CN109353515A - 一种植保无人机液位测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种植保无人机液位测量装置，包括检测单元、信号转换单元、信号输出单元以及控制系统，所述检测单元用于检测植保无人机的药箱中的药液的液位，并以电信号的形式将信息传递给信号转换单元；所述信号转换单元用于将检测单元输出的电信号转换成二进制代码，并将其输送至信号输出单元；所述信号输出单元用于将二进制代码输出至中央处理器；所述控制系统用于控制每个传感器的激活与停止以及控制信号输出单元何时将二进制代码输出至中央处理器。该植保无人机液位测量装置能够实现对药箱液位的检测，根据传感器的反馈信息控制洒药口的工作情况，避免施药过多，提高工作效率和质量。

Description

一种植保无人机液位测量装置

技术领域

本发明涉及一种液位测量装置，具体涉及一种植保无人机液位测量装置。

背景技术

无人驾驶飞机简称“无人机”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，并可以实现自动驾驶，广泛应用于空中侦察、监视、通信、电子干扰等领域。

随着科学技术的不断发展，无人在农林业方面的应用也越来越广泛。植保无人机，就是现代将无人驾驶飞机用于农林植物保护作业的一种实际运用，该型无人飞机有飞行平台(固定翼、单旋翼、多旋翼)、GPS飞控、喷洒机构三部分组成，通过地面遥控或GPS飞控，来实现喷洒作业，可以喷洒药剂、种子、粉剂等。

传统的植保无人机在进行喷洒作业时，由于没有对药箱内药液的多少进行监控，只能通过操纵人员的经验来进行判断，很容易造成浪费，并且如果过量施药很容易对作物造成影响。随着智能化的不断发展也对植保无人机的精准作业提出了更高的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种植保无人机液位测量装置，该植保无人机液位测量装置能够实现对药箱液位的检测，从而根据传感器反馈的液位信息控制洒药口工作，避免施药过多或过少，提高喷施作业的精确性以及作业效率。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

一种植保无人机液位测量装置，包括检测单元、信号转换单元、信号输出单元以及控制系统，其中，

所述检测单元包括基座、设置在基座上的壳体以及设置在壳体内的多个传感器，其中，所述壳体内分为两个并列的空间，其中一个空间用于安装传感器，该空间为安装空间；另一个空间与植保无人机的药箱内的药液连通，该空间为检测空间；所述多个传感器竖直排列在所述壳体的安装空间内，且该传感器的两个检测极点延伸进所述检测空间内；所述多个传感器中的相邻两个传感器之间设置有异或门电路，所述异或门电路的两个输入端分别与所述两个传感器的输出端连接，该异或门电路的输出端与所述信号转换单元连接；

所述信号转换单元用于将异或门电路输出的电信号转换成二进制代码，并将其输送至信号输出单元；

所述信号输出单元用于将二进制代码输出至中央处理器，通过中央处理器将二进制代码翻译成植保无人机的药箱中的药液的液位高度；

所述控制系统用于控制每个传感器的激活与停止以及控制信号输出单元何时将二进制代码输出至中央处理器。

优选的，所述控制系统包括网络控制单元以及数字控制单元，其中，所述网络控制单元用于决定信号输出单元何时将信号转换单元输送过来的二进制代码输出至中央处理器；所述数字控制单元为两个数字控制模块，其中一个数字控制模块用于在测量前控制重新设置网络；另一个数字控制模块用于按顺序激活和停用所述多个传感器。

优选的，所述传感器与所述信号转换单元之间设置有信号调节单元，所述信号调节单元用于防止传感器被误读。

优选的，所述检测单元还包括用于保护传感器免受药液腐蚀的保护壳，所述保护壳包括内保护壳和外保护壳，其中，所述内保护壳设置在所述传感器上；所述壳体构成用于保护所述检测单元的所述外保护壳，所述内保护壳和外保护壳的材质相同。

优选的，所述壳体的安装空间内竖直设置有多个用于安装传感器的卡位，所述多个卡位竖直排列在所述壳体的安装空间内。

优选的，所述壳体中的检测空间在与药箱中的药液接触的位置处设置有多个可供药液进入检测空间的气孔，所述多个气孔竖直排列在所述壳体中位于检测空间的侧壁上，且所述壳体在所述检测空间的最底部必须设置有气孔。

优选的，所述检测空间的上端设置有用于对完成液位检测后的壳体中的检测空间进行清洗的喷洒装置。

优选的，所述传感器为七个；所述异或门电路为七个，其中，最后一个异或门电路的输入端分别与最后一个传感器的输出端和地面连接。

优选的，所述信号转换单元为8线-3线编码器，所述8线-3线编码器的输入端分别与七个异或门电路的输出端连接，该8线-3线编码器的输出端与信号输出单元连接。

优选的，所述信号输出单元为三个三态输出缓冲器，所述三个三态输出缓冲器的输入端分别与8线-3线编码器的三个输出端连接，该三个三态输出缓冲器的使能端分别与网络控制单元连接，所述三个三态输出缓冲器的输出端分别与中央处理器连接。

本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：

1、本发明的植保无人机液位测量装置可以对植保无人机的药箱内的药液进行自动检测，并根据传感器反馈的液位信息控制洒药口工作，避免施药过多或过少，提高喷施作业的精确性以及作业效率。

2、本发明的植保无人机液位测量装置可以对药箱内的药液进行自动检测，从而可以精准地控制喷洒药液的量，这样既可以避免造成浪费，又可以避免出现因为喷洒药液过多而对农作物产生影响的情况。

3、本发明的植保无人机液位测量装置可以对药箱内的药液进行自动检测，当植保无人机要实现跨区域喷洒作业时，本发明的植保无人机液位测量装置可以实时监测药箱中的药液的液位高度，当液位高度到达预设值后，传感器将检测信息发送给中央处理器，中央处理器接收信号后关闭洒药口，飞至另一区域后，由飞手重新打开药液喷洒装置进行另一块区域的药液的喷施。这样就可以精准控制每块区域中药液的喷施量，这样既不会造成浪费，又不会对农作物产生影响。

4、本发明采用异或门电路来实现对传感器作业要求的优点在于：制造工艺简单、能耗低、集成度高、电源电压适用范围广、抗干扰能力强，可以很好的满足植保无人机的工艺要求。

附图说明

图1为本发明的植保无人机液位测量装置的流程框图。

图2为传感器的原理图。

图3-图5为检测单元的结构示意图，其中，图3为立体结构示意图，图4为去除壳体后的立体结构示意图，图5为结构简图。

图6为信号调节单元的原理图。

图7为异或门电路的连接图。

图8为信号输出单元的原理图。

图9为控制系统的原理图。

图10为网络控制单元的时序图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

参见图1-图10，本发明的植保无人机液位测量装置包括检测单元、信号转换单元、信号输出单元以及控制系统，其中，所述检测单元用于检测植保无人机的药箱中的药液的液位，并以电信号的形式将信息传递给信号转换单元；所述信号转换单元用于将检测单元输出的电信号转换成二进制代码，并将其输送至信号输出单元；所述信号输出单元用于将二进制代码输出至中央处理器，通过中央处理器将二进制代码翻译成植保无人机的药箱中的药液的液位高度；所述控制系统用于控制检测单元中的各个传感器的激活与停止以及控制信号输出单元何时将信号转换单元传输过来的二进制代码输送至中央处理器，该控制系统包括网络控制单元以及数字控制单元，其中，所述网络控制单元用于决定信号输出单元何时将二进制代码输出至中央处理器；所述数字控制单元为两个数字控制模块，其中一个数字控制模块用于控制重新设置网络，以便开始测量；另一个数字控制模块用于按顺序激活和停用所述检测单元中的各个传感器。

以下对各个单元的具体结构进行单独描述：

1、检测单元

参见图1-图10，所述检测单元包括基座1a、设置在基座1a上的壳体2a以及设置在壳体2a内的七个传感器，其中，所述壳体2a内分为两个并列的空间，其中一个空间用于安装传感器，该空间为安装空间3a；另一个空间与植保无人机的药箱内的药液连通，该空间为检测空间4a；所述七个传感器竖直排列在所述壳体2a的安装空间3a内，按照高度的不同，从低到高分别为1号传感器、2号传感器、3号传感器、4号传感器、5号传感器、6号传感器以及7号传感器，每一个传感器对应一个液位，这样就可将液位从下到上分为0级、1级、2级、3级、4级、5级、6级和7级。所述七个传感器的两个检测极点5a延伸进所述检测空间4a内；当传感器的两个检测极点5a检测到药液时，那么电流就会在两个检测极点5a之间流动，信号条件反射会检测到电压。若没有与药液接触，那么两个检测极点5a之间就处于开路状态，信号条件作用是零电压。所述七个传感器中的相邻两个传感器之间设置有异或门电路，所述异或门电路为七个，该七个异或门电路的输入端分别与七个传感器的输出端和地面连接。例如：1号传感器与2号传感器分别与第一个异或门电路的两个输入端连接，2号传感器与3号传感器分别与第二个异或门电路的输入端连接，……，7号传感器和地面分别与第七个异或门电路的两个输入端连接；所述七个异或门电路的输出端与所述信号转换单元连接。

参见图1-图10，在检测过程中，位于液位以下的传感器输出高电平，而位于液位以上的传感器则输出低电平。因此，在检测液位时，当相邻两个传感器中其中一个传感器输出低电平，另一个传感器输出高电平，则表明液位高度在该两个传感器之间。例如当3号传感器输出高电平，而4号传感器输出低电平，那么就可以判断水位至少达到3号传感器的高度。因此，表1表示相邻两个传感器之间的水位和信号之间的组合。

表1.相邻两个传感器之间的水位和电压之间的关系

通过设置异或门电路来判断水位在哪组传感器之间，异或门电路的真值表如下表：

表2.异或门的真值表

即当只有与异或门电路的两个输入端连接的两个传感器中的其中一个输入高电平，另一个传感器输入低电平时，该异或门电路的输出端才输出高电平，这也意味着植保无人机的药箱中的药液的高度在这两个传感器对应的液位之间。例如第二个异或门电路输出高电平，那么就可以判断植保无人机的药箱中的药液的高度在2号传感器和3号传感器对应的液位之间，即位于2级液位和3级液位之间。

参见图1-图10，在进行实际的测量过程中，由于不同药液的导电性不同，可能会出现测得的电压低于最小触发电压，在这种情况下会使传感器误读，为了避免这种情况的产生，通过在每个传感器与所述信号转换单元之间均设置有一个信号调节单元，所述信号调节单元用于增加电压，防止传感器被误读，该信号调节单元为信号比较器(运算放大器)，所述运算放大器的同相输入端与传感器的输出端连接，反相输入端接1.1V的阈值电压，正极接5.5V电压，负极接地；该运算放大器的输出端与信号转换单元连接。由于运算放大器采用开环连接，因此没有反馈，并且运算放大器应该是饱和的。如果传感器电压高于1.1V的阈值电压，该运算放大器的输出电压将是3.5V。如果传感器电压低于阈值电压，该运算放大器的输出电压将为0V。所述运算放大器具体采用市面上现有的四运算放大器—LM324。

在本实施例中，由于原板的极限，阈值电压设置为1.1V。但由于传感器的低电压是接地的，因此该阈值电压可以设置更低。

参见图1-图10，所述检测单元还包括用于保护传感器免受药液腐蚀的保护壳，所述保护壳包括内保护壳和外保护壳，其中，所述内保护壳设置在所述传感器上；所述壳体2a构成用于保护所述检测单元的所述外保护壳，所述内保护壳和外保护壳的材质相同，其中，所述外保护壳采用PPR管。

参见图1-图10，所述壳体2a的安装空间3a内竖直设置有多个用于安装传感器的卡位8a，所述多个卡位8a竖直排列在所述壳体2a的安装空间3a内。通过设置多个卡位8a，可以用于调节各个传感器的安装位置，从而实现对不同高度的药液进行测量。

参见图1-图10，所述壳体2a中的检测空间4a在与药箱中的药液接触的位置处设置有多个可供药液进入检测空间4a的气孔6a，所述多个气孔6a竖直排列在所述壳体2a中位于检测空间4a的侧壁上，且所述壳体2a在所述检测空间4a的最底部必须设置有气孔6a。这样，在进行对植保无人机的药箱的药液进行检测时，药箱的药液经过气孔6a进入到检测空间4a中与传感器的两个检测极点5a接触，使得传感器能够进行液位检测。此外，所述壳体2a在所述检测空间4a的最底部必须设置有气孔6a，其目的在于减小植保无人机飞行过程中药箱液位震荡的影响。

参见图1-图10，所述检测空间4a的上端设置有用于对完成液位检测后的壳体2a中的检测空间4a进行清洗的喷洒装置7a。当完成对植保无人机的药箱中的药液的液位检测后，喷洒装置7a向壳体2a内的检测空间4a中喷洒清洗液，从而对传感器的两个检测极点5a进行清洗，从而减少药液对传感器的腐蚀，延长其使用寿命。

2、信号转换单元

参见图1-图10，在液位测量的过程中，通过判断七个传感器输出的高低电平来确定哪些传感器位于液面以下，而哪些传感器位于液位以上。接着，通过七个异或门电路的输出电压来判断植保无人机的药箱中的液位位于哪两个传感器之间。由于有七个异或门电路，就有七种不同的输出，信号转换单元也就有七个不同的输入。因此，所述信号转换单元采用8线-3线编码器，通过二进制转换接受七个输入并将其转换为一个三位二进制数。其中，二进制代码使用反向逻辑，即高电压为0，低电压为1。通过8线-3线编码器中的每个输出与输入的逻辑函数关系式可知，O3(O3是最重要的位)的逻辑对应4号传感器、5号传感器、6号传感器以及7号传感器的输入，即当水位到达4级、5级6级和7级时，O3很低，这与第5输入接地的5-输入或非门(表4)的逻辑是相同的。O2的逻辑对应2号传感器、3号传感器、6号传感器和7号传感器的输入。O1的逻辑对应1号传感器、3号传感器、5号传感器和7号传感器输入。其中，表3显示了所需的电压和二进制代码(O3是最重要的位)，表4为5-输入或非门的真值表。

表3.每个水位的期望电压和逻辑(O3是最重要的位)

表4.5-输入或非门的真值表

3、信号输出单元

参见图1-图10，所述信号输出单元采用三个三态输出缓冲器，每个三态输出缓冲器的输入端与所述8线-3线编码器的其中一个输出端连接，使能端与网络控制单元连接，而该三态输出缓冲器的输出端通过通信线路与中央处理器连接。由于三态缓冲允许所有联网传感器共享相同的通信线路，因此通过网络控制单元激活三态输出缓冲器的使能端，从而将三位二进制代码通过通信线路传输至中央处理器。此外，该三态输出缓冲器具有高阻抗和低网络控制，因此可以防止信号泄漏。

4、网络控制单元

参见图1-图10，网络控制单元决定传感器何时可以发送信号。它需要对每个传感器进行两个数字控制。第一个数字控制模块(D0)使传感器能够按顺序激活和停用。第二个数字控制模块(D1)重新设置了网络。网络控制单元的设计使得各个传感器可以按任何特定的顺序排列，且将传感器连接在一起，并从传感器关闭控制开始按顺序访问。

参见图1-图10，所述网络控制单元为两个J和K都很高的JK触发器。

参见图1-图10，网络控制的第一步是将D1设置为低电平以重置网络并初始化时间。然后将D1设置并保持高电平以使得传感器循环工作。接着，给D0一个方波。与门1最初跟随D0。D0的第一个下降沿导致Q1切换到高电平，从而激活传感器的三态输出缓冲器。传感器的检测信息应在第二个下降沿之前读取。D0的第二个下降沿导致Q1切换为低电平，从而关闭三态输出缓冲器。因此，Q1下降沿导致Q2切换为高电平，切换为低电平。随着第二个数字控制模块的切换与门1停止并且与门2开始跟随D0。传感器关闭，D0方波被发送到下一个传感器。从这个传感器进行另一次测量时清除切换并通过将D1设置为低电平来复位网络。通过将最后一个传感器的和D₁相连，可以将系统设置为在最后一个传感器后自动复位。

参见图1-图10，本发明的植保无人机液位测量装置的工作原理是：

测量时，药液通过气孔6a进入本发明的植保无人机液位测量装置的检测空间4a内。接着，数字控制单元中的其中一个数字控制模块D1控制重新设置网络，另一个数字控制模块D0控制七个传感器按顺序激活和停止。当药液未与传感器的两个检测极点5a接触时，该传感器的两个检测极点5a之间处于断开状态，所述传感器输出低电压。当药液与传感器的两个检测极点5a接触时，该传感器的两个检测极点5a处于连通状态，所述传感器输出高电压。这样就可以通过传感器输出电压信号的变化传输液位变化的情况。随后，七个传感器输出的电信号经过8线-3线编码器转换为三位二进制代码，并将这些三位二进制代码传输到三态输出缓冲器中。当需要将这些三位二进制代码传输给中央处理器时，所述网络控制单元激活三态输出缓冲器的使能端，使得该三位二进制代码通过通信线路传输给中央处理器，并通过中央处理器将这些三位二进制代码翻译成植保无人机的药箱中的药液的液位高度并反馈给飞手，使得飞手可以实时监控植保无人机的药箱中的药液的量，从而实现精准喷施。

当要实现跨区域喷洒作业时，可以设置传感器的激活数量，当药箱的药液的液位到达预设位置后，传感器传输信号，中央处理器接收信号后关闭洒药口，飞至另一区域后，由飞手重新打开药液喷洒装置。由于植保无人机在进行喷洒作业时，药液重量的减少会对植保无人机下方风场产生影响，可以预先设置传感器的位置，当检测到对应的液位信号后改变植保无人机的飞行姿态，使植保无人机下方风场更加稳定，喷洒更加均匀。再完成每次的喷洒作业后，可以通过喷洒装置7a对传感器的检测极点5a进行清洗，减少药液对检测极点5a的腐蚀。

上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种植保无人机液位测量装置，其特征在于，包括检测单元、信号转换单元、信号输出单元以及控制系统，其中，

所述检测单元包括基座、设置在基座上的壳体以及设置在壳体内的多个传感器，其中，所述壳体内分为两个并列的空间，其中一个空间用于安装传感器，该空间为安装空间；另一个空间与植保无人机的药箱内的药液连通，该空间为检测空间；所述多个传感器竖直排列在所述壳体的安装空间内，且该传感器的两个检测极点延伸进所述检测空间内；所述多个传感器中的相邻两个传感器之间设置有异或门电路，所述异或门电路的两个输入端分别与所述两个传感器的输出端连接，该异或门电路的输出端与所述信号转换单元连接；

所述信号转换单元用于将异或门电路输出的电信号转换成二进制代码，并将其输送至信号输出单元；

所述信号输出单元用于将二进制代码输出至中央处理器，通过中央处理器将二进制代码翻译成植保无人机的药箱中的药液的液位高度；

所述控制系统用于控制每个传感器的激活与停止以及控制信号输出单元何时将二进制代码输出至中央处理器。

2.根据权利要求1所述的植保无人机液位测量装置，其特征在于，所述控制系统包括网络控制单元以及数字控制单元，其中，所述网络控制单元用于决定信号输出单元何时将信号转换单元输送过来的二进制代码输出至中央处理器；所述数字控制单元为两个数字控制模块，其中一个数字控制模块用于在测量前控制重新设置网络；另一个数字控制模块用于按顺序激活和停用所述多个传感器。

3.根据权利要求1所述的植保无人机液位测量装置，其特征在于，所述传感器与所述信号转换单元之间设置有信号调节单元，所述信号调节单元用于防止传感器被误读。

4.根据权利要求1所述的植保无人机液位测量装置，其特征在于，所述检测单元还包括用于保护传感器免受药液腐蚀的保护壳，所述保护壳包括内保护壳和外保护壳，其中，所述内保护壳设置在所述传感器上；所述壳体构成用于保护所述检测单元的所述外保护壳，所述内保护壳和外保护壳的材质相同。

5.根据权利要求1所述的植保无人机液位测量装置，其特征在于，所述壳体的安装空间内竖直设置有多个用于安装传感器的卡位，所述多个卡位竖直排列在所述壳体的安装空间内。

6.根据权利要求1所述的植保无人机液位测量装置，其特征在于，所述壳体中的检测空间在与药箱中的药液接触的位置处设置有多个可供药液进入检测空间的气孔，所述多个气孔竖直排列在所述壳体中位于检测空间的侧壁上，且所述壳体在所述检测空间的最底部必须设置有气孔。

7.根据权利要求1所述的植保无人机液位测量装置，其特征在于，所述检测空间的上端设置有用于对完成液位检测后的壳体中的检测空间进行清洗的喷洒装置。

8.根据权利要求1所述的植保无人机液位测量装置，其特征在于，所述传感器为七个；所述异或门电路为七个，其中，最后一个异或门电路的输入端分别与最后一个传感器的输出端和地面连接。

9.根据权利要求8所述的植保无人机液位测量装置，其特征在于，所述信号转换单元为8线-3线编码器，所述8线-3线编码器的输入端分别与七个异或门电路的输出端连接，该8线-3线编码器的输出端与信号输出单元连接。

10.根据权利要求9所述的植保无人机液位测量装置，其特征在于，所述信号输出单元为三个三态输出缓冲器，所述三个三态输出缓冲器的输入端分别与8线-3线编码器的三个输出端连接，该三个三态输出缓冲器的使能端分别与控制系统连接，所述三个三态输出缓冲器的输出端分别与中央处理器连接。