植保无人机定量施药控制系统设计

发布时间：2020-05-22 09:09

【摘要】：在我国,使用农药防治病虫草害是农业生产中的主要环节。由于我国植保机械发展相对落后、施药方式不科学、田块类型复杂等因素,造成农药的利用率低、农药残留量大,环境污染严重等诸多问题。近年来,随着精准农业的快速发展,变量施药技术被越来越多的应用到农业生产中。航空植保具有作业效率高、不受地理因素制约、施药机具对农作物的破坏小等优点。近年来,虽然航空植保发展迅速,但针对航空植保的变量施药研究仍然很少。本文在对国内外变量施药技术研究的情况进行分析和总结,提出采用改变PWM占空比来改变植保无人机隔膜泵电机导通和关断时间来调节隔膜泵电机两端平均电压,从而实现在施药过程中对流量的控制。本文采用试验与理论仿真相结合研究方法,其主要工作如下:(1)论文首先根据植保无人机实际施药的控制要求,结合植保无人机施药特点,在理论上设计了控制系统的结构框图,确定相应的控制芯片、硬件电路、以及软件编程,完成植保无人机定量施药控制系统的设计方案。(2)基于DSP控制技术,采用TSM320F28335控制芯片,介绍了该芯片的特点,根据该芯片的结构,设计了定量施药控制系统的硬件电路图,包括电源电路,信号采集电路,控制PWM占空比输出电路,完成了控制系统硬件电路设计。(3)根据控制芯片选择了CCS编程软件,介绍了CCS软件编程特点,根据定量施药控制系统的输入输出要求,通过软件编程实现了控制系统输入信号的采集,PWM方波信号的输出,根据实际植保无人机施药特点与定量施药要求,编写了定量施药控制系统所需程序。(4)由于通过PWM占空比技术控制隔膜泵电源电压来控制隔膜泵出水流量,为了能精确的控制喷雾流量,需要建立泵电压与泵流量的函数模型,设计并建立了喷雾流量测试实验台。测量不同泵电压下相对应的喷雾流量,记录泵电压与泵流量试验数据,对试验数据进行了多项式拟合,得到了泵电压与泵流量函数模型。(5)根据植保无人机施药特点,建立植保无人机实际施药过程施药速度Simulink仿真模型,通过农业施药作业过程理论分析可知:在每亩施药量给定情况下,施药速度与施药流量存在函数关系,建立理论施药速度与施药流量函数模型。(6)为了确定控制系统的可靠性与稳定性,建立了定量施药控制系统施药过程的仿真试验,将采集的植保无人机实际施药作业速度信号作为整个控制系统的输入,施药流量作为控制系统分反馈,建立闭环控制系统仿真试验,通过仿真试验,得到定量施药控制系统最佳参数。
【图文】：

拟合曲线,占空比,拟合曲线,施药

图 1- 1 占空比与喷药量拟合曲线Figure 1- 1 Dose ratio and spray volume curve015 年，孙永佳等人基于 TMS320F28335 控制芯片，设计了可以手动输药量，根据施药机具作业速度自动控制调节阀门的开度，通过实际的喷验表明，实际的施药流量与理论流量值的误差范围在 3%以内。2008 年基于 PWM 技术对连续式变量喷雾进行了研究，研究结果表明，当施药，施药量的控制对施药量的分布影响明显增加，喷雾角度减小。2015 年人建立了无人机 PWM 变量施药系统并对 PWM 变量施药系统进行了喷径试验，结果表明，施药作业风速小于 3m/s 时，雾滴粒径沉积不明显雾滴粒径发生漂移。外的变量施药控制系统研究相对成熟，研究人员也有很多，例如，Lam Bakker T 等，变量施药主要是对变量施药输入信号的采集，目前，对虫草害信息采集的方式有：超声波传感器与多光谱仪采集，Norremark RTKGPS 技术设计了变量施药系统对杂草施药，研究表明，该系统精度高误差较小。Carrara 等设计了基于处方图变量施药系统，通过对杂草变

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设有流量传感器，将流量传感器作为系统的反馈，连接控制系统的外围电路，进行控制系统的软件编程及调试，确保对速度信号和流量信号的采集。4、组建试验平台，测量隔膜泵的电压与流量关系，记录并得到相应的实验数据，对实验数据进行拟合，得到隔膜泵流量与电压的数学模型，根据数学模型编写程序，实现对流量的精准控制。对控制系统进行仿真试验，通过试验与仿真试验得到控制系统的最佳参数。1.5 研究技术路线论文采用试验与仿真相结合的研究方法，根据论文的研究内容，制定了研究的技术路线图。如图 1-2，通过理论分析与国内外研究现状分析，，结合实际需求和研究条件制定了总的设计方案。总设计方案包括控制系统试验和仿真，试验数据结合仿真结果确定最佳控制系统参数。
【学位授予单位】：安徽农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S252.3

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