无人机喷洒模拟系统

0 引 言

利用植保无人机进行农田喷洒目前成为新型农机应用热点。目前国内农用植保无人机领域的研究正处于快速发展阶段,各企事业单位对农用植保无人机的研究、引进和生产力度正在逐渐加强。通过市场的检验,无人机在植保喷药方面相对于传统人工喷药有着速度快、效率高、对人体伤害低、喷洒效果好等优点。随着植保无人的使用增长和研究深入,出现了很多细节问题需要优化与处理,如适用于无人机的喷洒系统设计,包括药泵、药箱、喷头等的优化,喷洒助剂研究与喷洒效果评价等方面。秦维彩[1]等研究基于无人机直升机的喷雾参数对玉米冠层雾滴沉积分布的影响,喷洒参数包括作业高度与横向喷幅,确定了针对其所使用无人机较为适宜的作业参数。张宋超等人[2]采用N-3型农用无人直升机作为载机,通过CFD在约束条件下对作业过程中旋翼风场和农药喷洒的两相流进行了模拟,并设计了条件相似的对应试验进行验证,试验结果表明在飞行高度6m,侧风风速分别在1m/s2m/s3m/s下,仿真模拟结果与实测数据的拟合直线决定系数R2分别为 0.74820.8050 0.6875,对实际生产具有一定指导意义。

可以发现,以上实验针对的对象并不涉及机身本身,但仍需使用无人机搭载喷洒设备进行试验。然而无人机机载实验受很多因素限制,如风力风向、雨雪大雾、飞场等自然因素,和操作人员技术水平、设备挂载安装等人为因素。同时由于目前无人机系统稳定性、安全性和可靠性仍需时间检验,无人机机载实验需要承担很大风险,使得实验开展困难,单次实验人力、财力花费较高,阻碍了喷洒技术的发展。本文设计并开发了一套无人机喷洒模拟系统,以取代无人机机载喷洒实验,具有易于推广,拓展性强,自动化程度高,参数覆盖范围广等优点。

1 无人机喷洒测试平台搭建

1.1系统设计

本系统设计主要分为三个部分:机电部分、控制器部分和上位机软件部分分别进行开发。为实现对植保无人机喷洒细节进行仿真,该系统包括水平和垂直两个方向的导轨,实现对水平位移速度和垂直喷洒高度的控制,采用两个伺服电机实现对水平移动速度和垂直移动速度的精确控制。直线导轨相对于滑轨等其他导轨系统力学性能较好。导轨在实际工作中,滚动摩擦比较小,在长时间的往复运动过程中,磨损较小,适合做高精度大型仪器与系统[3]。为了降低热胀冷缩的影响,导轨与导轨之间留有1mm间距。

机电部分主要由机械结构和电气设备组成。为满足植保喷药的需求,本系统设计载荷为50kg,满足挂载喷洒设备和喷洒控制器。系统采用悬垂设计,水平导轨采用30mm的方形滚珠直线导轨。直线导轨制作精密,且各向最大承受拉压力及扭转力矩差别很小,多用在自动化机械上提供导向和支撑作用,如PCB制板、3D打印、数控加工机床等精密加工机械[4-6]。为覆盖较大量程,水平方向设计长度为12m,采用3段直线导轨拼接而成,并安装在一整条槽钢之上。为使得三段导轨能够较好的配合在同一平面,降低内部应力,设计将三段直线导轨安装在一个用车床冲出的导槽上,并通过8mm的螺纹旋紧固定。直线导轨上挂载两个滑块,滑块最大可承受拉压力为38.74KN,在上下翻动、左右摇晃以及侧向旋转三个方向上最大承受扭矩分别为0.88kN-m,
0.92kN-m, 0.92kN-m。这使得该系统强度高,变形小,可以承受较大的侧向和径向扭矩,从而降低了系统因为频繁加减速而损坏的可能。直线导轨的滑块由于其如图1所示的设计结构,使得滑块在在各个方向上最大承受力基本相同,拉力和压力的作用效果相同,从而使得其对不同方向的冲击具有很好的保护作用,并且由于该系统为吊装,执行往复运动,主要的受力形式包括:垂直向下的拉力、加减速时俯仰方向的力矩MP、振动引起横滚方向和偏航方向的力矩MRMY。分别针对以上受力形式进行强度设计和分析,以保障系统安全。导轨在实际工作中,滚动摩擦比较小,在长时间的往复运动过程中,磨损较小,适合做高精度大型仪器与系统,考虑到金属热胀冷缩,导轨与导轨之间留有1mm安装间距。

垂直方向机械结构采用电动缸的机械结构,其最大提升力为750N,满足系统设计需求。电动缸是伺服电机与丝杠一体化的机械组件,将电机旋转运动转化为直线运动的组件,其在机械系统中被大量使用[7-9]。电动缸有效行程为0.5m,最大拉升速度为0.5m/s


1 滑块组成与受力图

Fig.1 Slider stress

电气部分水平方向采用东菱1.2kW伺服电机,驱动编码器采用配套的EPS145驱动编码器。垂直部分采用松下200W伺服电机,驱动器为原装MAD-1507CA驱动器。伺服电机有位移精度高、稳定性好、定位精度高、响应速度快、调速范围宽、系统可靠性高、低速扭矩大等优点,相对于减速电机、步进电机等类型电机,伺服电机更适合本系统。由于内部存在锁紧装置,所以可以很好的停在所需要的位置。锁紧方法与内部PID调节有关,内部编码器感应到主轴旋转产生的位移量,将其作为反馈,对速度和位移做出相应的调节。17bit的编码器在旋转一周时产生的脉冲数为217,通过减速比可算出水平方向上的指令脉冲当量为0.001mm,竖直方向上位置分辨率为0.0005mm。由此可见该系统精确度很高,也为将来在此基础上的功能开发提供了良好的基础。

系统在水平和竖直方向上采用限位开关来实现系统归零和位移标定。水平限位开关采用光电式限位开关,检测限5mm,安装时滑块距离光电接近开关2mm,满足触发条件。竖直限位开关采用磁感应式,当电动缸内的磁环下移到限位开关时,触发开关产生中断脉冲。中断脉冲被主控记录并作为水平和垂直方向的零点,同时中断脉冲成为系统停止运行的信号。由于该系统电压不同,限位开关的接线需要做电磁屏蔽,以防止信号被干扰。

1.2 主控板与执行端控制器开发


为提高该系统的自动化程度,采用如图2所示的系统设计。上位机软件向下与主控板采用串口通讯,主控板到上位机的通讯字段包括:水平方向速度和位置,垂直方向速度与位置,导管内液体流速。上位机软件到主控板的通讯字段包括:设定的水平方向速度和位置,设定的垂直方向速度与位置,设定的风力,设定的流速。

2 系统设计图

Fig.2 System design

主控板采用12V独立电源供电,可接受的电压范围在10-50V之间。两边做为排针接口,与伺服电机驱动器相连。由于限位开关只有通断两种状态,因此设立两路Pulse+Pulse-给限位开关。主控板采用意法STM32F103RCT6嵌入式微控制器,搭配8MHz外部晶振。该芯片核心频率72MHz,提供了丰富的传感器接口如CANI2CIrDALINSPIUART/USARTUSB,并为外围设备如电机等提供PWM输出信号,提供51路的输入与输出,工作电压3.6V

为实现对远端机载部分的控制,本系统采用CAN总线进行数据通讯和控制指令发送。由于主控芯片意法STM32F103RCT6已经提供CAN接口,不再需要配合CAN控制器[10]CAN总线技术是多主分布式控制系统串行通讯较好的总线解决方案,能够将控制指令及各控制系统状态信息放在总线上进行供各控制小区读取,该总线方式最早被德国BOSCH公司设计开发并应用于车载控制系统,目前发展成为一种成熟的工业总线控制技术。具有高位率、高抗电磁干扰、容错性强、实时性好等优点[11]。除了以上优点之外,由于控制端处于移动状态并且离主控器较远(>10m),这时候其他信息传输方式难以实现长距离的控制和数据通讯,且CAN总线采用双绞线[12-14],传输距离较远,易于部署系统,成为该系统设计的最佳方案。现场总线技术是自动化技术领域发展的热点,CAN总线相对于485总线等其他主从类主线类型有明显的优势,首先是多主工作方式,网络间节点的都可根据访问优先权采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据,优先权由标识符决定,且CAN协议废除了站地址编码,而代之以对通信数据进行编码,这可使不同的节点同时接收到相同的数据,这些特点使得CAN总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强,并且容易构成冗余结构,提高系统的可靠性和系统的灵活性。其次CAN总线中某一节点在发生严重错误后对整个系统无破坏性。最后CAN具有的完善的通信协议可由CAN控制器芯片及其接口芯片来实现,从而大大降低系统开发难度,缩短了开发周期本系统。采用CAN2.0B,通讯速率设置为57600bps,报文结构体定义为如下:

typedef struct {

unsigned int id; // 29 bit identifier

unsigned char data[8]; // Data field

unsigned char len; // Length of data field in bytes

unsigned char format; // 0 – STANDARD, 1- EXTENDED IDENTIFIER

unsigned char type; // 0 – DATA FRAME, 1 – REMOTE FRAME

} CAN_msg;

远端喷洒控制器主要控制板采用意法STM32F103RCT6,该控制芯片详情参见主控部分描述,控制板采用独立12V锂电池供电。控制器与主控板通过CAN总线进行通讯,波特率设置为57600bps,实测通讯长度为17.5m,远低于CAN总线的最长传输距离。远端控制器向齿轮泵驱动器发送PWM信号,控制齿轮泵转速;流量传感器发送脉冲计数的方法计算单位时间内通过的液体流量;控制器向无刷电机的电子调速器发送PWM信号控制电机转速,PWM频率50HZ,占空比变化范围为25%~75%,通过改变电机转速来改变产生的风压。


3 系统完成构架与软件操作界面

Fig.3 System image and software user interface

1.3 喷洒组件开发

喷洒组件包括齿轮泵及其MOS管调速器、流量计、无刷电机及螺旋桨、导液管及药箱喷杆等。齿轮泵为385微型齿轮泵,额定电压12V,空载电流0.4A,最大水压力0.23MPa。控制板输出的PWM信号通过MOS管来调节输出齿轮泵电机转速。输出流量与PWM指令标定函数为:

1

标定方法为在12V稳压电源下,单位时间(1min)内输出的纯净水,并采用量筒测量排除液体体积,其中PWM占空比量化为256级。通过测量数据可以看出该齿轮泵输出与PWM的输入成三次相关,相关系数达到R2=0.9986


4 水泵标定曲线

Fig.4 Pump calibration curve

流量计采用基于霍尔元件的微量流量计,其最小检测流量为0.4L/min,最大流量为3L/min,最大承受压力0.8MPa。基于霍尔元件流量计的工作原理[15]为当液体流过时,叶轮旋转带动叶轮上的金属片在霍尔元件处产生磁感应,从而产生脉冲,通过计算脉冲数对应流过液体的体积。流量计线性度很高,其标定方程为:


2

风力系统以目前浙江大学研制的SH-8V系列植保无人机的风力及传动系统进行设计,电机采用高压无刷电机[16],电机轴承采用NMB型轴承,轴径5mm,槽极24N22P,电机尺寸为ø4*31mm,工作电压22.2V,最大功率500.6W。由于最大电流达到22.8A,相应的电子调速器也要选择较大型号,并且有优化过的散热结构,本系统采用双天100A电子调速器[17],可以通过较高电流,并且设计有散热片,具有较好的散热性能。配1555mm螺距的碳纤尾桨,在22.2V电压下通过风速计测量,最大风速为4.4m/s,电机位于喷头正上方,以模拟原型机中风场对喷洒雾滴的影响效果[18]

导液管及药箱喷杆等采用与原型植保无人机相同的喷洒部件。所搭载喷洒部件皆可依据特定的喷洒环境进行定制化开发,当前采用的喷洒部件中喷头为某型国产扇形喷头[19, 20],喷洒锥角为45°喷头间隔1m

1.4 上位机软件开发

为实现对实验因素(如喷洒高度、喷洒流量和喷洒风力等)远程精确控制,及喷洒流量的实时显示,本系统设计开发了上位机软件。软件开发采用Visual C++ 2010开发环境,上位机软件采用串口通信,串口波特率选择57600,设计界面如图3所示。由于PC一般不安装串口,通过串口转USB接到PCUSB接口处。

为考虑到以后系统的便携性,增加Wi-Fi转发,将PC机通过Lan口与平板电脑连接入同一局域网中,通过Wi-Fi路由器将平板控制指令传输到PC机上,将实时信息显示在平板上。平板电脑采用国产某型Intel CPU平板电脑,搭载Windows 8系统,运行界面如图3所示。其中运动模块由OpenGL制作模型并并集成进系统用以显示系统运行状态。OpenGL是一个跨编程语言、跨平台的专业图形程序接口,用于二维和三维图像的显示,是一个功能强大,调用方便的底层图形库。

1.5 安全考虑

由于本系统运动部分重量较重,在启动和停止时需要较大作用力来使得悬挂系统产生与设定所需速度值相同的速度,同时悬挂系统并非一体成型,中间存在诸如减震垫等软性连接部分,在完成运动过程中会产生震动和位移。为降低震动和位移,提高系统安全性,分别在以下三方面进行考虑:机械结构设计优化、控制程序优化、紧急保护。

结构设计优化主要体现在:平移部件优化、减震连接件优化设计、喷洒平台平衡性优化。水平移动是系统中最多的运动,若用单一滑块搭配电动缸运行,则会在产生加速度时对垂直方向的电动缸产生过大的剪切应力,对滑块和电动缸造成损害,因此在水平方向上构建三角形来提高水平移动方向的强度。该设计在提高系统强度的同时减小由于加速度作用造成的悬垂系统的位移。

减震连接件针对下方承载重量会较重的情况,采用VV型减震器连接的方式。橡胶减震器利用橡胶具有较高弹性和黏弹性,冲击刚度高,静刚度低,有利于减小变形等特点,将金属件与橡胶直接硫化粘合[22],成为各类机械、汽车、飞机及航空器等广泛使用的减震连接[23]。设计采用4M4螺纹的橡胶减震器。如图5所示,其中1为螺纹,2为封口铁,3为橡胶内填物,4为底面封口铁。


5 橡胶减震器示意图

Fig.5 Rubber damper demonstration

控制程序优化主要是用于电机可能出现较大加速度时的缓速控制。优化表现为:1,启动时,横向在启动速度≥0.5/s时,采用从0.3m/s启动,在1s内提速到设定速度,在到达设定位置之后,在1s内降低到0。垂直方向由于速度不大(设定范围为0~0.5m/s),而且距离有限(50cm),如果缓速启动的话,存在较大的未使用空间。在设计之初选择电动缸这一传动方式进行运动控制,足以应对上下产生的加速度;2,水平和垂直方向的复位动作采用较低的0.2m/s的速度进行。由于在检测零位的时候存在急停刹车动作,因此不宜采用较大的行进速度进行零位寻找。紧急保护措施有电源紧急切断以及限位螺栓。在配电柜外部有紧急电源关闭的开关,当限位措施失效时有限位螺栓卡紧运动部分,防止滑块出现脱轨现象。

1.6 系统测试位置测量

采用iLDM激光测距仪(CEM Ltd., 深圳, 中国)进行,该仪器的量程为0.05~70m,测量精度为±1.5mm。该仪器采用635nm typeⅡ类型激光进行长度测量,激光功率低于1mw。激光测距仪安装在电动缸端点,安装误差为俯仰方向±0.1°,偏航方向±0.2°。俯仰角安装误差通过测距仪读书调节,偏航角误差采用测量近端与远端长度在参考平面的最近端与最远端在参考面亮点距离,通过三角方程测得,其中最近端与最远端的在参考平面的距离为7cm。垂向测量采用平行于电动缸主轴方向安装,激光测距仪安装位于电动缸的下端点,并以电动缸活动端点的安装板作为参考平面,安装误差在±0.2°。激光测距仪通过蓝牙与手机相连,可以通过手机来触发采集数据和数据监控。其安装方式如图6所示。平台沿着水平方向分别按照0.05m/s, 0.10m/s, 0.15m/s0.20m/s,测量位置为每0.25m设置1个点进行位置测量。每一个位置的数据点做三次重复,取平均值。所得的36个位置数据如图7-a,横轴为通过上位机发送的位置指令,纵轴为实测所得值。垂直方向的位置测量,使得系统在垂向分别按照:0.05 m/s, 0.10 m/s, 0.15 m/s 0.20 m/s四种速度,每种速度做三次重复,以5cm为间隔采集位置点,取三次重复之后的平均值。垂向的位置测量如图7-b所示,其中在0.05m/sRMSE0.0020770.10下为0.002848, 0.15m/s下为0.002650,0.2m/s下为0.002845。重复误差低于2mm


6激光测距仪安装方式与测试

Fig.6 Laser distance meter installment and measurement

a.水平方向不同速度下距离测量结果

a.Horizontal test result under different moving speed

b.垂直方向不同速度下距离测量结果

b.Horizontal test result under different moving speed

7 系统测试结果

Fig7. System test result

2 结论与讨论

针对目前农用植保无人机快速发展,而相关的机载雾滴检测及喷洒理论验证缺乏的现状,开发了无人机仿真喷洒系统。采用基于PWM的齿轮泵控制量与实际出水量相关系数为R2=0.9986。该系统稳定可靠,系统精度高,采用激光测距仪对系统水平运动在0.05m/s,0.10m/s,0.15m/s0.20m/s,垂直运动在0.05 m/s, 0.10 m/s, 0.15 m/s进行测量,系统控制精度高,控制参数与实际行程相关度均为R2=1,水平与竖直重复精度优于2mm,为无人机喷洒理论测试提供了良好的平台,其水平方向重复误差为2mm。该系统对无人机喷洒过程中的风力、流量、移动速度进行在线远程控制,采用CAN总线作为远端与控制台的通讯手段,具有较高的实时性,并且实现了喷洒状态的实时回传和显示。本系统开发了伺服电机控制器以及远端喷洒控制器、喷洒组件、上位机软件,实现了室内喷洒系统自动化集成,为系统化研究无人机喷洒过程中各项参数对最终喷洒效果的影响提供了有力支撑,从而加快喷洒技术的更迭,推进植保无人机技术进步。该测试系统也可以对一些有潜力应用在植保无人机上的技术提供测试,由于目前无人机技术的限制,一些技术如恒压雾化技术、变量喷洒技术、静电喷洒等喷洒雾化技术由于重量大、结构复杂、对无人机电磁场有影响等种种原因,暂时无法应用在无人机上,然而以上技术在地面喷洒机械上取得很好的效果,未来随着无人机技术的发展也有机会应用在植保无人机上。对未来可能应用在无人机上的技术进行先验性研究成为未来研究的一个方向,因此本系统有着较好的应用价值和意义