植保无人机药箱液位自动检测、补给系统及药液补给方法与流程

本发明涉及农业信息技术领域，特别涉及一种植保无人机药箱液位自动检测、补给系统及补给方法。

背景技术：

随着精准农业航空的发展，植保无人机在农业、林业生产中的应用越来越广泛。采用植保无人机进行飞防作业可以避免农药危害人体健康，减轻作业人员的负担；可以大大提高农药利用率，减少化肥农药的使用量；可以提高农业生产的效率，提升我国农业现代化水平。

目前植保无人机具有载重相对较小，续航时间短的问题。同时大部分无人机在进行飞防作业时，药箱药液情况还是依靠飞控人员的经验和目测来判断，难免会有不准。所以实时检测、提前预报无人机药箱药液量对提高飞防作业效率具有重要意义。

现有一些混药装置只具有混药功能，不具备数传功能，不能与作业现场的无人机药箱液位信息关联起来，组成局域网，无法做到及时混药，快速补给。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种植保无人机药箱液位自动检测、补给系统及药液补给方法，此系统及方法可实现自动精确测量无人机药箱液位高度，计算植保无人机药箱药液量，建立无人机药箱液位自动检测和混药箱自动混药之间的通信，可及时混药，快速补给，降低时间成本，提高经济效益。

本发明通过以下技术方案实现：植保无人机药箱液位自动检测、补给系统，包括药箱液位检测子系统、无人机飞控子系统、混药子系统；药箱液位检测子系统包括无人机药箱、液位检测模块、数传模块一，该液位检测模块包括微控制器、至少两个超声波传感器、报警装置；其中，超声波传感器、报警装置、数据模块一都与微控制器相连，由微控制器控制药箱液位检测子系统的运行，通过比较超声波传感器检测的无人机药箱的液面高度，判断并发送报警信息；既可以增加系统可靠性；当超声波传感器探测到高度差相差不大时，也可以通过求平均值来提高测量精度；

无人机飞控子系统包括无人机飞控模块、遥控显示模块；

混药子系统包括混药箱、数传模块二；

药箱液位检测子系统的数传模块一分别与无线飞控子系统、数传模块二连接；数传模块一和数传模块二通过无线方式连接。

植保无人机作业时，液位检测模块检测植保无人机药箱液位情况：当药箱药液量低于设定阈值时，液位检测模块将药箱药液报警信息分别发送给无人机飞控子系统和混药子系统，混药子系统接收到报警信息后开始混药作业；无人机飞控子系统接收到液位报警信息之后，自行控制无人机返航或在人工的操纵下返航进行补给。

优选的，所述无人机药箱箱顶设有进药口、出药口以及和传感器数量匹配的检测口；超声波传感器从检测口向无人机药箱内发射超声波检测液位信息。进药口与无人机上加药口的管子相连，通过无人机上的加药口向药箱中加药；出药口与无人机上的药泵的管子相连。

更进一步的，所述无人机药箱箱两侧设有卡槽，和无人机支架两侧安装的卡座配合将无人机药箱固定在无人机底部，当将药箱对准卡槽装上无人机后，检测口正好对准超声波传感器。

更进一步的，所述无人机药箱内部竖直设有隔离板，隔离板上部与无人机药箱顶部固定连接，下部与无人机药箱不接触，使无人机药箱被隔离板隔开成空间一大一小两个区域，并通过底部相互连通，保证液面高度始终一致。

更进一步的，所述无人机药箱空间较小的区域内设有带孔隙的反射板，与药箱内壁和隔离板组成的较小区域的横截尺寸相同，保证反射板与药箱始终接触。通过反射板，既可以降低这一区域药液液面晃动，又可以增强超声波的反射信号。由于药箱左侧区域药液的液面受无人机飞行时带来的震动影响可通过反射板进行衰减，故对其左侧区域的液位进行简单的两点测量，便可以得出较为精确的药箱液位高度。

更进一步的，所述无人机药箱自箱顶向箱内伸入有出药道，药液通过出药道被无人机药泵吸出，无须额外将出药管伸进药箱底部，方便药箱的拆卸。

优选的，数传模块一将药箱液位检测模块检测的低液位报警信息及无人机飞控子系统查询的地面混药箱位置指令发送给混药子系统；并将对应的混药子系统地理位置信息转发给无人机飞控子系统。

所述无人机飞控子系统控制植保无人机飞行，该子系统接收药箱液位检测模块发送的液位数据、报警信息，并将数据发送到遥控显示模块上；同时通过数传模块一向混药子系统发送指令，查询混药箱位置信息。

更进一步的，所述混药箱接收液位检测子系统发送过来的报警信息；对报警信息的分析后自动配药；同时混药箱具有定位功能，接收无人机发送查询混药箱位置信息指令后，自动上报位置信息。

植保无人机药液补给方法，包括如下步骤：

s1、检测无人机药箱液位高度，计算剩余药液量；

s2、将剩余药液量与设定的报警阈值进行比较：

当剩余药液量大于报警阈值时，继续植保作业；

当剩余药液量小于报警阀值时，通过数传模块向混药箱和无人机飞控子系统发送信息，植保无人机继续植保作业；

s3、混药箱接收到信息之后开始混药，植保无人机药箱农药喷洒完成准备返航；

s4、植保无人机通过指令查询、获取混药箱的位置信息；

s5、植保无人机根据混药箱位置信息，规划返航路线降落到混药箱旁边；

s6、混药箱的出药口与无人机药箱的进药口完成对接，开始补给作业；

s7、补给完成，无人机飞回至上一次返航起始点继续进行植保作业。

优选的，所述步骤s1中检测无人机药箱液位高度的方法为：超声波传感器从检测口向无人机药箱内发射超声波探测超声波探头至液面的高度，当两个超声波传感器探测到的高度相差不大时，通过求平均值得出液位高度。

更进一步的，所述通过比较超声波传感器检测的无人机药箱液面高度的具体计算方法为：

式子中：l为药箱液位高度；l0为超声波传感器探头与药箱底部之间的距离；v为超声波在介质中的传播速度；t为超声波往返传播时间；

通过药箱液位高度乘以药箱底部面积即可得到药箱剩余药量。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明通过检测无人机药箱液面反射信号的方式测量无人机药箱液位高度，计算植保无人机药箱药液量，系统可靠性强。

2、本发明通过在药箱内设置反射板，降低该区域药液液面晃动，增强超声波反射信号，进一步提高检测精度。

3、本发明在无人机药箱液位检测子系统和地面混药子系统上安装可组网的数传模块，可以实现一个混药箱与多架无人机间的通信，实现及时混药，快速补给，降低时间成本，提高经济效益。

4、本发明地面混药子系统的定位模块和数传模块可向无人机飞控子系统发送定位和药液数据，无人机据此自动规划飞行航线，实现无人机自主补给药液，子系统之间数传模块的数据传输无需借助基站即可实现局域网内通信。

5、本发明通过补给完成后，无人机飞回至上一次返航起始点，继续作业，减少返航点的喷洒用药量，节约药量，提高农药利用率，减低经济成本。

附图说明

图1为本发明植保无人机药箱液位自动检测、补给系统结构图。

图2为本发明实施例液位检测子系统及飞控子系统与数传模块一接口电路图。

图3为本发明实施例混药子系统与数传模块二通信接口电路图。

图4为本发明实施例植保无人机药箱整体外观结构图。

图5为本发明实施例植保无人机药箱俯视图。

图6为本发明实施例植保无人机药箱图5剖面图a-a。

图7为本发明实施例植保无人机药箱左视图。

图8为本发明实施例植保无人机药箱图7剖面图b-b。

图9为本发明实施例植保无人机及药箱整体示意图。

其中：1—检测口；2—进药口；3—出药口；4—卡槽；5—隔离板；6—反射板；7—出药道；8—孔隙；9—卡座；u15—混药子系统微控制器；u16—数传模块二；u19—数传模块一；u20—sp3485芯片；u21—无人机飞控子系统；u22—液位检测模块微控制器。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图详细描述本发明提供的实施例，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，一种植保无人机药箱液位自动检测、补给系统，包括药箱液位检测子系统、无人机飞控子系统u21、地面混药子系统；药箱液位检测子系统包括无人机药箱、液位检测模块、数传模块一；该液位检测模块包括stm32f103zet6微控制器u22、两个翰西m18超声波传感器、报警指示灯，微控制器搭载在stm32f103zet6最小系统板上，最小系统板包括stm32f103zet6芯片，时钟电路，复位电路，供电电路，jtag调试接口电路。其中供电电路采用lm2596dc-dc直流可调降压稳压电源模块板，本模块主控芯片为lm2596s-adj,该芯片具有良好的稳压性能，可以将12v或24v直流电源稳压到5v供外围电路使用。同时使用ams117—3.3芯片将5v电压转换为3.3v供微控制器使用。超声波传感器、报警指示灯、数据模块一与微控制器相连，由微控制器控制液位检测子系统的运行，通过比较超声波传感器检测的无人机药箱的液面高度，判断并发送报警信息，增加系统可靠性；翰西m18是收发一体的超声波传感器，该传感器具有盲区小的特点，只有50mm，只要保证超声波传感器的探头到药箱液位最高位置大于50mm就可以，同时分辨率高达到1mm。当两个超声波传感器探测到高度差相差不大时，也可以通过求平均值来提高测量精度；当两个超声波传感器探测到高度差相差较大时，可以判断无人机的飞行姿态情况，方便植保作业人员根据无人机的飞行姿态及时调整飞行参数，更好的进行喷施作业。

混药子系统包括混药箱、数传模块二u16；

药箱液位检测子系统的数传模块一分别与无人机飞控子系统、数传模块二连接；数传模块一和数传模块二通过无线方式连接。

如图2所示，液位检测模块及飞控子系统与数传模块一接口电路图，液位检测模块和飞控子系统通过sp3485芯片与数传模块一相连，在传输数据的时候加上modbus协议就可以通过一个数传模块来实现不同设备之间的数据传输。数传模块一将药箱液位检测模块检测的数据发送混药子系统，并将混药子系统上传的地理位置数据转发给无人机飞控子系统。

如图3所示，混药箱与数传模块二通信接口电路图。数传模块二与混药箱上微控制器的串口二相连。

无人机药箱箱顶设有和两个传感器数量匹配的检测口1、进药口2、出药口3。超声波传感器从检测口向无人机药箱内发射超声波检测液位信息。进药口与无人机上加药口的管子相连，可以通过无人机上的加药口向药箱中加药。当无人机药箱从无人机上取下时，也可以从药箱的进药口向药箱中加药。出药口与无人机上的药泵的管子相连。

所述无人机药箱箱两侧设有卡槽4，和无人机两侧安装的卡座配合将无人机药箱固定在无人机底部，当将药箱对准卡槽装上无人机后，检测口正好对准超声波传感器。

所述无人机药箱内部竖直设有隔离板5，隔离板上部与无人机固定连接，下部与无人机药箱不接触，使无人机药箱被隔离板隔开成空间一大一小两个区域，并通过底部相互连通，保证液面高度始终一致。

所述无人机药箱空间较小的区域内水平设有反射板6，反射板上均匀分布孔隙8，反射板与药箱内壁和隔离板组成的较小区域的横截尺寸相同，保证反射板与药箱始终接触。通过反射板，既可以降低这一区域药液液面晃动，又可以增强超声波的反射信号。由于药箱左侧区域药液的液面受无人机飞行时带来的震动影响可通过反射板进行衰减，故对其左侧区域的液位进行简单的两点测量，便可以得出较为精确的药箱液位高度。

所述无人机药箱自箱顶向箱内伸入有出药道，药液通过出药道被无人机药泵吸出，无须额外将出药管伸进药箱底部，方便药箱的拆卸。

所述无人机飞控子系统控制植保无人机飞行，该子系统可以接收数据，并将数据发送到遥控显示模块上；可以向混药箱发送指令，查询混药箱位置信息。

所述数据模块一、二均采用lora模块，具体型号为atk-lora-01。lora是semtech公司创建的低功耗局域网无线标准,最大特点就是在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一，同时具有组网功能。atk-lora-01是alientek推出的一款体积小、微功率、低功耗、高性能远距离lora无线串口模块。

所述混药箱具有数据处理、定位功能。混药箱能接收液位检测模块发送过来的报警信息。通过对报警信息的分析，可以实现药箱自动配药的操作。同时混药箱具有定位功能，当无人机要查询混药箱位置信息的时候，混药箱可以自动上报自己的位置信息。

植保无人机作业时，液位检测模块检测植保无人机药箱液位情况：当药箱药液量低于设定阈值时，液位检测模块将药箱药液报警信息分别发送给无人机飞控子系统和地面混药子系统，混药子系统接收到报警信息后开始混药作业；无人机飞控子系统接收到液位报警信息之后，自行控制无人机返航或在人工的操纵下返航进行补给。

一种植保无人机药液补给方法，基于上述植保无人机药箱液位自动检测及补给系统，包括如下步骤：

s1、液位检测模块的超声波传感器从检测口向无人机药箱内发射超声波探测超声波探头至液面的高度，当两个超声波传感器探测到的高度相差不大时，通过求平均值得出液位高度，计算剩余药液量；

所述通过比较超声波传感器检测无人机药箱液面高度的具体计算方法为：

式子中：l为药箱液位高度；l0为超声波传感器探头与药箱底部之间的距离；v为超声波在介质中的传播速度；t为超声波往返传播时间；

通过药箱液位高度乘以药箱底部面积即可得到药箱剩余药量；

s2、设定植保无人机药箱为10l，设定报警阈值为2l；

当剩余药液量大于2l时，继续植保作业；

当剩余药液量小于2l时，通过数传模块向混药箱和无人机飞控子系统发送信息，植保无人机继续植保作业；

s3、混药箱接收到植保无人机药箱液位报警信息之后开始混药，待植保无人机药箱农要喷洒完成准备返航；

s4、植保无人机通过指令查询、获取混药箱的位置信息；

s5、植保无人机根据混药箱位置信息，规划返航路线，并根据返航路线降落到混药箱旁边；

s6、混药箱的出药口与无人机药箱的进药口完成对接，开始补给作业；

s7、补给完成，无人机飞回至上一次返航起始点位置继续进行植保作业。

本发明能够自动检测植保无人机药箱液位高度，计算植保无人机药箱药液量。当植保无人机药箱药液不足的时候，可以给地面的混药箱发送信息。混药箱接收到植保无人机发送的信息后，开始混药作业，等待无人机返航时，农药已经配好，可以直接补给。同时，该装置可以将植保无人机药箱液位高度，药液量发送给植保无人机上的飞控模块，飞控模块可以根据药液量自行返航或通过人工操纵返航进行药液补给。另外，植保无人机操控人员也可根据无人机药箱液位信息人工操控无人机降落到定位信息显示的混药箱旁进行补给作业。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。