CN109084851B - 基于麦克风的植保无人机的隔膜泵喷洒流量测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于麦克风的植保无人机的隔膜泵喷洒流量测试方法，包括采集植保无人机上的隔膜泵的声波信号；对信号进行语谱分析；选取隔膜泵工作的时间区间的声波语谱图；从声波语谱图中过滤掉不属于隔膜泵发出的声波信号的振幅阈值范围内的其他振幅；采用傅里叶变换的方法确定隔膜泵工作的时间区间内隔膜往复运动的声波频率；预先标定隔膜泵在不同流量工作状态下的隔膜声波频率，得到隔膜泵内隔膜声波频率与隔膜泵流量的关系式；根据隔膜声波频率和关系式，得到隔膜泵流量。本发明不需要安装传统流量计，采用麦克风声波测量的方法，读取隔膜往复运动的声波信号，通过傅里叶变换与低通滤波分析，解析隔膜运动频率，从而解算隔膜泵当前流量。

Description

基于麦克风的植保无人机的隔膜泵喷洒流量测试方法

技术领域

本发明属于植保无人机技术领域，具体涉及一种基于麦克风的植保无人机的隔膜泵喷洒 流量测试方法。

背景技术

近年来，随着农业无人机(unmanned aerial vehicle,UAV)的出现，航空植保领域的研究与 应用越来越广泛。当前，植保无人飞机发展迅速，尤其是在中国、日本、韩国等东亚地区。 无人飞机在植保作业时，机具的作业效果和效率关系到生产成本和农田增收，直接影响农民 使用无人机的积极性。

当前植保无人飞机在空中的喷洒流量检测困难，其原因是①传统涡流流量计体积大、重 量高，不适应安装于无人机上；②传统的流量计测量范围大，对于0.5-2L/min的小流量测量 困难且不适合小管径安装；③由于航空施药采用高浓度药剂，被测介质黏度大，内置的流量 计极易因药剂板结而堵塞失效；

为了精确获取植保无人飞机作业时的喷洒量及喷洒区域，急需解决喷洒流量的测试问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种基于麦克风的植保无 人机的隔膜泵喷洒流量测试方法，本基于麦克风的植保无人机的隔膜泵喷洒流量测试方法不 需要安装传统流量计，仅仅采用麦克风声波测量的方法，读取隔膜往复运动的声波信号，通 过傅里叶变换与低通滤波分析，解析隔膜运动频率，最终通过获取的频率信息解算隔膜泵当 前流量，结果准确可靠。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于麦克风的植保无人机的隔膜泵喷洒流量测试方法，包括以下步骤：

步骤1：麦克风采集植保无人机上的隔膜泵的声波信号并发送声波信号到声控单元；

步骤2：声控单元将声波信号转换为模拟信号，并发送模拟信号到控制器；

步骤3：控制器接收模拟信号并对信号进行语谱分析得到声波语谱图；

步骤4：通过声波语谱图判断隔膜泵工作的时间区间，并选取隔膜泵工作的时间区间的 声波语谱图；

步骤5：从隔膜泵工作的时间区间的声波语谱图中过滤掉不属于隔膜泵发出的声波信号 的振幅阈值范围内的其他振幅；

步骤6：采用傅里叶变换的方法解析步骤5得到的声波语谱图，得到隔膜泵工作的时间 区间内的每个时间点的隔膜往复运动的声波频率；

步骤7：预先标定隔膜泵在不同流量工作状态下的隔膜声波频率，得到隔膜泵内隔膜声 波频率与隔膜泵流量的关系式；

步骤8：将步骤6得到的隔膜泵工作的时间区间内的每个时间点的隔膜往复运动的声波 频率代入步骤7的关系式内，得到隔膜泵在工作的时间区间内的每个时间点对应的流量。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述声控单元包括声波模数转换单元，所述控制器 采用单片机。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述的步骤4具体包括：

(1)通过声波语谱图选取声波语谱图中振幅正阶越的时间点，该时间点为隔膜泵的开启 时间点，通过声波语谱图选取声波语谱图中振幅负阶越的时间点，该时间点为隔膜泵的关闭 时间点，隔膜泵开启的时间点和其后的相邻的隔膜泵的关闭时间点之间的时间区间为隔膜泵 工作的时间区间；

(2)选取隔膜泵工作的时间区间内的声波语谱图。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述的振幅正阶越的时间点具体包括：预先设定阶 越变化阈值，若在某一时间点上的振幅增大且增大的变化值大于阶越变化阈值，则该时间点 为振幅正阶越的时间点；

所述的振幅负阶越的时间点具体包括：预先设定阶越变化阈值，若在某一时间点上的振 幅减小且减少的变化值大于阶越变化阈值，则该时间点为振幅负阶越的时间点。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述的步骤5包括：

根据隔膜泵工作的时间区间内的声波语谱图确定该声波语谱图内的振幅，预先设定隔膜 泵发出的声波信号的振幅阈值范围，从隔膜泵工作的时间区间的声波语谱图中过滤掉不属于 隔膜泵发出的声波信号的振幅阈值范围内的其他振幅。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述的步骤6包括：

(1)采用傅里叶变换的方法解析步骤5得到的声波语谱图，从而解析隔膜泵工作的时间 区间内的隔膜往复运动的频率特性，得到隔膜泵工作的时间区间内的每个时间点对应的频谱 图；

(2)选取频谱图中最接近于OHz、振幅变化大且不属于倍频的声波频率，该声波频率为 隔膜泵工作的时间区间内的与频谱图相对应的时间点的隔膜往复运动的声波频率，所述的频 谱图中振幅变化大的声波频率是指振幅变化值大于振幅变化阈值的声波频率。

本发明的有益效果为：本发明不需要安装传统流量计，解决了传统流量计的占用体积、 安装困难等缺陷，本发明仅仅采用麦克风声波测量的方法，读取植保无人机中隔膜泵内的隔 膜往复运动的声波信号，通过傅里叶变换与低通滤波分析，解析隔膜运动频率，最终通过获 取的频率信息解算隔膜泵当前流量，结果准确可靠。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的工作流程图。

图3为本发明的声波语谱图。

图4为本发明的频谱图。

具体实施方式

下面根据图1至图4对本发明的具体实施方式作出进一步说明。

当前市场上90％以上的植保无人飞机使用隔膜泵1喷洒农药，而隔膜泵1的工作原理是 通过外部电机带动泵体内隔膜往复运动，将农药液体压送至喷嘴。在隔膜泵1内的隔膜往复 运动的过程中，流经泵体的液体流速与隔膜运动频率成正相关，本实施例采用麦克风声波测 量的方法，读取隔膜往复运动的声波信号，通过傅里叶变换与低通滤波分析，解析隔膜运动 频率，最终通过获取的频率信息解算隔膜泵1当前流量。具体如下结构：

参见图1，一种基于麦克风的植保无人机的隔膜泵喷洒流量测试装置包括植保无人机、 植保无人机上的隔膜泵1、麦克风2、声控单元3和控制器4(单片机)，麦克风2安装在隔 膜泵1上，麦克风2通过声控单元3和控制器4(单片机)连接。

参见图2，一种基于麦克风的植保无人机的隔膜泵喷洒流量测试方法，包括以下步骤：

步骤1：采集声波信号：麦克风2采集植保无人机上的隔膜泵1的声波信号并发送声波 信号到声控单元3；

步骤2：声波模数转换：声控单元3将声波信号转换为模拟信号，并发送模拟信号到控 制器4；

步骤3：语谱分析：控制器4接收模拟信号并对信号进行语谱分析得到声波语谱图；声波 语谱图如图3所示，声波语谱图的横坐标代表时间，纵坐标代表振幅，波形以振幅随时间变 化为特征；

步骤4：语谱分析：通过声波语谱图判断隔膜泵工作的时间区间，并选取隔膜泵工作的 时间区间的声波语谱图；如图3所示，t₁₁至t_1m属于隔膜泵工作的时间区间；t₂₁至t_2m属于隔 膜泵工作的时间区间；t₃₁至t_3m属于隔膜泵工作的时间区间；

步骤5：低通滤波：从隔膜泵工作的时间区间的声波语谱图中过滤掉不属于隔膜泵发出 的声波信号的振幅阈值范围内的其他振幅；由于无人飞机运行时螺旋桨、电机或其他机械振 动均能引起致声波信号，麦克风在采集泵隔膜泵运动信息时会同时接收到各频段的杂波信号， 由于麦克风紧贴在隔膜泵头上，由隔膜泵发出的声波信号振幅最大，而植保无人飞机机体上 其他声波信号的振幅较小且时频信号波动杂乱，通过语谱分析可得出有效的声波强度，进行 低通滤波；

步骤6：有效声波频率特性解析：采用傅里叶变换的方法解析步骤5得到的声波语谱图， 得到隔膜泵工作的时间区间内的每个时间点的隔膜往复运动的声波频率；

步骤7：隔膜泵流量计算：预先标定隔膜泵在不同流量工作状态下的隔膜声波频率，得 到隔膜泵内隔膜声波频率与隔膜泵流量的关系式；

步骤8：隔膜泵流量计算：将步骤6得到的隔膜泵工作的时间区间内的每个时间点的隔 膜往复运动的声波频率代入步骤7的关系式内，得到隔膜泵在工作的时间区间内的每个时间 点对应的流量。

所述声控单元3包括声波模数转换单元，所述控制器4采用单片机。

所述的步骤4具体包括：

(1)通过声波语谱图选取声波语谱图中振幅正阶越的时间点，该时间点为隔膜泵的开启 时间点，通过声波语谱图选取声波语谱图中振幅负阶越的时间点，该时间点为隔膜泵的关闭 时间点，隔膜泵开启的时间点和其后的相邻的隔膜泵的关闭时间点之间的时间区间为隔膜泵 工作的时间区间；

(2)选取隔膜泵工作的时间区间内的声波语谱图。

所述的振幅正阶越的时间点具体包括：预先设定阶越变化阈值，若在某一时间点上的振 幅增大且增大的变化值大于阶越变化阈值，则该时间点为振幅正阶越的时间点。所述的振幅 负阶越的时间点具体包括：预先设定阶越变化阈值，若在某一时间点上的振幅减小且减少的 变化值大于阶越变化阈值，则该时间点为振幅负阶越的时间点。如图3所示，t₁₁至t_1m属于隔 膜泵工作的时间区间；t₂₁至t_2m属于隔膜泵工作的时间区间；t₃₁至t_3m属于隔膜泵工作的时间 区间。

所述的步骤5的低通滤波方法具体包括：(a)根据隔膜泵工作的时间区间内的声波语谱 图确定该声波语谱图内的振幅，预先设定隔膜泵发出的声波信号的振幅阈值范围，从隔膜泵 工作的时间区间的声波语谱图中过滤掉不属于隔膜泵发出的声波信号的振幅阈值范围内的其 他振幅，得到隔膜泵实际工作的时间区间内的声波语谱。其中振幅阈值范围可根据实际无杂 波信号时采集的隔膜泵发出的声波信号的振幅范围来设定。(b)而隔膜泵本身的声波频率与 隔膜泵的转速有关，也可以通过隔膜泵的转速计算隔膜泵的工作频率范围，然后根据隔膜泵 工作的时间区间内的声波语谱确定隔膜泵工作的时间区间内的的频率信号，从隔膜泵工作的 时间区间内的提取位于隔膜泵的工作频率范围内的频率信号，过滤掉不位于隔膜泵的工作频 率范围内的频率信号，得到隔膜泵实际工作的时间区间内的声波语谱。

当低通滤波完成后，可清晰的得出隔膜泵实际工作的时间区间内的声波语谱，但是此处 声波亦包含杂波信号，须进行二次解析，本实施例采用傅里叶变换的方法解析隔膜泵工作区 间隔膜往复运动的频率特性，即执行所述的步骤6，所述的步骤6具体包括：

(1)采用傅里叶变换的方法解析步骤5得到的声波语谱图，从而解析隔膜泵工作的时间 区间内的隔膜往复运动的频率特性，得到隔膜泵工作的时间区间内的每个时间点对应的频谱 图；

定义时间区间为t_i，i＝0,1,2,…在t_i区间内进行复变函数转换

其中f(t)表示的是语谱图，得到语谱图对应的周期函数F(ω)，即如图4所示的频谱图， 其中t代表时间，ω代表频率；

(2)选取频谱图中最接近于OHz、振幅变化大且不属于倍频的声波频率，该声波频率为 隔膜泵工作的时间区间内的与频谱图相对应的时间点的隔膜往复运动的声波频率，所述的频 谱图中振幅变化大的声波频率是指振幅变化值大于振幅变化阈值的声波频率。

如图4所示，为某一时间点对应的频谱图，横坐标为频率，纵坐标为振幅，由该图可知， x≈35.39，为根据频谱图得到的隔膜往复运动的声波频率，x≈70.74虽然振幅变化也很大，但 是x≈70.74与x≈35.39属于整数倍关系，即x≈70.74的频率属于倍频。经过实验测得实际频 率为f＝33.88,因此采用麦克风方法测得频率的结果较为准确。

本实施例中的所述的步骤7中选择0.15号喷嘴时，标定隔膜泵在不同流量工作状态下的 声波频率(即隔膜声波频率)，通过隔膜泵标定可得泵内隔膜声波频率与隔膜泵流量的关系， 最终计算隔膜泵流量；隔膜泵声波频率对应的隔膜泵流量：

f(x)＝133300x³-0.00001x²+25670x+12950

其中：x为声波频率；f(x)为隔膜泵流量。在进行标定的时候，可以给隔膜泵接通不同的电 压，在每个电压下面都有一个对应的转速，通过转速计算频率，从而得到隔膜泵在不同流量 工作状态下的声波频率，得到隔膜泵内隔膜声波频率与隔膜泵流量的关系式。

本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准， 任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范 围。

Claims (6)

1.一种基于麦克风的植保无人机的隔膜泵喷洒流量测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：麦克风采集植保无人机上的隔膜泵的声波信号并发送声波信号到声控单元；

步骤2：声控单元将声波信号转换为模拟信号，并发送模拟信号到控制器；

步骤3：控制器接收模拟信号并对信号进行语谱分析得到声波语谱图；

步骤4：通过声波语谱图判断隔膜泵工作的时间区间，并选取隔膜泵工作的时间区间的声波语谱图；

步骤5：从隔膜泵工作的时间区间的声波语谱图中过滤掉不属于隔膜泵发出的声波信号的振幅阈值范围内的其他振幅；

步骤6：采用傅里叶变换的方法解析步骤5得到的声波语谱图，得到隔膜泵工作的时间区间内的每个时间点的隔膜往复运动的声波频率；

步骤7：预先标定隔膜泵在不同流量工作状态下的隔膜声波频率，得到隔膜泵内隔膜声波频率与隔膜泵流量的关系式；

步骤8：将步骤6得到的隔膜泵工作的时间区间内的每个时间点的隔膜往复运动的声波频率代入步骤7的关系式内，得到隔膜泵在工作的时间区间内的每个时间点对应的流量。

2.根据权利要求1所述的基于麦克风的植保无人机的隔膜泵喷洒流量测试方法，其特征在于，所述声控单元包括声波模数转换单元，所述控制器采用单片机。

3.根据权利要求1所述的基于麦克风的植保无人机的隔膜泵喷洒流量测试方法，其特征在于，所述的步骤4具体包括：

(1)通过声波语谱图选取声波语谱图中振幅正阶越的时间点，该时间点为隔膜泵的开启时间点，通过声波语谱图选取声波语谱图中振幅负阶越的时间点，该时间点为隔膜泵的关闭时间点，隔膜泵开启的时间点和其后的相邻的隔膜泵的关闭时间点之间的时间区间为隔膜泵工作的时间区间；

(2)选取隔膜泵工作的时间区间内的声波语谱图。

4.根据权利要求3所述的基于麦克风的植保无人机的隔膜泵喷洒流量测试方法，其特征在于，

所述的振幅正阶越的时间点具体包括：预先设定阶越变化阈值，若在某一时间点上的振幅增大且增大的变化值大于阶越变化阈值，则该时间点为振幅正阶越的时间点；

所述的振幅负阶越的时间点具体包括：预先设定阶越变化阈值，若在某一时间点上的振幅减小且减少的变化值大于阶越变化阈值，则该时间点为振幅负阶越的时间点。

5.根据权利要求3所述的基于麦克风的植保无人机的隔膜泵喷洒流量测试方法，其特征在于，所述的步骤5包括：

根据隔膜泵工作的时间区间内的声波语谱图确定该声波语谱图内的振幅，预先设定隔膜泵发出的声波信号的振幅阈值范围，从隔膜泵工作的时间区间的声波语谱图中过滤掉不属于隔膜泵发出的声波信号的振幅阈值范围内的其他振幅。

6.根据权利要求5所述的基于麦克风的植保无人机的隔膜泵喷洒流量测试方法，其特征在于，所述的步骤6包括：

(1)采用傅里叶变换的方法解析步骤5得到的声波语谱图，从而解析隔膜泵工作的时间区间内的隔膜往复运动的频率特性，得到隔膜泵工作的时间区间内的每个时间点对应的频谱图；

(2)选取频谱图中最接近于OHz、振幅变化大且不属于倍频的声波频率，该声波频率为隔膜泵工作的时间区间内的与频谱图相对应的时间点的隔膜往复运动的声波频率，所述的频谱图中振幅变化大的声波频率是指振幅变化值大于振幅变化阈值的声波频率。

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