植保无人机智能喷洒系统的研究

刘维仁王洪兴任 喆辛 雨

(1.黑龙江生物科技职业学院，哈尔滨 150025；2.哈尔滨理工大学测控技术与通信工程学院，哈尔滨 150050；3.北京新风航天装备有限公司，北京 100854)

0 引言

近年来，随着农业植保无人机技术的不断发展，各种类型的植保无人机已经广泛应用于农业生产中，提高了农业生产的工作效率，并且节省了人力、物力的消耗。伴随着规模化种植引发的市场新需求，植保无人机市场渐入佳境，行业已经基本度过市场初级阶段。市场需求带动产业升级换代，无人机市场也从最初的专人操作逐渐向智能化方向发展。现有的植保无人机喷洒方式，普遍采用相对比较粗放的作业方式，药液高浓度、喷雾较细的喷雾技术，很大程度上依靠无人机驾驶员的手动操作或者程序预设，由人工决定配药比例和药剂喷洒的地点和流量[1]。但是依靠人的经验进行判断，常常会造成药液浓度不均衡，喷洒过程中也存在漏喷或者重复喷洒等问题，尤其是在躲避障碍物、减速换垄等环节，经常会出现喷洒量过大，造成烧苗等现象，对农作物的生长有一定影响。为了保证植保无人机的作业质量，需要对植保无人机的喷洒系统进行进一步优化[2]。喷洒系统的药液配比及流量控制是其广泛应用的一个障碍，如何能够实现喷洒系统智能化控制是目前亟待解决的问题。

1 智能喷洒系统的硬件设计

为了解决现有的无人机喷洒系统不能实现喷洒系统的药液配比及流量控制，并且喷洒效率低，影响农作物生长。本文提出了一种植保无人机智能控制喷洒系统，包括：智能配药模块、精准喷洒模块、智能监测模块。智能控制喷洒系统具有智能化配药，精准化喷洒和系统化监测等优点[3]，可以有效解决植保无人机配药粗放不精细、流量喷洒难以控制、各项指标监测不全面等问题，可以更加精细地实施植保作业。

1.1 智能配药单元

智能配药模块主要用于高精度的农药配比和混合，采集药箱和水箱的液位高度，根据作业需求按照一定比例进行农药配比，并进行调配和混合，经检测浓度合格后灌入喷洒箱，该模块包括药箱、水箱、控制单元1、控制单元2、调配单元、混合单元和喷洒箱(图1)。具体用于喷洒前的药品装配阶段，将农药和水按照作物要求的配比进行混合。控制单元1采集药箱的液位和浓度，并控制药品的流量；控制单元2采集水箱的液位高度并控制水的流量，根据作业需求按照一定的比例进行农药配比，在调配区进行药品的预混合，由于部分药剂混合速度较慢或需要搅拌，所以进行调配后在混合区由混合电机进行搅拌混合。经调配区浓度传感器检测浓度合格后灌入喷洒箱。

图1 智能配药单元结构示意图

1.2 精准喷洒单元

精准喷洒模块用于控制植保无人机进行精准喷洒作业，采集流量数据、水压数据，并且把采集到的信息反馈给喷洒CPU。该模块包括喷洒CPU、变频单元、水泵单元和可调喷头单元(图2)。具体用于作业中的喷洒精准控制，喷洒CPU将控制信号发送给变频单元，变频单元通过变频处理后的控制信号来控制和调节水泵单元，水泵单元将药液输送至喷头单元，喷头单元将药液喷洒出去[4]。喷头的喷洒角度可由喷洒CPU 独立控制，同时水泵单元将水压检测信号反馈至喷洒CPU，可调配喷头单元将流量监测信号反馈至喷洒CPU。

图2 精准喷洒单元结构示意图

1.3 智能监测单元

智能监测模块监测并记录飞机的实时飞行数据、喷洒数据，并采集外部环境的相应数据，通过智能算法分析后对飞机喷洒系统进行实时反馈处理和实时修正，该模块包括监测CPU、飞行数据采集单元、喷洒数据采集单元、外部环境信息采集单元和智能算法单元(图3)。监测CPU采集数据，包括飞行数据、喷洒数据和外部环境信息，并且用卷积神经网络智能算法进行数据处理和分析，重点进行喷洒数据和飞行数据的优化，将优化后的数据传输至喷洒模块的喷洒CPU，就可以对飞机喷洒系统进行实时的优化处理和飞行姿态及速度修正[5]。

图3 智能监测单元结构示意图

2 结语

本文设计的植保无人机智能喷洒系统，可完成高精度的农药配比和混合，并且采集流量数据、水压数据，同时把采集到的信息反馈给喷洒CPU；监测并记录飞机的实时飞行数据、喷洒数据，并采集外部环境的相应数据，通过智能算法分析后对飞机喷洒系统进行实时的反馈处理和实时修正。从而可以对植保无人机的喷洒作业进行智能化调整和控制，以实现植保无人机进行精准化智能喷洒作业。

(05)