CN106970634B - 一种智能植保无人机的控制管理系统及其控制方法 - Google Patents

一种智能植保无人机的控制管理系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种智能植保无人机的控制管理系统及其控制方法，包括控制无人机飞行的飞行控制系统和控制喷洒装置的智能喷洒管理系统，根据喷洒面积及用药量计算出喷头中工作喷嘴数量、水泵压力及巡航速度。与现有技术相比，本发明对于农田内药物的喷洒更加均匀，不会造成药物滴漏现象。

Description

一种智能植保无人机的控制管理系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种智能植保无人机的控制管理系统及其控制方法，属于导航定位与控制的技术领域。
背景技术
植保无人机在给农作物喷洒农药时，经常会出现药物喷洒不均匀的现象。其主要由三个方面的原因，第一，飞行高度、飞行速度及水泵输出量均会影响最后附着在农作物上的药量，但是许多无人机在作业时，没有将这三者进行整体的考虑，因此在加减速或转弯处，飞机高度、速度发生变化后，导致药量不均匀。第二，在喷洒过程中，可能会由部分喷嘴被堵塞，如果没有及时发现，将会导致成块的农作物被漏掉。第三，药量较低或机载农药用尽时，未能及时记录停药点或没有记录停药点，致使小片农作物被遗漏。
不同的农作物，对农药的需求量不同。同一种农作物对不同农药的需求量也不同。因此在改变作业对象时，无人机在单位时间内的喷药量要发生改变。如果通过调节水泵压力大小来改变喷药量，会使农药的雾化效果变差，甚至是变成水滴状。如果通过飞机飞行速度或高度来改变喷药量，会降低打药效率。这些方法无法使植保无人机的喷洒效果在面对不同作物时，均处于一个较好的状态。
因此，要进一步提高植保无人机的工作质量，解决上述问题是迫切需要的。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种喷洒农药均匀的植保无人机的控制管理系统及其控制方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种智能植保无人机的控制管理系统，包括飞行控制系统和智能喷洒管理系统，所述飞行控制系统包括主控芯片A以及分别电气连接在主控芯片A上的姿态传感器、差分GPS、气压计、无线电数传、动力电量检测模块，所述智能喷洒管理系统包括辅控芯片B、流量计、电源模块、水泵及常闭电磁阀，所述主控芯片A、辅控芯片B、电源模块、常闭电磁阀依次串联，所述水泵电气连接电源模块，水泵外设置有药箱，药箱、水泵、常闭电磁阀通过管道依次连接。
所述常闭电磁阀外设置有喷洒装置，常闭电磁阀与喷洒装置之间还设置有流量计，常闭电磁阀、流量计、喷头依次管道连接，所述流量计电气连接辅控芯片B。
所述喷洒装置包括六个喷嘴，六个喷嘴按机头方向三行两列安装在飞机底部，其中每行为一组喷嘴，共三组喷组，均向下喷洒农药。
一种智能植保无人机的控制管理系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
A.给FCS设定飞行航线、喷洒面积和用药量。其中飞行航线包括了飞机自动飞行时的经纬度、高度及速度信息；
B.将喷洒面积、用药量及飞行航线中的飞行高度数据发送给ISMS，ISMS根据这些数据计算出需要开启的最佳喷嘴组数及飞机巡航速度，巡航速度发送给FCS用于控制飞行速度，具体计算方式如下：
I、计算喷洒系统喷洒宽度W
根据飞行高度H、农作物高度h及喷嘴喷洒角度θ计算出单个喷嘴喷洒宽度W1，
因为每组喷嘴包含两个并列的喷嘴，所以喷洒系统的喷洒宽度W＝2*W1；
II、计算需要开启的喷嘴组数K1
设喷洒面积为S，用药量为Vol，预先设定无人机速度为Va，喷洒面积及用药量源数据在步骤A中获得，预先设定无人机速度源数据在步骤A中的飞行航线数据中获取，喷洒宽度W在计算过程I中获得，由此计算出无人机喷洒农药的总流量A，公式如下：
在所受水泵压力恰好使喷雾均匀时的喷洒效率最高，此时的压力值也常作为喷嘴工作的最小压力Pmin，此时单个喷嘴的喷洒流量为则一组喷嘴的流量为/>可以求出所需的开启的喷嘴组数为K，
此时K若为小数，不满足实际情况，可K取数轴上比K小且离K最近的整数K1，然后通过加大压力的方式，补偿剩余所需流量；
III、增压补偿流量R计算
设在Pmin下，采用K1组喷嘴后，为满足喷洒总流量A的需求，单组喷嘴还需补充的流量R，公式为
R＝(K-K1)*(2*a)
IV、最佳巡航速度Va1计算
单个喷嘴所受水泵压力从Pmin增加到Pmax时，单个喷嘴的流量增加量为b，则压力后，已开启所有喷嘴总流量相比Pmin时增加量为(2*b)*K1。
若R大于(2*b)*K1。，即无法通过增加压强来满足喷洒总流量为A的需求，则可以通过适当的放慢飞行速度来增加流量；使水泵压强最大时，喷嘴喷洒流量最大，此时飞机飞行速度变化量最小，对于作业效率降低最小；单个喷嘴在水泵压力最大时的流量为(a+b)，则单组喷嘴的总流量为2*(a+b)；假设无人机在速度为Va1，喷嘴总流量为2*(a+b)*K1时，正好能使Vol升农药均匀喷洒在面积为S的农田上，则应该满足如下关系式，
从而可以求出最佳飞机巡航速度Va1；
若R小于(2*b)*K,即可以通过增加压强来满足喷洒总流量为A的需求，巡航速度为飞行航线任务中的巡航速度信息；
C.在进行植保作业时，辅控芯片B捕获流量计输出的脉冲信号，根据脉冲信号的频率计算出单个喷嘴喷洒的农药的流量，然后对每个喷嘴的流量数据进行检测，检测结果分为三种情况：a、每个喷嘴流量均处于设定的最低值之上；b、单个喷嘴流量处于最低值之下；c、每个喷嘴流量均处于最低值之下；在检测情况为a时，求取流量的均值，当做反馈信号用于流量控制；在检测情况为b时，关闭水泵，并发送故障指令1给FCS，FCS收到指令后，记录当前的GPS坐标并返航；在检测情况为c时，关闭水泵，并发送故障指令2给FCS，FCS收到指令后，记录当前的GPS坐标并返航，故障指令1表示某一个或多个喷嘴的喷洒状态异常，故障指令2表示所有喷嘴的喷洒状态异常；
D.正常作业时，流量检测结果为a，根据反馈回来的流量信息，可以对喷洒量进行控制，首先从FCS获取当前无人机飞行的速度，通过无人机飞行速度和单个喷嘴流量，可以计算单个喷嘴的流量a1为：
其中
此处H0和Ca0为飞机的实际高度和速度，将期望流量与当前流量做差经过PID运算，生成PWM占空比的修正量，输出给电源模块，控制水泵压力，使单个喷嘴流速发生变化，使无人机喷洒更加均匀，该流量再由流量计发送给辅控芯片B，为步骤B作数据参考；
即当飞机正常作业时，也可以通过飞行速度和飞行当FCS检测到动力电池低电量时，发送关机指令给ISMS，ISMS关闭水泵及所有常闭进水阀，FCS记录当前GPS坐标，返航。
与现有技术相比，本发明的一种智能植保无人机的控制管理系统及其控制方法，在需要不同的喷药量时，智能选择要开启的喷嘴数量，来决定喷药量的大小。在喷药量需求较小时，通过减少喷嘴数量来减小喷药量，能使喷雾仍然维持在一个较好的状态。同时可以做到高度变化不大，速度变化不大的情况下，改变喷药量。既能改变喷药量大小，也能维持较高的喷药效率。
在喷药过程中，通过引入飞行速度、飞行高度及喷嘴流量的信号，进行闭环控制。在使得飞机在加减速、匀速或转向的同时，附着在农作物上的药物量尽可能一致。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是无人机上的喷嘴示意图；
图3为流量控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选技术方案。
如图1所示，本发明的一种智能植保无人机的控制管理系统及其控制方法，用于解决植保无人机在喷洒农药时喷洒不均匀，以及改变作业对象时，喷洒效果一致性变差的问题；
主要由两大模块组成：飞行控制系统和智能喷洒管理系统。飞行控制系统包含主控芯片A、姿态传感器、差分GPS、气压计、无线电数传、动力电量检测模块等；智能喷洒管理系统包含：辅控芯片B、流量计、电源模块、水泵及常闭电磁阀(常闭电磁阀分为六个进水阀，见图一)等，系统结构框图见图1，图中细线连接部分将采用电气连接，粗线箭头连接的地方采用水管连接；
所述常闭电磁阀外设置有喷洒装置，常闭电磁阀与喷洒装置之间还设置有流量计，常闭电磁阀、流量计、喷头依次管道连接，所述流量计电气连接辅控芯片B；
所述所述喷洒装置包括六个喷嘴，六个喷嘴按机头方向三行两列安装在飞机底部，其中每行为一组喷嘴，共三组喷组，均向下喷洒农药。
飞行控制系统的主要功能是：根据姿态传感器和GPS给出的姿态、位置及速度信息，控制飞机在喷洒作业时的飞行轨迹及飞行速度。与地面站通信，并在工作工程中，与喷洒管理系统实时通信：1、发送开始工作和停止工作信号给喷洒管理系统；2、发送高度信息、速度信息给喷洒管理系统，并从喷洒管理系统获取期望速度；3、从喷洒管理系统中获取工作状态字，当获取药量为零或喷嘴故障的信号时，记录当前GPS位置。记录的GPS位置可以作为下次作业的起始点。
智能喷洒管理系统的主要功能是：
1、依据设定喷药量大小，通过主控芯片结合提前设置的喷嘴的参数，决定要开启的喷嘴的数量，并将开关信号输出给电源，给需要开启的喷嘴所对应的常闭电磁阀供电，开启相应喷嘴，不同的无人机可挂载的喷嘴数量不同，本系统最多支持控制6个喷嘴。
2、从流量计处获取四个喷嘴的流量信息，当所有喷嘴的流量数据均正常时，结合当前的飞行高度、飞行速度，计算出当前的控制量，输出控制信号给电源模块来控制水泵压力小幅度变化，进一步控制己开启的喷嘴的出药量，保证均匀喷药。
3、检测到单个喷嘴的流量处于异常时，关闭水泵，给飞控发出单个喷嘴异常的信号。检测到所有喷嘴流量均处于一个较低值时，关闭水泵，给飞控发出药量不足的信号。
飞行控制系统选型：主控芯片A选择STM32F407ZGT6，姿态传感器选择X-sens的MTI-300，差分GPA采用诺瓦泰OEM-617机载板卡及其配套基站，气压计选择MS5611。
智能喷洒管理系统选型：辅控芯片B选择STM32F103ZET6；水泵采用普兰迪PLD-1202微型隔膜水泵，最大压力0.6Mpa；流量计采用OKD-HZ06S霍尔流量传感器，常闭电磁阀选用DC12V常闭进水阀，电源模块基于开关三极管设计。另外，在详细说明时，采用某品牌VP110喷嘴，其在不同压力下的流量表如表1所示：
压力(Mpa) 流量(升/分钟)
0.2 0.45
0.3 0.55
0.4 0.63
表1喷嘴参数表
具体的，喷嘴在植保无人机下的安装图示意如图2，其中1、2、3为一组，4、5、6为一组，每个喷嘴对应一个流量计，每个流量计又对用一个进水阀。
本系统的工作过程介绍如下，在介绍中以下名词将采用括号内的简写代替：飞行控制系统(FCS)，喷洒管理系统(ISMS)。
A.给FCS设定飞行航线、喷洒面积和用药量。其中飞行航线包括了飞机自动飞行时的经纬度、高度及速度信息；
B.将喷洒面积、用药量及飞行航线中的飞行高度数据发送给ISMS，ISMS根据这些数据计算出需要开启的最佳喷嘴组数及飞机巡航速度，巡航速度发送给FCS用于控制飞行速度，具体计算方式如下：
I、计算喷洒系统喷洒宽度W
根据飞行高度H、农作物高度h及喷嘴喷洒角度θ计算出单个喷嘴喷洒宽度W1，
因为每组喷嘴包含两个并列的喷嘴，所以喷洒系统的喷洒宽度W＝2*W1；
II、计算需要开启的喷嘴组数K1
设喷洒面积为S，用药量为Vol，预先设定无人机速度为Va，喷洒面积及用药量源数据在步骤A中获得，预先设定无人机速度源数据在步骤A中的飞行航线数据中获取，喷洒宽度W在计算过程I中获得，由此计算出无人机喷洒农药的总流量A，公式如下：
在所受水泵压力恰好使喷雾均匀时的喷洒效率最高，此时的压力值也常作为喷嘴工作的最小压力Pmin，此时单个喷嘴的喷洒流量为则一组喷嘴的流量为/>可以求出所需的开启的喷嘴组数为K，
此时K若为小数，不满足实际情况，可K取数轴上比K小且离K最近的整数K1，然后通过加大压力的方式，补偿剩余所需流量；
III、增压补偿流量R计算
设在Pmin下，采用K1组喷嘴后，为满足喷洒总流量A的需求，单组喷嘴还需补充的流量R，公式为
R＝(K-K1)*(2*a)
IV、最佳巡航速度Va1计算
单个喷嘴所受水泵压力从Pmin增加到Pmax时，单个喷嘴的流量增加量为b，则压力后，已开启所有喷嘴总流量相比Pmin时增加量为(2*b)*K1。
若R大于(2*b)*K1。，即无法通过增加压强来满足喷洒总流量为A的需求，则可以通过适当的放慢飞行速度来增加流量；使水泵压强最大时，喷嘴喷洒流量最大，此时飞机飞行速度变化量最小，对于作业效率降低最小；单个喷嘴在水泵压力最大时的流量为(a+b)，则单组喷嘴的总流量为2*(a+b)；假设无人机在速度为Va1，喷嘴总流量为2*(a+b)*K1时，正好能使Vol升农药均匀喷洒在面积为S的农田上，则应该满足如下关系式，
从而可以求出最佳飞机巡航速度Va1；
若R小于(2*b)*K,即可以通过增加压强来满足喷洒总流量为A的需求，巡航速度为飞行航线任务中的巡航速度信息；
C.在进行植保作业时，辅控芯片B捕获流量计输出的脉冲信号，根据脉冲信号的频率计算出单个喷嘴喷洒的农药的流量，然后对每个喷嘴的流量数据进行检测，检测结果分为三种情况：a、每个喷嘴流量均处于设定的最低值之上；b、单个喷嘴流量处于最低值之下；c、每个喷嘴流量均处于最低值之下；在检测情况为a时，求取流量的均值，当做反馈信号用于流量控制；在检测情况为b时，关闭水泵，并发送故障指令1给FCS，FCS收到指令后，记录当前的GPS坐标并返航；在检测情况为c时，关闭水泵，并发送故障指令2给FCS，FCS收到指令后，记录当前的GPS坐标并返航，故障指令1表示某一个或多个喷嘴的喷洒状态异常，故障指令2表示所有喷嘴的喷洒状态异常；
D.正常作业时，流量检测结果为a，根据反馈回来的流量信息，可以对喷洒量进行控制，首先从FCS获取当前无人机飞行的速度，通过无人机飞行速度和单个喷嘴流量，可以计算单个喷嘴的流量a1为：
其中
此处H0和Va0为飞机的实际高度和速度此处H0和Va0为飞机的实际高度和速度。
将期望流量与当前流量做差得到流量误差，流量误差经过PID(比例、微分和积分)控制器运算，生成PWM(脉冲宽度调制)占空比的修正量，输出给电源模块，控制水泵压力，使单个喷嘴流速发生变化，使无人机喷洒更加均匀，该流量再由流量计发送给辅控芯片B，为步骤B作数据参考；
PID控制器是由比例单元、积分单元和微分单组成。PID控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。
PWM(脉冲宽度调制)是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或MOS管栅极的偏置，来实现晶体管或MOS管导通时间的改变，从而实现电源模块输出的改变，并使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定。
即当飞机正常作业时，也可以通过飞行速度和飞行当FCS检测到动力电池低电量时，发送关机指令给ISMS，ISMS关闭水泵及所有常闭进水阀，FCS记录当前GPS坐标，返航。

Claims (1)

1.一种智能植保无人机的控制管理系统的控制方法，包括
智能植保无人机的控制管理系统，系统系统括飞行控制系统和智能喷洒管理系统，所述飞行控制系统包括主控芯片A以
及分别电气连接在主控芯片A上的姿态传感器、差分GPS、
气压计、无线电数传、动力电量检测模块，所述智能喷洒管理系统包括辅控芯片B、流量计、电源模块、水泵及常闭电磁阀，所述主控芯片A、辅控芯片B、电源模块、常闭电磁阀依次串联，所述水泵电气连接电源模块，水泵外设置有药箱，药箱、水泵、常闭电磁阀通过管道依次连接；所述常闭电磁
阀外设置有喷洒装置，常闭电磁阀与喷洒装置之间还设置有流量计，常闭电磁阀、流量计、喷头依次管道连接，所述流
量计电气连接辅控芯片B；所述喷洒装置包括六个喷嘴，六个喷嘴按机头方向三行两列安装在飞机底部，其中每行为一组
喷嘴，共三组喷组，均向下喷洒农药；其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
A.给FCS设定飞行航线、喷洒面积和用药量，其中飞行
航线包括了飞机自动飞行时的经纬度、高度及速度信
息；
B.将喷洒面积、用药量及飞行航线中的飞行高度数据发
送给ISMS，ISMS根据这些数据计算出需要开启的最
佳喷嘴组数及飞机巡航速度，巡航速度发送给FCS用
于控制飞行速度，具体计算方式如下：
I、计算喷洒系统喷洒宽度W
根据飞行高度H、农作物高度h及喷嘴喷洒角度θ计算出单个喷嘴喷洒宽度W1，
因为每组喷嘴包含两个并列的喷嘴，所以喷洒系统的喷洒宽度W＝2*W1；
II、计算需要开启的喷嘴组数K1
设喷洒面积为S，用药量为Vol，预先设定无人机速度为Va，喷洒面积及用药量源数据在步骤A中获得，预先设定无人机速度源数据在步骤A中的飞行航线数据中获取，喷洒宽度W在计算过程I中获得，由此计算出无人机喷洒农药的总流量A，公式如下：
在所受水泵压力恰好使喷雾均匀时的喷洒效率最高，此时的压力值也常作为喷嘴工作的最小压力
Pmin，此时单个喷嘴的喷洒流量为a,则一组喷嘴的流量为2a；可以求出所需的开启的喷嘴组数为K，
此时K若为小数，不满足实际情况，可K取数轴上比K小且离K最近的整数K1，然后通过加大压力的方式，补偿剩余所需流量；
III、增压补偿流量R计算
设在Pmin下，采用K1组喷嘴后，为满足喷洒总流量A的需求，单组喷嘴还需补充的流量R，公式为
R＝(K-K1)*2*a)
IV、最佳巡航速度Va1计算
单个喷嘴所受水泵压力从Pmin增加到Pmax时，单个喷嘴的流量增加量为b，则压力后，已开启所有喷嘴总流量相比Pmin时增加量为(2*b)*K1
若R大于(2*b)*K1，即无法通过增加压强来满足喷洒总流量为A的需求，则可以通过适当的放慢飞行速度来增加流量；使水泵压强最大时，喷嘴喷洒流量最大，此时飞机飞行速度变化量最小，对于作业效率降低最小；单个喷嘴在水泵压力最大时的流量为(a+b)，则单组喷嘴的总流量为2*(a+b)；假设无人机在速度为Va1，喷嘴总流量为2*(a+b)*1时，正好能使Vol升农药均匀喷洒在面积为S的农田上，则应该满足如下关系式，
从而可以求出最佳飞机巡航速度Va1；
若R小于(2*b)*K,即可以通过增加压强来满足喷洒总流量为A的需求，巡航速度为飞行航线任务中的巡航速度信息；
在进行植保作业时，辅控芯片B捕获流量计输出的脉冲信号，根据脉冲信号的频率计算出单个喷嘴喷洒的农药的流量，然后对每个喷嘴的流量数据进行检测，检测结果分为三种情况：a、每个喷嘴流量均处于设定的最低值之上；b、单个喷嘴流量处于最低值之下；c、每个喷嘴流量均处于最低值之下；在检测情况为a时，求取流量的均值，当做反馈信号用于流量控制；在检测情况为b时，关闭水泵，并发送故障指令1给FCS，FCS收到指令后，记录当前的GPS坐标并返航；在检测情况为c时，关闭水泵，并发送故障指令2给FCS，FCS收到指令后，记录当前的GPS坐标并返航，故障指令1表示某一个或多个喷嘴的喷洒状态异常，故障指令2表示所有喷嘴的喷洒状态异常；
D.正常作业时，流量检测结果为a，根据反馈回来的流量信息，可以对喷洒量进行控制，首先从FCS获取当前无人机飞行的速度，通过无人机飞行速度和单个喷嘴流量，可以计算单个喷嘴的流量a1为：
其中
此处H0和Va0为飞机的实际高度和速度，将期望流量与当前流量做差经过PID运算，生成PWM占空比的修正量，输出给电源模块，控制水泵压力，使单个喷嘴流速发生变化，使无人机喷洒更加均匀，该流量再由流量计发送给辅控芯片B，为步骤B作数据参考；
即当飞机正常作业时，也可以通过飞行速度和飞行当FCS检测到动力电池低电量时，发送关机指令给I SMS，I SMS关闭水泵及所有常闭进水阀，FCS记录当前GPS坐标，返航。
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