一种精确控制的自主飞行农药喷洒无人机的制作方法

本发明涉及现代农业技术领域，特别是涉及一种精确控制的自主飞行农药喷洒无人机。

背景技术

目前使用的农药喷洒设备以手动和小型机(电)动喷雾机为主，其中手动施药药械占据了超过90％比例的份额，植保作业投入的劳力多、劳动强度大，施药人员中毒事件时有发生。目前随着现代农业追求产量的目标，国内农药、化肥用量越来越大，人工作业成本高，而且传统方式药物浪费严重，资源有效利用率低下，在有限资源下作物产量和质量难以得到保障，特别是对于大面积多次的施药等作业。同时浪费的药物还会带来严重的水土资源污染、生态系统失衡、农产品品质下降等问题，无法适应现代农业发展的要求。

中国作为农业大国，18亿亩基本农田，每年需要大量的人员从事农业植保作业，而我国每年农药中毒人数有10万之众。同时，农村青壮年劳动力逐渐稀缺，人力成本日益增加，由于农药对人体伤害较大，年轻人不愿意进行农药喷洒。植保无人机可远距离遥控操作，避免了喷洒作业人员暴露于农药的危险，保障了喷洒作业的安全。有专家预计到2020年，中国植保无人机需求量是10万架，无人机植保从业人员需求量是40万人。

无人驾驶小型直升机具有作业高度低，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。另外，电动无人直升机喷洒技术采用喷雾喷洒方式至少可以节约50％的农药使用量，节约90％的用水量，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。

目前无人机的结构具有直升机和多轴飞行器两种，直升机风场稳定，雾化效果好，向下风场大，穿透力强，农药可以打到农作物的根茎部位，抗风性更强。但是一旦发生炸机事故，无人直升机造成的损失可能更大；而且无人直升机价格更高。而多轴飞行器入门门槛低，更容易操作；造价相对便宜。但是多轴飞行器(多旋翼飞行器)抗风性更弱；下旋风场也更弱；如果加大无人机旋翼转速增强风力，则造成风场散乱，风场覆盖范围小，使得农药喷洒不均匀，若加大喷洒面积，把喷杆加长，会导致飞行不稳定，作业难度加大，增加摔机风险。针对目前多轴飞行器的缺点，亟需对飞行器进行改进使农药喷洒的更加精准。

技术实现要素：

本发明提供一种精确控制的自主飞行农药喷洒无人机，通过对无人机的喷洒、航线、喷杆智能调节，有效地降低了风力对农药浓度的影响及监测精度的影响，提高了农药喷洒效率和喷洒效果，降低了设备成本，提高了单次飞行效率。

本发明的技术方案是：

一种精确控制的自主飞行农药喷洒无人机，包括机体1、四个或四个以上旋翼2、起落架3、安装板31、外挂药箱4、控制装置5、电源6；

所述机体1与起落架3一体成型；所述安装板31设置安装孔32；

所述机体1设置拍摄装置5；

所述外挂药箱4包括：外壳41、喷药杆42、微型液泵43、药箱电源44、药箱无线通信模块45、电源插槽46；所述外壳41顶面，设置加药口42，加药口42通过密封盖43密封，所述密封盖43包括超声波测位传感器47以及固定导线48，所述固定导线48一端连接密封盖，另一端插入电源插槽46；所述外壳41顶面四边具有延长边49，所述延长边49设置与安装孔32对应孔；所述延长边49与安装板31通过螺栓491连接；所述微型液泵43、药箱无线通信模块45、微型马达424的导线481插入电源插槽46；

所述外壳41顶面平均散布具透气孔位411；所述外壳41顶面内侧面垂直向下设置若干防涌隔板412；所述外壳41底部设置药液孔413；所述微型液泵43安装在所述外壳41底部，并且所述微型液泵43输入端插入所述药液孔413，并密封；

所述喷药杆42包括：固定节421、伸缩节422、喷药头423、微型马达424、旋转头425、固定杆426；所述喷药杆42通过固定节421的固定杆426固定安装在所述外挂药箱4底部，中间部位具有开孔427，所述微型液泵43输出端通过软管428与所述开孔427连接，并密封；其中伸缩节422插入固定节421，并且插入端通过弹性材料429与固定节421密封连接；所述伸缩节422外露端，与喷药头423连接；所述固定节421两端对称插入一个伸缩节422；所述固定节421两端固定安装微型马达424，所述微型马达424前端安装旋转头425；所述伸缩节422靠近马达面具有螺旋纹430；所述旋转头425与螺旋纹430匹配；

所述控制装置5，包括：处理器51、陀螺仪52、加速度传感器53、高度计54、电子罗盘55、gps56、主控无线通信模块57；所述控制装置5中元器件集成在电路板实现功能；所述处理器51通过加速度传感器53数据计算pwm喷洒控制，通过所述陀螺仪52、高度计54数据计算喷药杆伸缩节伸缩量；通过所述电子罗盘55、gps56进行导航；所述主控无线通信模块57具备控制通信和图像传输通信协议；所述处理器51通过超声波测位传感器47判断外挂药箱4的药液高度计算剩余农药。

优选的，所述防涌隔板412还可设置在底部，向上延伸，底部位置开孔流通；

优选的，所述拍摄装置5，通过所述主控无线通信模块57传输给地面接收端。

优选的，所述高度计54可选超声波高度计或者气压高度计；所述气压高度计采用ms5611芯片；

优选的，所述陀螺仪52选用l3gd20h16bit芯片；

优选的，所述加速度传感器53选用lsm303d14bit芯片；

优选的，所述电子罗盘55采用hmc5843芯片；

优选的，所述机体1框架与起落架3采用碳纤维材料；

优选的，所述外挂药箱4为长方体或圆柱体，所述外挂药箱4制作材料为工程塑料；

优选的，所述防涌隔板412高度为所述外挂药箱4高度的5/6。

一种使用上述精确控制的自主飞行农药喷洒无人机的植保方法，包括以下步骤：

1设置参数，由无人机在满载情况下上升至预设高度，确定当前环境参数，包括喷洒宽度、喷洒范围、喷洒高度、gps初始坐标、当前风力速度、偏移角度，并根据环境参数计算飞行初始值；所述处理器根据拍摄装置的拍摄图像，确定喷洒宽度，并根据喷洒宽度、喷洒范围和gps坐标，自动进行路径规划后进行喷洒；

2动态调节喷洒作业：无人机由初始值开始进行喷洒作业，并实时采集环境数据，所述处理器根据所述环境数据进行综合动态调节：包括：

2.1根据偏移角度所述处理器计算伸缩量，所述伸缩量计算公式如下：

伸缩量＝伸缩节长度*cosa+b，其中a为偏移角度，b为风速经验值；

b＝当前风速/返航风速*伸缩节长度*0.2；

所述微型马达根据所述处理器计算结果启动，旋转头带动伸缩节螺旋纹，伸缩节向内或向外移动；并且两侧伸缩节同时同方向移动；

2.2判断当前风力速度是否大于第一阈值，若否，则不响应，若是，则处理器计算pwm喷洒信号，控制调节微型液泵转速以增加输液量；判断预设时间内风力变化值是否大于返航风速，若否，则不响应，若是，则返航；

3所述处理器检测药液量、电池的电量、电源的电量计算可飞行距离；若药液量不足，返航；若可飞行距离小于当前位置与gps初始坐标之间距离，则关闭除控制通信之外所有功能，并记录当前gps坐标，返航。

本发明的有益效果：本发明使用多旋翼无人机进行农药喷洒，代替了人工作业，既避免人员操作的危险性，同时大大减少人工使用率，节省了成本；所使用多旋翼无人机能够通过多旋翼风力翻动作物叶片，风场稳定，雾化效果好，向下风场大，穿透力强；本发明的多旋翼无人机通过对药液流出量和喷药杆的微型马达进行pwm控制，精确控制喷药量，抗风能力更强，能够精确定位药液喷洒位置，减少风力对药液的损耗，提高使用效率。

附图说明

图1是本发明的整体示意图；

图2是本发明外挂药箱示意图；

图3是本发明外挂药箱俯视图；

图4是本发明喷药杆示意图；

图5是本发明控制装置工作模式；

图6是本发明植保方法工作流程。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

参阅图1所示，本发明实施例提供一种精确控制的自主飞行农药喷洒无人机，包括机体1、四个或四个以上旋翼2、起落架3、安装板31、外挂药箱4、控制装置5、电源6；

所述机体1与起落架3一体成型；所述安装板31设置安装孔32；

所述机体1设置拍摄装置5；

所述外挂药箱4包括：外壳41、喷药杆42、微型液泵43、药箱电源44、药箱无线通信模块45、电源插槽46；所述外壳41顶面，设置加药口42，加药口42通过密封盖43密封，所述密封盖43包括超声波测位传感器47以及固定导线48，所述固定导线48一端连接密封盖，另一端插入电源插槽46；所述外壳41顶面四边具有延长边49，所述延长边49设置与安装孔32对应孔；所述延长边49与安装板31通过螺栓491连接；所述微型液泵43、药箱无线通信模块45、微型马达424的导线481插入电源插槽46；

所述外壳41顶面平均散布具透气孔位411；所述外壳41顶面内侧面垂直向下设置若干防涌隔板412；所述外壳41底部设置药液孔413；所述微型液泵43安装在所述外壳41底部，并且所述微型液泵43输入端插入所述药液孔413，并密封；

所述喷药杆42包括：固定节421、伸缩节422、喷药头423、微型马达424、旋转头425、固定杆426；所述喷药杆42通过固定节421的固定杆426固定安装在所述外挂药箱4底部，中间部位具有开孔427，所述微型液泵43输出端通过软管428与所述开孔427连接，并密封；其中伸缩节422插入固定节421，并且插入端通过弹性材料429与固定节421密封连接；所述伸缩节422外露端，与喷药头423连接；所述固定节421两端对称插入一个伸缩节422；所述固定节421两端固定安装微型马达424，所述微型马达424前端安装旋转头425；所述伸缩节422靠近马达面具有螺旋纹430；所述旋转头425与螺旋纹430匹配；

所述控制装置5，包括：处理器51、陀螺仪52、加速度传感器53、高度计54、电子罗盘55、gps56、主控无线通信模块57；所述控制装置5中元器件集成在电路板实现功能；所述处理器51通过加速度传感器53数据计算pwm喷洒控制，通过所述陀螺仪52、高度计54数据计算喷药杆伸缩节伸缩量；通过所述电子罗盘55、gps56进行导航；所述主控无线通信模块57具备控制通信和图像传输通信协议；所述处理器51通过超声波测位传感器47判断外挂药箱4的药液高度计算剩余农药。

多旋翼飞行器是由多组动力系统组成的飞行平台，由四个及以上的旋翼组构成，各旋翼处于同一水平面，且各个旋翼的结构和半径都相同，各个旋翼动力也相同，通过调节相对应方向的电机的转速来改变旋翼转速，实现相应方向的升力变化。当各个旋翼转速相等、各个旋翼产生的升力之和等于飞行器自身重力时，飞行器即处于悬停状态；当旋翼产生的升力之和大于飞行器自身重量时，飞行器即处于上升状态。

结构框架部件采用碳纤维材料，质量比金属铝轻，强度比钢铁的强度要高，并且耐腐蚀。连接件采用金属材料，保证各部件的连接稳定可靠。

药箱的主要作用用来存放药液，除此之外，药箱作为一个附有载重的载体也能够起到一定的配重作用，用来平衡整个无人机整体的重量分布。由于无人机的姿态平衡通过调节旋翼转速实现升力变化来实现，当无人机出现整体的重量分布不均匀的情况时，飞行器一侧过重，另一侧过轻，由于重力的作用，无人机整体会向重量较重的一侧倾斜，从而发生偏航。为了修正飞行器的姿态和航线，就必须提高负重一侧电动机的转速，增加升力使飞行器平衡。因此，负重侧的电动机长期处于高转速的运行状态中，相比其他电动机，零部件磨损较大，使用寿命相对其他的电动机也会大大缩减，从而增加了无人机的后期维护成本，影响无人机的整体使用寿命。所以，药箱作为主要载重物，其安装位置必须放在无人机整体重心处，使飞行器各个电机负载相同，确保无人机整体的可靠运行。

为了方便安装和固定，药箱设计为长方体，使用工程塑料加工而成，药箱顶部开有一个加药口，使用密封盖子旋紧密封主加药口。同时，药箱顶部还设计了透气孔，用于平衡药箱内外大气压力，保证液泵抽液流量的稳定性，确保药液喷洒的均匀度

具体而言，所述防涌隔板412还可设置在底部，向上延伸，底部位置开孔流通；

具体而言，所述拍摄装置5，通过所述主控无线通信模块57传输给地面接收端。

具体而言，所述高度计54可选超声波高度计或者气压高度计；所述气压高度计采用ms5611芯片；

具体而言，所述陀螺仪52选用l3gd20h16bit芯片；

具体而言，所述加速度传感器53选用lsm303d14bit芯片；

具体而言，所述电子罗盘55采用hmc5843芯片；

具体而言，所述机体1框架与起落架3采用碳纤维材料；

具体而言，所述外挂药箱4为长方体或圆柱体，所述外挂药箱4制作材料为工程塑料；

具体而言，所述防涌隔板412高度为所述外挂药箱4高度的5/6。

无人机的动力直接来源于高速旋转的旋翼，旋翼则由电机来驱动，由电机旋转带动旋翼转动，从而产生向上的升力。之所以选择电动机，是因为相对与油动内燃式发动机，使用电机更加的方便高效，电动机不需要前期的发动机活塞及齿轮磨合，后期的保养和维护也更加便捷。同时，电动机调速的反应时间比油动内燃机要短，调速反应效果更好，使得无人机的自身姿态调整和飞行操作更加稳定高效。

多旋翼无人机飞行控制系统的硬件对飞机整体运行效果非常重要，是无人机飞行控制的核心，直接影响着无人机整体操作和飞行效果。控制系统主要由：运算器(处理器)、传感器构成。

运算器：控制系统中传感器测出得的数据都由运算器采集和并进行运算分析，根据策略确定输出控制信号。本发明采用的是stm32f427处理器芯片，是一个采用armcortex-m4内核的32位处理器。它的主频最高可达到168mhz，拥有256kb的内存，运算能力十分优秀，能够满足控制系统的快速型和可靠性要求。

传感器：传感器主要用于无人机姿态感应和测算，主要有陀螺仪、加速度传感器、气压计和电子磁罗盘。陀螺仪选用l3gd20h16bit芯片，加速度传感器选用lsm303d14bit加速度/磁场芯片。传感器芯片通过spi接口和主运算芯片进行通信，电子罗盘采用hmc5843芯片，可以灵敏地探测到微小的磁场强度变化，利用地磁校正无人机方向。气压传感器采用ms5611芯片，芯片构成的继承电路通过探测不同海拔高度的不同气压值来计算高度值，传感器测量精度可达到0.1m。集成芯片具有较高的抗干扰性能，它能有效地保证无人机在喷洒农药时对飞行高度的有效锁定，防止漂移现象的发生。

无人机在飞行过程中，旋翼的转速很高，满载后重量也较大，此时靠近满载运行的无人机对人是有一定的危险性的，采用有线通信和控制也会造成不便，而且具有一定的危险性。所以，要保证无人机在人不可靠近的情况下又能够被控制飞行的速度和高度及喷洒作业，就必须采用无线通信和控制技术。

本发明采用xbee技术实现与无人机的通讯，xbee是zigbee模块的一种，可用于远距离低功耗通信传输，通信信号调制方式为脉冲位置调制(ppm)方式。经过功率放大器放大后，有效传输距离1000米左右，能够保证无人机的飞行控制和喷洒作业的通信稳定性。

液泵要提供足够的泵水压力，无人机的载重有限，要求液泵的重量和体积尽可能的小。本发明选用是一款微型直流隔膜电动水泵，由直流电力驱动，其额定电压为12v，额定电流1.2～2a，额定功率20w，压力范围为0～0.6mpa，最大流量3.5l/min。由于采用直流电供电工作，可通过pwm调制信号控制直流电动液泵电动机负载端的输入电压，调节液泵中心电动机的转速，改变泵出药液流量的大小。液泵由工程塑料加工而成，可通过螺丝孔固定到无人机。药喷杆在整个喷洒系统中的主要作用是连接液泵输出的软管并固定喷头，由于考虑到不同农作物在田地中的种植间隔距离不同，药喷杆设计成可伸缩结构，便于调整喷头的水平安装位置，可根据不同的农作物行距来调节喷头之间的距离，通过螺丝或者扎带固定到液箱底部。

一种使用上述精确控制的自主飞行农药喷洒无人机的植保方法，包括以下步骤：

(1)设置参数，由无人机在满载情况下上升至预设高度，确定当前环境参数，包括喷洒宽度、喷洒范围、喷洒高度、gps初始坐标、当前风力速度、偏移角度，并根据环境参数计算飞行初始值；所述处理器根据拍摄装置的拍摄图像，确定喷洒宽度，并根据喷洒宽度、喷洒范围和gps坐标，自动进行路径规划后进行喷洒；

(2)动态调节喷洒作业：无人机由初始值开始进行喷洒作业，并实时采集环境数据，所述处理器根据所述环境数据进行综合动态调节：包括：

(2.1)根据偏移角度所述处理器计算伸缩量，所述伸缩量计算公式如下：

伸缩量＝伸缩节长度*cos(a)+b，其中a为偏移角度，b为风速经验值；

b＝(当前风速/返航风速)*伸缩节长度*0.2；

所述微型马达根据所述处理器计算结果启动，旋转头带动伸缩节螺旋纹，伸缩节向内或向外移动；并且两侧伸缩节同时同方向移动；

(2.2)判断当前风力速度是否大于第一阈值，若否，则不响应，若是，则处理器计算pwm喷洒信号，控制调节微型液泵转速以增加输液量；判断预设时间内风力变化值是否大于返航风速，若否，则不响应，若是，则返航；

(3)所述处理器检测药液量、电池的电量、电源的电量计算可飞行距离；若药液量不足，返航；若可飞行距离小于当前位置与gps初始坐标之间距离，则关闭除控制通信之外所有功能，并记录当前gps坐标，返航。

操作过程，打开监测模块的电源开关，规划航线，模块正常工作，然后控制无人机飞行到所需检测的位置，按照航线飞行，通过图传监测现场的工作状态。

使用上述植保方法进行农药喷洒，各情况下数据计算结果如表1所示：

表1计算结果

其中，喷洒精度＝((∑i个喷洒采样点坐标/i)-初始采样点坐标)/初始采样点坐标，其中初始采样点坐标为无风时喷洒坐标。

由上述计算结果，本发明具有明显的优势，通过加入经验值的调节，进一步精确喷洒精确度。

本发明具有以下技术优势：1.现有的锂电池密度提高，在同等重量情况下，电池容量有效提高，因此，无人机和药箱设置单独的电源，在不增加过多重量情况下，增强了电力供应，续航时间和药液喷洒时间有效提升；

2.通过对收缩杆的调节，精确的控制了喷洒的范围，尤其是加入风速经验值的调节，更加精准的进行喷洒，有效利用了农药等资源，提升喷洒效果；

3.利用无人机多旋翼的风速，翻动作物叶茎，提升了作物吸收率。

本发明相对传统植保方式或单纯的植保无人机方式而言，喷洒定位更加精准，按需喷施农药或者水剂化肥等，从而提高植保系统的精准性，减少农作物农药残留，提高利用率，不需人工作业，避免操作人员中毒风险，节能环保。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。