CN103587688B - 一种用于多旋翼无人施药机的喷头增稳方法 - Google Patents

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本发明公开了一种用于多旋翼无人施药机的喷头增稳装置及方法，该装置包括喷头、喷头支架、微控制器、惯性测量单元、喷头支架旋转驱动装置，喷头和惯性测量单元均固定在喷头支架上，微控制器与惯性测量单元电连接，微控制器还与用于驱动喷头支架旋转的喷头支架旋转驱动装置连接。所述喷头支架旋转装置包括结构支架、横滚轴舵机、俯仰轴舵机。所述方法是：获取当前喷头的瞬时加速度、角速度，经过滤波与姿态解算后得到喷头当前的运动姿态，然后根据其姿态调整喷头指向。本发明可以实现根据运行姿态完成喷头方向的调整，最大限度减少多旋翼飞行器飞行姿态对喷头指向的影响，使喷头指向稳定。

Description

一种用于多旋翼无人施药机的喷头增稳方法
技术领域
本发明涉及农业无人机研究领域，特别涉及一种用于多旋翼无人施药机的喷头增稳装置及方法。
背景技术
多旋翼轻小型无人飞行器具有体积小巧、姿态响应迅速的特点，便于在地形复杂的果园中快速部署使用。在实际农业应用领域，由无人机搭载喷雾装置对农作物进行定点、定量施药能够极大的提高农药利用率。
目前，较可靠的多旋翼机载喷雾装置由药箱、输液管、直流电机、电磁流量泵、离心齿盘和单向阀等结构组成，该装置用电磁流量泵吸取药液至直流电机驱动的离心齿盘。液滴被高速旋转的离心齿盘雾化喷出。这类装置具有如下的缺点：由于多旋翼飞行器飞行过程中需要不断改变姿态以抵消气流对航向与位置准确性的影响，而喷头直接固定在施药机机架上，因此无法灵活控制喷头指向。即，固定喷头的喷雾装置在多旋翼飞行器中容易受飞行姿态影响，导致喷头指向不稳定。因此需要寻找一种能够实时根据飞行器飞行姿态自动稳定喷头指向的增稳喷雾方法与装置。
惯性传感器是检测和测量加速度、倾斜、冲击、振动、旋转和多自由度运动的传感器。惯性传感器是解决导航、定向和运动载体控制的重要部件，其在航天飞机、汽车、机器人等领域都有广阔的应用前景。微控制器读取惯性传感器测量出的加速度、角速度等参量，经过姿态解算可获得载体当前的运动状态与姿态参数。
因此，如何在惯性传感器基础上，设计出一种成本较低，可靠性较高的用于多旋翼无人施药机的喷头增稳装置及方法具有极高的理论和实际意义。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种用于多旋翼无人施药机的喷头增稳装置，该装置利用惯性传感器、舵机、喷头支架、微控制器组成控制系统对喷头进行控制，具有结构简单、成本低廉、重量轻的特点。
本发明的另一个目的在于提供一种基于上述装置的用于多旋翼无人施药机的喷头增稳方法。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种用于多旋翼无人施药机的喷头增稳装置，包括喷头、喷头支架、微控制器、惯性测量单元、喷头支架旋转驱动装置，喷头和惯性测量单元均固定在喷头支架上，微控制器与惯性测量单元电连接，微控制器还与用于驱动喷头支架旋转的喷头支架旋转驱动装置连接。
优选的，所述喷头支架旋转装置包括结构支架、横滚轴舵机、俯仰轴舵机，横滚轴舵机的转轴与结构支架连接，结构支架与喷头支架连接，横滚轴舵机的转轴旋转时带动喷头支架发生绕横轴方向的旋转；俯仰轴舵机的转轴与喷头支架连接，俯仰轴舵机的转轴旋转时带动喷头支架发生绕纵轴方向的旋转。
更进一步的，所述横滚轴舵机、俯仰轴舵机的转轴分别平行于多旋翼施药机的横滚轴与俯仰轴。从而便于后续信号的计算和方向角度的调整。
具体的，所述惯性测量单元为捷联惯性测量单元，包括三轴陀螺仪、三轴加速度计，均分别与微控制器相连。
更进一步的，所述惯性测量单元中还包括三轴地磁传感器，该传感器也与微控制器相连。从而可以进一步提高测量准确度。
具体的，所述喷头增稳装置还包括供电单元，该单元包括TPS5430、大功率整流桥与LM1117-3.3V芯片，其中TPS5430工作在反向Buck-Boost状态，输入电压在24V以上，输出电流大于3A，稳压5V，用于直接驱动横滚轴舵机和俯仰轴舵机；LM1117-3.3V芯片用于为微控制器供电。
具体的，所述微控制器单元采用STM32F4xxx系列单片机。
一种用于多旋翼无人施药机的喷头增稳方法，该方法是：获取当前喷头的瞬时加速度、角速度，经过滤波与姿态解算后得到喷头当前的运动姿态，然后根据其姿态调整喷头指向。从而可以实现根据运行姿态完成喷头方向的调整，最大限度减少多旋翼飞行器飞行姿态对喷头指向的影响，使喷头指向稳定。
具体的，包括以下步骤：
（1）多旋翼飞行器起飞前，调整喷头朝向；校准惯性测量单元，消除初始零偏，并记录下喷头相对于地面坐标系的原始指向向量；
（2）多旋翼飞行器起飞后，定时读取惯性测量单元输出的瞬时加速度与角速度值；
（3）对瞬时加速度与角速度值进行数字滤波，计算出喷头相对地面坐标系的当前指向向量；
（4）对步骤（1）所得的原始指向向量和步骤（3）所得的当前指向向量进行比较，计算出需对喷头进行调整的参数向量；
（5）根据步骤（4）所得的参数向量，调整喷头的指向；
（6）循环执行（2）至（5），使参数向量趋近零向量。
优选的，所述步骤（1）中，多旋翼飞行器起飞前，调整喷头竖直向下。
优选的，所述步骤（3）中，采用卡尔曼法对瞬时加速度与角速度值进行数字滤波。
优选的，在所述步骤（5）、（6）中，采用自适应PID法或是模糊控制法进行参数的调整。从而使控制更加精确和稳定。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、针对目前多旋翼无人施药机在飞行过程中喷头指向不稳定的问题，本发明装置通过增加惯性测量单元和微控制器，从而可以实时地根据当前无人施药机的飞行姿态对喷头指向进行调整，无需对现有多旋翼施药机结构进行大规模改动即可运用本装置，具有结构简单、成本低廉、重量轻的特点，适合作为小型无人飞行器机载设备。
2、本发明方法通过从捷联惯性测量单元读取瞬时加速度、角速度，经过滤波与姿态解算后得到喷头的运动姿态，调整喷头指向，最大限度减少飞行姿态对喷头指向的影响，无需使用复杂减震机构、体积小巧、具有较高的响应灵敏度，适合在小型飞行器中运用。且可提高现有多旋翼无人施药机喷头指向的稳定性，从而提高农药的利用率。
附图说明
图1是本发明装置的总体示意图；
图2是本发明装置的电路连接关系示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
现有技术中，多旋翼机载喷雾装置由药箱、输液管、直流电机、电磁流量泵、离心齿盘和单向阀等结构组成，在使用时，用电磁流量泵吸取药液至直流电机驱动的离心齿盘。液滴被高速旋转的离心齿盘雾化，然后经导流管后通过喷头喷出。喷头的位置与多旋翼无人施药机是固定的，不会随着飞行姿态的变化而发生角度的变化，因此导致喷药时不稳定，影响农药利用率。
本实施例所述用于多旋翼无人施药机的喷头增稳装置，如图1和2所示，包括喷头1、喷头支架2、微控制器、惯性测量单元3、喷头支架旋转驱动装置，喷头1和惯性测量单元3均固定在喷头支架2上，微控制器与惯性测量单元3电连接，微控制器还与用于驱动喷头支架2旋转的喷头支架旋转驱动装置连接。喷头1通过导流管7与外部喷雾装置相连。
如图1所示，所述喷头支架旋转装置包括结构支架6、横滚轴舵机5、俯仰轴舵机4，横滚轴舵机5的转轴51与结构支架6连接，结构支架6与喷头支架2连接，横滚轴舵机5的转轴51旋转时带动喷头支架2发生绕横轴方向的旋转；俯仰轴舵机4的转轴41与喷头支架2连接，俯仰轴舵机4的转轴41旋转时带动喷头支架2发生绕纵轴方向的旋转。
在实际应用中，横滚轴舵机5、俯仰轴舵机4的转轴（51、41）可分别平行于多旋翼施药机的横滚轴与俯仰轴。从而便于后续信号的计算和方向角度的调整。
惯性测量单元3为捷联惯性测量单元，可采用MPU9150（集成三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴地磁传感器）或MPU6050（集成三轴加速度计、三轴陀螺仪）。
如图2所示，喷头增稳装置还包括供电单元，该供电单元分别与微控制器、横滚轴舵机5、俯仰轴舵机4和惯性测量单元3相连，该单元包括TPS5430、大功率整流桥与LM1117-3.3V芯片，其中TPS5430工作在反向Buck-Boost状态，输入电压在24V以上，输出电流大于3A，稳压5V，用于直接驱动横滚轴舵机5和俯仰轴舵机4；LM1117-3.3V芯片用于为微控制器供电。
所述微控制器单元采用STM32F4xxx系列单片机。
一种基于上述装置的用于多旋翼无人施药机的喷头增稳方法，该方法是：获取当前喷头的瞬时加速度、角速度，经过滤波与姿态解算后得到喷头当前的运动姿态，然后根据其姿态调整喷头指向。
具体包括以下步骤：
（1）多旋翼飞行器起飞前，用户可在地面上通过遥控器控制横滚轴舵机、俯仰轴舵机调整喷头朝向（多为竖直向下）；通过微控制器校准惯性测量单元，消除初始零偏，并记录下喷头相对于地面坐标系的原始指向向量
（2）多旋翼飞行器起飞后，微控制器定时读取惯性测量单元输出的瞬时加速度（at）与角速度值（ωt）；
（3）微控制器对瞬时加速度at与角速度值ωt进行数字滤波（卡尔曼法或其它方法），计算出喷头相对地面坐标系的当前指向向量
（4）对步骤（1）所得的原始指向向量和步骤（3）所得的当前指向向量进行比较，计算出需对喷头进行调整的参数向量
（5）根据步骤（4）所得的参数向量微控制器控制横滚轴舵机与俯仰轴舵机的转轴进行旋转，从而带动喷头支架绕去横轴和纵轴进行旋转，从而调整喷头的指向；
（6）循环执行（2）至（5），使参数向量趋近零向量。
在所述步骤（5）、（6）中，采用自适应PID法或是模糊控制法进行参数的调整。从而使控制更加精确和稳定。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于多旋翼无人施药机的喷头增稳方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)多旋翼飞行器起飞前，调整喷头朝向；校准惯性测量单元，消除初始零偏，并记录下喷头相对于地面坐标系的原始指向向量；
(2)多旋翼飞行器起飞后，定时读取惯性测量单元输出的瞬时加速度与角速度值；
(3)对瞬时加速度与角速度值进行数字滤波，计算出喷头相对地面坐标系的当前指向向量；
(4)对步骤(1)所得的原始指向向量和步骤(3)所得的当前指向向量进行比较，计算出需对喷头进行调整的参数向量；
(5)根据步骤(4)所得的参数向量，调整喷头的指向；
(6)循环执行(2)至(5)，使参数向量趋近零向量。
2.根据权利要求1所述的用于多旋翼无人施药机的喷头增稳方法，其特征在于，所述步骤(1)中，多旋翼飞行器起飞前，调整喷头竖直向下；
所述步骤(3)中，采用卡尔曼法对瞬时加速度与角速度值进行数字滤波。
3.根据权利要求1所述的用于多旋翼无人施药机的喷头增稳方法，其特征在于，在所述步骤(5)和(6)中，采用自适应PID法或是模糊控制法进行参数的调整。
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