一种多旋翼植保无人机静电喷雾系统研究

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　　摘要：为提高多旋翼植保无人机的植保效果，设计一种用于多旋翼植保无人机的静电喷雾系统。该静电喷雾系统包括静电喷头、喷雾流量控制模块。基于感应式荷电原理设计了感应式静电离心喷头，基于PID算法设计喷雾流量控制模块，基于网状目标法设计荷质比测量装置。结果表明，该多旋翼植保无人机静电喷雾系统中静电喷头可使雾滴荷电，喷雾流量控制模块能够稳定地控制喷雾流量，荷质比测量装置能够稳定测量雾滴荷质比，随着荷电电压增加，雾滴荷质比逐渐增加，当荷电电压为8 kV时，荷质比达到最大值，为0.59 mC/kg。
　　 关键词：多旋翼植保无人机;静电喷雾系统;感应式静电离心喷头;荷质比测量装置;喷雾流量控制模块
　　 中图分类号： S252+.3  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2020）03-0225-06
　　 静电喷雾技术可有效提高雾滴沉积效果[1]。多旋翼无人机可有效替代人力完成植保作业，并使得植保作业效率大大提高[2]。静电喷雾技术结合多旋翼植保无人机技术可有效提高植保效率和植保效果。针对多旋翼植保无人机静电喷雾系统的研究对于农业植保技术发展和农作物病虫害防护具有重要意义。
　　目前，国内静电喷雾系统设计主要基于感应式荷电、电晕式荷电、接触式荷电等3种基本原理[3]，其中作业平台主要为地面植保器械、航空飞机或无人直升机等平台，基于多旋翼植保无人机平台的静电喷雾系统研究相对较少。茹煜等针对XY8D型无人直升机设计了感应式静电喷雾系统[4]。王士林等针对3WQF120-12型油动单旋翼植保无人直升机设计了接触式静电喷雾系统[5]。杨洲等针对地面植保器械设计了一种果园在线混药型静电喷雾机，其静电喷雾系统为感应式静电喷雾系统[6]。廉琦设计了多旋翼植保无人机静电喷雾系统，其中静电喷头为感应式压力静电喷头[7]。贾卫东等基于接触式荷电原理设计了背负式静电喷雾器，并针对喷雾器喷雾性能进行了测试研究[8]。国外对于静电喷雾系统的研究主要有地面植保器械和航空静电喷雾系统等，加拿大相关学者基于拖拉机开发了风送式静电喷雾系统[9]，英国相关学者基于拖拉机开发了静电喷雾机[10]，美国相关学者主要基于航空飞机和直升机设计了航空静电喷雾系统[11-12]。
　　为将静电喷雾技术与多旋翼植保无人机植保技术相结合，设计多旋翼植保无人机静电喷雾系统，包括静电喷头、喷雾流量控制模块，针对荷电效果测量设计雾滴荷质比测量装置，并通过试验验证该系统有效性及稳定性。
　　1 多旋翼植保无人机静电喷雾系统
　　多旋翼植保无人机静电喷雾系统主要基于感应式荷电原理而设计，该系统如图1所示。该静电喷雾系统主要包括静电喷头、高压静电发生器、供电电源等。其中静电喷头为自行设计的感应式离心静电喷头，静电喷头基于喷头悬架垂直固定于旋翼下方。当无人机在植保作业时，旋翼旋转时所形成垂直向下的风场可防止雾滴团漂移。高压静电发生器为江苏浩瑞电子公司生产的小型、可调静电发生器（高压可调范围为0～10 kV），质量为 83 g，其供电电源为12 V直流电源，电源质量为 180 g，该静电发生器与供电电源分别固定于无人机横轴上。该静电喷雾系统作业平台为杭州瓦屋科技有限公司生产的W730S四旋翼半自动植保无人机，每轴旋翼下方固定有感应式静电离心喷头，相邻喷头之间的间距为180 cm。其药箱容积为10 L，动力和飞控供电电池容量为16 000 mA·h，可满足植保作业时间大于10 min。
　　1.1 静电喷头
　　由图2可知，静电喷雾系统中喷头为感应式静电离心喷头，该喷头由感应环、感应环悬架、离心电机、旋叶等组成。其中，感应环材料为404不锈钢，具有较高的强度和耐腐蚀性。感应环垂直方向距离出水口2 cm，环的宽度为2 cm，能较好地满足荷电需求。感应环悬架的材料为尼龙PA6T，由于尼龙PA6T分子中具有大量的苯环，因此具有较好的耐腐蚀性和绝缘性，可满足对化学农药的耐腐蚀性和对感应环的绝缘性需求。将感应环悬架分别与感应环和多旋翼植保无人机固定，固定方式为轴向固定。
　　1.2 静电发生器接线方式
　　静电发生器的接线方式对静电喷雾系统中的雾滴荷电效果具有重要影响。根据感应式荷电原理，当静电发生器的正极与感应环相接时，静电发生器负极需要接地。同理，当静电发生器的负极与感应环相接时，静电发生器正极需要接地。静电发生器的接线示意图如图3所示。当静电发生器的负极接多旋翼植保无人机机架时，负极所产生的电荷会流入机架，此时从静电发生器接地效果上机架相当于大地，静电发生器接线实物图如图4所示。
　　1.3 静电喷雾流量控制
　　喷雾流量是影响雾滴荷电效果的重要因素，喷雾流量大小改变会对雾滴荷电效果产生较大影响[13]。因此为保证无人机喷雾流量稳定，设计W730S植保无人机喷雾流量稳定控制模块，该流量稳定控制模块如图5所示。流量控制系统是由喷洒控制模块、喷洒模块、流量测量模块等组成。飞控系统将速度数据通过MAVLINK协议发送至喷洒控制模块。喷洒控制模块根据接收到的飞行速度計算理论喷洒流量值，通过产生相应的PWM波信号传至喷洒控制模块中的电子调速器，电子调速器根据收到的PWM波信号调整喷洒模块中的离心泵转速，实现流量控制。其中PWM脉宽调制信号有2个主要的参数：频率、占空比，根据离心泵中电机频率，本研究采用的PWM波频率为45.45 Hz。无人机自带流量控制硬件电路模块通过调节PWM波的占空比实现调节水泵转速。
　　 为实现喷雾流量稳定，采用PID控制算法来控制喷雾流量。根据无人机飞行速度v获得初始喷雾流量L，并采用当前误差e作为PID控制器的输入。喷雾流量PID控制算法如图6所示，根据当前误差e得到PID控制参数KP、KI、KD，PID控制器通过喷洒模块中电子调速器来调整离心泵中电机转速调整喷雾流量，采用流量测量模块中流量计测量出的喷雾流量L′作为负反馈，通过不断将喷雾流量偏差值累加到喷雾流量初始值可获得PID输出参数。 　　2 验证试验设计
　　2.1 喷雾流量稳定性试验设计
　　为验证喷雾流量的稳定性，设计喷雾流量测试试验。根据多旋翼植保无人机飞行速度最大范围vmax及飞行速度调整间隔Δv，设置Nv组试验，其中Nv的计算方法如公式（1）所示。为验证不同喷雾流量下流量的稳定性，首先通过Simulink仿真试验获得PID控制参数。然后采用重复测量试验法对喷雾流量进行重复测量。设定喷雾时间，在喷雾时间内采用积液筒对喷雾雾滴进行收集，喷雾结束后采用高精度电子天平对积液筒中的雾滴质量进行测量，进而可得到单位流量值。在同一流量下重复多次测量，并计算单位流量值的平均相对偏差KL，计算方式如公式（2）所示。KL值越小，表明多旋翼植保无人机喷雾流量越稳定。以流量误差PL表征实际平均流量与理论流量误差，其计算公式如公式（3）所示。喷雾流量测试示意图如图7所示。
　　 针对雾滴荷质比测量，基于网状目标法设计雾滴荷质比测量装置，如图8-a所示。金属网分为3层，网孔数目从上至下依次为400、250、100目，材质为404不锈钢，具有良好的导电性，雾滴荷质比测量装置实物图如图8-b所示。当荷电雾滴群下落时，不同粒径雾滴会沉积到不同网孔数目的金属网上，此时雾滴所携带的电荷会流经金属网进行释放。在电荷释放过程中电荷会不断流过精密电流表，电流表会显示出电流值示数，因而可通过精密电流表对雾滴电荷量进行测量。当喷雾完成后，通过串口電子天平测量喷雾时间内积液筒收集到雾滴的质量，其中串口电子天平为安衡电子秤公司生产的樱花串口电子天平（如图9所示），该天平带有串口RS232，具有与计算机数字通讯功能。通过喷雾时间、电流表示数和收集到的雾滴质量可计算出雾滴荷质比。
　　3 结果与分析
　　3.1 喷雾流量稳定性验证试验
　　为验证喷雾流量的稳定性，在固定喷雾时间内采集单喷头喷出的全部雾滴，并测量雾滴的质量。PID控制参数通过Simulink仿真试验获得，其中控制参数KP、KI、KD分别为66.0、2.4、435.6。喷雾流量测量试验场景如图10所示。试验根据多旋翼植保无人机飞行速度档位数分为5组，每组重复5次测量，得到的喷雾流量数据如表1所示，表1中试验数据中流量误差和流量平均相对偏差是根据公式（1）、公式（2）计算所得。
　　 由表1可以看出，随着无人机飞行速度增加，喷雾流量值逐渐增加。同时，采用PID控制后喷雾流量误差最大不超过1.9%，表明喷雾流量控制模块可精准控制喷雾流量的大小。每组喷雾流量平均相对偏差最大不超过1.2%，表明喷雾流量控制模块可稳定控制喷雾流量的大小。
　　3.2 荷质比测量试验
　　为验证设计的多旋翼植保无人机静电喷雾系统是否可正常进行喷雾作业及研究不同荷电电压下雾滴荷质比，采用“2.2”节中所设计的荷质比测量装置进行测量试验。同时为保证在每次测量过程中荷电电压为设定的固定值，采用高压衰减碳棒（图11）并连接电压表测量荷电电压，该高压衰减碳棒的衰减比例为1 000 ∶ 1，正负极性均可测量。
　　 荷质比测量试验在室内进行，喷雾时采用单个喷头测量方式。试验分为5组，每组重复3次测量，每次测量过程中的喷雾时间设定为1 min。其中，喷雾时间计时方式为秒表计时，当喷雾开始时打开计时开关，当喷雾结束时关闭计时开关。静电发生器的电压变化范围为0～10 kV，电压变化间隔为 2 kV，喷雾高度设置为50 cm。
　　 荷电电压下测量得到雾滴荷质比数据如表2所示，荷质比为喷雾时间为1 min内的荷质比平均值，荷质比偏差为喷雾1 min内荷质比的平均相对偏差。对表2中的数据进行分析得到雾滴荷质比与荷电电压的关系，如图12所示。
　　 由图12中可以看出，通过荷质比测量装置可以测量出雾滴荷质比，表明该多旋翼植保无人机静电喷雾系统能够对雾滴荷电。随着荷电电压逐渐增加，雾滴荷质比逐渐增加。但当荷电电压增加至8 kV 左右时，雾滴荷质比有趋于饱和的趋势。且从表2中可以看出，雾滴荷质比平均相对偏差小于9.0%，表明荷质比测量装置能够稳定地测量雾滴荷质比的大小。
　　4 结束语
　　针对多旋翼植保无人机设计一种静电喷雾系统，包括感应式静电离心喷头、喷雾流量控制模块，并为测量雾滴荷电效果，设计荷质比测量装置。喷雾流量稳定性试验结果表明，该喷雾流量控制算法可稳定控制喷雾流量。荷质比测量试验结果表明感应式静电离心喷头可使雾滴荷电，随着荷电电压增加，雾滴荷质比逐渐增加，当荷电电压为8 kV时，雾滴荷质比为0.59 mC/kg，荷质比测量装置可较为稳定地测量雾滴荷质比。该多旋翼植保无人机静电喷雾系统雾滴沉积效果研究将会在后续工作中开展。
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