基于植保無人機近地面施藥技術的研究*

王丹丹，杜 雪，李宏杰

（1.上海電子信息職業技術學院電子技術與工程學院，上海 201411；2.安陽工學院電子信息與電氣工程學院，河南 安陽 454000；3.哈爾濱工程大學自動化學院，黑龍江 哈爾濱 151000）

0 引言

農作物在生長過程中經常遭到病蟲災害的威脅，病蟲災害成為了抑制農作物產量的一個重要問題。除蟲、除草、灌溉等一系列植保工作是農作物從播種到豐收的必經過程，因此，傳統的農業植保方式對于老年人來說是一種負擔。由于低效率的勞動力和危險性較大農藥噴灑的工作已不適合現代農業，噴霧性農藥的缺點也越來越明顯。為了更有效、更科學地進行農藥噴灑，新的植保方式脫穎而出。早在20 世紀初期，美國、日本、德國、荷蘭等一些發達國家已經研發了一些農業自動化設備，一臺設備能達到人工效率的數十倍。無人機（UAV）[1-3]具有高效率運行、可垂直起降、安全性能高、機動性強等優點，可以很好地完成農業信息收集和殺蟲劑散發工作，工作人員也可以通過間接接觸來控制工作。使用無人機噴灑農藥具有很多優點，如藥水在螺旋槳產生的下旋力作用下霧化得更均勻，霧化后藥水附著率可達99%，有效降低化學污染。所以，植保無人機噴灑農藥技術的研究勢在必行。使用人工背負式噴藥機噴灑農藥和使用無人機噴灑農藥的作業場景分別如圖1和圖2所示。

圖1 人工背負式噴藥機噴灑農藥

圖2 無人機噴灑農藥

在搜索引擎上檢索，課題組發現最早在2006 年的新聞中就已經出現了“農業+無人機”的組合，2009年就出現了植保無人機的提法。2017年，農業部聯合財政部等發布農機購置補貼通知，引導植保無人飛機（亦稱農用遙控飛行噴霧機）技術開發和規范應用，助力農業綠色發展。國外對植保無人機的應用很早，美國、日本等國家應用農業航空產品的時間超過30 年，最近幾年農業無人機的滲透率更是達到了50%以上。

為了減輕農民的勞動強度，預防害蟲和疾病，使用無人機噴灑殺蟲劑成為了現代植物保護作業不可缺少的部分。我國開展植保無人機的研究相對較晚，但基于中國農業強國的特點，精準農業及植保無人機導航技術[4-6]正處于飛速發展階段。同時，中國的農航開發也根據全國各地農耕地不同而進行調整，同時推進了“多機型和多種運營方法”。針對精準農業及植保無人機導航技術落后等問題，課題組設計了一臺操作簡單的小型植保無人機，重點介紹了飛行姿態控制算法[7-9]，并采用模糊PID 控制算法進行模擬實驗[10]，通過調整參數，得到較為穩定的飛行器姿態參數，表明了該算法用于植保無人機姿態估計的可行性及穩定性。

1 植保無人機飛行動力學分析

無人機的電機電壓與力矩方程：

無人機所選用的電機較小，所以電感也比較小，可忽略不計，將式（1）簡化為：

電機動力學方程改寫為：

選用三相無刷直流電動機，當線路接通后接收機接到遙控器發射的控制量后，電機會隨著不同的指令進行轉速調整，使無人機達到預期的飛行姿態。

2 模糊PID控制算法

當植保無人機執行噴灑任務時，其自身質量會不斷減小，無人機執行的是變載荷飛行；本研究選用模糊PID 控制算法，通過設置PID 參數來控制無人機在變載荷時依然能夠平穩地進行植保作業，并對無人機飛行姿態進行了相應仿真實驗。

模糊PID 控制算法，將誤差和誤差的變化率作為整個系統輸入的值，控制原理框圖如圖3 所示。圖中，表示系統的輸入值，表示系統響應的輸出值。

圖3 模糊PID 控制原理框圖

2.1 模糊PID控制系統的設計

定義輸入、輸出變量論域的模糊子集及其隸屬函數，如表1所示。

表1 輸入、輸出變量論域及其隸屬函數

通過以上設計的模糊控制規則表和輸入、輸出變量論域的模糊子集及其隸屬函數，即可建立模糊控制系統進行仿真。

2.2 模糊PID控制系統的仿真

利用Matlab 對植保無人機的飛行姿態進行模糊PID 控制仿真，輸入相應指令后便可得到模糊PID 控制系統的動態仿真環境，實時變化的誤差e和de兩個輸入值通過模糊推理對PID 三個控制參數進行查表、計算、整定之后并計算當前的KP、KI、KD值以達到對PID 控制參數進行在線自動修正的目的。其模擬仿真流程圖如圖4 所示。

圖4 模擬仿真流程圖

根據以上內容確定模糊推理系統的結構，本設計的模糊推理結構由輸入e和de以及輸出KP、KI、KD構成，編輯后的變量?？騾^如圖5所示。

圖5 編輯后的變量?？騾^

建立植保無人機模糊PID 控制系統的Simukink仿真模型，如圖6所示。

圖6 利用模糊邏輯控制器建立的仿真模型

將設計好的FIS 文件導入模糊邏輯控制器中，運行仿真得到的結果如圖7所示。

圖7 俯仰角階躍響應

由圖7 可知，σ=0.38，td=0.115 s，tr=0.4 s，ts=0.9 s，系統的穩態誤差較小，這足以說明模糊PID控制對時變載荷下的植保無人機控制系統具有很好的調控性。

2.3 經典PID控制與模糊PID控制的對比分析

為了更直觀地分析出經典PID 和模糊PID 作用于變載荷植保無人機下的優劣勢，將二者都應用于飛行控制系統當中進行仿真，通過示波器仿真圖形進行對比分析，經典PID 和模糊PID 控制器分別作用到控制系統當中時輸出的仿真圖形如圖8所示。

由圖8 可以看出，在植保作業剛開始時經典PID控制與模糊PID 控制輸出相差無幾，但是隨著植保作業的進行，藥液的重量在不斷減少，隨著控制輸入的變化經典控制沒有進行更好的實時調整輸出，出現了振蕩的情況。模糊PID 控制隨著控制輸入的變化在之前設定好的模糊控制規則當中進行自運算，很好地控制輸出，依然能保證無人機平穩飛行，使植保無人機與植物保持一定的相對高度并進行噴灑作業。經典PID控制和模糊PID控制性能參數如表2所示。

圖8 仿真結果對比

表2 經典PID 控制與模糊PID控制仿真結果對比

由上表所示參數可以分析得到：模糊PID 控制算法能夠有效地控制無人機的飛行姿態，且有效地控制植物和無人機之間的相對高度。

3 噴灑裝置的結構

藥箱、水泵、噴霧泵、噴霧頭和軟管構成噴霧系統，藥液從注入口流入，水泵開啟后，藥液過軟管流入藥液注入口，然后通過水泵加壓，在出口噴出藥液。水管進入轉換器，將水流分成兩股，并分別連接兩根軟管使噴頭對作物進行噴灑作業。噴灑系統結構圖如圖9所示。

圖9 噴灑系統結構圖

使用遙控器控制噴灑裝置的開和關，其控制原理如圖10所示。

圖10 電子開關控制原理

噴灑泵選用的是BPG 蠕動泵，具有體積小、噪聲小、壽命長等優點，蠕動泵的進水口接藥箱（150 mL），出水口接一個三通用來分流，用BPT 軟管連接三通和噴頭。當接收到開關信號時隔膜泵開始工作，隔膜泵工作時內部抽成真空，形成壓力以達到形成噴霧效果，隔膜泵的流量約為15 mL/min，藥液可以連續噴灑10 min左右。

4 植保無人機的組裝與測試

對組裝好的植保無人機進行植保作業測試，選擇好一塊田地之后規劃噴灑路徑，然后進行施藥。植保無人機在植保作業過程中有效防止了漏噴、誤噴和重噴的不良現象，并且飛行穩定，飛行與噴灑效果達到了預期目標。植保無人機進行噴灑農藥測試實景如圖11所示。

圖11 植保無人機進行植保作業

課題組對植保無人機的整體部件進行選型、安裝與調試，通過查閱資料選擇植保無人機的各個模塊，然后進行安裝測試。通過植保作業過程可以看出，課題組設計安裝的植保無人機完全能夠勝任農藥噴灑作業，并且穩定性好，沒有出現漏噴、重噴等現象。