有人直升机变量施药控制系统的设计与试验

张瑞瑞，李 杨，伊铜川，陈立平

(1.国家农业智能装备工程技术研究中心，北京 100097；2.北京农业智能装备技术研究中心，北京 100097)



有人直升机变量施药控制系统的设计与试验

张瑞瑞1,2，李 杨1,2，伊铜川1,2，陈立平1,2

(1.国家农业智能装备工程技术研究中心，北京 100097；2.北京农业智能装备技术研究中心，北京 100097)

为了实现航空施药作业时施药量的变量控制，设计了一种用于有人直升机的变量施药控制系统。系统能根据施药直升机飞行速度的变化情况，自动调整施药管道内的施药量，从而实现单位面积施药量保持不变。试验结果表明：当直升机飞行速度小于160km/h时，实际施药量和设定施药量之间的误差保持在10%以内。

有人直升机；变量施药；控制系统；STM32

0 引言

航空施药作业是农业航空服务最主要的作业项目。近年来，随着精准农业技术手段(如 GPS自动导航、施药自动控制系统及各种作业模型)的逐步应用，施药作业变得更加精准、高效，对环境的污染也在不断降低[1-3]。

目前，国外已经有商用化的航空变量施药控制系统在售，如加拿大AG-NAV公司型号为AG-FLOW的导航控制设备，它能够实时显示喷药地块、路线及施药量等[4]。Adapco公司生产的Wingman GX具有较大的使用范围，可以提供基本的飞行指导、飞行记录及喷洒流量控制等功能，并且能够实时通过气象传感器系统接收和处理气象信息，从而减少了喷洒过程中农药在非靶标作物上的飘移量，最大程度地优化喷洒质量[5]。

我国农业航空施药技术近年来得到了快速发展，但仍与发达国家存在较大差距。目前，国内许多科研人员对于航空施药导航和控制的研究主要集中在无人机的平台上，国内尚没有学者针对有人直升机的施药量控制装置展开研究[6-8]；国内基于有人直升机的施药作业均采用的是无差别施药，其施药量在每个作业区域都是相同的，在一定程度上造成了农药浪费，或造成需药量多的区域药量不足，达不到施药效果。

国外变量施药装备价格昂贵，且难以进行二次开发，直接引进国外现有的变量施药设备，由于缺乏对各类机型的实际施药参数进行测试，无法满足国内有人直升机机施药作业的需求[9]。

为此，本文在消化吸收国外变量施药控制系统技术的基础上，结合我国有人直升机施药的实际情况，研发了一套适合有人直升机的变量施药控制系统，并对系统的控制效果进行了试验研究。

1 系统设计

1.1 总体设计

图1为本文所设计的航空施药变量控制系统框图。其采用STM32作为系统的主控制器，主要完成飞机飞行速度和施药流量的采集和计算、按键输入模块和电动球阀的驱动、显示器的实时显示及控制算法的实施；GNSS模块用来测量施药过程中飞机的飞行速度；流量传感器选用口径为DN25的涡轮流量计，用来实现施药管道内瞬时流量的采集；显示器用来显示用户通过按键输入模块设定的作业幅宽、单位面积施药量的修改过程，并能实时显示施药飞机的实际瞬时施药量；电动球阀驱动器根据主控制器发出的控制信号，调节电动球阀的开度，实现施药管道中流量的实时调节；数据存储模块选用SD卡，用来实现施药过程中设定的作业幅宽、设定施药量、瞬时流量及实际施药量等数据的存储，便于后续对数据进行分析。

1.2 控制算法

图2为本文所设计的航空变量施药控制系统的控制方案流程图。该方案的控制目标为：在一定速度范围内，无论施药飞机的飞行速度是恒定还是变化，系统自动使实际施药量与设定施药量之间的误差保持在10%以内。

图1 变量施药控制系统结构图

图2 控制方案流程图

1.3 控制方案设计

1)瞬时流量的计算。瞬时流量q通过流量传感器输出脉冲进行计量，其与脉冲频率之间的关系可以描述为

(1)

其中，f为流量传感器输出脉冲的频率(Hz)；k为传感器的仪表系数，由生产厂家提供(1/L)；q为药液的瞬时流量(L/h)。

2)实际施药量计算。飞机在施药过程中的飞行速度，通过机载的GNSS模块输出的信息，提取得到飞机的实时飞行速度v(km/h);通过按键输入模块设定飞机施药作业的作业幅宽d(m)、单位面积的设定施药量Qs(L/hm2)。根据设定参数计算得到实际施药量Qv(L/hm2)，实际施药量可表示为

(2)

其中，d为施药的作业幅宽(m)；v为施药飞机的飞行速度(km/h)；

根据施药过程中的实际要求，当实际施药量Qv大于设定施药量Qs时，通过施药控制器，调节三通球阀的开度使施药管道内流量减小；当实际施药量Qv小于设定施药量Qs时，通过施药量控制器，调节三通球阀的开度使施药管道内流量增加，从而实现实际施药量和设定施药量保持一致的目的。

1.4 软件设计

航空施药变量控制系统的软件设计主要包括数据采集、数据处理、LED显示和按键设定4个部分。其中，数据采集部分主要完成GPS速度信号和流量传感器信号的提取；然后通过数据处理模块对流量传感器采集的信号进行滤波等预处理，根据按键设定的作业幅宽、设定施药量及飞机飞行速度计算出单位面积的施药量；然后通过球阀驱动器调节电动球阀的开度，使实际施药量和设定施药量保持一致；最后，通过LED显示模块将实际的施药量进行实时显示。软件系统结构图如图3所示。

图3 软件系统结构图

2 模块设计

系统包含电源、主控制器、按键输入、显示器和电动球阀驱动5个主要模块。

2.1 电源模块

球阀驱动器和流量传感器供电电压均为24V，因此采用飞机上的DC24V电瓶进行供电；通过LM2695将24V转换为12V给显示器和电动球阀驱动电路供电；选用MP2359将12V电压首先转换成5V，再通过ASM1117-3.3V芯片得到3.3V电压，给单片机系统、SD卡和GPS模块供电。

2.2 主控制器模块

系统选用STM32F103RCT6作为主控制器，其最小系统原理图如图4所示。主控制器通过内置PWM模块采集流量传感器输出的脉冲信号，根据测得的脉冲信号计算出施药管道内的瞬时流量；结合按键输入模块设定的作业幅宽和设定施药量，实现对实际施药量的调节。

图4 主控制器原理图

2.3 按键输入模块

图5为本系统设计的按键输入面板实物图。 其中，“+”和“-”按钮用来实现对幅宽和设定施药量的修改操作；设定按钮用来实现设定施药量、作业幅宽和实际施药量的切换，系统启动后默认显示设定施药量。

图5 按键输入面板

2.4 显示器模块

选用4位数码管显示屏，来对直升机作业过程中设定的作业幅宽、设定施药量和实际施药量进行显示，数码显示屏与主控制器STM32之间采用RS485通讯协议进行通讯。

2.5 球阀驱动模块

系统选择博力谋公司生产的NRQU24-SR快速调节型球阀驱动器，来实现三通球阀的开度控制，从而达到调节施药管道内施药量的目的。NRQU24-SR球阀驱动器供电电压为12V，控制信号为0～10V直流电压。由于STM32 DAC输出的电压范围为0～3.3V，因此需要设计电压放大跟随电路将STM32输出的0～3.3V电压信号转化为0～10V电压信号。为此，本文选用LM358作为运算放大器，首先将STM32输出的电压信号放大3倍，然后通过电压跟随器提高控制信号的带负载能力。图6为所设计的球阀驱动器控制信号的电路原理图。

图6 控制信号电路原理图

3 试验结果与分析

3.1 试验设计

为了验证本文所设计变量施药系统控制的可行性及实际效果，在实验室内搭建了一套变量施药控制系统，如图7所示。

图7 试验装置

有人直升机在施药作业时，作业幅宽范围为20～50m，飞行速度范围为90～160km/h。由公式(2)可得：当作业幅宽和设定施药量固定时，飞机的飞行速度与流量传感器输出的脉冲频率成正比关系，而脉冲频率又跟实际施药量成正比关系。因此，通过测量变量施药系统在不同速度情况下实际施药量的变化情况，来验证系统的实际性能。具体的实验步骤为：设定作业幅宽为30m，施药量为6.0L/hm2，然后分别测量速度为90、110、120、160km/h条件下实际施药量的变化情况。试验过程中，为了保证实验结果的严谨性与可靠性，同一速度下重复测量3次，取3次测量结果的平均值作为有效值，试验过程中数据的记录频率为1Hz。

3.2 试验结果分析

表1给出了在不同试验速度下测量得到的设定施药量、实际施药量及二者之间的相对偏差。从表1所示试验结果可以看出：当速度在90～160km/h范围内时，测量得到的实际施药量与设定施药量的最小偏差为3.3%，最大偏差为8.3%，即设定施药量和实际施药量的偏差范围始终保持在10%以内。这表明，实际施药量基本能够跟随设定施药量进行变化。结合有人直升机航空作业的实际情况，本文所设计的变量施药控制系统，已经基本能够满足目前有人直升机施药作业的需要。

表1 试验数据

4 结论

设计了一种用于有人直升机的航空施药变量控制系统。首先对系统进行了总体介绍，然后给出了具体的控制方案和对应的控制算法，完成了系统的硬件模块搭建和软件设计，最后对设计的系统在实验室内进行了试验验证。试验结果表明：当直升机飞行速度在90～160km/h时，实际施药量和设定施药量之间的最大相对偏差为8.3%，保持在10%以内，能够满足有人直升机施药作业的实际需要。该系统可以实现有人直升机在施药过程中的精准施药，可针对田间不同地块进行差异施药，解决了有人直升机无差别施药造成的农药浪费，提高了农药的有效利用率。

[1] 薛新宇，梁建，傅锡敏．我国航空植保技术的发展前景[J].中国农机化，2008(5):72-74．

[2] 赵春江.农业航空遥感与精准施药[C]//2013年全国农业航空技术研讨会.佳木斯:农业航空产业技术创新战略联盟，2013．

[3] 周志艳，臧英，罗锡文，等.中国农业航空植保产业技术创新发展战略[J]．农业工程学报，2013，29(24):1-10．

[4] 薛新宇，兰玉彬.美国农业航空技术现状和发展趋势分析[J].农业机械学报，2013，44(5):194-201．

[5] Bill Kilroy．Aerial application equipment guide 2003[M]．Washington: USDA Forest Service,2003: 59-62，143-147．

[6] 茹煜，贾志成，范庆妮，等.无人直升机远程控制喷雾系统[J]．农业机械学报，2012，43(6):47-52．

[7] 张京，何雄奎，宋坚利，等．无人驾驶直升机航空喷雾参数对雾滴沉积的影响[J]．农业机械学报，2012，43(12):94-96．

[8] 高圆圆，张玉涛，张宁，等．小型无人机低空喷洒在小麦田的雾滴沉积分布及对小麦吸浆虫的防治效果初探[J]．作物杂志，2013(2):139-142．

[9] 张东彦，兰玉彬，陈立平，等.中国农业航空施药技术研究进展与展望[J].农业机械学报，2014,45(10):53-59.

Design and Experiments of Control System of Variable Pesticide Application for Manned Helicopter

Zhang Ruirui1,2， Li Yang1,2， Yi Tongchuan1,2， Chen Liping1,2

(1.National Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing 100097, China; 2.Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture，Beijing 100097，China)

A control system of variable pesticide application for manned helicopter is designed, in order to achieve variable pesticide application. The system can automatically adjust the medication in the piping, according to the change in the rate of the helicopter, so as to realize the medication of per unit area remains the same. The experimental results showed that when the speed of the helicopter is less than 160km/h, the error between the actual application pesticide volume and the pesticide application volume set does not exceed 10%.

manned helicopter；variable pesticide application；control system；STM32

2016-07-15

北京市自然科学基金项目(6164032)；国家高技术研究发展计划项目(2012AA101901)；北京科技创新基地培育与发展专项(Z151100001615016)

张瑞瑞(1983-)，男，山东滨州人，博士，(E-mail)zhangrr@nercita.org.cn。

S252+.3；TP237

A

1003-188X(2017)10-0124-04