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    基于液位顯示功能的壓力變送器無人機設計與霧化噴灑試驗研究

    作時間:2019-09-18  來源:  作者:
       
    摘 要:壓力變送器作為新型農業機械在作業效率、安全性、適用性、利用率、成本等方面與傳統人工施藥和地面機械施藥相比具有諸多優勢,而壓力變送器有效噴幅的確定是精準作業的前提。以自行設計的具有液位顯示功能的電動壓力變送器無人機開展霧化噴灑試驗研究,通過霧滴處理軟件DepositScan 對水敏紙上的霧滴進行分析,結合有效噴幅判定方法,得出電動壓力變送器無人機的有效噴幅,為實施植保作業提供參考。
    0 引 言
    壓力變送器是用于農林植物保護作業的無人駕駛飛行器,作為新型農業機械與傳統人工施藥和地面機械施藥相比,在作業效率、安全性、適用性、利用率、成本等方面具有諸多優勢。壓力變送器不僅在效率上較傳統農機高,更重要的是能夠實現精準施藥。我國雖是一個農業大國,但精準施藥技術相對美國、日本等農業發達guojia還有一定差距。本文設計具有液位顯示功能的新型壓力變送器,開展了壓力變送器的有效噴幅測定,為壓力變送器作業提供參考依據。
    1 壓力式液位計測量原理
    目前,液位測量方法主要有壓力式、磁翻板式、浮球式、電容式、鋼帶式、磁致伸縮式、射頻導納等。根據本項目基于農業壓力變送器需求分析使用壓力式液位計計量,主要考慮到其體積小、耐腐蝕、結構簡單、靈敏度高的優勢。壓力式液位計測量原理:將液位變送器放入藥箱的被檢藥液中,通過傳感器的導氣結構,將壓力傳入正壓腔。同時,利用液位傳感器的負壓腔與液面上大氣壓 Po 相連,抵消傳感器背面 Po,使得傳感器測得傳感器液面壓力 P = ρ g H +Po,其中,ρ 為被測液體密度;g 為當地重力加速度;H 為液位變送器的投入液位深度;Po 為藥箱內液面上氣壓。從而推出液位高度 H = (P-Po) /ρg。
    2 壓力變送器液位顯示結構設計
    2.1 機載液位顯示功能的結構
    機載液位傳感顯示儀(如圖 1 所示)旨在通過液位傳感器實時監測藥液的加注量及使用量情況,精準顯示當前藥液剩余狀況,為農藥的精準施藥技術提供有力保障。其硬件包含 5 個主要功能模塊:主控模塊、液位傳感器、顯示模塊、通訊接口和電源模塊。各模塊之間關系如圖 2 所示。
    2.2 主控模塊
    因為液位儀需要考慮超低功耗,選用瑞薩RL78/G12 系列的 R5F102AA 的 16 位單片機。此芯片具有超低功耗的特性,在運行狀態下,其功耗低至63 μA/MHz,該 MCU 的工作電壓范圍為 1.8~5.5 V,因此可以直接使用系統提供的 +5 V 電源進行供電,wuxu額外使用穩壓器,降低了成本。該芯片具有多種豐富的資源,包括 1 路分辨率達 10 bit 的 A/DC,#多可支持 11 個采樣通道,其轉換時間#快僅需 2.1μs;以及多種常用通信接口,包括 I2C master、I2Cmulti-master、UART、CSI/SPI。原理圖如圖 3 所示。
    2.3 顯示模塊
    使用 OLED 顯示模塊,主控芯片與 OLED 通過20190918095521.jpg20190918095529.jpg20190918095538.jpgI2C 通訊。該 OLED 模塊具有低電壓、低功耗,與同尺寸 LCD 相比,能節省 40%的能耗,同時具有高亮度、寬視角,如圖 4 所示。
    20190918095549.jpg
    3 測試設備
    本次測定試驗的壓力變送器是蘇州農業職業技術學院、上海拓攻機器人有限公司和蘇州市農業機械技術推廣站聯合研發的具有液位顯示功能的電動壓力變送器無人機,無人機噴霧系統參數如表 1 所示。
    20190918095602.jpg
    4 試驗方法
    4.1 試驗基本情況
    本次試驗時間為 2019 年 1 月 16 日,天氣晴,溫度 8 ℃,濕度 49%,風力小于 2 m/s,試驗場地為草坪。
    4.2 采樣點布置
    選擇一塊足夠大的空地,設置一條霧滴采集帶,將水敏紙水平夾在 0.2 m 高的支架上,在壓力變送器預設飛行航線的垂直方向,間隔 0.2 m 布置 [1] 。通過預試驗確定壓力變送器噴幅大約為 4 m,所以設置左右各 14 個采樣點,分別為 L14、L13、L12、L11、L10、L9、L8、L7、L6、L5、L4、L3、L2、L1、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14,采集帶距離為 4.8 m,超過#大噴幅。
    4.3 作業參數設計
    由于試驗是確定壓力變送器的有效噴幅,按照壓力變送器常規作業時參數進行作業,設計飛行速度 4 m/s,飛行高度 2 m,介質為水溶液,載荷為5 L,飛機居中飛行,在作業區前 30 m 開始噴灑,后30 m 停止噴灑,如圖 5 所示。
    20190918095616.jpg
    5 數據采集與處理
    試驗完成,待水敏紙上的霧滴干燥后,按照序號收集水敏紙,并逐一放入相對應的密封袋中,帶回實驗室進行數據處理。
    將收集的水敏紙用掃描儀逐一掃描,掃描儀設置為灰度掃描,參數為 600 dpi,掃描后的圖像通過圖像處理軟件 DepositScan 進行分析,得出霧滴的覆蓋密度、沉積量及霧滴粒徑大小等參數,記錄在表 2 中。
    6 結果與分析
    6.1 有效噴幅判定方法
    有效噴幅判定法:根據《中華人民共和國民用航空行業標準》中《農業航空噴灑作業質量技術指標》規定:在飛機進行超低容量的農業噴灑作業時,作業對象的霧滴覆蓋密度達到 15 滴 /cm 2 以上就達到有效噴幅 [2] 。如圖 6 所示,單位面積霧滴數分布圖中為20190918095629.jpg15 滴 /cm 2 的位置,作為有效噴幅的兩個邊界。
    20190918095639.jpg
    6.2 有效噴幅確定
    根據表 2,作出各采樣點的霧滴沉積覆蓋密度分布圖,如圖 7 所示,以 15 滴 /cm 2 為基準線查圖可得知:R9、L10 為噴幅邊界線,共有 19 個采樣點在有效噴幅內,得到本次試驗有效噴幅為 3.6 m。
    20190918095650.jpg
    7 結 語
    當飛行速度為 4 m/s,飛行高度為 2 m 時,壓力變送器有效噴幅為 3.6 m。測試結果僅供常見除草劑、殺菌劑、殺蟲劑藥物參考。作業時還應結合風速、作物高低、病蟲害實際情況調整。
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