一种多旋翼喷杆结构及其控制方法与流程

[0001]
本发明涉及一种农田边角区域工作时，可以控制旋翼使其偏航运动的多旋翼喷杆结构，属于农业机械自动化和飞控技术领域。


背景技术：

[0002]
在对农作物进行农药喷洒的过程中，传统的地面农机面临着机器笨重、需要特殊道路等困难，这使得近几年来植保无人机越来越受到种植户的欢迎。然而，植保无人机在作业过程中也遇到了一些困难，例如续航较短、不规则作业区域的药液浪费或者重复喷洒等。


技术实现要素：

[0003]
基于上述现有技术的不足，本发明公开了一种方便、灵活且可以控制旋翼使其偏航运动的多旋翼喷杆结构。
[0004]
本发明的技术方案包括：一种多旋翼喷杆结构，包括支撑杆(10)，所述支撑杆(10)上设有旋翼、电机(2)、连接法兰(3)、药液管道(4)、喷头(5)、gps模块、视觉模块(8)、药液和电池箱组件(11)、毫米波雷达(13)；所述支撑杆(10)上对称分布有多对旋翼，旋翼包括辅助旋翼、调节旋翼以及主力旋翼，其中主力旋翼提供了喷杆飞行所需要的大部分升力，辅助旋翼和调节旋翼角度可调，为整体喷杆提供升力和对喷杆的姿态进行控制，同时其产生的向下气流可以加速药液附着在农作物表面；支撑杆(10)的中心固定有药液和电池箱组件(11)，支撑杆(10)的两端设置有辅助旋翼，辅助旋翼和支撑杆(10)的脚架之间设置有调节旋翼，药液和电池箱组件(11)相邻的两端对称的设置有主力旋翼；当主力旋翼、辅助旋翼和调节旋翼任意一种采用上下对浆的布局时，该旋翼下端对应的喷头替换为型号相同、方向相反的旋翼，为喷杆提供更大的升力；当主力旋翼、辅助旋翼和调节旋翼不采用上下对浆的布局时，其下端均连接有电机(2)，为旋翼提供动力，电机(2)连接有连接法兰(3)，连接法兰(3)下端为药液管道(4)，连接法兰(3)把电机(2)、药液管道(4)紧密固定，药液管道(4)将喷头(5)连接起来并为喷杆提供药液；所述gps模块通过连接法兰(3)紧密对称固定在多旋翼喷杆上，gps模块用于在路径规划和飞行阶段给控制器提供精确的gps数据；所述视觉模块(8)与毫米波雷达(13)同样分别对称固定在多旋翼喷杆两侧，通过支架经连接法兰固定后向下延伸；所述视觉模块(8)通过图像估计运动信息并与加速度计的数据融合后得到更准确的运动速度，同时在系统运行过程中识别农作物信息；所述毫米波雷达(13)则与气压计一起用于获得多旋翼喷杆的实时高度。
[0005]
进一步，所述支撑杆(10)由一个空心管与两个脚架连接而成，给整个喷杆结构提供了支撑和承重作用，支撑杆(10)的空心结构还作为药液和电线的通行管道。
[0006]
进一步，所述支撑杆(10)为碳纤管。
[0007]
进一步，所述药液和电池箱组件(11)包括电池、药液与控制系统硬件，所述电池为电机(2)、gps模块、视觉模块(8)、毫米波雷达(13)提供电力；所述控制系统硬件用于实现导航和路径规划，进行位置和姿态的精确估计。
[0008]
进一步，所述控制系统硬件包括飞行控制器和嵌入式处理器，飞行控制器分别与gps模块、毫米波雷达(13)、多传感器冗余模块、以及用于控制旋翼的多个电调相连；所述飞行控制器还与嵌入式处理器相连，嵌入式处理器同时与视觉模块(8)、电磁阀驱动器相连，电磁阀驱动器与控制喷头(5)的电磁阀相连，所述多传感器冗余模块在内部集成了磁罗盘、气压计和两套陀螺仪、加速度计。
[0009]
进一步，当需要实现喷杆的升降以及偏航运动时，通过将辅助旋翼、主力旋翼、调节旋翼的安装角度调整为轴向垂直设置，所有旋翼提供向上的升力，可以使多旋翼喷杆具备最大的升力；
[0010]
当需要实现喷杆提升升力、增加载重量考虑时，主力旋翼采用上下对浆的布局，辅助旋翼采用轴向水平设置，调节旋翼采用轴向角度在0-90度的调节范围内设置。
[0011]
本发明的一种多旋翼喷杆结构的控制方法，技术方案包括以下步骤：
[0012]
在系统上电后，首先进行初始化操作，首先通过gps模块采集要工作区域的gps信息，由路径规划算法规划出即将飞行的轨迹，gps模块在飞行过程中为多旋翼喷杆提供精准的定位信息；在路径规划结束并且收到起飞指令后执行起飞程序，在起飞后至降落前，由串级pid控制器对多旋翼喷杆的姿态、速度、高度等进行控制，以使其沿着规划的路径进行飞行；
[0013]
起飞成功后，由嵌入式处理器对视觉模块(8)回传的图像数据处理，图像处理共分为两个线程：首先通过光流法得到运动信息，将其与imu数据融合后得到比较精准的多旋翼喷杆的运动速度并回传给飞行控制器；其次是对图像处理后识别出农作物的有无以及稠密信息，为后面的精准变量喷雾做好准备；
[0014]
由于雾状的药液在空气中容易流失，所以多旋翼喷杆在作业期间应保持一个合适的高度稳定飞行，飞行控制器通过毫米波雷达(13)及气压计等传感器的数据估计出准确的高度值，控制自身高度保持在一个合适的作业高度；
[0015]
在判断是否标准工作区域后，将根据结果进行不同的操作，在正常喷雾环节，嵌入式处理器通过电磁阀驱动器驱动电磁阀控制所有喷头进行作业；在边角区域，嵌入式处理器根据计算结果只控制部分电磁阀工作、实现变量喷雾。
[0016]
进一步，由串级pid控制器对多旋翼喷杆的姿态、速度、高度等进行控制的具体过程为：
[0017]
使用了串级pid来对无人喷杆的位姿来进行控制，以角速度作为第一个内环，角速度通过陀螺仪测得；然后把角度控制作为第二个内环，角度的估计是通过陀螺仪、磁罗盘传感器估计而得；第三个内环是速度控制环，速度估计是通过图像数据与imu数据进行融合得出的；最后的外环是高度控制，这里我们同样融合了毫米波雷达、气压计、陀螺仪等传感器的数据，旋翼喷杆的位姿和运动进行控制，实现基于路径规划的喷雾作业。
[0018]
本发明具有以下技术效果：
[0019]
本设计在兼顾无人机灵活、快速、成本低等特点下，还具备常规植保无人机不具备的特点：
[0020]
1、多对喷头呈线状排布，单位时间内可以喷洒更大的面积，有效提升作业效率。
[0021]
2、可通过控制多对旋翼使其处于不同的姿态，当它在农田边角区域工作时，可以控制旋翼使其偏航运动，同时变量控制其多个喷头，实现精准喷雾、减少药液的流失和浪
费。
[0022]
3、采用碳纤材质，结构简洁、自重小。在相同重量下，可以把更多升力用来配给更多的药液或者更大容量的电池。
[0023]
4、本设计可以在基本型的基础上采用对浆、调整辅助旋翼的安装角度等方法来调整其载重量，增加了本设计的灵活性。
[0024]
5、本设计可作为一个基本单元，在需要时，可将多个基本单元通过快速接头连接，实现更大面积的作业。
[0025]
6、主升旋翼与喷杆的连接部件可采用带阻尼的连接器，使得当多旋翼喷杆在工作时，即便偶尔受到阵风影响，姿态变化也可由带阻尼的连接器减弱，增加设备的稳定性。
附图说明
[0026]
图1为多旋翼喷杆整体结构图；
[0027]
图2为控制系统硬件结构图；
[0028]
图3串级pid控制图；
[0029]
图4为pid控制器结构图；
[0030]
图5系统控制逻辑图；
[0031]
图6为光流法算法示意图；
[0032]
图7多旋翼喷杆变形1；
[0033]
图8多旋翼喷杆变形2；
[0034]
在图中，1-辅助旋翼a；2-电机；3-连接法兰；4-药液管道；5-喷头；6-调节旋翼a；7-gps模块a；8-视觉模块；9-主力旋翼a；10-支撑杆；11-药液和电池箱组件；12-主力旋翼b；13-毫米波雷达；14-gps模块b；15-调节旋翼b；16-辅助旋翼b；
具体实施方式
[0035]
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。
[0036]
作为本发明的一个具体实施例，如图1所示的喷杆整体结构图，它主要由以下几个部分组成：1-辅助旋翼a；2-电机；3-连接法兰；4-药液管道；5-喷头；6-调节旋翼a；7-gps模块a；8-视觉模块；9-主力旋翼a；10-支撑杆；11-药液和电池箱组件；12-主力旋翼b；13-毫米波雷达；14-gps模块b；15-调节旋翼b；16-辅助旋翼b；在整个结构中，喷杆上均匀分布有多个旋翼(1、6、9、12、15、16)，它们的安装角度可以根据应用场景进行适当的变化，如图1中1和16轴向水平设置、6和15轴向成0-90度设置、9和12轴向垂直方向设置，安装角度互有差异。
[0037]
上述支撑杆10上对称分布有多对旋翼，旋翼包括辅助旋翼(辅助旋翼a1、辅助旋翼b16)、调节旋翼(调节旋翼a6、调节旋翼b15)以及主力旋翼(主力旋翼a9、主力旋翼b12)，其中主力旋翼提供了喷杆飞行所需要的大部分升力，可以根据需要为多个；辅助旋翼和调节旋翼角度可调，可以根据各自需要分别为多个，为整体喷杆提供升力和对喷杆的姿态进行控制，同时其产生的向下气流可以加速药液附着在农作物表面。
[0038]
所述药液和电池箱组件11，通过螺栓和喷杆紧密固定；药液和电池箱组件结构形
状为上三角下矩形形状，药液、电池箱的形状有利于降低整个多旋翼喷杆的重心，增加其稳定性。
[0039]
如图1所示的gps模块(gps模块a7、gps模块b14)、视觉模块细节图，gps模块由gps-rtk信号接收模块组成，通过连接法兰3和支撑杆和脚架牢固固定，因为这里采用rtk技术，共有两个gps模块对称分布。视觉模块8与一个和连接法兰相连并垂直向下延伸的支架固定，其空间位置与毫米波雷达13对称分布。
[0040]
药液、电池箱在药液和电池箱组件11内部主要分为三部分，它们的功能主要是容纳电池、控制系统硬件以及存储药液。
[0041]
如图2所示为控制系统硬件结构图，包括飞行控制器和嵌入式处理器，飞行控制器分别与gps模块、毫米波雷达13、多传感器冗余模块、以及用于控制旋翼的多个电调相连；所述飞行控制器还与嵌入式处理器相连，嵌入式处理器同时与视觉模块8、电磁阀驱动器相连，电磁阀驱动器与控制喷头5的电磁阀相连，所述多传感器冗余模块在内部集成了磁罗盘、气压计和两套陀螺仪、加速度计，以便在其中一套传感器发生故障时立即切换到备用传感器，增加系统的稳定性和可靠性。底层驱动器有电调、电磁阀驱动器；执行机构有多个旋翼电机及与喷头数量相对的电磁阀。
[0042]
如图3所示为串级pid控制图，由于在工程领域中，pid控制依旧是实际应用中被使用最广泛一种，并且目前市面上常见的四旋翼飞行控制系统也多使用pid控制算法，本专利使用了串级pid来对无人喷杆的位姿来进行控制。
[0043]
pid控制是比例控制、积分控制与微分控制的统称。在实践应用过程中，面对不同的被控对象需要选择符合要求的方法对p、i、d三种控制进行不同的组合，以达到最佳的控制目的，我们通常将这些自由组合出来的控制器统一叫pid控制器。pid控制器从本质上来说就是一个二阶线性低通滤波器，它可以有效的减少干扰和误差对输出结果的影响。下图为传统的pid控制器的结构：
[0044]
如图4所示，上图中的r(t)为t时刻系统的输入量，y(t)为t时刻的系统输出量；e(t)作为偏差是调节器的输入量，它是t时刻系统输入量与输出量之差，有：
[0045]
e(t)＝y(t)-r(t)
ꢀꢀꢀ
(1)
[0046]
u(t)是t时刻调节器的输出量，是把对偏差e(t)作比例、积分、微分计算之后进行线性求和得到。这里给出传统pid控制器的表达式为：
[0047][0048]
式中的t
i
和t
d
分别代表t时刻的积分时间常数与微分时间常数，令k
p
/t
i
＝k
i
，k
p
*td＝k
d
。则pid控制器的表达式可被写为：
[0049][0050]
式中k
p
代表比例系数，k
i
代表积分系数，k
d
代表微分系数。其离散化公式可表示为：
[0051][0052]
现实使用过程中，要想使pid控制系统的性能达到最优，需要对比例、积分、微分三个参数值进行不断地调整。而采用串级pid控制器对系统进行控制可以有效减少由于外部
干扰带来的误差影响，提高系统的鲁棒性。串级pid控制的原理就是由多个单回路反馈控制相套。
[0053]
如图3所示，我们分别以角速度作为第一个内环，角速度通过陀螺仪测得；然后把角度控制作为第二个内环，角度的估计是通过陀螺仪、磁罗盘等传感器估计而得；第三个内环是速度控制环，速度估计是通过图像数据与imu数据进行融合得出的；最后的外环是高度控制，这里我们同样融合了毫米波雷达、气压计、陀螺仪等传感器的数据，以期获得比较准确的高度值。通过这样的一个串级pid控制器，我们就可以很好的对多旋翼喷杆的位姿和运动进行很好的控制，实现基于路径规划的喷雾作业。
[0054]
如图5所示为系统控制流程图，在系统上电后，首先进行初始化操作，然后依据提前采集的作业区域gps数据进行路径规划，在路径规划结束并且收到起飞指令后执行起飞程序，在起飞后至降落前，由串级pid控制器对多旋翼喷杆的姿态、速度、高度等进行控制，以使其沿着规划的路径进行飞行。起飞成功后，由嵌入式处理器对视觉模块回传的图像数据，图像处理共分为两个线程：首先通过光流法得到运动信息，将其与imu数据融合后得到比较精准的多旋翼喷杆的运动速度并回传给飞行控制器；其次是对图像处理后识别出农作物的有无以及稠密信息，为后面的精准变量喷雾做好准备。由于雾状的药液在空气中容易流失，所以多旋翼喷杆在作业期间应保持一个合适的高度稳定飞行，在这里飞行控制器通过毫米波雷达及气压计等传感器的数据估计出准确的高度值，控制自身高度保持在一个合适的作业高度。在判断是否标准工作区域后，将根据结果进行不同的操作。在正常喷雾环节，处理器通过电磁阀驱动器控制所有喷头进行作业；在边角区域，处理器根据计算结果只控制部分电磁阀工作、实现变量喷雾。
[0055]
上述视觉模块8采用光流法进行视域中的物体运动检测，对于光流法，其原理如下：
[0056]
光流是一种描述像素随时间在图像之间运动的方法，如图6所示，随着时间流逝，同一个像素在图像中运动，而我们希望追踪它的运动过程。其中计算部分像素的运动称为稀疏光流，计算所有像素的运动称为稠密光流。我们采用稀疏光流中的代表：lk(lucas-kanade)光流。lk光流法示意图在lk光流中，我们认为来自相机的图像是随时间变化的。图像可以看作时间的函数：i(t)；那么，在一个t时刻位于处的像素，它的灰度可以写成：
[0057]
i(x，y，t).
ꢀꢀꢀ
(5)
[0058]
我们把图像看成了位置和时间的函数，它的值域就是图像中像素的灰度。现在考虑某个固定的空间点，它在t时刻的像素坐标为x，y。由于相机的运动，它的图像坐标将发生变化。灰度不变假设：同一个空间点的像素灰度值，在各个图像中是固定不变的。对于t时刻位于(x，y)处的像素，我们设t+dt它运动到(x+dx，y+dy)处，由于灰度不变，我们有：
[0059]
i(x+dx，y+dy，t+dt)＝i(x，y，t)
ꢀꢀꢀ
(6)
[0060]
对上式左边进行泰勒展开，保留一阶项，得：
[0061][0062]
从而有：
[0063][0064]
两边除以dt，得：
[0065][0066]
其中为像素在x轴上的运动速度，而为y轴上的速度，把它们记为u，v。同时为图像在该点处x方向的梯度，另一项为y方向的梯度，记为i
x
，i
y
。把图像灰度对时间的变化量记为i
t
，写成矩阵，有：
[0067][0068]
我们想要得到u，v，但是由于该式是带有两个变量的一次方程，仅凭它无法计算出u，v。因此，我们假设某一个窗口内的像素具有相同的运动。
[0069]
考虑一个ω*的窗口，它含有ω2的像素。由于窗口内像素具有相同的运动，因此我们共有ω2个方程：
[0070][0071]
记：
[0072][0073]
于是整个方程：
[0074][0075]
这个关于u，v的超定线性方程，可以用最小二乘法来求解：
[0076][0077]
这样即可求得像素在图像间的运动速度u，v。
[0078]
旋翼的主要功能是提供升力和对喷杆的姿态进行控制，同时其产生的向下气流可以加速药液附着在农作物表面，减少药液在空气中的流失；旋翼与喷杆、喷头的连接关系如下：
[0079]
作为本发明的一个具体实施例，如图7为多旋翼喷杆结构变形图，当需要实现喷杆的升降以及偏航运动时，通过将辅助旋翼、主力旋翼、调节旋翼的安装角度调整为轴向垂直设置，所有旋翼提供向上的升力，可以使多旋翼喷杆具备最大的升力。此时，主力旋翼、辅助旋翼和调节旋翼的下端均连接有电机2，为旋翼提供动力，电机2连接有连接法兰3，连接法兰3下端为药液管道4，连接法兰3把电机2、药液管道4紧密固定，药液管道4将喷头5连接起
来并为喷杆提供药液。
[0080]
作为本发明的另一个具体实施例，当需要实现喷杆提升升力(如图8所示)，增加载重量考虑时，主力旋翼采用上下对浆的布局，辅助旋翼采用轴向水平设置，调节旋翼采用轴向角度在0-90度的调节范围内设置。当主力旋翼、辅助旋翼和调节旋翼任意一种采用上下对浆的布局时(如图8)，该旋翼下端对应的喷头替换为型号相同、方向相反的旋翼，为喷杆提供更大的升力(此时，对浆下面不连接喷头，上下对桨各连接一个电机)。
[0081]
此时，辅助旋翼a1和辅助旋翼b16轴向水平设置、调节旋翼a 6和调节旋翼b 15轴向成0-90度设置、主力旋翼a 9和主力旋翼b 12轴向垂直方向设置。
[0082]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0083]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。