[发明专利]农业航空自适应离心雾化控制系统及控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种农业航空自适应离心雾化控制系统，该装置用于航空作业离心雾化喷嘴，可根据无人机作业高度，调整离心雾化转盘的转速，使雾滴尺寸的大小随着无人机作业高度的变化而变化，使航空施药作业能兼顾作业效果与环境保护，以达到提高作业效果降低环境污染的目的。

背景技术

农药雾滴飘移是造成环境污染、农药流失、农药有效利用率低的一个重要原因，由于人们对环保的日益关注，控制农药漂移一直是植保机械及施药技术领域的研究重点。农业航空作业时往往使用高浓度药液，在这些药液雾化并由空中向地面运动的过程中，小尺寸的雾滴会在空中挥发或跟随气流和空气的运动飘离靶标区域，影响周边水源、土壤与其他农作物生长，亦会造成靶标区域上空有毒空气蔓延。另一方面，大尺寸的雾滴在作物上的附着率较低，分布不均匀，影响施药效果。因此雾滴尺寸的大小，对航空施药的效果起着决定性的作用。

研究表明，为保证施药效果和减少飘移，不同高度的航空施药作业，需要不同尺寸大小的雾滴群，雾滴群的平均尺寸应随着作业高度的增高而增大，但由于航空施药过程中，无人机受气流波动与操控手人为操纵的影响，无法保证其全过程中作业高度的一致性，往往上下波动幅度超过1.5m甚至达到3m，因此，单一雾滴尺寸型号的喷嘴，无法保证作业效果与环保效果兼顾。

发明内容

为实现航空施药雾滴尺寸的大小随着无人机作业高度的变化而变化，使用电机、喷嘴、离心雾化转盘，并设计以单片机和外围电路构成的嵌入式控制系统，根据无人机当前的飞行高度调整雾化转盘的转速，达到改变雾滴尺寸的目的。

原理：

在喷头结构及喷头流量、压力一定条件下，雾滴尺寸与离心雾化转盘转速相关，通过线性拟合，采用5阶线性算法，获得离心雾化转盘转速与雾滴尺寸之间关系式，如下：

f(x)＝-2.194E^-15x⁵+5.981E^-11x⁴-6.344E^-7x³+0.003268x²-8.224x+8509

其中f(x)为雾滴尺寸，x为离心雾化转盘转速。

根据飞行高度，查表获得雾滴尺寸期望值，通过上述雾滴尺寸与离心雾化转盘转速关系式，计算离心雾化转盘转速，单片机采用外部中断与定时中断累加算法求取当前离心雾化转盘转速的反馈值，采用增量式PID控制算法实现雾滴尺寸可控的目的。

硬件：

将无人机上原有GPS高度测量信号引入控制系统，实时读取当前无人机的飞行高度。控制系统通过改变电机输入电压，调整离心雾化转盘转速，使雾滴尺寸大小可控。不同高度下航空施药雾滴尺寸大小，依据航空施药技术规范与航空安全施药标准的内容，与航空施药模型仿真计算获取，离心雾化转盘转速与雾滴尺寸大小之间的关系通过实验获取。此外，施药器核心电子部件有防水防震设计，能够抵挡药液飘入，不会因为潮湿和震动影响施药的连续性。

软件：

考虑到无人机的飞行高度和施药雾滴尺寸相匹配特性，在软件设计方面采用控制系统与无人机同步响应的自适应控制策略，以单片机为主体，接近开关和高度计为反馈，管脚中断为触发信号，定时器作为时间计量工具，通过控制调节直流电机的电压，达到雾化转盘转速调节的目的。

附图说明

图1为具体实施例中系统电路图；

图2为具体实施例中整体结构示意图；

图3为具体实施例中离心雾化转盘转速与其对应雾滴尺寸线性拟合图；

图4为具体实施例中主控制程序流程图；

图5为具体实施例中离心雾化转盘测速子程序流程图；

图6为具体实施例中增量式PID计算子程序。

图中：1-控制器、2-直流电机、3-接近开关、4-离心雾化转盘、5-喷头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

一种农业航空自适应离心雾化控制系统，包括直流电机2、离心雾化转盘4，电机转轴与离心雾化转盘4连接，接近开关3包括安装在电机转轴上的条形金属和位于电机机壳上的开关触头，当电机运转时，条形金属也跟随电机主轴转动，每转过接近开关3一次，接近开关3的输出信号会经历一个从低到高再从高到低的跳变过程，单片机利用外部中断功能读取接近开关的信号，记录单位时间内条形金属转过开关触头的次数，从而计算当前离心雾化转盘4的转速。