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

壓力變送器是用于農林植物保護作業(yè)的無人駕駛飛行器，作為*農業(yè)機械與傳統人工施藥和地面機械施藥相比，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。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*施藥。我國雖是一個農業(yè)大國，但*施藥技術相對美國、日本等農業(yè)發(fā)達*還有一定差距。本文設計具有液位顯示功能的*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(yè)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(yè)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(yōu)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(jiān)測藥液的加注量及使用量情況，*顯示當前藥液剩余狀況，為農藥的*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(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提供的 +5 V 電源進行供電，無需額外使用穩(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 10 bit 的 A/DC，非常多可支持 11 個采樣通道，其轉換時間非常快僅需 2.1μs；以及多種常用通信接口，包括 I2C master、I2Cmulti-master、UART、CSI/SPI。

3 測試設備
本次測定試驗的壓力變送器是蘇州農業(yè)職業(yè)技術學院、上海拓攻機器人有限公司和蘇州市農業(yè)機械技術推廣站聯合研發(fā)的具有液位顯示功能的電動壓力變送器無人機，

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，超過非常大噴幅。
4.3 作業(yè)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(guī)作業(yè)時參數進行作業(yè)，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(yè)區(qū)前 30 m 開始噴灑，后30 m 停止噴灑。

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(yè)標準》中《農業(yè)航空噴灑作業(yè)質量技術指標》規(guī)定：在飛機進行超低容量的農業(yè)噴灑作業(yè)時，作業(yè)對象的霧滴覆蓋密度達到 15 滴 /cm 2 以上就達到有效噴幅。

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。

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(yè)時還應結合風速、作物高低、病蟲害實際情況調整。