CN111674552A - 一种无人机精准流量控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无人机技术领域，公开了一种无人机精准流量控制系统及方法。无人机精准流量控制系统包括无人机控制系统和喷洒系统，喷洒系统包括喷洒装置、喷洒控制模块和喷洒检测模块；喷洒装置包括药箱、隔膜泵、离心喷头；喷洒检测模块用于实时检测无人机药物喷洒过程中隔膜泵的喷液瞬时流量和药箱中药液的液位，并将检测结果发送给喷洒控制模块；喷洒控制模块接收无人机控制系统发出的喷洒控制信号，并根据喷洒控制信号及喷洒检测模块反馈的实时检测结果对喷液泵进行控制；喷洒检测模块包括电磁流量计，电磁流量计用于实时检测喷液瞬时流量和药箱中液位。本发明控制系统能实现喷洒流量的实时闭环控制和药箱液位的实时检测，提高了喷施的精准性。
Description
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，具体涉及一种无人机精准流量控制系统及方法。
背景技术
为了满足军事领域的某些特殊的战场需求，人类发明了无人机。随着技术的发展与电子器件的快速进步与成本的下降，无人机的应用范围逐渐向农业等领域扩展。无人机在农业植保领域的应用得到了越来越多的关注。与靠人工操作相比较，无人机更具有可控、精准、快速、节约、低污染等优势。通常无人机进行农药、液态肥喷施作业时流量等参数预先设定，且在作业过程中保持不变。有些无人机设备的参数是固定的，出厂后不可调节。这样造成了药剂有效利用率低，农药残留高且不可控，严重影响了我国农业可持续发展战略。“精细农业”提倡以最合理的资源投入、最精确的定量作业来获取最大的经济和社会效益。在此前提下，本发明提出一种无人机的精准流量控制装置及方法，当液位低于药箱中最低液位时，系统报警；同时设备可以实现根据实际情况实现流量可变及小流量控制。该发明对减少药剂使用、提高效率、促进农业绿色发展具有非常大的意义。
发明内容
针对现有技术存在的问题和不足，本发明的目的在于提供一种无人机精准流量控制系统及方法。
为实现发明目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明首先提供了一种无人机精准流量控制系统，包括无人机控制系统和喷洒系统，所述喷洒系统用于根据无人机控制系统发出的喷洒控制信号进行药物喷洒；所述喷洒系统包括喷洒装置、喷洒控制模块和喷洒检测模块，所述喷洒装置包括药箱、隔膜泵、离心喷头；所述喷洒检测模块用于实时检测无人机药物喷洒过程中喷液瞬时流量和药箱中药液的液位，并将检测结果发送给喷洒控制模块；所述喷洒控制模块与无人机控制系统之间有数据交互，喷洒控制模块接收无人机控制系统发出的喷洒控制信号，并根据喷洒控制信号及喷洒检测模块反馈的实时检测结果对隔膜泵进行控制；所述喷洒检测模块包括电磁流量计，电磁流量计用于实时检测喷液瞬时流量和药箱中的液位。
根据上述的无人机精准流量控制系统，优选地，所述电磁流量计包括测量管、磁场激励控制器、电极激励控制器和信号处理系统；测量管外壁上方和下方均设有励磁线圈，测量管内壁上设有一对对称设置的长弧形测量电极，长弧形测量电极的顶部为测量端，长弧形电极的底部为激励端；所述磁场激励控制器用于控制励磁线圈产生的磁场，所述电极激励控制器用于控制长弧形测量电极激励端上的电势；两个长弧形电极的中心连线方向、励磁线圈产生的磁场方向与测量管中液体方向相互垂直。
根据上述的无人机精准流量控制系统，优选地，所述长弧形测量电极的激励端不低于测量管可测非满管液位的最小值对应的管壁点。
根据上述的无人机精准流量控制系统，优选地，所述长弧形测量电极的激励端设置在测量管直径1/10的高度处。
根据上述的无人机精准流量控制系统，优选地，所述电磁流量计采用由励磁激励和电压激励构成的双激励工作周期机制；励磁激励周期下，关闭电压激励，利用电磁流量计励磁周期完成一次测量管内流体流量的测量，得到流量数据；电压激励周期下，关闭励磁激励，使测量管内磁场B＝0，完成一次测量管内流体液位的测量。
根据上述的无人机精准流量控制系统，优选地，所述电磁流量计进行测量管内液位高度测量的方法为：关闭励磁激励，使测量管内磁场B＝0，在长弧形测量电极的激励端上施加电压幅值恒定的交流信号，通过测量管内液体的耦合，在长弧形测量电极的测量端得到反应液位高度变化的电压信号，所述电压信号与测量管内液体液位成单值对应关系，采用信号处理系统对电压信号进行处理，得到测量管内液位高度。
本发明还提供了一种利用上述无人机精准流量控制系统进行药物喷洒的方法，包括以下步骤：
(1)通过无人机控制系统设置无人机药物喷施的作业区域、每个作业区域对应的喷施流量参数以及药箱预设最低液位参数；
(2)无人机根据定位信息飞抵第一指定作业区域，无人机控制系统发送喷洒控制信号至喷洒控制模块，喷洒控制模块根据接收的喷洒控制信号启动隔膜泵进行喷洒；
(3)喷洒过程中，喷洒检测模块的电磁流量计实时检测喷液瞬时流量信号和药箱的液位信号，并将检测的流量信号和液位信号发送至喷洒控制模块，喷洒控制模块根据喷洒检测模块反馈的流量信号实时调节隔膜泵流量参数，使其符合或接近目标喷施量要求；
(4)喷洒过程中，喷洒控制模对喷洒检测模块反馈的实时液位信号进行处理分析，当发现药箱液位达到预设最低液位时，喷洒控制模块关闭隔膜泵，并发出液位报警信号至无人机控制系统，无人机控制系统接收到液位报警信号后，控制无人机返航补加药液，并记录断点位置坐标；无人机补加药液后根据定位信息飞抵断点坐标位置，继续喷施；
(5)第一指定作业区域喷洒完成后，关闭隔膜泵，采用喷洒检测模块检测药箱液位信号并将液位信号发送至喷洒控制模块，喷洒控制模块对液位信号进行处理分析，当发现药箱液位达到预设最低液位时，发出液位报警信号至无人机控制系统，无人机控制系统接收到液位报警信号后，控制无人机返航补加药液；当发现药箱中液位高于预设最低液位时，无人机飞抵下一指定作业区域继续进行喷洒；
(6)重复上述步骤(2)-(5)直至完成所有作业区域的喷洒任务，无人机返航。
根据上述的方法，优选地，步骤(1)中针对每个作业区域的植被特点，利用无人机控制系统设置每个作业区域的无人机的飞行路线和巡航轨迹，确保喷施覆盖整个区域，喷施过程不出现重叠飞行轨迹。
与现有技术相比，本发明取得的积极有益效果为：
(1)本发明无人机精准流量控制系统能够根据不同喷施作业需求实时调节无人机的喷洒量，实现喷洒流量的实时闭环控制，极大地提高了喷施的精准性，克服了现有无人机喷施作业过程中流量参数只能预先设定不能实时调整的弊端。
(2)本发明无人机精准流量控制系统能够在喷施过程中实时检测药箱中液位，可以根据药箱中液位实时调整隔膜泵流量，实现流量大小及液位精准控制；而且，当喷施过程中检测到药箱液位达到最低液位时，会发出液位报警信号，无人机控制系统根据接收的液位报警信号能够控制无人机及时返航补加药液。
(3)本发明中电磁流量计采用长弧形电极取代原有点电极，长弧形测量电极的激励端设置在测量管直径1/10的高度处，能够实现喷施过程中喷洒流量和药箱液位的同时检测；而且液位检测与被测导电液体的电导率无关，使得电磁流量计对液位测量不受被测导电液体电导率影响；同时也解决了现有电磁流量计由于污垢等原因造成检测电极表面覆盖而产生的测量不准确的问题。
(4)本发明中电磁流量计采用采用由励磁激励和电压激励构成的双激励工作周期机制能够避免液位信号和流速信号之间的相互影响。
附图说明
图1为本发明无人机精准流量控制系统的示意图。
图2为本发明中电磁流量计系统结构示意图。
图3为本发明中电磁流量计信号采集、处理工作流程图。
图4为本发明中电磁流量计液位测量二维电场分析示意图。
图5本发明利用无人机精准力量控制系统进行药物喷施的方法流程图。
具体实施方式
以下通过具体的实施例对本发明作进一步详细说明，但并不限制本发明的范围。
实施例1：
一种无人机精准流量控制系统，如图1所示，包括无人机控制系统和喷洒系统，所述喷洒系统用于根据无人机控制系统发出的喷洒控制信号进行药物喷洒；所述喷洒系统包括喷洒装置、喷洒控制模块和喷洒检测模块，所述喷洒装置包括药箱、隔膜泵、离心喷头；所述喷洒检测模块用于实时检测无人机药物喷洒过程中喷液瞬时流量和药箱中药液的液位，并将检测结果发送给喷洒控制模块；所述喷洒控制模块与无人机控制系统之间有数据交互，喷洒控制模块接收无人机控制系统发出的喷洒控制信号，并根据喷洒控制信号及喷洒检测模块反馈的实时检测结果对隔膜泵进行控制；所述喷洒检测模块包括电磁流量计，电磁流量计用于实时检测喷液瞬时流量和药箱中的液位。
所述电磁流量计包括测量管、磁场激励控制器、电极激励控制器和信号处理系统；测量管外壁上方和下方均设有励磁线圈，测量管内壁上设有一对对称设置的长弧形测量电极，长弧形测量电极的顶部为测量端，长弧形电极的底部为激励端，长弧形测量电极的激励端设置在10％测量管直径的高度处；所述磁场激励控制器用于控制励磁线圈产生的磁场，所述电极激励控制器用于控制长弧形测量电极激励端上的电势；两个长弧形电极的中心连线方向、励磁线圈产生的磁场方向与测量管中液体方向相互垂直。电磁流量计系统结构示意图如图2所示。
电磁流量计的基本原理是法拉第电磁感应定律，即测量管供导电液体流通，励磁线圈产生垂直于所述测量管轴线的磁场B；电极在所述测量管内壁面上与测量管内待测流体相接触，且安置成与测量管轴线以及磁场B都彼此正交垂直。
电磁流量计采用由励磁激励和电压激励构成的双激励工作周期机制；励磁激励周期下，关闭电压激励，利用电磁流量计励磁周期完成一次测量管内流体流量的测量，得到流量数据；电压激励周期下，关闭励磁激励，使测量管内磁场B＝0，完成一次测量管内流体液位的测量。电磁流量计流量、液位信号采集、处理工作流程图具体如图3所示。
电磁流量计进行测量管内液位高度测量的方法为：关闭励磁激励，使测量管内磁场B＝0，在长弧形测量电极的激励端上施加电压幅值恒定的交流信号，通过测量管内液体的耦合，在长弧形测量电极的测量端得到反应液位高度变化的电压信号，所述电压信号与测量管内液体液位成单值对应关系，采用信号处理系统对电压信号进行处理，得到测量管内液位高度。
电磁流量计进行测量管内液位高度测量的详细过程如下：
设定测量管中导电性液体的电导率为σ，长弧电极AC、BD的激励端A、B之间的距离为L，且其电极半径为a。长弧电极AC、BD的测量端C与D距离为d。现作二维电场分析，建立的液位测量二维电场分析示意图，如图4所示。
液面到药箱底部深度为H，在液位深度为H处取量测量点m，n(m，n为电极与液面接触点)，该两点位于同一水平面上。A、B与m，n的距离分别为rAm，rAn，rBm，rBn。在A、B施加电压Vi。设电流I馈入点为电极A，馈出点为电极B。若两测量点m，n之间距离为d。根据欧姆定律，电流密度j与电场强度E存在下列关系：
由于A、B施加电压Vi，且幅值恒定，则在连接A、B的中心线上有
则在药箱内任一位置上由A、B叠加产生的电场强度为
式中，r1、r2分别为A、B至该点的距离，
为单位方向向量。假设接地点为q，rq为A至q的距离。电流馈入点A在n点处产生的电势
电流馈出点B在n点处产生的电势
则n点处电势为
同理，电流馈入A和馈出点B在m点处产生的电势为
则m，n两点处的电势差为
若两测量点m，n之间距离为d，在同一高度位置，且与电极距离对称，则有rAn＝rBm，rAm＝rBn。m，n两点处的电势差可进一步表示为：
测量端C、D的点位分别与测量点m、n为等点位，由公式(IX)可知，测量点之间的电压为被测液位高度H的函数，因此，根据测量点的测量信号获得被测液体的液位高度值。
实施例2：
一种利用实施例1所述无人机精准流量控制系统进行药物喷洒的方法，如图5所示，包括以下步骤：
(1)通过无人机控制系统设置无人机药物喷施的作业区域、每个作业区域对应的喷施流量参数以及药箱预设最低液位参数；同时，针对每个作业区域的植被特点，利用无人机控制系统设置每个作业区域的无人机的飞行路线和巡航轨迹，确保喷施覆盖整个区域，喷施过程不出现重叠飞行轨迹；
(2)无人机根据定位信息飞抵第一指定作业区域，无人机控制系统发送喷洒控制信号至喷洒控制模块，喷洒控制模块根据接收的喷洒控制信号启动隔膜泵进行喷洒；
(3)喷洒过程中，喷洒检测模块的电磁流量计实时检测喷液瞬时流量信号和药箱的液位信号，并将检测的流量信号和液位信号发送至喷洒控制模块，喷洒控制模块根据喷洒检测模块反馈的流量信号实时调节隔膜泵流量参数，使其符合或接近目标喷施量要求；
(4)喷洒过程中，喷洒控制模对喷洒检测模块反馈的实时液位信号进行处理分析，当发现药箱液位达到预设最低液位时，喷洒控制模块关闭隔膜泵，并发出液位报警信号至无人机控制系统，无人机控制系统接收到液位报警信号后，控制无人机返航补加药液，并记录断点位置坐标；无人机补加药液后根据定位信息飞抵断点坐标位置，继续喷施；
(5)第一指定作业区域喷洒完成后，关闭隔膜泵，采用喷洒检测模块检测药箱液位信号并将液位信号发送至喷洒控制模块，喷洒控制模块对液位信号进行处理分析，当发现药箱液位达到预设最低液位时，发出液位报警信号至无人机控制系统，无人机控制系统接收到液位报警信号后，控制无人机返航补加药液；当发现药箱中液位高于预设最低液位时，无人机飞抵下一指定作业区域继续进行喷洒；
(6)重复上述步骤(2)-(5)直至完成所有作业区域的喷洒任务，无人机返航。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，但不仅限于上述实例，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种无人机精准流量控制系统，其特征在于，包括无人机控制系统和喷洒系统，所述喷洒系统用于根据无人机控制系统发出的喷洒控制信号进行药物喷洒；所述喷洒系统包括喷洒装置、喷洒控制模块和喷洒检测模块，所述喷洒装置包括药箱、隔膜泵、离心喷头；所述喷洒检测模块用于实时检测无人机药物喷洒过程中喷液瞬时流量和药箱中药液的液位，并将检测结果发送给喷洒控制模块；所述喷洒控制模块与无人机控制系统之间有数据交互，喷洒控制模块接收无人机控制系统发出的喷洒控制信号，并根据喷洒控制信号及喷洒检测模块反馈的实时检测结果对隔膜泵进行控制；所述喷洒检测模块包括电磁流量计，电磁流量计用于实时检测喷液瞬时流量和药箱中的液位。
2.根据权利要求1所述的无人机精准流量控制系统，其特征在于，所述电磁流量计包括测量管、磁场激励控制器、电极激励控制器和信号处理系统；测量管外壁上方和下方均设有励磁线圈，测量管内壁上设有一对对称设置的长弧形测量电极，长弧形测量电极的顶部为测量端，长弧形电极的底部为激励端；所述磁场激励控制器用于控制励磁线圈产生的磁场，所述电极激励控制器用于控制长弧形测量电极激励端上的电势；两个长弧形电极的中心连线方向、励磁线圈产生的磁场方向与测量管中液体方向相互垂直。
3.根据权利要求2所述的无人机精准流量控制系统，其特征在于，所述长弧形测量电极的激励端不低于测量管可测非满管液位的最小值对应的管壁点。
4.根据权利要求3所述的无人机精准流量控制系统，其特征在于，所述长弧形测量电极的激励端设置在测量管直径1/10的高度处。
5.根据权利要求4所述的无人机精准流量控制系统，其特征在于，所述电磁流量计采用由励磁激励和电压激励构成的双激励工作周期机制；励磁激励周期下，关闭电压激励，利用电磁流量计励磁周期完成一次测量管内流体流量的测量，得到流量数据；电压激励周期下，关闭励磁激励，使测量管内磁场B=0，完成一次测量管内流体液位的测量。
6.根据权利要求5所述的无人机精准流量控制系统，其特征在于，所述电磁流量计进行测量管内液位高度测量的方法为：关闭励磁激励，使测量管内磁场B=0，在长弧形测量电极的激励端上施加电压幅值恒定的交流信号，通过测量管内液体的耦合，在长弧形测量电极的测量端得到反应液位高度变化的电压信号，所述电压信号与测量管内液体液位成单值对应关系，采用信号处理系统对电压信号进行处理，得到测量管内液位高度。
7.一种利用权利要求1～6任一所述无人机精准流量控制系统进行药物喷洒的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1） 通过无人机控制系统设置无人机药物喷施的作业区域、每个作业区域对应的喷施流量参数以及药箱预设最低液位参数；
（2）无人机根据定位信息飞抵第一指定作业区域，无人机控制系统发送喷洒控制信号至喷洒控制模块，喷洒控制模块根据接收的喷洒控制信号启动隔膜泵进行喷洒；
（3）喷洒过程中，喷洒检测模块的电磁流量计实时检测喷液瞬时流量信号和药箱的液位信号，并将检测的流量信号和液位信号发送至喷洒控制模块，喷洒控制模块根据喷洒检测模块反馈的流量信号实时调节隔膜泵流量参数，使其符合或接近目标喷施量要求；
（4）喷洒过程中，喷洒控制模对喷洒检测模块反馈的实时液位信号进行处理分析，当发现药箱液位达到预设最低液位时，喷洒控制模块关闭隔膜泵，并发出液位报警信号至无人机控制系统，无人机控制系统接收到液位报警信号后，控制无人机返航补加药液，并记录断点位置坐标；无人机补加药液后根据定位信息飞抵断点坐标位置，继续喷施；
（5）第一指定作业区域喷洒完成后，关闭隔膜泵，采用喷洒检测模块检测药箱液位信号并将液位信号发送至喷洒控制模块，喷洒控制模块对液位信号进行处理分析，当发现药箱液位达到预设最低液位时，发出液位报警信号至无人机控制系统，无人机控制系统接收到液位报警信号后，控制无人机返航补加药液；当发现药箱中液位高于预设最低液位时，无人机飞抵下一指定作业区域继续进行喷洒；
（6）重复上述步骤（2）-（5）直至完成所有作业区域的喷洒任务，无人机返航。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤（1）中针对每个作业区域的制备特点，利用无人机控制系统设置每个作业区域的无人机的飞行路线和巡航轨迹，确保喷施覆盖整个区域，喷施过程不出现重叠飞行轨迹。
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- 2020-06-30 CN CN202010623181.9A patent/CN111674552A/zh active Pending
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