一种基于GPS的无人飞行器变量喷雾控制装置与方法与流程

本发明涉及农业航空植保机械装备、变量控制技术的研究领域，特别涉及一种基于gps的无人飞行器变量喷雾控制装置与方法。

背景技术：

变量喷雾是实现农业航空领域精准施药技术的一种重要方式。变量喷雾技术可根据作业速度、作物密度及虫害程度自动调节喷量，既节约农药，又可减少农产品中的农药残留和环境污染，是施药技术的重要发展方向。变量喷雾施药可以通过变喷雾时间、变喷雾压力及变药液浓度3种途径实现。pwm技术调节水泵实现流量控制是一种变喷雾时间方法，相对于其他变量喷雾技术其实现简便，对喷雾粒径影响较小，故应用较为广泛。

国内外学者研究开发了不少变量施药系统，如控制药液混合比改变药液浓度实现变量施药，但存在浓度延时问题，系统复杂，施药剂量调节幅度小。另有基于地理信息系统的自动对靶变量喷雾控制装置，变量喷雾装备各个喷头的喷量需要控制中心在变量喷雾处方图的指导下，根据地面移动装载装备的位置、速度、喷雾系统的流量以及压力，利用伺服阀来控制，但与无人机喷雾相比，地面移动装载装备喷雾效率较低，且会留下辙印和损坏农作物。

近年来，随着现代农业及高新技术的快速发展，变量喷雾技术主要有基于红外线、超声波、机器视觉及激光雷达等变量喷雾方式，这些方式虽然是技术先进，但是由于过程复杂，操作不易，很难在实际应用中取得良好的喷雾效果。基于gps的变量喷雾系统，由于gps模块精度高、稳定性好、成本低及普遍适用性等特点使其在农业航空变量喷雾应用中得以考虑，通过改进的pwm算法改变每秒脉冲个数及脉冲宽度来调节流量，优势明显。

技术实现要素：

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gps的无人飞行器变量喷雾的控制装置与方法，将无人机与变量喷雾系统有机结合，通过gps模块测出无人飞行器的飞行速度，采用pwm技术调节隔膜泵实现流量随速度变化而变化的控制，形成效率高、稳定性好、成本低的智能化变量喷雾控制系统。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明公开了一种基于gps的无人飞行器变量喷雾控制装置，飞行控制子系统、传感采集子系统、流量控制子系统及电源模块，所述传感采集子系统分别与飞行控制子系统和流量控制子系统连接，所述电源模块分别为飞行控制子系统、传感采集子系统、流量控制子系统供电；

所述飞行控制子系统，用于控制飞行器以适当的姿态、速度及高度飞行；

所述传感采集子系统，通过gps模块实时获取无人飞行器的飞行速度、高度参数，通过流量传感器模块实时获取流经喷头的药液流量，通过液位传感器模块获取药箱中液位高度；

所述流量控制子系统，用于控制药液流量随无人飞行器速度、高度改变而改变，实现量精准、变化稳定、喷幅平稳的流量控制；

所述飞行控制子系统包括主控制器、动力子系统、远程遥控通信子系统及飞行数据记录子系统，所述主控制器与动力子系统、远程遥控通信子系统及飞行数据记录子系统连接，所述动子系统中包括惯性姿态测量装置和数字舵机，所述惯性姿态测量装置，用于实时测量飞行器的姿态信息，便于调整飞行姿态，所述远程通信控制子系统与地面控制在无线通信，所述地面控制站，用于操作者调整无人飞行器的姿态、速度及高度；

所述传感采集子系统包括gps模块、流量传感器模块、液位传感器模块，各模块均电气上与挂载在无人飞行器上次控制器相连，并通过信号调理电路将模拟信号变为数字信号上传至次控制器；

所述流量控制子系统包括次控制器、药箱、隔膜泵及喷头，其中药箱、隔膜泵、流量传感器及喷头物理上采用水管依次顺序连接，隔膜泵电气上与次控制器相连。

作为优选的技术方案，所述次控制器独立于飞行控制子系统的主控制器，用于传感采集子系统的数据采集、流量控制子系统的流量控制及液位报警提示。

作为优选的技术方案，所述主控制器，设置于飞行控制子系统中，处理飞行器位置信息、姿态信息的参数，控制飞行器稳定飞行。

作为优选的技术方案，所述动力子系统，用于驱动螺旋桨及控制舵机的驱动，在电动无人机中动力子系统包含供电子系统；在燃油无人机中动力子系统与供电子系统独立；

所述远程遥控通信子系统，包括无线模块，用于飞行器与地面控制站进行通信；

所述飞行数据记录子系统，用于实时记录飞行器飞行过程中经纬度参数、速度参数、海拔参数及喷洒流量参数，并通过文件系统将数据存至sd卡中。

作为优选的技术方案，所述gps模块，实时获取无人飞行器的飞行速度、高度数据；

所述流量传感器模块，物理位置上通过水管将进、出水口分别连接隔膜泵和离心雾化喷头，电气上与次控制器相连，选择次控制器定时器的触发输出事件启动adc转换，adc选择连续转换模式，在定时器预置的时间里完成设定的采样次数，舍弃最大值和最小值，通过求和平均计算出当前的adc转换值；

所述液位传感器模块，物理位置上安装在药箱底部，电气特性上连接次控制器，用于药箱内液位信息的采集，并将信息上传至报警系统。

作为优选的技术方案，所述流量控制子系统包括次控制器、药箱、pwm控制模块、隔膜泵及离心式喷头；

所述药箱容量约为5l，挂载在无人飞行器的正下方，隔膜泵的正上方，出水口与隔膜泵入水口相连；

所述隔膜泵用于提供药液喷施压力，采用12v供电电压喷雾水泵，最大流量为4.5l/min，出水口经二分流装置分别接两个流量传感器模块，再接至安装在喷杆末端的离心雾化喷头；

所述pwm控制模块采用大功率mos触发开关驱动模块，用于将pwm占空比信号转化成隔膜泵驱动电压信号。

本发明还提供了一种基于gps的无人飞行器变量喷雾控制装置的控制方法，包括下述步骤：

(1)次控制器通过串口获取gps模块上传控制器rom的无人机飞行速度和高度值；

(2)次控制器在规定高度范围内根据流量控制规则输出不同速度值对应占空比的阶跃pwm控制信号；高度范围限定在1～3m，无人飞行器速度范围为0～5m/s，占空比范围0～100％；

(3)阶跃pwm信号经pwm控制模块变成电压信号传输给隔膜泵，从而控制隔膜泵转速的变化，并产生不同的压力将药液输送至流量传感器模块；

(4)流量传感器模块通过adc采样获取实时流量数据并反馈至次控制器，通过积分分离的pid控制算法不断修正偏差，实现精准施药；喷雾流量范围为0～4.5l/min；

(5)药液经流量传感器模块输送至离心雾化喷头，使得雾滴粒径大小均匀，喷幅稳定。

作为优选的技术方案，步骤(2)中，所述阶跃pwm信号，是指采用积分分离的pid控制算法避免无人机在变量喷雾作业时电机的频繁启动对电机的损害。

作为优选的技术方案，步骤(4)中，所述积分分离的pid控制算法，其实现如下：

将位置式pid算式写成积分分离形式即为：

式中，

k为采样序号，k＝0,1,2,3……；

u(k)为第k次采样时刻的计算机输出值；

e(k)为第k次采样时刻输入的偏差值；

e(k-1)为第(k-1)次采样时刻输入的偏差值；

kp为比例常数；

ki为积分常数，

kd为微分常数，

(1)根据实际情况设定阀值ε>0；

(2)当误差|e(k)|＞ε阀值时，采用pd控制，此时没有积分项，为了提高控制精度，pd控制算法采用位置式：

u(k)＝kpe(k)+kd[e(k)-e(k-1)]

＝a′e(k)+b′e(k-1)＝a′e(k)+f(k-1)

式中：

f(k-1)＝b′e(k-1)

(3)当|e(k)|≤ε时，采用pid控制，为了减少次控制器运算量，进行增量式pid控制算法，即：

u(k)-u(k-1)＝ae(k)-be(k-1)+ce(k-2)

u(k)u(k-1)＝ae(k)+u(k-1)-be(k-1)+ce(k-2)

＝ae(k)+g(k-1)

式中：

g(k-1)＝u(k-1)-be(k-1)+ce(k-2)。

作为优选的技术方案，所述流量控制规则指当无人飞行器的飞行速度增大时，单位时间内喷雾量也随之增大，反之单位时间内喷雾量减小，当无人飞行器飞行速度为零时，停止喷雾。无人飞行器的飞行速度和单位时间内的喷雾量可以表示为

式中：q为喷头流量(l/min)

q为农药喷施量(l/m²)

v为无人机的飞行速度

d为喷幅(m)。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明引入具有流量反馈的积分分离pid控制算法，流量控制稳定性好，鲁棒性强，响应速度快，避免了无人飞行器在变量喷雾作业时电机的频繁启动对电机的损害。

2、本发明引入无人飞行器作为载具，与地面喷雾载具相比，效率较高，不会留下辙印和损坏农作物。

3、本发明引入双控制器，其中主控制器用于飞行控制，次控制器用于信息采集和流量控制，分工明确，喷雾系统不受无人飞行器型号的限制，可移植性强。

4、本发明引入精度高、稳定性好、成本低及适用普遍的gps模块，使本发明具有良好的可推广性。

附图说明

图1本发明的结构示意图；

图2本发明工作原理示意图；

图3本发明的电路电气结构图；

图4本发明的pid控制原理图；

其中，1—gps模块，2—流量传感器模块，3—液位传感器模块，4—药箱，5—pwm控制模块，6—隔膜泵，7—离心式喷头，8—报警系统，9—地面控制站。

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

如图1所示，在本实施例中，操作者通过地面控制站控制无人飞行器在作业区域距离作物顶部1～3m的高度飞行。喷雾装置通过gps模块1获取无人飞行器的飞行速度并送入主、次控制器进行处理，次控制器根据不同速度值输出不同占空比的pwm控制信号，此信号传递至pwm控制模块，pwm控制模块将pwm占空比信号转化为相应的隔膜泵输入电压信号，从而控制隔膜泵6的转速改变以提供变化的喷雾压力，最后将药液输送至离心雾化喷头，实现变量喷雾。期间，流量传感器实时检测经喷头的流量值反馈至单片机，通过积分分离pid算法不断修正偏差，达到精准施药的目的。工作过程中无人飞行器的速度、高度、经纬度，流量及液位等数据均通过文件系统存至sd卡。

如图2、3所示，在本实施例中，一种基于gps的无人飞行器变量喷雾控制装置，包括传感采集子系统、流量控制子系统及飞行控制子系统；所述传感采集系统包括gps模块1、流量传感器模块2及液位传感器模块3，各模块均与挂载在无人飞行器上次控制器相连；所述次控制器是指独立于飞行控制主控制器的控制单元，仅用于传感器数据采集、流量控制及液位报警提示等；所述流量控制子系统包括次控制器、pwm控制模块、药箱4、隔膜泵6及离心式喷头7，其中药箱、隔膜泵、流量传感器模块及离心式喷头采用水管依次顺序连接，pwm控制模块5和隔膜泵电气上与次控制器相连。所述飞行控制子系统分别与动力子系统、远程遥控通信子系统、飞行数据记录子系统。

所述次控制器是指独立于飞行控制主控制器的控制单元，仅用于传感采集子系统的数据采集、流量控制子系统的流量控制及液位报警提示等，本实施例中通过报警系统8进行报警，该报警系统包括蜂鸣器和led两种方式的报警提示；

所述主控制器，用于仅用于飞行控制子系统，处理飞行器位置信息、姿态信息等参数，控制飞行器稳定飞行；

所述飞行控制子系统，用于控制飞行器以适当的姿态、速度及高度飞行；

所述动力子系统，用于驱动螺旋桨及控制舵机，在电动无人机中包含供电子系统；在燃油无人机中动力子系统与供电子系统独立。

所述远程遥控通信子系统，用于飞行器与地面控制站进行通信，通信特点为低速率、长距离、高可靠性；

所述飞行数据记录子系统，用于实时记录飞行器飞行过程中经纬度参数、速度参数、海拔参数及喷洒流量参数，并通过文件系统将数据存至sd卡中；

所述飞行控制子系统包括地面控制站、主控制器、gps模块、惯性姿态测量装置和数字舵机；

所述地面控制站9，用于操作者调整无人飞行器的姿态、速度及高度等；

所述gps模块是指gps接收机根据nmea-0183协议的标准规范，将无人飞行器的位置、速度及高度等信息通过串口传送到主、次控制器；

所述nmea-0183协议所规定的通讯语句都已是以ascii码为基础，nmea-0183协议语句的数据格式如下：“$”为语句起始标志；“，”为域分隔符；“*”为校验和识别符，其后面的两位数为校验和，代表了“$”和“*”之间所有字符的按位异或值(不包括这两个字符)；“/”为终止符，所有的语句必须以此来结束；

所述惯性姿态测量装置，用于实时测量飞行器的姿态信息，便于调整飞行姿态；

所述传感采集系统是指通过gps模块1实时获取无人飞行器的飞行速度、高度等参数，通过流量传感器模块实时获取流经喷头的药液流量，通过液位传感器模块获取药箱中液位高度；

所述流量传感器模块2，物理位置上通过水管将进、出水口分别连接隔膜泵和离心雾化喷头，电气上与次控制器相连，选择次控制器定时器的触发输出事件启动adc转换，adc选择连续转换模式，在定时器预置的时间里完成52次采样，舍弃最大值和最小值，通过求和平均计算出当前的adc转换值。考虑到经adc转换后的数字量所存在的噪声干扰，采用软件方法进行滤波处理。本系统在算术平均值的基础上采用了加权平均值滤波算法，以确保测量结果的准确性；

所述液位传感器模块3，物理位置上安装在药箱底部，电气特性上连接次控制器，用于药箱内液位信息采集，并将信息上传至报警系统；

所述报警系统8包括led灯和蜂鸣器，报警触发时伴随着led的闪烁和蜂鸣器的警报声；

所述流量控制子系统用于控制流量随无人飞行器速度、高度改变而改变，实现量精准、变化稳定、喷幅平稳的流量控制。

所述流量控制子系统包括次控制器、药箱、pwm控制模块、隔膜泵及离心式喷头；

所述药箱容量约为5l，挂载在无人飞行器的正下方，隔膜泵的正上方，出水口与隔膜泵入水口相连；

所述隔膜泵用于提供药液喷施压力，采用12v供电电压喷雾水泵，最大流量为4.5l/min，出水口经二分流装置分别接两个流量传感器模块，再接至安装在喷杆末端的离心雾化喷头；

所述pwm控制模块采用大功率mos触发开关驱动模块，用于将pwm占空比信号转化成隔膜泵驱动电压信号；

在本实施例中，所述基于gps的无人飞行器变量喷雾的控制方法，包括以下步骤：

(1)次控制器通过串口获取gps模块上传控制器rom的无人机飞行速度和高度值；

(2)次控制器在规定高度范围内根据流量控制规则输出不同速度值对应占空比的阶跃pwm控制信号；高度范围限定在1～3m，无人飞行器速度范围为0～5m/s，占空比范围0～100％；

(3)阶跃pwm信号经pwm控制模块变成电压信号传输给隔膜泵，从而控制隔膜泵转速的变化，并产生不同的压力将药液输送至流量传感器模块。

(4)流量传感器模块通过adc采样获取实时流量数据并反馈至次控制器，通过pid算法不断修正偏差，实现精准施药；喷雾流量范围为0～4.5l/min；

(5)药液经流量传感器模块输送至离心雾化喷头，使得雾滴粒径大小均匀，喷幅稳定。

优选的，所述阶跃pwm信号，是指采用积分分离的pid控制算法避免无人机在变量喷雾作业时电机的频繁启动对电机的损害；

如图4所示，在本实施例中，所述积分分离的pid控制算法，其实现如下：

(1)根据实际情况设定阀值ε；

(2)当误差e(t)＞ε时，采用pd控制，可避免过大的超调，有使系统有较快的响应；

(3)当误差e(t)≤ε时，采用pid控制，可保证系统的控制精度；

所述流量控制规则指当无人飞行器的飞行速度增大时，单位时间内喷雾量也随之增大，反之单位时间内喷雾量减小，当无人飞行器飞行速度为零时，停止喷雾。

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。