多旋翼植保無(wú)人機(jī)變量噴灑系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉澤鋒，唐 宇，駱少明，侯超鈞，黃偉鋒，陳亞勇

(仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 自動(dòng)化學(xué)院，廣州 510225)

0 引言

我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，擁有1.5億hm2基本農(nóng)田，農(nóng)業(yè)病蟲害的防治依然是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重點(diǎn)內(nèi)容，是保證農(nóng)業(yè)高產(chǎn)高質(zhì)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比, 我國(guó)的植保機(jī)械仍然較為落后, 目前使用手動(dòng)施藥藥械與背負(fù)式機(jī)動(dòng)藥械分別約占國(guó)內(nèi)植保機(jī)械保有量的93.07%和5.53%，植保作業(yè)投入的勞力多、勞動(dòng)強(qiáng)度大，容易導(dǎo)致環(huán)境污染，還會(huì)造成施藥人員農(nóng)藥中毒現(xiàn)象[1-2]。近年來(lái)，為了促使農(nóng)業(yè)作業(yè)方式的可持續(xù)發(fā)展，國(guó)家大力扶持農(nóng)用無(wú)人機(jī)的發(fā)展，與傳統(tǒng)地面田間植保機(jī)械相比，植保無(wú)人機(jī)具有效率高、體積小、避免中毒、能應(yīng)對(duì)突發(fā)和爆發(fā)性病蟲害等特點(diǎn)。

目前，國(guó)內(nèi)相關(guān)科研院所、大學(xué)、企業(yè)等都爭(zhēng)相對(duì)植保無(wú)人機(jī)航空噴灑技術(shù)展開(kāi)了深入的研究。王玲等應(yīng)用微型無(wú)人機(jī)對(duì)噴灑霧滴沉積規(guī)律進(jìn)行了研究[3]，結(jié)果表明：風(fēng)速是影響霧滴沉積效果的顯著因素；劉乃玲等對(duì)不同壓力式噴嘴進(jìn)行流量特性實(shí)驗(yàn)研究[4]，結(jié)果表明：噴嘴流量與噴霧壓力和噴孔直徑之間呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系；廉琦設(shè)計(jì)了一款新型的扇形霧靜電噴頭，霧滴平均沉積密度比非靜電噴頭提高了13.6%以上[5]。但是，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的農(nóng)業(yè)航空技術(shù)發(fā)展仍在發(fā)展階段，特別是針對(duì)多旋翼植保無(wú)人機(jī)噴灑系統(tǒng)中液泵動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)的研制較少。市面上大部分的液泵控制器仍然采用較為落后的開(kāi)關(guān)式控制，無(wú)法對(duì)無(wú)人機(jī)噴灑流量進(jìn)行變量控制，而使農(nóng)藥過(guò)量使用，導(dǎo)致環(huán)境污染和作業(yè)成本增加。

為此，本研究應(yīng)用脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)技術(shù)設(shè)計(jì)了多旋翼植保無(wú)人機(jī)變量噴灑系統(tǒng)，通過(guò)控制液泵的輸入功率改變噴灑管道壓力，從而控制噴灑流量。同時(shí)，采用Abaqus有限元分析軟件對(duì)多旋翼植保無(wú)人機(jī)變量噴灑系統(tǒng)的關(guān)鍵受力部件進(jìn)行線性靜力分析，確保噴灑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

1 植保無(wú)人機(jī)起落架設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本論文采用我校自主研發(fā)的六軸六旋翼無(wú)人機(jī)ZHKU-0606-02作為主體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，機(jī)體參數(shù)如下：軸距1 400mm，機(jī)體質(zhì)量8.98kg，標(biāo)準(zhǔn)載重10 L，標(biāo)準(zhǔn)載重飛行時(shí)間10min。

起落架是農(nóng)業(yè)植保無(wú)人機(jī)的重要組成部分，與普通航拍無(wú)人機(jī)不同，農(nóng)業(yè)植保無(wú)人機(jī)起落架的設(shè)計(jì)合理性可確保無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和飛行時(shí)的姿態(tài)平穩(wěn)。起落架需要具備較高的機(jī)械強(qiáng)度和韌性，并且具有較輕的質(zhì)量，以減小無(wú)人機(jī)的額外負(fù)載。

本研究設(shè)計(jì)的植保無(wú)人機(jī)起落架采用碳纖維桿作為主要結(jié)構(gòu)材料，連接部件分采用一體化硬鋁材料；采用支撐腳外傾15°的方式確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，采用藥箱內(nèi)包含的結(jié)構(gòu)，無(wú)人機(jī)電池則置于藥箱上方，可以有效降低無(wú)人機(jī)重心，確保無(wú)人機(jī)飛行時(shí)的姿態(tài)平穩(wěn)。本研究設(shè)計(jì)的植保無(wú)人機(jī)起落架結(jié)構(gòu)如圖1所示。該機(jī)構(gòu)具備了無(wú)人機(jī)起風(fēng)與降落所需的強(qiáng)度、韌性和輕盈性。經(jīng)破壞性實(shí)驗(yàn)，在植保無(wú)人機(jī)滿載飛行高度3m的情況下，瞬間失控俯沖墜機(jī)時(shí)，本研究設(shè)計(jì)的起落架提供了緩沖作用。墜機(jī)僅導(dǎo)致在起落架橫向支撐桿處出現(xiàn)8cm裂痕，機(jī)體仍保持結(jié)構(gòu)完整及穩(wěn)定性。

1.支撐腳 2.藥箱 3.藥箱固定部件 4.底部承重部件 5.底板 6.電池 7.液泵

1.2 部件有限元分析

有限元分析(Finite Element Analysis，F(xiàn)EA)是一種利用離散化思想計(jì)算復(fù)雜結(jié)構(gòu)物理系統(tǒng)的數(shù)值分析方法，可以為復(fù)雜結(jié)構(gòu)問(wèn)題提供了簡(jiǎn)單求解道路。顧文杰在山地作物低空噴灑系統(tǒng)的研究中對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)機(jī)體部分部件進(jìn)行了靜力有限元分析[6]，表明Abaqus可應(yīng)用于無(wú)人機(jī)部件受力分析。本研究使用Abaqus有限元分析軟件對(duì)植保無(wú)人機(jī)起落架關(guān)鍵受力部件進(jìn)行靜力受力分析。

植保無(wú)人機(jī)起落架的承重部件主要有底部承重部件及藥箱固定部件等。本設(shè)計(jì)主要針對(duì)底部承重部件與藥箱固定部件這兩塊受力易變形斷裂的部件進(jìn)行有限元分析。部件安裝位置如圖1所示。

1.2.1 底部承重部件

底部承重部件是植保無(wú)人機(jī)中心板與起落架之間的連接部件，植保無(wú)人機(jī)工作時(shí)底部承重部件承受著飛行器向上的升力與噴灑系統(tǒng)的重力，是多旋翼植保無(wú)人機(jī)各部件中重要的受力部件。

通過(guò)Abaqus對(duì)底部承重部件進(jìn)行部件繪制、施加載荷及劃分網(wǎng)格的操作結(jié)果如圖2所示。其中，圖2(a)為部件繪制圖；底部承重部件上表面固定于中心板，下端碳管固定筒承受向下35N載荷，如圖2(b)所示。采用掃掠算法劃分網(wǎng)格的方式，節(jié)點(diǎn)數(shù)為4 864，單元總數(shù)為3 222，劃分算法為C3D8R，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2(c)所示。

圖2 底部承重部件有限元分析Fig.2 Bottom bearing part finite element analysis

部件繪制完成后，對(duì)其進(jìn)行有限元模型求解。如圖2(d)所示，最大位移為1.180×10-3mm，發(fā)生在碳管鎖定管尾部，可以忽略不計(jì)；如圖2(e)和圖2(f)所示，最大應(yīng)力與最大應(yīng)變發(fā)生于連接部位，且最大應(yīng)力為1.708MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于硬鋁的屈服力325.8MPa，符合強(qiáng)度要求。由此說(shuō)明，底部承重部件設(shè)計(jì)合理可靠。

1.2.2 藥箱固定部件

藥箱由藥箱固定部件固定于起落架上，本設(shè)計(jì)將電池放置于藥箱上，所以藥箱固定部件需要承受標(biāo)準(zhǔn)載重時(shí)藥箱與電池的質(zhì)量。

部件繪制、施加載荷及劃分網(wǎng)格如圖3所示。圖3(a)為部件繪制圖，藥箱固定部件通過(guò)大孔固定在起落架碳軸的中部，通過(guò)螺絲穿過(guò)小孔連接藥箱的頂部，將承受向下32.5N載荷，如圖3(b)中白色箭頭所示。采用掃掠劃分的方式，節(jié)點(diǎn)數(shù)為7 812，單元總數(shù)為6 120，劃分算法為C3D8R，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3(c)所示。

部件繪制完成后對(duì)其進(jìn)行有限元模型求解。如圖3(d)所示，最大位移為3.252×10-4mm，發(fā)生在小孔外側(cè)，可以忽略不計(jì)。如圖3(e)與圖3(f)所示，最大應(yīng)力與最大應(yīng)變發(fā)生于連接處大孔內(nèi)側(cè)，最大應(yīng)力為1.411MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于硬鋁的屈服力325.8MPa，符合強(qiáng)度要求。由此說(shuō)明，藥箱固定部件設(shè)計(jì)合理可靠。

圖3 藥箱固定部件有限元分析Fig.3 Medicine chest fixing part finite element analysis

2 變量噴灑系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

本變量噴灑控制系統(tǒng)采用單片機(jī)控制水泵的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)噴頭的變量控制，通過(guò)控制液泵流量進(jìn)而控制噴頭噴灑流量。水泵使用PLD-1205微型直流隔膜液泵，其額定電壓為12V，額定功率為25W，最大壓力為0.65MPa，最大流量3.2L/min，如圖4所示。PLD-1205微型直流隔膜液泵具有自吸功能和熱保護(hù)功能，可以長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)空轉(zhuǎn)以及長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)，可滿足機(jī)載農(nóng)藥噴灑工作的要求。

本系統(tǒng)由控制核心、液泵驅(qū)動(dòng)電路及UBEC這3部分組成。控制核心接收到接收機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)后，將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為PWM信號(hào)發(fā)送至液泵驅(qū)動(dòng)電路，最終控制液泵輸出功率，實(shí)現(xiàn)變量控制噴灑流量的功能。

UBEC為電源控制電路，主要用于將鋰電池提供的12V電源轉(zhuǎn)換為單片機(jī)和接收機(jī)可以的5V電源。系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖4 藥液泵實(shí)物圖Fig.4 Liquid pumps physical map

圖5 變量噴灑系統(tǒng)框圖Fig.5 Variable spraying system block diagram

本系統(tǒng)采用STC15F104W單片機(jī)作為控制核心，它是STC公司生產(chǎn)的高性能、低功耗的8051單片機(jī)，4K字節(jié)可編程Flash，128字節(jié)SROM，1K字節(jié)EEPROM，2個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，內(nèi)部可編程時(shí)鐘，是一款增強(qiáng)型的C51內(nèi)核單片機(jī)。由于STC15F104W內(nèi)部集成晶振及復(fù)位電路，所以主控制系統(tǒng)無(wú)需連接外部晶振及復(fù)位電路。

本系統(tǒng)使用格式ACE3Sl鋰電池，由于STC15F104W為5V單片機(jī)，工作電壓為3.8～5.5V，因此需要對(duì)12V電源進(jìn)行降壓處理，實(shí)際降壓電路如圖6所示。其使用三端穩(wěn)壓集成芯片LM7805，最大輸入電壓為35V，輸出電流可達(dá)1A，內(nèi)含過(guò)流、過(guò)熱和過(guò)載保護(hù)電路；輸出端并聯(lián)入25V470uF電解電容消除7805所產(chǎn)生的自激振蕩。由于輸出電容儲(chǔ)存的電壓在斷電的瞬間無(wú)法完全釋放，當(dāng)輸入端斷開(kāi)時(shí)會(huì)造成輸入輸出兩端電壓倒置，極易損壞穩(wěn)壓器，所以需要在電源輸入端接入16V470uF電解電容。

圖6 UBEC原理圖Fig.6 Principle diagram of UBEC

液泵驅(qū)動(dòng)電路如圖7所示。

圖7 液泵驅(qū)動(dòng)原理圖Fig.7 Principle diagram of liquid pumps drive

電路中使用了IRF3205晶體管，屬于N溝道MOS管，最大漏源極電壓為55V，允許連續(xù)漏極電流為110A，門極閾值電壓為2～4V。STC15F104W單片機(jī)引腳輸出最高電壓為5V，恰好可以對(duì)IRF3205進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制，控制端接入二極管起到對(duì)單片機(jī)引腳保護(hù)作用。由于液泵電機(jī)屬于感性負(fù)載，并聯(lián)入肖特基二極管起到續(xù)流作用。

本系統(tǒng)采用Altium Designer進(jìn)行的PCB設(shè)計(jì)，它是一款主流的電子線路圖繪制軟件，在制圖工程師中被廣泛應(yīng)用，主要功能包括電路原理圖繪制、電路原理仿真、PCB布線及報(bào)表文件生成等。本文采用熱轉(zhuǎn)印法制作PCB，如圖8所示。熱轉(zhuǎn)印法通過(guò)加熱的方式將附著在轉(zhuǎn)印紙上碳粉轉(zhuǎn)印到覆銅板上，再通過(guò)腐蝕劑腐蝕掉多余的銅，最后得到所繪制的電路圖。由于加熱轉(zhuǎn)印與腐蝕銅是經(jīng)過(guò)物理化學(xué)處理，具有一定誤差，無(wú)法做到廠產(chǎn)PCB那般精確制作PCB，所以在繪制電路圖時(shí)需要加入誤差冗余，避免制作過(guò)程產(chǎn)生的誤差導(dǎo)致制版失敗。本設(shè)計(jì)繪制電路板時(shí)皆將線路與焊盤適當(dāng)加大加粗。

圖8 控制系統(tǒng)PCBFig.8 Control system PCB

2.2 軟件設(shè)計(jì)

變量噴灑控制系統(tǒng)的主程序流程圖如圖9所示。當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)啟后，則進(jìn)行以下流程：

1)對(duì)各部分硬件驅(qū)動(dòng)、軟件設(shè)置進(jìn)行初始化，包括輸入信號(hào)函數(shù)定義等。

2)進(jìn)行水泵驅(qū)動(dòng)行程校準(zhǔn)。行程校準(zhǔn)是判決是否是變量噴灑控制系統(tǒng)的關(guān)鍵之一，只有設(shè)置并定義好行程校準(zhǔn)函數(shù)才能有效進(jìn)行變量噴灑控制。

3)系統(tǒng)通過(guò)讀取接收機(jī)輸出的PWM信號(hào)并進(jìn)行信號(hào)判斷：①當(dāng)輸入脈寬等于1ms時(shí)，即控制端搖桿處于最低位時(shí)，變量噴灑控制系統(tǒng)開(kāi)啟；②否則，系統(tǒng)將重新進(jìn)入輸入信號(hào)判斷。

由工程經(jīng)驗(yàn)得知，在控制端油門大于10%時(shí)所輸出的電壓才足以使水泵啟動(dòng)。因此，在變量噴灑控制系統(tǒng)開(kāi)啟之后，當(dāng)輸入脈寬大于1.1ms(即控制端油門大于10%)時(shí)，根據(jù)輸入信號(hào)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的輸出PWM并循環(huán)該步驟；否則，重新進(jìn)入輸入信號(hào)判斷。

行程校準(zhǔn)是判決是否是變量噴灑控制系統(tǒng)的關(guān)鍵之一，只有設(shè)置并定義好行程校準(zhǔn)函數(shù)，才能有效地進(jìn)行變量噴灑控制。行程校準(zhǔn)流程圖如圖10所示。

圖9 系統(tǒng)控制流程圖Fig.9 System control flow chart

圖10 行程校準(zhǔn)程序流程圖Fig.10 The program flow chart of stroke calibration

進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，需先將控制端油門拉至最大，然后為變量噴灑控制系統(tǒng)上電，這時(shí)系統(tǒng)提示燈閃爍，之后再將油門拉至最小；當(dāng)系統(tǒng)提示燈再次閃爍時(shí)，說(shuō)明行程校準(zhǔn)完成。

3 占空比與流量關(guān)系試驗(yàn)與結(jié)果

3.1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)裝置主要由ST110-015噴頭、藥箱、硅膠導(dǎo)管、水泵、變量噴灑控制器、遙控器、接收機(jī)，以及霍爾流量計(jì)組成，各部分連接方式如圖11所示。

圖11 實(shí)驗(yàn)裝置連接圖Fig.11 Experimental device connection diagram

實(shí)際試驗(yàn)裝置如圖12所示。試驗(yàn)時(shí)，首先開(kāi)啟遙控器，再為各部分電氣器件上電，開(kāi)啟水泵，設(shè)定試驗(yàn)所需控制信號(hào)占空比。值得注意的是，由于噴頭剛開(kāi)始噴灑時(shí)霧滴較不穩(wěn)定，在開(kāi)始進(jìn)行流量測(cè)量試驗(yàn)時(shí)，需等待噴灑穩(wěn)定后再開(kāi)啟流量計(jì)進(jìn)行流量測(cè)量，確保試驗(yàn)有效性。在開(kāi)啟流量計(jì)的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，等待工作20s后，拉低遙控器控制柄；噴頭下方鋪設(shè)傾斜V型導(dǎo)流板使液滴聚集，并流入V型導(dǎo)流板下方燒杯；最終通過(guò)測(cè)量燒杯中液體容積和記錄流量計(jì)示數(shù)兩種方式保證流量測(cè)量準(zhǔn)確性。

圖12 實(shí)際實(shí)驗(yàn)裝置Fig.12 Actual experiment device

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

本變量噴灑控制系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)輸入信號(hào)占空比來(lái)控制輸出端電壓的方法實(shí)現(xiàn)變量控制。變量噴灑控制器輸入端接收信號(hào)為接收機(jī)輸出信號(hào)，本設(shè)計(jì)使用接收機(jī)為天地飛9通道接收機(jī)，其采用PWM信號(hào)通訊協(xié)議，信號(hào)周期為20ms，脈寬時(shí)間的范圍為1～2ms，遙控器可控步長(zhǎng)為0.025ms。經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)，控制占空比小于6%時(shí)液泵未能達(dá)到最小啟動(dòng)功率，液泵無(wú)法啟動(dòng)工作。因此，在程序中限制了輸入調(diào)節(jié)范圍，有效調(diào)節(jié)范圍控制在6%～10%，變量噴灑控制器輸出端對(duì)應(yīng)輸出2.4～12V電壓。

試驗(yàn)以占空比6%為起點(diǎn)，每組試驗(yàn)增加1個(gè)可控步長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)占空比增加0.125%，直至占空比增至10%結(jié)束。每組占空比試驗(yàn)重復(fù)3次試驗(yàn),每次試驗(yàn)的噴灑時(shí)間是20s，把每次試驗(yàn)得到的流量乘以3便可得到每次試驗(yàn)在1分鐘內(nèi)的噴灑流量，并求出平均噴灑流量，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 占空比與噴灑流量的關(guān)系實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 The experimental data of duty ratio and flow rate

續(xù)表1

對(duì)表1的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用3次多項(xiàng)式擬合方法，得到噴灑流量Q與占空比D之間的關(guān)系表達(dá)式為

Q=0.005D3-0.1508D2+1.5254D-4.4648

圖13是試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合示意圖。其中，R2=0.998，均方根誤差為0.010 7L/min，說(shuō)明數(shù)據(jù)擬合程度較好。在占空比為6%時(shí)，實(shí)際流量與擬合值之間的誤差為3.51%；占空比為7%時(shí)，誤差為1.69%；占空比為8%時(shí)，誤差為0.92%；占空比為9%時(shí)，誤差為0.52%。由此可知，擬合曲線的誤差隨占空比的增加逐步減少。實(shí)際流量與擬合值之間的均方根誤差為0.96%，說(shuō)明完全可以使用該關(guān)系表達(dá)式來(lái)描述占空比與噴灑流量之間的關(guān)系。

圖13 占空比與噴灑流量的擬合曲線Fig.13 Curing fitting between duty ratio and flow rate

在圖13中，占空比在6%～8%階段，擬合曲線斜率較大，噴灑流量隨占空比增加顯線性增長(zhǎng)；當(dāng)占空比大于8%時(shí)，擬合曲線較為平緩，此時(shí)隨著占空比的增加噴灑流量變化較小，最大噴灑流量為0.752L/min。導(dǎo)致之一結(jié)果的原因是：本設(shè)計(jì)使用的噴頭為ST110-015扇型噴頭(具體參數(shù)見(jiàn)表2)，其在最大壓力0.5MPa時(shí)所反映的最大噴灑流量為0.78L/min。經(jīng)測(cè)量，占空比在8%時(shí)，輸水管道內(nèi)部壓力為0.457MPa，接近0.5MPa。

表2 ST10-015扇形噴頭參數(shù)Table 2 Fan spray nozzle parameters

由此可知，當(dāng)占空比在8%時(shí)噴頭噴灑水壓已接近最大壓力，噴灑流量已近乎最大噴灑流量。

4 結(jié)論

1)有限元分析結(jié)果表明：底部承重部件最大應(yīng)變發(fā)生在夾角內(nèi)側(cè)，藥箱固定部件最大應(yīng)變發(fā)生在碳管套孔內(nèi)側(cè)。兩個(gè)部件最大應(yīng)變都非常小，說(shuō)明兩個(gè)部件受力較小，設(shè)計(jì)合理。

2)在占空比為6%～8%時(shí)，得到了噴灑流量與占空比的3次多項(xiàng)式擬合關(guān)系模型。其中，R2=0.998，均方根誤差為0.010 7L/min，顯示本系統(tǒng)的噴灑控制的輸出誤差較少，具有穩(wěn)定的流量控制效果。

3)在占空比大于等于8%時(shí)，噴灑流量基本不隨占空比的增加而變化。由于本設(shè)計(jì)只使用雙噴頭，限制了水泵最大導(dǎo)流量，若有噴幅及大流量需要，可將噴頭增加至4個(gè)，即可得到3.12L/min大流量噴灑。此時(shí)，控制端需將油門拉至最大才可達(dá)到最大噴灑，并可使噴灑流量隨占空比增加而顯線性增長(zhǎng)。