基于风场实时估算的无人直升机施药雾滴沉积区域精准控制模型研究

The accuracy of pesticide spraying depends on the effective deposition of liquid on crops (target). Due to the large spatial distance between the nozzle and the target during the unmanned helicopter spraying, the droplets deposition were influenced by the interaction effect of the rotor downwash wind field, wind environment and crop canopy, which own great uncertainty and cannot be controlled accurately. This problem not only serious affects the quality and efficiency of pesticide use, but also leads to environmental pollution, endangers food quality and human health. This study employs the theory of fluid dynamics and the adaptive control method, mainly focuses on dynamics process of wind field when unmanned helicopter spraying near the ground, and proposes the wind reconstruction method and estimation models. Analyzing aerodynamic process of droplets in multiphase wind flow field, establishes droplets force model and the equation of motion path in the wind field. Studying the adaptive control methods and theoretical models of unmanned helicopter precision spraying, builds unmanned helicopter precision spraying control methods and models. This study is important to improve the efficiency of pesticide spraying operations, optimizes the quality of unmanned helicopter spraying process in practice, and owns scientific significance for enriching unmanned helicopter precision spraying control theory.

农药喷施精准与否取决于药液在农作物(靶标)上的有效沉积。无人直升机施药过程中，喷头与靶标的空间距离较大，雾滴沉积受旋翼下洗风场、环境风、作物冠层等多因素交互影响，具有非常大的不确定性，难以对雾滴沉积实现精准控制。这不但严重影响喷施作业质量和农药利用效率，而且极易导致农药环境污染，危及食品质量和人身健康。本项目综合利用流体动力学理论和自适应控制方法，重点研究分析无人直升机近地施药时的风场动力学过程，提出无人直升机近地施药作业时的风场重构方法和估算模型；研究分析雾滴在多相流风场中的气动力学过程，建立雾滴在风场中的受力模型和运动路径方程；研究分析无人直升机施药中雾滴沉积区域的系统建模方法、多变量解耦控制方法及控制器实现方法，提出和建立雾滴沉积区域的精准控制方法和控制模型。该研究对提高农药的利用效率、优化无人直升机施药作业质量具有重要现实意义，对丰富无人直升机精准施药控制理论具有重要科学意义。

农药喷施精准与否取决于药液在农作物(靶标)上的有效沉积。无人直升机施药过程中，喷头与靶标的空间距离较大，雾滴沉积受旋翼下洗风场、环境风、作物冠层等多因素交互影响，具有非常大的不确定性，难以对雾滴沉积实现精准控制。这不但严重影响喷施作业质量和农药利用效率，而且极易导致农药环境污染，危及食品质量和人身健康。基于研究任务，以农用无人直升机精准施药为应用背景，围绕无人直升机施药雾滴沉积区域精准控制模型问题，从研究实验平台设计与构建、基于缩比模型的无人直升机下洗风场特征分析、无人直升机作业风场及药液飘移沉积特性计算建模分析、无人直升机作业风场及药液飘移沉积特性田间实验建模分析、无人机施药喷雾药液沉积特性分析实验与精准控制建模、刚体作物冠层对旋翼下洗风场及雾滴运动过程的影响分析等6个方面开展了研究工作。建成1套悬停式/巡航式直升机喷雾测量与分析实验平台，可开展植保无人直升机在悬停和巡航两种状态下的喷雾粒径、喷雾沉积分布、喷雾量、地面沉积量、雾滴空中运行速度、喷头喷雾角等指标的测量分析；针对AF25B型无人直升机10:1缩比模型开展了其下洗气流模型台架实验，获得了高时空精度的速度场分布结果，空间分辨率达到0.067倍旋翼半径、时间分辨率达1毫秒；建立了AF25B型植保无人直升机在悬停及巡航状态下的风场展向剖面的速度空间分布计算模型、喷雾雾滴地面沉积分布规律计算模型，悬停和巡航田间作业过程作业风场模型及其喷雾雾滴沉积飘移模型，并将典型作业环境模型集进行了软件化封装；明晰了PWM变量施药控制中占空比对喷雾雾化影响的规律和对地面沉积分布的影响，并在此基础上进一步构建低响应时间的变量施药控制模型、研发设计原型机系统，并开展田间实验验证。基于研究过程，在国内外核心期刊发表相关学术论文13篇，其中SCI论文 2篇，EI 论文4篇；申报相关内容国家发明专利12项；形成国家软件著作权登记5项；培养博士研究生1人，硕士研究生3人。