一种六轴式农药喷雾飞行装置及控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种喷雾装置，具体涉及一种六轴式农药喷雾飞行装置。
【背景技术】
[0002]农业机械是指在作物种植业和畜牧业生产过程中，以及农、畜产品初加工和处理过程中所使用的各种机械；植物种植保护机械用于种植和保护作物及农产品免受病、虫、鸟、兽和杂草等危害。长期以来，我国农作物防病防虫主要依靠手动喷雾器和背负式喷雾机等地面农药喷洒装置对农作物进行农药喷洒与防治。然而，我国农田地理范围分布较广，地形复杂，地面农药喷洒装置进行农药喷洒受地形和工作条件限制，作业效率低下，危险系数高，这给农业机械化的使用带来了困难。而现有农药喷洒飞行装置大多采用直升飞机进行农药喷雾，存在体型大、运行成本昂贵、飞行姿态单一、安全稳定性差和农药喷洒不均匀的缺点，且需要专业的操作人员。因此，研宄一种能够在复杂地形使用的新型农业机械化、自动化产品，对我国农业机械现代化、自动化，缓解人的劳动强度，提高种植效率具有非常重要的意义。
【发明内容】
[0003]鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种六轴式农药喷雾飞行装置，解决现有农药喷雾飞行器体积大，飞行姿态单一，自动化程度低，安全平稳性差的问题。本发明的目的之二是提供一种控制前述六轴式农药喷雾飞行装置飞行的方法。
[0004]本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的，一种六轴式农药喷雾飞行装置，包括机架1、设置在机架上的控制系统和以机架为中心等角度分布在机架上的六个支撑轴，每个支撑轴的末端连接一个驱动单元；所述控制系统包括控制器6和分别与控制器连接的姿态检测模块、农药喷洒模块以及无线通信模块16 ;
[0005]所述驱动单元为整个飞行装置提供飞行动力；
[0006]所述控制器完成实时数据处理，并输出控制信号实现飞行姿态的调控；
[0007]所述姿态检测模块根据用户设定飞行姿态，动态监测飞行中的数据，同时根据用用户需求实时调整飞行姿态；
[0008]所述农药喷洒模块根据预先设定的喷药量、喷药高度、喷药区域，执行喷洒作业任务；所述无线通信模块用于将各个传感器的状态参数传到遥控器，操作人员根据反馈回来的数据，对六轴式农药喷雾飞行装置实时进行控制。
[0009]进一步，所述驱动单元包括与控制器连接的电子调速器2、与电子调速器连接的驱动电机3以及与驱动电机连接的螺旋桨4。
[0010]进一步，所述姿态检测模块包括分别与控制器连接的GPS定位器7、气压传感器8、六轴陀螺仪9和地磁传感器10 ;所述GPS定位器用于对飞行器进行准确定位，并通过无线通信模块将其参数返回给操作者，所述气压传感器和地磁传感器分别实时监控飞行装置的飞行高度和飞行方向，所述六轴陀螺仪用于采集飞行装置的三个方向的角速度以及三个方向的角加速度。
[0011]进一步，所述农药喷洒模块包括喷雾装置、液位传感器15、设置在机架I下方的密闭容器13以及驱动两个水泵的驱动电路14，所述液位传感器设置于密闭容器内并与控制器连接，所述喷雾装置包括分别设置在两个支撑轴上的水泵11，每个水泵对应一个高速离心喷头12，所述两个支撑轴在同一直线上。
[0012]本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的，一种六轴式农药喷雾飞行装置控制方法，包括以下步骤:
[0013]S1.通过遥控器对需要完成的任务进行预先设定，然后控制飞行装置起飞；
[0014]S2.根据用户预先设定的任务，动态监测飞行中的数据，根据用户需要实时调整飞行的姿态；
[0015]S3.当飞行装置到达预先设定的位置时，根据预先设定的喷药量、喷药高度、喷药区域，打开高速离心喷头执行喷洒作业任务。
[0016]进一步，所述步骤SI具体包括:
[0017]在六轴式农药喷雾飞行装置工作前，操作人员从全国地理信息系统数据库中获得该地区的卫星图像，在卫星图像中划定工作区域，并在工作区域内从农药喷洒起始点至终点依次设点，并设定六轴式农药喷雾飞行装置在各点的飞行高度。
[0018]进一步，采用动态ro算法确保六轴式农药喷雾飞行装置在两点之间有用直线路径飞行，所述动态 H)算法为:U (k) = U (k-1) +Kp*e (k) +Kd* (e (k) _e (k_l))，Kp =k*(e(k)-e(k-l))~2，e(k) = f(k)-f (k_l)，公式中k为比例常数，Kd为静态值，Kp为动态值，U(k)为电机的控制量，e(k)为地磁传感器上次采集值与现在采集值得偏差，f(k)为地磁传感器的采集值。
[0019]9.进一步，所述六轴式农药喷雾飞行装置的姿态由其倾斜角和倾斜角速度决定，所述姿态监测模块采用积分补偿的方法来消除倾斜角速度的积累误差，加速度计采集的值ACC_VALUE以及陀螺仪采集的值GYRO_VALUE经过修正以及积分补偿后得到了六轴式农药喷雾飞行装置的飞行角度值FLY_ANGEL:
[0020]FLY_ANGEL = (GYRO_VALUE-GYRO_OFFSET)*Kgyro+ Σ DELTA_VALUE*(1/T)
[0021 ] 其中，DELTA_VALUE为加速度计所获得的倾斜角度，GYRO_VALUE为陀螺仪采集的值，GYRO_OFFSET为陀螺仪的零点偏移量，Kgyο为陀螺仪的比例值，Σ DELTA_VALUE为DELTA_VALUE的和，T为积分时间常数。经过修正以及积分补偿后的倾斜角度之差:
[0022]DELTA_VALUE = (ACC_VALUE_ACC_OFFSET)*Kacc_FLY_ANGEL.
[0023]ACC_VALUE为加速度计采集的值，Kacc为加速度计的比例值，ACC_OFFSET为加速度器的零点偏移量。
[0024]Kacc = 180* (ACCmax+ACCmin)，其中ACCmax为加速度计的最大值，ACC min为加速度计的最小。
[0025]由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点:
[0026]机械结构刚度高、重量轻；能够根据用户需要设定农药喷洒面积，喷药量、喷药时间、喷药区域；喷洒过程中，喷药操作人员不会直接接触农药，避免喷洒过程中农药对人体健康的影响；飞行姿态可实时动态调整，适应不同高度地形的农药喷洒作业，避免对地面原有生态的破坏；实现操作人员对施药状况的实时监控。
【附图说明】
[0027]为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中:
[0028]图1为飞行装置机械结构图；
[0029]图2为系统硬件电路结构框图；
[0030]图3为MCU最小系统模块电路图；
[0031]图4为无线通信模块电路图；
[0032]图5为电源模块电路图；
[0033]图6为系统软件控制流程图；
[0034]图7为实际测量倾角曲线与积分补偿后的倾角曲线图；
[0035]图8为动态积分补偿结构图；
[0036]图9为喷洒过程控制流程图；
[0037]图10为不规则农田设定飞行路线规划图；
[0038]图11为规则农田设定飞行路线规划图；
[0039]图12为飞行装置转直角弯路线规划图。
[0040]图中，1.机架，2.电子调速器，3.驱动电机，4.螺旋桨，5.电源模块，6.控制器，
7.GPS定位器，8.气压传感器，9.六轴陀螺仪，10.地磁传感器，11.水泵，12.高速离心喷头，13.密闭容器，14.驱动电路，15.液位传感器，16.无线通信模块。
[0041]具体实施方法
[0042]以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
[0043]如图1、2所示，一种六轴式农药喷雾飞行装置，包括机架1、设置在机架上的控制系统和以机架为中心等角度分布在机架上的六个支撑轴，每个支撑轴的末端连接一个驱动单元；所述控制系统包括控制器6和分别与控制器连接的姿态检测模块、农药喷洒模块以及无线通信模块16。
[0044]所述驱动单元为整个飞行装置提供飞行动力。所述驱动单元包括与控制器连接的电子调速器2、与电子调速器2连接的驱动电机3以及与驱动电机连接的螺旋桨4。在本发明中，驱动电机为六旋翼高转速无刷直流电机，该电机通过电机固定座固定在各个支撑轴的端点部位，控制器6以及电源模块5固定在机身中间位置的上端。电子调速器固定在轴翼中间位置，以减小振动，增加稳定性。
[0045]所述控制器完成实时数据处理，并输出控制信号实现飞行姿态的调控。在本发明中，机架I采用25_碳纤维材料制成，采用碳纤维材料使机身轻便，有利于飞行控制。控制器采用ST公司生产的ARM_COTEX M3控制芯片STM32F103RCT6。
[0046]所述姿态检测模块根据用户设定飞行姿态，动态监