CN105903590B - 一种喷洒流量自动控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种喷洒流量自动控制系统，包括GPS模块、IMU模块、超声波模块、气压计模块、电子磁罗盘模块；以上所述模块采集的数据通过惯导修正模块融合成惯导数据，所述惯导修正模块将惯导数据解算出无人机运行的旋转速度数据和水平速度数据，旋转速度数据和水平速度数据都是以机身坐标系作为参照，旋转速度数据和水平速度数据输入至流量自动控制模块，流量自动控制模块采用PID控制方式生成喷头喷洒输出量数据，该种喷洒流量自动控制方法和系统，主要针对于解决喷洒流量与飞行速度自适应问题，实时保持单位面积内喷洒浓度固定；同时具备其他监测功能供用户参考。

Description

一种喷洒流量自动控制系统
技术领域
本发明涉及一种喷洒流量控制系统，特别涉及一种喷洒流量自动控制系统属于种植业技术领域。
背景技术
随着农业机械化、现代化程度的加深，越来越多高科技技术运用农业的种植技术中，特别是随着无人机技术的发展，大规模的种植物更多的会选择无人机喷洒技术，这种喷洒技术能有效的减少地形等客观因素对喷洒效果的影响，提高种植效率，降低工人的劳动强度。但由于植保无人机喷洒流量固定，而无人机的飞行速度和飞行高度是变化的，特别是对于不同的复杂地形将造成喷洒密度不均匀，造成一定程度上影响防治效果，农药使用经济性差，农药残留指标不合格等后果，目前针对复杂地形一般都是采用GPS进行定位，但单一的定位方式，精度不高，不能满足实际需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服不能适应复杂地形，喷洒密度不均匀，一定程度上影响防治效果，农药使用经济性差，农药残留指标不合格的缺陷，提供一种喷洒流量自动控制系统。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
本发明一种喷洒流量自动控制系统，包括GPS模块、IMU模块、超声波模块、气压计模块、电子磁罗盘模块，以上所述模块采集的数据通过惯导修正模块融合成惯导数据，所述惯导修正模块将惯导数据解算出无人机运行的旋转速度数据和水平速度数据，所述旋转速度数据和所述水平速度数据输入至流量自动控制模块，所述旋转速度数据和水平速度数据都是以机身坐标系作为参照，所述流量自动控制模块生成喷头喷洒输出量数据，所述喷头喷洒输出量数据输入至可控流量喷洒系统，所述可控流量喷洒系统控制输出连接喷头；所述流量自动控制模块输入端控制连接有药箱容积设定模块、喷洒密度设定模块、喷洒模式设定模块、喷洒宽度设定模块、喷头数目设定模块、喷头布局方式设定模块、螺旋桨直径设定模块，所述流量自动控制模块信号输出端连接有辅助功能数据输出。
作为本发明的一种优选技术方案，所述超声波模块还包括高度自适应模块，所述高度自适应模块与超声波模块信号连接。
作为本发明的一种优选技术方案，所述超声波模块还包括独立电源，所述独立电源与超声波模块电性连接。
作为本发明的一种优选技术方案，所述喷头均匀分别在所述无人机的底部。
作为本发明的一种优选技术方案，所述GPS模块包括采集飞机水平位置数据和垂直位置数据。
作为本发明的一种优选技术方案，所述IMU模块包括采集飞机水平加速度、水平速度、垂直速度、垂直加速度数据。
作为本发明的一种优选技术方案，所述喷头的排列长度等同于飞机螺旋桨的直径。
喷洒流量自动控制模块：
a.由于飞机的喷头是垂直于机头排列，飞机在水平面内任何方向移动，喷头均会扫过一定面积，飞行速度越快，单位时间扫过的面积越大。故将计算出飞机前后移动速度和飞机左右移动速度，最后通过算法计算出单位时间内实际喷洒面积，并转为实际喷洒密度，利用实际喷洒密度与设定喷洒密度的差值进行自动补偿。
b.由于飞机在转弯过程中，以飞机几何中心为中心，靠近飞机旋转中心一侧，喷头扫过的面积较少，远离飞机旋转中心的一侧，喷头扫过的面积较大；飞机旋转的速度越大，内外侧的面积差异就越大。为补偿这个差异，利用飞机的旋转速度进行自动补偿。
c.喷头在螺旋桨风压的作用下，会形成约螺旋桨直径大小的喷洒范围,因此把喷头左右方向的喷洒宽度设置为螺旋桨直径；把前后方向的喷洒宽度设置为一个自定义值（该值是相对于作物的标准飞行高度时的喷洒宽度）。
d.采集设置药箱总容积，喷洒密度，喷洒模式，喷洒宽度（喷幅），喷头数目，喷头布局方式，螺旋桨直径，飞行水平速度（机身坐标系），飞机旋转速度（机身坐标系）。
根据以上数据，通过以上描述的方式自动计算每个喷头喷洒控制输出量。发送喷洒控制量给喷洒系统。
本发明所达到的有益效果是：该种喷洒流量自动控制方法和系统，主要针对于解决喷洒流量与飞行速度和高度的自适应问题，实现不同地形地貌环境下实时保持单位面积内喷洒浓度固定，喷洒密度均匀，能够达到预期的防治效果，农药使用经济性好；同时具备其他监测功能供用户参考如：计算单个喷头喷洒累计体积；计算喷头喷洒总体积和药液剩余量；计算药液剩余喷洒时间；计算累计喷洒面积。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明喷洒流量自动控制系统的工作流程结构简图；
图2是本发明机身坐标系示意图
图中：1、GPS模块；2、IMU模块；3、超声波模块；4、气压计模块；5、电子磁罗盘模块；6、惯导修正模块；7、旋转速度数据；8、水平速度数据；9、流量自动控制模块；10、喷头喷洒输出量数据；11、可控流量喷洒系统；12、喷头；13、辅助功能数据输出；14、药箱容积设定模块；15、喷洒密度设定模块；16、喷洒模式设定模块；17、喷洒宽度设定模块；18、喷头数目设定模块；19、喷头布局方式设定模块；20、螺旋桨直径设定模块。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1所示，一种喷洒流量自动控制方法和系统，包括GPS模块 1、IMU模块 2、超声波模块3、气压计模块4、电子磁罗盘模块5，以上所述模块采集的数据通过惯导修正模块6融合成惯导数据，所述惯导修正模块6将惯导数据解算出无人机运行的旋转速度数据7和水平速度数据8，旋转速度数据7和水平速度数据8输入至流量自动控制模块9，流量自动控制模块9生成喷头喷洒输出量数据10，所述旋转速度数据7和水平速度数据8都是以机身坐标系作为参照，喷头喷洒输出量数据10输入至可控流量喷洒系统11，可控流量喷洒系统11控制输出连接喷头12；流量自动控制模块9输入端控制连接有药箱容积设定模块14、喷洒密度设定模块15、喷洒模式设定模块16、喷洒宽度设定模块17、喷头数目设定模块18、喷头布局方式设定模块19、螺旋桨直径设定模块20，流量自动控制模块9信号输出端连接有辅助功能数据输出13。
超声波模块3还包括高度自适应模块，所述高度自适应模块与超声波模块3信号连接，超声波模块3还包括独立电源，超声波模块3与独立电源电性连接。
喷头12均匀分别在无人机的底部。GPS模块 1包括采集飞机水平和垂直位置数据。IMU模块 2包括采集飞机水平加速度数据、水平速度数据、垂直速度数据、垂直加速度数据。喷头12的排列长度等同于飞机螺旋桨的直径，所述喷头12的数量为8个，数量太少喷洒面积过小，数量过多，不利于控制喷洒的均匀性。
本发明实现的原理步骤：
一、数据采集：
1.采集GPS模块1的飞机水平和垂直位置数据；采集气压计模块4的高度数据通过计算得到飞机的海拔高度数据。
2.采集IMU(惯性测量单元)模块2的数据并计算飞机姿态数据。
3.采集电子磁罗盘模块5数据并计算飞机的机头方向数据。
二、惯导数据融合：
1.水平位置信息修正：利用IMU模块2的水平数据（NED坐标系）（水平加速度数据、水平速度数据）对GPS模块1的水平位置数据进行修正。
2.垂直位置修正：a.利用气压计模块4检测的高度数据和IMU模块2的垂直数据（垂直速度数据、垂直加速度数据）对GPS模块1的垂直位置数据进行修正。b.在高度数据有限的情况下，利用超声波模块3（超声波安装飞机的底部，测量飞机对地面的相对距离）检测的高度数据对a中修正后的垂直位置数据进一步修正，较大的提高垂直位置精度，垂直位置精度的高低直接关系到复杂地形条件下，对无人机高度的自适应调节，进而影响到农药喷洒的均匀性。
超声波模块3发出超声波给农作物，农作物反射超声波给超声波模块3，超声波模块3还包括高度自适应模块，高度自适应模块负责接收高度原始数据，并进行数字滤波处理。高度自适应模块接收飞控（用户）高度设置值和高度自适应开关，确定是否开启本模块功能。高度自适应模块在功能开启的状态下，将实时高度与高度设置值进行比较计算，输出高度偏差给惯导修正模块6。采用独立电源专门给超声波模块供电：由于电机对电源的干扰会导致超声波测试数据不稳定，所以采用独立电源专门给超声波模块3供电可以使超声波测试数据更加稳定。
3.利用电子磁罗盘模块4数据修正IMU模块2数据计算出的机头方向数据和旋转速度数据(机身坐标系)。
4. 如图2所示，水平速度数据(机身坐标系)解算：
（机身坐标系：正方向规定：飞机机头方向为x“+”, 飞机机头右方为y“+”，x和y正交）
飞机的水平速度x方向分量表示：vx_plane；
飞机的水平速度y方向分量表示：vy_plane；
惯导修正模块6利用该模块已融合的机头方向数据和飞机的水平数据（NED坐标系）计算出飞机的水平速度数据(机身坐标系)8；水平速度数据8包括分量vx_plane和分量vy_plane。
三、喷洒流量自动控制模块：
1.通过药箱容积设定模块14采集设置药箱总容积数据，通过喷洒密度设定模块15采集喷洒密度数据，通过喷洒模式设定模块16采集喷洒模式数据，通过喷洒宽度设定模块17设置喷洒宽度（喷幅）数据，通过喷头数目设定模块18采集喷头数目数据，喷头布局方式设定模块19采集喷头布局方式数据，通过螺旋桨直径设定模块采集螺旋桨直径数据，以上数据是通过设定得到的设定数据，以上设定数据首先与飞机的水平速度数据8进行比较，得到中间量（1），所述中间量（1）通过PID控制方式计算得到中间量（2），其中水平速度数据8包括了飞机的水平速度x方向分量和飞机的水平速度y方向分量，水平速度数据8是以机身坐标系作为参照。
2. 所述中间量（2）再与飞机的旋转速度数据7进行比较得到中间量（3），所述中间量（3）通过PID控制方式自动计算每个喷头喷洒控制输出量。
a.由于飞机的喷头是垂直于机头排列，飞机在水平面内任何方向移动，喷头均会扫过一定面积，飞行速度越快，扫过的面积越大。故将计算出飞机前后移动速度和飞机左右移动速度，最后通过算法计算出单位时间内实际喷洒面积，并转为实际喷洒密度，利用实际喷洒密度与设定喷洒密度的差值进行自动补偿。
b.由于飞机在转弯过程中，以飞机几何中心为中心，靠近飞机旋转中心一侧，喷头扫过的面积较少，远离飞机旋转中心的一侧，喷头扫过的面积较大；飞机旋转的速度越大，内外侧的面积差异就越大。为补偿这个差异，利用飞机旋转速度进行自动补偿。
c.喷头在螺旋桨风压得作用下，会形成约螺旋桨直径大小的喷洒范围,因此把喷头左右方向的喷洒宽度设置为螺旋桨直径；把前后方向的喷洒宽度设置为一个自定义值（该值是相对于作物的标准飞行高度时的喷洒宽度。
3.发送喷洒控制量给喷洒系统。
四、通过喷洒流量自动控制模块其他辅助功能：
1.计算单个喷头喷洒累计体积；
2.计算喷头喷洒总体积和药液剩余量；
3.计算药液剩余喷洒时间；
4.计算累计喷洒面积。
该种喷洒流量自动控制方法和系统，主要针对于解决喷洒流量与飞行速度和高度自适应问题，实时保持单位面积内喷洒浓度固定；同时具备其他监测功能供用户参考。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种喷洒流量自动控制系统，其特征在于，包括GPS模块（1）、IMU模块（2）、超声波模块（3）、气压计模块（4）、电子磁罗盘模块（5），以上所述模块采集的数据通过惯导修正模块（6）融合成惯导数据，所述惯导修正模块（6）将惯导数据解算出无人机运行的旋转速度数据（7）和水平速度数据（8），所述旋转速度数据（7）和所述水平速度数据（8）输入至流量自动控制模块（9），所述旋转速度数据（7）和水平速度数据（8）都是以机身坐标系作为参照，所述流量自动控制模块（9）生成喷头喷洒输出量数据（10），所述喷头喷洒输出量数据（10）输入至可控流量喷洒系统（11），所述可控流量喷洒系统（11）控制输出连接喷头（12）；所述流量自动控制模块（9）输入端控制连接有药箱容积设定模块（14）、喷洒密度设定模块（15）、喷洒模式设定模块（16）、喷洒宽度设定模块（17）、喷头数目设定模块（18）、喷头布局方式设定模块（19）、螺旋桨直径设定模块（20），所述流量自动控制模块（9）信号输出端连接有辅助功能数据输出（13）。
2.根据权利要求1所述的一种喷洒流量自动控制系统，其特征在于，所述超声波模块（3）还包括高度自适应模块，所述高度自适应模块与超声波模块（3）信号连接。
3.根据权利要求1所述的一种喷洒流量自动控制系统，其特征在于，所述超声波模块（3）还包括独立电源，所述独立电源与超声波模块（3）电性连接。
4.根据权利要求3所述的一种喷洒流量自动控制系统，其特征在于，所述喷头（12）均匀分布在所述无人机的底部。
5.根据权利要求3所述的一种喷洒流量自动控制系统，其特征在于，所述GPS模块（1）包括采集飞机水平位置数据和垂直位置数据。
6.根据权利要求3所述的一种喷洒流量自动控制系统，其特征在于，所述IMU模块（2）包括采集飞机水平加速度数据、水平速度数据、垂直速度数据、垂直加速度数据。
7.根据权利要求1-4任一所述的一种喷洒流量自动控制系统，其特征在于，所述喷头（12）的排列长度等同于飞机螺旋桨的直径。
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