一种小型无人机农药喷洒系统设计

◎郑德鲁

（青岛工学院，山东胶州 266300）

无人机多年来一直是航空领域研究的热点，在实际应用中存在大量的需求。在农业中，采用无人机进行农药喷洒具有作业高度低，飘移少，可空中悬停，无需专用起降机场，旋翼产生的向下气流有助于增加雾流对作物的穿透性，防治效果高等特点，因此，超低空无人机喷施技术已成为农药喷洒技术的研究热点之一。本研究利用脉宽调制技术设计了一种机载农药变量喷洒装置，通过PWM控制继电器的开闭来改变液泵的工作时长，从而改变农药喷洒速率，扩大了机载农药喷洒装置的适用范围，降低了农药喷洒成本，提高了农药喷洒效率。

一、机载农药变量喷洒系统结构

用于农药喷洒的无人机系统主要由无人机机体及机载农药喷洒系统组成。采用无人机为多旋翼结构。主要由动力系统、飞行器主体和控制系统组成。机载农药喷洒系统包括药箱、喷头、悬臂、液泵、喷洒控制板、控制线以及水管。

当进行农药喷洒时，操作人员开启远程无线遥控器上的喷洒控制开关，无线遥控器根据开关位置将喷洒控制信号发送给安装在无人机上的无线接收机，喷洒控制板收到无线接收机传输过来的喷洒控制信号后，通过控制线对液泵进行PWM控制，通过改变PWM的占空比来改变液泵的工作时长，从而改变农药喷洒流量，实现变量喷洒。

二、喷洒控制器设计

控制器的设计采用AVR公司的ATmega16单片机作为微处理器，以12V聚合物锂电池作为电源，直接为液泵供电，并通过5V稳压电路将12V电压转换成5 V电压，为接收机、液泵驱动电路及单片机主控电路供电。其中，接收机用于接收远程无线遥控器发送过来的农药喷洒控制信号；液泵驱动电路用于控制液泵的开关及其工作时间。

电源采用12V聚合物锂电池，可直接为液泵供电，5V稳压电路将12V电压转换成5V为无线接收机、液泵驱动电路及单片机主控电路供电。

5V稳压电路由L7805稳压芯片和2只电容组成。其中，L7805是意法半导体公司生产的1款3端正电源集成稳压芯片，最大工作电压为35V，工作时的最大输出电流为1．5A。 采用L7805来组成5V稳压电源所需的外围元件少，L7805下芯片内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用可靠、方便，工作稳定。

本机载喷洒系统的液泵选用普兰迪1205直流微型隔膜水泵，工作电压12 V、最大压力0．62 Mpa、最大工作电流 1．8 A、流量 3．15 L/min。普兰迪1205电机具有自吸功能、热保护功能、可以长时间连续空转以及长时间连续负载运转，可满足机载农药喷洒工作的要求。液泵驱动电路采用松下TQ2SA-5V超小型继电器来控制液泵工作，该继电器采用表面贴装封装，重量轻、体积小，可支持最大电流 2A、最大电压30V，触点机械寿命在1亿次以上（通断频率180次/分），可支持液泵多次连续工作。

三、农药变量喷洒试验装置及控制方法

（一）农药变量喷洒试验装置

多旋翼无人机采用自主设计的无人机机架，全部机架使用3K全碳纤维材料，连结件为航空铝材，机架坚固且轻盈，采用下折叠构型，以满足无人机运输及作业的需要。

无人机轴距1300mm，采用8个恒力4830KV370盘式无刷电机作为动力。该飞控系统集成了集成了高精度的三轴陀螺仪等感应元件以及GPS定位系统。WKM飞控系统与R6208接收机连接，接收来自FUTABA T14SG遥控器的飞行控制指令。无人机最大起飞重量10．0kg，可携带2．0kg以上的农药（不含机载农药喷洒装置）进行喷洒作业，可相对农作物3-9m高度实施低空喷药，在旋翼风下压作用下，可降低农药喷洒飘移，提高农药喷洒效率。

（二）农药变量喷洒控制方法

农药变量喷洒控制步骤具体如下：（1） 操作人员开启FUTABA T14SG遥控器中的1个三段式农药喷洒控制开关；（2）该三段开关与遥控器通道8相关联，通过通道8发送占空比不同，频率固定为48．71Hz的PWM喷洒控制信号给无人机；（3） 安装在无人机上的R6208接收机接收到喷洒控制信号并传输给机载喷洒控制器；（4） 喷洒控制器根据接收到喷洒控制信号的占空比，判断对应的农药喷洒流量指标，并调整PWM信号占空比来改变液泵的工作时长，从而改变农药喷洒速率。

四、结论

在无人机机体上，利用PWM技术设计了一种机载农药变量喷洒系统，通过调节占空比控制农药喷洒流量，该系统采用12V聚合物锂电池供电，设计有专用的变量喷洒控制器。

在常量喷洒指标条件下并结合机载喷洒系统的覆盖范围，确定PWM喷洒控制信号的频率以1Hz。

建立了占空比与喷洒流量之间的关系模型，用于指导变量喷洒时PWM控制信号占空比的设定。

测试了在 0．3、0．4、0．5 L/min 流量指标条件下机载农药变量喷洒系统的喷洒效果，实际喷洒流量误差低于8．66%。