CN103770943A - 一种智能施药无人直升机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种智能施药无人直升机，属于农业植保技术领域。无人直升机包括机体框架，旋翼飞行系统及起落架组件。机体框架装有机载电气系统包括飞行控制器，GPS,航向计,微型惯性测量组件，测控链路，舵机控制器，供电系统。飞行控制器的通讯端与磁航向计、微型惯性测量组件、舵机控制器、GPS通讯连接，且通过机载无线电台与测控地面站通讯，飞行控制器的控制输出端接控制旋翼飞行系统的舵机控制器。机体框架中部装有由药箱、液泵、喷杆及喷头组成的施药装置，该无人直升机能够实现自动导航飞行且自动控制施药作业。

Description

一种智能施药无人直升机

技术领域

    本发明涉及一种无人驾驶直升机，主要是用于精准农药喷洒的一种智能施药无人直升机，属于农业植保技术领域。

背景技术

    航空施药与传统的田间人工施药作业相比，具有作业效率高、农药对作业人员零危害、用工量和劳动强度大幅降低、雾滴漂移少、雾流对作物穿透性强、防治效果明显提高等显著优点，尤其是直升机施药，无需专用起降机场，机动性好，因此为快速有效防控爆发性病虫草害、促进农作物规模化植保技术升级换代提供了理想的作业平台。

目前，航空施药在美国与日本等发达国家应用较多。国内，近年来掀起航空施药植保热潮，主要采用小航模级别的农用航空施药装备，需要人工操控，无自动导航、自动施药功能，遥控距离一百米范围，完全需要在操纵手的目视范围内控制，施药的准确性差，不适合大田块的作业。

2011年2月23日，公开号为CN101979276A的中国发明专利，公开了一种智能施药无人直升机，包括机体框架，所述机体框架有受控于飞行控制主机的旋翼飞行系统级起落架组件，所述飞行控制主机的通讯端与GPS通讯连接，其主控制输出端接旋翼飞行系统的受控端，用以根据预定航线和GPS传来的实时位置信息向所述飞行系统发出导航控制信号；所述机体框架下方中部还与装有喷头的喷杆连通，所述飞行控制主机还含有辅控制输出端，所述辅控制输出端接所述液泵的受控端，用以根据预定施药地点和GPS传来的实时位置信息向所述液泵发出施药控制信号。工作时，飞行控制主机不仅可以借助GPS控制无人机按照预定航线飞行，而且可以借助GPS，按照预定的GPS航路实施喷洒任务，当无人直升机飞抵预定施药地点上空时，自动控制液泵启动，当无人直升机飞离施药区域时，液泵自动关闭，实现自动导航飞行且自动控制施药作业，避免了重喷与漏喷，也避免了药液的浪费，减少药液消耗，所有设备自行工作，全程自动作业。但是，这种智能施药无人直升机针对不同高度的作物、不同需要量无法自动调节，在程控过程中难以灵活调节高度和速度，造成不同植物施药效果差，药液浪费。

发明内容

鉴于上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提出一种不仅可以自动导航，而且可以根据作物的高度，作物需要的药量调节高度和速度，对施药系统智能控制的施药无人直升机。

    为解决上述问题，本发明采用的技术方案是一种智能施药无人直升机，包括机载设备系统和地面站系统，所述机载设备系统与地面站系统通过蓝牙通讯传输信息；所述机载设备系统包括飞行控制器系统、传感器系统。

所述飞行器控制系统包括施药控制系统、机载无线电台、测控链路、舵机控制器和控制飞机飞行的飞行控制器，所述施药控制系统包括施药装置。

    所述传感器系统包括GPS、航向计和微型惯性测量组件；GPS能够提供飞机天线相对于地面的运行速度、运行方向以及它相对于海平面的高度和垂向速度，同时能够提供天线相对于地球表面的经度纬度信号，这些信号为导航控制所必需。

     为了让提供的那些信号能够满足控制的需求，一方面需要它能够以一定的频率提供这些信号，以满足控制动态响应特性的需求，一方面需要它能够以一定的精度提供信号，以满足控制精度的要求，航向计是为了确定直升机的机头方向，一般采用检测地磁强度的方法来进行，通过三个正交轴轴向上的地磁强度经过三角解算，可以获得直升机机头的指向。但是，直升机飞行的姿态并非时刻保持水平，因此必须引入陀螺的姿态信号和地磁计读数一起进行解算，方可得到直升机机头准确的指向。

    微型惯性测量组件是一种智能陀螺，其内部包含正交分布的三个角速度计和三个加速度计，以及气压计，通过卡尔曼滤波算法来获取姿态，该微型惯性测量组件提供无人直升机控制系统必需的加速度信息，角速率信息，姿态角度信息以及气压高度信息。

    所述飞行控制器采用基于ARM+FPGA为核心的嵌入式系统架构，其硬件资源还包括以下5路串口：磁航向计、微型惯性测量组件、测控链路、舵机控制器和施药设备；

    所述微型惯性测量组件、磁航向计分别与所述飞行器控制器的微型惯性测量组件串口、磁航向计串口通讯连接；所述测控链路、舵机控制器分别与所述飞行控制器的测控链路、舵机控制器串口通讯连接，所述施药装置与所述飞行控制器的施药设备串口通讯连接。

     本发明进一步限定的技术方案是：

     进一步的，所述飞行控制器还包括施药设备串口、地面检测串口和备用串口，4路I/O口：分别为发动机起动、熄火、任务电源控制和备用；3路A/D口：分别采样12V电瓶电压和声纳传感器电压和油位传感器电压；1路PWM捕获口：采样发动机转速。

    进一步的，所述地面站系统包括背负式操纵箱和航路规划遥测数据显示PDA。航路规划PDA可以规划航路同时显示无人直升机下传的遥测状态数据，对于小田块作业或者在目视范围内，可以直接采用手动增稳完成作业任务。对于大田块或者超视距作业可以自动驾驶完成任务。

进一步的，所述施药装置包括药箱，所述药箱为分体式流线型结构，且药箱内部为两个相互连通的腔室，分体式流线型结构增加了飞机飞行喷洒过程中药液在箱内的稳定性，同时增强了飞机飞行的平稳性。

本发明的有益效果是：本发明具有自动驾驶/手动增稳控制功能；具有自主起降功能；具有航线程控飞行功能，程控人工中断后，再次启动程控功能，可自动捕获中断航点，从中断航点处继续执行任务；具有地形数据库编辑功能，同一地块可以重复或简单修改后调用，数据库坐标可采用实际地域GPS定位数据进行一次性全部修正。具有定高、定向飞行功能；具有声音、指示灯故障告警功能； 具有失控保护功能；具有飞行前状态自检测功能；具有飞机部件故障自动诊断识别功能；具有飞行时间、地点、数据自动记录功能。

附图说明

 图1是本发明的机上电气示意图。

图2是本发明的飞控系统示意图。

图3是本发明的地面站示意图。

图4是本发明智能施药无人直升机的控制原理图。

图5是本发明智能施药无人直升机的前视图。

图6是为图5中无人直升机的右视图。

其中图中标注：1为无人直升机、2为液泵、3为药箱、4为折叠式喷杆、5为喷头。

具体实施方式

本实施例提供的一种智能施药无人直升机，如图5、图6所示，无人直升机1 包括机体框架，旋翼飞行系统及起落架组件。机体框架装有机载电气系统。无人直升机1 上安装有用于施药作业的施药装置，施药装置包括分体式流线型结构药箱3、液泵2、折叠式喷杆4 及喷头5。药箱3 的出液口通过输液管路、经液泵2 与折叠式喷杆4 连通，喷头5 间隔且对称安装在折叠式喷杆4 上。折叠式喷杆4 使得喷洒的喷幅可调，喷头5 的雾化效果好，喷洒均匀，喷幅宽，同时雾滴谱窄且可调，可适用于多种作业条件。

无人直升机上安装有机载控制箱 ；机载控制箱内安装有控制飞机飞行的飞行控制器、施药控制系统、机载无线电台、为飞行提供控制导航信息的机载传感器等电气设备，如图1所示。

飞行控制器系统采用基于ARM+FPGA为核心的嵌入式系统架构，其硬件资源如下：8路串口：分别为施药设备口、磁航向计、微型惯性测量组件、测控链路、舵机控制器、GPS、地面检测和备用串口。4路I/O口：分别为发动机起动、熄火、任务电源控制和备用。3路A/D口：分别采样12V电瓶电压和声纳传感器电压和油位传感器电压。1路PWM捕获口：采样发动机转速。

    飞行控制器的通讯端与磁航向计、微型惯性测量组件、舵机控制器、GPS通讯连接，且通过机载无线电台与测控地面站通讯，如图2所示，飞行控制器的控制输出端接控制旋翼飞行系统的舵机控制器，用以根据预定航线和GPS 传来的实时位置信息向飞行系统发出导航控制信号。飞行控制器的任务控制输出端，通过施药控制系统接液泵的受控端，用以根据预定施药地点和GPS 传来的实时位置信息向液泵发出施药控制信号。施药控制系统接受飞行控制器传输的施药控制信号控制液泵2 的运行。

机载飞行控制器具有自动驾驶/手动增稳控制功能，对于小田块作业或者在目视范围内，可以直接采用手动增稳完成作业任务。对于大田块或者超视距作业可以自动驾驶完成任务。具有自主起降功能，实现一次任务从起飞到作业再到降落完成全程自动化。

航线程控飞行过程中，由于药液使用完自动返航，或程控人工中断后，再次启动程控功能，可自动捕获中断航点，从中断航点处继续执行任务；具有地形数据库编辑功能，同一地块可以重复或简单修改后调用，数据库坐标可采用实际地域GPS定位数据进行一次性全部修正。具有声音、指示灯故障告警功能； 对于由于通信链路信号不通具有失控保护功能；具有对于超出飞行边界的自动返航功能。具有飞行前状态自检测，飞机部件故障自动诊断识别功能；具有飞行时间、地点、数据自动记录功能。

地面设有如图3所示的测控地面站及航路规划PDA。测控地面站是无人直升机的控制终端，通过地面无线电台与机载无线电台通讯，并负责接收和发送所有与无人直升机飞行有关的数据，测控地面站接收的数据如无人直升机的飞行姿态、飞行速度、发动机转速等参数，发送的数据如控制飞机的模态如外控纯手动、外控增稳、速度增稳、程控、飞行速度调节、高度调节、手动控制药箱开关等指令。在本套系统中的作用是，接收已经规划好的GPS 航路点信息并指挥飞机按照这些航路点执行作业任务。

航路规划PDA安装有航路规划系统，且设有上行/ 下行蓝牙通信端口，航路规划系统根据无人直升机的飞行约束条件、施药系统约束条件及施药作业区域参数设计出最佳飞行施药航路及施药控制信号。航路规划系统还将最佳飞行施药航路转换为无人直升机飞行GPS 导航所需的经纬度坐标点即GPS 航路点信息。无人直升机的飞行约束条件包括飞机的转弯半径、飞行转悬停所需时间。施药系统约束条件包括施药系统的喷幅、载药量及施药时间。

航路规划PDA通过上行蓝牙通信端口将GPS 航路点信息及施药控制信号发送给机载飞行控制器。飞行控制器一方面控制无人直升机根据此航路自动飞行，另一方面把施药控制信号发给施药控制系统，按图4所示，施药控制系统控制液泵按照施药控制信号自动打开或关闭。

    航路规划PDA设有实时显示系统，实时显示系统包括监视器，并将实时的GPS 信息和施药系统状态信息反馈给航路规划PDA，通过软件界面在监视器上显现出来。使得无人直升机进行施药作业时，在作业区域图上能够实时显示飞机所在的位置、药箱药量和施药状态。

 作业时，实时显示系统在屏幕上绘出作业区域图及已规划好的航路，实时接收无人直升机发回的数据，提取其中无人直升机的机载GPS 所获取的经纬度数据及施药状态数据，将经纬度数据经转换为平面坐标后将飞机的位置显示在屏幕上；同时根据施药状态数据显示当前是否正在施药和综合施药时间估算出的当前药量；还能根据系统故障传感器数据发出正常工作或报警的信号。这样就可以人工监视无人直升机是否偏离预先设定的规划航路，以及施药系统是否在预定的区域施药和系统是否工作异常。

本发明智能施药无人直升机的施药作业方法依次包括以下步骤：(1) 航路规划PDA把测算好的无人直升机的GPS 航路点信息和施药控制信号通过蓝牙通讯端口传输至飞行控制器；(2) 当测控地面站发出程控指令时，无人直升机将按照预定路线实施喷洒任务；(3) 在喷洒作业的过程中，飞行控制器一方面控制飞机按预定的GPS 航路飞行，另一方面把施药控制信号发给施药系统；(4) 施药系统接收施药控制信号开始工作，并把施药系统状态信息反馈给飞行控制器；(5) 飞行控制器通过遥测通道把飞行过程中实时的GPS 信息和施药系统状态信息通过机载无线电台及地面无线电台返回给航路规划PDA，通过软件界面在监视器上显现出来。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种智能施药无人直升机，包括机载设备系统和地面站系统，所述机载设备系统与地面站系统通过蓝牙通讯传输信息；其特征在于：所述机载设备系统包括飞行控制器系统、传感器系统；

所述飞行器控制系统包括施药控制系统、机载无线电台、测控链路、舵机控制器和控制飞机飞行的飞行控制器，所述施药控制系统包括施药装置；

所述传感器系统包括GPS、航向计和微型惯性测量组件；所述微型惯性测量组件包括气压计、三个正交分布的角速度计和三个加速度计；

    所述飞行控制器采用基于ARM+FPGA为核心的嵌入式系统架构，其硬件资源还包括以下5路串口：磁航向计、微型惯性测量组件、测控链路、舵机控制器和施药设备；

    所述微型惯性测量组件、磁航向计分别与所述飞行器控制器的微型惯性测量组件串口、磁航向计串口通讯连接；所述测控链路、舵机控制器分别与所述飞行控制器的测控链路、舵机控制器串口通讯连接，所述施药装置与所述飞行控制器的施药设备串口通讯连接。

2.   根据权利要求1所述的一种智能施药无人直升机，其特征在于：所述飞行控制器还包括施药设备串口、地面检测串口和备用串口，4路I/O口：分别为发动机起动、熄火、任务电源控制和备用；3路A/D口：分别采样12V电瓶电压和声纳传感器电压和油位传感器电压；1路PWM捕获口：采样发动机转速。

3.    根据权利要求1或2所述的一种智能施药无人直升机，其特征在于：所述地面站系统包括背负式操纵箱和航路规划遥测数据显示PDA。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种智能施药无人直升机，其特征在于：所述施药装置包括药箱，所述药箱为分体式流线型结构，且药箱内部为两个相互连通的腔室。

Images