CN113443142B - 一种基于处方图的可拆卸无人机智能喷雾系统及喷雾方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于处方图的可拆卸无人机智能喷雾系统，包括喷雾装置、信息采集和传输装置、智能喷雾控制装置；所述喷雾装置、信息采集和传输装置、智能喷雾控制装置与无人机连接；系统可以组装在多种无人机上，方便拆卸；本发明为了确保在变量喷雾过程中雾滴粒径变化尽可能小，利用增压泵增大压力和电磁阀交替动作，形成了不同占空比的脉冲水流，形成不同的流量；通过处方图可以实现精准喷雾。采用了远程控制模块，不仅可以控制喷雾进程，而且确保了安全问题。本发明解决了喷雾雾滴粒径变化大和喷施精度低的问题，并且优化了装置结构，达到了精细化作业的效果。
Description
技术领域
本发明涉及无人机植保机械的研究领域，特别涉及一种基于处方图的可拆卸无人机智能喷雾系统及喷雾方法。
背景技术
粮食作物综合生产力的提高对保障我国粮食安全具有长远的战略意义，同时也是保护农业生态环境的重要手段之一。因此，在作物生产中，作物的营养精确管理和病虫害成了很重要的话题，液肥和农药的精确喷洒对提高作物产量具有重要的意义。根据研究表明，过量使用化肥和农药是造成农业污染的原因之一。现阶段国内的无人机喷洒作业逐渐兴起，但无人机喷洒作业的弊端也逐渐显现，如作业区块的喷雾量无法控制、无法对同地块不同作物精确喷洒的问题。
在变量喷施方面，压力和流量的控制是一个难题，一直没有很好的解决。现阶段植保无人机的作业主要是改变电机的电压来改变流量，当流量减小时，压力会随之减小；这会使雾滴粒径产生变化，严重影响喷施效果。为解决此问题，有人提出了比例阀控制阀门开度，但经过测试比例阀不仅体积和重量较大，而且响应缓慢不适合无人机喷洒作业。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于处方图的可拆卸无人机智能喷雾系统及喷雾方法，以解决不能根据作业地块变量喷洒、变量喷雾器喷洒粒径变化大以及不能远程干预的问题。从而达到提高液肥和农药利用效率，实现喷洒粒径变化小、远程控制、可拆卸、高精度的效果。
本发明的第一目的在于提供一种基于处方图的可拆卸无人机智能喷雾系统。
本发明的第二目的在于提供一种基于处方图的可拆卸无人机智能喷雾方法。
本发明的第一目的通过以下的技术方案实现：
一种基于处方图的可拆卸无人机智能喷雾系统，其特征在于，包括喷雾装置、信息采集和通讯装置、智能喷雾控制装置；所述喷雾装置、信息采集和传输装置、智能喷雾控制装置与无人机连接；
所述喷雾装置用于装载喷射液体，通过阀门间交替进行动作，形成不同的脉冲，从而形成不同的喷雾量；
所述信息采集和通讯装置用于高频率信息传输和对设备的监控；
所述智能喷雾控制装置完成数据的接收和处理、处方图解译和喷雾装置的模块控制；
所述处方图根据地理坐标数据以及待喷雾信息生成当前区域的处方图，智能喷雾控制装置通过处方图控制喷雾装置进行喷雾作业。
进一步地，所述喷雾装置包括依次连接的药箱、供水泵、进水电磁阀、增压泵、流量传感器、单向阀、喷头；所述药箱用于装载药品；所述供水泵用于装载水；所述进水电磁阀用于控制进水流量；所述增压泵用于调节水的压强；所述流量传感器用于获取水的流量；所述单向阀用于控制喷头单向流动。减少石锤效应对流量传感器精度的影响。
进一步地，还包括回流电磁阀，所述回流电磁阀一端连接在药箱，另一端连接在供水泵，即回流电磁阀设置在回水管路上。
进一步地，所述信息采集和传输装置包括RTK设备、网络通讯模块、手机端。
进一步地，所述RTK设备包括机载端接收机Sky2和基准站UBase，两者通过电台通信，机载端天线需垂直放置，保持信号稳定；基准站通过移动设备控制，为机载端提供参考坐标；手机端设置基准站参数，控制差分数据的传输；网络通讯模块通过USB接口与智能喷雾控制装置连接。
进一步地，所述智能喷雾控制装置包括无人机端控制装置、远程控制装置。
进一步地，所述无人机端控制装置包括控制器、电源模块、第一稳压模块、第二稳压模块、显示模块、继电器、第一驱动板、第二驱动板、转接模块；所述控制器分别连接第二稳压模块、第一驱动板、第二驱动板、显示模块、RTK设备、通讯模块连接，与机载端交换数据；电池模块连接第一稳压模块、继电器、第一驱动板；电池模块连接第一稳压模块、第二稳压模块至控制器；电池模块连接第二驱动板；所述远程控制装置为手机端、远程服务器。
进一步地，所述处方图是基于定点测量坐标后，利用python制作矢量处方图，生成的处方图包含矢量数据和施药量，依据处方图实现精准施药。
本发明的第二目的通过以下技术方案实现：
一种基于处方图的可拆卸无人机智能喷雾方法，包括以下步骤：
初始化变量和库函数并载入库函数；
无人机飞至待喷雾区域，通过RTK设备获取当前区域的地理坐标差分数据；
用户通过远程控制装置获取当前坐标、施药量、坐标状态，控制系统开始运行；
控制器实时解译该区域处方图；所述处方图包含矢量数据和施药量；
判断该无人机是否处于处方图内部，若不在处方图内部，则喷雾量为0；若处于处方图内部，则根据当期位置得出施药量，并通过控制算法得出控制参数，根据控制参数控制泵和电磁阀运行；
喷雾控制装置根据处方图开始进行施药；具体为：当需要变量时，进水电磁阀和回流电磁阀交替进行动作，形成不同的脉冲，并且两个泵的电压也会改变，从而形成不同的喷雾量；具体为：喷雾装置和控制算法实现变量喷雾，控制算法如下：
其中，v为喷雾比，在施药过程中不断地改变占空比和喷雾；t为调整精度的计算时间，t1表示占空时间，也是主回路在每次周期中的开启时间；t2为回流管道的在每次周期中开启时间；x为计算时间t内高电平次数；
当处方图内施药量改变，则重新运行控制算法得出新的控制参数；
判断施药量是否达到预警值，若达到预警值，则移动控制装置进行报警；
判断药量是否耗尽，并判断流量传感器与当前施药量误差是否超过阈值，若超过阈值，则提示用户返回。
进一步地，所述判断该无人机是否处于处方图内部，具体为：通过射线投射算法实现的，如果从多边形的外部到任何点的直线的交点数为奇数，则表明该点位于多边形内；如果是偶数，则该点位于多边形的外部。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明采用了合理的喷雾装置，使流量变化引起的雾滴粒径变化在合理范围内。
2、本发明运用了shapefile格式的处方图，实现了精准地块施药的目的。
3、本发明采用了远程控制模块，既能实现远程控制和监测，又能保护作业人身体安全。
4、本发明用了高精度RTK设备，定位更加准确，喷施效果好。
5、本发明设备重量适中，体积小适合于无人机使用，同时可拆卸装配到多种无人机。
附图说明
图1是本发明所述一种基于处方图的可拆卸无人机智能喷雾系统结构框图。
图2是本发明所述实施例中喷雾装置结构示意图；
图3是本发明所述实施例中数据采集和通讯装置结构示意图
图4是本发明所述实施例中智能喷雾控制装置结构示意图；
图5是本发明所述实施例中生成的处方图；
图6是本发明所述实施例中喷雾装置原理示意图；
图7是本发明所述一种基于处方图的可拆卸无人机智能喷雾方法的流程图。
附图中，1-喷雾装置，101-药箱，102-供水泵，103-回流电磁阀，104-进水电磁阀，105-增压泵，106-流量传感器，107-喷头，108-单向阀，2-信息采集和通讯装置，201-机载端RTK设备，202-基准站，203-手机端，204-远程服务器，205-4G通信模块，3-智能喷雾控制装置，301-电源模块，302-第二稳压模块，303-机载RTK，304-显示模块，305-控制器，306-泵驱动板，307-电磁阀驱动板，308-继电器，309-第一稳压模块。
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。
实施例1：
一种基于处方图的可拆卸无人机智能喷雾系统，总体架构如图1所示，包括喷雾装置1、信息采集和通讯装置2、智能喷雾控制装置3，所述喷雾装置1、信息采集和通讯装置2、智能喷雾控制装置3与无人机连接；
所述喷雾装置1用于装载喷射液体，通过阀门间交替进行动作，形成不同的脉冲，从而形成不同的喷雾量；具体为：所述喷雾装置如图2所示，包括依次连接的药箱101、供水泵102、进水电磁阀104、增压泵105、流量传感器106、单向阀108、喷头107；所述药箱101用于装载药品；所述供水泵102用于转载水；所述进水电磁阀104用于控制进水流量；所述增压泵105用于调节水的压强；所述流量传感器106用于获取水的流量；所述单向阀108用于控制喷头开关。还包括回流电磁阀103，所述回流电磁阀103一端连接在药箱101，另一端连接在供水泵102，即回流电磁阀103设置在回水管路上。供水泵102和增压泵105输出药液经过管道和喷头107进行喷施药液，当需要变量时，进水电磁阀104和回流电磁阀103交替进行动作，形成不同的脉冲，并且供水泵102和增压泵105的电压也会改变，从而形成不同的喷雾量；流量传感器106用于监测喷施流量；单向阀108的作用是阻止药液回流，药液的回流会影响流量传感器106的测量精度；回水电磁阀103的作用是将药液返回药箱，减少输液管道内部的水锤效应。
所述信息采集和通讯装置如图3所示，用于获取当前区域的地理坐标数据、发出用户指令和传输系统状态；具体为：所述信息采集和通讯装置包括机载端RTK设备201、基准站202、网络通讯模块205、手机端203。机载端接收机Sky2和基准站，两者通过电台通信，机载端天线需垂直放置，保持信号稳定；基准站通过手机端控制，为机载端提供参考坐标；通讯模块通过USB接口与智能喷雾控制装置连接。机载端接收基准站数据并且解算出差分地理坐标数据，通过TTL模块传送至控制器。华为ME909s-821a 4G LTE通讯模块可以为控制器提供无线4G网络，进而可以通过远程服务器204与手机端通信。
所述智能喷雾控制装置用于数据处理和装置模块控制；如图4所示，具体为：所述智能喷雾控制装置包括无人机端控制装置、远程控制装置。所述无人机端控制装置包括控制器305、电源模块301、第一稳压模块309、第二稳压模块302、显示模块304、继电器308、第一驱动板307、第二驱动板、转接模块；所述控制器为Raspberry Pi 4B(8G)，所述电源模块为锂电池，所述第一稳压模块为12V稳压模块，所述第二稳压模块为12V～5V转压模块，所述显示模块为触摸屏，所述第一驱动板为泵驱动板，所述第二驱动板为电磁阀驱动板，具体为双路直流电机驱动板，所述转接模块为CH340G USB转TTL模块；所述控制器分别连接第二稳压模块、第一驱动板、第二驱动板、显示模块、RTK设备、通讯模块连接，与机载端交换数据；电池模块连接第一稳压模块、继电器、第一驱动板；电池模块连接第一稳压模块、第二稳压模块至控制器；电池模块连接第二驱动板；所述远程控制装置为手机、远程服务器。系统采用Raspberry Pi 4B作为系统控制器。触摸屏连接控制器用于显示应用程序，控制器驱动电机驱动板控制隔膜泵和电磁阀，继电器用于控制驱动板的工作状态。锂电池用于中海达RTK机载端的供电与控制系统中电机驱动板、显示屏、控制器的供电；CH340模块用于将机载端的差分数据传输到控制器。整个系统的控制中心是Raspberry Pi，用于处理数据和控制硬件；同时整个的喷雾系统方便拆卸，可以应用到不同的无人机上，达到一套设备多机使用的目的。在控制过程中硬件响应迅速，喷雾量转换耗时短，喷雾量准确，形成了良好的喷雾效果。
所述处方图如图5所示，是根据地理坐标数据以及待喷雾信息生成当前区域的shapefile格式处方图，智能喷雾控制装置通过实时解译处方图控制喷雾装置进行喷雾作业。
所述供水泵102为DC12V、25W，最大压力为0.65Mpa，最大流量为3.2L/min；增压泵2为DC12V、25W，最大压力为0.65Mpa，最大流量为3.2L/min。
所述12V稳压模块302为8V-40V转12V稳压模块
所述进水电磁阀104和回流电磁阀103供电电压为DC12V。
所述单向阀108宝塔内径为8.3mm，塑料材质，减轻了设备重量。
所述喷头107采用高压无人机扇形喷嘴。
所述流量传感器106采用中科泰达939-1525/F01型流量计，为760脉冲/升，有效测量范围为0.15-3.74升/分钟。
所述基准站为UBase 202，手机通过软件蓝牙连接，可选择CGCS2000坐标系和WGS84坐标系。
所述机载端为GNSS接收机Sky2，具有更高的定位精度，供电电压为6-36V，数据可通过TTL串口导出，另外有四个射频接口用于连接天线。
所述Raspberry Pi 4B 305包含一块具备I/O功能的电路板及Broadcom BCM2835system on a chip(SoC)的ARM芯片，供电电压为5V 3A；其系统基于Linux，可以运行应用程序；系统全部数据存储在micro SD卡，并且携带多个USB接口可以连接不同的设备。
所述华为ME909s-821a 4G LTE通讯模块205通过插入手机卡，与Raspberry Pi连接，支持4G网络，可以实现Raspberry Pi上网功能。
所述触摸屏304为3.5寸电阻屏，支持HDMI接口，支持树莓派，用于显示控制界面。
所述双路直流电机驱动板307为有刷电机驱动板，最大电流可达15A。
所述锂电池301为22.2V、6S、放电量为25C。
本发明所述的基于处方图的智能喷施系统的喷施方法如下：
应用程序代码使用的编程语言是python，首先，Raspberry Pi通过USB转TTL接收机载端数据格式为GPRMC数据格式的数据，并且解析该数据，提取经纬度信息和差分数据提示信息，这里利用了pynmea2库。
然后，解析施药处方图，处方图是通过代码生成的shapefile矢量文件，内部是由若干个4m×4m的多边形组成，每个多边形包含施药量信息，如图5所示。
判断当前坐标位于多边形内的算法是通过射线投射算法来实现的，如果从多边形的外部到任何点的直线的交点数为奇数，则表明该点位于多边形内。如果是偶数，则该点位于多边形的外部。
最后，控制器会根据喷雾量控制喷雾设备进行喷雾，喷雾设备中隔膜泵根据改变PWM占空比使电压改变进而影响喷雾量，进水电磁阀4和回水电磁阀3相互配合达到稳定控制的目的。根据控制规则，当进水电磁阀关闭时，回水电磁阀是开启的，控制的结果是产生有规律的喷雾脉冲，喷雾装置原理如图6所示，包括100％喷雾，75％喷雾，50％喷雾，控制方程为：
其中，v为喷雾比，在施药过程中不断地改变占空比和喷雾；t为调整精度的计算时间，t1表示占空时间，也是主回路在每次周期中的开启时间；t2为回流管道的在每次周期中开启时间；x为计算时间t内高电平次数。
通过控制电磁阀的占空比和隔膜泵的电压达到调节水流量和水压的目的，在测试过程中，由于增压泵的作用，使得在很小的流量时也有适当的压力，确保雾滴尺寸在合理的范围内。在四个高压喷嘴的情况下流量变化范围为0.6L/min-1.2L/min,流量变化率达到了50％。
在程序运行前，需要对施药量对应的参数进行测定，建立参数集，参数集是通过地面测试程序测定的，参数为隔膜泵PWM占空比、电磁阀喷雾比、占空时间、计算时间。在测定出参数集之后，添加到控制器“设置”文件夹，机载端程序运行时会解算数据。
设计机载端控制程序，程序设置为开机自启动，无人机控制程序界面坐标栏会显示当前坐标等信息，当点击接收数据时才会显示信息，“运行”按钮可以通过手机端进行控制。
在进行变量施药的同时，借助python开源库folium，安装华为ME909s-821a4G LTE通讯模块的树莓派可以连接到百度地图API，实时显示无人机在地图上的实时定位。同时，借助MQTT协议，通过公网服务器可以完成与手机端通信，这里借助了手机端IoT MQTTPanel应用程序，可以通过订阅话题的方式传输数据。用户可以在手机端远程控制喷雾系统的开启和关闭，并且监控系统运行状况。
实施例2：
一种基于处方图的可拆卸无人机智能喷雾方法，如图7所示，包括以下步骤：
初始化变量和库函数并载入库函数；
无人机飞至待喷雾区域，通过RTK设备获取当前区域的地理坐标差分数据；
用户通过远程控制装置获取当前坐标、施药量、坐标状态，控制系统开始运行；
控制器实时解译该区域处方图；所述处方图包含矢量数据和施药量；
判断该无人机是否处于处方图内部，若不在处方图内部，则喷雾量为0；若处于处方图内部，则根据当期位置得出施药量，并通过控制算法得出控制参数，根据控制参数控制泵和电磁阀运行；
喷雾控制装置根据处方图开始进行施药；具体为：当需要变量时，进水电磁阀和回流电磁阀交替进行动作，形成不同的脉冲，并且两个泵的电压也会改变，从而形成不同的喷雾量；具体为：喷雾装置和控制算法实现变量喷雾，控制算法如下：
其中，v为喷雾比，在施药过程中不断地改变占空比和喷雾；t为调整精度的计算时间，t1表示占空时间，也是主回路在每次周期中的开启时间；t2为回流管道的在每次周期中开启时间；x为计算时间t内高电平次数；
当处方图内施药量改变，则重新运行控制算法得出新的控制参数；
判断施药量是否达到预警值，若达到预警值，则移动控制装置进行报警；
判断药量是否耗尽，并判断流量传感器与当前施药量误差是否超过阈值，若超过阈值，则提示用户返回。
所述判断该无人机是否处于处方图内部，具体为：通过射线投射算法实现的，如果从多边形的外部到任何点的直线的交点数为奇数，则表明该点位于多边形内；如果是偶数，则该点位于多边形的外部。
上述实施例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实施例的限制，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 (3)
1.一种基于处方图的可拆卸无人机智能喷雾系统，其特征在于，包括喷雾装置、信息采集和通讯装置、智能喷雾控制装置；所述喷雾装置、信息采集和传输装置、智能喷雾控制装置与无人机连接；
所述喷雾装置用于装载喷射液体，通过阀门间交替进行动作，形成不同的脉冲，从而形成不同的喷雾量；
所述信息采集和通讯装置用于高频率信息传输和对设备的监控；
所述智能喷雾控制装置完成数据的接收和处理、处方图解译和喷雾装置的模块控制；
所述处方图根据地理坐标数据以及待喷雾信息生成当前区域的处方图，智能喷雾控制装置通过处方图控制喷雾装置进行喷雾作业；
所述喷雾装置包括依次连接的药箱、供水泵、进水电磁阀、增压泵、流量传感器、单向阀、喷头；所述药箱用于装载药品；所述供水泵用于装载水；所述进水电磁阀用于控制进水流量；所述增压泵用于调节水的压强；所述流量传感器用于获取水的流量；所述单向阀用于控制喷头单向流动；
还包括回流电磁阀，所述回流电磁阀一端连接在药箱，另一端连接在供水泵，即回流电磁阀设置在回水管路上；
所述信息采集和传输装置包括RTK设备、网络通讯模块、手机端；
所述RTK设备包括机载端接收机Sky2和基准站UBase，两者通过电台通信，机载端天线需垂直放置，保持信号稳定；基准站通过移动设备控制，为机载端提供参考坐标；手机端设置基准站参数，控制差分数据的传输；网络通讯模块通过USB接口与智能喷雾控制装置连接；
所述智能喷雾控制装置包括无人机端控制装置、远程控制装置；
所述无人机端控制装置包括控制器、电源模块、第一稳压模块、第二稳压模块、显示模块、继电器、第一驱动板、第二驱动板、转接模块；所述控制器分别连接第二稳压模块、第一驱动板、第二驱动板、显示模块、RTK设备、网络通讯模块连接，与机载端交换数据；电池模块连接第一稳压模块、继电器、第一驱动板；电池模块连接第一稳压模块、第二稳压模块至控制器；电池模块连接第二驱动板；所述远程控制装置为手机端、远程服务器；
所述处方图是基于定点测量坐标后，利用python制作矢量处方图，生成的处方图包含矢量数据和施药量，依据处方图实现精准施药；
包括以下步骤：
初始化变量和库函数并载入库函数；
无人机飞至待喷雾区域，通过RTK设备获取当前区域的地理坐标差分数据；
用户通过远程控制装置获取当前坐标、施药量、坐标状态，控制系统开始运行；
控制器实时解译该区域处方图；所述处方图包含矢量数据和施药量；
判断该无人机是否处于处方图内部，若不在处方图内部，则喷雾量为0；若处于处方图内部，则根据当期位置得出施药量，并通过控制算法得出控制参数，根据控制参数控制泵和电磁阀运行；
喷雾控制装置根据处方图开始进行施药；具体为：当需要变量时，进水电磁阀和回流电磁阀交替进行动作，形成不同的脉冲，并且两个泵的电压也会改变，从而形成不同的喷雾量；具体为：喷雾装置和控制算法实现变量喷雾，控制算法如下：
其中，v为喷雾比，在施药过程中不断地改变占空比和喷雾；t为调整精度的计算时间，t1表示占空时间，也是主回路在每次周期中的开启时间；t2为回流管道的在每次周期中开启时间；x为计算时间t内高电平次数；
当处方图内施药量改变，则重新运行控制算法得出新的控制参数；
判断施药量是否达到预警值，若达到预警值，则移动控制装置进行报警；
判断药量是否耗尽，并判断流量传感器与当前施药量误差是否超过阈值，若超过阈值，则提示用户返回。
2.一种基于处方图的可拆卸无人机智能喷雾方法，其特征在于，通过权利要求1所述的基于处方图的可拆卸无人机智能喷雾系统实现，包括以下步骤：
初始化变量和库函数并载入库函数；
无人机飞至待喷雾区域，通过RTK设备获取当前区域的地理坐标差分数据；
用户通过远程控制装置获取当前坐标、施药量、坐标状态，控制系统开始运行；
控制器实时解译该区域处方图；所述处方图包含矢量数据和施药量；
判断该无人机是否处于处方图内部，若不在处方图内部，则喷雾量为0；若处于处方图内部，则根据当期位置得出施药量，并通过控制算法得出控制参数，根据控制参数控制泵和电磁阀运行；
喷雾控制装置根据处方图开始进行施药；具体为：当需要变量时，进水电磁阀和回流电磁阀交替进行动作，形成不同的脉冲，并且两个泵的电压也会改变，从而形成不同的喷雾量；具体为：喷雾装置和控制算法实现变量喷雾，控制算法如下：
其中，v为喷雾比，在施药过程中不断地改变占空比和喷雾；t为调整精度的计算时间，t1表示占空时间，也是主回路在每次周期中的开启时间；t2为回流管道的在每次周期中开启时间；x为计算时间t内高电平次数；
当处方图内施药量改变，则重新运行控制算法得出新的控制参数；
判断施药量是否达到预警值，若达到预警值，则移动控制装置进行报警；
判断药量是否耗尽，并判断流量传感器与当前施药量误差是否超过阈值，若超过阈值，则提示用户返回。
3.根据权利要求2所述的一种基于处方图的可拆卸无人机智能喷雾方法，其特征在于，所述判断该无人机是否处于处方图内部，具体为：通过射线投射算法实现的，如果从多边形的外部到任何点的直线的交点数为奇数，则表明该点位于多边形内；如果是偶数，则该点位于多边形的外部。
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