肖儒亮　何景峰　张广桢

摘 要：本文首先分析了农用无人机（unmanned aerial vehicle，UAV）的发展和优势，在此基础上设计了一种农用无人机喷洒系统。本设计以四旋翼无人机为平台，利用无线传输技术最终实现喷洒系统的液位高度测量、液位临界点报警、水泵自动关闭等功能。

关键词：农用无人机； 喷洒系统；液位高度

中图分类号：S251 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20160332029

1 农用无人机优势

无人机（unmanned aerial vehicle，UAV）是一种机上无人驾驶的航空器，其具有动力装置和导航模块，在一定范围内靠无线电遥控设备或计算机预编程序自主控制飞行[1]。20世纪初，无人机最先出现在美国，并被运用在军事上，经过近百年的发展，无人机技术越来越成熟，并且被广泛运用在各个领域，尤其是农业方面越来越多的出现无人機的踪影。农用无人机按结构可以分为固定翼无人机、多旋翼无人机和无人直升机。按动力分，分为电动、油动混合动力无人机。随着科学技术的发展，劳动成本的提高，无人机越来越多的被用在农药喷洒、灌溉作业、森林灭火、电力寻线、水质监测等农业方面。

我国是一个农业大国，发展安全、节约、高效的精准农业是农业现代化的重要标志，也是我国农业发展的一个目标。无人机在精准农业发展中具有非常重要的应用价值，因此也成为当前我国现代化农业发展中的迫切需求[2]。与固定翼、无人直升机相比，多旋翼农用无人机在喷洒农药，液体肥料等方面有更大优势。其优点主要表现在以下几点：

1.1 高效安全

与纯手工相比，无人机喷洒效率提升近30倍，无人机洒药平均每667m2只需2min，每天可喷洒20hm2，而人工每人每天仅能完成0.67hm2 [3]。人工打药劳动强度大、效率低、天热还容易中毒，无人机作业使人无需与药物直接接触，能够有效解决安全问题。

1.2 雾化效果好

无人机飞行高度低、旋翼向下的巨大旋力推动农药雾流对作物从上到下穿透、漂移少、雾化效果较好。与地面常规大容量喷雾相比，无人机低量喷雾的药剂稀释倍数减少了40倍，也即雾滴中的药剂浓度提高了40倍[4]，药物用量大大减少了，而雾化效果大大提高了。

1.3操作简单灵活

多旋翼的最大特点是，操作简单，易上手。多旋翼无人机的飞机结构非常对称，飞机的重心在机身的几何中心点，再加之，其有智能化飞行系统，所以飞机在空中姿态特别平稳。多旋翼无人机由于能够垂直起降、自由悬停，可适应于各种速度及各种飞行剖面航路的飞行状况[5]，具有很好的灵活性。

2 喷洒系统原理介绍

喷洒系统主要包括液位测量系统与无线电遥控系统。液位检测系统检测机载端液位高度，无线电遥控系统传输实时液位高度数据，在低液位时进行低液位报警，并对水泵开闭进行相关的控制[5]。当飞机在远处进行喷洒作业时，人的肉眼无法看到药箱中药物剩余量以及药物是否喷尽。这时可以在药箱中设置一个电容式液位测量传感器，来实时检测液位高度。被测量通过传感器的检测，把液位高度数据传送给处理器，处理器将机载端的液位数据通过数据发射端传送到地面端数据接收端，数据接收端与地面遥控系统有线连接，地面系统通过无线电波控制执行机构的开闭，从而达到对测量的控制。原理图如图1所示：

3 喷洒系统硬件设计

3.1 喷洒系统液位测量控制

喷洒系统液采用8031处理器进行控制，液位测量采用电容式液位传感器。电容式传感器是将被测非电量的变化转化为电容量变化的一种传感器[6]。主要包含1个测量电路，包括以下几个模块：信号发生模块、接收采样模块、DSP处理模块和时钟模块。测量的原理是：电容敏感元件的两极浸没在被测液体，随着液面高度的变化而变化，从而引起对应电容量的变化，最后将电容量变化转化为对应液位高度即可。

喷头是带有防滴功能的硬管和软管全部兼容的内走水喷头，主体采用高强度尼龙，喷嘴采用铜制成，强度和韧性更好，同时可配备50目或80目高质量不锈钢过滤网，不易堵、雾粒细、雾化均匀，大大提高农药的利用率。

主体组成：该种喷头由喷头体、快接嘴、防隔膜、防滴帽、过滤网、密封垫、快拆帽、喷嘴等组成。更换或清洗喷嘴、过滤网时非常方便，只需将快拆帽拧动1/4圈即可；喷嘴还可以任意调整喷洒角度。主体由高强度尼龙与铜组成，制作精良，经久耐用。

雾化：由于喷嘴由铜制成，不仅经久耐用不变形，而且铜喷嘴的制作工艺比传统塑料喷头可以做的更加精细，所以使得雾化效果更好。

流量：由于快接嘴使用的管径6mm的铜制成，而传统喷头使用的管径10mm尼龙制成。这样的情况下，同样容量的水，使用同样的压力，该喷头的压力更大，流量更小。

3.2 数据传输控制

飞行数据处理采用叠加模块（IOSD），与飞控系统配合使用，对飞行数据进行叠加，也可将喷洒系统的实时数据进行叠加与传送。

数据远程传送模块包括2部分，图传发射极和图传接收极。发射极处于机载端，传送飞行数据及喷洒系统液位高度数据，接收极处于地面端，两者是通过无线电波进行实时数据传送的。

无线遥控模块包括遥控发射极和遥控接收极，通过无线电的来控制电子开关的导通与关断，进而控制水泵的通与断，最终达到控制液位的目的。

4 系统软件设计

喷洒系统主要包括液位测量系统与无线电遥控系统。液位测量系统软件以Arduino为开发环境，以C/C++为基础语言。系统软件总流程图如图3所示，第1条语句if （millis（）-fast_loopTimer >29）中的millis（）函数是在程序开始运行进入系统初始化时开始中断等待，如果等待时间超过30ms时就会执行下面全部程序，不满足条件就会一直等待。初始化完成以后，然后系统会进入系统参数检测的子程序，对数据进行处理、读取。如果系统系统的数据读取不成功或者有误，将会重新返回，进行参数检测，直至数据读取成功为止。读取的数据一方面通过无线电远程传送，在显示器上显示液位高度，另一方面将读取的数据进行参数修改、储存在FLASH中，返回到“中断等待”，准备下一次液位高度的读取。其中，无线遥控系统主要是根据液位测量系统获取的液位高度，对执行机构进行控制，即对水泵的远程控制，达到控制液位高度的目的。

5 结论与展望

实际作业中表明系统喷洒效果好，效率高。中国是一个农业大国，农业机械化生产方式还未普及，再加之劳动力的缺乏，给无人机在农业方面的应用与推广带来了前所未有的机会。多轴无人机因其智能化程度高，飞行稳定、操作简单，在喷洒农药方面，受到人们的广泛喜爱。由于其动力的限制，使用锂电作为动力电池，所以续航时间有限（15～20min）。希望能找到一种混合动力来替代纯电动动力，来突破续航时间的限制。

参考文献

[1] Adem C，Vincent G，Everett A. Unmanned Air-craft System in Romote Sensing and Scientific Research：Classifcation and considerations of Users[J].Romote Sensing ，2012（4）：1671-1692.

[2]檀律科，何志文，薛新宇等.美国农用无人机的发展困境及启示[J] ，浙江农业科学，2014（11）： 1660-1664.

[3]阮晓东.农用无人机现代农业的助航者[J]，新经济导刊， 2015（4）： 66-70.

[4]岳基隆，张庆杰，朱华勇.微小型四旋翼无人机研究进展及关键技术浅析[J].电光与控制，2010（10）：47-51.

[5]高圆圆. 无人直升机（UAV）低空低容量喷洒农药雾滴在禾本科作物冠层的沉积分布及防治效果研究[D]. 东北农业大学， 2013：1-5.

[6]招慧玲，周美娟， 胡远忠.电容式液位传感器的设计[J].传感器技术，2004（3）：40-42.