CN110806773A - 一种固定翼植保无人机变量喷施控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固定翼植保无人机变量喷施控制方法，包括无人机飞行控制系统、无人机地面控制站、飞行参数获取模块、图像采集与处理模块、飞行姿态控制模块、喷施控制模块、以及电源模块。图像采集与处理模块通过遥感拍摄地面喷施作业区域图像，基于图像处理算法，获取喷施作业区域面积，植被种类、植被行数、植被列数，并将该数据传输给无人机飞行控制系统，喷施控制模块执行喷药箱容量判断、飞行高度、飞行速度判断，并基于图像采集和处理得到的数据，结合经验函数计算喷施控制信号。

Description

一种固定翼植保无人机变量喷施控制方法

【技术领域】

本发明涉及一种植保固定翼无人机变量喷施控制方法，属于农业植保无人机技术领域。

【背景技术】

变量喷施是实现农业植保领域施药技术的一种重要方式。变量喷施技术可根据作业速度、作物种类自动调节喷量，既节约农药，又可减少农产品中的农药残留和环境污染，是农业喷施领域的重要发展方向。

国内外学者研究开发了不少变量喷施系统，如控制药液混合比改变药液浓度实现变量施药，但存在浓度延时问题，系统复杂，施药剂量调节幅度小。另有基于地理信息系统的自动对靶变量喷雾控制装置，变量喷雾装备各个喷头的喷量需要控制中心在变量喷雾处方图的指导下，根据地面移动装载装备的位置、速度、喷雾系统的流量以及压力，利用伺服阀来控制，但与无人机喷雾相比，地面移动装载装备喷雾效率较低，且会留下辙印和损坏农作物。

近年来，随着现代农业及高新技术的快速发展，变量喷施技术主要有基于红外线、超声波、机器视觉及激光雷达等变量喷雾方式，这些方式虽然是技术先进，但是由于过程复杂，操作不易，很难在实际应用中取得良好的喷雾效果。

本发明在研究现有技术的基础上，针对现有技术的缺陷，设计了一种新型的基于作业区域、植被种类、植被行数、植被列数、喷药箱存储容量、飞行高度、飞行速度参数进行决策的变量喷施控制方法，由于无人机单次携带的药液量很有限，因此，实现精确喷施是提高喷施工作效率的关键，本发明在实际验证的基础上，总结出适合小范围喷施作业的变量喷施控制系统的一般控制流程判断规则。

【发明内容】

为解决无人机变量喷施过程中无法根据飞行状态，作业面积，植被种类、药箱容量等参数动态进行喷施量控制的问题，本发明设计了如下技术方案。

一种植保固定翼无人机变量喷施控制方法，包括无人机飞行控制系统、无人机地面控制站、飞行参数获取模块、图像采集与处理模块、飞行姿态控制模块、喷施控制模块、以及电源模块。

控制系统具体控制方法如下。

步骤1：无人机及地面控制站上电自检，进行飞行控制系统初始化，喷施控制模块初始化，图像采集与处理模块初始化；

步骤2：地面控制站发送控制指令，决定无人机是否接受人工喷施控制或执行自动巡航变量喷施控制；如执行人工喷施控制，则转入步骤10，否则进入步骤3，自动巡航变量喷施流程；

步骤3：进入自动巡航变量喷施流程后，图像采集与处理模块启动，通过高清摄像机获取待作业区域的植被图像，经图像处理算法后，得到植被图像数据；

步骤4：变量喷施控制模块启动，首先进行喷药箱药液容量判断，读取喷药箱液位传感器数据，当药液容量低于容量第一阈值L1时，通知无人机返航加药；否则进入步骤5；

步骤5：喷施控制模块读取无人机飞行状态参数，获取无人机当前高度和飞行速度；

步骤6：判断无人机当前飞行高度，当无人机飞行高度低于高度第一阈值H1时，发送信号到无人机飞行控制系统，控制无人机拉升舵机，增加飞行高度；当无人机飞行高度处于高度第二阈值H2±0.5m时，进入步骤7；

步骤7：判断无人机当前飞行速度，当无人机飞行速度低于速度第一阈值V1时，发送信号到无人机飞行控制系统，控制无人机加大油门舵机，提高飞行速度；当无人机飞行速度在速度第二阈值V2±0.5m/s时，进入步骤8；

步骤8：读取图像采集与处理模块缓存的植被图像数据，根据经验函数，计算变量喷施控制信号；

步骤9：驱动电磁阀，开启喷施作业，并实时读取喷药箱液位传感器数据，判断药液容量，当药液容量低于容量第一阈值L1时，通知无人机返航。

步骤10：无人机接受地面站人工喷施控制，利用无线通信技术，只接受地面站有关喷施控制参数和飞行状态控制指令，完成人工控制的喷施作业。

所述无人机飞行控制系统，负责与地面站进行数据传输和飞行数据处理，接受地面控制站的人工控制指令。

所述飞行参数获取模块，用于获取无人机飞行状态参数，包括飞行高度、飞行速度。

所述图像采集与处理模块用于对地面喷施作业区进行图像采集，并基于图像处理算法获得待喷施作业植被图像数据。

所述喷施控制模块为整个喷施控制中枢，其负责整个喷施控制参数优先级判断，用于根据图像采集与处理模块采集的图像数据，以及无人机的飞行控制状态参数，药液储存量，综合执行喷施流量控制，从而确保无人机实现根据地面植被类型以及当前飞行状态等参数动态调整喷施量。

所述地面控制站与所述无人机飞行控制系统进行远程数据传输，使得飞行控制系统可以接受地面工作人员的控制数据，从而实现无人机远程控制。

所述电源模块为上述各模块提供相应的供电电源。

更进一步的，所述图像采集与处理模块为高清度遥感摄像机，其通过遥感拍摄地面喷施作业区域图像，基于图像处理算法，获取喷施作业区域的面积，植被种类、植被行数、植被列数，并将该数据传输给无人机飞行控制系统。

更进一步的，所述飞行参数获取模块为基于GPS/INS的捷联惯导系统，可以实时准确的获取无人机的飞行高度、飞行速度。

更进一步的，所述电源模块为大容量，可充电，长续航能力的锂电池组。

更进一步的，所述无人机地面控制站，通过无线通信网络，如WIFI或4G与无人机飞行控制系统进行远程数据传输。

本发明中，图像采集与处理模块在获得喷施作业区图像之后，首先进行图像灰度二值化处理，基于图像的空间分布，得到图像的空间邻近度和像素值相似度，并结合图像灰度相似性，实现背景去噪，得到植被的轮廓图像。此外，图像处理系统内存中预存储有待作业植被区域的轮廓数据库，将通过采集与处理后得到的图像植被轮廓，与内存数据库中的植被轮廓进行比对，从而得到相应的植被先验类型匹配值，并将该匹配值传输给飞行控制系统。

更进一步的，本发明申请人在经过多次探索和试验后得出了喷施控制变量P与作业区域面积数据S、植被种类V、植被行数R、植被列数C之间的数值函数关系，其中

其中ω是PWM电路工作周期，θ是晶闸管导通角。

优选的，所述容量第一阈值L1为喷药箱药液量为1升。

优选的，所述高度第一阈值H1为无人机当前高度为1米。

优选的，所述高度第二阈值H2为无人机当前高度为2米。

优选的，所述速度第一阈值V1为无人机当前飞行速度为4m/s。

优选的，所述速度第二阈值V2为无人机当前飞行速度为5m/s。

可选的，所述喷药箱容量约为5L-10L，挂载在无人飞行器的正下方，隔膜泵的正上方，出水口与隔膜泵入水口相连；所述隔膜泵用于提供药液喷施压力。所述PWM控制模块采用MOSFET触发开关驱动模块，用于将PWM占空比信号转化成隔膜泵驱动电压信号。电磁阀用于控制喷头喷施的开启和关闭。喷药箱顶部具有液位传感器，可以实时获得喷药箱内部药液容量数据。

本发明实现了将遥感与图像处理技术应用到植保无人机变量喷施控制技术中，在无人机执行喷施作业之前，进行相关飞行参数的判断，从而确保无人机在最佳飞行状态下执行喷施作业，将植保区域面积、植保种类、植被行数、植被列数数据作为变量喷施的计算参数，实现喷施效率最大化，避免喷施药液的浪费。

【附图说明】

附图1为本发明植保固定翼无人机变量喷施控制流程图。

【具体实施方式】

一种植保固定翼无人机变量喷施控制方法，包括无人机飞行控制系统、无人机地面控制站、飞行参数获取模块、图像采集与处理模块、飞行姿态控制模块、喷施控制模块、以及电源模块。

控制系统具体控制方法如下。

步骤1：无人机及地面控制站上电自检，进行飞行控制系统初始化，喷施控制模块初始化，图像采集与处理模块初始化；

步骤2：地面控制站发送控制指令，决定无人机是否接受人工喷施控制或执行自动巡航变量喷施控制；如执行人工喷施控制，则转入步骤10，否则进入步骤3，自动巡航变量喷施流程；

步骤3：进入自动巡航变量喷施流程后，图像采集与处理模块启动，通过高清摄像机获取待作业区域的植被图像，经图像处理算法后，得到喷施作业相关数据指标；

步骤4：变量喷施控制模块启动，首先进行喷药箱药液容量判断，读取喷药箱液位传感器数据，当药液容量低于容量第一阈值L1时，通知无人机返航加药；否则进入步骤5；

步骤5：喷施控制模块读取无人机飞行状态参数，获取无人机当前高度和飞行速度；

步骤6：判断无人机当前飞行高度，当无人机飞行高度低于高度第一阈值H1时，发送信号到无人机飞行控制系统，控制无人机拉升舵机，增加飞行高度；当无人机飞行高度处于高度第二阈值H2±0.5m时，进入步骤7；

步骤7：判断无人机当前飞行速度，当无人机飞行速度低于速度第一阈值V1时，发送信号到无人机飞行控制系统，控制无人机加大油门舵机，提高飞行速度；当无人机飞行速度在速度第二阈值V2±0.5m/s时，进入步骤8；

步骤8：读取图像采集与处理模块缓存的植被图像数据，根据经验函数，计算变量喷施控制信号；

步骤9：驱动电磁阀，开启喷施作业，并实时读取喷药箱液位传感器数据，判断药液容量，当药液容量低于容量第一阈值L1时，通知无人机返航。

步骤10：无人机接受地面站人工喷施控制，利用无线通信技术，只接受地面站有关喷施控制参数和飞行状态控制指令，完成人工控制的喷施作业。

更进一步的，所述无人机飞行控制系统，负责与地面站进行数据传输和飞行数据处理，接受地面控制站的人工控制指令。

所述飞行参数获取模块，用于获取无人机飞行状态参数，包括飞行高度、飞行速度。

所述图像采集与处理模块用于对地面喷施作业区进行图像采集，并基于图像处理算法获得待喷施作业植保图像数据。

所述喷施控制模块为整个喷施控制中枢，其负责整个喷施控制参数优先级判断，用于根据图像采集与处理模块采集的图像数据，以及无人机的飞行控制状态参数，药液储存量，综合执行喷施流量控制，从而确保无人机实现根据地面植被类型以及当前飞行状态等参数动态调整喷施量。

所述地面控制站与所述无人机飞行控制系统进行远程数据传输，使得飞行控制系统可以接受地面工作人员的控制数据，从而实现无人机远程控制。

所述电源模块为上述各模块提供相应的供电电源。

更进一步的，所述图像采集与处理模块为高清度遥感摄像机，其通过遥感拍摄地面喷施作业区域图像，基于图像处理算法，获取喷施作业区域面积，植被种类、植被行数、植被列数，并将该数据传输给无人机飞行控制系统。

更进一步的，所述飞行参数获取模块为基于GPS/INS的捷联惯导系统，可以实时准确的获取无人机的飞行高度、飞行速度。

更进一步的，所述电源模块为大容量，可充电，长续航能力的锂电池组。

更进一步的，所述无人机地面控制站，通过无线通信网络，如WIFI或4G与无人机飞行控制系统进行远程数据传输。

本发明中，图像采集与处理模块在获得喷施作业区图像之后，首先进行图像灰度二值化处理，基于图像的空间分布，得到图像的空间邻近度和像素值相似度，并结合图像灰度相似性，实现背景去噪，得到植被的轮廓图像。此外，图像处理系统内存中预存储有待作业植被区域的轮廓数据库，将通过采集与处理后得到的图像植被轮廓，与内存数据库中的植被轮廓进行比对，从而得到相应的植被类型匹配值，并将该匹配值传输给飞行控制系统。

更进一步的，本发明申请人在经过多次探索和试验后得出了喷施控制变量P与作业区域面积数据S、植被种类V、植被行数R、植被列数C之间的数值函数关系，其中

其中ω是PWM电路工作周期，θ是晶闸管导通角。

优选的，所述容量第一阈值L1为喷药箱药液量为1升。

优选的，所述高度第一阈值H1为无人机当前高度为1米。

优选的，所述高度第二阈值H2为无人机当前高度为2米。

优选的，所述速度第一阈值V1为无人机当前飞行速度为4m/s。

优选的，所述速度第二阈值V2为无人机当前飞行速度为5m/s。

可选的，所述喷施药箱容量约为5L-10L，挂载在无人飞行器的正下方，隔膜泵的正上方，出水口与隔膜泵入水口相连；所述隔膜泵用于提供药液喷施压力。所述PWM控制模块采用MOSFET触发开关驱动模块，用于将PWM占空比信号转化成隔膜泵驱动电压信号。电磁阀用于控制喷头喷施的开启和关闭。喷药箱顶部具有液位传感器，可以实时获得喷药箱内部药液容量数据。

本发明实现了将遥感与图像处理技术应用到植保无人机变量喷施控制技术中，在无人机执行喷施作业之前，进行相关飞行参数的判断，从而确保无人机在最佳飞行状态下执行喷施作业，将植保区域面积、植保种类、植被行数、植被列数数据作为变量喷施的计算参数，实现喷施效率最大化，避免喷施药液的浪费。在进行植被喷施变量经验公式的选择中，发明人将植被行数和列数分别减一，并除以区域面积，从而可以得出每一块栅格区域的作业面积，然后，利用预设的植被种类值，作为喷施控制调节系数，利用基本的数学关系，得到PWM信号控制的输入波形，基于电力电子学基础知识，可以得出相应的控制信号。基于本发明实现的变量精确喷施作业，可以很好的识别植被种类，避免喷施过程的药液的浪费。

例如，我们选择药箱容积为5L，隔膜泵采用PLD-1206，额定电压12V，最大压力1MPa，最大流量4L/min；采用基于ARM Cortex-M4内核的STM32F407VET6单片机作为施药控制器核心处理器；组建好无人机的各个模块，连接好数据通信接口，当无人机通过图像采集和数据处理后，经喷施控制模块进行参数状态判断后，经喷施控制变量经验函数计算公式计算后得到PWM斩波控制信号后，驱动PWM控制器实现变量喷施作业。

Claims (10)

1.一种固定翼植保无人机变量喷施控制方法，其特征在于，包括无人机飞行控制系统、无人机地面控制站、飞行参数获取模块、图像采集与处理模块、飞行姿态控制模块、喷施控制模块、以及电源模块，控制系统具体控制方法如下：

步骤1：无人机及地面控制站上电自检，进行飞行控制系统初始化，喷施控制模块初始化，图像采集与处理模块初始化；

步骤2：地面控制站发送控制指令，决定无人机是否接受人工喷施控制或执行自动巡航变量喷施控制；如执行人工喷施控制，则转入步骤10，否则进入步骤3，自动巡航变量喷施流程；

步骤3：进入自动巡航变量喷施流程后，图像采集与处理模块启动，通过高清摄像机获取待作业区域的植被图像，经图像处理算法后，得到植被图像数据；

步骤4：变量喷施控制模块启动，首先进行喷药箱药液容量判断，读取喷药箱液位传感器数据，当药液容量低于容量第一阈值L1时，通知无人机返航加药；否则进入步骤5；

步骤5：喷施控制模块读取无人机飞行状态参数，获取无人机当前高度和飞行速度；

步骤6：判断无人机当前飞行高度，当无人机飞行高度低于高度第一阈值H1时，发送信号到无人机飞行控制系统，控制无人机拉升舵机，增加飞行高度；当无人机飞行高度处于高度第二阈值H2±0.5m范围内时，进入步骤7；

步骤7：判断无人机当前飞行速度，当无人机飞行速度低于速度第一阈值V1时，发送信号到无人机飞行控制系统，控制无人机加大油门舵机，提高飞行速度；当无人机飞行速度在速度第二阈值V2±0.5m/s范围内时，进入步骤8；

步骤8：读取图像采集与处理模块缓存的植被图像数据，根据经验函数，计算变量喷施控制信号；

步骤9：驱动电磁阀，开启喷施作业，并实时读取喷药箱液位传感器数据，判断药液容量，当药液容量低于容量第一阈值L1时，通知无人机返航；

步骤10：无人机接受地面站人工喷施控制，利用无线通信技术，只接受地面站有关喷施控制参数和飞行状态控制指令，完成人工控制的喷施作业。

2.根据权利要求1所述的一种固定翼植保无人机变量喷施控制方法，其特征在于，图像采集与处理模块在获得喷施作业区图像之后，首先进行图像灰度二值化处理，基于图像的空间分布，得到图像的空间邻近度和像素值相似度，并结合图像灰度相似性，实现背景去噪，得到植被的轮廓图像，此外，图像处理系统内存中预存储有待作业植被区域的轮廓数据库，将通过采集与处理后得到的图像植被轮廓，与内存数据库中的植被轮廓进行比对，从而得到相应的植被先验类型匹配值，并将该匹配值传输给飞行控制系统。

3.根据权利要求1所述的一种固定翼植保无人机变量喷施控制方法，其特征在于，所述容量第一阈值L1为喷药箱药液量为1升。

4.根据权利要求1所述的一种固定翼植保无人机变量喷施控制方法，其特征在于，所述高度第一阈值H1为无人机当前高度为1米。

5.根据权利要求1所述的一种固定翼植保无人机变量喷施控制方法，其特征在于，所述高度第二阈值H2为无人机当前高度为2米。

6.根据权利要求1所述的一种固定翼植保无人机变量喷施控制方法，其特征在于，所述速度第一阈值V1为无人机当前飞行速度为4m/s。

7.根据权利要求1所述的一种固定翼植保无人机变量喷施控制方法，其特征在于，所述速度第二阈值V2为无人机当前飞行速度为5m/s。

8.根据权利要求1所述的一种固定翼植保无人机变量喷施控制方法，其特征在于，所述喷药箱顶部具有液位传感器，可以实时获得喷药箱内部药液容量数据。

9.根据权利要求2所述的一种植保无人机变量喷施控制方法，其特征在于，所述图像采集与处理模块为高清度遥感摄像机，其通过遥感拍摄地面喷施作业区域图像，基于图像处理算法，获取喷施作业区域的面积S，植被种类V、植被行数R、植被列数C，并将该数据传输给无人机飞行控制系统。

10.根据权利要求9所述的一种植保无人机变量喷施控制方法，其特征在于，喷施控制变量P与作业区域面积数据S、植被种类V、植被行数R、植被列数C之间的经验函数关系如下：

其中ω是PWM电路工作周期，θ是晶闸管导通角。