CN108812591A - 一种减小雾滴漂移的分布式植保无人机喷施系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减小雾滴漂移的分布式植保无人机喷施系统，包括网络监控终端、算法控制器、机载环境监测装置、地面环境监测装置、压力调整装置、角度调整装置和喷头输出装置，所述地面环境监测装置和机载环境监测装置分别对近地面进行大范围和小范围风速、风向监测，得到对应的风速、风向和风速变化率数据，并将对应数据传输至网络监控终端，由网络监控终端统一设定大致的无人机群系统协同工作的压力、角度参数，参数传输给算法控制器，通过算法控制器运算后将得到的详细调整数据分别传输并由压力调整装置和角度调整装置调整作业的压力和角度，使喷头输出装置按照所需的作业压力和作业角度工作，实现减小雾滴漂移、精准施药、提高农药利用率。

Description

一种减小雾滴漂移的分布式植保无人机喷施系统

技术领域

本发明涉及植保无人机领域，更具体地，涉及一种减小雾滴漂移的分布式植保无人机喷施系统。

背景技术

农药是农业增产，减少自然危害的重要手段。目前，无人机具有作业范围大，施药快速准确等优点，被认为农药喷施的高效率设备。但由于空中作业条件与环境气流等因素的影响，无人机喷施作业容易产生雾滴漂移，将会带来农药的浪费、农药的污染、喷施效果降低、喷施局部不均匀等问题。减少雾滴漂移、提高农药在靶标作物上的沉积量已成为我国植保施药的技术领域的研究重点。

目前雾滴漂移的减小手段主要有喷施的粒径、无人机的运动路径、药液的剂型等多个方面，但是由于大田环境中的风速是多变、可检测而且不可控的，对于单一的喷施手段，其效果较差；而对于无人机路径（包括飞行的高低、方向和速度等）其效果较好，但是由于其无人机自身的参数和复杂的作业环境，由此方法的开发过程带来较大的难度和较长开发周期，而且对于无人机本身的“坠机”危险性也会有所增加。

发明内容

为克服现有的技术缺陷，本发明提供了一种结构简单，自动获取环境因素，直接作用于喷施压力和喷施角度，精准施药，对无人机的操作和自身参数影响较小且减小雾滴漂移的分布式植保无人机喷施系统。

为实现本发明的目的，采用以下技术方案予以实现：

一种减小雾滴漂移的分布式植保无人机喷施系统，包括用于统一监控无人机作业机群的网络监控终端，用于通过运行算法控制作业变量的算法控制器，用于小范围地对近地面的风速、风向等数据进行监测的机载环境监测装置，用于对大范围地对工作环境中的风速、风向等数据进行监测的近地面环境监测装置，用于调整无人机作业压力的压力调整装置，用于调整无人机作业角度的角度调整装置和用于输出药液的喷头输出装置；所述网络监控终端、机载环境监测装置、地面环境监测装置分别和算法控制器无线连接，所述压力调节装置分别和喷头输出装置及药箱连通，所述地面环境监测装置和机载环境监测装置分别对地面进行大范围和小范围地风速、风向监测，得到对应的风速、风向和风速变化率，并将数据传输给算法控制器，算法控制器通过无线网络传输至网络终端，终端得到各个检测的数据后处理计算并通过无线网络把各个需要的喷施参数大致范围反馈至算法控制器，算法控制器通过运算后将得到的调整数据分别传输至压力调整装置、角度调整装置，并由压力调整装置和角度调整装置调整作业的压力和角度，使喷头输出装置按照所需的作业压力和作业角度工作，实现减小雾滴漂移。

本专利中，所述网络监控终端、算法控制器、机载环境监测装置、地面环境监测装置、压力调整装置以及角度调整装置之间通过无线网络进行数据传输，且各装置的安装位置以及安装数量可以根据需要设置。

其中，地面环境监测装置大面积地对地面的风速、风向、温度和湿度等数据进行监测，同时机载环境监测装置对低空的无人机作业环境的风速、风向等数据进行监测，得到小范围的风速、风向数据并经处理后得到风速变化率。得到的风速、风向以及风速变化率等数据通过信号转换装置转换成数字信号，并通过无线传输到算法控制器中，算法控制器对传输过来的风速、风向以及风速变化率等数据进行算法运算，计算得出对应的喷施角度和喷施压力，并将此结果输出至压力调整装置和角度调整装置，从而由压力调整装置和角度调整装置进行无人机作业压力和作业角度的调整，使喷头输出装置能够按照所需的压力和角度进行喷施农药。另外除了风速、风向和风速变化率的数据外的其他数据，包括温度和湿度等用于调节系统的作业速度等其他工作方式。

所述风速变化率是由实时风速计算出的结果，周期为0.1s，满足系统性能。

其中，所述算法控制器在将结果传输至压力调整装置和角度调整装置的同时，也将数据结果传输至网络监控终端，通过网络监控终端进行实时监控。

进一步地，所述网络监控终端由带GPRS功能的小型计算机终端构成，所述网络监控终端包括网络接收数据库、TCP协议的WEB服务器程序、数据转换中心、数据存储盘和电源。

所述网络监控终端由带GPRS功能的小型计算机终端构成，能方便移动，增加系统的灵活性。所述电源为不间断电源，从而保证网络监控终端能稳定工作。

进一步地，所述算法控制器包括信号输入装置、单片机系统、电路供电装置、信号输出放大电路和防震装置。

所述防震装置可以进一步提高系统的稳定性。所述防震装置为海绵结构的软胶，质量轻且缓冲效果好。

进一步地，所述算法控制器安装有无线收发模块和GPRS模块，并通过有线、无线收发模块和GPRS模块作为数据的输出和输入。

进一步地，所述机载环境监测装置安装在无人机上，包括安装在上方的风速传感器和风向传感器，以及安装在下方的下风隔离装置，所述风速传感器、风向传感器与下风隔离装置之间安装有信号转换装置和无线传输模块，所述风速传感器和风向传感器分别连接信号转换装置，并通过信号转换装置和无线传输模块将风速和风向数据传输给算法控制器中，所述无线传输模块的信号以群发方式进行。

通过设置下风隔离装置能有效把无人机自身运动带来的气流隔离开，使得检测到的环境数据更准确可靠。所述下风隔离装置为隔风板，所述隔风板的材料的轻质塑料，从而在有效隔离气流的同时，也能避免隔风板加重整个装置的重量。

进一步地，所述地面环境监测装置通过高度可调的快拆式支架和防水箱安装在地面，包括安装在防水箱顶部的风速传感器和风向传感器，安装在防水箱内部的信号转换装置、单片机控制芯片和电源，并通过无线信号将风速和风向数据传输给算法控制器中。

所述防水箱和快拆式支架的制作材料为不锈钢，能有效抵御风吹日晒造成的风化以及腐蚀作用。所述电源优选为太阳能蓄电装置。

进一步地，所述压力调整装置包括压力可调水泵、信号调整装置和供电稳定装置，所述压力调整装置通过压力可调水泵调节喷施压力，并通过信号调整装置和供电稳定装置对压力可调水泵进行调节控制。

所述压力调整装置具有信号保持、信号转换和信号放大的功能。所述压力可调水泵由功率可控的液泵进行输出压力，所述液泵的控制由周期可变的PWM信号进行控制，从而控制水泵的压力大小。其中，液泵的喷施压力在100~500kPa之间的调节范围。

进一步地，所述角度调整装置包括依次连接的连接固定结构、稳定轴、角度输出舵机、信号保持结构和供电稳定装置。

所述角度控制装置的控制信号为单周期PWM波形，所述角度调整装置由大扭力舵机进行角度调节，所述大扭力舵机又轻质合金材料制作而成，其设有轻质转动三角结构，所述轻质转动三角结构为轻质塑料和航空合金制作而成，不仅质量较轻，可以调整喷施角度，还具有较高的机械硬度。所述角度调整装置的调整角度为无人机侧向0~90°的范围。

进一步地，所述喷头输出装置包括若干药箱和压力式喷头，所述药箱和压力式喷头通过软管结构连接。

所述喷头输出装置的作业过程使用粒径大于150um的雾滴比例计算，从而当雾滴粒径大于150um时雾滴自生具有较好的抗漂移性和具有一定的穿透性。所述药箱设有药液剩余检测装置，可以快速、准确地把数据传输到算法控制器中。所述药箱还设有重量和液高双重检测器件，具有较高的精度和较低的检测错误几率。所述软管结构具有分支设置并且呈缠绕式的可伸缩性，可以提高系统的对无人机的搭配程度。

进一步地，所述算法控制器的输入参数包括风速、风向和风速变化率，输出参数包括喷施角度和喷施压力，所述算法控制器的的算法包括模糊算法。

所述算法控制器的运行算法有不仅限于模糊算法，算法控制器的算法可以根据目标控制效果进行选择，模糊算法适合于滞后性较大的控制系统，具有稳定输出的有益效果。所述算法控制器的输入参数不仅限于风速、风向和风速变化率，还可把温度、湿度等其他变化参数作为附加的输入参数。

与现有技术比较，本发明具有以下有益效果：

本专利公开了一种减小雾滴漂移的分布式植保无人机喷施系统，通过风速检测装置能获取环境风速、风速变化率并通过实时改变喷施角度喷施压力的过程，可以针对不同的风速，多变的风向进行差异喷施，使得能够实现减小雾滴漂移、精准施药的功能。解决环境风速带来的无人机喷施时的雾滴漂移严重性，从而减小农药的雾滴漂移及提高有效利用率，利于推广与应用。

附图说明

图1为本发明的机载最小系统结构示意图。

图2为本发明的完全系统结构示意图。

图3为本发明的机载环境监测装置风速获取示意图。

图4为本发明的地面环境监测装置风速获取示意图。

图5为本发明角度调整装置的结构示意图。

图6为本发明压力调整装置连接喷头输出装置的结构示意图。

图7为本发明的工作状态示意图。

图8为本发明的工作详细传输示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明实施方式作进一步详细地说明。其中，附图仅用于示例性的说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本专利的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小、并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件;在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例

如图1所示，一种减小雾滴漂移的分布式植保无人机喷施系统，包括用于统一监控无人机作业机群的网络监控终端1、用于通过运行算法控制作业变量的算法控制器2、用于小范围地对地面的风速、风向等数据进行监测的机载环境监测装置3、用于对大范围地工作环境中的风速、风向等数据进行监测的地面环境监测装置4、用于调整无人机作业压力的压力调整装置5、用于调整无人机作业角度的角度调整装置6和用于输出药液的喷头输出装置7。

如图2所示，一种减小雾滴漂移的分布式植保无人机喷施系统，其地面检测装置的个数为从1到n，其数据通过无线传输至机载最小系统A，其中机载最小系统A和网络监控终端1进行数据通讯，网络监控终端1在数据运算后把1到n的机载最小系统A的大致输出范围输出至各个机载最小系统B~N。机载最小系统A根据即时的变化因素做出细微的调整并通过算法控制输出。

如图3所示，本实施例中，机载环境监测装置3包括安装在上方的风速传感器和风向传感器，以及安装在下方的下风隔离装置，且风速传感器、风向传感器与下风隔离装置之间安装有信号转换装置和无线传输模块，风速传感器和风向传感器分别连接信号转换装置，并通过信号转换装置和无线传输模块将风速和风向数据传输给算法控制器中，所述无线传输模块的信号以群发方式进行。所述下风隔离装置为隔风板，所述隔风板采用轻质塑料制造而成。

如图4所示，本实施例中，地面环境监测装置4通过高度可调的快拆式支架和防水箱安装在地面，包括安装在防水箱顶部的风速传感器和风向传感器，安装在防水箱内部的信号转换装置、单片机控制芯片和电源，并通过无线信号将风速和风向数据传输给算法控制器中。所述防水箱和快拆式支架的制作材料为不锈钢，所述电源优选为太阳能蓄电装置。

如图5所示，本实施例中，角度调整装置6包括依次连接的连接固定结构、稳定轴、角度输出舵机11、信号保持结构和供电稳定装置。所述角度控制装置6的控制信号为单周期PWM波形，所述角度输出舵机11由大扭力舵机进行角度调节，所述大扭力舵机又轻质合金材料制作而成，其设有轻质转动三角结构，所述轻质转动三角结构为轻质塑料和航空合金制作而成，不仅质量较轻，可以调整喷施角度，还具有较高的机械硬度。所述角度调整装置6的调整角度为无人机侧向0~90°的范围。

如图6所示，本实施例中，压力调整装置5包括压力可调水泵9、信号调整装置10和供电稳定装置，所述压力调整装置5通过压力可调水泵9调节喷施压力，并通过信号调整装置10和供电稳定装置对压力可调水泵9进行调节控制。所述压力调整装置5接收算法控制器2传输过来的喷施压力数据，通过输出PWM信号对水泵的功率进行调节控制，从而控制水泵的压力大小。其中，液泵的喷施压力在100~500kPa之间的调节范围。喷头输出装置7包括药箱以及与药箱对应的2个压力式喷头，所述药箱和压力式喷头通过软管结构连接。所述药箱设有药液剩余检测装置，还设有重量和液高双重检测器件，所述软管结构具有分支设置并且呈缠绕式的可伸缩性。

如图2和图7所示，本实施例中仅列举出系统中的部分；地面环境监测装置4大面积地对地面的风速、风向、温度和湿度等数据进行监测，同时机载环境监测装置3对低空的无人机作业环境的风速、风向等数据进行监测，得到小范围的风速、风向数据并经处理后得到风速变化率。得到的风速、风向以及风速变化率等数据通过信号转换装置转换成数字信号，并通过无线传输到算法控制器2中，算法控制器2对传输过来的风速、风向以及风速变化率等数据进行算法运算，计算得出对应的喷施角度和喷施压力，并将此结果传输至压力调整装置5和角度调整装置6，从而由压力调整装置5和角度调整装置6进行无人机作业压力和作业角度的调整，使喷头输出装置7能够按照所需的压力和角度进行喷施农药。

如图8所示，在系统运行时其数据，首先由地面环境检测装置4或机载环境检测装置3的风速方向等传感器获取并由其中的单片机收取转化并由无线发送器发送至算法控制器2；算法控制器2结果无线接收器接收风速等环境数据，通过GPRS模块发送至网络监控终端1，网络监控终端1由GPRS模块获取并存储于小型计算机的硬盘内；网络监控终端1把数据快速处理后把各个最小机载系统所需的大致数据通过GPRS模块发送至各最小机载系统上，最小机载系统上接收到数据后，由算法控制器2中的算法运算出精准的喷施压力和喷施角度送至角度调整装置6和压力调整装置5，角度由控制的舵机输出，而压力由功率调节器控制水泵达到所需效果。

Claims (9)

1.一种减小雾滴漂移的分布式植保无人机喷施系统，其特征在于；包括用于统一监控无人机作业机群的网络监控终端，用于通过运行算法控制作业变量的算法控制器，用于小范围地对近地面的风速、风向等数据进行监测的机载环境监测装置，用于对大范围地对工作环境中的风速、风向等数据进行监测的近地面环境监测装置，用于调整无人机作业压力的压力调整装置，用于调整无人机作业角度的角度调整装置和用于输出药液的喷头输出装置；所述网络监控终端、机载环境监测装置、地面环境监测装置分别和算法控制器无线连接，所述压力调节装置分别和喷头输出装置及药箱连通，所述地面环境监测装置和机载环境监测装置分别对地面进行大范围和小范围地风速、风向监测，得到对应的风速、风向和风速变化率，并将数据传输给算法控制器，算法控制器通过无线网络传输至网络终端，终端得到各个检测的数据后处理计算并通过无线网络把各个需要的喷施参数大致范围反馈至算法控制器，算法控制器通过运算后将得到的调整数据分别传输至压力调整装置、角度调整装置，并由压力调整装置和角度调整装置调整作业的压力和角度，使喷头输出装置按照所需的作业压力和作业角度工作，实现减小雾滴漂移。

2.根据权利要求1所述的一种减小雾滴漂移的分布式植保无人机喷施系统，其特征在于，所述网络监控终端由带GPRS功能的小型计算机终端构成，所述网络监控终端包括网络接收数据库、TCP协议的WEB服务器程序、运算软件、数据转换中心、数据存储盘和电源。

3.根据权利要求1所述的一种减小雾滴漂移的分布式植保无人机喷施系统，其特征在于，所述算法控制器包括GPRS装置、高频无线信号收发装置、信号输入装置、单片机系统、电路供电装置、信号输出放大电路和防震装置。

4.根据权利要求1所述的一种减小雾滴漂移的分布式植保无人机喷施系统，其特征在于，所述机载环境监测装置安装在无人机上，包括安装在装置上方的风速传感器和风向传感器，以及安装在装置下方的下风隔离装置，所述风速传感器、风向传感器与下风隔离装置之间安装有信号转换装置和无线传输模块，所述风速传感器和风向传感器分别连接信号转换装置，并通过信号转换装置和无线传输模块将风速和风向数据传输给算法控制器中，所述无线传输模块的信号以群发方式进行。

5.根据权利要求1所述的一种减小雾滴漂移的分布式植保无人机喷施系统，其特征在于，所述地面环境监测装置通过高度可调的快拆式支架和防水箱安装在地面，包括安装在防水箱顶部的风速传感器和风向传感器，安装在防水箱内部的信号转换装置、单片机控制芯片和电源，并通过无线信号将风速和风向数据传输给算法控制器中。

6.根据权利要求1所述的一种减小雾滴漂移的分布式植保无人机喷施系统，其特征在于，所述压力调整装置包括压力可调水泵、信号调整装置和供电稳定装置，所述压力调整装置通过压力可调水泵调节喷施压力，并通过信号调整装置和供电稳定装置对压力可调水泵进行调节控制。

7.根据权利要求1所述的一种减小雾滴漂移的分布式植保无人机喷施系统，其特征在于，所述角度调整装置包括依次连接的连接固定结构、稳定轴、角度输出舵机、信号保持结构和供电稳定装置。

8.根据权利要求1所述的一种减小雾滴漂移的分布式植保无人机喷施系统，其特征在于，所述喷头输出装置包括若干药箱和压力式喷头，所述药箱和压力式喷头通过软管结构连接。

9.根据权利要求1所述的一种减小雾滴漂移的分布式植保无人机喷施系统，其特征在于，所述算法控制器的输入参数包括风速、风向和风速变化率，输出参数包括喷施角度和喷施压力，所述算法控制器的算法包括模糊算法。