一种飞行过程中定量喷洒的控制方法以及控制装置与流程

本发明属于航空喷洒作业技术领域，特别是指搭载喷洒泵的无人机的飞行喷洒控制，具体涉及一种飞行过程中定量喷洒的控制方法以及控制装置。

背景技术：

随着农业现代化的发展，飞行器已经被广泛的应用于农药喷洒中，以提高向农作物喷洒农药的效率；而飞行器在喷洒农药时，其农药喷洒的均匀性对农作物的成长有着重要的影响。植保无人机作为一种新型农业植保设备，它主要由无人机携带喷洒设备组成，应用于对农田、林地和城市绿化地的农药植保喷洒任务。

植保无人机喷洒设备的工作方式直接影响到农药喷洒的最终效果。目前，农业植保无人机的喷洒系统基本上是控制喷头的开启和关闭，在飞行过程中保持一个恒定的喷洒速度进行作业。由于农业植保无人机在施药过程中受操控手人为操纵的影响，一成不变的农药喷洒速度无法保证农药雾滴在作物上的有效附着量和均匀分布率，进而影响施药的效果。

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，发生过度喷洒和开量不足的情况。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。

目前也存在一些控制方案，这些现有的控制方案主要包括：1)水泵的开量通过人为操控遥控器等输入设备输入；2)控制水泵的开量和飞行器的速度形成线性关系。上述第1)种方案的缺陷在于，用户体验较差，容易造成过喷和漏喷，喷洒效果较差，体现不了农业植保的“人性化”和“智能化”；第2)种方案的缺陷在于，不同的水泵(包括水泵的类型、工作功率等不同)的喷洒效果不一致。

技术实现要素：

针对现有技术存在的技术缺陷，根据本发明的一个方面，提供一种飞行过程中定量喷洒的控制方法，其用于装载喷洒泵的飞行器的喷洒控制，包括如下步骤：

a.确定所述喷洒泵在单位面积b的单位面积喷洒量a；

b.基于所述喷洒泵的单位面积b和单位面积喷洒量a以及所述飞行器的实时飞行速度v和喷幅l设定所述喷洒泵的预期开量s；

c.采集所述喷洒泵的实时开量；

d.基于所述实时开量校准所述喷洒泵以达到所述预期开量。

优选地，所述预期开量基于如下公式获得：s＝(3a/2b)*l*v。

优选地，所述步骤a包括以下步骤：

a1.调取所述飞行器的历史飞行距离以及所述喷洒泵的历史喷洒量；

a2.基于所述历史飞行距离以及所述历史喷洒量确定单位距离喷洒量；

a3.基于所述飞行器的预期飞行轨迹以及所述单位距离喷洒量确定所述单位面积喷洒量。

优选地，所述步骤a1包括如下步骤：

a11.所述飞行器搜索地面的标识信息，基于所述标识信息调取所述飞行器的历史飞行距离以及所述喷洒泵的历史喷洒量。

优选地，所述步骤a中，由用户自行确定所述喷洒泵在单位面积b的单位面积喷洒量a。

优选地，所述步骤d包括如下步骤：

d1.计算所述实时开量与所述预期开量的数据差；

d2.基于所述数据差调整所述喷洒泵的输出功率。

根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述步骤d2包括如下步骤：

d21.获取所述飞行器向所述喷洒泵的实时输出电压，所述实时输出电压与所述实时开量相对应；

d22.基于所述数据差确定所述喷洒泵的补偿输出电压并计算所述实时输出电压和所述补偿输出电压的和得到预期输出电压；

d23.向所述喷洒泵输出预期输出电压。

根据本发明的另一方面，还提供一种飞行过程中定量喷洒的控制装置，其用于执行前述任一项所述的控制方法，包括：

第一确定装置，其用于确定所述喷洒泵的单位面积b和单位面积喷洒量a；

设定装置，其用于基于所述喷洒泵的单位面积b和单位面积喷洒量a以及所述飞行器的实时飞行速度v和喷幅l设定所述喷洒泵的预期开量s；

采集装置，其用于采集所述喷洒泵的实时开量；

校准装置，其用于基于所述实时开量校准所述喷洒泵以达到所述预期开量。

优选地，所述第一确定装置包括：

搜索装置，其用于搜索地面的标识信息；

调取装置，其用于基于所述标识信息调取所述飞行器的历史飞行距离以及所述喷洒泵的历史喷洒量；

第二确定装置，其用于基于所述历史飞行距离以及所述历史喷洒量确定单位距离喷洒量；

第三确定装置，其用于基于所述飞行器的预期飞行轨迹以及所述单位距离喷洒量确定所述单位面积喷洒量。

优选地，所述第一确定装置包括用户交互装置，所述用户交互装置用于用户自行确定所述喷洒泵在单位面积b的单位面积喷洒量a。

根据权利要求7所述的控制装置，其特征在于，所述校准装置包括：

第一运算装置，其用于计算所述实时开量与所述预期开量的数据差；

调整装置，其用于基于所述数据差调整所述喷洒泵的输出功率。

优选地，所述调整装置包括：

获取装置，其用于获取所述飞行器向所述喷洒泵的实时输出电压，所述实时输出电压与所述实时开量相对应；

第四确定装置，其用于基于所述数据差确定所述喷洒泵的补偿输出电压；

第二运算装置，其用于计算所述实时输出电压和所述补偿输出电压的和得到预期输出电压；

输出装置，其用于向所述喷洒泵输出预期输出电压。

本发明通过设定预期开量并采集实时开量，在此基础上对喷洒泵进行校准，达到定量喷洒的功能，实现了均匀、精确、精准的喷洒模式，而且不受水泵类型、工作功率等的限制。同时，通过用户自行确定所述喷洒泵在单位面积的单位面积喷洒量，增强了用户使用体验，对于不同农作物和不同药液特性也能兼容，拓展性较强。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1示出了本发明的第一具体实施方式的，一种飞行过程中定量喷洒的控制方法的流程图；

图2示出了本发明的第一实施例的，又一种飞行过程中定量喷洒的控制方法的流程图；

图3示出了本发明的第二实施例的，又一种飞行过程中定量喷洒的控制方法的流程图；

图4示出了本发明的一个实施例的，基于数据差调整喷洒泵的输出功率的流程图；

图5示出了本发明的第二具体实施方式的，一种飞行过程中定量喷洒的控制装置的功能模块图；

图6示出了本发明的一个实施例的，一种飞行过程中定量喷洒的控制装置的功能模块图；以及

图7示出了本发明的一个实施例的，一种飞行过程中定量喷洒的控制装置的功能模块图。

具体实施方式

旋翼类无人机在农业植保领域的应用较为广泛，进一步细分又可以分为单旋翼和多旋翼农业植保无人机。单旋翼农业植保无人机通常采用航空燃油动力的发动机，起飞时同时携带无人机燃料和农业植保化学制剂，在有限的飞行时间内完成农业植保任务。多旋翼农业植保无人机常采用电机为旋翼提供扭矩，起飞时需要携带大容量电池和农业植保化学制剂。

当前主流的植保无人机通常采用无线遥控的方式来实施控制，也就是说，操作人员往往是通过某种无线通信方式，远程控制无人飞行器在一块特定面积的田地范围内完成作业，现有的无人飞行器为了完成植保任务，需要在飞行器上设置用于向药液提供压力，将其喷洒而出的压力装置，或者是安装利用离心力甩出药液的离心装置。例如，专利cn104512551a公开的一种无人飞行器洒药装置包括飞行器本体、载物车以及固定装载在所述载物车上的盛药桶、药液输送组件以及蓄电池，所述飞行器本体上挂载有药液喷洒器，所述药液输送组件包括输药软管、药液传送泵以及自动卷管器，所述盛药桶底部设有排液管，所述排液管连接至所述药液传送泵的进液口，所述输药软管盘绕在所述自动卷管器上，且所述输药软管的两端可分别连接在所述药液传送泵的泵液出口与药液喷洒器上，所述蓄电池分别为所述飞行器本体以及药液传送泵供电，所述蓄电池与所述飞行器本体之间可拆卸的电连接有柔性的电源连接线。

图1示出了一种飞行过程中定量喷洒的控制方法，其用于装载喷洒泵的飞行器的喷洒控制，包括如下步骤：

首先执行步骤s101，确定所述喷洒泵在单位面积b的单位面积喷洒量a。具体地，所述单位面积以及所述单位面积喷洒量具有对应关系，所述单位面积可以是平方米、亩、公顷等，所述单位面积喷洒量相应为升/平方米、升/亩、升/公顷等。更为具体地，所述单位面积喷洒量可以是经验数据，也可以人为设定数据，例如，对于某一特定面积的田地，如果该田地曾多次喷洒某一特定的药液，那么即可以通过历史数据得到一个较为客观的单位面积喷洒量，优选地，飞行器每次使用该药液喷洒该田地时还对总喷洒面积和总开量进行记录，基于这些记录可以计算出单位面积喷洒量。又例如，之前尚未执行过喷洒工作，那么单位面积喷洒量则较为主观，即用户根据农业常识以及飞行器喷洒所可能产生的损耗确定相应的单位面积喷洒量。又例如，用户还可以结合以上两种方式确定单位面积喷洒量。

进一步地，执行步骤s102，基于所述喷洒泵的单位面积b和单位面积喷洒量a以及所述飞行器的实时飞行速度v和喷幅l设定所述喷洒泵的预期开量s。具体地，在实际的使用过程中，确定了飞行器的飞行距离后，通过飞行速度可以确定飞行器所花费的飞行时间，结合飞行时间和喷洒泵的开量可以确定喷出的总药液量，结合喷幅和飞行距离还可以确定总喷洒面积，这时，所述飞行器的阶段性工作成果予以确定，即，总药液量和总喷洒面积。

进一步地，本步骤的目的在于工作成果还未形成前，首先确定一个预期开量，即，根据预期开量可以更好地完成工作成果，为此，基于以上的确定工作成果的原理，我们首先可以先设定一个理想的工作成果，即，确定所述喷洒泵的单位面积b和单位面积喷洒量a，然后，飞行器的喷幅是一定的，飞行器的当前飞行速度可以通过传感器实时采集，确定以上要素后，即可以得到一个喷洒泵的预期开量。

本领域技术人员理解，步骤s102所确定的预期开量的准确性与单位面积喷洒量的准确性以及当前飞行速度的准确性直接相关，而单位面积喷洒量的准确性可以通过事先的精心运算得到控制，飞行速度的准确性可以通过传感器的精准性得到控制，因此，通过本步骤的方式得到的预期开量的准确性可以得到很好地控制，而现有技术中，要么采用一个特定的喷洒模式完成，要么依靠用户的随机性操作控制，即，现有技术并不能很好地控制喷洒泵的开量。优选地，所述预期开量基于如下公式获得：s＝(3a/2b)*l*v。

进一步地，执行步骤s103，采集所述喷洒泵的实时开量。具体的，可以通过在所述飞行器上增设一个流量计，并通过配套的采集装置实现步骤s103。所述流量计可以是转子流量计、电磁流量计或者超声波流量计，所述采集装置能够将所述流量计采集到的信号转化为数据格式的实时开量。

进一步地，执行步骤s104，基于所述实时开量校准所述喷洒泵以达到所述预期开量。具体地，所述采集装置能够将采集到的所述喷洒泵的实时开量发送到校准装置或者控制器，所述校准装置或者控制器基于所述实时开量与所述预期开量的区别进行校准。本领域技术人员理解，要完成校准步骤，至少需要一个待校准数据以及一个目标数据，本步骤中，所述实时开量即作为待校准数据，所述预期开量即作为所述目标数据。更为具体地，完成校准步骤可以通过两种方式：第一种方式为，确定所述实时开量与所述预期开量的差值，并基于该差值对所述喷洒泵的输出功率进行补偿；第二种方式为，根据所述实时开量对应的输出功率确定所述喷洒泵的单位输出功率，基于所述单位输出功率确定所述预期开量对应的输出功率，直接将所述喷洒泵的输出功率切换为所述预期开量对应的输出功率。本领域技术人员理解，相比于第二种方式，使用第一种方式校准时，喷洒泵输出功率的转换较为平缓，不仅可以延长喷洒泵的使用寿命，还可以使药液的喷出速度更为均匀。

作为本发明的第一实施例，图2示出了另一种飞行过程中定量喷洒的控制方法的流程图，包括如下步骤：

首先执行步骤s201，调取所述飞行器的历史飞行距离以及所述喷洒泵的历史喷洒量。具体地，所述飞行器在每次执行工作任务的过程中，可以使用流量计记录每次的飞行距离以及每次的喷洒量，并且所述飞行距离以及所述喷洒量会逐渐累加并最终形成历史飞行距离以及历史喷洒量。本领域技术人员理解，虽然喷洒量与所述飞行器的喷幅、飞行速度以及喷洒泵开量有关，但本步骤只是调取两个概括性的数据，包括历史飞行距离和历史喷洒量，所述历史飞行距离和历史喷洒量能够总体反应所述飞行器完成工作任务的情况。优选地，所述历史飞行距离和历史喷洒量是针对某一特定的田地而言的，例如，每个田地设置有专门的标识信息，所述飞行器通过识别特定的标识信息确定对应的田地，然后基于所述标识信息调取对应的历史飞行距离以及历史喷洒量。又例如，可以针对不同的田地和不同的药液品种建立独立的数据库，用户在开始执行任务前，直接选择对应数据库中的历史飞行距离和历史喷洒量。

进一步地，执行步骤s202，基于所述历史飞行距离以及所述历史喷洒量确定单位距离喷洒量。结合步骤s201所述，本实施例的目的即在于：更为客观、准确的反映的针对某一特定田地的工作成果。相应地，本步骤中，并非局限于某一个特定时间点或者时间段，而是基于历史工作成果得到一个平均化的数据，即，单位距离喷洒量，所述单位距离喷洒量作为一个综合化的客观数据反映所述飞行器在特定田地上空执行喷洒任务时的工作效率。

进一步地，执行步骤s203，基于所述飞行器的预期飞行轨迹以及所述单位距离喷洒量确定所述单位面积喷洒量。本领域技术人员理解，所述飞行器在执行喷洒任务前，用户可以设定预期飞行轨迹，或者所述飞行器可以根据起始地与目的地自动生成预期飞行轨迹，无论采用何种方式，所述预期飞行轨迹一旦确定，所述飞行器的飞行距离即确定，之后结合所述单位距离喷洒量即可以确定所述飞行器完成该次喷洒任务的总喷洒量，而该次喷洒任务对应某一特定面积的田地，实际上，总喷洒量即相当于单位面积喷洒量，单位面积喷洒量对应的单位面积即相当于田地的面积，本领域技术人员可以结合步骤s101进一步理解。

进一步地，执行步骤s204，基于所述喷洒泵的单位面积b和单位面积喷洒量a以及所述飞行器的实时飞行速度v和喷幅l设定所述喷洒泵的预期开量s。之后，执行步骤s205，采集所述喷洒泵的实时开量。之后，执行步骤s206，基于所述实时开量校准所述喷洒泵以达到所述预期开量。本领域技术人员可以结合步骤s102、s103、s104理解上述步骤，在此不予赘述。

作为本发明的第二实施例，图3示出了另一种飞行过程中定量喷洒的控制方法的流程图，包括如下步骤：

执行步骤s301，确定所述喷洒泵在单位面积b的单位面积喷洒量a。具体地，本步骤可以结合步骤s101以及步骤s201至步骤s203理解。

执行步骤s302，基于所述喷洒泵的单位面积b和单位面积喷洒量a以及所述飞行器的实时飞行速度v和喷幅l设定所述喷洒泵的预期开量s，具体地，本步骤可以结合步骤s102理解。

执行步骤s303，采集所述喷洒泵的实时开量。具体地，本步骤可以结合步骤s103理解。

执行步骤s304，计算所述实时开量与所述预期开量的数据差。具体地，结合步骤s104的描述，例如，所述实时开量与所述预期开量以二进制的数据格式存在，校准装置或者控制器基于二进制减法运算的原理完成本步骤的运算。在此基础上执行步骤s305，基于所述数据差调整所述喷洒泵的输出功率，具体地，校准装置或者控制器可以采用pwm控制方式基于所述数据差调整所述喷洒泵的输出功率，相应地，如果所述数据差为正值，则增大所述喷洒泵的输出功率，如果所述数据差为负值，则减小所述喷洒泵的输出功率。

作为一种变化，所述步骤s305通过如下步骤实现：

执行步骤s3051，获取所述飞行器向所述喷洒泵的实时输出电压，所述实时输出电压与所述实时开量相对应。本领域技术人员理解，在植保无人机喷洒药液的过程中，对于喷洒量的控制是一个方面的考量因素，同时，实时调整水泵开量的响应速度也是一个重要的考量因素。在实际的应用中，可以建立喷洒泵开量(单位通常是毫升/秒)与输出电压的对照数据库，校准装置或者控制器可以随时读取对照数据库中的内容确定所述实时开量对应的实施输出电压。

进一步地，执行步骤s3052，基于所述数据差确定所述喷洒泵的补偿输出电压并计算所述实时输出电压和所述补偿输出电压的和得到预期输出电压。具体地，所述步骤s3051中的对照数据库的格式可以为：一个单位的水泵开量对应一个单位的输出电压(通常为毫伏)，相应地，只要确定了所述数据差，即可通过对照数据库确定所述数据差对应的补偿输出电压，之后即可以计算得到所述预期输出电压。

进一步地，执行步骤s3053，向所述喷洒泵输出预期输出电压。具体地，获得预期输出电压后，可以通过校准装置或者控制器调整向所述喷洒泵输出的电压值，例如，所述校准装置或者所述控制器通过模拟电路实现对喷洒泵的输出电压的控制，所述模拟电路中可以设置可调电阻，通过调节可调电阻的阻值即可实现输出电压的调整。

作为本发明的第二具体实施方式，还提供一种飞行过程中定量喷洒的控制装置，本领域技术人员理解，本发明较多的应用在多旋翼农业植保无人机，所述控制装置可以是植保无人机上的一个独立的控制装置，可以是集成在飞行控制器的一个控制装置。具体地，所述控制器的的控制功能的实现可以是硬件、由处理器执行的软件或者二者的组合。如果通过软件模块实现，可将预先的程序烧录到所述控制器的存储模块中，或者将软件安装到预置的系统中；如果通过硬件实现，则可利用现场可编程门阵列(fpga)将对应的功能固定化实现。

进一步地，所述存储模块可以是ram存储器、闪存、rom存储器、eprom存储器、硬盘、或本领域已知的任何其他形式的存储介质。通过将所述存储介质耦接至处理器，从而使所述处理器能够从所述存储介质中读取信息，并且可以向所述存储介质写入信息。作为一种变化，所述存储介质可以是处理器的组成部分，或者所述处理器和所述存储介质均位于专用集成电路(asic)上。

进一步地，所述硬件可以是能够实现具体功能的通用处理器、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)或其他可编程逻辑器件、分立门或晶体管逻辑器件、分立硬件组件或以上这些硬件的组合。作为一种变化，还可以通过计算设备的组合实现，例如，dsp和微处理器的组合、多个微处理器的组合、与dsp通信结合的一个或者多个微处理器的组合等。

进一步地，如图4所示，所述控制装置包括如下装置：

第一确定装置10，其用于确定所述喷洒泵的单位面积b和单位面积喷洒量a。设定装置20，其用于基于所述喷洒泵的单位面积b和单位面积喷洒量a以及所述飞行器的实时飞行速度v和喷幅l设定所述喷洒泵的预期开量s。采集装置40，其用于采集所述喷洒泵的实时开量。校准装置30，其用于基于所述实时开量校准所述喷洒泵以达到所述预期开量。具体地，所述第一确定装置10确定了所述喷洒泵的单位面积b和单位面积喷洒量a之后，将所述喷洒泵的单位面积b和单位面积喷洒量a发送至所述设定装置20，所述设定装置20还接收传感器50发送的所述飞行器的实时飞行速度v和喷幅l，所述设定装置20设定所述预期开量s后，将所述预期开量s发送至所述校准装置30，同时，采集装置40将所述喷洒泵的实时开量也发送至所述校准装置30，所述校准装置30基于所述实时开量校准所述喷洒泵以达到所述预期开量，各装置具体功能的实现可以结合前述关于飞行过程中定量喷洒的控制方法的内容予以理解。

在一个优选实施例中，如图5所示，所述第一确定装置10包括：搜索装置101，其用于搜索地面的标识信息；调取装置102，其用于基于所述标识信息调取所述飞行器的历史飞行距离以及所述喷洒泵的历史喷洒量；第二确定装置103，其用于基于所述历史飞行距离以及所述历史喷洒量确定单位距离喷洒量；第三确定装置104，其用于基于所述飞行器的预期飞行轨迹以及所述单位距离喷洒量确定所述单位面积喷洒量。具体地，所述搜索装置101搜索到地面的标识信息后将所述标识信息发送至所述调取装置102，所述调取装置102基于所述标识信息确定与之对应的田地，进而调取飞行器在该田地上执行喷洒任务的历史飞行距离以及历史喷洒量，所述调取装置102将所述历史飞行距离以及历史喷洒量发送至所述第二确定装置103后，所述第二确定装置103确定单位距离喷洒量，之后第二确定装置103将单位距离喷洒量发送至所述第三确定装置104，所述第三确定装置104接收到飞行控制器发送的预期飞行轨迹确定单位面积喷洒量。本领域技术人员理解，在本实施例中，所述第三确定装置104与所述设定装置20与所述设定装置20发生交互。各装置具体功能的实现可以结合前述关于飞行过程中定量喷洒的控制方法的内容予以理解。

进一步地，所述校准装置30包括：第一运算装置401，其用于计算所述实时开量与所述预期开量的数据差；调整装置，其用于基于所述数据差调整所述喷洒泵的输出功率。本领域技术人员理解，所述第一运算装置401与所述设定装置20以及所述采集装置40发生交互，所述调整装置控制所述喷洒泵。更为具体地，所述调整装置包括：获取装置404，其用于获取所述飞行器向所述喷洒泵的实时输出电压，所述实时输出电压与所述实时开量相对应；第四确定装置402，其用于基于所述数据差确定所述喷洒泵的补偿输出电压；第二运算装置403，其用于计算所述实时输出电压和所述补偿输出电压的和得到预期输出电压；输出装置405，其用于向所述喷洒泵输出预期输出电压。各装置具体功能的实现可以结合前述关于飞行过程中定量喷洒的控制方法的内容予以理解。

作为图5实施例中的一个变化，如图6所示，所述第一确定装置10包括用户交互装置105，所述用户交互装置用于用户自行确定所述喷洒泵在单位面积b的单位面积喷洒量a。具体地，本变化例的不同之处在于，由用户基于其长期的操作经验或者个性化的需要自行设定单位面积b的单位面积喷洒量a。这样用户可根据不同农作物以及不同药物特性实现自定义功能，相应地，所述用户交互装置与所述设定装置20发生交互，之后再配合所述采集装置40以及校准装置30实现本发明得目的。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。