液位監(jiān)測技術(shù)在植保無人機(jī)中的應(yīng)用分析

周志艷 姜 銳 羅錫文 蘭玉彬 宋燦燦 李克亮

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)廣東省農(nóng)業(yè)航空應(yīng)用工程技術(shù)研究中心， 廣州 510642；2.國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)國際聯(lián)合研究中心， 廣州 510642)

液位監(jiān)測技術(shù)在植保無人機(jī)中的應(yīng)用分析

周志艷1,2姜 銳1,2羅錫文1,2蘭玉彬1,2宋燦燦1,2李克亮1,2

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)廣東省農(nóng)業(yè)航空應(yīng)用工程技術(shù)研究中心， 廣州 510642；2.國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)國際聯(lián)合研究中心， 廣州 510642)

為了探究適合植保無人機(jī)藥箱液位實(shí)時(shí)監(jiān)測的可行方法，闡述了國內(nèi)外常見的接觸式和非接觸式液位監(jiān)測方法，包括差壓式、浮體式、電極式、電容式、超聲波式、激光式、光電式、流量計(jì)式、機(jī)器視覺式、雷達(dá)式等主要方法，指出了植保無人機(jī)作業(yè)過程中，其藥箱存在的特點(diǎn)，包括液面波動(dòng)劇烈、藥液的理化特性各異、藥箱空間小、防腐蝕要求高等，并對上述常見液位測量方法用于植保無人機(jī)藥箱液位測量時(shí)存在的局限進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上，探討了適合植保無人機(jī)質(zhì)量輕、功耗小、精度高、耐腐蝕藥箱液位監(jiān)測方法及裝置，并針對植保無人機(jī)藥箱液位監(jiān)測中需克服的難題，提出了氣壓式液位無線監(jiān)測的解決方案，為進(jìn)一步開發(fā)適用于植保無人機(jī)的藥箱液位監(jiān)測裝置提供參考。

航空植保； 植保無人機(jī)； 藥箱； 液位監(jiān)測； 無線監(jiān)測

引言

作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分和反映農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志之一，農(nóng)用航空在中國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)中具有重大需求。應(yīng)用航空植保技術(shù)對提高中國農(nóng)作物病蟲害防治機(jī)械化水平，實(shí)行統(tǒng)防統(tǒng)治專業(yè)化服務(wù)，提高農(nóng)業(yè)資源的利用率，增強(qiáng)突發(fā)性大面積病蟲害防控能力，緩解農(nóng)村勞動(dòng)力短缺，增強(qiáng)農(nóng)業(yè)抗風(fēng)險(xiǎn)能力，保障國家糧食安全、生態(tài)安全、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義[1-4]。

植保無人機(jī)將無人直升機(jī)技術(shù)與施藥技術(shù)相結(jié)合，具有尺寸小、無需專用機(jī)場、操控靈活、可在田間地頭起降、下旋氣流可提升靶標(biāo)著藥效果等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于中、小田塊的病蟲害防治或大田塊局部精準(zhǔn)施藥，目前越來越受到社會(huì)各界的關(guān)注[5]。

藥箱是植保無人機(jī)作業(yè)的關(guān)鍵部件，在作業(yè)過程中，藥箱中的藥量是動(dòng)態(tài)變化的，藥箱的藥量是地面飛控手時(shí)刻關(guān)注的重要信息，飛控手可以根據(jù)藥箱的藥量調(diào)整植保無人機(jī)的飛行操控策略。特別是在超視距飛行和自動(dòng)駕駛飛行作業(yè)中，藥箱藥量與電池電量或油料的優(yōu)化搭配、藥箱藥量用盡后的斷點(diǎn)續(xù)航等，更需要時(shí)刻掌握藥箱藥量信息，否則容易出現(xiàn)頻繁起降、電池?fù)p耗大、作業(yè)效率低下和漏噴等不利現(xiàn)象。

藥箱液位的監(jiān)測是獲得藥箱中藥量信息的方法之一。植保無人機(jī)藥箱具有作業(yè)中液面晃動(dòng)劇烈、藥液的理化特性各異、藥箱空間小、防腐蝕要求高等特性，傳統(tǒng)的液位監(jiān)測方法受到諸多局限。

為了實(shí)現(xiàn)對植保無人機(jī)藥箱藥量的實(shí)時(shí)監(jiān)測，本文在綜合國內(nèi)外現(xiàn)有液位監(jiān)測方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合植保無人機(jī)作業(yè)的特點(diǎn)及其藥箱的特殊性，對植保無人機(jī)藥箱液位的監(jiān)測方法進(jìn)行分析，探討適合植保無人機(jī)質(zhì)量輕、功耗小、精度高、耐腐蝕藥箱液位監(jiān)測方法及裝置，以期為提高植保無人機(jī)的作業(yè)質(zhì)量和效率，更好地實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施藥提供技術(shù)手段。

1 常見液位監(jiān)測方法綜述

液位測量主要是基于相界面兩側(cè)物質(zhì)的物性差異或液位改變時(shí)引起有關(guān)物理參數(shù)變化的原理而實(shí)現(xiàn)的[6-7]。液位監(jiān)測按照監(jiān)測原理主要分為接觸式和非接觸式兩種方式[8-9]，接觸式液位測量利用被測液體的導(dǎo)電性、液體壓力、液體浮力等物理特性推算出液位的高度，主要包括玻璃管式、差壓式[10]、電極式、浮體式、磁致伸縮式、流量計(jì)式和電容式[11]等類型；非接觸式液位測量利用超聲波、激光、無線電波以及圖像特征等信息將液位高度的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量實(shí)現(xiàn)液位的監(jiān)測[12]，主要包括超聲波式、激光式、雷達(dá)式、機(jī)器視覺法、光纖式[13]、光電式[14]和核輻射式等類型。不同的監(jiān)測方式和裝置，其原理、結(jié)構(gòu)及適用場合均有不同[15-17]。其中，差壓式、浮體式、電容式[17]、電極式、光電式、流量計(jì)、超聲波式、機(jī)器視覺法、激光式測量技術(shù)的應(yīng)用較為廣泛[18]。

1.1 差壓式液位測量

差壓式液位測量的原理是根據(jù)測量到的液柱的質(zhì)量間接反映液位，常用于常溫常壓且精度要求不高的場合的液位監(jiān)測。差壓法是目前最常用的儲(chǔ)罐內(nèi)液位測量方法之一，但當(dāng)被測液體的密度隨環(huán)境變化而變化時(shí)，其測量誤差較大，需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償和雙差壓法等處理[8]。PRAVEEN等[19]提出了一種基于脈動(dòng)壓差傳感器的高分辨率液位監(jiān)測裝置，并在1 m深的水箱內(nèi)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)測得液位測量系統(tǒng)的精度小于1.1 mm，分辨率為3 mm，靈敏度為10 Hz/mm，響應(yīng)時(shí)間約4 s。

盡管研究人員對差壓式液位測量方法進(jìn)行了大量改進(jìn)，但該方法仍存在如下缺點(diǎn)：①取樣系統(tǒng)復(fù)雜，連接管路長，閥門較多，易堵塞或泄漏。②由于變送器感應(yīng)的是微差壓，任何輕微泄漏，都將嚴(yán)重影響液位測量，而對于真空系統(tǒng)，輕微的泄漏往往不易被察覺。③使用麻煩，須在變送器引壓管中注滿水或等水蒸氣凝結(jié)充滿引壓管后才能準(zhǔn)確投用。④測量的綜合誤差較大，變送器測量微差壓的精度有限，再加上取樣管路中液柱的不穩(wěn)定等因素致使實(shí)際測量的綜合誤差較大。

1.2 浮體式液位測量

浮體式液位測量裝置主要分為浮筒式與浮子式，其中鋼帶浮子式液位傳感器是浮體式液位測量中最常見的類型，它由一根不銹鋼管和一個(gè)空心球組成，不銹鋼管內(nèi)部裝有若干個(gè)干簧繼電器，空心球內(nèi)裝有一塊永磁鐵，當(dāng)空心球隨著液面上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁鐵作用于繼電器，從而產(chǎn)生相應(yīng)的液位信號(hào)[20]。另一種浮體式液位測量方法是在滑輪組上用鋼絲繩一端掛一浮球，另一端掛一重錘，通過浮球與重錘的運(yùn)動(dòng)距離實(shí)現(xiàn)液位的監(jiān)測。其缺點(diǎn)是鋼絲繩與滑輪間存在滑動(dòng)摩擦力，回位誤差較大，特別是在鋼絲繩和滑輪生銹的情況下，回位誤差更大甚至失效[21]。浮體式液位測量一般用于靜止固定的水箱液位測量。

1.3 電容式液位測量

電容式液位測量方式根據(jù)被測量容器電容的變化來測量液面的高度[22-24]。其測量原理如下：一個(gè)電極(棒式電極、纜式電極、板式電極等)插入盛液容器內(nèi)，電極作為電容的一個(gè)極，容器壁作為電容的另一極；兩電極間的介質(zhì)即為液體及其上面的氣體，通過兩電極間電容的變化來測量液位的變化信息[25-27]。PACZESNY等[28-29]采用噴墨打印技術(shù)制造了電容式液位測量傳感器，并將傳感器放在裝滿水的容器內(nèi)測試，試驗(yàn)表明傳感器線性度較好且基本沒有滯后問題，其靈敏度約為7.41×10-2pf/mm。GONG等[24]根據(jù)梳狀電極和容器內(nèi)的液體形成的等效電容進(jìn)行液位測量，當(dāng)液面位置達(dá)到較大面積的梳狀電極時(shí)，等效電容會(huì)有顯著的梯度變化，測量誤差約為6%。

電容式液位測量具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、成本低等特點(diǎn)[30-31]。但該測量方式在實(shí)際應(yīng)用中存在如下局限[32]：①必須確保容器中兩電極間介質(zhì)的介電常數(shù)恒定才能保證電容式液位測量方式的準(zhǔn)確度[33]，因此，當(dāng)容器中液體晃動(dòng)或出現(xiàn)氣泡時(shí)，易產(chǎn)生虛假液位信息而影響測量準(zhǔn)確度。②金屬棒電極要有絕緣層覆蓋，且與容器的距離必須保證相對固定，否則會(huì)出現(xiàn)測量不穩(wěn)定現(xiàn)象。③若被測液體是粘性的液體，當(dāng)由于晃動(dòng)使液位由高到低回落時(shí)，粘性的液體會(huì)在測桿上面留下殘液，形成掛料層，由于液位計(jì)無法自動(dòng)識(shí)別掛料層的存在，掛料層的電容也會(huì)計(jì)入代表液面高度的總體電容中，造成虛假液位，給液位測量帶來較大誤差。此外，電容式傳感器本身結(jié)構(gòu)特性決定其輸出阻抗較高，負(fù)載能力較差，電容式傳液位測量的信號(hào)處理較困難，且使用壽命較短[18,31]。

1.4 電極式液位測量

電極式液位測量方式利用液體的導(dǎo)電特性將導(dǎo)電液體的液面升高與電極接通視為電路的開關(guān)閉合，該信號(hào)傳給后續(xù)處理電路，從而獲得液位信息，該測量方式屬于點(diǎn)液位測量[34]，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、成本低。早期的電極式液位測量方式是分段式開關(guān)量輸出，測量的液位數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)與電極的個(gè)數(shù)相關(guān)，無法獲得連續(xù)的液位變化信息[35]。為此，RAMON等[36]提出了一種基于線性電極陣列的新型連續(xù)液位測量技術(shù)，該技術(shù)將線性電極陣列垂直浸入液體中，注入電流，測量不同深度的電壓波形。然而，使用電極式液位測量方式的前提條件是液體導(dǎo)電且不容易被電引燃，并需要持續(xù)供電，使該測量方式在許多應(yīng)用場合受到限制。直流電極式液位測量裝置僅適用于導(dǎo)電液體的液位測量，主要用于水位的控制和報(bào)警，目前大多用于水利、水文監(jiān)測中[37-38]。

1.5 光電式液位測量

光電式液位測量方法基于光學(xué)全反射和折射原理，采用光電信號(hào)進(jìn)行液位測量[39-40]。測量裝置包含一個(gè)近紅外發(fā)光二極管和一個(gè)光敏接收器，發(fā)光二極管所發(fā)出的光被導(dǎo)入傳感器頂部的透鏡。當(dāng)透鏡沒有接觸液體時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)出的光直接從透鏡接近全反射回接收器；當(dāng)液體浸沒光電液位測量裝置的透鏡時(shí)，光折射到液體中，從而使接收器收不到或只能接收到少量光線；光電液位測量裝置根據(jù)該變化，判斷傳感探頭是否接觸到液面，進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的控制電路動(dòng)作，例如控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向，從而帶動(dòng)傳感探頭跟蹤液面的變化，實(shí)現(xiàn)液位信息的測量。如果上述光信號(hào)采用光纖作為傳輸媒介，又稱為光纖液位測量方法[41]。該測量方法具有抗電磁干擾、適用于易燃易爆環(huán)境等特點(diǎn)，但不能用于探測易在探頭表面形成粘著物的液體的液位，此外，由于需要專門的探頭驅(qū)動(dòng)裝置，帶來了整個(gè)監(jiān)測裝置的質(zhì)量、體積和復(fù)雜度增加等問題。

1.6 流量計(jì)式液位測量

常見的液體流量計(jì)有渦輪流量計(jì)[42]、超聲波流量計(jì)[43-45]和電磁流量計(jì)等[46]。流量計(jì)法估測液位的原理是在容器內(nèi)加入已知體積的液體，容器的出水口連接流量計(jì)，流量計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測流過的液體體積，已知體積減去流過的液體體積為剩余液量，由此獲得實(shí)時(shí)液位。該方法的缺點(diǎn)：單次作業(yè)過程中出現(xiàn)中斷時(shí)，作業(yè)前容器內(nèi)液位未滿等會(huì)造成液位估測混亂，準(zhǔn)確度降低；渦輪流量計(jì)易受藥液粘度影響而產(chǎn)生較大誤差；超聲波流量計(jì)易形成二次流誤差[45]；電磁流量計(jì)易受藥液電導(dǎo)率和粘度的影響而產(chǎn)生誤差。

1.7 超聲波液位測量

超聲波的反射和折射遵守幾何光學(xué)規(guī)律[47]。在測量中，目前應(yīng)用較廣泛的是脈沖回波法[48]，由傳感器(換能器)發(fā)出脈沖超聲波，超聲波經(jīng)液體表面反射后被同一傳感器接收，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過聲波的發(fā)射和接收之間的時(shí)間差，再根據(jù)介質(zhì)中超聲波傳播速度和換能器的安裝高度，即可計(jì)算傳感器到被測物體之間的距離，從而計(jì)算出液位高度[49]。

圖1 超聲波脈沖回波法原理圖Fig.1 Sketch of ultrasonic pulse-echo method

由圖1中可見液位的高度計(jì)算公式為[50]

L=L0-vt/2

(1)

式中v——超聲波在介質(zhì)中的傳播速度t——超聲波往返傳播時(shí)間，sL0——超聲波傳感器與容器底部之間的距離，mm

L——液位高度，mm

一體化超聲波液位計(jì)的發(fā)射功率有限，測量范圍一般在10 m以內(nèi)。該方法的優(yōu)點(diǎn)包括：可實(shí)現(xiàn)非接觸測量，能用于腐蝕性液體、高粘性液體、有毒性液體等液位的測量[51]。LI等[52]提出了基于二維圖像處理方法的液面超聲波回波信號(hào)準(zhǔn)確測量方法，利用改進(jìn)的橢圓算法計(jì)算超聲波傳播時(shí)間，在二維圖像中加入了Canny算子的使用。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，改進(jìn)的方法將傳播時(shí)間測量誤差減小了30%。

但超聲波液位測量方式仍有許多局限[53]：①必須用于能充分反射聲波和傳播聲波的對象，不宜用于含氣泡和含固體顆粒的液體中。②超聲波的傳播速度受傳播介質(zhì)的密度、壓力、溫度等因素影響，例如密閉容器內(nèi)揮發(fā)性液體的液位測量，由于容器內(nèi)氣體聲速可能與空氣中的聲速不同，從而帶來較大的測量誤差，要實(shí)現(xiàn)較高的精度，需要對測量方法進(jìn)行相對較復(fù)雜的修正，從而提高了測量裝置的成本。③揮發(fā)性的液體會(huì)在超聲波探頭表面凝結(jié)，阻擋聲波的收發(fā)，影響測量精度，嚴(yán)重時(shí)造成失效。④超聲波液位測量中，在發(fā)射超聲波脈沖時(shí)，不能同時(shí)監(jiān)測反射回波，而且發(fā)射的超聲波脈沖具有一定的時(shí)間寬度，同時(shí)發(fā)射完超聲波后傳感器還有余振，期間不能監(jiān)測反射回波，因此從探頭表面向下開始的一小段距離無法正常監(jiān)測，這段距離是超聲波測量時(shí)存在的固有盲區(qū)，通常測量盲區(qū)為0.25～0.8 m，被測的最高物位如進(jìn)入盲區(qū)，將無法進(jìn)行正確的液位測量[54]。因此，超聲波傳感器的安裝位置與被測液面之間需保持一段距離，進(jìn)行加高安裝，而且無障礙物，此外，對于液面劇烈波動(dòng)的液體，超聲波測量時(shí)，易與液體接觸，造成超聲波模塊不能正常工作。超聲波液位測量方式適用于液面較為平穩(wěn)、液面上方留空較多的測量場合。當(dāng)物料有揮發(fā)、液夾氣時(shí)不能選用超聲波方法測量液位[55]。

1.8 機(jī)器視覺法液位測量

機(jī)器視覺的水位測量方式是一種比較新穎的非接觸式液位測量方法[56-57]，通過CCD或者CMOS圖像傳感器采集圖像,然后將數(shù)字化的圖像數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)中，通過數(shù)字圖像處理技術(shù)得到液位信息[37,58-59]。LORENZ等[60]提出了基于激光束以分辨率為3萬像素的CMOS攝像頭作輔助的液位測量方法，測量速度高達(dá)12次/s，測量精度可以達(dá)到(0.013±0.008) mm。然而機(jī)器視覺法液位測量在環(huán)境惡劣的條件下存在液位圖像分割困難以及液位數(shù)據(jù)難以準(zhǔn)確提取的問題,尤其是在無光條件下的監(jiān)測，誤差較大，可靠性較差[61-62]。且由于易受光照變化影響，儀器裝置價(jià)格較昂貴，該方法目前還沒有得到廣泛應(yīng)用[63]。

1.9 激光液位測量

激光是一種單色性和方向性好且亮度極高的相干光[64-65]。激光液位測量方式與超聲波液位測量方式類似，屬于非接觸式液位測量方式，采用激光測距的原理對液面位置進(jìn)行探測[66]。該方法的優(yōu)點(diǎn)是安全防爆、無活動(dòng)部件、維護(hù)較方便簡單。但也存在與超聲波液位測量方式類似的局限，例如：有些激光發(fā)射和接收部件的最前端到被測容器的外表面最小距離為0.5 m以上；激光光束在物料表面的反射點(diǎn)應(yīng)該沒有波紋、漣漪和反射物；對于液面劇烈波動(dòng)的液體，易造成激光探測頭污染而失效等，影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性[17]。

1.10 雷達(dá)液位測量

雷達(dá)液位測量利用雷達(dá)傳感器實(shí)現(xiàn)。雷達(dá)傳感器利用發(fā)射、反射、接收雷達(dá)波的原理來測量距離，因此可用于有毒有害的惡劣環(huán)境下[67-68]。雷達(dá)波是一種特殊形式的電磁波，其物理特性與可見光相似。所有導(dǎo)電介質(zhì)都能很好地反射雷達(dá)信號(hào)，當(dāng)介質(zhì)的導(dǎo)電性變化時(shí)雷達(dá)波通常也不易受干擾，且能穿透塑料容器或玻璃容器進(jìn)行測量，無需在容器上開孔，實(shí)現(xiàn)非接觸測量。雷達(dá)傳感器可應(yīng)用真空測量、液位測量、粉灰位或固體料位測量，即便在飛灰、粉塵強(qiáng)烈并有很強(qiáng)旋渦的環(huán)境下也能進(jìn)行較準(zhǔn)確測量。NAKAGAWA等[67]提出了一種新的非接觸式液位測量方法，利用毫米波多普勒傳感器清晰檢測不透明容器內(nèi)的空氣與液體的相界面。HOFFMANN等[69]認(rèn)為利用干涉導(dǎo)波可以較精確地測量液位高度，且開發(fā)了一套裝置，其主要特點(diǎn)是確定了液面的反射相，經(jīng)測試，精度達(dá)到了X光的效果。然而雷達(dá)傳感器的測量信號(hào)運(yùn)行時(shí)間極短，這給信號(hào)分析處理提出了極高的要求，因此價(jià)格昂貴、技術(shù)實(shí)施難度大[70]。

2 植保無人機(jī)藥箱液位監(jiān)測的特點(diǎn)

藥箱液位的監(jiān)測是獲得藥箱中藥量信息的方法之一。植保無人機(jī)作業(yè)過程中，藥箱液位的測量有如下特點(diǎn)：

(1)植保無人機(jī)作業(yè)過程中，陣風(fēng)等環(huán)境因素干擾、地頭調(diào)頭等特殊工況較多，在這些特殊工況出現(xiàn)時(shí)，藥液由于慣性作用，其行駛方向和垂直方向受力都比較大，易產(chǎn)生震蕩效應(yīng)，因此液面易出現(xiàn)較劇烈的波動(dòng)。

(2)作業(yè)過程中，植保無人機(jī)移動(dòng)時(shí)機(jī)身會(huì)呈傾斜狀態(tài)，故在作業(yè)中，藥箱內(nèi)液體液面與豎直狀態(tài)下的實(shí)際液面存在夾角，則液體底部測壓裝置實(shí)測液位需換算成實(shí)際液位。

(3)植保作業(yè)對象的多樣性，決定了農(nóng)藥或助劑的多樣性，不同類型的農(nóng)藥或助劑導(dǎo)致藥箱中液體的濃度、粘度、導(dǎo)電特性等理化特性各異。

(4)植保無人機(jī)載荷有限使得植保無人機(jī)藥箱結(jié)構(gòu)非常緊湊，液面上方留空非常少，且藥箱的體積通常較小，同時(shí)也要求使用的液位監(jiān)測裝置不宜過大和過重，且功耗要非常低。

(5)農(nóng)藥或助劑通常都具有一定腐蝕性，要求液位監(jiān)測裝置具有一定的抗腐蝕和抗污染能力。

前述的常見液位監(jiān)測方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，較難滿足當(dāng)前植保無人機(jī)藥箱液位監(jiān)測的需要。例如：差壓式液位測量的系統(tǒng)構(gòu)造復(fù)雜，而且較長的連接管路也不適合安裝在體積較小的植保無人機(jī)藥箱內(nèi)；浮體式液位測量、光電式液位測量和機(jī)器視覺法液位的測量裝置較龐大，整體質(zhì)量較大，安裝于結(jié)構(gòu)非常緊湊的植保無人機(jī)藥箱將面臨諸多困難[71]；電容式液位測量和電極式液位測量適用于導(dǎo)電特性穩(wěn)定、粘性較小的藥液，且兩者的標(biāo)定工作較為復(fù)雜；超聲波液位測量、激光液位測量存在盲區(qū)，需要與液面有一定距離才能正常使用，而植保無人機(jī)的藥箱安裝非常緊湊，幾乎沒有可能進(jìn)行留空處理，此外，超聲波及激光測距傳感器設(shè)備的抗腐蝕抗污染能力較差，揮發(fā)性的液體會(huì)在傳感器探頭表面凝結(jié)，藥液晃動(dòng)時(shí)沾到傳感器而受到侵蝕極易造成傳感器數(shù)據(jù)異常甚至失靈[72]。

綜上，植保無人機(jī)藥箱液位監(jiān)測需要一種新型的液位監(jiān)測方法和裝置，該裝置應(yīng)滿足以下特點(diǎn)：

(1)當(dāng)藥液產(chǎn)生震蕩、波動(dòng)和傾斜時(shí)，能夠自動(dòng)濾除對液位真實(shí)數(shù)據(jù)的干擾。

(2)需有一定的抗腐蝕、抗污染能力。在植保無人機(jī)作業(yè)過程中，不可避免地會(huì)因?yàn)闄C(jī)身晃動(dòng)或藥液慣性致使藥液飛濺到監(jiān)測裝置造成裝置工作異常。

(3)液位監(jiān)測裝置的質(zhì)量越小越好，功耗越低越好，避免對植保無人機(jī)的有效載荷及滯空時(shí)間造成影響。

(4)液位監(jiān)測裝置應(yīng)具有液位數(shù)據(jù)輸出接口、遠(yuǎn)程液位數(shù)據(jù)傳輸和液位指示功能，地面操控手既可以實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程觀測到藥箱剩余液量，又可以將液位信息融入飛控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)藥箱藥量與電池電量的優(yōu)化搭配、藥箱藥量用盡后的斷點(diǎn)續(xù)航等自主作業(yè)功能，提高施藥效率。

(5)不同類型的植保無人機(jī)的藥箱大小不一、形狀規(guī)格不同，液位監(jiān)測裝置需最大程度適用于各類不用藥箱的安裝和使用。

3 植保無人機(jī)藥箱液位監(jiān)測方法探討

結(jié)合植保無人機(jī)作業(yè)的實(shí)際情況，在總結(jié)分析現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，本文針對上述植保無人機(jī)藥箱液位監(jiān)測中需克服的難題，提出氣壓式液位無線監(jiān)測的解決方案：

(1)針對液面波動(dòng)劇烈，擬通過混合數(shù)字濾波算法和陀螺儀角度數(shù)據(jù)進(jìn)行限幅校正，濾除液面波動(dòng)對液位測量的影響。

(2)針對藥液的理化特性各異，擬采用測量空心管內(nèi)氣壓間接測量液位的方式，去除不同濃度農(nóng)藥或助劑對液位檢測結(jié)果的影響。由于液體對空心管內(nèi)氣壓壓縮，使得管內(nèi)氣壓大于管外氣壓，當(dāng)有一定粘度的農(nóng)藥或助劑噴灑完畢時(shí)，在空心管內(nèi)壁不會(huì)因粘附液體而造成測量誤差；此外，由于同一次植保作業(yè)過程中空心氣管截面積、藥液濃度恒定，通過對空箱氣壓值和滿箱氣壓值標(biāo)定存儲(chǔ)后，氣管內(nèi)氣壓值只與液面高度有關(guān)，因此能解決藥液理化特性各異帶來的測量誤差。

(3)針對藥箱空間小，擬采用可彎曲空心氣管作為間接測量媒介，既減小監(jiān)測裝置體積，又不占用原本緊湊的藥箱內(nèi)部空間。

(4)針對藥液腐蝕和污染問題，擬選用微型氣壓傳感器通過測量空心管內(nèi)氣壓間接測量液位，相比傳統(tǒng)的投入式液位變送器，由于傳感器不需要直接與被測液體接觸，可較好地解決農(nóng)藥或助劑對傳感器的腐蝕和污染問題。

圖2 氣壓式液位無線監(jiān)測裝置設(shè)計(jì)方案示意圖Fig.2 Design scheme of wireless liquid-level monitoring device based on air pressure1.通信電纜 2.天線 3.空心氣管 4.密閉氣室 5.藥箱 6.空箱校正按鍵 7.滿箱校正按鍵 8.轉(zhuǎn)發(fā)器 9.地面監(jiān)控器 10.液位監(jiān)測器

圖2為氣壓式液位無線監(jiān)測裝置設(shè)計(jì)方案示意圖。圖中H為滿箱液位高度，h為空心氣管液位高度。該監(jiān)測裝置包括液位監(jiān)測器、轉(zhuǎn)發(fā)器和地面監(jiān)控器。

液位監(jiān)測器與植保無人機(jī)機(jī)身平行水平放置，轉(zhuǎn)發(fā)器給液位監(jiān)測器供電的同時(shí)用于液位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，當(dāng)藥箱內(nèi)沒有藥液時(shí)，空心氣管的液位高度h=0，液位監(jiān)測器密閉氣室內(nèi)氣壓P等于大氣壓P0。地面監(jiān)控器空箱校正按鍵K1按下，通過無線通訊方式將校正指令由轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)送至液位監(jiān)測器，液位監(jiān)測端存儲(chǔ)當(dāng)前氣壓P0；當(dāng)藥箱E內(nèi)液位高度為H時(shí)，由于液體底部壓力大于大氣壓力，空心氣管內(nèi)會(huì)有高為h的液柱，空心氣管內(nèi)氣體被壓縮，使得與其聯(lián)通的密閉氣室內(nèi)氣壓P=P1；地面監(jiān)控器滿箱校正按鍵K2按下，通過無線通訊方式將校正指令由轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)送至液位監(jiān)測器，液位監(jiān)測端存儲(chǔ)當(dāng)前氣壓P1為

(2)

式中P0——空箱時(shí)的環(huán)境大氣壓ρ——液體密度g——重力加速度s——空心氣管橫截面積

在噴灑作業(yè)過程中，動(dòng)態(tài)變化的藥箱液位高度記為H′，對應(yīng)的液位監(jiān)測器密閉氣室內(nèi)動(dòng)態(tài)變化氣壓記為

(3)

將P1和P2均減去P0再作除法運(yùn)算得出液位百

分比W

(4)

4 結(jié)束語

微電子技術(shù)的發(fā)展使液位計(jì)的小型化和微型化成為可能。介紹了國內(nèi)外常見的接觸式和非接觸式液位監(jiān)測方法，分析了上述常見液位測量方法用于植保無人機(jī)藥箱液位測量時(shí)存在的局限。非接觸式液位監(jiān)測裝置應(yīng)用于植保無人機(jī)液位監(jiān)測時(shí)，主要難點(diǎn)在于植保無人機(jī)飛行時(shí)藥箱液位晃動(dòng)比較大，造成液位監(jiān)測不準(zhǔn)確；非接觸式測量方法通常成本較高，此外，植保無人機(jī)的藥箱體積較小，形狀各異，用非接觸式液位監(jiān)測裝置有安裝不便的問題。接觸式液位監(jiān)測裝置用于植保無人機(jī)藥箱液位監(jiān)測時(shí)，受到的局限主要包括監(jiān)測裝置體積較大，質(zhì)量大，且對傳感器的抗腐蝕能力要求較高等。針對植保無人機(jī)作業(yè)過程中，其藥箱液面波動(dòng)劇烈、藥液的理化特性各異、藥箱空間小、防腐蝕要求高等特點(diǎn)，藥箱液位監(jiān)測裝置應(yīng)針對性解決這些問題。本文在總結(jié)分析現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了一種氣壓式液位無線監(jiān)測方案，屬于非接觸式液位監(jiān)測方法。該方法可較好地解決現(xiàn)有液位監(jiān)測技術(shù)在植保無人機(jī)藥箱液位監(jiān)測中存在的關(guān)鍵問題。

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Application Analysis of Liquid-level Monitoring Technology to Plant Protection UAV

ZHOU Zhiyan1,2JIANG Rui1,2LUO Xiwen1,2LAN Yubin1,2SONG Cancan1,2LI Keliang1,2

(1.EngineeringResearchCenterforAgriculturalAviationApplication(ERCAAA),SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou510642,China2.NationalCenterforInternationalCollaborationResearchonPrecisionAgriculturalAviationPesticidesSprayingTechnology,Guangzhou510642,China)

The liquid-level data is one of the most important informations for flying operators of spaying UAV. During the operation, the liquid content in the pesticide tank is dynamic, the flying operators have always to pay attention to the liquid content so that they can make suitable decisions for the flight control according to the liquid content adjustment in the pesticide tank. Therefore, the liquid-level monitoring method for pesticide tank is important in the design of key components of spraying UAV. In order to explore the feasible method for liquid-level monitoring of pesticide tank in spraying UAV, several major methods about contact and non-contact liquid-level monitorings were reviewed, including differential pressure, floating electrode, capacitance, ultrasonic, laser, photoelectric, flowmeter, machine vision and radar. Spraying UAV has special requirements, such as liquid surface violent fluctuation, different physical and chemical properties of different pesticides, different shapes in different tanks and high anti-corrosion requirements and small size of tank. Lots of limitations of the above mentioned methods when they were used in spraying UAV were pointed out. And then solutions called air-pressure wireless liquid-level monitoring (APWLLM), a kind of non-contact liquid-level monitoring method, which was suitable for use in spraying UAV, were proposed. It would provide a reference for the further development of liquid-level monitoring device for pesticide tank in spraying UAV.

aviation plant protection； plant protection UAV； pesticide tank； liquid-level monitoring； wireless monitoring

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.04.006

2016-12-21

2017-01-30

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014A020208103、2014B090904073、2015B020206003)和國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0200700)

周志艷(1972—)，男，教授，主要從事農(nóng)業(yè)航空應(yīng)用技術(shù)研究，E-mail： zyzhou@scau.edu.cn

羅錫文(1945—)，男，教授，主要從事農(nóng)業(yè)工程研究,E-mail: xwluo@scau.edu.cn

S252+.3

B

1000-1298(2017)04-0047-09