无人机喷洒农药控制系统设计
陈爱国
（泰州学院，江苏泰州２２５３００）
摘　要：农药喷洒采用无人机技术能减少环境污染、提高喷洒效率。

现对无人机的控制量进行重点设计，使无人机能够精确跟踪无线指令，满足现代农业对农药喷洒的需求。

关键词：多旋翼无人机；农药喷洒；控制系统；设计
０　引言
我国是农业大国，其农药喷洒主要由人工完成，这种方式
已经严重威胁到工作人员的身心健康，且对农药的利用率低。

无人驾驶飞机ＵＡＶ（ＵｎｍａｎｎｅｄＡｅｒｉａｌＶｅｈｉｃｌｅ）是近年来发展比较快、在很多领域都有应用的一种新技术装备，在农业生产中使用多旋翼无人机技术进行农药喷洒作业有独特的优点，比如作业高度低、定点定向喷洒、解放人力、效率高、维修成本低等，特别是旋翼产生的涡流，可以使农药喷雾更好地附着在农作物上，提高农药防治病虫害的效率。

１　总体设计
无人机结构简单
、维修方便，其控制系统一般采用模块化设计，总体结构如图１所示。

图１　系统组成框图
多旋翼无人机的结构比较复杂，它需控制６个自由度，需
要利用精度高的传感器和精确的姿态数据。

与无人机通讯采用无线方式，主要控制旋翼电机，控制电机的信号一般采用ＰＷＭ波形即可，输出给电子调速器。

２　硬件设计
硬件的选择较为关键，在系统设计时需充分考虑微处理器的数据处理精度和浮点运算能力、传感器型号、各类芯片级联电平的匹配等问题。

比如微处理器采用ＳＴＭ３２Ｆ４２７ＶＩＴ６，集成加速度和三轴陀螺仪的ＭＰＵ６０００芯片，电子罗盘采用ＨＭＣ５８４３芯片，气压传感器采用ＭＳ５６１１芯片。

在无线通讯时，直接采用ＰＰＭ（ＰｕｌｓｅＰｏｓｉｔｉｏｎＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式对控制系统进行信号的控制，为了更好地控制无人机姿态，还需采用超声波测距模块，用来锁定无人机的高度。

硬件系统结构设计如图２所示，无人机运行时，旋翼电机产生的电流较大，且无人机姿势不断变化，其控制电流随之变化，会产生电磁干扰，造成通讯控制信号出错，
特别是超声波测距模块与控制芯片不能直接级联，需要进行电平转换，
如图３所示。

图２　硬件系统结构图
图３　电平转换电路
为了防止旋翼电机在姿态变化时，反向电压通过电子调速
器反馈给微处理器，可能造成电压过大烧毁器件，需要加接隔离电路。

同时为了有效控制电机转速，采用高频ＰＷＭ
信号控制电机转速，更需要隔离电路，如图４所示。

图４　隔离电路
３　软件设计
软件程序设计，必须满足无人机喷洒各种控制要求，主要
包含三大部分：第一，需要考虑无人机与遥控器之间的通讯联系，特别是各种姿态控制量发生变化时，无人机能及时响应，若发生通讯异常，一般采用中断程序来判断，执行中断后，无人机能执行既定程序并报警；第二，输入信号捕获，（下转第１１５页）
源故障时，备用电源自动投入。

对具有备自投的变电站，当主供电源出现故障时，一般在２ｓ内立即切换到备用电源，但这仍然会使空调设备瞬间失压，影响到变电站无自启动功能的空调，造成室内温度异常。

３．３　蓄电池排放气体对蓄电池环境的影响
蓄电池在运行过程中，会出现排气现象。

这些气体主要是氢气，还有一些腐蚀性的气体，将直接导致蓄电池本体受到腐蚀。

如果排出的氢气浓度过大，遇到火花还会导致火灾。

这个问题对变电站来讲是致命的风险。

３．４　人为操作对蓄电池空调的影响
人为操作包括空调设备电源检修、站用变压器检修、站用电源定期轮换等，这些工作会使空调设备瞬间失去电源。

此时需要人工开启空调设备，造成工作量的增加。

有些工作人员会忘记开启电源，这也是造成蓄电池环境异常的原因之一。

４　保障变电站蓄电池运行环境质量的措施
第一，针对变电站蓄电池室有制冷和供暖设施的，温度应该保持在２０～２５℃之间，从而保障蓄电池的正常运行。

第二，在蓄电池室安装环境监测控制系统（图２），实现对温度、湿度、氢气的２４ｈ监测、告警。

系统可实现数据收集、统计、分析功能。

第三，实现来电自启动空调功能，同时系统可恢复空调设备原运行状态。

第四，加强对室内蓄电池气体排放的监测。

可通过设计自动排气系统的方式，如安装排气扇等，对蓄电池室进行排气，降低气体浓度。

第五，加强对室内温度的监控，在室内温度过高的情况下，禁止蓄电池以浮充的方式运行，从而防止蓄电池超温。

第六，自动控制空调设备，
能根据环境状态实现温度调节、抽湿、加热的自动切换功能，并可进行远方调节。

图２　蓄电池室环境监测控制系统设计方案
５　结语
本文分析了阀控式密封铅酸蓄电池的原理、
温度对蓄电池质量的影响以及造成蓄电池室环境异常的原因，提出了变电站蓄电池环境维护方案，希望能为变电站蓄电池的维护运行工作提供参考。

［参考文献］
［１］陈蕾．电气设备故障检测诊断方法及实例［Ｍ］．２版．北京：中
国水利水电出版社，２０１２．
［２］广东电网公司东莞供电局．变电站直流系统典型故障分析
［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２０１４． 收稿日期：２０１５‐１１‐０４
作者简介：林立鹏（１９７３—），男，广东南海人，高级技师，高级工程师，从事继电保护安装、调试、运行、维护工作。

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能够完成遥控信号的确认，并交予主程序处理；第三，主程序部
分，启动后初始化各模块，当有控制信号进来后，通过ＰＩＤ算法取得相应的控制量转换脉宽数据，
通过ＤＭＡ将数据输出到寄存器。

其程序流程如图５所示。

图５　程序流程图
４　结语
无人机喷洒农药有一定的优势，在充分考虑各种控制量后，
选用合适的传感器，实现无人机的飞行和喷洒控制，有效地解放了人力，提高了农药喷洒的效率和农药利用率。

［参考文献］
［１］黄水长，栗盼，赵伟雄．农药喷洒多旋翼无人机控制系统研究
［Ｊ］．自动化与仪表，２０１５（５）：９‐１２．
［２］徐兴，徐胜，刘永鑫，等．小型无人机机载农药变量喷洒系统设
计［Ｊ］．广东农业科学，２０１４（９）：２０７‐２１０．
收稿日期：２０１５‐１０‐３０
作者简介：陈爱国（１９７８—），男，江苏姜堰人，助教，研究方向：
电气工程及其自动化。