无线收发模块（105）组成，无线收发模块（105）接受电动离心喷头调速系统中无线收发模块（202）中的信息，同时向无线收发模块（202）发送占空比改变指令，按键（102）设置系统的工作模式，LCD显示屏（103）显示当前PWM波占空比大小；远程控制模块通过串口线（302）与上位机系统（301）连接；
PWM设置：ARM控制器（201）产生的PWM波频率为500Hz，占空比则可以从0%—100%改变，间隔为1%，这样更加精确的调节喷头的转速；
外围电路主要包括温湿度传感器、声呐测位传感器和声呐高度传感器与ARM控制器通信电路，程序接口电路为电动离心喷头调速系统和远程控制系统的两个主控制器提供程序的下载；控制程序包括主控制程序、温湿度的采集，高度的采集，药箱中液位的采集、无线收发模块之间的无线通讯，PWM输出、上位机与远程控制系统的串口通信；
外围电路还包括：上位机系统通过串口电路与远程控制系统实现串口通信，采用MAX232芯片将电脑的RS232电平和控制器的TTL电平进行转换。无线收发模块要成对使用，每个模块上面继承了一个STM15微处理器，这样两个无线收发模块通过串口分别与电动离心喷头调速系统和远程控制系统串口通信，实现2km范围内，施药系统的远程无线控制。整个系统的供电有12V锂电池提供，锂电池电压保护板提供保护，采用3.3V和5V的稳压电路，为控制器及其外围电路提供稳定的电压；
具体的硬件设备包括如下：图1为整个系统的技术方案图，电动离心喷头调速系统和远程控制系统的主控制器都采用STM32F103RBt6为主控制芯片，用以产生占空比可调节的PWM波，接受外围部件信息并加以运算，发出控制指令；采用直流电机电子调速器将控制器输出的PWM电压信号放大，同时驱动两路电动离心喷头转动；采用SI4432无线收发模块，实现2km范围内施药系统的远程控制；采用DHT11温湿度传感器、HC-SR04声呐高度模块和声呐测位模块采集数据，交由主控制处理；同时，设计以锂电池、电压保护板、LM7805和REG1117-3.3等模块组成具有稳压电源的电源集成模块；设计与控制器连接的直插式按键接口和诺基亚5110LCD显示屏串行接口；
具体的硬件电路连接：对于远程控制系统，主控制器采用控制器最小系统（U4），包括主控制芯片STM32F103RBt6、复位芯片、时钟芯片、程序接口。远程控制系统与上位机采用RS232通讯，采用DB9针的串口线，选用MAX232芯片进行电平转换，LCD显示模块采用SPI的通信方式与主控制器的PB8、PB9、PB12、PB13、PB14管脚相连，无线收发模块SI4432采用UART的传输方式与主控制器的PB10、PB11管脚相连， U1为5V稳压芯片LM7805和U2为3.3V稳压芯片REG1117-3.3与主控制器VCC管脚相连，按键设置电路与主控制器PC0、PC1管脚相连；对于电动离心喷头调速系统，DHT11温湿度传感器与主控制器PB14管脚相连，声呐测位传感器采用SPI的传输方式与主控制器PC8、PC9管脚相连，声呐高度传感器采用UART的传输方式与主控制器PA2、PA3管脚相连；电动离心喷头电机驱动模块与主控制器PB6、PB7管脚相连，无线收发模块SI4432采用UART的传输方式与主控制器的PB10、PB11管脚相连；
上述硬件及控制器的具体操作方法如下：
（1）确定雾化盘转速和传感器数据之间的函数表达式
在不同的温度、湿度和高度组合下，以落到农作物叶片上的雾滴体积中值直径是100µm为标准，在计算机数据处理软件的辅助下，设计了三因素二次回归旋转正交实验，试验方案如表1所示：
表中，分别为三个因素的一次项编码，为两因素之间的交互项编码，为各个因素的二次项编码。其因素水平编码表如表2所示。
三因素二次回归旋转正交试验，因为旋转特性的存在，考虑了误差的方向，试验因素空间中与试验距离相等的球面上各处理组合的预测值具有几乎相等的特性，相对于其他回归试验，提高了试验的精度，增加了数据的可靠性。验证了三个因素对雾滴体积中值直径都有极显著影响，得到雾化盘转速与温度、湿度和高度之间的函数表达式，如下：
（1）
其中V为当体积中值直径为100µm时雾化盘转速，和分别为喷雾时的温度、湿度和高度；
（2）确定电动离心喷头调速系统输出PWM波的占空比大小和喷头电机转速之间的关系方程式；
通过试验，获得不同占空比下电动离心喷头转速数据，表1为试验获取的在电动离心喷头雾化盘直径58.1mm、喷头压力0.5MPa、喷头流量2L/min条件下，PWM波的占空比大小和喷头电机转速之间的对应关系表：
根据上表3，可知占空比小于8%以下时，喷头不转动，当占空比接近100%时，转速的变化已经不明显。采用多项式拟合，这里选用的是5次多项式，PWM波的占空比大小和喷头电机转速之间的关系式如下：
（2）
其中v为雾化盘转速，单位为rmp.相关系数R² = 0.9986
t为PWM波占空比的百分数；
如图4为5次多项式拟合图，相对直线的线性拟合，5次多项式拟合函数方程式的相关系数更高，拟合效果更精确，确保了系统的精度要求；
（3）根据声呐测量距离的原理，药箱中剩余药液的高度为
（3）
其中h为剩余药液的高度；
H为药箱内上壁总高度；
S为药箱内上壁至药液面的距离；
（4）自动模式下，调速系统具体程序的执行部分分为若干中断子程序和主循环，中断子程序优先级由高到低顺序安排，串口接受中断为最高优先级；主循环在中断程序之间的空闲时间间隔中执行，整个程序不断的周期循环进行，中断子程序和主循环的安排如表4所示：
（5）调速系统上电后：
先初始化传感器、定时器中断和配置PWM输出等；
接着执行接受中断子程序，接受模式设置指令；
在中断中更新温湿度和高度数值并保存；
执行转速计算子程序：主控制器根据公式（1）计算出在该传感器数据下需要的雾化盘转速；
执行PWM占空比设置子程序：根据公式（2）计算合适的占空比信号；
执行串口中断发送子程序，将占空比信息和传感器数据发送给上位机；
重复步骤—；
（6） 根据权利要求7所述的基于旋翼无人机机载的新型变量喷雾系统的控制系统，其特征在于：步骤 PWM占空比设置子程序包含以下步骤：
. 计数器、定时器初始化；
. 设置表示占空比的变量t，变量范围从1-100变化；
. 改变设置捕获/比较寄存器（TIMx_CCRx）预装载值，然后与自动装载计数器（CNT）进行比较，就可以得到相应的脉宽，也就是占空比，将占空比数值存入变量t；
. 在循环中将t导入公式（2）从1—100进行遍历，将每个变量t得到的转速v与步骤计算出的转速值进行比较；
. 当｜公式（1）计算的转速V－公式（2）计算的v｜<50rmp时我们就认为这时候公式（2）中的占空比数值t满足要求。
Claims (9)
1.一种基于旋翼无人机机载的新型变量喷雾系统，包括三个部分：电动离心喷头调速系统、远程控制系统和上位机控制系统，其特征在于：整个系统有两种模式：手动和自动；手动模式可以通过按键改变PWM占空比的大小，从而改变转速，得到我们希望的雾滴粒径参数；自动模式是主控制器根据传感器采集到的数据计算出当前喷雾环境下的雾化盘转速，保证随着喷雾环境的变化，实时的改变雾化盘转速，保证落到农作物叶子表面的雾滴的体积中值直径是100µm左右（根据中华人民共和国农业航空作业质量作业指标的内容，对超低量喷雾来说，100µm是大多数农药消灭病虫害的最佳雾滴直径）。
2.根据权利要求1所述的基于旋翼无人机机载的新型变量喷雾系统，其特征在于：电动离心喷头调速系统安装在旋翼无人机机架的中心板上并固定好，包括主控制器及其外围电路，ARM控制器根据传感器数据利用程序产生占空比合适的PWM波；外围电路包括如下：12V直流电源（锂电池）通过稳压电路模块为系统供电；程序接口为单片机提供控制程序；直流电机驱动模块连接主控制器的PWM输出引脚调节喷头的转速；远程控制系统包括主控制器及其外围电路，外围电路包括LCD显示屏用于显示当时的占空比的大小，按键用于在手动模式和自动模式之间切换。
3.根据权利要求1所述的基于旋翼无人机机载的新型变量喷雾系统，其特征在于：电源模块采用12V锂电池供电，在锂电池和系统之间配有电压保护板和电压转换模块；电压保护板有如下作用：防止锂电池因为过度放电而报废；为系统提供过流保护；电源电压转换模块的作用是为系统提供稳定的5V、3.3V和3V电压。
4.根据权利要求1所述的基于旋翼无人机机载的新型变量喷雾系统，其特征在于：外围电路还包括一对大功率的无线收发模块，分别与电动离心调速系统和远程控制系统的主控制器连接，用于数据和指令的无线传输。
5.根据权利要求1所述的基于旋翼无人机机载的新型变量喷雾系统，其特征在于：调速所依赖的环境是喷雾时的大气温度、大气湿度和雾化盘与农作物表面之间的相对高度；电动离心喷头调速系统的传感器包括：温湿度传感器、声呐测高传感器采用串行通信的方式与ARM主控制器进行数据通信，并通过无线收发模块将传感器数据无线传输到上位机系统。
6.根据权利要求1所述的基于旋翼无人机机载的新型变量喷雾系统，其特征在于：电动离心喷头调速系统的外围电路还包括：声呐测位传感器安装在药箱的最顶部，通过传感器监测药箱中液位的高低，及时提醒使用者药箱中剩余农药的多少。
7.根据权利要求1所述的基于旋翼无人机机载的新型变量喷雾系统，其特征在于：上位机系统显示传感器的数据，当液位数据等于零时，液位传感器显示控件变为红色，提醒药箱中药液已经没有剩余；显示当前占空比的大小；在手动模式下可以通过按钮控件发出改变占空比的指令；具有密码登录功能；具有保存、删除后台数据库数据的功能，以便进行后续的数据分析与系统优化。
8.一种权利要求1-6所述的基于旋翼无人机机载的新型变量喷雾系统的控制系统，其特征在于：
在不同的温度、湿度和高度组合下，以落到农作物叶片上的雾滴体积中值直径是100µm为标准，通过三因素二次回归旋转正交试验验证了三个因素对雾滴体积中值直径都有极显著影响，得到雾化盘转速与温度、湿度和高度之间的函数表达式，如下：
（1）
其中V为体积中值直径为100 时雾化盘转速，分别为喷雾时的温度、湿度和高度
在电动离心喷头雾化盘直径、喷头流量和压力确定的条件下，测得不同PWM波占空比下电动离心喷头的转速，采用五阶多项式拟合算法，拟合出PWM波占空比下电动离心喷头的转速的函数表达式如下：
（2）
其中v为雾化盘转速，t为PWM占空比的百分数
在自动模式下，调速系统具体程序的执行部分分为若干中断子程序和主循环，在中断子程序中优先级由高到低顺序安排，串口接受中断为最高优先级；主循环在中断程序之间的空闲时间间隔中执行，整个程序不断的周期循环进行，中断子程序和主循环的安排如表1所示：
调速系统上电后：
先初始化传感器、定时器中断和配置PWM输出等；
接着执行接受中断子程序，接受模式设置指令；
在中断中更新温湿度和高度数值并保存；
执行转速计算子程序：主控制器根据公式（1）计算出在该传感器数据下需要的雾化盘转速；
执行PWM占空比设置子程序：根据公式（2）计算合适的占空比信号；
执行串口中断发送子程序，将占空比信息和传感器数据发送给上位机；
重复步骤—。
9.根据权利要求7所述的基于旋翼无人机机载的新型变量喷雾系统的控制系统，其特征在于：步骤PWM占空比设置子程序包含以下步骤：
（1）计数器、定时器初始化；
（2）（设置表示占空比的变量t，变量范围从1-100变化；
（3）改变设置捕获/比较寄存器（TIMx_CCRx）预装载值，然后与自动装载计数器（CNT）进行比较，就可以得到相应的脉宽，也就是占空比，将占空比数值存入变量t；
（4）在循环中将t导入公式（2）从1%—100%进行遍历，将每个变量t得到的转速v与步骤计算出的转速值进行比较；
（5）当｜公式（1）计算的转速V－公式（2）计算的v｜<50rmp时，我们就认为这时候公式（2）中的占空比数值t满足要求。
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