一种无人机变量施药控制装置及其分级控制方法与流程

本发明涉及无人机领域，尤其涉及一种无人机变量施药控制装置及其分级控制方法。

背景技术：

无人机在农业施药方面的应用越来越普遍，但是施药的效果很难掌握。由于农田大多是不规则形状，并且障碍物较多，因此无人机在施药过程中的无人机的速度、高度需要根据农田环境而变化。如果施药流量不能根据速度、高度的变化而变化，则造成施药浓度不均匀现象，施药浓度的高低会直接影响施药效果，浓度过低可能起不到植保的目的；浓度过高，则会造成农药浪费与环境污染。

技术实现要素：

本发明目的是针对现有技术的不足，提供一种无人机变量施药控制装置及其分级控制方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种无人机变量施药控制装置，包括执行组件，所述执行组件包括用于控制无人机药箱开口角度的球形电磁阀、用于控制球形电磁阀开合的放大电路；球形电磁阀与球形电磁阀线路连接；所述球形电磁阀包括用于控制药箱输药管流量的药箱阀门、用于控制药箱阀门开口角度的球阀电动机，球阀电动机通过线路与放大电路连接；所述放大电路包括电阻r1、电阻r2、npn型三极管q1、npn型三极管q2、继电器rl、双刀双掷开关sw、保险丝fu、电源vcc；所述的电阻r1的一端与npn型三极管q1的基极连接，npn型三极管q1的集电极与电源vcc电性连接，npn型三极管q1的发射集与继电器rl的左边线圈串联后与地线连接；电阻r2的一端与npn型三极管q2的基极连接，npn型三极管q2的集电极与电源vcc电性连接，npn型三极管q2的发射集与继电器rl的右边线圈串联后与地线连接；电阻r1、电阻r2的另一端分别与信号输出端电性连接；所述双刀双掷开关sw的第一接线柱和第四接线柱与电源vcc电性连接，第二接线柱和第三接线柱与地线连接；双刀双掷开关sw的双刀分别与球阀电动机两端连接。

进一步的，所述无人机变量施药控制装置还包括信息采集组件、控制组件，信息采集组件通过控制组件与执行组件线路连接；所述信息采集组件包括设置在无人机机箱内的气压高度传感器、设置在无人机机体外侧顶部的飞行速度传感器、设置在无人机药箱输药管上的涡轮流量传感器；所述控制组件包括单片机；单片机的输入端串口分别连接气压高度传感器、飞行速度传感器、涡轮流量传感器的信号输出端；单片机的信号输出串口分别与放大电路中的电阻r1、电阻r2电性连接。

进一步的，所述控制组件还包括操作显示板，所述操作显示板设置在飞机的机体外顶部且与单片机的输入输出串口双向连接。

进一步的，所述控制组件还包括gsm通信模块、手机app；所述gsm通信模块与单片机的输入输出串口双向连接，gsm通信模块与手机app无线连接。

一种无人机变量施药控制装置的分级控制方法，其特征在于：所述分级控制方法包括以下步骤：

s1、对无人机的飞行高度、飞行速度、施药浓度、药箱阀门开口角度进行分级，并制成分级控制列表；

s2、计算出无人机的飞行高度、飞行速度和施药浓度对药箱阀门开口角度的权重值；

s3、将权重值、分级控制列表和加权公式输入单片机中；

s4、将无人机的施药要求输入到单片机中，单片机通过加权公式计算出药箱阀门开口角度；

s5、单片机通过放大电路对球阀电动机进行控制，从而控制药箱阀门达到指定的开口角度，完成控制操作。

进一步的，所述步骤s1中，将无人机的飞行高度分为五级，第一级飞行高度为h≤1.5m，第二级飞行高度为1.5m＜h≤2.5m，第三级飞行高度为2.5m＜h≤3.5m，第四级飞行高度为3.5m＜h≤4.5m，第五级飞行高度为4.5m＜h；将无人机的飞行速度分为五级，第一级飞行速度为v≤3m/s，第二级飞行速度为3m/s＜v≤4m/s，第三级飞行速度为4m/s＜v≤5m/s，第四级飞行速度为5m/s＜v≤6m/s，第五级飞行速度为6m/s＜v；将施药浓度分为五级，第一级施药浓度为c≤500ml/亩，第二级施药浓度为500ml/亩＜c≤650ml/亩，第三级施药浓度为650ml/亩＜c≤800ml/亩，第四级施药浓度为800ml/亩＜c≤950ml/亩，第五级施药浓度为950ml/亩＜c；将药箱阀门开口角度分为五级，第一级药箱阀门开口角度为50°≤α＜55°，第二级药箱阀门开口角度为55°≤α＜65°，第三级药箱阀门开口角度为65°≤α＜75°，第四级药箱阀门开口角度为75°≤α＜85°，第五级药箱阀门开口角度为85°≤α＜90°。

进一步的，将第一级药箱阀门开口角度再次分为1.5级-1.9级五个等级，将第二级药箱阀门开口角度再次分为2.0级-2.9级十个等级，将第三级药箱阀门开口角度再次分为3.0级-3.9级十个等级，将第四级药箱阀门开口角度再次分为4.0级-4.9级十个等级，将第五级药箱阀门开口角度再次分为5.0级-5.9级十个等级。

进一步的，所述步骤s2中飞行高度对应的权重值为0.3，飞行速度对应的权重值为0.3，施药浓度对应的权重值为0.4。

进一步的，所述步骤s3中的加权公式为：

飞行高度等级*0.3+飞行速度等级*0.3+施药浓度等级*0.4＝药箱阀门开口角度等级。

与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：

本发明采用高度传感器实时检测无人机的飞行高度、用速度传感器实时检测无人机的飞行速度、用流量传感器实时检测无人机的喷药流量，然后用单片机对传感器采集的飞行高度、飞行速度、所需施药浓度信号进行综合处理，根据分级控制理论，输出相应的控制信号，实现自动调节流量大小，并在施药过程中实时监测反馈无人机的飞行速度、高度以及施药情况，节约农药的同时降低了环境污染，达到了均匀施药的目的，给无人机农业施药领域带来了极大的贡献。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的框架结构图；

图2为本发明的信号采集组件与执行组件的电路示意图；

图3为本发明工作时的框架流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

如图1、图2和图3所示，本发明是利用高度传感器是检测无人机的飞行高度，速度传感器实时监测无人机的飞行速度，流量传感器实时监测施药流量。由单片机把信息进行融合处理，再结合输入的所需施药浓度，对流量阀门开口大小进行控制。方法简单实用，且适应性较好。

一种无人机变量施药控制装置，包括信号采集组件、控制组件和执行组件；

所述的信号采集组件包括多种传感器；所述的信号采集组件依据多种传感器采集无人机的飞行高度、飞行速度和施药流量信号；所述的信号采集组件的信号输出端分别与单片机的输入端p1.2、p1.3、p1.4串口连接。

可选的，所述的信号采集组件包括气压高度传感器、飞行速度传感器、涡轮流量传感器；

所述的气压高度传感器，本发明采用型号为bmp280的高精度气压传感器，设置在飞机的机箱内，用于实时采集飞机的飞行高度；

所述的飞行速度传感器，本发明采用型号为test0512的皮托管风速仪，设置在飞机的机体外顶部，用于实时采集飞机的飞行速度；

所述的涡轮流量传感器，本发明采用型号为lwgy的液体涡轮流量传感器，设置在所述的无人机药箱的输液管上，用于实时采集施药流量。

所述的控制显示模块包括操作显示板、gsm通信模块、手机app和一个单片机系统；所述的单片机输入端与所述的信号采集组件连接，所述的单片机输出端与所述的操作显示板、gsm通信模块和执行组件连接；所述的单片机用于对信号采集组件获取的信号进行综合处理，根据飞行高度、飞行速度和所需施药浓度等信息进行综合处理，结合分级控制方法，输出分级控制信号，调节流量阀门对应的角度。

可选的，所述的操作显示板，本发明采用3.97寸全视角ips触摸屏，所述的操作显示板，与所述的单片机的p1.6串口进行输入输出双向连接，设置在飞机的机体外顶部，其作用包括两部分：(1)输入与调节飞行高度、飞行速度、施药浓度信息。(2)显示飞行高度、飞行速度、施药浓度和电磁阀门开口角度等信息。所述的手机app通过所述的gsm通信模块与所述的单片机进行双向连接，其作用同操作显示板。

所述的gsm通信模块，本发明采用型号为a9的gsm通信模块，所述的gsm通信模块与所述的单片机p1.7串口进行输入输出进行双向连接，其作用是把信息通过4g无线网进行远程信号传输。

所述的执行组件包括放大电路和球形电磁阀。所述的放大电路作用是把所述的单片机输出的控制信号放大。

可选的，所述的球形电磁阀，本发明采用型号为zb微型电动球阀，设置在药箱底部与流量传感器连接，可根据所述的单片机输出的控制信号，调节开口角度。

进一步的技术方案，所述的放大电路包括电阻r1、r2，npn型三极管q1、q2，继电器rl，双刀双掷开关sw，保险丝fu，电源vcc。所述的电阻r1的一端与所述的单片机输出端p1.1串口连接，另一端与所述的npn型三极管q1的基极连接。所述npn型三极管q1的集电极接入所述的电源vcc，所述npn型三极管q1的发射机与所述的继电器rl的左边线圈串联后接地。所述的电阻r2的一端与所述的单片机输出端p1.0串口连接，另一端与所述的npn型三极管q2的基极连接。所述npn型三极管q2的集电极接入所述的电源vcc，所述npn型三极管q2的发射机与所述的继电器rl的右边线圈串联后接地。所述双刀双掷开关sw的接线柱1和接线柱4接入所述的电源vcc，接线柱2和接线柱3接地。所述的球阀电动机m两端分别于所述双刀双掷开关sw的双刀连接。

所述的电阻r1、r2和保险丝fu的作用是保护电路，防止因过载损坏元器件。

所述的npn型三极管q1、q2的作用是对单片机p1.0和p1.1串口输出的控制信号进行放大，用以驱动所述的继电器rl。当所述的npn型三极管q1的基极接收到所述的单片机p1.1输出的高电平信号时，npn型三极管q1导通，此时电流可从集电极流到发射极。当所述的npn型三极管q2的基极接收到所述的单片机p1.0输出的高电平信号时，npn型三极管q2导通，此时电流可从三极管q2集电极流到发射极。

所述的继电器rl的左右各有两个线圈，其作用是调节所述的双刀双掷开关sw双刀的位置。当右边线圈通电时，线圈产生电磁场，所述双刀双掷开关sw的双刀在磁场力的作用下，与接线柱2和接线柱4连接。此时电流从所述的电源vcc流出，流经保险丝fu到接线柱4，然后从右向左流过球阀电动机m，再从接线柱2流出至电源负极。此时球阀电动机m正转，阀门打开。当左边线圈通电时，线圈产生电磁场，所述双刀双掷开关sw的双刀在磁场力的作用下，与接线柱1和接线柱3连接。此时电流从所述的电源vcc流出，流经保险丝fu到接线柱1，然后从左向右流过球阀电动机m，再从接线柱3流出至电源负极。此时球阀电动机m反转，阀门关闭。

进一步的技术方案，所述的球型电磁阀主要部件为球阀电动机m，作用是通过电动机m的正反转，改变阀门的开口角度。当球阀电动机m正转时，阀门开口角度增加；当球阀电动机m反转时，阀门开口角度减小。

本发明还提供了一种流量分级控制方法，所述的分级控制方法：首先确定无人机的飞行高度、飞行速度和施药浓度对流量阀门开口大小的权重值，当飞行高度、飞行速度和施药浓度改变时，根据权重值和分级控制列表通过分级控制方法加权公式进行调节流量阀门对应的角度。

所述的权重值可采用层次分析法进行确定，可得到飞行高度对应的权值为0.3，飞行速度对应的权值为0.3，施药浓度对应的权值为0.4。

所述的分级控制列表，具体确定方法如下：无人机正常施药作业时的飞行高度在1m-5m的范围内、飞行速度在4m/s-6m/s的范围内、施药浓度在500ml/亩-1000ml/亩的范围内，施药流量在20ml/s-35ml/s的范围内。因此把飞行高度、飞行速度、施药浓度和流量阀门开口角度都分为5个等级，如表1，分级控制表所示。

其中，飞行高度(h)小于等于1.5m时设为一级高度；飞行高度(h)大于1.5m，但小于等于2.5m时设为二级高度；飞行高度(h)大于2.5m，但小于等于3.5m时设为三级高度；飞行高度(h)大于3.5m，但小于等于4.5m时设为四级高度；飞行高度(h)大于4.5m时设为五级高度。

飞行速度(v)小于等于3m/s时设为一级速度；飞行速度(v)大于3m/s，但小于等于4m/s时设为二级速度；飞行速度(v)大于4m/s，但小于等于5m/s时设为三级速度；飞行速度(v)大于5m/s，但小于等于6m/s时设为四级高度；飞行速度(v)大于6m/s时设为五级速度。

施药浓度(c)小于等于500ml/亩时设为一级浓度；施药浓度(c)大于500ml/亩，但小于等于650ml/亩时设为二级速度；施药浓度(c)大于650ml/亩，但小于等于800ml/亩时设为三级速度；施药浓度(c)大于800ml/亩，但小于等于950ml/亩时设为四级高度；施药浓度(c)大于950ml/亩时设为五级速度。

阀门开口角度(α)，由于施药流量在20ml/s-35ml/s的范围内，而阀门开口角度范围在0°-90°，因此按比例关系可把流量变化范围转换成阀门开口角度的变化范围，即为90°/35ml/s*20ml/s≈51°，因此可把阀门角度变化范围设定在50°-90°之间。即阀门开口角度(α)大于等于50°，但小于55°时设为一级角度；大于等于55°，但小于65°时设为二级角度；大于等于65°，但小于75°时设为三级角度；大于等于75°，但小于85°时设为四级角度；大于等于85°时设为五级角度。其中一级角度可具体再细分5个等级，即1.5级-1.9级；二级角度、三级角度、四级角度可具体再细分10个等级，即2.0级-2.9级，3.0级-3.9级，4.0级-4.9级。五级角度可具体再细分6个等级，即5.0级-5.5级。如表2，阀门开口角度等级细分表所示。

表1分级控制表

表2阀门开口角度等级细分表

所述的分级控制方法加权公式如下公式(1)所示：

飞行高度等级*0.3+飞行速度等级*0.3+施药浓度等级*0.4＝阀门角度等级。(1)

再根据阀门角度等级对应的阀门角度值确定电磁阀门的开口角度。例如飞机处于四级飞行高度，三级飞行速度，二级施药浓度，计算公式为4*0.3+3*0.3+2*0.4＝2.9，所以对应的阀门角度等级为2.9级角度，所对应的阀门角度64°。

使用本发明中的分级控制方法进行无人机施药操作；

飞行前准备：在起飞前先对传感器调零，保证多元信息采集的准确性。

施药作业：驾驶员通过操作显示板或手机app把飞行高度、飞行速度、施药浓度输入到系统中，系统会根据分级控制方法确定电磁阀门开口角度。飞机起飞后，驾驶员不仅可以通过操作显示板或手机app实时准确的观察飞机的飞行高度、飞行速度、施药浓度以及电磁阀门开口角度等信息；驾驶员也可以通过操作显示板或手机app手动调控飞机的飞行高度、飞行速度、施药浓度，进而改变电磁阀门开口角度。驾驶员也可以直接对电磁阀门开口角度进行手动调控。

在对农田进行施药作业，设飞行高度为3m，飞行速度为4.5m/s，施药浓度为700ml/亩。根据分级控制表可知：飞行高度为三级高度，飞行速度为三级速度，施药浓度为三级浓度。根据分级控制方法的加权公式得：3*0.3+3*0.3+3*0.4＝3，即得阀门开口角度等级为3.0级，再由分级控制表可知此时的阀门对应的开口角度为65°。即系统会自动控制电磁阀门打开65°的角度。

此时单片机p1.0串口输出高电平控制信号，信号经过电阻r2到所述npn型三极管q2的基极。npn型三极管q2基极接收到高电平信号后导通，此时电流电源vcc流出，流经保险丝fu到三极管q2的集电极，然后从发射极流出到继电器rl右边的线圈。继电器rl右边的线圈产生电磁场，把双刀双掷开关sw的双刀分别与接线柱2和接线柱4连接。此时电流从电源vcc流出，流经保险丝fu到接线柱4，然后从右向左流过球阀电动机m，再从接线柱2流出至电源负极。此时球阀电动机m正转，阀门打开，即阀门角度从0°逐渐增加。脉冲宽度调制方法准确控制球阀电动机m工作时间，进而精确控制阀门开口角度，当电磁阀门开到65°的角度时，单片机p1.0串口输出低电平控制信号，此时npn型三极管q2基极的电压为低电平信号，由于电压过低，npn型三极管q2截止，则没有电流通过，进而继电器rl不工作，双刀双掷开关sw的双刀出于悬空状态，不予任何接线柱连接，所以电机停止工作，使阀门开口角度维持在65°不变。

当遇到需要越过的障碍物时，需要提高飞行高度以便越过障碍物，此时飞行高度增加，系统会根据分级控制方法，自动增大相应的电磁阀门开口角度，以便保持单位面积的施药量不变。例如飞行高度有由3m增加到5m，飞行速度保持4.5m/s不变，施药浓度保持700ml/亩不变。根据分级控制表可知：飞行高度由三级高度升至为五级高度，飞行速度为三级速度，施药浓度为三级浓度。根据分级控制方法的加权公式得：5*0.3+3*0.3+3*0.4＝3.6，即得阀门开口角度等级为3.6级，再由分级控制表可知此时的阀门对应的开口角度为71°。即系统会自动控制电磁阀门打开71°的角度。同理由控制单片机控制球阀电动机m正转，使电磁阀门开口角度增加到71°，然后控制球阀电动机m停止工作，使阀门开口角度维持在71°不变。

如果障碍物较高，例如树木、电线杆等，则需要降低飞行高和飞行速度，以便安全避开障碍物。此时因为降低了飞行高度和飞行速度，系统会根据分级控制方法，自动调节相应的电测阀门开口角度，以便保持单位面积的施药量不变。例如飞行高度有由3m降低到1m，飞行速度由4.5m/s降低到3m/s，施药浓度保持700ml/亩不变。根据分级控制表可知：飞行高度由三级高度降低至为一级高度，飞行速度为三级速度降低至为一级速度，施药浓度为三级浓度。根据分级控制方法的加权公式得：1*0.3+1*0.3+3*0.4＝1.8，即得阀门开口角度等级为1.8级，再由分级控制表可知此时的阀门对应的开口角度为53°。即系统会自动控制电磁阀门打开53°的角度。

此时单片机p1.1串口输出高电平控制信号，信号经过电阻r1到所述npn型三极管q1的基极。npn型三极管q1基极接收到高电平信号后导通，此时电流电源vcc流出，流经保险丝fu到三极管q1的集电极，然后从发射极流出到继电器rl左边的线圈。继电器rl左边的线圈产生电磁场，把双刀双掷开关sw的双刀分别与接线柱1和接线柱3连接。此时电流从电源vcc流出，流经保险丝fu到接线柱1，然后从左向右流过球阀电动机m，再从接线柱3流出至电源负极。此时球阀电动机m反转，使阀门角度逐渐减小。当电磁阀门角度减小到53°时，单片机p1.1串口输出低电平控制信号，此时npn型三极管q1基极的电压为低电平信号，由于电压过低，npn型三极管q1截止，则没有电流通过npn型三极管q1，进而继电器rl不工作，双刀双掷开关sw的双刀出于悬空状态，不予任何接线柱连接，所以电机停止工作，使阀门开口角度维持在53°不变。

在对农田中间某一区域农作物茂盛或病虫害较多的情况进行植保作业时，需要提高施药浓度，以保证较好的施药效果。例如飞行高度保持3m不变，行速度保持4.5m/s不变，施药浓度由700ml/亩升至为1000ml/亩。根据分级控制表可知：飞行高度位三级高度，飞行速度为三级速度，施药浓度由三级浓度升至为五级浓度。根据分级控制方法的加权公式得：3*0.3+3*0.3+5*0.4＝3.8，即得阀门开口角度等级为3.8级，再由分级控制表可知此时的阀门对应的开口角度为73°。即系统会自动控制电磁阀门打开73°的角度。同理由控制单片机控制球阀电动机m正转，使电磁阀门开口角度增加到71°，然后控制球阀电动机m停止工作，使阀门开口角度维持在71°不变。

控制过程驾驶员可选择自动控制也可选择手动调控。施药完成后系统会把施药情况以数据信息的方式显示给驾驶员观察，达到量化施药效果，实现变量施药，达到均匀施药的目的。