一种用于农药喷洒的喷洒效率高的无人机控制系统及方法与流程

本发明属于无人机技术领域，尤其涉及一种用于农药喷洒的喷洒效率高的无人机控制系统及方法。

背景技术：

目前，最接近的现有技术：无人驾驶飞机简称“无人机”(“uav”)，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞行器。无人机实际上是无人驾驶飞行器的统称，从技术角度定义可以分为：无人固定翼飞机、无人垂直起降飞机、无人飞艇、无人直升机、无人多旋翼飞行器、无人伞翼机等。然而，现有用于农药喷洒的喷洒效率高的无人机由于模糊神经网络隶属阈值函数的设计容易存在较大偏差，对环境的自适应能力较差，最终影响无人机稳定性控制效果；同时，无法准确识别出不同区域不同农作物虫害种类和虫害的严重程度，对所有农作物喷洒农药种类和农药量相同，造成农药浪费、喷洒农药效果差。

综上所述，现有技术存在的问题是：现有用于农药喷洒的喷洒效率高的无人机由于模糊神经网络隶属阈值函数的设计容易存在较大偏差，对环境的自适应能力较差，最终影响无人机稳定性控制效果；同时，无法准确识别出不同区域不同农作物虫害种类和虫害的严重程度，对所有农作物喷洒农药种类和农药量相同，造成农药浪费、喷洒农药效果差。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于农药喷洒的喷洒效率高的无人机控制系统及方法。

本发明是这样实现的，一种用于农药喷洒的喷洒效率高的无人机的控制方法，所述用于农药喷洒的喷洒效率高的无人机的控制方法包括：

第一步，通过拍摄模块利用摄像头拍摄农田图像数据；测高模块利用激光测距器测量无人机高度数据；储药液位检测模块利用液位传感器检测储药罐内药液液位数据；

第二步，利用改进小波包算法对采集的信号进行去噪，主控模块通过遥控模块利用遥控器连接无线信号对无人机进行远程遥控操作；通过升降模块利用螺旋桨进行升降操作；通过储药模块利用储药罐对农药进行存储；通过姿态控制模块利用控制器对无人机飞行姿态进行控制；然后，通过喷洒模块利用喷洒器喷洒农药操作；

利用改进小波包算法对采集的信号进行去噪的方法包括：

信号延拓，对小波包分解的各层信号进行抛物线延拓；

设信号数据为x(a),x(a+1),x(a+2)，则延拓算子e的表达式为：

消去单子带多余频率成分；

将延拓后的信号与分解低通滤波器h0卷积，得到低频系数，然后经过hf-cut-if算子处理，去掉多余的频率成分，再进行下采样，得到下一层的低频系数；将延拓后的信号与分解高通滤波器g0卷积，得到高频系数，然后经过lf-cut-if算子处理，去掉多余的频率成分，再进行下采样，得到下一层高频系数，hf-cut-if算子如式(1)所示，lf-cut-if算子如式(2)所示；

在式(1)、式(2)中，x(n)为在2^j尺度上小波包的系数，nj表示在2^j尺度上数据的长度，k＝0，1，…，nj-1；n＝0，1，…，nj-1；

对无人机进行远程遥控操作的无线信号的检测方法包括：

(1)由高增益全频段天线接收无人机远程遥控无线通信射频信号；

(2)将无人机远程遥控无线通信射频信号分别通过多个并列的中心频率由低到高均匀分布，通带无缝衔接的带通滤波器；得到多个与带通滤波器的通带相对应的窄带信号，且窄带信号的通带无缝衔接；

(3)将窄带信号通过a/d转化为高倍采样的i/q数字信号；

(4)将高倍采样的i/q信号进行连续时间的fft处理，得到不同时间点对应的高倍采样的i/q信号数据的频谱数据，并在不同时间点的所述频谱数据中分别截取，得到与所述窄带信号的通带相对应的窄带频谱数据；

(5)将不同时间点的窄带频谱数据加注对应的时间标识，并将相同时间点的所述窄带频谱数据按照相对应的所述带通滤波器中心频率由低到高的顺序合成全频带频谱；

第三步，通过显示模块利用显示器显示农田图像、无人机高度、药液液位数据。

进一步，利用控制器对无人机飞行姿态进行控制的方法包括：

1)通过控制器根据无人机上预设的传感器，采集所述无人机当前时刻的飞行信息；

2)将所述飞行信息设置为预设贝叶斯网络的观测数据，通过所述贝叶斯网络生成所述无人机下一时刻的飞行姿态信息，所述贝叶斯网络为结合预设专家经验分布模型训练得到的变结构离散动态贝叶斯网络；

3)将所述飞行姿态信息发送给与所述无人机关联的地面站，通过所述地面站将所述飞行姿态信息翻译为飞行姿态指令，并接收所述地面站返回的所述飞行姿态指令；

4)根据预设的具有时变滑模面的滑模控制器和所述飞行姿态指令，对所述无人机的飞行进行控制。

进一步，通过控制器根据无人机上预设的传感器，采集所述无人机当前时刻的飞行信息的步骤之前，所述方法还包括：

通过所述无人机上的传感器采集所述无人机飞行的样本数据，并构建所述专家经验分布模型和所述贝叶斯网络；

根据所述样本数据、所述专家经验分布模型和所述贝叶斯网络中隐藏节点的证据，对所述贝叶斯网络的参数进行优化，生成训练好的所述贝叶斯网络；

构建预设无人机系统模型的初始跟踪误差，根据所述初始跟踪误差构建所述时变滑模面；

根据所述构建的时变滑模面构建时变滑模控制律，以使所述无人机系统模型的轨迹保持在所述时变滑模面上；

根据所述时变滑模控制律构建所述滑模控制器，并构建滑模观测器，所述滑模观测器用来对所述时变滑模控制律的计算进行噪声处理。

进一步，利用喷洒器喷洒农药操作信息处理方法如下：

(1)通过拍摄模块采集作业区域的农作物图像，并与数据库一中预存的农作物图像进行比较确定农作物种类；

(2)采集作业区域的农作物图像，并与数据库二中预存的虫害图像进行比较确定虫害种类；

(3)根据农作物种类和虫害种类确定喷洒农药的种类；

(4)确定农作物虫害的严重程度，根据农药种类和农作物虫害严重程度配制合适浓度的农药进行喷洒施药。

所述步骤(4)进一步包括：

a.分别采集轻微虫害、中等虫害和严重虫害的农作物图像，对图像进行预处理，提取图像特征值保存为图像特征值数据库；

b.采集作业区域的农作物图像，对图像进行预处理，提取图像特征值并与预存数据库中的图像特征值比对；

c.判断作业区域农作物图像特征值与数据库中图像特征值的相似度；

d.若图像特征值相似度接近0，说明无虫害或者虫害极少，则不对其进行农药喷洒；若相似度未达到预定的第一阈值，说明属于轻微虫害，则控制使用低浓度农药进行喷洒；若相似度超过预定的第二阈值，说明属于严重虫害，则控制使用高浓度农药进行喷洒；若相似度介于第一阈值和第二阈值之间，说明属于中等虫害，则控制使用中等浓度农药进行喷洒。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述用于农药喷洒的喷洒效率高的无人机的控制方法的用于农药喷洒的喷洒效率高的无人机的控制系统，所述用于农药喷洒的喷洒效率高的无人机的控制系统包括：

拍摄模块，与主控模块连接，用于通过摄像头拍摄农田图像数据；

测高模块，与主控模块连接，用于通过激光测距器测量无人机高度数据；

储药液位检测模块，与主控模块连接，用于通过液位传感器检测储药罐内药液液位数据；

主控模块，与拍摄模块、测高模块、储药液位检测模块、遥控模块、升降模块、储药模块、姿态控制模块、喷洒模块、显示模块连接，用于通过单片机控制各个模块正常工作；

遥控模块，与主控模块连接，用于通过遥控器连接无线信号对无人机进行远程遥控操作；

升降模块，与主控模块连接，用于通过螺旋桨进行升降操作；

储药模块，与主控模块连接，用于通过储药罐对农药进行存储；

姿态控制模块，与主控模块连接，用于通过控制器对无人机飞行姿态进行控制；

喷洒模块，与主控模块连接，用于通过喷洒器喷洒农药操作；

显示模块，与主控模块连接，用于通过显示器显示农田图像、无人机高度、药液液位数据。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述用于农药喷洒的喷洒效率高的无人机的控制方法的无人机。

本发明的优点及积极效果为：本发明通过姿态控制模块结合专家经验的变结构动态离散贝叶斯网络，对无人机在复杂动态环境下的飞行状态进行推理，通过具有时变滑模面的滑模控制器对无人机的飞行轨迹进行有效的跟踪，有效地提高了无人机飞行控制的鲁棒性和精度，使得无人机在复杂动态环境中飞行的稳定性更强；同时，通过喷洒模块对农作物种类和虫害种类进行针对性的自动喷洒农药，可提高农作物农药喷洒效果和农药的利用率，避免农药浪费，节约成本，提高了农药喷洒过程的智能化和自动化水平。

附图说明

图1是本发明实施例提供的用于农药喷洒的喷洒效率高的无人机控制系统结构示意图；

图中：1、拍摄模块；2、测高模块；3、储药液位检测模块；4、主控模块；5、遥控模块；6、升降模块；7、储药模块；8、姿态控制模块；9、喷洒模块；10、显示模块。

图2是本发明实施例提供的用于农药喷洒的喷洒效率高的无人机控制方法流程图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于农药喷洒的喷洒效率高的无人机控制系统及方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的用于农药喷洒的喷洒效率高的无人机控制系统包括：拍摄模块1、测高模块2、储药液位检测模块3、主控模块4、遥控模块5、升降模块6、储药模块7、姿态控制模块8、喷洒模块9、显示模块10。

拍摄模块1，与主控模块4连接，用于通过摄像头拍摄农田图像数据；

测高模块2，与主控模块4连接，用于通过激光测距器测量无人机高度数据；

储药液位检测模块3，与主控模块4连接，用于通过液位传感器检测储药罐内药液液位数据；

主控模块4，与拍摄模块1、测高模块2、储药液位检测模块3、遥控模块5、升降模块6、储药模块7、姿态控制模块8、喷洒模块9、显示模块10连接，用于通过单片机控制各个模块正常工作；

遥控模块5，与主控模块4连接，用于通过遥控器连接无线信号对无人机进行远程遥控操作；

升降模块6，与主控模块4连接，用于通过螺旋桨进行升降操作；

储药模块7，与主控模块4连接，用于通过储药罐对农药进行存储；

姿态控制模块8，与主控模块4连接，用于通过控制器对无人机飞行姿态进行控制；

喷洒模块9，与主控模块4连接，用于通过喷洒器喷洒农药操作；

显示模块10，与主控模块4连接，用于通过显示器显示农田图像、无人机高度、药液液位数据。

如图2所示，本发明实施例提供的用于农药喷洒的喷洒效率高的无人机控制方法包括以下步骤：

s201：通过拍摄模块利用摄像头拍摄农田图像数据；测高模块利用激光测距器测量无人机高度数据；储药液位检测模块利用液位传感器检测储药罐内药液液位数据；

s202：利用改进小波包算法对采集的信号进行去噪，主控模块通过遥控模块利用遥控器连接无线信号对无人机进行远程遥控操作；通过升降模块利用螺旋桨进行升降操作；通过储药模块利用储药罐对农药进行存储；通过姿态控制模块利用控制器对无人机飞行姿态进行控制；然后，通过喷洒模块利用喷洒器喷洒农药操作；

s203：通过显示模块利用显示器显示农田图像、无人机高度、药液液位数据。

利用改进小波包算法对采集的信号进行去噪的方法包括：

信号延拓，对小波包分解的各层信号进行抛物线延拓；

设信号数据为x(a),x(a+1),x(a+2)，则延拓算子e的表达式为：

消去单子带多余频率成分；

将延拓后的信号与分解低通滤波器h0卷积，得到低频系数，然后经过hf-cut-if算子处理，去掉多余的频率成分，再进行下采样，得到下一层的低频系数；将延拓后的信号与分解高通滤波器g0卷积，得到高频系数，然后经过lf-cut-if算子处理，去掉多余的频率成分，再进行下采样，得到下一层高频系数，hf-cut-if算子如式(1)所示，lf-cut-if算子如式(2)所示；

在式(1)、式(2)中，x(n)为在2^j尺度上小波包的系数，nj表示在2^j尺度上数据的长度，k＝0，1，…，nj-1；n＝0，1，…，nj-1；

对无人机进行远程遥控操作的无线信号的检测方法包括：

(1)由高增益全频段天线接收无人机远程遥控无线通信射频信号；

(2)将无人机远程遥控无线通信射频信号分别通过多个并列的中心频率由低到高均匀分布，通带无缝衔接的带通滤波器；得到多个与带通滤波器的通带相对应的窄带信号，且窄带信号的通带无缝衔接；

(3)将窄带信号通过a/d转化为高倍采样的i/q数字信号；

(4)将高倍采样的i/q信号进行连续时间的fft处理，得到不同时间点对应的高倍采样的i/q信号数据的频谱数据，并在不同时间点的所述频谱数据中分别截取，得到与所述窄带信号的通带相对应的窄带频谱数据；

(5)将不同时间点的窄带频谱数据加注对应的时间标识，并将相同时间点的所述窄带频谱数据按照相对应的所述带通滤波器中心频率由低到高的顺序合成全频带频谱；

在本发明的优选实施例中，姿态控制模块8控制方法如下：

1)通过控制器根据无人机上预设的传感器，采集所述无人机当前时刻的飞行信息；

2)将所述飞行信息设置为预设贝叶斯网络的观测数据，通过所述贝叶斯网络生成所述无人机下一时刻的飞行姿态信息，所述贝叶斯网络为结合预设专家经验分布模型训练得到的变结构离散动态贝叶斯网络；

3)将所述飞行姿态信息发送给与所述无人机关联的地面站，通过所述地面站将所述飞行姿态信息翻译为飞行姿态指令，并接收所述地面站返回的所述飞行姿态指令；

4)根据预设的具有时变滑模面的滑模控制器和所述飞行姿态指令，对所述无人机的飞行进行控制。

本发明提供的通过控制器根据无人机上预设的传感器，采集所述无人机当前时刻的飞行信息的步骤之前，所述方法还包括：

通过所述无人机上的传感器采集所述无人机飞行的样本数据，并构建所述专家经验分布模型和所述贝叶斯网络；

根据所述样本数据、所述专家经验分布模型和所述贝叶斯网络中隐藏节点的证据，对所述贝叶斯网络的参数进行优化，生成训练好的所述贝叶斯网络；

构建预设无人机系统模型的初始跟踪误差，根据所述初始跟踪误差构建所述时变滑模面；

根据所述构建的时变滑模面构建时变滑模控制律，以使所述无人机系统模型的轨迹保持在所述时变滑模面上；

根据所述时变滑模控制律构建所述滑模控制器，并构建滑模观测器，所述滑模观测器用来对所述时变滑模控制律的计算进行噪声处理。

在本发明的优选实施例中，喷洒模块9喷洒方法如下：

(1)通过拍摄模块采集作业区域的农作物图像，并与数据库一中预存的农作物图像进行比较确定农作物种类；

(2)采集作业区域的农作物图像，并与数据库二中预存的虫害图像进行比较确定虫害种类；

(3)根据农作物种类和虫害种类确定喷洒农药的种类；

(4)确定农作物虫害的严重程度，根据农药种类和农作物虫害严重程度配制合适浓度的农药进行喷洒施药。

本发明提供的步骤(4)进一步包括：

a.分别采集轻微虫害、中等虫害和严重虫害的农作物图像，对图像进行预处理，提取图像特征值保存为图像特征值数据库；

b.采集作业区域的农作物图像，对图像进行预处理，提取图像特征值并与预存数据库中的图像特征值比对；

c.判断作业区域农作物图像特征值与数据库中图像特征值的相似度；

d.若图像特征值相似度接近0，说明无虫害或者虫害极少，则不对其进行农药喷洒；若相似度未达到预定的第一阈值，说明属于轻微虫害，则控制使用低浓度农药进行喷洒；若相似度超过预定的第二阈值，说明属于严重虫害，则控制使用高浓度农药进行喷洒；若相似度介于第一阈值和第二阈值之间，说明属于中等虫害，则控制使用中等浓度农药进行喷洒。

本发明工作时，首先，通过拍摄模块1利用摄像头拍摄农田图像数据；通过测高模块2利用激光测距器测量无人机高度数据；通过储药液位检测模块3利用液位传感器检测储药罐内药液液位数据；其次，主控模块4通过遥控模块5利用遥控器连接无线信号对无人机进行远程遥控操作；通过升降模块6利用螺旋桨进行升降操作；通过储药模块7利用储药罐对农药进行存储；通过姿态控制模块8利用控制器对无人机飞行姿态进行控制；然后，通过喷洒模块9利用喷洒器喷洒农药操作；最后，通过显示模块10利用显示器显示农田图像、无人机高度、药液液位数据。

以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。