CN103803083A - 一种基于gps的无人机喷药装置及其喷药方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于GPS的无人机喷药装置，包括机身，安装在机身上的储药箱以及与储药箱连接的喷洒器，还包括储存有作业处方图的中心控制模块，以及确定无人机位置的GPS信号接收器，GPS信号接收器传递无人机位置信号至中心控制模块，所述中心控制模块根据作业处方图得到在无人机位置的喷药信息，并控制喷洒器进行喷药；还公开了一种基于GPS的无人机喷药方法。本发明可以根据喷药区域内作物的种类、密度等不同来变换喷药量，从而降低药液浪费，提高喷药的精准性，可以在保证除虫效果的同时，很好的降低农药残留，提升农产品质量。

Description

一种基于GPS的无人机喷药装置及其喷药方法

技术领域

本发明涉及用于农业生产的航空设备，特别是涉及一种基于GPS的无人机喷药装置及其喷药方法。 

背景技术

传统喷药技术采用人工背负药箱进行田间作业，机械化喷药采用发动机带动药箱进行田间喷药，以上喷药方式都存在明显的缺陷，人工喷药对人体伤害很大，经常有报道人在喷药过程中中毒倒地的情况。而机械化喷药则会压实土壤，破坏土壤结构，在植物生长期间在田地行走会伤害农作物。而且以上两种喷药方式主要依靠药液沉降，无法深入植物内部进行施药。 

目前，通过无人机进行喷药是一种安全有效的喷药方式，无人机无需人直接接触接触雾状农药，对人体损害大大降低，而且对地面土壤和植物没有任何影响；且无人机在作业过程中会产生向下的风力，使得药液能够渗透到植物冠层深处，达到立体化喷药的效果，除病除虫效果明显；无人机喷药还适用于苹果、甘蔗等高大作物，相比传统喷药技术不能喷洒到的此类作物的顶部，喷药范围大，效果更好；同时还能可以减少田间为喷药等设备留下的路径，有效提高农田利用率；无人机喷药效率高，一分钟可以喷洒1-2亩农田，大大提高了喷药的效率，并且为突发疫情及病虫害有很好的防治作用。 

公告号为CN201322628U的专利文献公开了一种基于单片机的智能超低空施药控制系统,该控制系统含有单片机构成的控制模块;所述控制模块的通讯端通过通讯接口与飞机控制主机连接,控制输出端通过放大电路接喷洒装置控制继电器。工作时,当地面站通过机载无线通讯系统把控制信号发送给无人机后,无人机控制主机将信号中转,通过通讯端口将指令信号发送至本发明控制系统的控制模块,该模块接收后根据指令,控制喷洒装置的继电器动作,从而完成所需的低空施药喷洒控制,并可返 回设备状态、报警信号等,因此可以配合地面GPS航路规划,实现多种操作模式实施精准喷药的智能控制,显著提高施药效率。 

上述系统通过通讯系统来控制无人机的喷药量，需要人为的控制喷药量，不仅耗费人力，喷药量也很难控制适合，对操作人员的技术要求高，容易造成喷药不均匀，喷药过少则除虫效果不好，无法抵御虫害对作物的破坏；而喷药过量则会导致农药残留，降低产物的食品安全性。 

发明内容

本发明提供了一种基于GPS的无人机喷药装置及其喷药方法，以解决现有的无人机喷药技术，喷药不均匀，导致除虫效果不好引起病虫害或者喷药过量降低产物的食品安全性的问题。 

一种基于GPS的无人机喷药装置，包括机身，安装在机身上的储药箱以及与储药箱连接的喷洒器，还包括储存有作业处方图的中心控制模块，以及确定无人机位置的GPS信号接收器，GPS信号接收器传递无人机位置信号至中心控制模块，所述中心控制模块根据作业处方图得到在无人机位置的喷药信息，并控制喷洒器进行喷药。 

为了提高喷洒器的供药准确性，优选的，所述喷洒器包括：通过供药管路与储药箱连接的出液泵，与出液泵连接的喷杆以及接收中心控制模块控制信号调节供药管路的药液流量的流量调节机构。相比利用药液的重力进行喷洒，通过出液泵进行供药，既便于调节药液流量，同时又保证药液流量大小的准确性。 

供药管路的药液流量的调节方式很多，例如在管路内设置流量阀等方法，但为了便于根据信号进行调节，优选的，所述出液泵包括直流电机，所述流量调节机构为电机调速器，该电机调速器通过控制直流电机的转速调节供药管路的药液流量。所述电机调速器在接收到控制信号后，可以通过调节直流电机内的电压来调节直流电机的转速，控制过程简单，容易实现。 

为了进一步提高本发明喷药的精准性，优选的，还包括安装在机身上的速度传感器，速度传感器传递无人机的飞行速度至中心控制模块，中心控制模块根据无人机位置信号，结合无人机的飞行速度，计算出供药管路的药液流量，并根据药液流量的值发送信号至流量调节机构，对供药管路 的药液流量进行调节。根据无人机位置信号，结合无人机的飞行速度来确定出供药管路的药液流量，在飞行速度较慢时，降低供药管路的药液流量，在飞行速度较高时，提高供药管路的药液流量；当无人机的速度为零时，认为无人机是在空中悬停或者转向，停止喷药，减少农药对空气和土壤的污染。 

为了保证变量施药的准确性，优选的，所述供药管路内设有流量传感器，所述流量传感器检测供药管路实际的药液流量并将该信号传送至中心控制模块，中心控制模块将实际的药液流量与计算得到的药液流量进行对比，并根据对比结果发送控制信号至电机调速器，控制直流电机调节供药管路的药液流量。 

一种基于GPS的无人机喷药方法，包括以下步骤： 

（1）根据喷药区域构建作业处方图，所述作业处方图包括若干离散化的GPS点以及与各个GPS点相对应的喷药信息； 

（2）无人机处在喷药区域上空工作时，周期性采集无人机的位置，在当前周期中，根据无人机位置与邻近GPS点的位置关系，得到相应的喷药信息； 

（3）根据步骤（2）得到的喷药信息进行喷药。 

根据作业处方图的内容，确定无人机位置的喷药的方式很多，优选的，在步骤（2）中，无人机位置的喷药信息G与邻近GPS点的关系式为： 

$G=\frac{x1*s1+x2*s2+x3*s4+x4*s5}{s1+s2+s3+s4},$

上式中，s1，s2，s3和s4为在喷药区域内，距离GPS信号接收器测试到的无人机位置距离最近的四个GPS点与无人机位置的距离；x1，x2，x3和x4为这四个GPS点的喷药信息。上述过程中获取的GPS点的数量可以变化，数量越少，计算速度越快；数量越多，计算结果越精确。 

所述喷药信息为预设在作业处方图内的GPS点内，用于确定喷药的多少，为了设定以及计算方便，优选的，所述喷药信息为喷药量，即当前周期内单位面积投放的药液质量，步骤（3）中根据喷药量G进行喷药的具体步骤包括： 

（a）计算当前周期供药管路应当提供的药液流量T，计算公式为： 

T=G*V*S， 

上式中，V为当前无人机的飞行速度，S为喷洒器的喷药幅宽； 

（b）根据计算得到药液流量T的值，对供药管路的药液流量进行调节。上述过程中，将当前周期的无人机位置的喷药量结合飞行速度来确定管路内的药液流量T，从而理规划飞行速度与药液流量的比例关系，使得药液在沿着飞行方向喷洒地更为均匀。 

优选的，在步骤（b）中，具体控制方式为： 

为了进一步提高本发明喷药的精准性，将药液流量T与当前周期供药管路实际的药液流量T＇进行对比： 

（A）如果（1-A）T≤T＇≤（1+A）T，则不调节供药管路的药液流量； 

（B）如果T＇<（1-A）T，则增大供药管路的药液流量； 

（C）如果T＇>（1+A）T，则减小供药管路的药液流量； 

其中，A为调节裕度，取值在5%～20%。 

通过上述过程，将计算得到的药液流量与实际的药液流量进行对比，再调节供药管路的药液流量，可以准确控制实际的喷药量。 

本发明的有益效果： 

本发明的基于GPS的无人机喷药装置及其喷药方法，根据喷药区域创建包括喷药信息的作业处方图，并通过GPS信号接收器确定无人机在作业处方图内的位置来确定当前的喷药信息，然后通过控制喷洒器进行喷洒，可以根据喷药区域内作物的种类、密度等不同来变换喷药量，从而降低药液浪费，提高喷药的精准性，可以在保证除虫效果的同时，很好的降低农药残留，提升农产品质量。 

附图说明

图1为本发明的装置的结构示意图。 

图2为本发明的作业处方图的示意图。 

具体实施方式

如图1所示，本实施例的基于GPS的无人机喷药装置，包括机身1，安装在机身1上的储药箱2，通过供药管路与储药箱2连接的出液泵3，与出液泵3连接的喷杆4。 

储药箱2有两个，通过三通5接入出液泵3，两个储药箱2的大小相同，对称挂在机身1两边，并注入等量的药液，以保证机体平稳；喷杆4也有两根，通过三通与出液泵3的出液口相连，两根喷杆4横向对称固定在机身1上，组合而成的喷药幅宽为3m，每根喷杆4开两个开口，分别安装有喷嘴6，喷嘴6等距放置，每个喷嘴间距75cm，喷杆4的喷幅为3m。 

工作时，药液从两个储药箱2出来后，药液经过出液泵3加压之后，经过三通分到两个喷杆4中，经喷嘴6喷出。 

出液泵3包括直流电机，本实施例中，设有电机调速器，该电机调速器通过控制直流电机的转速来调节供药管路的药液流量。 

本实施例中，还设有储存有作业处方图的中心控制模块，确定无人机位置的GPS信号接收器，检测无人机飞行速度的速度传感器，以及检测供药管路内实际药液流量的流量传感器，GPS信号接收器、速度传感器和流量传感器将检测到的信号传送至中心控制模块，中心控制模块接收检测信息并根据计算结构，发送控制信号至电机调速器，调节供药管路的药液流量。 

本实施例中，中心控制模块为AVR单片机。 

作业处方图包括若干离散化的GPS点以及与各个GPS点相对应的喷药量。 

本实施例的方法包括以下步骤： 

（1）无人机进入喷药区域上空喷药工作，GPS信号接收器周期性采集无人机的位置，本实施例中，周期为1s，在当前周期中，根据无人机位置确定当前的喷药量G，单位为L/m2； 

$G=\frac{x1*s1+x2*s2+x3*s4+x4*s5}{s1+s2+s3+s4},$

上式中，s1，s2，s3和s4为在喷药区域内，距离GPS信号接收器测试到的无人机位置距离最近的四个GPS点与无人机位置的距离；x1，x2，x3和x4为这四个GPS点的喷药信息； 

（2）根据喷药量G计算出当前周期供药管路应当提供的药液流量T，单位为L/s，计算公式为： 

T=3G*V， 

上式中，V为速度传感器传递来的当前无人机的飞行速度，单位为m/s； 

（3）将计算得到的药液流量T与当前周期供药管路实际的药液流量T＇进行对比： 

（a）如果90%T≤T＇≤110%T，则不调节供药管路的药液流量； 

（b）如果T＇<90%T，则增大供药管路的药液流量； 

（c）如果T＇>110%T，则减小供药管路的药液流量。 

综上所述，通过时时检测无人机的当前位置和飞行速度，来确定出药液流量，并将计算得到药液流量与实际药液流量进行对比后，控制出液泵的转速来调节药液流量，使得无人机喷药更均匀，且可以针对相应区域的作物情况进行喷药，不仅可以很好的杀虫防病，更能降低农药残留，提高食品安全质量。 

Claims (9)

1.一种基于GPS的无人机喷药装置，包括机身，安装在机身上的储药箱以及与储药箱连接的喷洒器，其特征在于，还包括储存有作业处方图的中心控制模块，以及确定无人机位置的GPS信号接收器，GPS信号接收器传递无人机位置信号至中心控制模块，所述中心控制模块根据作业处方图得到在无人机位置的喷药信息，并控制喷洒器进行喷药。

2.如权利要求1所述的基于GPS的无人机喷药装置，其特征在于，所述喷洒器包括：通过供药管路与储药箱连接的出液泵，与出液泵连接的喷杆以及接收中心控制模块控制信号调节供药管路的药液流量的流量调节机构。

3.如权利要求2所述的基于GPS的无人机喷药装置，其特征在于，所述出液泵包括直流电机，所述流量调节机构为电机调速器，该电机调速器通过控制直流电机的转速调节供药管路的药液流量。

4.如权利要求3所述的基于GPS的无人机喷药装置，其特征在于，还包括安装在机身上的速度传感器，速度传感器传递无人机的飞行速度至中心控制模块，中心控制模块根据无人机位置信号，结合无人机的飞行速度，计算出供药管路的药液流量，并根据药液流量的值发送信号至流量调节机构，对供药管路的药液流量进行调节。

5.如权利要求4所述的基于GPS的无人机喷药装置，其特征在于，所述供药管路内设有流量传感器，所述流量传感器检测供药管路实际的药液流量并将该信号传送至中心控制模块，中心控制模块将实际的药液流量与计算得到的药液流量进行对比，并根据对比结果发送控制信号至电机调速器，控制直流电机调节供药管路的药液流量。

6.一种基于GPS的无人机喷药方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）根据喷药区域构建作业处方图，所述作业处方图包括若干离散化的GPS点以及与各个GPS点相对应的喷药信息；

（2）无人机处在喷药区域上空工作时，周期性采集无人机的位置，在当前周期中，根据无人机位置与邻近GPS点的位置关系，得到相应的喷药信息；

（3）根据步骤（2）得到的喷药信息进行喷药。

7.如权利要求6所述的基于GPS的无人机喷药方法，其特征在于，在步骤（2）中，无人机位置的喷药信息G与邻近GPS点的关系式为：

$G=\frac{x1*s1+x2*s2+x3*s4+x4*s5}{s1+s2+s3+s4},$

上式中，s1，s2，s3和s4为在喷药区域内，距离GPS信号接收器测试到的无人机位置距离最近的四个GPS点与无人机位置的距离；x1，x2，x3和x4为这四个GPS点的喷药信息。

8.如权利要求7所述的基于GPS的无人机喷药方法，其特征在于，所述喷药信息为喷药量，即当前周期内单位面积投放的药液质量，步骤（3）中根据喷药量G进行喷药的具体步骤包括：

（a）计算当前周期供药管路应当提供的药液流量T，计算公式为：

T=G*V*S，

上式中，V为当前无人机的飞行速度，S为喷洒器的喷药幅宽；

（b）根据计算得到药液流量T的值，对供药管路的药液流量进行调节。

9.如权利要求8所述的基于GPS的无人机喷药方法，其特征在于，在步骤（b）中，具体控制方式为：

将药液流量T与当前周期供药管路实际的药液流量T＇进行对比：

（A）如果（1-A）T≤T＇≤（1+A）T，则不调节供药管路的药液流量；

（B）如果T＇<（1-A）T，则增大供药管路的药液流量；

（C）如果T＇>（1+A）T，则减小供药管路的药液流量；

其中，A为调节裕度，取值在5%～20%。

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