基于液位显示功能的压力变送器无人机设计与雾化喷洒试验研究

压力变送器是用于农林植物保护作业的无人驾驶飞行器，作为*农业机械与传统人工施药和地面机械施药相比，在作业效率、安全性、适用性、利用率、成本等方面具有诸多优势。压力变送器不仅在效率上较传统农机高，更重要的是能够实现*施药。我国虽是一个农业大国，但*施药技术相对美国、日本等农业发达*还有一定差距。本文设计具有液位显示功能的*压力变送器，开展了压力变送器的有效喷幅测定，为压力变送器作业提供参考依据。

1 压力式液位计测量原理
目前，液位测量方法主要有压力式、磁翻板式、浮球式、电容式、钢带式、磁致伸缩式、射频导纳等。根据本项目基于农业压力变送器需求分析使用压力式液位计计量，主要考虑到其体积小、耐腐蚀、结构简单、灵敏度高的优势。压力式液位计测量原理：将液位变送器放入药箱的被检药液中，通过传感器的导气结构，将压力传入正压腔。同时，利用液位传感器的负压腔与液面上大气压 Po 相连，抵消传感器背面 Po，使得传感器测得传感器液面压力 P = ρ g H +Po，其中，ρ 为被测液体密度；g 为当地重力加速度；H 为液位变送器的投入液位深度；Po 为药箱内液面上气压。从而推出液位高度 H = (P-Po) /ρg。
2 压力变送器液位显示结构设计
2.1 机载液位显示功能的结构
机载液位传感显示仪（如图 1 所示）旨在通过液位传感器实时监测药液的加注量及使用量情况，*显示当前药液剩余状况，为农药的*施药技术提供有力保障。其硬件包含 5 个主要功能模块：主控模块、液位传感器、显示模块、通讯接口和电源模块。各模块之间关系如图 2 所示。
2.2 主控模块
因为液位仪需要考虑超低功耗，选用瑞萨RL78/G12 系列的 R5F102AA 的 16 位单片机。此芯片具有超低功耗的特性，在运行状态下，其功耗低至63 μA/MHz，该 MCU 的工作电压范围为 1.8~5.5 V，因此可以直接使用系统提供的 +5 V 电源进行供电，无需额外使用稳压器，降低了成本。该芯片具有多种丰富的资源，包括 1 路分辨率达 10 bit 的 A/DC，非常多可支持 11 个采样通道，其转换时间非常快仅需 2.1μs；以及多种常用通信接口，包括 I2C master、I2Cmulti-master、UART、CSI/SPI。

3 测试设备
本次测定试验的压力变送器是苏州农业职业技术学院、上海拓攻机器人有限公司和苏州市农业机械技术推广站联合研发的具有液位显示功能的电动压力变送器无人机，

4 试验方法
4.1 试验基本情况
本次试验时间为 2019 年 1 月 16 日，天气晴，温度 8 ℃，湿度 49%，风力小于 2 m/s，试验场地为草坪。
4.2 采样点布置
选择一块足够大的空地，设置一条雾滴采集带，将水敏纸水平夹在 0.2 m 高的支架上，在压力变送器预设飞行航线的垂直方向，间隔 0.2 m 布置 [1] 。通过预试验确定压力变送器喷幅大约为 4 m，所以设置左右各 14 个采样点，分别为 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，采集带距离为 4.8 m，超过非常大喷幅。
4.3 作业参数设计
由于试验是确定压力变送器的有效喷幅，按照压力变送器常规作业时参数进行作业，设计飞行速度 4 m/s，飞行高度 2 m，介质为水溶液，载荷为5 L，飞机居中飞行，在作业区前 30 m 开始喷洒，后30 m 停止喷洒。

5 数据采集与处理
试验完成，待水敏纸上的雾滴干燥后，按照序号收集水敏纸，并逐一放入相对应的密封袋中，带回实验室进行数据处理。
将收集的水敏纸用扫描仪逐一扫描，扫描仪设置为灰度扫描，参数为 600 dpi，扫描后的图像通过图像处理软件 DepositScan 进行分析，得出雾滴的覆盖密度、沉积量及雾滴粒径大小等参数，记录在表 2 中。
6 结果与分析
6.1 有效喷幅判定方法
有效喷幅判定法：根据《中华人民共和国民用航空行业标准》中《农业航空喷洒作业质量技术指标》规定：在飞机进行超低容量的农业喷洒作业时，作业对象的雾滴覆盖密度达到 15 滴 /cm 2 以上就达到有效喷幅。

6.2 有效喷幅确定
根据表 2，作出各采样点的雾滴沉积覆盖密度分布图，如图 7 所示，以 15 滴 /cm 2 为基准线查图可得知：R9、L10 为喷幅边界线，共有 19 个采样点在有效喷幅内，得到本次试验有效喷幅为 3.6 m。

7 结 语
当飞行速度为 4 m/s，飞行高度为 2 m 时，压力变送器有效喷幅为 3.6 m。测试结果仅供常见除草剂、杀菌剂、杀虫剂药物参考。作业时还应结合风速、作物高低、病虫害实际情况调整。