采用变量喷洒控制装置的四旋翼无人机

衢州职业技术学院 徐云川

0 引言

传统农林喷淋主要以手持担架式喷雾机的方式喷洒，农药可以通过表皮汗腺直接进入人体，危害人体健康，此外，这种喷洒方式对农药的利用率极低，大部分的农药由于重力没有能够附着在农作物上而滴落。四轴飞行器在药物喷淋和病虫害防治领域的应用，具有结构简单、操纵方便等特点，能实现垂直起降和空中悬停。

现有植保无人机喷洒大多采用固定担架喷淋方式，存在喷洒量不可控和喷洒角度不可调等不足，本文设计一种变量喷洒控制装置，无人机作业时，遥控器可以在相应通道的信号端控制输出PWM信号，通过控制电子开关控制液泵功率实现对药液流量的控制，此外，通过控制舵机可以抬升支撑杆，实现对喷洒量和喷洒角度的控制。

1 四旋翼无人机飞行原理

机翼对称分布在机体的前后、左右四个方向，4个旋翼处于同一高度平面，且4个旋翼的结构和半径都相同，4个电机对称的安装在飞行器的机架端，机架中间空间安放飞行控制芯片、动力电池、传感器组和无线通讯模块。在飞控芯片的集中控制下，通过协调各电机的转速和旋转方向，实现垂直、俯仰、滚转、偏航、前后、倾向运动。

2 无人机结构设计

采用变量喷洒控制装置的四旋翼无人机，主要有变量喷洒控制系统、动力系统、飞行控制系统和飞行器主体四大部分，如图1所示。变量喷洒控制系统包括储药箱、支架、支撑杆、舵机、喷头等；动力系统包括动力电池、无刷电机、电调、螺旋桨等；飞行控制系统包括遥控器、接收机、飞行控制器、GPS定位器等；飞行器主体包括机架、起落架、减震云台等。

2.1 无人机结构布局

机架由上下两层纤维板构成，机翼通过螺丝分别与上下纤维板固定，中间形成夹仓，上纤维板安装有减震云台。动力电池、接收机固定在下纤维板。机翼末端安装有无刷电机，螺旋桨通过螺帽固定在无刷电机上。飞行控制器安装在减震云台上，与接收机及电调连接。支架起到固定和支撑作用，支撑杆、喷洒装置、储药箱均固定在支架上。支架设置在储药箱两侧，支撑杆位于储药箱下方且与支架连接，与机架脚呈最大90度的活动角，等长度延伸出机架两端。支撑杆两侧设置有喷头，喷头呈对称安装在支撑杆上，液泵及液泵驱动电路固定安装在支架上。支架上还设置有舵机，舵机的电机转轴上绑定束线，束线另一端捆绑在支撑杆中间位置，舵机的信号线插入接收机通道。舵机与支撑杆完成联动控制支撑杆上下摆动。

图1 变量喷洒系统结构示意图

2.2 变量喷洒控制系统

变量喷洒控制系统是为实现对喷洒量和喷洒角度的可控而设置的，采用单片机作为微处理器，以动力电池为电源，通过稳压电路输出5V电压，为液泵电路和单片机供电。药液喷洒控制器由药液流量控制单元和喷洒角度控制单元组成，电气连接图如图2所示。由于液泵一般需要大电流驱动能力，而接收机的输出驱动能力不强，就要采用单片机和液泵驱动电路组合增强对液泵的电流驱动能力。液泵驱动电路是三极管和小型继电器的组合。液泵采用直流微型溢压回流水泵。

图2 药液喷洒控制器电气连接图

药液流量控制单元工作原理如下：当接收机接收到通道6（CH6）脉冲信号时，单片机捕获脉冲信号，在其某个I/O端控制继电器的打开或闭合，导致液泵工作开启或关闭。喷洒角度控制单元工作原理如下：当接收机接收到通道5（CH5）脉冲信号时，通过舵机拉紧（释放）束线，由于支撑杆一端被固定在机架上，另一端捆绑束线，从而导致支撑杆的摆幅运动。

2.3 无人机动力设计

农药喷洒无人机载重量需求大，电机的个数、电调的驱动电流和桨叶的尺寸都决定着无人机的起飞载重量，设计时应根据电机的功率、螺旋桨的尺寸、飞机载重合理分配重量，以便无人机能有效完成预定功能，单个螺旋桨拉力计算公式：

其中，F是螺旋桨拉力（单位公斤），D是螺旋桨直径（单位米），d是螺距（单位米），w是螺旋桨宽度（单位米），r是转速（转每秒），1代表1个标准大气压，E是标准误差也为经验值，一般取0.25。

电机选型主要考虑电机的KV值、功率和重量，KV值是电机输入电压每提高1V，电机空载转速提高的量。经验表明四旋翼采用KV值为1000左右的电机驱动螺旋桨效率较高，本文选用型号为X2216 KV880朗宇电机，无刷电机是三相电机，需要驱动器，本文选用型号为40A的好盈电调。桨叶越大，升力也越大，但需要更大的扭力驱动；电机转速越快，升力就越大；电机的KV值越小，扭力越大。高KV值得电机配大桨叶，扭力不足，电机和电调均容易烧坏；低KV值的电机配小桨，升力不足，无法起飞。电机和桨叶搭配需要考虑耗电流和效率相匹配，相比之下，1147桨拉力更大，功率也高，本文选用型号尺寸为1147的桨叶。

由于采用四轴旋翼驱动，药箱容量假定为5L，载药量约为5公斤，其他机体结构重量约为5公斤，结合本项目所选用的材料，计算得到单个螺旋桨拉力不低于2.6公斤，4个螺旋桨至少能产生10公斤以上的拉力。表1列出了采用变量喷洒控制装置的四旋翼无人机所选用主要部件型号。

表1 无人机主要部件型号参数表

图3 程序流程图

2.4 飞行调试

系统采用STM 32F1微控制器读取传感器信息，综合解算姿态角，输出控制指令，通过接收机传送给四个无刷电机完成四旋翼无人机的飞行控制；微处理器还输出控制指令给舵机和液泵以实现变量可调的喷洒角度和药液流量控制。系统程序流程图如图3所示。

按照系统程序流程图，通过调整参数及程序，减小误差，测试系统在自动模式下飞行极限时长及药液流量消耗大小。测试实验中，飞行时间代表无人机空中飞行时间，喷洒测试时间即变量喷洒控制装置开启时间，流量即实际测得的液泵控制流量，喷洒面积即变量喷洒控制装置喷洒范围面积。测试结果显示，药箱在未满载情况下，飞行和液泵流量实现了精准控制，喷洒面积换算成每平方米消耗农药量是10.559g/m3，查阅以往资料显示，通常情况下，植保无人机每平方米需要12g喷洒农药，5kg农药理论上可以满足473.53m2农田的喷洒需求。飞行器可持续飞行大约30分钟，对于小尺寸的植保无人机，基本可以满足农药喷洒需求，采用变量喷洒控制装置喷洒农药，实现了在单位喷洒面积下消耗农药量低的优点。

表2 飞行测试数据表

3 结论

本文设计了一种变量喷洒控制装置，无人机作业时，遥控器可以在相应通道的信号端控制输出PWM信号，通过控制电子开关控制液泵功率实现对药液流量的控制，此外，通过控制舵机可以抬升支撑杆，实现对喷洒量和喷洒角度的控制。根据调整参数，可以改变流量，使用方便，操作简单，喷洒装置与无人机安装简便，提高了农药喷洒效率。

[1]黄水长.农药喷洒多旋翼无人机控制系统研究[J].自动化与仪表,2015(5):9-12.

[2]范庆妮.小型无人直升机农药雾化系统的研究[D].南京:南京林业大学,2011:26-27.

[3]顾文杰,等.六旋翼农药喷洒无人机的结构设计[J].安徽农业科学,2015,43(31):335-337.

[4]韩文霆,等.变量喷洒喷头组合喷灌试验[J].农业机械学报,2013,44(7):121-126.

[5]徐兴,等.小型无人机机载农药变量喷洒系统设计[J].广东农业科学,2014,9:207-210.

[6]韩宾.基于pixhawk的多旋翼全自动植保无人机控制系统研究[D].杭州:杭州电子科技大学,2017:25-31.