無人機變量施藥實時監控系統設計與試驗

劉洋洋 茹 煜 陳 青 陳旭陽 劉 彬

(南京林業大學機械電子工程學院， 南京 210037)

0 引言

農藥利用率低一直是困擾我國施藥機械、施藥技術發展的重要因素，常規施藥方式的農藥利用率只有30%，不僅影響了病蟲害防治效果，也造成環境污染[1-2]。精準施藥技術是農業植保技術未來的發展方向[3-4]，其中旋翼類無人機具有作業靈活、成本低、效率高、不受作物長勢和地理因素制約、旋翼氣流可以增加藥液沉積效果等優勢[5-9]，被廣泛應用于信息遙感、農業監測和農業植保中[10-11]?；跓o人機發展精準施藥技術對提高我國農業機械化水平、實現精準農業具有重要意義。

航空變量施藥是實現精準施藥的重要途徑之一[12-15]。主要體現在可以根據處方圖的作業需求，以及作業高度、作業速度等參數的變化，實時調節施藥流量，避免造成農藥浪費或施藥量不足，從而實現單位面積施藥量的一致。航空變量施藥的關鍵是實時監測施藥作業參數和精準調控施藥流量[16]。施藥作業參數監測是實現精準施藥的前提，國內外學者對無人機施藥監測展開了一些相關研究。Adapco公司生產的Wingman GX[17]和袁玉敏[18]設計的無人機高精度定位系統都可以監測無人機的位置和施藥軌跡，但是不能對施藥流量進行監測。翟長遠等[19]設計了基于單片機的地面植保機械施藥監測系統，可以同時監測施藥壓力和施藥流量，但航空施藥在作業軌跡規劃、作業速度、作業高度等方面都與地面施藥有很大的不同。目前的研究還不能滿足航空變量施藥的監測需求。在航空變量施藥控制方面國內外學者也取得了一定的研究成就。邢航等[20]研發的無人機變量噴灑地面監控系統和王玲等[21]研發的無人機變量施藥系統，可對施藥流量進行手動控制，這種基于經驗的人為調控方式難以保證施藥的精準性。張瑞瑞等[22]設計的有人直升機變量施藥控制系統, LIAN 等[23]設計的變速噴灑系統和YAO等[24]設計的變速噴灑系統，主要研究作業速度、風向、添加劑等因素對液滴沉積、飄移和液滴大小的影響，并根據作業速度變化調節流量。以上研究不能同時根據作業高度、作業速度和公頃施藥量等多參數的變化自動調控施藥流量。

我國地形復雜，尤其在南方山區山坡、丘陵較多，農田不平整。無人機在這種特殊地形上空作業時，很難控制恒定的飛行參數，在調頭、轉向、爬坡等過程中，作業高度、作業速度、施藥流量等參數需要實時改變。本文結合我國實際情況，針對無人機施藥提出一種航空變量施藥分級控制算法，并研發適合我國航空變量施藥的實時監控系統，實時監測無人機的作業高度、作業速度、作業航跡、施藥流量及藥液余量等信息，并根據飛行參數的變化自動調節施藥流量。

1 監控系統設計

1.1 控制理論

為了達到農業病蟲害有效的防治效果，單位面積需要滿足一定的施藥量。施藥量過少起不到植保的目的，過多則會造成農藥浪費與環境污染。所以單位面積的施藥量應該控制在一定范圍內，本文對施藥量的控制采用調節流量閥門開度的方式。根據實際無人機施藥作業經驗可知，作業高度、作業速度、施藥流量都會影響單位面積施藥量(即公頃施藥量)。因此閥門的開度需要根據作業高度、作業速度和公頃施藥量的情況進行調節。

本文通過開發的分級控制算法控制流量閥門的開度，分級控制算法包括：確定無人機的作業高度、作業速度和公頃施藥量的權重；根據作業高度、作業速度、公頃施藥量以及閥門開度變化范圍，生成分級控制表；當作業高度、作業速度和公頃施藥量改變時，根據分級控制表和分級控制公式計算閥門對應的開度。

采用層次分析法確定各施藥參數的權重[25]。確定方法主要包括：①設置施藥參數判斷表，如表1所示，并邀請安徽、江蘇、浙江、山東、河北、河南6省的9家植保公司共計80位員工進行打分。分值評定為：同等重要、稍微重要、明顯重要、強烈重要和極端重要5個等級，對應的分值分別為1、3、5、7、9分。

表1 施藥參數判斷表Tab.1 Determination table of spray parameters

②計算判斷矩陣的特征向量，計算公式為

(1)

式中Wi——特征向量，施藥參數判斷表中第i行參數的權重

eij——施藥參數判斷表中第i行第j列分值

特征向量即為各參數對應的權重，通過計算80位評分人員的打分，可得出作業高度的權重為0.3，作業速度的權重為0.3，公頃施藥量的權重為0.4。

分級控制表是根據無人機植保作業標準和作業經驗總結得出。無人機正常施藥作業時的作業高度在1～5 m，作業速度在3～6 m/s，公頃施藥量在7.5～15 L/hm2，施藥流量在1.2～2.1 L/min。把作業高度、作業速度、公頃施藥量和施藥流量各分為5個等級。其中流量由電磁閥門開口面積和藥液流速共同決定，在藥液流速和施藥時間不變的前提下，閥門開口面積越大流量越大。由于開度閥都是球型電磁閥，開口面積可視為兩個大小相等圓重合、相交或相切。閥門開度的調節范圍為0°～90°，當閥門開度為0°時，兩圓重合，此時閥門處于全開狀態；當閥門開度在0°～90°之間時，兩圓相交；當閥門開度為90°時，兩圓相切，此時閥門處于關閉狀態。因此可推導出流量與閥門開度的公式為

(2)

式中qv——施藥流量，L/min

θ——閥門開度，(°)

v1——藥液流速，m/s

R——閥門管道半徑，mm

由于施藥流量在1.2～2.1 L/min之間，本文選擇額定流量為3.5 L/min的隔膜泵，管徑為6分管。所以在正常施藥時，閥門開度的變化范圍在51°～90°之間。因此流量等級可以轉換成閥門開度等級。由于閥門開度、作業高度、作業速度和公頃施藥量都為連續型變量，因此采用一般線性模型的方法進行分級，如表2所示。

表2 分級控制表Tab.2 Hierarchical control table

計算閥門開度，需要先確定閥門開度等級。閥門開度等級是把作業高度、作業速度和公頃施藥量的實際值，在分級控制表中對應的等級，代入閥門開度等級公式得出。閥門開度等級公式為

Dθ=0.3Dh+0.3Dv+0.4Dc

(3)

式中Dθ——閥門開度等級

Dh——作業高度等級

Dv——作業速度等級

Dc——公頃施藥量等級

把閥門開度等級代入閥門開度公式

(4)

即可計算出閥門開度。

當作業高度、作業速度和公頃施藥量發生變化時，系統根據分級控制表再結合公式(3)、(4)，可及時調節閥門到相應的開度，進而合理地改變施藥流量，達到精準施藥的目的。

1.2 硬件設計

該監控系統的硬件部分主要包括：單片機、GPS導航模塊、流量傳感器、液位傳感器、高精度大氣壓傳感器、無線通信傳輸模塊、按鍵和顯示屏等，圖1為航空施藥監控系統整體框架圖[26]。采用Ublox公司生產的GPS導航模塊獲取無人機飛行坐標和對地飛行速度；選用深圳林恩科技公司生產的LRL01型渦輪流量傳感器采集施藥流量；選用深圳林恩科技公司生產的LDY02型電容式液位傳感器采集藥箱液面高度；選用廣州市浩云安防科技股份有限公司生產的GY-63 MS5611-01BA03型高精度大氣壓傳感器采集作業高度；選用英國ARM公司生產的STM32F103VET6單片機作為信息處理控制的微控制器，用于對多元信號進行融合處理，計算出無人機的實際飛行狀態和施藥情況；通過深圳永達創力電子有限公司生產的RGB顯示屏和手機終端APP將無人機飛行狀態和施藥情況以數值和圖表的形式直觀地顯示。

圖1 系統框架圖Fig.1 System frame diagram

為了保證不影響無人機正常作業，該系統配有獨立的電源模塊，通過大容量鋰電池為系統供電，由于電池輸出電壓為3.7 V，而微控制器、傳感器、通信模塊以及繼電器等需要不同的電壓，為保證輸出穩定電壓，分別用LM2577和AMS1117電源芯片進行穩壓。其中，LM2577主要為GPS模塊、通信模塊、工業繼電器和微控制器提供穩定的5 V電壓；AMS1117主要為多元傳感器、微控制器和存儲設備提供穩定的3.3 V電壓。GPS導航模塊、流量傳感器、液位傳感器和大氣壓傳感器通過串行通信方式與微控制器進行數據交互，通信模塊作為無線傳輸的主要方式通過異步串行通信口與微控制器相連。以復位電路、晶振電路與微控制器內部電路相結合的方式，使微控制器穩定運行。工業繼電器作為閥門的控制開關，其電路原理圖如圖2所示，通過控制兩個繼電器的斷開與接通方式，來調節閥門開度。

圖2 繼電器電路圖Fig.2 Diagram of relay circuit

1.3 軟件設計

根據無人機施藥監控的可靠性、實時性以及可維護性等要求，采用C語言編寫系統軟件程序，系統軟件設計流程圖如圖3所示。在系統啟動時，先進行初始化程序，再調用執行GPS子程序、作業高度子程序、流量監測子程序、液位監測子程序。其中，由于GPS導航模塊數據結構采用標準的NMEA-0183協議，所以在GPS導航模塊監測應用中，通常采用隊列的方式來接收數據，串口接收到數據后存入隊列中，最后再對數據進行解析，可得到飛行坐標。

圖3 系統軟件設計流程圖Fig.3 System software design flow chart

由于流量傳感器輸出的信號是脈沖信號，無法直接得出流量。所以需要調用流量積分函數，把得到的脈沖數轉換為相應的數字信號，進而得到流量信息。流量積分函數根據流量傳感器特性而定，該傳感器的計算函數為

(5)

式中Q——實時流量，L/min

f——脈沖頻率，Hz

K——每轉輸出的脈沖數

V0——每轉一周流過的藥液體積，L

作業高度信息和液位信息則是通過A/D轉換器把傳感器監測的模擬量電流信號轉換成數字信號，再經過單片機處理后得到作業高度和液面高度。

微控制器每100 ms讀取一次傳感器信息，并對多元傳感器獲得的坐標信息、流量信息、作業高度信息、液位信息進行融合處理。其中，通過連接每個時刻的飛行坐標點得到軌跡信息；通過計算單位時間內的坐標點位移變化量得到無人機的作業速度；通過高精度大氣壓傳感器模塊得到作業高度信息；通過流量傳感器輸出的脈沖信號結合公式(5)可以得到施藥流量信息；通過液面高度信息再結合該高度位置藥箱的截面積，計算出藥液剩余量。

在得到多元傳感器信息后，單片機通過分級控制算法，把監測的數據根據分級控制表和公式(3)、(4)，計算出閥門相應的開度。

系統把監控信息每100 ms自動存儲到數據存儲器。并將信息以數值和圖形的形式通過RGB顯示屏顯示，與此同時把數據打包發送到IOT平臺，為以后的研究提供參考。數據上傳采用TCP通訊協議，通過上傳的自定義腳本來實現對數據的解析以及向設備下發數據。用戶通過手機、平板計算機或者個人計算機等終端設備與平臺網絡聯接，即可實現遠程監測[27]。

2 試驗

為了衡量自主研發的監測系統的精準性，確保作業區域內單位面積的施藥量一致，需要開展航跡監測試驗、施藥流量監測試驗、液位監測試驗和變量施藥控制試驗。

試驗場地選擇面積約為0.3 hm2的矩形空地，頂點經緯度為(117.476 644 37°E，39.298 906 45°N)、(117.476 645 71°E，39.298 601 33°N)、(117.477 538 88°E，39.298 600 29°N)、(117.477 540 22°E，39.298 908 53°N)。試驗時間為2019年6月27日，平均氣溫為24～33℃，風速為1.6～3.3 m/s。試驗通過大疆MG-1SA型電動八旋翼植保無人機搭載自主研發的監控系統進行，噴頭采用德國LECHLER公司生產的ST110-02型植保無人機霧化高壓扇形噴頭。

2.1 航跡監測試驗

航跡監測即對無人機飛行軌跡經度、緯度和高度的監測。

試驗前先設置噴幅為5 m，作業速度為4 m/s，再在空地上規劃出長72 m、寬30 m的矩形試驗場地，根據噴幅設置12個坐標點，其中前6個坐標點作業高度設置為2 m，后6個坐標點作業高度設置為3 m，如表3所示。最后規劃出飛行航線。試驗時控制無人機依次遍歷所標定的12個空間坐標點。在飛行過程中，系統通過GPS模塊獲取飛機的經緯度信息，通過GY-63型大氣壓傳感器獲取無人機的高度位置。本試驗通過記錄每個航點的經緯度和作業高度來描述無人機的三維作業軌跡。

表3 無人機飛行軌跡信息數據Tab.3 UAV flight track information data

將本系統監測的軌跡與規劃航線進行對比，檢驗該監測系統對飛行軌跡監測的精準度。試驗重復進行3次，飛行作業現場如圖4所示。

圖4 飛行作業圖Fig.4 Flight operation diagram

由于GPS獲取的是經緯度信息，因此需要通過高斯-克呂格等角度投影法把經緯度轉換成平面直角坐標信息[28-30]。無人機的作業航線為三維空間軌跡，所以通過歐幾里得度量計算三維空間中兩個航點之間的距離即航跡偏差，計算公式為

(6)

式中x1——規劃點橫坐標，m

x2——監測點橫坐標，m

y1——規劃點縱坐標，m

y2——監測點縱坐標，m

z1——規劃作業高度，m

z2——監測作業高度，m

δ——航跡偏差，m

航跡偏差主要影響單位時間的作業面積，進而影響單位面積的施藥量。當實際公頃施藥量與設定的公頃施藥量偏差在10%以內時，即可認為滿足農業航空施藥作業需求[23]。在航跡監測試驗中，當施藥流量不變，作業面積的變化范圍在90%～110%之間時，即可認為航跡監測精度滿足航空施藥的需求。所以用航跡偏差的平均值作為有效值可計算單位面積的施藥誤差，計算公式為

(7)

式中φ——單位面積施藥誤差，%

B——噴幅，mt——作業時間，s

v——作業速度，m/s

2.2 施藥流量監測試驗

在額定流量為3.5 L/min的隔膜泵上安裝功率調節器，將液泵輸出功率分為7擋進行調節，通過調節擋位來改變施藥流量，本系統通過LRL01型渦輪流量傳感器實時監測無人機流量。在施藥流量監測試驗前，先通過量筒向藥箱裝入6 L水代替藥液。試驗時依次改變調節器的擋位，用本系統監測不同擋位下的流量，并記錄抽出5 L水所用時長，每個擋位試驗重復4次，取平均值視為時間有效值。流量理論值為5 L水的體積與時間有效值的百分比，通過計算系統監測的流量有效值與理論流量值的百分比，可獲得誤差。計算公式為

(8)

式中η——流量相對誤差，%

q0——流量監測有效值，L/min

t0——時間有效值，s

為確定結果的可靠性和可信賴程度，計算平均相對誤差，計算公式為

(9)

式中ψ——流量平均相對誤差，%

q1——第1次監測流量，L/min

q2——第2次監測流量，L/min

q3——第3次監測流量，L/min

q4——第4次監測流量，L/min

為了確定數據的離散程度，需要計算變異系數，計算公式為

(10)

2.3 液位監測試驗

預先對藥箱裝載一定的藥液，用刻度尺測量液面高度，作為實際值。再操作無人機按照正常施藥時的速度飛行，但不進行施藥。本試驗作業速度設定為4 m/s，在飛行過程中本系統通過LDY02型電容式液位傳感器監測記錄液面高度。每組液面高度重復試驗5次，取平均值作為監測的有效值，最后與實際值進行對比，計算出相對誤差。計算公式為

(11)

式中φ——液位相對誤差，%

h′——液位監測有效值，mm

h0——液位實際值，mm

2.4 變量施藥控制試驗

在進行變量控制試驗時，先規劃飛行作業航線，按照規劃的航線進行作業，在飛行過程中實時監測航跡，如果發生偏離需及時調整航線，以保證作業面積為0.14 hm2。試驗過程中通過流量傳感器記錄0.14 hm2試驗田施藥總量，再除以試驗場地面積，即可得出實際每公頃的施藥量，最后與所設定公頃施藥量比較，計算誤差，計算公式為

(12)

式中σ——公頃施藥量相對誤差，%

c′——實際公頃施藥量，L/hm2

c0——設定公頃施藥量，L/hm2

試驗包括單因素試驗和多因素試驗兩部分。單因素試驗是分別以作業速度、作業高度和公頃施藥量作為可變因素，進行該因素三水平測試。其中，G1組是在保持作業高度和公頃施藥量不變，對作業速度做三水平試驗；G2組是在保持作業速度和公頃施藥量不變，對作業高度做三水平試驗；G3組是在保持作業高度和作業速度不變，對公頃施藥量做三水平試驗。多因素試驗是以作業速度、作業高度、公頃施藥量為可變因素，進行三因素四水平測試。每個水平測試重復3次，取平均值作為實際公頃施藥量的有效值。

3 結果與分析

3.1 飛行軌跡監測試驗結果

飛行軌跡如圖5所示，圖中黃色線為規劃航跡，綠色線為監測航跡。

圖5 飛行軌跡圖Fig.5 Flight track diagram

從圖5可以看出，監測航跡與規劃航跡有一定的偏差，這是由于在飛行過程中 GPS 定位存在一定的誤差，且受風向風速等環境因素的影響，使航跡發生偏移。對照表3的數據結果也可發現，在航跡監測試驗中，飛行最大航跡偏差為1.25 m，最小航跡偏差為0.80 m，平均航跡偏差為0.98 m。由于航跡偏差隨機分布在規劃航線兩側，并且本次試驗的噴幅為5 m，因此通過公式(7)可得面積平均變化范圍在90.2%～109.8%之間，該區間包含于區間90%～110%，因此該監測系統對航跡監測精度較高，滿足航空施藥對航跡監測的需求。由于航跡主要依賴GPS采集與計算，但是GPS模塊對位置的獲取存在誤差，因此誤差不可避免。

3.2 施藥流量監測試驗結果

施藥流量監測試驗結果如圖6所示。通過圖6可知，液泵在低擋位工作時監測的流量與理論的流量誤差較大，最大是10%，隨著擋位的提高，誤差呈縮小趨勢。誤差產生的主要原因是液泵在低功率工作時，管道內藥液流速低，混有部分空氣，影響傳感器監測精度，使該系統不能及時監測出通過的真實流量。隨著擋位提升，液泵的工作功率逐漸增大，藥液流速增大，監測的精準度也隨之提高。但由于液泵及水管等之間連接處密封性問題、液泵電壓的波動以及流量傳感器的精度等問題，誤差始終存在，本試驗的最小誤差是1.6%，平均誤差為3.57%。試驗表明，在無人機戶外飛行施藥作業時，流量監測誤差在1.6%～10%之間。誤差為10%時流量為0.5 L/min，此時造成施藥量誤差為0.05 L/min，無人機每分鐘作業面積在0.07 hm2以上，所以每公頃施藥量的誤差在0.71 L以內。而正常施藥時每公頃施藥量在7.5～15 L之間，所以施藥量的誤差在10%以內，滿足航空施藥對流量檢測的需求。試驗數據的變異系數在1.991%～3.889%之間，并且平均相對誤差在2.97%以內，說明試驗數據的離散程度小，數據可靠性高。

圖6 流量誤差分析圖Fig.6 Error analysis diagram

3.3 液位監測試驗結果

液位監測試驗結果如圖7所示。從圖7可以看出，系統對液位的監測和實際液位誤差最大為3.51%，最小為1.23%，平均誤差為1.97%。雖然在作業過程中是勻速直線飛行，但是由于飛機振動和傳感器存在精度誤差問題，所以監測誤差不可避免。由于無人機藥箱的橫截面在400 cm2左右，所以平均液位誤差1.97%造成的藥液量監測誤差為78.8 mL，低于管道內殘余藥量，因此滿足航空施藥對液位檢測的需求。試驗表明，該系統對液位監測的準確性較高，且誤差在合理范圍內。在更高要求的液位監測中，可以通過選用更高精度的傳感器，也可以在系統中優化防振程序，以提高液位監測的精度。

圖7 液位監測試驗結果Fig.7 Result of liquid level monitoring test

3.4 變量施藥控制試驗結果

3組單因素試驗結果如表4所示。

表4 單因素試驗設計與結果Tab.4 Single factor test design and results

通過表4可知，分別改變作業高度、作業速度和公頃施藥量時，該變量監控制系統能根據單一參數的改變及時準確的調節流量，以保證施藥均勻性，避免局部少噴或者多噴現象。并且實際公頃施藥量與設定值的誤差在0.99%～8.53%范圍內，小于10%。因此該系統在單一參數變化時對流量控制的精度滿足農業航空變量施藥的需求。

多因素試驗結果如表5所示。由表5可得，當作業高度、作業速度、公頃施藥量在設置范圍內同時改變時，實際公頃施藥量與設定值的誤差在0.20%～9.26%范圍內，小于10%，說明該系統在多參數同時變化時可以準確地調節流量，保證公頃施藥量一致。系統對流量控制的精度滿足農業航空變量施藥的需求。

表5 多因素試驗設計與結果Tab.5 Multi-factor test design and results

4 結論

(1)針對無人機施藥作業，提出了一種航空變量施藥分級控制算法。在航空施藥過程中，當作業高度、作業速度和公頃施藥量發生變化時，該算法可以自動調節施藥流量，以保證單位面積施藥量的一致性。

(2)基于該算法設計了航空變量施藥實時監控系統，通過監測試驗驗證了系統監測的精準性。監測試驗結果表明，該系統對航跡監測的偏差范圍為0.80～1.25 m，施藥流量監測誤差范圍為1.6%～10%，液位高度監測誤差范圍為1.23%～3.51%，誤差在合理范圍內，能夠滿足航空施藥的監測需求。

(3)變量施藥試驗結果表明，無論是單一飛行參數改變，還是多參數同時改變，該系統可精準調節施藥流量，最大誤差為9.26%，小于10%，滿足農業航空變量施藥的控制需求。