基于PWM的无人机精准变量喷洒系统方案设计

1、研究的意义

传统的变量农药喷洒采用压力控制流量的方式，因此流量的改变就需要一定范围内的来改变压力，而压力的改变必然会导致喷雾颗粒大小的变化，从而造成喷药的不稳定。为此采用变量农药喷洒的方法实现农药的喷药，因为它是在压力恒定的情况下实现的，实现了在保证喷雾颗粒大小不变的情况通过改变的值来更大范围的调节流量变化的目的。

2、PWM调制原理

PWM调制是通过脉冲宽度调制方式将直流电源变成PWM波。PWM波是在一定频率下的由一连串连续的具有不同占空比的矩形波组成，它广泛地应用于测量、通信、与变频等许多领域。图1所示为生成原理和波形图，该系统由一个锯齿波发生器和一个比较器组成。信号如果小于输出高电平，否则输出低电平。因此，从图1中可以看出，比较器输出一串波。

图1　调制过程

因此，可以通过对输出的方波进行信号放大来驱动电磁阀喷头。在压力、频率一定的情况下来改变电磁阀的开断时间，从而来改变喷头的流量。

3、无人机农药喷洒系统总体结构设计

无人机机农药喷洒系统总体结构包含电动离心喷头、折叠式喷杆、药液箱、施药控制系统、液泵、机架等［3］。农药喷洒系统整体以四点的方式与无人直升机下方的连接点利用螺栓固定连接。施药控制系统与机架固连，位于药箱侧面，其信号输入端与控制主机的辅控制输出端相接。

4、均匀喷洒控制系统方案设计

4.1、均匀喷洒中央处理模块（MCU）设计

本设计采用ST公司的STM32F407VGT6作为主控芯片、STM32F103CBT6作为备用应急芯片。在飞行过程中，遥控信息的捕获、传感器数据的采集与滤波、实时姿态解算、电机控制等这些任务和计算都需要MCU处理，所以MCU需要非常强大的处理能力。另外，飞控程序本身的多任务特性，要求MCU有足够的Flash、RAM以及最小的中断时间。传统的8位、16位MCU很难达到要求。

与其他型号MCU对比有如下优势：第一，相对较高的运行频率、额外的DSP指令集、FPU浮点运算单元和CCM内存等可以提供足够的计算能力；第二，丰富的外设使得飞控PCB设计变得简单，减少外部IC的数量，并能一定程度上减轻MCU的处理压力；第三，Cortex-M内核特有的中断处理，相比于其他内核而言有更快的响应速度和更丰富的优先级配置，能更快地完成切换。

4.2、电源模块设计

本系统采用三端固定输出电压式稳压电源7805，它可以输出的5V直流电压。为了提高输出的电流，可以通过使用一个附加的功率三极管来实现，它具有的集电极电流，当电流输出小于时，稳压器工作，晶体管不工作；一旦超过这个值，晶体管工作，然后将集电极的电流传入负载。该电源电路能够输送超过的负载电流。

4.3、继电器模块设计

本模块的继电器选用12V继电器模块，模块尺寸为53mm×18mm×18.5mm；控制区域与负载区域有隔离槽；模块带光耦隔离，触发现可靠，更稳定；采用双面FR-4线路板设计，高端贴片工艺生产；采用松乐-继电器控制；具有电源和继电器动作指示，吸合亮，断开不亮；信号输入端有低电平信号时，公共端与常开端会导通；继电器可以直接控制各种设备和负载；有1个常开和1个常闭触点；蓝色KF301端子接控制线更方便。