一種基于旋翼無人機(jī)機(jī)載的新型變量噴霧系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種基于旋翼無人機(jī)機(jī)載的新型變量噴霧系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)由三部分組成：電動(dòng)離心噴頭調(diào)速系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)和上位機(jī)系統(tǒng)。電動(dòng)離心噴頭調(diào)速系統(tǒng)包括ARM主控制器、傳感器、噴頭等；遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)包括ARM主控制器、LCD和按鍵等；上位機(jī)系統(tǒng)可以顯示傳感器數(shù)據(jù)，并發(fā)送指令改變PWM占空比。整個(gè)系統(tǒng)有兩種模式：手動(dòng)和自動(dòng)。手動(dòng)模式下，改變霧化盤轉(zhuǎn)速，得到需要的霧滴。自動(dòng)模式下，以霧滴的體積中值直徑（Dv50）等于100μm為目標(biāo)，根據(jù)試驗(yàn)得到霧化盤轉(zhuǎn)速與溫濕度和高度之間的關(guān)系式，系統(tǒng)可以考慮霧滴下降過程中揮發(fā)的因素實(shí)時(shí)的改變霧化盤轉(zhuǎn)速，使沉積到農(nóng)作物葉片上的霧滴的體積中值直徑始終為100μm左右。該變量噴霧裝置具有“節(jié)水節(jié)藥”“保護(hù)環(huán)境”的效果。
【專利說明】
-種基于旋翼無人機(jī)機(jī)載的新型變量噴霧系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種基于小型旋翼無人機(jī)的新型變量噴霧系統(tǒng)，能夠W手動(dòng)和自動(dòng)模 式精確調(diào)整噴霧參數(shù)，該裝置用于小型旋翼植保無人機(jī)的航空噴霧，在自動(dòng)模式下，考慮了 霧滴在下落過程中揮發(fā)因素的影響，根據(jù)噴霧時(shí)的飛行高度和當(dāng)時(shí)的大氣溫度、濕度，實(shí)時(shí) 自動(dòng)的調(diào)整霧化盤轉(zhuǎn)速，保證落到農(nóng)作物葉片上霧滴的體積中值直徑為10化m左右(根據(jù)中 華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)航空作業(yè)質(zhì)量作業(yè)指標(biāo)的內(nèi)容，對(duì)低量和超低量噴霧，10化m左右是大多 數(shù)農(nóng)藥消滅病蟲害的最佳霧滴直徑）；在手動(dòng)模式下，通過上位機(jī)改變電動(dòng)離屯、噴頭的轉(zhuǎn) 速，使霧滴的粒徑尺寸、霧滴覆蓋率符合用戶的要求;在兩種模式下，都可W將占空比和傳 感器數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，并且對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，便于后續(xù)的系統(tǒng)優(yōu)化。該變量噴霧系統(tǒng) 能夠做到"按需噴藥"，滿足"精確農(nóng)業(yè)"的要求，用最小的藥量、最小的環(huán)境污染達(dá)到最有效 控制病蟲害的目的。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)藥的研制水平已居世界前列，但植保機(jī)械的研制和施藥 水平還很欠缺，實(shí)際農(nóng)藥噴灑作業(yè)中霧滴粒徑的大小對(duì)消滅病蟲害的效果具有很大的影 響，而在霧滴的下落過程中的揮發(fā)因素對(duì)霧滴粒徑的大小影響不可忽視，否則霧滴在農(nóng)作 物上的沉積特性不能達(dá)到要求。比如，在天氣氣溫較高，相對(duì)濕度較小時(shí)，過小粒徑尺寸的 霧滴在下降過程中，會(huì)有大量的揮發(fā)且很容易漂移到其他的農(nóng)田，在農(nóng)作物上附著時(shí)間和 霧滴覆蓋率也很不理想，由于水分的揮發(fā)導(dǎo)致局部藥液濃度過高，容易引發(fā)藥害，反之，空 氣相對(duì)濕度較大，氣溫較低時(shí)，過大粒徑尺寸的霧滴在農(nóng)作物上附著時(shí)很容易從植物葉片 上滾落，附著率和附著時(shí)間都較低，既達(dá)不到理想的防止病蟲害的目的又污染了±壤。同 理，施藥高度的不同，導(dǎo)致霧滴下落距離不同，揮發(fā)因素對(duì)霧滴的參數(shù)也有很大的影響。因 此，施藥高度和空氣溫濕度對(duì)霧滴在農(nóng)作物表面的沉積情況有很大影響;研究表明，為了保 證理想的施藥效果和保護(hù)環(huán)境，在不同的施藥高度和溫濕度的情況下，需要具有不同霧滴 參數(shù)的初始噴出的霧滴，由于一年四季天氣情況變化多端，不同的噴霧飛行平臺(tái)又需要不 同的施藥高度，一般的變量噴霧裝置只是定性的而非定量的精確的改變霧滴的參數(shù)，即使 能夠定量的改變霧滴的參數(shù)，也只是考慮了其中一種因素，因此，在紛繁多變的環(huán)境中，能 夠根據(jù)多因素的噴霧環(huán)境實(shí)時(shí)自動(dòng)的精確的改變噴霧參數(shù)很重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了應(yīng)對(duì)施藥高度和空氣溫濕度的變化，實(shí)時(shí)自動(dòng)的精確改變噴霧的參數(shù)，設(shè)計(jì) 了新型變量噴霧系統(tǒng)，主要有W下四個(gè)部分:使用隔膜累、電動(dòng)離屯、噴頭、軟管、藥箱等構(gòu)成 液路系統(tǒng);使用ARM微處理器、溫濕度傳感器、聲響高度傳感器、聲響測(cè)位傳感器、無線收發(fā) 模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊及其他外圍電路構(gòu)成電動(dòng)離屯、噴頭調(diào)速系統(tǒng);使用ARM微處理器、無線 收發(fā)模塊，LCD液晶顯示屏、按鍵及其他外圍電路構(gòu)成遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)；又設(shè)計(jì)了上位機(jī)控制 系統(tǒng)，顯示施藥高度、溫濕度和液位數(shù)據(jù)并控制電動(dòng)離屯、噴頭轉(zhuǎn)速;遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)和上位機(jī) 都可w控制離屯、噴頭的轉(zhuǎn)速，可w在不同的條件的方便選用； 原理：電動(dòng)離屯、噴頭調(diào)速原理：電動(dòng)離屯、噴頭調(diào)速系統(tǒng)采用ARM微處理器數(shù)字輸出頻率 相同(頻率為500Hz)占空比不同的PWM波(脈沖寬度調(diào)制信號(hào)），通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)電動(dòng) 離屯、噴頭，獲得不同的轉(zhuǎn)速，從而可W得到不同霧化參數(shù)(霧滴粒徑尺寸）的霧滴，根據(jù)《中 華人民共和國(guó)民用航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》中農(nóng)業(yè)航空作業(yè)質(zhì)量指標(biāo)(噴灑作業(yè))得知，對(duì)于低量和 超低量的殺蟲作業(yè)，最佳的霧滴大小是50-15化m，運(yùn)里我們?cè)O(shè)置10化m為噴霧目標(biāo)體積中值 直徑； 通過Ξ因素二次回歸旋轉(zhuǎn)正交試驗(yàn)，得出溫濕度和高度對(duì)霧滴參數(shù)的影響都極其顯 著，得到霧化盤轉(zhuǎn)速與溫濕度和噴霧高度的具體的函數(shù)表達(dá)式為：
其中V為當(dāng)體積中值直徑為10化m時(shí)霧化盤轉(zhuǎn)速，馬、馬和再分別為噴霧時(shí)的溫度、濕 度和高度； 在不同的PWM波占空比下，用高精度測(cè)速表測(cè)量電動(dòng)離屯、噴頭的轉(zhuǎn)速，得到PWM波占空 比和電動(dòng)離屯、噴頭的轉(zhuǎn)速關(guān)系如下：
其中V為電動(dòng)離屯、噴頭轉(zhuǎn)速，單位為rmp.擬合關(guān)系式的相關(guān)系數(shù)R2 = 0.9986 t為PWM波占空比的百分?jǐn)?shù)； 超聲波根據(jù)頻率在20HZ-20KHZ范圍內(nèi)的聲波在空氣中的傳播速度和發(fā)射脈沖到接收 反射脈沖的時(shí)間間隔計(jì)算出障礙物到超聲波測(cè)距器之間的距離，計(jì)算公式為：
其中S為超聲波和被測(cè)物的距離，常為聲速，如為聲波來回的總時(shí)間； 硬件部分設(shè)計(jì):在電動(dòng)離屯、噴頭調(diào)速系統(tǒng)中，聲響高度傳感器測(cè)量高度，溫濕度傳感器 測(cè)量溫濕度，聲響測(cè)位傳感器測(cè)量藥箱中剩余藥液的高度，溫濕度、高度和液位數(shù)據(jù)通過無 線收發(fā)模塊無線傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制系統(tǒng)和上位機(jī)系統(tǒng)，手動(dòng)模式下，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)和上位機(jī) 都可W發(fā)送指令改變ARM控制器輸出的PWM波的占空比的大小。在自動(dòng)模式下霧滴的參數(shù) (主要指霧滴的體積中值直徑)和傳感器數(shù)據(jù)之間的函數(shù)關(guān)系由Ξ因素二次回歸旋轉(zhuǎn)正交 試驗(yàn)得出，噴頭轉(zhuǎn)速的大小和PWM波占空比由五次方程擬合出的函數(shù)表達(dá)式確定。電動(dòng)離屯、 噴頭調(diào)速系統(tǒng)和旋翼無人機(jī)的飛控系統(tǒng)有很好的電磁隔離，避免相互之間的電子干擾，電 動(dòng)隔膜累和電動(dòng)離屯、噴頭采用防水設(shè)計(jì)而成，并且安裝在旋翼無人機(jī)的下面，避免噴霧時(shí) 或出現(xiàn)故障時(shí)，藥液進(jìn)入噴頭調(diào)速系統(tǒng)。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)連接LC的夜晶顯示器和按鍵;上位機(jī) 顯示傳感器和占空比數(shù)據(jù)，與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)通過串口線連接； 本發(fā)明的有益效果是，在手動(dòng)模式下，用戶可W改變霧化盤轉(zhuǎn)速，得到需要的霧滴粒 徑;在自動(dòng)模式下，系統(tǒng)可W根據(jù)傳感器采集的數(shù)據(jù)，通過回歸旋轉(zhuǎn)正交試驗(yàn)得到的函數(shù)表 達(dá)式得到需要的轉(zhuǎn)速，再通過占空比和轉(zhuǎn)速關(guān)系式得到合適的占空比大小，自動(dòng)的調(diào)節(jié)捕 獲/比較寄存器(TIMx-CCRx)的預(yù)裝載值，改變占空比大??；手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式配合使 用，可W滿足大多數(shù)的農(nóng)作物和不同天氣條件、施藥高度下的噴霧作業(yè)，噴霧參數(shù)的大小考 慮了施藥高度和溫濕度多個(gè)因素，因此更加有效的滿足"精準(zhǔn)施藥"的要求。傳感器數(shù)據(jù)可 W顯示在上位機(jī)界面，存儲(chǔ)在上位機(jī)后臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)，便于W后的數(shù)據(jù)分析和系統(tǒng)優(yōu)化升級(jí)； 軟件部分設(shè)計(jì):對(duì)于電動(dòng)離屯、噴頭調(diào)速系統(tǒng)，warm控制器為主體，選擇PWM輸出模式， ARM控制器利用通用定時(shí)器中斷產(chǎn)生兩路完全相同的PWM波輸出信號(hào)，ARR和PSC兩個(gè)寄存器 設(shè)置PWM波的周期(頻率），通過TIMx_CCRx改變占空比的大小，控制兩個(gè)掛載在旋翼無人機(jī) 兩側(cè)的完全相同的兩個(gè)電動(dòng)離屯、噴頭。對(duì)于遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，按鍵作為外部觸發(fā)中斷，在中斷 函數(shù)中，占空比顯示在LCD液晶顯示器上，并且將占空比傳給無線收發(fā)模塊，然后無線傳輸 到電動(dòng)離屯、噴頭調(diào)速系統(tǒng)。對(duì)于上位機(jī)系統(tǒng)，上位機(jī)通過串口線與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)相連接，上 位機(jī)串口接受遠(yuǎn)程控制器傳過來的傳感器信息，觸發(fā)串口控件，串口控件將數(shù)據(jù)顯示在文 本框控件中，點(diǎn)擊改變占空比的按鈕控件，將占空比指令通過遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)和無線收發(fā)模 塊傳輸?shù)秸{(diào)速系統(tǒng)，改變噴頭的轉(zhuǎn)速。
【附圖說明】
[0004] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)發(fā)明進(jìn)一步的說明 圖1為具體實(shí)施例中整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 圖2為具體實(shí)施例中系統(tǒng)實(shí)施概況圖 圖3為具體實(shí)例中管路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 圖4為具體實(shí)例中ARM控制器輸出的PWM波占空比和電動(dòng)離屯、噴頭轉(zhuǎn)速曲線擬合圖 圖5為具體實(shí)例中遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主控制程序流程圖 圖6為具體實(shí)例中電動(dòng)離屯、噴頭調(diào)速系統(tǒng)主控制程序流程圖 圖7為具體實(shí)例中ARM控制器產(chǎn)生PWM波配置步驟流程圖 圖8為上位機(jī)系統(tǒng)界面 圖9為上位機(jī)系統(tǒng)主程序流程圖 圖10為聲響測(cè)量液位的示意圖 圖2中：101-遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主控制器102-按鍵模塊103-LCD顯示模塊104-電源集成 模塊105-無線收發(fā)模塊；201-調(diào)速系統(tǒng)主控制器202-無線收發(fā)模塊203-溫濕度傳感器 204-聲響高度傳感器205-聲響測(cè)位傳感器206-電子調(diào)速器207-電動(dòng)離屯、噴頭208-無 人機(jī)機(jī)架中屯、板209-藥箱210-PVC專用噴藥軟管211-隔膜累；301-上位機(jī)系統(tǒng)302-串 口線。
【具體實(shí)施方式】
[0005] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述： 一種基于旋翼無人機(jī)機(jī)載的新型變量噴霧系統(tǒng)，包括電動(dòng)離屯、噴頭調(diào)速系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控 制系統(tǒng)、上位機(jī)巧制系統(tǒng)。電動(dòng)罔心噴頭調(diào)速系統(tǒng)包括ARM巧制器（201)、電動(dòng)罔心、噴頭 (207)、溫濕度傳感器(203)、聲響高度傳感器(204)、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(206)、無線收發(fā)模 塊(202)、聲響測(cè)位傳感器(205)組成，聲響測(cè)位傳感器(205)安裝在藥箱(209)的上部，測(cè)量 藥箱中藥液的液位，溫濕度、高度和藥箱中液位數(shù)據(jù)發(fā)送到無線收發(fā)模塊(202)，同時(shí)無線 收發(fā)模塊(202)接受遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)發(fā)送過來的占空比改變指令，再經(jīng)過ARM控制器(201)和 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊（206)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)離屯、噴頭（207)轉(zhuǎn)動(dòng)；遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)包括ARM主控制器 (101)、按鍵（102XLCD顯示屏（103)、無線收發(fā)模塊（105)組成，無線收發(fā)模塊（105)接受電 動(dòng)離屯、噴頭調(diào)速系統(tǒng)中無線收發(fā)模塊(202)中的信息，同時(shí)向無線收發(fā)模塊(202)發(fā)送占空 比改變指令，按鍵（102)設(shè)置系統(tǒng)的工作模式，LCD顯示屏（103)顯示當(dāng)前PWM波占空比大??； 遠(yuǎn)程控制模塊通過串口線(302 )與上位機(jī)系統(tǒng)(301)連接； P麗設(shè)置:ARM控制器(201)產(chǎn)生的PWM波頻率為500Hz，占空比則可W從0%-100%改變， 間隔為1%，運(yùn)樣更加精確的調(diào)節(jié)噴頭的轉(zhuǎn)速； 外圍電路主要包括溫濕度傳感器、聲響測(cè)位傳感器和聲響高度傳感器與ARM控制器通 信電路，程序接口電路為電動(dòng)離屯、噴頭調(diào)速系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的兩個(gè)主控制器提供程序 的下載;控制程序包括主控制程序、溫濕度的采集，高度的采集，藥箱中液位的采集、無線收 發(fā)模塊之間的無線通訊，PWM輸出、上位機(jī)與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的串口通信； 外圍電路還包括：上位機(jī)系統(tǒng)通過串口電路與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)串口通信，采用 MAX232忍片將電腦的RS232電平和控制器的TTL電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換。無線收發(fā)模塊要成對(duì)使用， 每個(gè)模塊上面繼承了一個(gè)STM15微處理器，運(yùn)樣兩個(gè)無線收發(fā)模塊通過串口分別與電動(dòng)離 屯、噴頭調(diào)速系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)串口通信，實(shí)現(xiàn)2km范圍內(nèi)，施藥系統(tǒng)的遠(yuǎn)程無線控制。整 個(gè)系統(tǒng)的供電有12V裡電池提供，裡電池電壓保護(hù)板提供保護(hù)，采用3.3V和5V的穩(wěn)壓電路， 為控制器及其外圍電路提供穩(wěn)定的電壓； 具體的硬件設(shè)備包括如下：圖1為整個(gè)系統(tǒng)的技術(shù)方案圖，電動(dòng)離屯、噴頭調(diào)速系統(tǒng)和遠(yuǎn) 程控制系統(tǒng)的主控制器都采用STM32F103RBt6為主控制忍片，用W產(chǎn)生占空比可調(diào)節(jié)的PWM 波，接受外圍部件信息并加 W運(yùn)算，發(fā)出控制指令;采用直流電機(jī)電子調(diào)速器將控制器輸出 的PWM電壓信號(hào)放大，同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩路電動(dòng)離屯、噴頭轉(zhuǎn)動(dòng);采用SI4432無線收發(fā)模塊，實(shí)現(xiàn)2km 范圍內(nèi)施藥系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制；采用DHT11溫濕度傳感器、HC-SR04聲響高度模塊和聲響測(cè)位 模塊采集數(shù)據(jù)，交由主控制處理；同時(shí)，設(shè)計(jì)W裡電池、電壓保護(hù)板、LM7805和REG 1117-3.3 等模塊組成具有穩(wěn)壓電源的電源集成模塊;設(shè)計(jì)與控制器連接的直插式按鍵接口和諾基亞 511化CD顯示屏串行接口； 具體的硬件電路連接:對(duì)于遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，主控制器采用控制器最小系統(tǒng)(U4)，包括主 控制忍片STM32F103R化6、復(fù)位忍片、時(shí)鐘忍片、程序接口。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)與上位機(jī)采用 RS232通訊，采用DB9針的串口線，選用MAX232忍片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，LCD顯示模塊采用SPI的通 信方式與主控制器的?88、？89、？812、？813、？814管腳相連，無線收發(fā)模塊514432采用1^^的 傳輸方式與主控制器的PB10、PB11管腳相連，U1為5V穩(wěn)壓忍片LM7805和U2為3.3V穩(wěn)壓忍片 REG1117-3.3與主控制器VCC管腳相連，按鍵設(shè)置電路與主控制器PC0、PC1管腳相連;對(duì)于電 動(dòng)離屯、噴頭調(diào)速系統(tǒng)，DHT11溫濕度傳感器與主控制器PB14管腳相連，聲響測(cè)位傳感器采用 SPI的傳輸方式與主控制器PC8、PC9管腳相連，聲響高度傳感器采用UART的傳輸方式與主控 制器PA2、PA3管腳相連；電動(dòng)離屯、噴頭電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊與主控制器PB6、PB7管腳相連，無線收 發(fā)模塊SI4432采用UART的傳輸方式與主控制器的PB10、PB11管腳相連； 上述硬件及控制器的具體操作方法如下： (1)確定霧化盤轉(zhuǎn)速和傳感器數(shù)據(jù)之間的函數(shù)表達(dá)式 在不同的溫度、濕度和高度組合下，W落到農(nóng)作物葉片上的霧滴體積中值直徑是10化m 為標(biāo)準(zhǔn)，在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件的輔助下，設(shè)計(jì)了 Ξ因素二次回歸旋轉(zhuǎn)正交實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)方案 如表1所示：
表中，鄒25|日％分別為^個(gè)因素的一次項(xiàng)編碼，馬^3>氣讀〇嗎^為兩因素之間的交互 項(xiàng)編碼，馬、馬為各個(gè)因素的二次項(xiàng)編碼。其因素水平編碼表如表2所示。
[0006] Ξ因素二次回歸旋轉(zhuǎn)正交試驗(yàn)，因?yàn)樾D(zhuǎn)特性的存在，考慮了誤差的方向，試驗(yàn)因 素空間中與試驗(yàn)距離相等的球面上各處理組合的預(yù)測(cè)值具有幾乎相等的特性，相對(duì)于其他 回歸試驗(yàn)，提高了試驗(yàn)的精度，增加了數(shù)據(jù)的可靠性。驗(yàn)證了 Ξ個(gè)因素對(duì)霧滴體積中值直徑 都有極顯著影響，得到霧化盤轉(zhuǎn)速與溫度、濕度和高度之間的函數(shù)表達(dá)式，如下： 化=如00自.23，i郎.42玉一沉屯2日巧目7日.茲私+ 2. + 3;鉆漿:一:妓技.1相：（1) ..11· ?三： ....占'.立 .占 其中V為當(dāng)體積中值直徑為10化m時(shí)霧化盤轉(zhuǎn)速，^1、^3和^分別為噴霧時(shí)的溫度、濕 度和高度； (2)確定電動(dòng)離屯、噴頭調(diào)速系統(tǒng)輸出PWM波的占空比大小和噴頭電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系 方程式； 通過試驗(yàn)，獲得不同占空比下電動(dòng)離屯、噴頭轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，表1為試驗(yàn)獲取的在電動(dòng)離屯、噴 頭霧化盤直徑58.1mm、噴頭壓力0.5MPa、噴頭流量化/min條件下，pmi波的占空比大小和噴 頭電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系表：
根據(jù)上表3,可知占空比小于8%W下時(shí)，噴頭不轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)占空比接近100%時(shí)，轉(zhuǎn)速的變化 已經(jīng)不明顯。采用多項(xiàng)式擬合，運(yùn)里選用的是5次多項(xiàng)式，PWM波的占空比大小和噴頭電機(jī)轉(zhuǎn) 速之間的關(guān)系式如下：
其中V為霧化盤轉(zhuǎn)速，單位為rmp.相關(guān)系數(shù)R 2 = 0.9986 t為PWM波占空比的百分?jǐn)?shù)； 如圖4為5次多項(xiàng)式擬合圖，相對(duì)直線的線性擬合，5次多項(xiàng)式擬合函數(shù)方程式的相關(guān)系 數(shù)更高，擬合效果更精確，確保了系統(tǒng)的精度要求； (3)根據(jù)聲響測(cè)量距離的原理，藥箱中剩余藥液的高度為
其中h為剩余藥液的高度； Η為藥箱內(nèi)上壁總高度； S為藥箱內(nèi)上壁至藥液面的距離； (4)自動(dòng)模式下，調(diào)速系統(tǒng)具體程序的執(zhí)行部分分為若干中斷子程序和主循環(huán)，中斷子 程序優(yōu)先級(jí)由高到低順序安排，串口接受中斷為最高優(yōu)先級(jí)；主循環(huán)在中斷程序之間的空 閑時(shí)間間隔中執(zhí)行，整個(gè)程序不斷的周期循環(huán)進(jìn)行，中斷子程序和主循環(huán)的安排如表4所 示：
巧)調(diào)速系統(tǒng)上電后： 審先初始化傳感器、定時(shí)器中斷和配置PWM輸出等； 攀接著執(zhí)行接受中斷子程序，接受模式設(shè)置指令； 蠢在中斷中更新溫濕度和高度數(shù)值并保存； 囊執(zhí)行轉(zhuǎn)速計(jì)算子程序:主控制器根據(jù)公式（1)計(jì)算出在該傳感器數(shù)據(jù)下需要的霧化 盤轉(zhuǎn)速； 蠻執(zhí)行PWM占空比設(shè)置子程序:根據(jù)公式(2)計(jì)算合適的占空比信號(hào)； 攘執(zhí)行串口中斷發(fā)送子程序，將占空比信息和傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)； 豪重復(fù)步驟金一惠； (6)根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于旋翼無人機(jī)機(jī)載的新型變量噴霧系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，其 特征在于:步驟蠻PWM占空比設(shè)置子程序包含W下步驟： ?;.計(jì)數(shù)器、定時(shí)器初始化； Μ .設(shè)置表示占空比的變量t，變量范圍從1-100變化； 掠;.改變?cè)O(shè)置捕獲/比較寄存器(TIMx_CCRx)預(yù)裝載值，然后與自動(dòng)裝載計(jì)數(shù)器(CNT) 進(jìn)行比較，就可W得到相應(yīng)的脈寬，也就是占空比，將占空比數(shù)值存入變量t; 錶在循環(huán)中將t導(dǎo)入公式(2)從1-100進(jìn)行遍歷，將每個(gè)變量t得到的轉(zhuǎn)速V與步驟懇 計(jì)算出的轉(zhuǎn)速值進(jìn)行比較； V .當(dāng)I公式（1)計(jì)算的轉(zhuǎn)速V-公式(2)計(jì)算的vK50rmp時(shí)我們就認(rèn)為運(yùn)時(shí)候公式(2) 中的占空比數(shù)值t滿足要求。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于旋翼無人機(jī)機(jī)載的新型變量噴霧系統(tǒng)，包括=個(gè)部分：電動(dòng)離屯、噴頭調(diào)速 系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)和上位機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于:整個(gè)系統(tǒng)有兩種模式:手動(dòng)和自動(dòng);手 動(dòng)模式可W通過按鍵改變Pmi占空比的大小，從而改變轉(zhuǎn)速，得到我們希望的霧滴粒徑參 數(shù)；自動(dòng)模式是主控制器根據(jù)傳感器采集到的數(shù)據(jù)計(jì)算出當(dāng)前噴霧環(huán)境下的霧化盤轉(zhuǎn)速， 保證隨著噴霧環(huán)境的變化，實(shí)時(shí)的改變霧化盤轉(zhuǎn)速，保證落到農(nóng)作物葉子表面的霧滴的體 積中值直徑是10化m左右(根據(jù)中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)航空作業(yè)質(zhì)量作業(yè)指標(biāo)的內(nèi)容，對(duì)超低 量噴霧來說，10化m是大多數(shù)農(nóng)藥消滅病蟲害的最佳霧滴直徑）。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于旋翼無人機(jī)機(jī)載的新型變量噴霧系統(tǒng)，其特征在于：電動(dòng) 離屯、噴頭調(diào)速系統(tǒng)安裝在旋翼無人機(jī)機(jī)架的中屯、板上并固定好，包括主控制器及其外圍電 路，ARM控制器根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)利用程序產(chǎn)生占空比合適的P歷波;外圍電路包括如下：12V 直流電源(裡電池)通過穩(wěn)壓電路模塊為系統(tǒng)供電；程序接口為單片機(jī)提供控制程序;直流 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊連接主控制器的PWM輸出引腳調(diào)節(jié)噴頭的轉(zhuǎn)速;遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)包括主控制器 及其外圍電路，外圍電路包括LCD顯示屏用于顯示當(dāng)時(shí)的占空比的大小，按鍵用于在手動(dòng)模 式和自動(dòng)模式之間切換。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于旋翼無人機(jī)機(jī)載的新型變量噴霧系統(tǒng)，其特征在于：電源 模塊采用12V裡電池供電，在裡電池和系統(tǒng)之間配有電壓保護(hù)板和電壓轉(zhuǎn)換模塊;電壓保護(hù) 板有如下作用：防止裡電池因?yàn)檫^度放電而報(bào)廢;為系統(tǒng)提供過流保護(hù)；電源電壓轉(zhuǎn)換模塊 的作用是為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的5V、3.3V和3V電壓。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于旋翼無人機(jī)機(jī)載的新型變量噴霧系統(tǒng)，其特征在于:外圍 電路還包括一對(duì)大功率的無線收發(fā)模塊，分別與電動(dòng)離屯、調(diào)速系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的主控 制器連接，用于數(shù)據(jù)和指令的無線傳輸。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于旋翼無人機(jī)機(jī)載的新型變量噴霧系統(tǒng)，其特征在于:調(diào)速 所依賴的環(huán)境是噴霧時(shí)的大氣溫度、大氣濕度和霧化盤與農(nóng)作物表面之間的相對(duì)高度；電 動(dòng)離屯、噴頭調(diào)速系統(tǒng)的傳感器包括:溫濕度傳感器、聲響測(cè)高傳感器采用串行通信的方式 與ARM主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并通過無線收發(fā)模塊將傳感器數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)系統(tǒng)。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于旋翼無人機(jī)機(jī)載的新型變量噴霧系統(tǒng)，其特征在于：電動(dòng) 離屯、噴頭調(diào)速系統(tǒng)的外圍電路還包括:聲響測(cè)位傳感器安裝在藥箱的最頂部，通過傳感器 監(jiān)測(cè)藥箱中液位的高低，及時(shí)提醒使用者藥箱中剩余農(nóng)藥的多少。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于旋翼無人機(jī)機(jī)載的新型變量噴霧系統(tǒng)，其特征在于:上位 機(jī)系統(tǒng)顯示傳感器的數(shù)據(jù)，當(dāng)液位數(shù)據(jù)等于零時(shí)，液位傳感器顯示控件變?yōu)榧t色，提醒藥箱 中藥液已經(jīng)沒有剩余；顯示當(dāng)前占空比的大??；在手動(dòng)模式下可W通過按鈕控件發(fā)出改變 占空比的指令;具有密碼登錄功能；具有保存、刪除后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)的功能，W便進(jìn)行后續(xù) 的數(shù)據(jù)分析與系統(tǒng)優(yōu)化。8. -種權(quán)利要求1-6所述的基于旋翼無人機(jī)機(jī)載的新型變量噴霧系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，其 特征在于： 攝I在不同的溫度、濕度和高度組合下，W落到農(nóng)作物葉片上的霧滴體積中值直徑是 10化m為標(biāo)準(zhǔn)，通過=因素二次回歸旋轉(zhuǎn)正交試驗(yàn)驗(yàn)證了 =個(gè)因素對(duì)霧滴體積中值直徑都 有極顯著影響，得到霧化盤轉(zhuǎn)速與溫度、濕度和高度之間的函數(shù)表達(dá)式，如下： :1) 其中V為體積中值直徑為100時(shí)霧化盤轉(zhuǎn)速，:巧:*: :?;觀％分別為噴霧時(shí)的溫度、濕度和 高度 鑛；在電動(dòng)離必噴頭霧化盤直徑、噴頭流量和壓力確定的條件下，測(cè)得不同PWM波占空 比下電動(dòng)離屯、噴頭的轉(zhuǎn)速，采用五階多項(xiàng)式擬合算法，擬合出PWM波占空比下電動(dòng)離屯、噴頭 的轉(zhuǎn)速的函數(shù)表達(dá)式如下：(2) 其中V為霧化盤轉(zhuǎn)速，t為PWM占空比的百分?jǐn)?shù) Iii在自動(dòng)模式下，調(diào)速系統(tǒng)具體程序的執(zhí)行部分分為若干中斷子程序和主循環(huán)，在中 斷子程序中優(yōu)先級(jí)由高到低順序安排，串口接受中斷為最高優(yōu)先級(jí)；主循環(huán)在中斷程序之 間的空閑時(shí)間間隔中執(zhí)行，整個(gè)程序不斷的周期循環(huán)進(jìn)行，中斷子程序和主循環(huán)的安排如 表1所示：、調(diào)速系統(tǒng)上電后： I先初始化傳感器、定時(shí)器中斷和配置PWM輸出等； 、戶接著執(zhí)行接受中斷子程序，接受模式設(shè)置指令； 芽在中斷中更新溫濕度和高度數(shù)值并保存； 《執(zhí)行轉(zhuǎn)速計(jì)算子程序:主控制器根據(jù)公式（1)計(jì)算出在該傳感器數(shù)據(jù)下需要的霧化 盤轉(zhuǎn)速； 露執(zhí)行PWM占空比設(shè)置子程序:根據(jù)公式(2)計(jì)算合適的占空比信號(hào)； 潔;執(zhí)行串口中斷發(fā)送子程序，將占空比信息和傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)； 潑重復(fù)步驟纔一懸^。9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于旋翼無人機(jī)機(jī)載的新型變量噴霧系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，其特 征在于:步驟蠻fWM占空比設(shè)置子程序包含W下步驟： (1) 計(jì)數(shù)器、定時(shí)器初始化； (2) (設(shè)置表示占空比的變量t，變量范圍從1-100變化； (3) 改變?cè)O(shè)置捕獲/比較寄存器(TIMx_CCRx)預(yù)裝載值，然后與自動(dòng)裝載計(jì)數(shù)器(CNT)進(jìn) 行比較，就可W得到相應(yīng)的脈寬，也就是占空比，將占空比數(shù)值存入變量t; (4) 在循環(huán)中將t導(dǎo)入公式（2)從1%-100%進(jìn)行遍歷，將每個(gè)變量t得到的轉(zhuǎn)速V與步驟 囊:計(jì)算出的轉(zhuǎn)速值進(jìn)行比較； 巧）當(dāng)I公式（1)計(jì)算的轉(zhuǎn)速V -公式(2)計(jì)算的V I〈SOrmp時(shí)，我們就認(rèn)為運(yùn)時(shí)候公式(2) 中的占空比數(shù)值t滿足要求。
【文檔編號(hào)】B05B3/02GK105984588SQ201610415556
【公開日】2016年10月5日
【申請(qǐng)日】2016年6月15日
【發(fā)明人】武同昆
【申請(qǐng)人】武同昆