CN112385632B - 基于lqr控制器的植保无人机变量喷雾控制系统及控制方法 - Google Patents

基于lqr控制器的植保无人机变量喷雾控制系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于LQR控制器的植保无人机变量喷雾控制系统，包括无人机平台、图像采集系统、图像处理系统、ARM控制器和变量喷雾控制系统；所述的无人机平台上搭载图像采集系统和变量喷雾控制系统；所述的图像采集系统摄取田块的图像信号，并将图像信号传输至地面图像处理系统；图像处理系统对接收的图像信号进行处方图处理，将处理后的信息传输至ARM控制器，再传回至无人机平台的变量喷雾控制系统，形成的控制信号控制变量喷雾控制系统进行精准喷雾动作。本发明图像处理系统通过分析得出农作物的发病等级，给出合适控制信号，通过LQR控制器对喷雾系统进行精准喷雾控制，控制电磁阀的开度和压力实现根据处方图的精准控制。

Description

基于LQR控制器的植保无人机变量喷雾控制系统及控制方法
技术领域
本发明属于农业自动化技术领域，具体涉及一种基于LQR控制器的植保无人机变量喷雾自动控制系统。
背景技术
现有的植保无人机在进行作物喷洒时大多是直接均匀喷洒，不考虑田间不同区域，也不考虑病虫害发生多少、轻重，无法根据农田实际情况进行精准喷药控制，其主要结构是药箱和喷头以及控制装置，利用控制装置控制喷头喷洒农药，避免人工的农药腐蚀中毒等危险情况发生，时间短，效率相对人工较高。
为了进一步提高植保无人机喷雾的精准度，提高超低容量喷雾对作物病虫的防效，有必要依据田间病虫发生状况(多少及轻重)进行变量喷雾。变量喷雾可以依据田间病虫发生状况(多少、轻重，综合评判区分等级)进行变量精准喷雾，利于提高喷雾有效性，提高对病虫害的防效，也可以做到节水减药，降低成本。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于LQR控制器的植保无人机变量喷雾自动控制系统，克服植保无人机在喷洒农药过程中的均匀喷洒，不能根据实际情况进行精准控制，以及风速或其他干扰等使得喷药精度无法得到保证等问题。
为解决上述技术问题，本发明采取如下技术方案：基于LQR控制器的植保无人机变量喷雾控制系统，包括无人机平台、图像采集系统、图像处理系统、 ARM控制器和变量喷雾控制系统；所述的无人机平台上搭载图像采集系统和变量喷雾控制系统；所述的图像采集系统摄取田块的图像信号，并将图像信号传输至地面图像处理系统；图像处理系统对接收的图像信号进行处方图处理，将处理后的信息传输至ARM控制器，再传回至无人机平台的变量喷雾控制系统，形成的控制信号控制变量喷雾控制系统进行精准喷雾动作。
进一步地，所述的图像采集系统采用光谱数码相机。
进一步地，所述的图像处理系统摄取的图像信号可以通过5G同步传输至地面图像处理系统，图像处理系统对图像进行处理后经由232接口传输至ARM 控制器，再通过5G传回至无人机平台的变量喷雾控制系统。
进一步地，处方图可以根据精度要求分成5级喷雾要求，送到ARM控制器。
进一步地，所述的精准喷雾控制系统通过LQR控制器，对喷雾系统的电磁阀的开度和压力进行控制。
本发明还提供一种基于LQR控制器的植保无人机变量喷雾控制系统的控制方法，该方法具体为图像采集系统摄取田块的图像信号，并将图像信号传输至地面图像处理系统；图像处理系统对接收的图像信号进行处方图处理，将整个田块按照病虫害等级分成5级，输出给定信号，并将该信号传输至ARM控制器，控制器根据给定的病虫害等级信号形成控制信号传回至无人机平台的变量喷雾控制系统，控制变量喷雾控制系统的比例减压阀和压力变量喷头进行相应的动作，同时压力传感器和流量传感器会将实时喷雾情况反馈至控制器输入，调节因时延和干扰而产生的误差。
进一步地，给定信号u根据处方图要求给出田块的喷雾要求，控制器根据喷雾要求控制变量喷雾控制系统进行精准喷雾动作；喷雾要求由低到高分为一级到五级，一级表示田块处于病虫害较轻的状态，少量给药；二级表示田块有一定的病虫害，需要加大喷雾量；三级表示病虫害较多，需要进一步加大喷雾量；四级表示田块病虫害严重，加大喷雾量并加上压力，雾滴不仅在植物的顶部，还进入到植物的中下部；五级表示田块病虫害最严重，开启最大喷雾量，并开启最大压力。
进一步地，计算变量喷雾控制系统的电磁阀的开度和压力的状态方程如下：
y1＝g1(x1,x2,u)
y2＝g2(x1,x2,u)   (式1-1)
进一步得到:
其中，u表示图像处理系统给出的控制信号，x1表示比例减压阀的流量控制电压，x2表示比例减压阀的压力控制电压，y1表示输出流量大小，y2表示输出压力大小，A是根据系统结构设计的输入矩阵，。
进一步地，定义状态变量X＝[x1 x2]T,Y＝[y1 y2]T，根据状态方程利用 LQR最优控制设计方法设计控制器，
取Q和R为非负矩阵，并可计算出其控制率K，或者直接利用matlab计算得到
K*＝lqr[A B Q R]
进而设计控制器。
本发明的有益效果为：本发明基于LQR控制器的植保无人机的变量喷雾系统与现今的喷雾系统相比，可以根据拍摄图像的分析结果，得出相应的处方图，并根据处方图的不同分级给出不同的控制信号，利用LQR控制器设计精准的控制器，达到精准施药的效果，使得农作物的培育过程更精准，更环保，更省力，使得农业生产的过程更智能化，并使农药的使用更合理，更保护环境。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明的控制系统的示意图；
图2为基于LQR的精准喷雾控制系统的示意图。
具体实施方式
下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中间”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，因此不能理解为对本发明的限制。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
另外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
如图1所示，为本发明的基于LQR控制器的植保无人机变量喷雾控制系统，包括无人机平台、图像采集系统、图像处理系统、ARM控制器和变量喷雾控制系统。本发明的图像采集系统采用光谱数码相机。图像处理系统为基于5G和机器视觉的图像实时处理系统。
本发明的喷雾要求：一级表示田块处于病虫害较轻的状态，少量给药；二级表示田块有一定的病虫害，需要加大喷雾量；三级表示病虫害较多，需要进一步加大喷雾量；四级表示田块病虫害严重，加大喷雾量并加上压力，雾滴不仅在植物的顶部，还进入到植物的中下部；五级表示田块病虫害最严重，开启最大喷雾量，并开启最大压力。
本发明在在无人机上搭载光谱数码相机和变量喷雾控制系统，光谱数码相机摄取的图像信号可以通过5G同步传输至地面图像处理系统，5G实时图像处理系统利用机器视觉以及神经网络控制进行农作物病虫害的实时图像拍摄和传输，并通过5G实时图像处理形成处方图。图像处理系统对图像进行处理后经由 232接口传输至ARM控制器，再通过5G传回至无人机平台的变量喷雾控制系统。处方图可以根据精度要求分成五级喷雾要求，送到ARM控制器。ARM控制器再将实时的喷雾控制要求作为给定信号传送到基于LQR的精准喷雾控制系统。
本发明的精准喷雾控制系统包括比例减压阀、压力式变量喷头、压力传感器和流量传感器；LQR控制器传输控制信号至精准喷雾控制系统，控制变量喷雾控制系统的比例减压阀和压力变量喷头进行相应的开合和增减压动作，同时压力传感器和流量传感器会将实时喷雾情况反馈至控制器输入，调节因时延和干扰而产生的误差。
本发明还提供一种基于LQR控制器的植保无人机变量喷雾控制系统的控制方法，该方法具体为图像采集系统摄取田块的图像信号，并将图像信号传输至地面图像处理系统；图像处理系统对接收的图像信号进行处方图处理，将整个田块按照病虫害等级分成5级，输出给定信号u，并将该信号传输至ARM控制器，控制器根据给定的病虫害等级信号形成控制信号传回至无人机平台的变量喷雾控制系统，控制变量喷雾控制系统的比例减压阀和压力变量喷头进行相应的动作，同时压力传感器和流量传感器会将实时喷雾情况反馈至控制器输入，调节因时延和干扰而产生的误差。
本发明的控制系统中，计算变量喷雾控制系统的电磁阀的开度和压力的状态方程如下：
进一步得到:
其中，u表示图像处理系统给出的控制信号，x1表示比例减压阀的流量控制电压，x2表示比例减压阀的压力控制电压，y1表示输出流量大小，y2表示输出压力大小。
定义状态变量X＝[x1 x2]T,Y＝[y1 y2]T，根据状态方程利用LQR最优控制设计方法设计控制器，
取Q和R为非负矩阵，并可计算出其控制率K，或者直接利用matlab计算得到
K*＝lqr[A B Q R]
本发明可以根据拍摄图像的分析结果，得出相应的处方图，并根据处方图的不同分级给出不同的控制信号，利用LQR控制器设计精准的控制器，根据上述算法给出精准的控制率，精准施药。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，不用于限制本发明，本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明技术方案的保护范围内。

Claims (3)

1.基于LQR控制器的植保无人机变量喷雾控制系统，其特征在于：包括无人机平台、图像采集系统、图像处理系统、ARM控制器和变量喷雾控制系统；所述的无人机平台上搭载图像采集系统和变量喷雾控制系统；所述的图像采集系统摄取田块的图像信号，并将图像信号传输至地面图像处理系统；图像处理系统对接收的图像信号进行处方图处理，将处理后的信息传输至ARM控制器，再传回至无人机平台的变量喷雾控制系统，形成的控制信号控制变量喷雾控制系统进行精准喷雾动作；处方图可以根据精度要求分成5级喷雾要求，送到ARM控制器；所述的变量喷雾控制系统通过LQR控制器，对喷雾系统的电磁阀的开度和压力进行控制；该植保无人机变量喷雾控制系统的控制方法具体为图像采集系统摄取田块的图像信号，并将图像信号传输至地面图像处理系统；图像处理系统对接收的图像信号进行处方图处理，将整个田块按照病虫害等级分成5级，输出给定信号，并将该信号传输至ARM控制器，控制器根据给定的病虫害等级信号形成控制信号传回至无人机平台的变量喷雾控制系统，控制变量喷雾控制系统的电磁阀和压力变量喷头进行相应的动作，同时压力传感器和流量传感器会将实时喷雾情况反馈至控制器输入，调节因时延和干扰而产生的误差；喷雾要求由低到高分为一级到五级，一级表示田块处于病虫害较轻的状态，少量给药；二级表示田块有一定的病虫害，需要加大喷雾量；三级表示病虫害较多，需要进一步加大喷雾量；四级表示田块病虫害严重，加大喷雾量并加上压力，雾滴不仅在植物的顶部，还进入到植物的中下部；五级表示田块病虫害最严重，开启最大喷雾量，并开启最大压力；
计算变量喷雾控制系统的比例减压阀的开度和压力的状态方程如下：
进一步得到: 
其中，表示图像处理系统给出的控制信号，表示比例减压阀的流量控制电压，表示比例减压阀的压力控制电压，表示输出流量大小，表示输出压力大小；
定义状态变量，根据状态方程利用LQR最优控制设计方法设计控制器，
取Q和R为非负矩阵，并可计算出其控制率K，或者直接利用matlab计算得到
进而设计控制器。
2.根据权利要求1所述的基于LQR控制器的植保无人机变量喷雾控制系统，其特征在于：所述的图像采集系统采用光谱数码相机。
3.根据权利要求1所述的基于LQR控制器的植保无人机变量喷雾控制系统，其特征在于：所述的图像处理系统摄取的图像信号可以通过5G同步传输至地面图像处理系统，图像处理系统对图像进行处理后经由232接口传输至ARM控制器，再通过5G传回至无人机平台的变量喷雾控制系统。
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