基于液位顯示功能的壓力變送器無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)與霧化噴灑試驗(yàn)研究

壓力變送器是用于農(nóng)林植物保護(hù)作業(yè)的無(wú)人駕駛飛行器，作為*農(nóng)業(yè)機(jī)械與傳統(tǒng)人工施藥和地面機(jī)械施藥相比，在作業(yè)效率、安全性、適用性、利用率、成本等方面具有諸多優(yōu)勢(shì)。壓力變送器不僅在效率上較傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)高，更重要的是能夠?qū)崿F(xiàn)*施藥。我國(guó)雖是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，但*施藥技術(shù)相對(duì)美國(guó)、日本等農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)*還有一定差距。本文設(shè)計(jì)具有液位顯示功能的*壓力變送器，開(kāi)展了壓力變送器的有效噴幅測(cè)定，為壓力變送器作業(yè)提供參考依據(jù)。

1 壓力式液位計(jì)測(cè)量原理
目前，液位測(cè)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(dǎo)納等。根據(jù)本項(xiàng)目基于農(nóng)業(yè)壓力變送器需求分析使用壓力式液位計(jì)計(jì)量，主要考慮到其體積小、耐腐蝕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高的優(yōu)勢(shì)。壓力式液位計(jì)測(cè)量原理：將液位變送器放入藥箱的被檢藥液中，通過(guò)傳感器的導(dǎo)氣結(jié)構(gòu)，將壓力傳入正壓腔。同時(shí)，利用液位傳感器的負(fù)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(cè)得傳感器液面壓力 P = ρ g H +Po，其中，ρ 為被測(cè)液體密度；g 為當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋籋 為液位變送器的投入液位深度；Po 為藥箱內(nèi)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 機(jī)載液位顯示功能的結(jié)構(gòu)
機(jī)載液位傳感顯示儀（如圖 1 所示）旨在通過(guò)液位傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)藥液的加注量及使用量情況，*顯示當(dāng)前藥液剩余狀況，為農(nóng)藥的*施藥技術(shù)提供有力保障。其硬件包含 5 個(gè)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(guān)系如圖 2 所示。
2.2 主控模塊
因?yàn)橐何粌x需要考慮超低功耗，選用瑞薩RL78/G12 系列的 R5F102AA 的 16 位單片機(jī)。此芯片具有超低功耗的特性，在運(yùn)行狀態(tài)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(tǒng)提供的 +5 V 電源進(jìn)行供電，無(wú)需額外使用穩(wěn)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(dá) 10 bit 的 A/DC，非常多可支持 11 個(gè)采樣通道，其轉(zhuǎn)換時(shí)間非?？靸H需 2.1μs；以及多種常用通信接口，包括 I2C master、I2Cmulti-master、UART、CSI/SPI。

3 測(cè)試設(shè)備
本次測(cè)定試驗(yàn)的壓力變送器是蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院、上海拓攻機(jī)器人有限公司和蘇州市農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)推廣站聯(lián)合研發(fā)的具有液位顯示功能的電動(dòng)壓力變送器無(wú)人機(jī)，

4 試驗(yàn)方法
4.1 試驗(yàn)基本情況
本次試驗(yàn)時(shí)間為 2019 年 1 月 16 日，天氣晴，溫度 8 ℃，濕度 49%，風(fēng)力小于 2 m/s，試驗(yàn)場(chǎng)地為草坪。
4.2 采樣點(diǎn)布置
選擇一塊足夠大的空地，設(shè)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(yù)設(shè)飛行航線的垂直方向，間隔 0.2 m 布置 [1] 。通過(guò)預(yù)試驗(yàn)確定壓力變送器噴幅大約為 4 m，所以設(shè)置左右各 14 個(gè)采樣點(diǎn)，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(guò)非常大噴幅。
4.3 作業(yè)參數(shù)設(shè)計(jì)
由于試驗(yàn)是確定壓力變送器的有效噴幅，按照壓力變送器常規(guī)作業(yè)時(shí)參數(shù)進(jìn)行作業(yè)，設(shè)計(jì)飛行速度 4 m/s，飛行高度 2 m，介質(zhì)為水溶液，載荷為5 L，飛機(jī)居中飛行，在作業(yè)區(qū)前 30 m 開(kāi)始噴灑，后30 m 停止噴灑。

5 數(shù)據(jù)采集與處理
試驗(yàn)完成，待水敏紙上的霧滴干燥后，按照序號(hào)收集水敏紙，并逐一放入相對(duì)應(yīng)的密封袋中，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
將收集的水敏紙用掃描儀逐一掃描，掃描儀設(shè)置為灰度掃描，參數(shù)為 600 dpi，掃描后的圖像通過(guò)圖像處理軟件 DepositScan 進(jìn)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(shù)，記錄在表 2 中。
6 結(jié)果與分析
6.1 有效噴幅判定方法
有效噴幅判定法：根據(jù)《中華人民共和國(guó)民用航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》中《農(nóng)業(yè)航空噴灑作業(yè)質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)》規(guī)定：在飛機(jī)進(jìn)行超低容量的農(nóng)業(yè)噴灑作業(yè)時(shí)，作業(yè)對(duì)象的霧滴覆蓋密度達(dá)到 15 滴 /cm 2 以上就達(dá)到有效噴幅。

6.2 有效噴幅確定
根據(jù)表 2，作出各采樣點(diǎn)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(zhǔn)線查圖可得知：R9、L10 為噴幅邊界線，共有 19 個(gè)采樣點(diǎn)在有效噴幅內(nèi)，得到本次試驗(yàn)有效噴幅為 3.6 m。

7 結(jié) 語(yǔ)
當(dāng)飛行速度為 4 m/s，飛行高度為 2 m 時(shí)，壓力變送器有效噴幅為 3.6 m。測(cè)試結(jié)果僅供常見(jiàn)除草劑、殺菌劑、殺蟲(chóng)劑藥物參考。作業(yè)時(shí)還應(yīng)結(jié)合風(fēng)速、作物高低、病蟲(chóng)害實(shí)際情況調(diào)整。