一種小型無人機農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)設(shè)計

◎鄭德魯

（青島工學(xué)院，山東膠州 266300）

無人機多年來一直是航空領(lǐng)域研究的熱點，在實際應(yīng)用中存在大量的需求。在農(nóng)業(yè)中，采用無人機進行農(nóng)藥噴灑具有作業(yè)高度低，飄移少，可空中懸停，無需專用起降機場，旋翼產(chǎn)生的向下氣流有助于增加霧流對作物的穿透性，防治效果高等特點，因此，超低空無人機噴施技術(shù)已成為農(nóng)藥噴灑技術(shù)的研究熱點之一。本研究利用脈寬調(diào)制技術(shù)設(shè)計了一種機載農(nóng)藥變量噴灑裝置，通過PWM控制繼電器的開閉來改變液泵的工作時長，從而改變農(nóng)藥噴灑速率，擴大了機載農(nóng)藥噴灑裝置的適用范圍，降低了農(nóng)藥噴灑成本，提高了農(nóng)藥噴灑效率。

一、機載農(nóng)藥變量噴灑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

用于農(nóng)藥噴灑的無人機系統(tǒng)主要由無人機機體及機載農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)組成。采用無人機為多旋翼結(jié)構(gòu)。主要由動力系統(tǒng)、飛行器主體和控制系統(tǒng)組成。機載農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)包括藥箱、噴頭、懸臂、液泵、噴灑控制板、控制線以及水管。

當進行農(nóng)藥噴灑時，操作人員開啟遠程無線遙控器上的噴灑控制開關(guān)，無線遙控器根據(jù)開關(guān)位置將噴灑控制信號發(fā)送給安裝在無人機上的無線接收機，噴灑控制板收到無線接收機傳輸過來的噴灑控制信號后，通過控制線對液泵進行PWM控制，通過改變PWM的占空比來改變液泵的工作時長，從而改變農(nóng)藥噴灑流量，實現(xiàn)變量噴灑。

二、噴灑控制器設(shè)計

控制器的設(shè)計采用AVR公司的ATmega16單片機作為微處理器，以12V聚合物鋰電池作為電源，直接為液泵供電，并通過5V穩(wěn)壓電路將12V電壓轉(zhuǎn)換成5 V電壓，為接收機、液泵驅(qū)動電路及單片機主控電路供電。其中，接收機用于接收遠程無線遙控器發(fā)送過來的農(nóng)藥噴灑控制信號；液泵驅(qū)動電路用于控制液泵的開關(guān)及其工作時間。

電源采用12V聚合物鋰電池，可直接為液泵供電，5V穩(wěn)壓電路將12V電壓轉(zhuǎn)換成5V為無線接收機、液泵驅(qū)動電路及單片機主控電路供電。

5V穩(wěn)壓電路由L7805穩(wěn)壓芯片和2只電容組成。其中，L7805是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的1款3端正電源集成穩(wěn)壓芯片，最大工作電壓為35V，工作時的最大輸出電流為1．5A。 采用L7805來組成5V穩(wěn)壓電源所需的外圍元件少，L7805下芯片內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護電路，使用可靠、方便，工作穩(wěn)定。

本機載噴灑系統(tǒng)的液泵選用普蘭迪1205直流微型隔膜水泵，工作電壓12 V、最大壓力0．62 Mpa、最大工作電流 1．8 A、流量 3．15 L/min。普蘭迪1205電機具有自吸功能、熱保護功能、可以長時間連續(xù)空轉(zhuǎn)以及長時間連續(xù)負載運轉(zhuǎn)，可滿足機載農(nóng)藥噴灑工作的要求。液泵驅(qū)動電路采用松下TQ2SA-5V超小型繼電器來控制液泵工作，該繼電器采用表面貼裝封裝，重量輕、體積小，可支持最大電流 2A、最大電壓30V，觸點機械壽命在1億次以上（通斷頻率180次/分），可支持液泵多次連續(xù)工作。

三、農(nóng)藥變量噴灑試驗裝置及控制方法

（一）農(nóng)藥變量噴灑試驗裝置

多旋翼無人機采用自主設(shè)計的無人機機架，全部機架使用3K全碳纖維材料，連結(jié)件為航空鋁材，機架堅固且輕盈，采用下折疊構(gòu)型，以滿足無人機運輸及作業(yè)的需要。

無人機軸距1300mm，采用8個恒力4830KV370盤式無刷電機作為動力。該飛控系統(tǒng)集成了集成了高精度的三軸陀螺儀等感應(yīng)元件以及GPS定位系統(tǒng)。WKM飛控系統(tǒng)與R6208接收機連接，接收來自FUTABA T14SG遙控器的飛行控制指令。無人機最大起飛重量10．0kg，可攜帶2．0kg以上的農(nóng)藥（不含機載農(nóng)藥噴灑裝置）進行噴灑作業(yè)，可相對農(nóng)作物3-9m高度實施低空噴藥，在旋翼風下壓作用下，可降低農(nóng)藥噴灑飄移，提高農(nóng)藥噴灑效率。

（二）農(nóng)藥變量噴灑控制方法

農(nóng)藥變量噴灑控制步驟具體如下：（1） 操作人員開啟FUTABA T14SG遙控器中的1個三段式農(nóng)藥噴灑控制開關(guān)；（2）該三段開關(guān)與遙控器通道8相關(guān)聯(lián)，通過通道8發(fā)送占空比不同，頻率固定為48．71Hz的PWM噴灑控制信號給無人機；（3） 安裝在無人機上的R6208接收機接收到噴灑控制信號并傳輸給機載噴灑控制器；（4） 噴灑控制器根據(jù)接收到噴灑控制信號的占空比，判斷對應(yīng)的農(nóng)藥噴灑流量指標，并調(diào)整PWM信號占空比來改變液泵的工作時長，從而改變農(nóng)藥噴灑速率。

四、結(jié)論

在無人機機體上，利用PWM技術(shù)設(shè)計了一種機載農(nóng)藥變量噴灑系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)占空比控制農(nóng)藥噴灑流量，該系統(tǒng)采用12V聚合物鋰電池供電，設(shè)計有專用的變量噴灑控制器。

在常量噴灑指標條件下并結(jié)合機載噴灑系統(tǒng)的覆蓋范圍，確定PWM噴灑控制信號的頻率以1Hz。

建立了占空比與噴灑流量之間的關(guān)系模型，用于指導(dǎo)變量噴灑時PWM控制信號占空比的設(shè)定。

測試了在 0．3、0．4、0．5 L/min 流量指標條件下機載農(nóng)藥變量噴灑系統(tǒng)的噴灑效果，實際噴灑流量誤差低于8．66%。