農業(yè)技術論文：一種農用無人機噴灑新型裝置

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1、農業(yè)技術論文：一種農用無人機噴灑新型裝置 摘要 近年來，無人機在植保領域的應用越來越廣泛，農業(yè)農用無人機無論是在便利性還是在噴灑效果方面都具有更顯著的優(yōu)勢。現(xiàn)階段農用無人機在田間、地頭飛防作業(yè)時，存在農用無人機在加速與減速階段藥液的噴灑存在極大地不均勻性的問題，目前無人機噴灑系統(tǒng)大多數(shù)采用定量噴灑，噴灑均勻性有待提升，因此本文針對變量噴灑所涉及到的關鍵原理和技術進行了細致的研究。目前的解決方案大部分采用的是在農用無人機在加速與減速階段將水泵關閉，最后再完成掃邊。此方案雖然控制了農藥給作物帶來的傷害，但卻加大了時間成本，降低了作業(yè)效率。為了提高農業(yè)農用無人機噴灑系統(tǒng)性能，設計噴灑系統(tǒng)的硬件核

2、心嵌入式板，選用了離心噴頭、水泵、流量計、電子調速器等部件組成了農用無人機變量噴灑系統(tǒng)，完成實驗平臺的硬件搭建工作。變量噴灑系統(tǒng)的軟件設計分為四個部分即飛前自檢部分、獲取飛機速度部分、流量計采集部分、脈寬調制部分。針對不同作物需要不同的噴灑指標編寫噴灑參數(shù)設置軟件，解決分檔式農用無人機手動調節(jié)檔位的問題。 關鍵詞：變量噴灑；PID 流量控制；農用無人機 1緒論 1.1 研究背景 隨著社會的進步，我國農村勞動力結構已經(jīng)發(fā)生了重大的變化，人們對糧食的需求與農村勞動力缺乏的矛盾日益突出，農業(yè)生產(chǎn)機械化已經(jīng)成為了迫切需求。我國糧食作物和商品作物的生長環(huán)境是復雜的非平面的高地，種植的方式也差

3、異很大，另外由于氣候原因，農作物病蟲害反復頻繁發(fā)生。根據(jù)糧食組織的數(shù)據(jù)，糧食的自然損失率高達 37%。如果不采取防治措施，中國水稻年產(chǎn)量將大量減少導致我國每年大量的經(jīng)濟損失。近年來，受種植系統(tǒng)的改變，中國經(jīng)濟全球化的影響，我國農作物病蟲害呈現(xiàn)出了新的特點：農作物抗藥性增加；病蟲害的發(fā)生頻率逐年上升；遷徙性的害蟲不斷出現(xiàn)；與此同時，為了實現(xiàn)多豐收，高品質，生態(tài)環(huán)保，將綠色可持續(xù)發(fā)展型農業(yè)作為我國農業(yè)建設的目標。因此在這些新的情況下，農業(yè)農用無人機成為了時代必需品，發(fā)展農業(yè)農用無人機技術已經(jīng)刻不容緩。 據(jù)統(tǒng)計，我國每年糧食作物發(fā)生生物災害面積達3.6億hm2，每年損失糧食4000萬噸之多。人口我

4、們無法在短時間內改變，但病蟲害可通過農藥控制。因此，提高單位面積產(chǎn)量，使用農藥很有必要，正確的使用農藥可控制病蟲害，可使糧食增產(chǎn)。 由于我國人口老齡化的趨勢，農業(yè)生產(chǎn)的不足已經(jīng)逐漸體現(xiàn)出來。按照國家發(fā)展計劃，使用無人機進行農藥施用有助于推進植保機械化，提高農藥施用時間，增強安全性和效率。在農業(yè)無人機農藥快速發(fā)展的過程中，充滿了機遇和挑戰(zhàn)。無人機在農藥施用中的應用提供了比傳統(tǒng)噴霧作業(yè)更有優(yōu)勢的優(yōu)勢，低空飛行高度農業(yè)用低劑量農藥施用已經(jīng)開始實施。農用無人機在水田也得到了應用，就像中國的山地一樣。無人機部署的可能性很大，特別是在小型作物田地或者人員或地面植物保護機器難以接近的復雜的地理隔離區(qū)域，體

5、現(xiàn)了無人機的價值。鑒于無人機技術的新穎性和復雜性，無人機應用技術的研究和開發(fā)成為當務之急。近年來農業(yè)無人機產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，國家在農業(yè)上的投入也越來越大，政府很重視農業(yè)的發(fā)展，精準農業(yè)、高效農業(yè)成為農業(yè)發(fā)展的趨勢。農業(yè)是保證人民生活的基礎，農業(yè)農用無人機在近幾年來得到了突飛猛進的發(fā)展，也越來越得到農民的認可。 基于國情，操作人員大部分是農民，小型背負式手動噴霧器居多，而農民因缺乏藥械以及施藥技術知識的了解，極易造成自身中毒。20世紀80年代后期以來，施藥中毒人數(shù)呈上升趨勢，農業(yè)部公布2000年因施藥中毒的人數(shù)高達8萬之多。而農用無人機其遠距離遙控操作的特點，從根本上避免了作業(yè)人員近距離長時間

6、接觸農藥，改善了操作者的勞動條件。 農用無人機獨特的優(yōu)勢在于易于運輸和使用，在大型植保機具難以進地作業(yè)而不得不選擇人工作業(yè)或者小型機械進行作業(yè)的小地塊、復雜地形如丘陵、山地、水田等區(qū)域，農用無人機的優(yōu)勢尤其顯著。 現(xiàn)階段農用無人機在田間、地頭飛防作業(yè)時，存在著農用無人機在加速與減速階段藥液的噴灑存在極大地不均勻性的問題，目前的解決方案大部分采用的是在農用無人機在加速與減速階段將水泵關閉，最后再完成掃邊。此方案雖然控制了農藥給作物帶來的傷害，但卻加大了時間成本，降低了作業(yè)效率，通過計算得知加速階段的用藥是勻速階段的兩倍，不僅浪費農藥，更對10m之長的作物產(chǎn)生傷害，再算上減速階段，加減速次數(shù)，

7、這個損失將無法估量?；谖覈鴩楹退幮岛褪┧幖夹g的現(xiàn)狀，農用無人機的應用在農業(yè)方面顯示出獨特的優(yōu)勢。因此，設計一種基于農用無人機離心式噴頭的智能噴灑系統(tǒng)迫在眉睫，開展農用無人機的噴頭研究十分重要。 1.2 國內外發(fā)展與研究現(xiàn)狀 1.2.1 國外航空噴灑系統(tǒng)發(fā)展與研究 現(xiàn)狀美國是世界上航空技術和農業(yè)技術最發(fā)達的國家，但主要以有人駕駛固定翼為主。美國航空施藥的離心噴頭用于低量噴霧，通過改變噴頭轉速實現(xiàn)霧滴粒徑大小可控。美國開展離心噴頭研究較早。Forest等，基于Micron公司的轉盤式離心噴嘴，建立能量平衡方程，得出霧滴以wr的速度切向甩出轉盤。Akesson and Yates測量了轉盤

8、式離心噴嘴在不同轉速、不同流量下，霧滴的體積中徑。Gebhardt等，比較了旋轉噴嘴和扇形噴嘴的除草效果，采用光學陣列激光成像探頭測量霧滴尺寸。 日本是一個人口多、耕地少的國家，與我國情況基本類似，日本農戶平均耕地面積較小，地形多山，不適宜有人駕駛固定翼作業(yè)，因此日本自1990年以來，日本山葉公司推出多種主要用于噴灑農藥的無人機，其無人機在農林業(yè)方面的應用發(fā)展迅猛。由于種植規(guī)模較小，日本的施藥設備以采用旋轉離心霧化噴頭的小型直升飛機為主，航空植保作業(yè)操作完善。目前，日本對主要從以下兩方面進行航空噴霧技術的研究：建立飛機噴霧的霧滴分布仿真數(shù)學模型，通過模型分析霧滴沉降規(guī)律，研究噴施高度、風速、

9、不同飛機參數(shù)不同對霧滴粒徑及霧滴飄移的影響。另一個技術是可控霧滴技術，操作人員按作業(yè)條件選擇相應的噴嘴和噴霧參數(shù)達到控制霧滴直徑、飄移率等，取得相應條件下最佳噴霧效果。 1.2.2 國內航空噴灑系統(tǒng)發(fā)展與研究 中國農用無人機起步較晚，但是近十年來發(fā)展較快。歷史上，中國載人航空應用始于20世紀50年代初，當時固定翼是用于執(zhí)行任務的主要載體。北京科源輕型飛機有限公司生產(chǎn)的“藍鷹AD200N”型飛機主要應用于農業(yè)領域。噴幅寬度為22米到30米，作業(yè)速度110公里/小時，日常作業(yè)面積667公頃，施藥量為1.50-3.75kg/hm2,防治效果達到90%以上。 但是我國農業(yè)航空水平仍然落后于發(fā)達國

10、家。我國農業(yè)飛機數(shù)量僅占全球總和的0.13%，我國航空作業(yè)面積僅占所有耕地面積的1.70%。然而發(fā)達國家，航空作業(yè)面積占到了40%-50%。這幾年農業(yè)農用無人機發(fā)展非常迅速。據(jù)權威數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2016年我國擁有農用無人機將近200種，在配有5-20L液罐和5-20m噴幅的條件下，工作效率可達6-10hm2。截至目前，中國農業(yè)航空航天技術的95％應用于農作物保護工作，其余5％應用于農業(yè)信息采集，航空攝影，輔助育種等。中國農用無人機按其結構分為單旋翼無人機和多旋翼無人機，電力系統(tǒng)可分為電機和柴油兩種類型的無人機。 無人機可以在很大程度上忽視地形對于植保作業(yè)的影響、代替?zhèn)鹘y(tǒng)植保設備在這些地區(qū)進行質保

11、作業(yè)，在便利性、安全性、噴灑效率、節(jié)水節(jié)藥等方面都有更顯著的效果，將成為我國發(fā)展農業(yè)現(xiàn)代化的主要措施和重要力量。目前我國多個地方政府已經(jīng)和國內一些無人機廠家達成合作協(xié)議，進行無人機植保作業(yè)的試點工作。XAIRCRAFT，DJI等一批知名的無人機公司分別在2015年和2016年推出了自己的農業(yè)農用無人機。 我國是農業(yè)大國，噴灑技術是普惠全國的核心技術，我國一直很重視噴灑技術的研究。在噴灑領域我國取得了一系列的研究成果。2003年，金宏智對噴頭進行了研究，通常圓形噴灌機首跨上的噴頭噴水量很少愈往外跨上的噴頭噴水量愈多，這是圓形噴灌機的噴灑特點；總之，對于控制某一噴灌區(qū)域或某一噴頭的噴水量歸納起來

12、有3種方法：脈沖控制法，階梯控制法和混合法。2005年，韓文霆研究了變量噴頭的參數(shù)之間的理論關系，利用極限理論和二重積分法推導了變速、流量和噴灑半徑的關系方程，結果表明變量噴頭的流量與噴灑的半徑與旋轉速度的乘積成正比。 2011年，閆棟針對目前農藥定量噴灑技術的缺陷，利用單片機通過脈寬調制方式對蠕動泵進行控制實現(xiàn)純藥量精確輸出研發(fā)了一種變量式的噴霧系統(tǒng)；該系統(tǒng)不斷通過采樣電機轉速和車速對實際噴灑藥量進行校驗控制；用戶在使用時只需通過鍵盤輸入單位面積噴灑藥量，系統(tǒng)會通過預先設計好的算法，得到驅動蠕動泵工作的占空比值，便可控制電機的轉速。為解決噴頭來實現(xiàn)變量噴灑時壓力的變化而產(chǎn)生的分布不均勻的情

13、況，以均勻性系數(shù)值最大為目標，劉俊萍首次建立了變量噴灑全射流噴頭噴灑均勻性的綜合評價函數(shù)。 2012年劉俊萍等人初步建立了變量噴灑噴頭的評價指標，分別對全射流噴頭搖臂式噴頭和進行綜合評價，探索性能指標權重值變化20%對評價結果的影響，說明權重值選取合理，可為今后其它變量噴灑噴頭評價提供參考。陳超等人為了提高可變噴嘴的噴灌均勻性，設計了一種可調噴頭的可變噴頭，利用流量調節(jié)機構改變噴頭工作壓力，通過出口調節(jié)機構改變噴頭出口，并統(tǒng)一調整噴嘴出口面積和工作壓力。張濤濤將噴頭的壓力與脈寬調制和速度通過公式聯(lián)系起來，根據(jù)采集到的NDVI和速度信息來調整PWM，利用霍爾傳感器獲得拖拉機轉速，從而保證農藥的

14、有效使用。劉大印等人開發(fā)了一種農藥變量噴灑的控制系統(tǒng)，以往的農藥變量噴灑控制系統(tǒng)大部分是利用讀取流量傳感器的值，然后通過調節(jié)速度或者水壓來控制噴頭流量大小，進而達到在噴灑過程中單位面積的量相等。 2014年，陳超設計了一款改變壓力來實現(xiàn)變量噴灑的裝置，而且研究了噴灑時的水力性能和能耗，方形域噴灑比圓形域噴灑的能耗低30.3%，可為變域噴灑提供一種低能耗的新模式。2014年徐興等人研究了占空比和流量的關系模型，以關系模型為指導，分別測試了0.3、0.4、0.5L/min分檔式流量控制指標下的變量噴灑試驗效果，得出了噴灑值和目標值之間誤差分別為8.66%、4.50%和1.60%。當噴灑高度逐漸增

15、加時，對于多噴頭的農用無人機兩個噴頭之間會有一定的重噴區(qū)域，其中兩個噴頭會有一定的影響，噴射過程中往往產(chǎn)生沖撞等相互作用，噴頭之間會相互影響?；诿}寬調制技術肖利平設計小型無人機機載農藥變量噴灑系統(tǒng)，改變脈寬調制波形的占空比來改變水泵的工作時長完成變量噴霧，完成了基于PWM的變量農藥噴灑控制系統(tǒng)的方案設計。陳裕林對噴頭的噴霧量和占空比進行了研究，最終得出了噴霧量和占空比的關系式。 1.3 研究目的及意義 噴頭在病蟲害防治中發(fā)揮著重要的作用，是施藥系統(tǒng)關鍵部件之一。航空噴霧對噴頭的要求更高，優(yōu)良的航空噴頭不僅可以提高霧滴的沉積量和分布均勻性，而且還可以減少霧滴的飄移?，F(xiàn)階段農用無人機在田間、

16、地頭飛防作業(yè)時，發(fā)現(xiàn)農用無人機在加速與減速階段藥液的噴灑存在極大地不均勻性的問題，目前的解決方案大部分采用的是在農用無人機在加速與減速階段將水泵關閉，最后再完成掃邊。此方案雖然控制了農藥給作物帶來的傷害，但卻加大了時間成本，降低了作業(yè)效率，通過計算得知加速階段的用藥是勻速階段的兩倍，不僅浪費農藥，更對10m之長的作物產(chǎn)生傷害，再算上減速階段，加減速次數(shù)，這個損失將無法估量。針對上述情況，本文設計了一種基于農用無人機離心式噴頭的智能噴灑系統(tǒng)，使農用無人機在加減速階段藥液的噴灑速度能夠有效地隨飛機速度調節(jié)從而使藥液噴灑均勻度大大上升，避免了因藥液噴灑不均勻給作物帶來巨大的傷害，提高了作業(yè)效率。本設

17、計主要針對現(xiàn)有農用農用無人機在加減速階段無法均勻施藥的問題進行深入分析，在農用農用無人機噴頭自動調節(jié)系統(tǒng)之上加入了智能噴灑系統(tǒng)，主要針對離心式噴頭，更好地解決了無人機在加減速階段噴灑不均勻的問題。本設計的關鍵技術在于同時考慮飛行速度與噴灑藥量的匹配關系，克服了現(xiàn)有速度與壓力噴頭在低速時配合不佳的缺陷，主要使用離心噴頭解決飛機低速飛行與噴量匹配的關系。在此基礎上，以電動四旋翼農用無人機為飛行平臺，對其噴灑系統(tǒng)的各項參數(shù)進行研究。該研究對優(yōu)化噴頭結構，為作業(yè)農用無人機兩個噴頭之間的間距及農用無人機噴灑農藥操作規(guī)范與標準的制定提供一定的理論依據(jù)。 3.3 無人機平臺 多旋翼農用無人機無論是從穩(wěn)定

18、性上來說，還是容易操作來說都是做農業(yè)植保的首選。目前國內農用無人機基本都是多旋翼的。多旋翼的農用無人機一般由主機身、動力系統(tǒng)(分為油動、電動和油電混合動力)、飛行控制系統(tǒng)、多個旋翼支臂、電機、螺旋槳、起落架和噴灑系統(tǒng)等組成。如圖 3.14 所示。 本次研究的飛行平臺選用的是杭州瓦屋科技有限公司研發(fā)的 W730S 多旋翼農用無人機。 該機型穩(wěn)定可靠，為二次開發(fā)提供了很好的平臺。W730S 農業(yè)農用無人機的優(yōu)勢如下： (1)該機型穩(wěn)定可靠，碳纖維架構，可使用于多次飛行實驗。 (2)電池采用的 16000mAh 大容量電池，為長久的飛行提供了保障。 (3)藥箱選用的是漏斗形藥箱，這

19、種結構設計可以節(jié)約農藥，減少浪費。 (4)螺旋槳使用的是行業(yè)內碳纖維的大葉螺旋槳，這種螺旋槳配合強動力無刷電機可以提供很大的升力，可以搭載高容量藥箱進行噴灑作業(yè)。 (5)噴頭可方便拆卸，自主更換噴頭。 (6)噴頭的位置剛好在扇葉中心的正下方，可以有效的利用風場讓霧滴附著在農作物正反面。 (7)高精度 GPS 定位系統(tǒng)，配合地面基站，雙重定位。精度高達 20cm 級別。 (8)起落架上的海綿墊可以有效的減輕起飛和降落時的震動，為穩(wěn)定的起降提供了保障。 (9)可以搭載噴灑系統(tǒng)空間足夠的大。該機型的主要技術參數(shù)見表 3.7 所示。 飛行控制器是飛機的核心，也是關鍵的硬件。主要負責農業(yè)農

20、用無人機在作業(yè)期間的飛行控制。其中包括飛行姿態(tài)、起飛降落、飛行速度、懸停等功能。W730S 的飛行控制器采用瓦屋科技最新自主研發(fā)的 Phoenix 飛控系統(tǒng)如圖 3.15所示，這款飛行控制器除了采用雙處理器技術，極大提高了農用無人機的安全穩(wěn)定性之外，在控制與導航算法上也進行了全面優(yōu)化，滿足各種農業(yè)生產(chǎn)環(huán)境作業(yè)需求。同時，支持 RTK 技術，讓飛機的飛行更加精準，最大限度避免了漏噴和重噴。 結束語 中國是一個農業(yè)大國，農業(yè)機械化生產(chǎn)方式還未普及，再加之勞動力的缺乏，給無人機在農業(yè)方面的應用與推廣帶來了前所未有的機會。多軸無人機因其智能化程度高，飛行穩(wěn)定、操作簡單，在噴灑農藥方面，受到人們

21、的廣泛喜愛。由于其動力的限制，使用鏗電作為動力電池，所以續(xù)航時間有限(巧~20min)。希望能找到一種混合動力來替代純電動動力，來突破續(xù)航時間的限制。 本人主要從事噴灑系統(tǒng)的研究工作，從國外調研開始，調查了美國日本等發(fā)達國家的農用無人機發(fā)展現(xiàn)狀。為了實現(xiàn)研究目的，完成了嵌入式板的硬件設計，并對相關設備進行了嚴格的選型。分析相關的技術問題，理論分析，方案設計。最后實現(xiàn)了均勻性噴灑功能。主要工作有：深入了解了農用無人機的發(fā)展現(xiàn)狀，結合多旋翼農用無人機國內外現(xiàn)狀以及我國對于農業(yè)機械化的需求，引出了本文的研究背景與意義。對霧滴分類和噴灑效果的理論作了分析。對于本研究使用的噴灑硬件系統(tǒng)進行了設計，對嵌

22、入式板的結構、接口、電子電路進行了研發(fā)設計，針對關鍵性的器件進行了選型。飛機平臺、飛行控制器、噴頭、水泵、流量計、電子調速器等對農用無人機的噴灑性能都起到很大的影響，他們的設備型號和參數(shù)是考量的重要指標。完成了噴灑系統(tǒng)相關的硬件設計，并搭建好了實驗平臺。 本文對如何實現(xiàn)全自動噴灑系統(tǒng)進行了研究，主要工作集中于噴灑速度與流量的關系。雖然取得一定成果，但是是由于時間等原因，本課題尚存在一些不足，希望之后可以更深入的研究。 ? 致謝 我的畢業(yè)論文的完成，不僅僅是我個人的努力和付出，也凝聚了許多人的辛勤付出，首先我要向幫助過我的所有老師和同學表示衷心的感謝。 在這次畢業(yè)論文構思過程中

23、，很多人都對我予以了幫助，他們給了我很多研究的思路、方法，同時對我的研究中不正確的地方進行了指導和糾正，最要感謝的人是我論文指導老師，他從我論文開題到后續(xù)研究，都給了我很大的啟發(fā)和指導，論文初步完成時他又指出了許多不合理的地方，就連非常細微之處，老師都細心的為我講解，才使得我的論文更加完善。從論文選題到最終定稿，老師都給予了悉心的指導，不厭其煩的對論文逐字逐句地提出了極為中肯的修改意見，傾注了無數(shù)的心血，因此，我要感謝的老師。 此外，我還要感謝在一起度過愉快時光的，在一起學習在一起成長，在一起討論問題的同學們，正是由于你們的陪伴和幫助，我才得以克服了一個又一個難題，解除疑惑，直至本文的順利完

24、成，使我獲益匪淺。 再者，我要感謝四年來一直陪伴我成長的同學們，感謝他們的幫助、鼓勵與支持，使我學習到了許多我原本沒有的優(yōu)秀品質，感謝同學們，也感恩我們的相遇。 最后，我要感謝給予我生命和寶貴的學習機會的父母，讓我有機會接觸到科研，有機會用知識改變命運。再次對關心、幫助過我的老師和同學們表示衷心的感謝。致以最誠摯的祝福，愿大家前程似錦！也祝自己可以描繪出更加絢麗多彩的人生畫卷。 參考文獻 [1]楊晶晶,宋丹雪.關于智能植保(果樹)無人機自動控制系統(tǒng)的研究[J].電子產(chǎn)品世界,2019(12). [2]蔡銀杰,孫娟,丁曉輝,等.我國農用無人機發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].農化市場十日訊,2

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