CN105292480A - 一种多旋翼无人机喷洒系统和喷洒控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多旋翼无人机喷洒系统和喷洒控制方法，利用控制装置协调控制气象检测装置、飞行数据检测装置和喷洒装置执行各自的功能，根据气象信息和飞行参数来自适应调整喷洒装置的喷洒，充分考虑到无人机飞行参数、气象信息以及喷洒雾滴大小对喷洒辐射范围的影响，解决了现有技术中无人机喷洒容易导致喷洒液的漂移或者漏喷的问题，实现对喷洒的精确控制。

Description

一种多旋翼无人机喷洒系统和喷洒控制方法

技术领域

本发明涉及多旋翼无人机自动喷洒领域，尤其涉及的是一种多旋翼无人机喷洒系统和喷洒控制方法。

背景技术

当今世界正在进行着绿色农业、有机农业、精准农业的技术革命，还将实施更先进的数字农业。农业病虫害的防治依然是农业生产的重点内容，是保证农业高产、高质，实现农业经济可持续发展的基础。我国丘陵山区占土地总面积的61%，但丘陵山区是我国水稻、油菜等主要农作物的主产区，在丘陵山区采用普通的地面装备难度较大。水稻生产在我国处于战略地位，据资料显示，我国历年水稻病虫草害的防治面积约占35%。由于稻田不同于旱地的特殊条件，使得地面装备行走困难。此外，湿地、滩涂、林地等特殊地形也不适合地面装备作业。因此，我国要想在这些丘陵山区仅靠地面喷洒装备实现植保机械化很困难，必须结合现代化的无人驾驶空中作业技术，才能构成完整的机械化植保体系。由于固定翼飞机的起飞和着陆必须使用跑道，作业飞行速度快，因此不适应于地形复杂、作业区障碍物多的作业环境，尤其不适用于中、小田块的病虫害防治，农药极易飘移到相邻地块的农作物上。因此，近年来无人机(UAV)喷雾设备的研究在日本、美国等发达国家得到了快速的发展。在我国，由于缺乏先进的无人机(UAV)喷洒技术和控制装置，使我国无人机(UAV)喷洒的应用水平与我国地区农业的发展需要不适应，与国外相比差距较大，从而导致我国利用无人机(UAV)进行农林作物喷雾一直是个空白。

现有技术中的无人机自动喷洒装置，没有考虑到无人机飞行参数和气象信息对喷洒液辐射范围的影响，以及喷洒雾滴的大小也会影响到喷洒液的辐射范围，缺乏对喷洒液雾滴大小和传播的有效控制，容易导致喷洒液的漂移或者漏喷。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种多旋翼无人机喷洒系统和喷洒控制方法，充分考虑到无人机飞行参数、气象信息以及喷洒雾滴大小对喷洒辐射范围的影响，实现对喷洒的精确控制。

技术方案：为实现上述目的，本发明的多旋翼无人机喷洒系统包括：输送泵、储液箱、控制装置、气象检测装置、飞行数据检测装置和喷洒装置；所述储液箱内盛放有待喷洒的喷洒液，所述喷洒装置通过所述输送泵与所述储液箱连接；所述控制装置分别与所述气象检测装置、飞行数据检测装置、输送泵和喷洒装置电连接；所述气象检测装置获取无人机飞行环境的气象信息；所述飞行数据检测装置检测无人机的飞行参数；所述控制装置根据所述气象信息和飞行状态控制所述喷洒装置和输送泵。

相应地，本发明还公开了一种上述多旋翼无人机喷洒系统实施喷洒的喷洒控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

气象检测装置根据预先设置的采样周期对无人机所在环境的气象信息进行检测，所述气象信息包括风速V、风向；

飞行数据检测装置检测无人机的飞行参数，所述飞行参数包括飞行速度v和飞行高度H；

控制装置利用根据预先设定的喷洒总量m、输送泵的流量系数l和所述飞行速度v控制输送泵的电机转速n，当飞行速度v加大时，控制装置输出到输送泵电机的电压降低，降低电机转速n；当飞行速度v减小时，控制模块输出到输送泵电机的电压增大，提高电机转速n；

控制装置根据所述风速V和所述离心喷头的电机转速系数L控制离心喷头的电机转速N，当风速V加大时，控制装置输出到离心喷头的电机的电压降低，降低离心喷头的电机转速N；当风速V降低时，控制装置输出到喷头电机的电压增大，提高离心喷头的电机转速N；

控制模块调整无人机的飞行方向，使无人机的飞行方向与当前时刻的风向平行，根据预先测定的高度系数k和所述风速V调整无人机的飞行高度H，当风速V增大时，降低无人机的高度H；当风速V降低时，加大航线高度H。

其中，每一采样时刻所述预先设定的喷洒总量m、输送泵的流量系数l和所述飞行速度v之间的关系式为：n=m/v*l；所述风速V、所述离心喷头的电机转速系数L和所述离心喷头的电机转速N之间的关系式为：N=L/V；所述风速V、所述高度系数k和所述飞行高度H之间的关系式为：H=k/V。

有益效果：本发明的多旋翼无人机喷洒系统和喷洒控制方法，利用控制装置协调控制气象检测装置、飞行数据检测装置和喷洒装置执行各自的功能，根据气象信息和飞行参数来自适应调整喷洒装置的喷洒；通过利用电机转速改变电动离心喷头所形成的雾滴大小使得雾滴大小能够根据风速和飞行速度的改变而进行调整，进一步根据飞行高度和风向对雾滴覆盖范围进行控制，自动适应无人机喷洒过程中无人机自身和环境因素的影响，提高了无人机的喷洒效果。

附图说明

图1是本发明的多旋翼无人机喷洒系统的结构示意图；

图2是电动离心喷头的一种结构示意图；

图3是电动离心喷头的另一种结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。

图1中的多旋翼无人机喷洒系统包括：输送泵、储液箱、控制装置、气象检测装置、飞行数据检测装置和喷洒装置；储液箱内盛放有待喷洒的药液或者水等喷洒液，喷洒装置通过输送泵与储液箱连接，其上设置有电动离心喷头；控制装置分别与气象检测装置、飞行数据检测装置、输送泵和喷洒装置电连接；气象检测装置获取无人机飞行环境的气象信息，该气象信息包括风速、风向等，并传送给控制装置；飞行数据检测装置检测无人机的飞行参数，该飞行参数包括飞行速度和飞行高度等信息；控制装置通过上述气象信息和飞行状态调整电动离心喷头和输送泵的转速，实现对喷洒液的喷洒量和雾化颗粒直径的动态控制。

图2中的电动离心喷头包括：罩壳1、喷嘴、电机、安装座2、雾化转盘3、锁紧螺丝4；安装座2呈圆饼状，罩壳1密封设置在安装座2的一侧面上，与安装底座2形成了喷洒液容纳空间；雾化转盘3设置在安装座2的另一个侧面上，雾化转盘3呈圆锥结构，锥面上设置有多个离心孔5，用于在雾化转盘3的高速转动下，将喷洒液甩出，离心孔5可以为多层呈阵列规则分布，也可以相邻两层之间交错分布；安装座2的中心设置有通孔，电机(图中未示出)安装在罩壳1内，电机轴该中心通孔穿过并从雾化转盘3的锥面顶点穿出，其末端通过锁紧螺丝4与雾化转盘3的底部锁紧连接。罩壳1、喷嘴、安装座2、雾化转盘3和锁紧螺丝4的材料均可采用具有良好抗腐蚀性能的聚甲醛。

图3中的电动离心喷头包括：罩壳1、喷嘴、电机、安装座2、雾化转盘3、锁紧螺丝4，与图2中的区别仅在于雾化转盘3包括多个切断层，任意两切断层之间设置有间隙用于喷洒液的喷洒。

利用上述多旋翼无人机喷洒系统进行喷洒液的喷洒时，电机驱动雾化转盘3高速旋转，输送泵将喷洒液由储液箱输送至雾化转盘3，喷洒液在离心力的作用下，沿着雾化转盘3外表面上的切断层形成螺旋线状飞出，通过与空气撞击而形成细小的雾滴。采用这种雾化方式，可以通过改变雾化转盘3中电机的电压调节雾化转盘3的转速，达到调整雾化颗粒直径目的；同时通过调节输送泵的电机电压改变喷头的流量。

在喷洒的过程中，影响喷洒效果的因素很多，如目标植株、液滴雾化程度、雾滴流场的输运特性以及雾滴的穿透性等等。为避免或减轻农药对非靶标区域的影响和环境污染，无人机作业前应考虑以下两个方面因素:一是作业条件，如气象条件，特别是风向、风速；二是飞行参数，如飞行高度和飞行速度，应根据田块大小、作业条件、喷液量要求来调整。本发明中对喷洒液的控制主要包括雾滴形成阶段和雾滴喷洒辐射阶段，雾滴形成阶段的主要参数是雾滴大小，雾滴大小通过调节输送泵的电机转速和电动离心喷头的电机转速来实现；雾滴喷洒辐射阶段主要受到无人机飞行时的气流速度、状态、外界大气影响，通过调节无人机的飞行高度来实现。本发明中利用上述多旋翼无人机喷洒系统通过控制装置协调控制气象检测装置、飞行数据检测装置和喷洒装置执行各自的功能，根据气象信息和飞行参数来自适应调整喷洒装置的喷洒，具体过程如下：

气象检测装置根据预先设置的采样周期对无人机所在环境的气象信息进行检测，该气象信息包括风速V、风向，并将该气象信息传送给控制装置；

飞行数据检测装置检测无人机的飞行参数，该飞行参数包括飞行速度v和飞行高度H，并将该飞行参数传送给控制装置；

控制装置根据预先设置的第一喷洒控制公式计算输送泵的电机转速n，并对输送泵的电机进行控制，所述第一喷洒控制公式为：n=m/v*l，式中，m为喷洒总量，可以根据需要预先设定，v为当前时刻的飞行速度，l为输送泵的流量系数，该系数由所选的输送泵决定；当飞行速度v加大时，控制装置输出到输送泵电机的电压降低，降低电机转速n；当飞行速度v减小时，控制模块输出到输送泵电机的电压增大，提高电机转速n，使得当前时刻喷洒液的喷洒总量满足预先设置的量值；

控制装置根据预先设置的第二喷洒控制公式计算并调整离心喷头的电机转速N，所述第二喷洒控制公式为：N=L/V，式中，V为当前时刻的风速，L为电机的转速系数，该系数由所选择的电机决定；当风速V加大时，控制装置输出到离心喷头的电机的电压降低，降低离心喷头的电机转速N，以达到增大雾化颗粒直径减小漂移的目的；当风速V降低时，控制装置输出到喷头电机的电压增大，提高离心喷头的电机转速N，以达到减小雾化颗粒直径提高效率的目的；

控制模块调整无人机的飞行方向，使得无人机的飞行方向与当前时刻的风向平行，根据第三喷洒控制公式计算并调整无人机的飞行高度，所述第三喷洒控制公式为：H=k/V，H为无人机的飞行高度，k为高度系数，该系数由离心喷头的结构决定，表示单位风速下，单位高度所对应的喷洒辐射半径，不同离心喷头的结构在近似真空状态下，同一高度，电机以相同速度旋转所得到的喷洒液辐射区域的半径不同，该半径可以根据实验预先估算得到；当风速V增大时，降低无人机的飞行高度H，减少喷洒漂移；当风速V降低时，加大飞行高度H，提高喷洒效率。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多旋翼无人机喷洒系统，其特征在于，包括：输送泵、储液箱、控制装置、气象检测装置、飞行数据检测装置和喷洒装置，所述喷洒装置包括电动离心喷头；所述储液箱内盛放有待喷洒的喷洒液，所述喷洒装置通过所述输送泵与所述储液箱连接；所述控制装置分别与所述气象检测装置、飞行数据检测装置、输送泵和喷洒装置电连接；所述气象检测装置获取无人机飞行环境的气象信息；所述飞行数据检测装置检测无人机的飞行参数；所述控制装置根据所述气象信息和飞行状态控制所述喷洒装置和输送泵。

2.根据权利要求1所述的多旋翼无人机喷洒系统，其特征在于，所述电动离心喷头包括：罩壳（1）、电机、安装座（2）、雾化转盘（3）；所述罩壳（1）密封设置在所述安装座（2）的一侧，与安装底座（2）形成喷洒液容纳空间；所述雾化转盘（3）设置在所述安装座（2）的另一侧，所述雾化转盘（3）上设置有多个离心孔（5）；所述安装座（2）的中心设置有通孔，所述电机设置在所述罩壳（1）内，电机轴从所述通孔中穿出与所述雾化转盘（3）连接，带动所述雾化转盘（3）转动使所述喷洒液从所述离心孔（5）甩出。

3.根据权利要求2所述的多旋翼无人机喷洒系统，其特征在于，所述离心孔（5）为多层分布，每相邻两层之间间隔分布。

4.根据权利要求2所述的多旋翼无人机喷洒系统，其特征在于，所述雾化转盘（3）上设置有多个切断层，每相邻两个所述切断层之间设置有间隙代替所述离心孔（5）。

5.根据权利要求2至4中任意一项所述的多旋翼无人机喷洒系统，其特征在于，所述雾化转盘（3）呈圆锥状结构。

6.根据权利要求2至4中任意一项所述的多旋翼无人机喷洒系统，其特征在于，所述电动离心喷头还包括：锁紧螺丝（4），所述电机轴从所述雾化转盘（3）的底部穿出，通过所述锁紧螺丝（4）与所述雾化转盘（3）的底部固定连接。

7.一种利用权利要求1所述的多旋翼无人机喷洒系统实施喷洒的喷洒控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

气象检测装置根据预先设置的采样周期对无人机所在环境的气象信息进行检测，所述气象信息包括风速V、风向；

飞行数据检测装置检测无人机的飞行参数，所述飞行参数包括飞行速度v和飞行高度H；

控制装置利用根据预先设定的喷洒总量m、输送泵的流量系数l和所述飞行速度v控制输送泵的电机转速n，当飞行速度v加大时，控制装置输出到输送泵电机的电压降低，降低电机转速n；当飞行速度v减小时，控制模块输出到输送泵电机的电压增大，提高电机转速n；

控制装置根据所述风速V和所述离心喷头的电机转速系数L控制离心喷头的电机转速N，当风速V加大时，控制装置输出到离心喷头的电机的电压降低，降低离心喷头的电机转速N；当风速V降低时，控制装置输出到喷头电机的电压增大，提高离心喷头的电机转速N；

控制模块调整无人机的飞行方向，使无人机的飞行方向与当前时刻的风向平行，根据预先测定的高度系数k和所述风速V调整无人机的飞行高度H，当风速V增大时，降低无人机的高度H；当风速V降低时，加大飞行高度H。

8.根据权利要求7所述的喷洒控制方法，其特征在于，每一采样时刻，所述预先设定的喷洒总量m、输送泵的流量系数l和所述飞行速度v之间的关系式为：n=m/v*l。

9.根据权利要求7所述的喷洒控制方法，其特征在于，每一采样时刻，所述风速V、所述离心喷头的电机转速系数L和所述离心喷头的电机转速N之间的关系式为：N=L/V。

10.根据权利要求7所述的喷洒控制方法，其特征在于，每一采样时刻，所述风速V、所述高度系数k和所述飞行高度H之间的关系式为：H=k/V。