一种基于高度变化改变流量的高效节能灌溉系统及方法与流程

本发明涉及高科技农业、控制理论与控制工程、机械工程交叉学科，特别是涉及一种农药、灌溉减少施增效，促进农业可持续发展的基于高度变化改变流量的高效节能灌溉系统及方法。

背景技术：

随着科技发展，传统型农业生产模式逐步被机械化、信息化的方式所替代，依靠微型微电子控制传感器、小型GPS、小型驱动器和供电系统的进步，农业无人机正逐渐变得小巧、廉价、民用化。我国农村农业生产正逐步进入规模化、专业化、集约化经营管理，用多轴无人机来提高我国的农业生产效率和生产水平显得尤为重要。据了解，目前国内农业用途的无人轻小型飞机产业处于研究和初步试用阶段，我国农业航空技术总体还处在起步阶段。

无人机具有作业高度低，飘移少，可空中悬停，无需专用起降机场，旋翼产生的向下气流有助于增加雾流对作物的穿透性，防治效果高，远距离遥控操作，喷洒作业人员避免了暴露于农药的危险，提高了喷洒作业安全性等诸多优点。这将很大程度的降低资源成本。电动无人机与油动的相比，整体尺寸小，重量轻，折旧率更低、单位作业人工成本不高、易保养。

目前，无人机多以简单塑料箱携带灌溉液体，因此无法控制喷洒流量和速度，致使在无人机巡航过程中，无人机高度变化导致的灌溉量不可控问题无法解决，在高效化的同时也造成了能源的浪费，不仅如此，无限制的灌溉也带来了成本提高的弊端。对于农业大国，大面积推广无人机灌溉系统更需要考虑经济成本问题。因此，设计一种简单、高效的节能型灌溉系统与无人机搭配是一个急需解决的技术难题。

由于多轴无人机带载量的限制，为了使带载量集中于喷洒液上，所设计箱体阀门控制系统需要简洁而高效化，因此简单而可靠高效的传动设计十分必要。

技术实现要素：

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于高度变化改变流量的高效节能灌溉系统及方法，简单、高效和节能。

本发明技术解决方案：一种基于高度变化改变流量的高效节能灌溉系统，包括驱动装置、传动装置、装载装置、检测装置、CPU和GPS；其中，在完整的灌溉飞行周期中，GPS不断检测当前农业航空低空的高度；CPU负责控制步进电机以及接受检测装置信号，根据GPS反馈的电信号计算流量值，通过函数关系计算出装载装置中箱盖上喷口大小期望值，根据期望值计算驱动装置旋转角度；并将旋转角度转换为电信号，电信号包括脉冲个数及脉冲频率传递给步进电机，实现对装载装置调位调速目的；同时接收检测装置检测的当前喷口和将箱盖位移转换成线性关系的电压输出，利用基于模糊PID的控制算法得到箱盖位移量的偏差纠正，由此得到完整的闭环控制精准的位置控制，从而实现装载装置的准确运动；

驱动装置由步进电机构成，步进电机进行旋转运动，根据CPU输出的脉冲个数及脉冲频率得到旋转角度和旋转速度，准确高效地实现角位移量；通过联轴器与丝杠相连，实现角位移量的传递；

传动装置通过联轴器跟随步进电机输出轴运动，将旋转运动转换成直线运动，使丝杠上螺母水平运动，传动装置中的套筒与箱盖注塑配合实现联动，使装载装置中的箱盖在沟槽中水平运动改变喷口；

装载装置，用于灌溉液体存储，包括箱盖和箱体，箱盖与传动装置中的套筒注塑一体联动，通过沟槽与箱体实现连接和水平移动功能；

检测装置固定于箱体沟槽中，能向CPU反馈箱盖当前位置，保证箱盖精确运动；检测装置由位移测量传感器构成，位移测量传感器检测的当前喷口，将箱盖位移转换成线性关系的电压输出，同时，位移的方向则表现为电压的增加或减小。

所述驱动装置由步进电机组成，步进电机与无人机底座固定。

所述传动装置包括联轴器、滚珠丝杠、套筒、螺栓；联轴器一端通过螺栓直接与步进电机输出轴相连，另一端通过螺栓与滚珠丝杠输入轴连接；滚珠丝杠上安装有螺母，螺母与套筒通过六颗螺栓紧密配合，达到联动效果。

所述装载装置中的沟槽中涂有润滑油，确保箱盖移动过程中摩擦力较小。

所述装载装置由工业塑料箱体组成，保证强度的同时又尽可能实现轻型化，箱盖与套筒为一体注塑。

所述位移测量传感器为电位器式位移传感器，通过电位器式位移传感器中的电位器将箱盖位移转换成线性关系的电压输出。

基于高度变化改变流量的高效节能灌溉系统进行灌溉方法，实现步骤如下：

步骤1、在完整的灌溉飞行周期中，GPS不断检测当前农业航空低空的高度；

步骤2、CPU根据GPS反馈的电信号计算流量值，并计算出为喷口大小，利用喷口大小及当前位移测量传感器检测的数值，计算步进电机旋转角度；

步骤3、CPU将旋转角度转换为电信号传递给步进电机，步进电机根据脉冲个数及脉冲频率得到旋转角度和旋转速度，准确高效地实现角位移量；

步骤4、丝杠跟随步进电机输出轴运动，将旋转运动转换成直线运动，由此使箱盖在沟槽中水平运动改变喷口；

步骤5、位移传感器检测当前喷口并反馈回CPU得到闭环系统控制，利用基于模糊PID的控制算法的得到位移量的偏差纠正，得到精准的位置控制。

本发明优点在于：

(1)本发明零部件少，结构简单，利用滚珠丝杠高精度高效率的特点，无需复杂的传动装置即可实现门阀的移动。

(2)本发明在无人机喷洒过程中，可根据无人机高度的改变喷口的大小，实现灌溉流量可控可调，更加节能和人性化。

(3)本发明实现了自动化，在使用过程中，通过微控制系统控制，根据预先设定的流量公式，可自动实现喷洒量的改变，无需人为调整，更加高效和稳定。

(4)本发明在保证强度和刚度的同时达到更紧凑轻型的设计，从而使带载量不会大量减小，能够进行大量推广。

附图说明

图1为本发明可控阀门驱动装置示意图；

图2为本发明可控阀门传动装置示意图；

图3为本发明可控阀门步进电机示意图；

图4为本发明可控阀门联轴器示意图；

图5为本发明可控阀门丝杠示意图；

图6为本发明可控阀门套筒及箱盖示意图；

图7为本发明可控阀门箱体示意图；

图8为本发明可控阀门实现流程图。

图中：

1-驱动装置 2-传动装置 3-装载装置

4-检测装置 201-联轴器 202-滚珠丝杠

203-套筒 204-箱盖 101-步进电机螺孔

102-步进电机机体 103-步进电机输出轴 201a-联轴器固定孔

201b-联轴器通孔 202a-丝杠输入轴 202b-螺母螺孔

202c-螺母 202d-丝杠螺纹 203a-套筒外壳

203b-套筒连接盲孔 203c-套筒螺孔 204-箱盖

301-沟槽 401-位移传感器

具体实施方案

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种基于高度变化改变流量的灌溉系统，采用组件化设计，包括驱动装置1、传动装置2、装载装置3、检测装置4、CPU和GPS；步进电机输出轴201a和丝杠输出入轴202a分别插入联轴器通孔201b，并利用螺栓固定，丝杠上安装有与丝杠螺纹202d配合的螺母202c，同时利用螺栓旋入螺母螺孔202b将套筒和螺母固定，实现套筒和螺母联动，从而使与套筒注塑一体的箱盖跟随运动，控制阀门的大小。

如图3所示，驱动装置1为两相步进电机，步进电机机体102上有四个直径3mm螺孔101，用于步进电机与无人机底座固定。机体伸出25mm输出轴103，与联轴器连接实现转动。

传动装置2包括联轴器201、滚珠丝杠202、套筒203、箱盖204，如图2所示。其中联轴器201上左右对称有2个2mm螺孔，分别将电机输出轴与联轴器、丝杠输入轴接入联轴器通孔并用螺钉旋进螺孔使联轴器与电机输出轴、丝杠输入轴配合(如图4所示)。滚珠丝杠202上有导程12mm、长240mm螺纹，使固定于滚珠丝杠202上的螺母能左右运动(如图5所示)。套筒203通过套筒螺孔203c与螺母连接，实现联动。箱盖204与套筒注塑配合，达到联动效果(如图6所示)。

转载装置3为工业塑料箱体，顶部有长180mm、深230mm、高20mm的沟槽301，用于固定箱盖204并使其能够水平运动，沟槽中接有检测装置4，检测装置4采用位移传感器401，能够测量当前箱盖位置(如图7所示)。

如图8所示，所述灌溉系统具体实现步骤如下：

步骤1、在完整的灌溉飞行周期中，GPS不断检测当前农业航空低空的高度；

步骤2、CPU根据GPS反馈的电信号计算流量值，并计算出为喷口大小，利用喷口大小及当前位移测量传感器检测的数值，计算步进电机旋转角度；

步骤3、CPU将旋转角度转换为电信号传递给步进电机，步进电机根据脉冲个数及脉冲频率得到旋转角度和旋转速度，准确高效地实现角位移量；

步骤4、丝杠跟随步进电机输出轴运动，将旋转运动转换成直线运动，由此使箱盖在沟槽中水平运动改变喷口；

步骤5、通过电位器将箱盖位移转换成线性关系的电压输出，同时，位移的方向则表现为电压的增加或减小，由此得到完整的闭环控制，实现箱盖的准确运动。位移传感器检测当前喷口并反馈回CPU得到闭环系统控制，利用基于模糊PID的控制算法的得到位移量的偏差纠正，得到精准的位置控制。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。