植保無(wú)人機(jī)智能噴灑系統(tǒng)的研究

劉維仁王洪興任 喆辛 雨

(1.黑龍江生物科技職業(yè)學(xué)院，哈爾濱 150025；2.哈爾濱理工大學(xué)測(cè)控技術(shù)與通信工程學(xué)院，哈爾濱 150050；3.北京新風(fēng)航天裝備有限公司，北京 100854)

0 引言

近年來(lái)，隨著農(nóng)業(yè)植保無(wú)人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種類型的植保無(wú)人機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的工作效率，并且節(jié)省了人力、物力的消耗。伴隨著規(guī)模化種植引發(fā)的市場(chǎng)新需求，植保無(wú)人機(jī)市場(chǎng)漸入佳境，行業(yè)已經(jīng)基本度過(guò)市場(chǎng)初級(jí)階段。市場(chǎng)需求帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)換代，無(wú)人機(jī)市場(chǎng)也從最初的專人操作逐漸向智能化方向發(fā)展。現(xiàn)有的植保無(wú)人機(jī)噴灑方式，普遍采用相對(duì)比較粗放的作業(yè)方式，藥液高濃度、噴霧較細(xì)的噴霧技術(shù)，很大程度上依靠無(wú)人機(jī)駕駛員的手動(dòng)操作或者程序預(yù)設(shè)，由人工決定配藥比例和藥劑噴灑的地點(diǎn)和流量[1]。但是依靠人的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，常常會(huì)造成藥液濃度不均衡，噴灑過(guò)程中也存在漏噴或者重復(fù)噴灑等問(wèn)題，尤其是在躲避障礙物、減速換壟等環(huán)節(jié)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)噴灑量過(guò)大，造成燒苗等現(xiàn)象，對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)有一定影響。為了保證植保無(wú)人機(jī)的作業(yè)質(zhì)量，需要對(duì)植保無(wú)人機(jī)的噴灑系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)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(yīng)用的一個(gè)障礙，如何能夠?qū)崿F(xiàn)噴灑系統(tǒng)智能化控制是目前亟待解決的問(wèn)題。

1 智能噴灑系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

為了解決現(xiàn)有的無(wú)人機(jī)噴灑系統(tǒng)不能實(shí)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(nóng)作物生長(zhǎng)。本文提出了一種植保無(wú)人機(jī)智能控制噴灑系統(tǒng)，包括：智能配藥模塊、精準(zhǔn)噴灑模塊、智能監(jiān)測(cè)模塊。智能控制噴灑系統(tǒng)具有智能化配藥，精準(zhǔn)化噴灑和系統(tǒng)化監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)[3]，可以有效解決植保無(wú)人機(jī)配藥粗放不精細(xì)、流量噴灑難以控制、各項(xiàng)指標(biāo)監(jiān)測(cè)不全面等問(wèn)題，可以更加精細(xì)地實(shí)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(nóng)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(jìn)行農(nóng)藥配比，并進(jìn)行調(diào)配和混合，經(jīng)檢測(cè)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(diào)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(nóng)藥和水按照作物要求的配比進(jìn)行混合。控制單元1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(jìn)行農(nóng)藥配比，在調(diào)配區(qū)進(jìn)行藥品的預(yù)混合，由于部分藥劑混合速度較慢或需要攪拌，所以進(jìn)行調(diào)配后在混合區(qū)由混合電機(jī)進(jìn)行攪拌混合。經(jīng)調(diào)配區(qū)濃度傳感器檢測(cè)濃度合格后灌入噴灑箱。

圖1 智能配藥單元結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 精準(zhǔn)噴灑單元

精準(zhǔn)噴灑模塊用于控制植保無(wú)人機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)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(diào)噴頭單元(圖2)。具體用于作業(yè)中的噴灑精準(zhǔn)控制，噴灑CPU將控制信號(hào)發(fā)送給變頻單元，變頻單元通過(guò)變頻處理后的控制信號(hào)來(lái)控制和調(diào)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(dú)立控制，同時(shí)水泵單元將水壓檢測(cè)信號(hào)反饋至噴灑CPU，可調(diào)配噴頭單元將流量監(jiān)測(cè)信號(hào)反饋至噴灑CPU。

圖2 精準(zhǔn)噴灑單元結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 智能監(jiān)測(cè)單元

智能監(jiān)測(cè)模塊監(jiān)測(cè)并記錄飛機(jī)的實(shí)時(shí)飛行數(shù)據(jù)、噴灑數(shù)據(jù)，并采集外部環(huán)境的相應(yīng)數(shù)據(jù)，通過(guò)智能算法分析后對(duì)飛機(jī)噴灑系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋處理和實(shí)時(shí)修正，該模塊包括監(jiān)測(cè)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(cè)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，重點(diǎn)進(jìn)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(duì)飛機(jī)噴灑系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(cè)單元結(jié)構(gòu)示意圖

2 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的植保無(wú)人機(jī)智能噴灑系統(tǒng)，可完成高精度的農(nóng)藥配比和混合，并且采集流量數(shù)據(jù)、水壓數(shù)據(jù)，同時(shí)把采集到的信息反饋給噴灑CPU；監(jiān)測(cè)并記錄飛機(jī)的實(shí)時(shí)飛行數(shù)據(jù)、噴灑數(shù)據(jù)，并采集外部環(huán)境的相應(yīng)數(shù)據(jù)，通過(guò)智能算法分析后對(duì)飛機(jī)噴灑系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的反饋處理和實(shí)時(shí)修正。從而可以對(duì)植保無(wú)人機(jī)的噴灑作業(yè)進(jìn)行智能化調(diào)整和控制，以實(shí)現(xiàn)植保無(wú)人機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)化智能噴灑作業(yè)。

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