基于流量动态预测的无人机喷洒控制系统及方法
【专利摘要】本发明提供一种基于流量动态预测的无人机喷洒控制系统及方法，其中，系统包括：压力传感器和控制器；压力传感器与控制器及无人机上的喷洒系统分别连接，控制器与无人机上的喷洒系统连接；压力传感器，用于获取喷洒系统的实时管路压力并发送至控制器；控制器，用于根据所述实时管路压力以及管路压力与所述喷洒系统喷头喷洒流量之间的对应关系进行管路流量预测，并根据获得的管路流量预测值以及预设的管路流量，控制无人机上的喷洒系统的管路流量。该系统可实现在速度变化的过程中每亩作业区域喷洒量的精确动态控制，避免人为操作照成的喷洒流量误差较大的情况。
【专利说明】
基于流量动态预测的无人机喷洒控制系统及方法
技术领域
[0001]本发明涉及航空喷施作业技术领域，尤其涉及一种基于流量动态预测的无人机喷洒控制系统及方法。
【背景技术】
[0002]航空喷施作业是现代农业植保作业的重要手段，在航空施药作业领域中无人机精准施药是未来的技术发展趋势。目前植保无人机上通常安装有喷洒系统(包括:小型隔膜栗、管路和压力喷头)，根据作物的情况，设定每亩的喷洒药量，在飞机起飞之前设定好栗的工作电压，确定管路的固定压力，进而流量恒定。在飞机起飞后，遥控手目视无人机飞到作业区域后，打开喷洒开关，按设定的流量的进行喷洒作业，直至作业结束。
[0003]在实际应用过程中，受到气象条件、环境情况、操作手技能水平等因素的影响，无人机飞行速度难以保持恒定，尤其是在进入作业区域初期、转弯掉头等环节速度变换范围较大，此时，按照固定的流量进行喷洒作业时，会导致药液喷洒不均匀，发生过度喷洒和喷洒量不足的情况。某些植保无人机使用微型涡轮流量传感器对流量进行检测和反馈控制，但涡轮流量计，输出滞后较为严重，飞行速度变化时，易导致喷洒流量震荡变化，因此，在实际作业中也难以满足流量控制的实时性要求。
[0004]鉴于此，如何提供一种无人机喷洒控制系统，以解决现有技术中在速度变化的过程中喷洒流量误差较大的问题成为当前需要解决的技术问题。
【发明内容】
[0005]针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于流量动态预测的无人机喷洒控制系统及方法，可以实现在速度变化的过程中每亩作业区域喷洒量的精确动态控制，避免人为操作照成的喷洒流量误差较大的情况。
[0006]第一方面，本发明提供一种基于流量动态预测的无人机喷洒控制系统，包括:压力传感器和控制器；
[0007]所述压力传感器与所述控制器及无人机上的喷洒系统分别连接，所述控制器与无人机上的喷洒系统连接；
[0008]所述压力传感器，用于获取所述喷洒系统的实时管路压力并发送至所述控制器；
[0009]所述控制器，用于根据所述实时管路压力以及管路压力与所述喷洒系统喷头喷洒流量之间的对应关系进行管路流量预测，并根据获得的管路流量预测值以及预设的管路流量，控制无人机上的喷洒系统的管路流量。
[0010]可选地，所述系统还包括:涡轮流量传感器；
[0011 ]所述涡轮流量传感器，与所述控制器及无人机上的喷洒系统分别连接，用于获取所述喷洒系统的实时管路流量并发送至所述控制器；
[0012]相应地，所述控制器，用于根据所述实时管路压力以及管路压力与所述喷洒系统喷头喷洒流量之间的对应关系进行管路流量预测，根据所述实时管路流量对获得的管路流量预测值进行校正，并根据校正后的管路流量预测值以及预设的管路流量，控制无人机上的喷洒系统的管路流量。
[0013]可选地，所述控制器为PID控制器。
[0014]第二方面，本发明提供一种基于上述基于流量动态预测的无人机喷洒控制系统的基于流量动态预测的无人机喷洒控制方法，包括:
[0015]控制器通过压力传感器获取无人机上的喷洒系统的实时管路压力；
[0016]控制器根据所述实时管路压力以及管路压力与所述喷洒系统喷头喷洒流量之间的对应关系进行管路流量预测；
[0017]控制器根据获得的管路流量预测值以及预设的管路流量，控制无人机上的喷洒系统的管路流量。
[0018]可选地，在所述控制器根据获得的管路流量预测值以及预设的管路流量，控制无人机上的喷洒系统的管路流量之前，还包括:
[0019]控制器通过涡轮流量传感器获取所述喷洒系统的实时管路流量；
[0020]相应地，所述控制器根据获得的管路流量预测值以及预设的管路流量，控制无人机上的喷洒系统的管路流量，具体包括:
[0021]控制器根据所述实时管路流量对获得的管路流量预测值进行校正，并根据校正后的管路流量预测值以及预设的管路流量，控制无人机上的喷洒系统的管路流量。
[0022]可选地，所述控制器为PID控制器。
[0023]由上述技术方案可知，本发明的基于流量动态预测的无人机喷洒控制系统及方法，通过以管路动态压力参数作为控制系统内回路，以管路流量作为外回路，利用时标分离原理，分回路进行管路工作状态参数控制系统设计，可以实现在速度变化的过程中每亩作业区域喷洒量的精确动态控制，避免人为操作照成的喷洒流量误差较大的情况，还可以提高喷洒系统管路流量控制系统响应速度，抑制控制系统超调。
【附图说明】
[0024]图1为本发明一实施例提供的一种基于流量动态预测的无人机喷洒控制系统的结构示意图；
[0025]图2为图1所示的基于流量动态预测的无人机喷洒控制系统的工作原理图；
[0026]图3为本发明一实施例提供的一种基于图1所示基于流量动态预测的无人机喷洒控制系统的基于流量动态预测的无人机喷洒控制方法的流程示意图；
[0027]图4为本发明另一实施例提供的一种基于图1所示基于流量动态预测的无人机喷洒控制系统的基于流量动态预测的无人机喷洒控制方法的流程示意图。
【具体实施方式】
[0028]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整的描述，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的实施例，都属于本发明保护的范围。
[0029]图1示出了本发明一实施例提供的一种基于流量动态预测的无人机喷洒控制系统的结构示意图，如图1所示，本实施例的基于流量动态预测的无人机喷洒控制系统，包括:压力传感器11和控制器13;
[0030]所述压力传感器11与所述控制器13及无人机上的喷洒系统分别连接，所述控制器13与无人机上的喷洒系统连接；
[0031 ]所述压力传感器11，用于获取所述喷洒系统的实时管路压力并发送至所述控制器13；
[0032]所述控制器13，用于根据所述实时管路压力以及管路压力与所述喷洒系统喷头喷洒流量之间的对应关系进行管路流量预测，并根据获得的管路流量预测值以及预设的管路流量，控制无人机上的喷洒系统的管路流量。
[0033]在具体应用中，本实施例所述系统，还可包括:涡轮流量传感器12;
[0034]所述涡轮流量传感器12，与所述控制器13及无人机上的喷洒系统分别连接，用于获取所述喷洒系统的实时管路流量并发送至所述控制器13;
[0035]相应地，所述控制器13，用于根据所述实时管路压力以及管路压力与所述喷洒系统喷头喷洒流量之间的对应关系进行管路流量预测，根据所述实时管路流量对获得的管路流量预测值进行校正，并根据校正后的管路流量预测值以及预设的管路流量，控制无人机上的喷洒系统的管路流量。
[0036]在具体应用中，本实施例所述控制器13可优选为比例-积分-微分PID控制器。
[0037]图2示出了本实施例所述系统的工作原理图，在具体应用中，本实施例所述系统可根据预先设定流量和喷头性能参数，设定系统初始工作状态，包括喷洒管路压力、流量工作参数;启动喷洒系统后，利用压力传感器实时进行管路压力反馈，由于管路压力和喷头喷洒流量具有对应关系，可进行实时管路流量预测，由于管路压力状态变化响应带宽较高，利用压力换算得到的(间接)管路流量预测值的数据无滞后，可作为内回路控制量;涡轮流量传感器作为控制系统外回路反馈系统，其输出为最终管路喷洒流量，测量精度较高，但其响应频率较低，有一定滞后，作为系统慢状态变量，以涡轮流量计数据作为校正信息，对压力信息预测的实时动态流量数据进行修正，在保证系统流量控制动态特性的条件下，能提高流量控制精度。
[0038]本实施例所述系统结合涡轮流量传感器数据和压力传感器数据，分回路测量喷洒系统实时流量和压力，并根据压力变化预测流量的变化情况，作为控制系统的阻尼，在保证系统快速动态响应的条件下避免流量控制超调。
[0039]本实施例的基于流量动态预测的无人机喷洒控制系统，通过以涡轮流量传感器数据对动态流量间接测量数据(即管路流量预测值)进行校正，形成流量数据的互补校正，以管路动态压力参数作为控制系统内回路，以管路流量作为外回路，利用时标分离原理，分回路进行管路工作状态参数控制系统设计，可以实现在速度变化的过程中每亩作业区域喷洒量的精确动态控制，避免人为操作照成的喷洒流量误差较大的情况，还可以提高喷洒系统管路流量控制系统响应速度，抑制控制系统超调。
[0040]图3示出了本发明一实施例提供的一种基于图1所示基于流量动态预测的无人机喷洒控制系统的基于流量动态预测的无人机喷洒控制方法的流程示意图，如图3所示，本实施例的基于流量动态预测的无人机喷洒控制方法如下所述。
[0041]301、控制器通过压力传感器获取无人机上的喷洒系统的实时管路压力。
[0042]302、控制器根据所述实时管路压力以及管路压力与所述喷洒系统喷头喷洒流量之间的对应关系进行管路流量预测。
[0043]303、控制器根据获得的管路流量预测值以及预设的管路流量，控制无人机上的喷洒系统的管路流量。
[0044]在具体应用中，本实施例中的控制器可优选为比例-积分-微分PID控制器。
[0045]在具体应用中，如图4所示，在所述步骤303之前，本实施例所述方法还可以包括:
[0046]303’、控制器通过涡轮流量传感器获取所述喷洒系统的实时管路流量；
[0047]相应地，所述步骤303则具体为:
[0048]304、控制器根据所述实时管路流量对获得的管路流量预测值进行校正，并根据校正后的管路流量预测值以及预设的管路流量，控制无人机上的喷洒系统的管路流量。
[0049]在具体应用中，可根据预先设定流量和喷头性能参数，设定图1所示基于流量动态预测的无人机喷洒控制系统的初始工作状态，包括喷洒管路压力、流量工作参数;启动喷洒系统后，利用压力传感器实时进行管路压力反馈，由于管路压力和喷头喷洒流量具有对应关系，可进行实时管路流量预测，由于管路压力状态变化响应带宽较高，利用压力换算得到的(间接)管路流量预测值的数据无滞后，可作为内回路控制量;涡轮流量传感器作为控制系统外回路反馈系统，其输出为最终管路喷洒流量，测量精度较高，但其响应频率较低，有一定滞后，作为系统慢状态变量，以涡轮流量计数据作为校正信息，对压力信息预测的实时动态流量数据进行修正，在保证系统流量控制动态特性的条件下，能提高流量控制精度。
[0050]本实施例所述方法，利用涡轮流量传感器数据和压力传感器数据，分回路测量喷洒系统实时流量和压力，并根据压力变化预测流量的变化情况，作为控制系统的阻尼，在保证系统快速动态响应的条件下避免流量控制超调。
[0051]本实施例的基于流量动态预测的无人机喷洒控制方法，基于图1所示的基于流量动态预测的无人机喷洒控制系统，通过以涡轮流量传感器数据对动态流量间接测量数据(即管路流量预测值)进行校正，形成流量数据的互补校正，以管路动态压力参数作为控制系统内回路，以管路流量作为外回路，利用时标分离原理，分回路进行管路工作状态参数控制系统设计，可以实现在速度变化的过程中每亩作业区域喷洒量的精确动态控制，避免人为操作照成的喷洒流量误差较大的情况，还可以提高喷洒系统管路流量控制系统响应速度，抑制控制系统超调。
[0052]本领域普通技术人员可以理解:实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤;而前述的存储介质包括:R0M、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0053]最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。
【主权项】
1.一种基于流量动态预测的无人机喷洒控制系统，其特征在于，包括:压力传感器和控制器; 所述压力传感器与所述控制器及无人机上的喷洒系统分别连接，所述控制器与无人机上的喷洒系统连接； 所述压力传感器，用于获取所述喷洒系统的实时管路压力并发送至所述控制器； 所述控制器，用于根据所述实时管路压力以及管路压力与所述喷洒系统喷头喷洒流量之间的对应关系进行管路流量预测，并根据获得的管路流量预测值以及预设的管路流量，控制无人机上的喷洒系统的管路流量。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括:涡轮流量传感器； 所述涡轮流量传感器，与所述控制器及无人机上的喷洒系统分别连接，用于获取所述喷洒系统的实时管路流量并发送至所述控制器； 相应地，所述控制器，用于根据所述实时管路压力以及管路压力与所述喷洒系统喷头喷洒流量之间的对应关系进行管路流量预测，根据所述实时管路流量对获得的管路流量预测值进行校正，并根据校正后的管路流量预测值以及预设的管路流量，控制无人机上的喷洒系统的管路流量。3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述控制器为PID控制器。4.一种基于权利要求1-3中任一项所述的基于流量动态预测的无人机喷洒控制系统的基于流量动态预测的无人机喷洒控制方法，其特征在于，还包括: 控制器通过压力传感器获取无人机上的喷洒系统的实时管路压力； 控制器根据所述实时管路压力以及管路压力与所述喷洒系统喷头喷洒流量之间的对应关系进行管路流量预测； 控制器根据获得的管路流量预测值以及预设的管路流量，控制无人机上的喷洒系统的管路流量。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述控制器根据获得的管路流量预测值以及预设的管路流量，控制无人机上的喷洒系统的管路流量之前，还包括: 控制器通过涡轮流量传感器获取所述喷洒系统的实时管路流量； 相应地，所述控制器根据获得的管路流量预测值以及预设的管路流量，控制无人机上的喷洒系统的管路流量，具体包括: 控制器根据所述实时管路流量对获得的管路流量预测值进行校正，并根据校正后的管路流量预测值以及预设的管路流量，控制无人机上的喷洒系统的管路流量。6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述控制器为PID控制器。
【文档编号】B64D47/00GK105947216SQ201610269611
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年4月27日
【发明人】徐旻, 陈立平, 张瑞瑞, 徐刚, 唐青, 侯佳健, 姜洪亮
【申请人】北京农业智能装备技术研究中心