CN108688809A - 在线混药植保无人机及其控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了在线混药植保无人机及其控制系统，主要包括无人机本体以及在线混药装置以及对应的控制系统，本发明摒弃了以往传统的预混药结构，采用在线混料方式，将药箱和水箱分开，利用植保无人机系统内部水流或管道外部能源完成农药和水在线混合，实现农药的标准化、专业化、精确化施用，且以环保和操纵者安全为核心，符合农业可持续发展的要求。
Description
技术领域
本发明涉及植保无人机领域，具体涉及到一种具有在线混药功能的植保无人机及其控制系统。
背景技术
植保无人机，又名无人飞行器，是以无人驾驶直升机为载体，配置高效率超低量施药设施，实现低空高效超低量农药的喷施。与传统的背负式喷雾器、自走式植保机械相比，喷防效率和效果明显提升，适宜于农场及大面积农作物和高秆作物以及丘陵山区植保喷防。农用无人机植保低空超低量喷洒效率高，每小时60 亩～100 亩，是常规人工喷洒的100倍，是地面植保机具防治效果最高的高秆宽喷雾器的8倍。农用无人直升机自动飞控导航作业，最大限度地减少了工作人员接触农药的时间，从而可以保证工作人员的生命安全液，在发达国家为减少污染，改善喷雾效果，很多国家向低容量、超低容量、变量喷雾和智能喷雾方向发展。变量喷雾成为喷雾技术的一个重要发展方向和众多植保专家研究的热点。然而,目前变量喷雾的主要手段是采用预混药式, 主要通过脉宽调(PWM)或喷雾压力来改变喷施量实现变量喷雾。目前国内变量喷雾主要采用预混药式，药液浓度不变，通过改变施药量得以实现，主要手段有压力式、脉宽调制(PWM) 式等。该混药方式存在诸多弊端:①操作人员在配制药液的过程中可能会接触农药，发生农药中毒;②用于喷雾的泵和药液箱直接与农药接触，而农药本身具有腐蚀性，泵和药箱的材质都必须耐腐蚀，导致生产成本增加;③药箱中已混好但未用完的农药造成资源浪费，且药液处理不好还会污染环境。预混式混药方式因其弊端众多不能满足农业可持续发展的要求，而在线混药方式将药箱和水箱分开，利用植保无人机管道系统内部水流或植保无人机管道外部能源完成农药和水在线混合，实现农药的标准化、专业化、精确化施用，且以环保和操纵者安全为核心，符合农业可持续发展的要求。
发明内容
本发明目的在于解决上述已有技术存在的不足，提供一种可实现在线混药的植保无人机及其控制系统。
为了解决上述技术方案，本发明采用如下技术方案：一种在线混药植保无人机，包括无人机以及设置在无人机上的混药装置，所述混药装置包括外壳、药箱、水箱、混药室以及喷头；所述外壳外挂于无人机上，所述壳体内容纳有药箱、水箱以及混药室；所述药箱以及水箱分别通过输液管与混药室相连接，所述药箱内的原药液以及水箱内的原水通过各自的输液管流入混药室内进行混合；所述混药室内的药液通过输液管流向喷头并经由喷头输送至外界。
其中，所述混药室底部与水泵相连接，所述混药室内流出的混合药液通过水泵内的叶轮进行搅拌混合。
该药箱以及水箱通向混药室的输液管上均依次设置有单向阀、流量计以及流量控制阀，所述流量计用以检测原水和原药液的流量，所述流量控制阀用以控制原水和原药液的流量。
该水泵通向喷头的输液管上连接有药液浓度检测装置，所述输液管与药液浓度检测装置通过连接管进行连接，所述输液管内的药液通过上侧的连接管进入药液浓度检测装置内，所述药液浓度检测装置内的药液通过下侧的连接管回流至输液管；所述药液浓度检测装置包括保护壳、透明管、光源件、光电传感器，所述连接管穿过保护壳与设置在保护壳内部的透明管相连通，所述光源件与光电传感器设置在保护壳内壁上且对称位于透明管两侧，所述光电传感器与微处理器相连接。
该混药装置至少包括一个，所述喷头至少包括一个。
同时，本发明还提供了该在线混药植保无人机的控制系统，包括：
原水流量检测单元，用以检测水箱内流出的原水单位时间内的流量值并将信号输送至微处理单元；原药液流量检测单元，用以检测药箱内流出的原药液单位时间内的流量值并将信号输送至微处理单元；原水流量控制阀，用以接收微处理单元发出的信号来控制水箱内流出的原水单位时间内的流量值；原药液流量流量控制阀，用以接收微处理单元发出的信号来控制药箱内流出的原药液单位时间内的流量值；电磁阀，用以接收微处理单元发出的信号来控制药液是否从喷头中喷出； 药液浓度检测单元，所述药液浓度检测单元用以检测混合药液的浓度并将信号输送至微处理单元；微处理单元，用以接收信号并发出控制信号。
该药液浓度检测单元通过光电传感器接收光变信号并输送至微处理单元，通过微处理单元将光变信号转换为药液浓度信号并输送至显示屏。
且，该控制系统还包括液位检测单元以及警报单元，所述液位检测单元通过液位传感器检测水箱以及药箱内的液位并将信号A输送至微处理单元，当检测到水箱以及药箱内的液体高度高于限定高度时，发出信号A=1，微处理单元接收信号不做反应；当检测到水箱或者药箱内的液体高度低于限定高度时，发出信号A=0，微处理单元接收信号并发出信号控制警报器工作。
本发明的意义在于，采用传统人工预混的方式不仅混药质量不高、混药比例难以控制，而且操作人员很容易接触到人体而对身体造成危害，预混式混药方式因其弊端众多不能满足农业可持续发展的要求，而在线混药方式将药箱和水箱分开，利用植保无人机系统内部水流或管道外部能源完成农药和水在线混合，实现农药的标准化、专业化、精确化施用，且以环保和操纵者安全为核心，符合农业可持续发展的要求。
附图说明
图1为本发明的整体示意图；
图2为本发明中在线混药装置的示意图；
图3为本发明中在线混药装置的另一结构图；
图4为本发明中药液浓度检测装置的示意图；
图5为本发明控制系统的结构图。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供了一种在线混药植保无人机，包括无人机1以及设置在无人机1上的混药装置2，该无人机1可以采用固定翼式、单旋翼市或者多旋翼式无人机，固定翼飞机主要应用于农田信息采集与农田遥感。固定翼飞机载量大、飞行速度快、作业效率高，作业时采用超低空飞行，距作物冠层5~7m，对作业区域地形条件要求较高；
单旋翼直升机和多旋翼直升机多用于植保作业，使用直升机作业，螺旋桨造成的空气涡流能使农药喷洒到植物茎叶的背面，提高喷洒效果，与固定翼飞机相比耗油量稍大，可以垂直起降，起飞降落的场地占用少，空中飞行速度调节灵活，适应于地形较复杂的地区，装载质量在5kg到30kg之间，能够满足中小田块的农药喷洒需求，其中，多旋翼植保无人机采用对称结构的多个旋转中心带动旋翼产生风力进行飞行作业，其相较于单旋翼无人机价格更为实惠，操作更为灵活以及容易学会，适合作为本发明的无人机载体选择。
如图2所示其中，混药装置2包括外壳3、药箱4、水箱5、混药室6以及喷头7；外壳采用PVC外壳或者铝制外壳，起到固定内部部件的作用，同时降低整体的重量，药箱与水箱固定在外壳内部，且药箱与水箱的顶部最好与外壳顶部相贴合，在对应的顶部设置有开口，通过开口可以将对应的原水以及原药液注入药箱以及水箱内，开口通过柱塞进行封闭，混药室是药液与水混合的场所,在本发明中采用比输送管粗的不锈钢管或铜管制成，管径在10cm左右，给予一个较为充分的混合空间。
药箱与水箱可以单独设置，也可以如图3所示，采用一个整体的箱体，然后在箱体内部设置隔板，利用隔板将箱体分割成两个独立的部分，在箱体两个独立的部分内，分别储存原药液以及原水，采用该设计，可以有效减少药箱以及水箱的占地空间，使得整体的设计更为紧凑。
该外壳3外挂于无人机1上，外挂方式可借鉴现有的植保无人机药箱外挂方式，防止倾覆，在所述壳体内容纳有药箱4、水箱5以及混药室6；所述药箱4以及水箱5分别通过输液管100与混药室6相连接，所述药箱4内的原药液以及水箱5内的原水通过各自的输液管100流入混药室6内进行混合；所述混药室6内的药液通过输液管100流向喷头7并经由喷头7输送至外界，所述混药室6底部与水泵8相连接，所述混药室6内流出的混合药液通过水泵8内的叶轮进行搅拌混合，所述药箱4以及水箱5通向混药室6的输液管100上均依次设置有单向阀11、流量计12以及流量控制阀13，所述流量计用以检测原水和原药液的流量，所述流量控制阀用以控制原水和原药液的流量，并通过控制系统根据喷雾对象的病虫草害等信息和作物特性控制每个喷头的工作状况、药液浓度, 达到变量喷雾精确控制的目的，其中水泵采用齿轮泵或者离心泵或者水环式真空泵，优选采用水环式真空泵，其结构简单，加工容易因此采购成本较低，结构紧凑，泵的转数较高，一般可与电动机直联，无须减速装置，故用小的结构尺寸，可以获得大的排气量，符合占地面积小的需求，且维修方便，操作简单，满足搅拌的功能。
如图4所示，与此同时，在水泵8通向喷头7的输液管100上连接有药液浓度检测装置9，所述输液管100与药液浓度检测装置9通过连接管进行连接，所述输液管100内的药液通过上侧的连接管进入药液浓度检测装置9内，所述药液浓度检测装置9内的药液通过下侧的连接管回流至输液管100，即在输液管上截取一段分流，将混合完成的药液通过该分流流入药液浓度检测装置中，该方式可以通过小流量的操作提高检测的精度度，同时小流量的设置可以降低整体的成本，缩小占地面积，无需对整个输液管进行改动，由于输液管采用不锈钢制成，若需要对输液管内的药液进行浓度检测，则需要对整个输液管进行改造，将其设置呈内部透明的管配合外部的保护管道，成本会大大提高同时占用面积过大，不利于无人机的布置，通过引流的方式既保证了实时药液浓度的检测，同时也降低了成本与占地面积。
其中，药液浓度检测装置9包括保护壳91、透明管92、光源件93、光电传感器94，所述连接管穿过保护壳91与设置在保护壳91内部的透明管92相连通，所述光源件93与光电传感器94设置在保护壳91内壁上且对称位于透明管92两侧，所述光电传感器94与微处理器相连接，以445nm的蓝色二极管作为光源，光电传感器选用光敏二极管，把待检测量变换为光信息量,它是以光通量的大小来反映待检测量的大小，由于限定的透明管的直径一定，即待检药液的厚度一定，光电探测器上接受的光通量仅与待测介质的浓度有关，通过微处理将光信号转换为浓度，应用这种投射式来检测出药液的浓度，观察其是否符合标准以进行原药液出液量的调整。
所述混药装置为单个或者双个，若为单个则设置在无人机主机体的正底部，若为双个则设置在底部两侧，视无人机的规格以及具体情况而定，所述喷头7采用四喷结构，施药面较为均匀，施药效果好。
与上述内容相对应的，如图5所示，本发明还提供了该在线混药植保无人机的控制系统，包括：原水流量检测单元，用以检测水箱5内流出的原水单位时间内的流量值并将信号输送至微处理单元；原药液流量检测单元，用以检测药箱4内流出的原药液单位时间内的流量值并将信号输送至微处理单元；原水流量控制阀，用以接收微处理单元发出的信号来控制水箱5内流出的原水单位时间内的流量值；原药液流量流量控制阀，用以接收微处理单元发出的信号来控制药箱4内流出的原药液单位时间内的流量值；电磁阀，用以接收微处理单元发出的信号来控制药液是否从喷头7中喷出； 药液浓度检测单元，所述药液浓度检测单元用以检测混合药液的浓度并将信号输送至微处理单元；微处理单元，用以接收信号并发出控制信号。
其中的微处理单元选用微处理器STC12C5410AD，与其他无人机类似的，可以通过基地的控制，发出特定的指令，例如回程、拐弯、起飞等等，以此来控制无人机体的运动。
所述药液浓度检测单元通过光电传感器94接收光变信号并输送至微处理单元，通过微处理单元将光变信号转换为药液浓度信号并输送至显示屏。
特别的，还包括液位检测单元以及警报单元，
所述液位检测单元通过液位传感器检测水箱5以及药箱4内的液位并将信号A输送至微处理单元，当检测到水箱5以及药箱4内的液体高度高于限定高度时，发出信号A=1，微处理单元接收信号不做反应；当检测到水箱5或者药箱4内的液体高度低于限定高度时，发出信号A=0，微处理单元接收信号并发出信号控制警报器工作，液体的限定高度设置为3cm，给予提前警告的作用，给予一定的反应时间。
该系统包括实施监控水流量、药流量、混合药液浓度以及剩余水、药量，同时根据输入的指令来控制实时的水流量以及药流量，以此来满足所需的混合药液浓度值，当检测到的药液浓度较低时，控制原药液流量流量控制阀增大通路，提高药液的流量，或者控制原水流量缩小阀增大通路，降低水的流量，以此来提高混合药液的浓度值；当药液浓度值过高时，则控制原药液流量流量控制阀缩小通路，减少药液的流量，或者控制原水流量增大阀增大通路，提高水的流量，以此来降低混合药液的浓度值，维持混合药液的浓度值在一定的范围之内，建立了一种药水浓度流量实时检测、在线自动混药的变量喷雾控制系统，该喷雾方式的特点是恒定喷施量,通过改变药液浓度进行变量喷雾,以保证最佳喷雾流量和压力进行喷施,确保最佳喷施效果。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求输的保护范围为准。
Claims (8)
1.在线混药植保无人机，包括无人机以及设置在无人机上的混药装置，其特征在于，所述混药装置包括外壳、药箱、水箱、混药室以及喷头；
所述外壳外挂于无人机上，所述壳体内容纳有药箱、水箱以及混药室；
所述药箱以及水箱分别通过输液管与混药室相连接，所述药箱内的原药液以及水箱内的原水通过各自的输液管流入混药室内进行混合；
所述混药室内的药液通过输液管流向喷头并经由喷头输送至外界。
2.根据权利要求1所述在线混药植保无人机，其特征在于，所述混药室底部与水泵相连接，所述混药室内流出的混合药液通过水泵内的叶轮进行搅拌混合。
3.根据权利要求1所述在线混药植保无人机，其特征在于，所述药箱以及水箱通向混药室的输液管上均依次设置有单向阀、流量计以及流量控制阀，所述流量计用以检测原水和原药液的流量，所述流量控制阀用以控制原水和原药液的流量。
4.根据权利要求2所述在线混药植保无人机，其特征在于，所述水泵通向喷头的输液管上连接有药液浓度检测装置，所述输液管与药液浓度检测装置通过连接管进行连接，所述输液管内的药液通过上侧的连接管进入药液浓度检测装置内，所述药液浓度检测装置内的药液通过下侧的连接管回流至输液管；
所述药液浓度检测装置包括保护壳、透明管、光源件、光电传感器，所述连接管穿过保护壳与设置在保护壳内部的透明管相连通，所述光源件与光电传感器设置在保护壳内壁上且对称位于透明管两侧，所述光电传感器与微处理器相连接。
5.根据权利要求1所述在线混药植保无人机，其特征在于，所述混药装置至少包括一个，所述喷头至少包括一个。
6.在线混药植保无人机的控制系统，其特征在于，包括：
原水流量检测单元，用以检测水箱内流出的原水单位时间内的流量值并将信号输送至微处理单元；
原药液流量检测单元，用以检测药箱内流出的原药液单位时间内的流量值并将信号输送至微处理单元；原水流量控制阀，用以接收微处理单元发出的信号来控制水箱内流出的原水单位时间内的流量值；原药液流量流量控制阀，用以接收微处理单元发出的信号来控制药箱内流出的原药液单位时间内的流量值；电磁阀，用以接收微处理单元发出的信号来控制药液是否从喷头中喷出； 药液浓度检测单元，所述药液浓度检测单元用以检测混合药液的浓度并将信号输送至微处理单元；微处理单元，用以接收信号并发出控制信号。
7.根据权利要求6所述在线混药植保无人机的控制系统，其特征在于，所述药液浓度检测单元通过光电传感器接收光变信号并输送至微处理单元，通过微处理单元将光变信号转换为药液浓度信号并输送至显示屏。
8.根据权利要求6所述在线混药植保无人机的控制系统，其特征在于，还包括液位检测单元以及警报单元，所述液位检测单元通过液位传感器检测水箱以及药箱内的液位并将信号A输送至微处理单元，当检测到水箱以及药箱内的液体高度高于限定高度时，发出信号A=1，微处理单元接收信号不做反应；当检测到水箱或者药箱内的液体高度低于限定高度时，发出信号A=0，微处理单元接收信号并发出信号控制警报器工作。
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