CN104554725B - 一种变量喷洒农药的无人机以及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变量喷洒农药的无人机,包括机身和安装在机身上的喷药系统以及根据机身飞行速度控制喷药系统喷药量的控制系统,还包括镜头朝下用于检测无人机的飞行速度的光流传感器,所述光流传感器的信号输出端与控制系统连接。本发明还公开了一种使用无人机变量喷药的方法,本发明的变量喷洒农药的无人机以及方法,可以有效提高农药喷洒的均匀度,避免农药过度喷洒对植株的伤害或欠喷造成喷药效果不达标,保证植株正常生长,还降低了农药的使用量,节约成本;并且实现全自动控制,提高了自动化水平,降低了操作难度。
Description
技术领域
本发明涉及无人机的应用技术,特别涉及一种变量喷洒农药的无人机以及方法。
背景技术
在当前高昂的人工成本和日愈增大的种地面积下,农户对农田作业机械化的需求越来越高,而植保无人机成为一种质量好、效率高、对人体危害低的作业机械。从上世纪80年代的日本开始,无人机应用于农作物喷粉等工作,现在已经成为植保无人机应用的典范。
目前植保无人机在田间的飞行速度并不均匀,而喷药速度保持不变,在起飞和转弯过程中都需要一段速度较慢持续时间较长的加速情况,使得在这段时间内在飞机下方形成一块过度喷撒的区域,同时在某些速度较快的地方则形成欠喷洒区域。
为了解决上述问题,有研究者提出了一种可以控制喷药量的无人机,公布号CN104041477 A的专利文献公开了一种遥控飞行植保无人机喷药系统,包括电子调节器,电子调节器的电源端外接电池,电子调节器的输入端与信号接收器电连接,电子调节器的输出端与打药泵的电源端电连接,打药泵的输入端接有吸液管,吸液管端布置于药液桶中,打药泵的输出端通过药液输送管与喷药装置连接,信号接收器与遥控器无线连接。本发明结构简单、紧凑,通过电子调节器,调节供给打药泵的电量,在飞机飞行速度的改变的同时,打药泵吸取的药液量发生变化,从而实现喷药装置药液量的供给变化。
上述无人机通过外来遥控信号来调节喷药量,虽然可以对喷药量进行一定程度的调节,但是,由于外来的遥控信号的准确性却很难控制,为此,为了提高调节的准确性,又有研究者提出了一种无人机喷药方法,公布号CN 102591302 A的专利文献公开了一种无人机喷洒农药的作业方法,所述方法包括如下步骤:计算喷洒系统参数W、K及单位面积的喷洒药量P,并通过地面站传输到无人机的飞行控制系统中;GPS模块获取无人机的飞行速度v;飞行控制系统根据喷洒系统参数W、K、单位面积的喷洒药量P及飞行速度V计算出液泵控制电压U;液泵控制电压U驱动液泵工作,并通过喷头将农药喷洒出去。该作业方法可根据不同农作物的特点、农药种类、农药稀释比例、单位面积的喷洒药量P并结合无人机的飞行速度V,精确计算出液泵控制电压U,实现对喷洒流量的精确控制,从而使得单位面积上的农药喷洒量均匀一致,提高了无人机喷洒农药的适应性,有效地减少了农药的浪费及对环境的污染。
但是通过GPS检测到的飞行速度有误差较大,在实际应用中效果并不理想,为此,有必要对无人机的飞行速度的检测做更进一步的研究。
发明内容
本发明提出了一种变量喷洒农药的无人机,提高农药喷洒的均匀度,避免农药过度喷洒对植株的伤害以及欠喷造成效果不达标。
一种变量喷洒农药的无人机,包括机身和安装在机身上的喷药系统以及根据机身飞行速度控制喷药系统喷药量的控制系统,还包括镜头朝下用于检测无人机的飞行速度的光流传感器,所述光流传感器的信号输出端与控制系统连接。
本发明通过设置在机身上光流传感器检测机身的飞行速度,与现有的检测方式相比,响应速度更快,检测数据更准确,从而使喷药系统根据机身飞行速度来调节喷药量的准确性提高,提高农药喷洒的均匀度,避免农药过度喷洒对植株的伤害或欠喷造成喷药效果不达标,保证所有植株正常生长。
通过光流传感器可以同时测试机身的线速度和旋转角速度,在转弯过程中,机身各部分的飞行线速度不同,如果此时仍按同一喷药流量进行喷洒,仍会造成一定程度的喷洒不均匀。因此,为了进一步提高本发明的喷洒均匀性,优选的,所述喷药系统包括至少两套喷药单元,每套喷药单元包括一组喷嘴,所有喷嘴沿机身横向排列;每套喷药单元分别受控于所述控制系统,用以调节对应一组喷嘴的喷药量。每组喷嘴覆盖一定喷药宽幅,所有喷嘴覆盖的喷药宽幅为总喷药宽幅。
不同组的喷嘴所在机身的飞行速度各不相同,通过光流传感器检测对应各组喷嘴所在机身的飞行速度,然后通过控制系统根据检测到的机身的不同速度,分别调节各组喷嘴的喷药量,从而使喷洒到各植株上的药液更均匀。
为了更准确地控制喷药量,优选的,每套喷药单元还包括药箱、喷杆以及将药液自药箱输送至喷杆的输液泵,所述喷杆上设有对应一组喷嘴;所述输液泵通过电路接入并受控于所述控制系统以调节喷药量。通过控制输液泵来控制喷药量,精度高,技术成熟,且容易通过电信号控制。
为了便于计算,减小计算误差,优选的,所述光流传感器安装在机身的中心轴上,光流传感器的镜头朝向机身的正下方。镜头在拍摄过程中,画面的中心位置一直对应在机身的中心轴上,因此,可以简化通过特定点计算机身的飞行线速度和角速度的过程。
理论上,喷药单元设置的数量越多,则喷药的均匀性越好,但是会增加制造成本,由于对于转弯的机身,左右侧的飞行速度差异较大,且机身的体积较小的情况下,优选的,所述喷药单元设有两套,喷杆结构相同,对称布置在机身的中心轴的两侧。
本发明还提供了一种使用无人机变量喷药的方法,包括下述步骤:
(1)采用光流法检测无人机的飞行速度;
(2)根据飞行速度调节喷药量的变化。
通过光流法检测无人机的飞行速度,与现有的检测方式相比,响应速度更快,检测数据更准确,从而使喷药系统根据机身飞行速度来调节喷药量的准确性提高,提高农药喷洒的均匀度,避免农药过度喷洒对植株的伤害或欠喷造成喷药效果不达标,保证所有植株正常生长。
为了更准确地控制喷药量,优选的,步骤(2)中,通过控制输液泵的转速来调节喷药量。电机转速控制技术成熟,且容易通过电信号控制。
通过光流法可以同时测试无人机的线速度和旋转角速度,在转弯过程中,无人机各部分的飞行线速度不同,如果此时仍按同一喷药流量进行喷洒,仍会造成一定程度的喷洒不均匀。因此,为了进一步提高本发明的喷洒均匀性,优选的,步骤(1)中,根据喷药宽幅,将机身分成若干部分,每部分机身设有对应的喷药单元,检测各部分的飞行速度;
步骤(2)中,根据机身各部分飞行速度不同,分别调节对应喷药单元的喷药量。不同组的喷嘴所在机身的飞行速度各不相同,通过光流法检测对应各组喷药单元的喷嘴所在部分机身的飞行速度,然后分别调节各组喷嘴的喷药量,从而使喷洒到各植株上的药液更均匀。
优选的,步骤(1)中,将机身分为左右两部分,两侧机身设有对应的喷药单元,两侧具有相同的喷药宽幅,右侧机身的飞行线速度为:
左侧机身的飞行线速度为:
L为机身的总喷药宽幅,V1为当前机身的线速度,α当前机身的旋转角速度,角速度以逆时针旋转为正;
步骤(2)中,根据左、右机身不同的飞行速度,分别调节左、右机身对应喷药单元的喷药量。仅设置两套喷药单元对应左、右侧机身速度差异的情况,控制左、右两侧的喷药量,可以最有效提高无人机的喷药均匀性。
优选的,步骤(2),供药流量与飞行速度的关系式如下:
F=QV2A
F为输液泵供药流量,Q为种植地面单位面积的喷药量,A为喷药宽幅,V2为对应机身线速度。
本发明的有益效果:
本发明的变量喷洒农药的无人机以及方法,可以有效提高农药喷洒的均匀度,避免农药过度喷洒对植株的伤害或欠喷造成喷药效果不达标,保证植株正常生长,还降低了农药的使用量,节约成本;并且实现全自动控制,提高了自动化水平,降低了操作难度。
附图说明
图1为本发明的无人机的结构示意图。
图2为本发明的无人机底部的结构示意图。
图3为本发明的镜头拍摄的高刷新率的数据样式图。
图4为控制系统的线路布置的结构示意图。
具体实施方式
如图1~4所示,本实施例的无人机包括机身1和安装在机身1上的镜头21朝下用于检测无人机的飞行速度的光流传感器2,喷药系统3,根据机身飞行速度控制喷药系统3喷药量的控制系统4以及显示当前流量的显示系统5。
本实施例中,无人机的机身1为单旋翼的无人机,也可以采用多旋翼式的无人机。
光流传感器2位于机身1下方,由ADNS3080配合一个镜头21设计而成,安装在机身1的中心轴11上,镜头21朝下布置。光流传感器2通过自稳云台22与机身1连接,自稳云台22与机身1通过软弹性硅胶小球23相连接,减少机身低频震动对光流传感器2的干扰。
喷药系统3包括两套喷药单元,每套喷药单元包括药箱31、喷杆32以及将药液自药箱31输送至喷杆32的输液泵33,喷杆32上设有一组喷嘴34,两喷杆32结构相同,对称布置在机身1的中心轴11的两侧,输液泵33采用直流齿轮泵。其中,药箱可以共用,这样就不会因为各药箱内药液量的变化而印象机身平衡,可以更好地保持机身平衡。也可以将两个药箱通过管路汇总后再进行供液,也可以达到保持机身平衡的效果。控制系统4分别控制输液泵33的转速来控制各喷药单元的喷药量。
控制系统4为MCU,采用ArduinoUno,光流传感器2通过SPI串行总线与ArduinoUno通信;显示系统5包括安装板51,显示屏52,以及调节单位面积喷药量的两个按键53,模式切换键54,返回键55,四个按键分别与ArduinoUno的GPIO口相连,ArduinoUno采集按键开关产生的高沿次数进行累加,显示屏52采用LCD1602,ArduinoUno通过数据总线与LCD1602通讯。
ArduinoUno与各输液泵33的高频直流电机驱动板35以及ADNS3080的电路连接如图4所示。
还设有霍尔元件6组成的流量传感器测量喷药系统3的总流量,并直接显示在LCD1062上。霍尔元件与流量关系为,:
F=0.222*SpinCount+320.7
刷新周期为25ms,其中F为单位时间内流量,SpinCount为霍尔传感器在单位时间内产生的高沿数,上述流量与高沿数的关系式由如下数据拟合曲线得到:
编号 | F | Spincount | 编号 | F | Spincount | 编号 | F | Spincount |
1 | 210 | 618 | 11 | 540 | 2108 | 21 | 758 | 3047 |
2 | 240 | 765 | 12 | 565 | 2196 | 22 | 768 | 3101 |
3 | 271 | 965 | 13 | 587 | 2300 | 23 | 790 | 3205 |
4 | 301 | 1086 | 14 | 600 | 2363 | 24 | 808 | 3272 |
5 | 338 | 1246 | 15 | 638 | 2467 | 25 | 818 | 3312 |
6 | 372 | 1387 | 16 | 645 | 2562 | 26 | 830 | 3388 |
7 | 403 | 1534 | 17 | 663 | 2629 | 27 | 841 | 3446 |
8 | 433 | 1650 | 18 | 687 | 2726 | 28 | 855 | 3494 |
9 | 488 | 1879 | 19 | 707 | 2814 | 29 | 863 | 3548 |
10 | 515 | 1992 | 20 | 720 | 2878 | 30 | 872 | 3583 |
编号 | F | Spincount | 编号 | F | Spincount | 编号 | F | Spincount |
31 | 887 | 3639 | 41 | 995 | 4161 | 51 | 1098 | 4617 |
32 | 888 | 3647 | 42 | 1014 | 4182 | 52 | 1103 | 4643 |
33 | 918 | 3752 | 43 | 1012 | 4202 | 53 | 1111 | 4683 |
34 | 922 | 3810 | 44 | 1032 | 4317 | 54 | 1119 | 4708 |
35 | 944 | 3909 | 45 | 1048 | 4348 | 55 | 1130 | 4776 |
36 | 952 | 3948 | 46 | 1058 | 4419 | 56 | 1138 | 4852 |
37 | 963 | 3992 | 47 | 1070 | 4487 | 57 | 1157 | 4904 |
38 | 978 | 4053 | 48 | 1021 | 4502 | 58 | 1172 | 5003 |
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40 | 1000 | 4155 | 50 | 1095 | 4591 |
本实施例的无人机使用过程如下:
1、启动光流传感器,光流传感器的镜头在30pixel×30pixel内提供高刷新率的实时速度计算,所得数据样式如图3所示,会得到该图像中各个特征点的行走速度和轴向旋转速度,通过计算得到机身的为结合角速度α和线速度V,并得到左、右侧机身的线速度,
右侧机身的飞行线速度为:
左侧机身的飞行线速度为:
L为机身的总喷药宽幅,V1为当前机身的线速度,α当前机身的旋转角速度,角速度以逆时针旋转为正;
2、控制系统4接收上述左、右机身线速度的数据,按照如下公式分别计算左、右侧机身所需的喷药速度,并控制对应的输液泵的转速调节流量,供药流量与飞行速度的关系式如下:
F=QV2A
F为输液泵供药流量,Q为种植地面单位面积的喷药量,A为喷药宽幅,V2为对应机身线速度。
左右侧喷药宽幅相同,都为0.5L,带入上述公式,对应计算出左、右两侧喷药单元所需的喷药流量,分别为:
3、MCU输出相应的PWM控制信号给齿轮泵的高频直流电机驱动板35,驱动齿轮泵电机按照所需流量进行旋转,得要所需的流量,喷药流量与PWM匹配函数为:
F=8.396e-5*PWM3-0.04924*PWM2+11.93*PWM-49.03
关系式由如下数据拟合曲线得到:
综上所述,本实施例的变量喷洒农药的无人机以及方法,可以有效提高农药喷洒的均匀度,避免农药过度喷洒对植株的伤害或欠喷造成喷药效果不达标,保证植株正常生长,还降低了农药的使用量,节约成本;并且实现全自动控制,提高了自动化水平,降低了操作难度。
Claims (3)
1.一种使用无人机变量喷药的方法,其特征在于,
使用的变量喷洒农药的无人机,包括机身和安装在机身上的喷药系统以及根据机身飞行速度控制喷药系统喷药量的控制系统,还包括镜头朝下用于检测无人机的飞行速度的光流传感器,所述光流传感器的信号输出端与控制系统连接;
所述喷药系统包括两套喷药单元,每套喷药单元包括一组喷嘴,所有喷嘴沿机身横向排列;
每套喷药单元分别受控于所述控制系统,用以调节对应一组喷嘴的喷药量;
每套喷药单元还包括药箱、喷杆以及将药液自药箱输送至喷杆的输液泵,所述喷杆上设有对应一组喷嘴;
所述输液泵通过电路接入并受控于所述控制系统以调节喷药量;
所述光流传感器安装在机身的中心轴上,光流传感器的镜头朝向机身的正下方;
两套喷药单元的喷杆结构相同,对称布置在机身的中心轴的两侧;
包括下述步骤:
(1)采用光流法检测无人机的飞行速度;
(2)根据飞行速度调节喷药量的变化;
步骤(2)中,根据机身各部分飞行速度不同,分别调节对应喷药单元的喷药量;
步骤(1)中,将机身分为左右两部分,两侧机身设有对应的喷药单元,两侧具有相同的喷药宽幅,右侧机身的飞行线速度为:
左侧机身的飞行线速度为:
L为机身的总喷药宽幅,V1为当前机身的线速度,α当前机身的旋转角速度,角速度以逆时针旋转为正;
步骤(2)中,根据左、右机身不同的飞行速度,分别调节左、右机身对应喷药单元的喷药量。
2.如权利要求1所述的使用无人机变量喷药的方法,其特征在于,步骤(2)中,通过控制输液泵的转速来调节喷药量。
3.如权利要求1所述的使用无人机变量喷药的方法,其特征在于,步骤(2),供药流量与飞行速度的关系式如下:
F=QV2A
F为输液泵供药流量,Q为种植地面单位面积的喷药量,A为喷药宽幅,V2为对应部分机身的线速度。
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