农业技术论文：一种农用无人机喷洒新型装置

农业技术论文：一种农用无人机喷洒新型装置摘要近年来，无人机在植保领域的应用越来越广泛，农业农用无人机无论是在便利性还是在喷洒效果方面都具有更显著的优势。现阶段农用无人机在田间、地头飞防作业时，存在农用无人机在加速与减速阶段药液的喷洒存在极大地不均匀性的问题，目前无人机喷洒系统大多数采用定量喷洒，喷洒均匀性有待提升，因此本文针对变量喷洒所涉及到的关键原理和技术进行了细致的研究。目前的解决方案大部分采用的是在农用无人机在加速与减速阶段将水泵关闭，最后再完成扫边。此方案虽然控制了农药给作物带来的伤害，但却加大了时间成本，降低了作业效率。为了提高农业农用无人机喷洒系统性能，设计喷洒系统的硬件核心嵌入式板，选用了离心喷头、水泵、流量计、电子调速器等部件组成了农用无人机变量喷洒系统，完成实验平台的硬件搭建工作。变量喷洒系统的软件设计分为四个部分即飞前自检部分、获取飞机速度部分、流量计采集部分、脉宽调制部分。针对不同作物需要不同的喷洒指标编写喷洒参数设置软件，解决分档式农用无人机手动调节档位的问题。关键词：变量喷洒；PID 流量控制；农用无人机1绪论1.1 研究背景随着社会的进步，我国农村劳动力结构已经发生了重大的变化，人们对粮食的需求与农村劳动力缺乏的矛盾日益突出，农业生产机械化已经成为了迫切需求。我国粮食作物和商品作物的生长环境是复杂的非平面的高地，种植的方式也差异很大，另外由于气候原因，农作物病虫害反复频繁发生。根据粮食组织的数据，粮食的自然损失率高达 37%。如果不采取防治措施，中国水稻年产量将大量减少导致我国每年大量的经济损失。近年来，受种植系统的改变，中国经济全球化的影响，我国农作物病虫害呈现出了新的特点：农作物抗药性增加；病虫害的发生频率逐年上升；迁徙性的害虫不断出现；与此同时，为了实现多丰收，高品质，生态环保，将绿色可持续发展型农业作为我国农业建设的目标。因此在这些新的情况下，农业农用无人机成为了时代必需品，发展农业农用无人机技术已经刻不容缓。据统计，我国每年粮食作物发生生物灾害面积达3.6亿hm2，每年损失粮食4000万吨之多。人口我们无法在短时间内改变，但病虫害可通过农药控制。因此，提高单位面积产量，使用农药很有必要，正确的使用农药可控制病虫害，可使粮食增产。由于我国人口老龄化的趋势，农业生产的不足已经逐渐体现出来。按照国家发展计划，使用无人机进行农药施用有助于推进植保机械化，提高农药施用时间，增强安全性和效率。在农业无人机农药快速发展的过程中，充满了机遇和挑战。无人机在农药施用中的应用提供了比传统喷雾作业更有优势的优势，低空飞行高度农业用低剂量农药施用已经开始实施。农用无人机在水田也得到了应用，就像中国的山地一样。无人机部署的可能性很大，特别是在小型作物田地或者人员或地面植物保护机器难以接近的复杂的地理隔离区域，体现了无人机的价值。鉴于无人机技术的新颖性和复杂性，无人机应用技术的研究和开发成为当务之急。近年来农业无人机产业快速发展，国家在农业上的投入也越来越大，政府很重视农业的发展，精准农业、高效农业成为农业发展的趋势。农业是保证人民生活的基础，农业农用无人机在近几年来得到了突飞猛进的发展，也越来越得到农民的认可。基于国情，操作人员大部分是农民，小型背负式手动喷雾器居多，而农民因缺乏药械以及施药技术知识的了解，极易造成自身中毒。20世纪80年代后期以来，施药中毒人数呈上升趋势，农业部公布2000年因施药中毒的人数高达8万之多。而农用无人机其远距离遥控操作的特点，从根本上避免了作业人员近距离长时间接触农药，改善了操作者的劳动条件。农用无人机独特的优势在于易于运输和使用，在大型植保机具难以进地作业而不得不选择人工作业或者小型机械进行作业的小地块、复杂地形如丘陵、山地、水田等区域，农用无人机的优势尤其显著。现阶段农用无人机在田间、地头飞防作业时，存在着农用无人机在加速与减速阶段药液的喷洒存在极大地不均匀性的问题，目前的解决方案大部分采用的是在农用无人机在加速与减速阶段将水泵关闭，最后再完成扫边。此方案虽然控制了农药给作物带来的伤害，但却加大了时间成本，降低了作业效率，通过计算得知加速阶段的用药是匀速阶段的两倍，不仅浪费农药，更对10m之长的作物产生伤害，再算上减速阶段，加减速次数，这个损失将无法估量。基于我国国情和药械和施药技术的现状，农用无人机的应用在农业方面显示出独特的优势。因此，设计一种基于农用无人机离心式喷头的智能喷洒系统迫在眉睫，开展农用无人机的喷头研究十分重要。1.2 国内外发展与研究现状1.2.1 国外航空喷洒系统发展与研究现状美国是世界上航空技术和农业技术最发达的国家，但主要以有人驾驶固定翼为主。美国航空施药的离心喷头用于低量喷雾，通过改变喷头转速实现雾滴粒径大小可控。美国开展离心喷头研究较早。Forest等，基于Micron公司的转盘式离心喷嘴，建立能量平衡方程，得出雾滴以wr的速度切向甩出转盘。Akesson and Yates测量了转盘式离心喷嘴在不同转速、不同流量下，雾滴的体积中径。Gebhardt等，比较了旋转喷嘴和扇形喷嘴的除草效果，采用光学阵列激光成像探头测量雾滴尺寸。日本是一个人口多、耕地少的国家，与我国情况基本类似，日本农户平均耕地面积较小，地形多山，不适宜有人驾驶固定翼作业，因此日本自1990年以来，日本山叶公司推出多种主要用于喷洒农药的无人机，其无人机在农林业方面的应用发展迅猛。由于种植规模较小，日本的施药设备以采用旋转离心雾化喷头的小型直升飞机为主，航空植保作业操作完善。目前，日本对主要从以下两方面进行航空喷雾技术的研究：建立飞机喷雾的雾滴分布仿真数学模型，通过模型分析雾滴沉降规律，研究喷施高度、风速、不同飞机参数不同对雾滴粒径及雾滴飘移的影响。另一个技术是可控雾滴技术，操作人员按作业条件选择相应的喷嘴和喷雾参数达到控制雾滴直径、飘移率等，取得相应条件下最佳喷雾效果。1.2.2 国内航空喷洒系统发展与研究中国农用无人机起步较晚，但是近十年来发展较快。历史上，中国载人航空应用始于20世纪50年代初，当时固定翼是用于执行任务的主要载体。北京科源轻型飞机有限公司生产的“蓝鹰AD200N”型飞机主要应用于农业领域。喷幅宽度为22米到30米，作业速度110公里/小时，日常作业面积667公顷，施药量为1.50-3.75kg/hm2,防治效果达到90%以上。但是我国农业航空水平仍然落后于发达国家。我国农业飞机数量仅占全球总和的0.13%，我国航空作业面积仅占所有耕地面积的1.70%。然而发达国家，航空作业面积占到了40%-50%。这几年农业农用无人机发展非常迅速。据权威数据统计，2016年我国拥有农用无人机将近200种，在配有5-20L液罐和5-20m喷幅的条件下，工作效率可达6-10hm2。截至目前，中国农业航空航天技术的95应用于农作物保护工作，其余5应用于农业信息采集，航空摄影，辅助育种等。中国农用无人机按其结构分为单旋翼无人机和多旋翼无人机，电力系统可分为电机和柴油两种类型的无人机。无人机可以在很大程度上忽视地形对于植保作业的影响、代替传统植保设备在这些地区进行质保作业，在便利性、安全性、喷洒效率、节水节药等方面都有更显著的效果，将成为我国发展农业现代化的主要措施和重要力量。目前我国多个地方政府已经和国内一些无人机厂家达成合作协议，进行无人机植保作业的试点工作。XAIRCRAFT，DJI等一批知名的无人机公司分别在2015年和2016年推出了自己的农业农用无人机。我国是农业大国，喷洒技术是普惠全国的核心技术，我国一直很重视喷洒技术的研究。在喷洒领域我国取得了一系列的研究成果。2003年，金宏智对喷头进行了研究，通常圆形喷灌机首跨上的喷头喷水量很少愈往外跨上的喷头喷水量愈多，这是圆形喷灌机的喷洒特点；总之，对于控制某一喷灌区域或某一喷头的喷水量归纳起来有3种方法：脉冲控制法，阶梯控制法和混合法。2005年，韩文霆研究了变量喷头的参数之间的理论关系，利用极限理论和二重积分法推导了变速、流量和喷洒半径的关系方程，结果表明变量喷头的流量与喷洒的半径与旋转速度的乘积成正比。2011年，闫栋针对目前农药定量喷洒技术的缺陷，利用单片机通过脉宽调制方式对蠕动泵进行控制实现纯药量精确输出研发了一种变量式的喷雾系统；该系统不断通过采样电机转速和车速对实际喷洒药量进行校验控制；用户在使用时只需通过键盘输入单位面积喷洒药量，系统会通过预先设计好的算法，得到驱动蠕动泵工作的占空比值，便可控制电机的转速。为解决喷头来实现变量喷洒时压力的变化而产生的分布不均匀的情况，以均匀性系数值最大为目标，刘俊萍首次建立了变量喷洒全射流喷头喷洒均匀性的综合评价函数。2012年刘俊萍等人初步建立了变量喷洒喷头的评价指标，分别对全射流喷头摇臂式喷头和进行综合评价，探索性能指标权重值变化20%对评价结果的影响，说明权重值选取合理，可为今后其它变量喷洒喷头评价提供参考。陈超等人为了提高可变喷嘴的喷灌均匀性，设计了一种可调喷头的可变喷头，利用流量调节机构改变喷头工作压力，通过出口调节机构改变喷头出口，并统一调整喷嘴出口面积和工作压力。张涛涛将喷头的压力与脉宽调制和速度通过公式联系起来，根据采集到的NDVI和速度信息来调整PWM，利用霍尔传感器获得拖拉机转速，从而保证农药的有效使用。刘大印等人开发了一种农药变量喷洒的控制系统，以往的农药变量喷洒控制系统大部分是利用读取流量传感器的值，然后通过调节速度或者水压来控制喷头流量大小，进而达到在喷洒过程中单位面积的量相等。2014年，陈超设计了一款改变压力来实现变量喷洒的装置，而且研究了喷洒时的水力性能和能耗，方形域喷洒比圆形域喷洒的能耗低30.3%，可为变域喷洒提供一种低能耗的新模式。2014年徐兴等人研究了占空比和流量的关系模型，以关系模型为指导，分别测试了0.3、0.4、0.5L/min分档式流量控制指标下的变量喷洒试验效果，得出了喷洒值和目标值之间误差分别为8.66%、4.50%和1.60%。当喷洒高度逐渐增加时，对于多喷头的农用无人机两个喷头之间会有一定的重喷区域，其中两个喷头会有一定的影响，喷射过程中往往产生冲撞等相互作用，喷头之间会相互影响。基于脉宽调制技术肖利平设计小型无人机机载农药变量喷洒系统，改变脉宽调制波形的占空比来改变水泵的工作时长完成变量喷雾，完成了基于PWM的变量农药喷洒控制系统的方案设计。陈裕林对喷头的喷雾量和占空比进行了研究，最终得出了喷雾量和占空比的关系式。1.3 研究目的及意义喷头在病虫害防治中发挥着重要的作用，是施药系统关键部件之一。航空喷雾对喷头的要求更高，优良的航空喷头不仅可以提高雾滴的沉积量和分布均匀性，而且还可以减少雾滴的飘移。现阶段农用无人机在田间、地头飞防作业时，发现农用无人机在加速与减速阶段药液的喷洒存在极大地不均匀性的问题，目前的解决方案大部分采用的是在农用无人机在加速与减速阶段将水泵关闭，最后再完成扫边。此方案虽然控制了农药给作物带来的伤害，但却加大了时间成本，降低了作业效率，通过计算得知加速阶段的用药是匀速阶段的两倍，不仅浪费农药，更对10m之长的作物产生伤害，再算上减速阶段，加减速次数，这个损失将无法估量。针对上述情况，本文设计了一种基于农用无人机离心式喷头的智能喷洒系统，使农用无人机在加减速阶段药液的喷洒速度能够有效地随飞机速度调节从而使药液喷洒均匀度大大上升，避免了因药液喷洒不均匀给作物带来巨大的伤害，提高了作业效率。本设计主要针对现有农用农用无人机在加减速阶段无法均勻施药的问题进行深入分析，在农用农用无人机喷头自动调节系统之上加入了智能喷洒系统，主要针对离心式喷头，更好地解决了无人机在加减速阶段喷洒不均匀的问题。本设计的关键技术在于同时考虑飞行速度与喷洒药量的匹配关系，克服了现有速度与压力喷头在低速时配合不佳的缺陷，主要使用离心喷头解决飞机低速飞行与喷量匹配的关系。在此基础上，以电动四旋翼农用无人机为飞行平台，对其喷洒系统的各项参数进行研究。该研究对优化喷头结构，为作业农用无人机两个喷头之间的间距及农用无人机喷洒农药操作规范与标准的制定提供一定的理论依据。3.3 无人机平台多旋翼农用无人机无论是从稳定性上来说，还是容易操作来说都是做农业植保的首选。目前国内农用无人机基本都是多旋翼的。多旋翼的农用无人机一般由主机身、动力系统(分为油动、电动和油电混合动力)、飞行控制系统、多个旋翼支臂、电机、螺旋桨、起落架和喷洒系统等组成。如图 3.14 所示。本次研究的飞行平台选用的是杭州瓦屋科技有限公司研发的 W730S 多旋翼农用无人机。该机型稳定可靠，为二次开发提供了很好的平台。W730S 农业农用无人机的优势如下：(1)该机型稳定可靠，碳纤维架构，可使用于多次飞行实验。(2)电池采用的 16000mAh 大容量电池，为长久的飞行提供了保障。(3)药箱选用的是漏斗形药箱，这种结构设计可以节约农药，减少浪费。(4)螺旋桨使用的是行业内碳纤维的大叶螺旋桨，这种螺旋桨配合强动力无刷电机可以提供很大的升力，可以搭载高容量药箱进行喷洒作业。(5)喷头可方便拆卸，自主更换喷头。(6)喷头的位置刚好在扇叶中心的正下方，可以有效的利用风场让雾滴附着在农作物正反面。(7)高精度 GPS 定位系统，配合地面基站，双重定位。精度高达 20cm 级别。(8)起落架上的海绵垫可以有效的减轻起飞和降落时的震动，为稳定的起降提供了保障。(9)可以搭载喷洒系统空间足够的大。该机型的主要技术参数见表 3.7 所示。飞行控制器是飞机的核心，也是关键的硬件。主要负责农业农用无人机在作业期间的飞行控制。其中包括飞行姿态、起飞降落、飞行速度、悬停等功能。W730S 的飞行控制器采用瓦屋科技最新自主研发的 Phoenix 飞控系统如图 3.15所示，这款飞行控制器除了采用双处理器技术，极大提高了农用无人机的安全稳定性之外，在控制与导航算法上也进行了全面优化，满足各种农业生产环境作业需求。同时，支持 RTK 技术，让飞机的飞行更加精准，最大限度避免了漏喷和重喷。结束语中国是一个农业大国，农业机械化生产方式还未普及，再加之劳动力的缺乏，给无人机在农业方面的应用与推广带来了前所未有的机会。多轴无人机因其智能化程度高，飞行稳定、操作简单，在喷洒农药方面，受到人们的广泛喜爱。由于其动力的限制，使用铿电作为动力电池，所以续航时间有限(巧20min)。希望能找到一种混合动力来替代纯电动动力，来突破续航时间的限制。本人主要从事喷洒系统的研究工作，从国外调研开始，调查了美国日本等发达国家的农用无人机发展现状。为了实现研究目的，完成了嵌入式板的硬件设计，并对相关设备进行了严格的选型。分析相关的技术问题，理论分析，方案设计。最后实现了均匀性喷洒功能。主要工作有：深入了解了农用无人机的发展现状，结合多旋翼农用无人机国内外现状以及我国对于农业机械化的需求，引出了本文的研究背景与意义。对雾滴分类和喷洒效果的理论作了分析。对于本研究使用的喷洒硬件系统进行了设计，对嵌入式板的结构、接口、电子电路进行了研发设计，针对关键性的器件进行了选型。飞机平台、飞行控制器、喷头、水泵、流量计、电子调速器等对农用无人机的喷洒性能都起到很大的影响，他们的设备型号和参数是考量的重要指标。完成了喷洒系统相关的硬件设计，并搭建好了实验平台。本文对如何实现全自动喷洒系统进行了研究，主要工作集中于喷洒速度与流量的关系。虽然取得一定成果，但是是由于时间等原因，本课题尚存在一些不足，希望之后可以更深入的研究。致谢我的毕业论文的完成，不仅仅是我个人的努力和付出，也凝聚了许多人的辛勤付出，首先我要向帮助过我的所有老师和同学表示衷心的感谢。在这次毕业论文构思过程中，很多人都对我予以了帮助，他们给了我很多研究的思路、方法，同时对我的研究中不正确的地方进行了指导和纠正，最要感谢的人是我论文指导老师，他从我论文开题到后续研究，都给了我很大的启发和指导，论文初步完成时他又指出了许多不合理的地方，就连非常细微之处，老师都细心的为我讲解，才使得我的论文更加完善。从论文选题到最终定稿，老师都给予了悉心的指导，不厌其烦的对论文逐字逐句地提出了极为中肯的修改意见，倾注了无数的心血，因此，我要感谢的老师。此外，我还要感谢在一起度过愉快时光的，在一起学习在一起成长，在一起讨论问题的同学们，正是由于你们的陪伴和帮助，我才得以克服了一个又一个难题，解除疑惑，直至本文的顺利完成，使我获益匪浅。再者，我要感谢四年来一直陪伴我成长的同学们，感谢他们的帮助、鼓励与支持，使我学习到了许多我原本没有的优秀品质，感谢同学们，也感恩我们的相遇。最后，我要感谢给予我生命和宝贵的学习机会的父母，让我有机会接触到科研，有机会用知识改变命运。再次对关心、帮助过我的老师和同学们表示衷心的感谢。致以最诚挚的祝福，愿大家前程似锦！也祝自己可以描绘出更加绚丽多彩的人生画卷。参考文献1杨晶晶,宋丹雪.关于智能植保(果树)无人机自动控制系统的研究J.电子产品世界,2019(12).2蔡银杰,孙娟,丁晓辉,等.我国农用无人机发展现状与展望J.农化市场十日讯,2019(5):21-27.3廖晨阳,黄佳豪,林洋.六旋翼智能农业无人机J.中外企业家,2019(27).4王德荣.基于农用无人机离心式喷头的智能喷洒系统设计以及工作参数优化研究D.2019.5董康,陈华才,郑永明,等.农用无人机离心喷头的设计与试验J.中国计量大学学报,2018,29(03):41-44.6张海艳.农用无人机静电喷雾系统的研制与试验研究D.2018.7孙梅梅,谌江华,柴伟纲.农用无人机喷雾技术防治水稻稻曲病的效果评价J.浙江农业科学,2020,61(1):99-100.8林楷涛, 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