本发明涉及农用无人机领域，特别是涉及一种农用无人机航空施药作业监控装置。
背景技术：
无人机已经广泛发地应用的农业喷药植保过程中，但是，无论是无人机还是有人机在喷药过程，很难把握农用无人机的飞行状态以及喷药情况。农户不清楚农用无人机植保作业质量，经常因喷药是否均匀、农药是否喷到其他地方造成污染等现象与农用无人机驾驶员发生争执。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种农用无人机航空施药作业监控装置，能够准确的掌握无人机飞行状态以及喷药情况。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种农用无人机航空施药作业监控装置，所述农用无人机航空施药作业监控装置包括：信号采集装置、控制装置和执行装置；所述控制装置分别与所述信号采集装置和所述执行装置连接；
所述信号采集装置包括：飞行高度传感器、飞行速度传感器、飞行姿态传感器、GPS定位装置、流量传感器和液位传感器；所述飞行高度传感器用于获取农用无人机的飞行高度，所述飞行速度传感器用于获取农用无人机的飞行速度，所述飞行姿态传感器用于获取农用无人机的飞行姿态，所述GPS定位装置用于获取农用无人机的飞行坐标，所述流量传感器用于采集农用无人机的喷药流量信号，所述液位传感器用于采集农药的液面高度。
可选的，所述控制装置包括：单片机、显示器和操作板，所述单片机与所述操作板通过无线连接，所述单片机与所述显示器通过无线连接。
可选的，所述执行装置包括：升降舵机、副翼舵机、尾翼舵机、油门舵机和电磁阀门；所述升降舵机用于控制农用无人机爬升高度及俯仰角度的变化，实现飞行高度的调控；所述副翼舵机用于控制农用无人机的航向和滚转角度变化，实现飞行姿态的调控；所述尾翼舵机用于控制农用无人机航向的变化，实现飞行轨迹的改变；所述油门舵机用于控制发动机转速，实现飞行速度的调控；所述电磁阀门用于控制开口角度，实现控制喷头的喷药量。
可选的，所述飞行姿态传感器包括：3个陀螺仪和3个加速度传感器；3个所述陀螺仪互相垂直设置，3个所述加速度传感器互相垂直设置。
可选的，所述信号采集装置还包括：A/D转换器，所述A/D转换器的输入端分别与所述飞行高度传感器、所述流量传感器和所述液位传感器连接，所述A/D转换器的输出端与所述控制装置的输入端连接。
可选的，所述单片机与所述操作板通过ZigBee无线连接，所述单片机与所述显示器通过ZigBee无线连接。
可选的，所述飞行速度传感器为皮托管。
可选的，所述液位传感器为压力液位传感器。
可选的，所述流量传感器为涡轮流量传感器。
可选的，所述飞行姿态传感器为微型惯性测量单元。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的农用无人机航空施药作业监控装置包括：信号采集装置、控制装置和执行装置；所述控制装置分别与所述信号采集装置和所述执行装置连接；所述信号采集装置包括：飞行高度传感器、飞行速度传感器、飞行姿态传感器、GPS定位装置、流量传感器和液位传感器。本发明能够实时监测无人机的飞行高度、飞行速度、飞行轨迹、飞行姿态以及喷药流量、药液余量等信息，能够准确的掌握无人机飞行状态以及喷药情况，可以量化农用无人机在不同的位置喷洒药液的情况。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明农用无人机航空施药作业监控装置的实施例1的结构图；
图2为本发明农用无人机航空施药作业监控装置的实施例2的结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种农用无人机航空施药作业监控装置，能够准确的掌握无人机飞行状态以及喷药情况。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
图1为本发明农用无人机航空施药作业监控装置的实施例1的结构图。投入图1所示，所述农用无人机航空施药作业监控装置包括：
信号采集装置、控制装置和执行装置；所述控制装置分别与所述信号采集装置和所述执行装置连接。
所述信号采集装置包括：飞行高度传感器、飞行速度传感器、飞行姿态传感器、GPS定位装置、流量传感器和液位传感器；所述飞行高度传感器用于获取农用无人机的飞行高度，所述飞行速度传感器用于获取农用无人机的飞行速度，所述飞行姿态传感器用于获取农用无人机的飞行姿态，所述GPS定位装置用于获取农用无人机的飞行坐标，所述流量传感器用于采集农用无人机的喷药流量信号，所述液位传感器用于采集农药的液面高度。
所述控制装置包括：单片机、显示器和操作板，所述单片机分别与所述操作板和所述显示器通过无线连接。操作板的作用是实现操作员根据实际需求，手动改变农用无人机飞行状态。所述显示器可实时显示无人机的飞行状态和施药情况。
所述执行装置包括：升降舵机、副翼舵机、尾翼舵机、油门舵机和电磁阀门；所述升降舵机用于控制农用无人机爬升高度及俯仰角度的变化，实现飞行高度的调控；所述副翼舵机用于控制农用无人机的航向和滚转角度变化，实现飞行姿态的调控；所述尾翼舵机用于控制农用无人机航向的变化，实现飞行轨迹的改变；所述油门舵机用于控制发动机转速，实现飞行速度的调控；所述电磁阀门用于控制开口角度，实现控制喷头的喷药量。
本装置包括信号采集装置、控制装置和执行装置。信号采集装置作用是传感器采集农用无人机的飞行高度、飞行速度、飞行轨迹、飞行姿态以及喷药流量等信号并进行信号转换；控制装置作用是对信号采集装置获取的传感器信号进行综合处理，并根据实际需求进行调控，再输控制信号；执行装置的作用是：舵机和电磁阀门根据不同的控制信号执行相应的操作，进而控制无人机的飞行状态或者喷量。
本装置的工作原理为：(1)信号采集。分别用高度传感器实时检测无人机的飞行高度、用速度传感器实时检测无人机的飞行速度、用微惯性检测组合(MIMU)实时检测无人机的飞行姿态、用GPS实时检测无人机的飞行坐标及其变化量以及用流量传感器实时检测无人机的喷药流量、用压力式液位传感器实时检测药业余量。再通过A/D转换器，把传感器的模拟信号转换成数字信号输送到单片机中。(2)信号显示。显示器与操作板组合在一起，方便驾驶员观察与操作。单片机把不同传感器采集的多元信息融合处理后，通过ZigBee2以无线方式发送到显示器上。进而可直观的展示给驾驶员。(3)信号调控。驾驶员根据显示器上的信息，判断是否需要人为操作，如果需要则直接在操作板上输入相应的参数，再由ZigBee1发送给单片机，再由单片机控制舵机和电磁阀门执行相应操作。(4)飞行状态或者喷药量的改变。舵机分为升降舵机、副翼舵机、尾翼舵机、油门舵机。升降舵机控制农用无人机爬升高度及俯仰角度的变化，进而实现飞行高度的调控。副翼舵机控制农用无人机的航向和滚转角度变化，进而实现飞行姿态的调控。尾翼舵机主要控制农用无人机航向的变化，进而实现飞行轨迹的改变。油门舵机主要通过拉动油门活塞控制进油量而控制发送机转速，进而实现飞行速度的调控。电磁阀门控制开口角度进而实现控制喷头的喷药量。
本装置具有操作简单，成本低，适应性广等特点。
实施例2
图2为本发明农用无人机航空施药作业监控装置的实施例2的结构图。如图2所示，整个装置由信号采集装置、控制装置和执行装置组成。
信号采集装置包括信号采集和信号转换两部分。信号采集部分的作用是分别用高度传感器实时采集无人机的飞行高度信号；用皮托管实时采集无人机的飞行空速信号；用微型惯性测量单元(Miniature Inertial Measurement Unit,MIMU)实时采集无人机的飞行姿态信号；用GPS实时采集无人机的飞行坐标信号，并计算出地速；用涡轮流量传感器实时采集无人机的喷药流量信号。信号转换部分是通过A/D转换器，把传感器的模拟信号转换成数字信号输送到单片机中。皮托管型号TESTO512/TESTO510510i，流量传感器的型号为LRL01微型流量计，液位传感器的型号为LDY01不锈钢电容油位传感器，GPS接收器的型号为BU-353S4。
(1)高度信息采集。在无人机上安装高度传感器采集飞行高度。其检测采集原理是基于大气气压随高度变化的机理来实现对农用无人机飞行高度的测量，再A/D转换器，把检测的模拟信号转换成数字信号输送到单片机U1的P1.1引脚上。由于农用无人机起飞点的相对海拔高度不同，因此，在起飞前应地面先对高度传感器调零。(2)空速信息采集。在农用无人机的头部安装皮托管采集飞行空速。当农用无人机飞行时，皮托管可探测气流总压强与静压的压差，再结合差压变送器把差压值转换成电流信号输出。A/D转换器把该模拟信号转换成数字信号输送到单片机U1的P1.2引脚上。最后经单片机U1计算可得出飞行空速。(3)飞行姿态信息采集。用MIMU采集飞行姿态。它是由微型陀螺仪、微型加速度计，专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、嵌入式微机及相应的导航软件组成，可以检测无人机的位置、加速度和姿态信息。其检测原理是用三个互相垂直的陀螺仪测量无人机在X、Y、Z三个方向的旋转速度；用三个加速度计测量无人机在X、Y、Z三个方向的加速度信息；并通过集成电路转换以及嵌入式微机处理后可得出无人机飞行姿态，最后输出数字信号到单片机U1的P1.3引脚。(4)农用无人机坐标信息采集和地速计算。GPS部件可实时检测无人机坐标位置，并输出数字信号至单片机U1的P1.4引脚。再由单片机U1根据单位时间内坐标经度纬度的变化量可计算出无人机的相对地面的飞行速度。(5)喷药流量信息采集。用涡轮流量传感器采集喷药流量。把涡轮流量传感器安装在喷头附近，可以精密检测出，喷头的喷药量，再由A/D转换器把该模拟信号转换成数字信号输送到单片机U1的P1.5引脚上。(6)药液余量信息采集。用压力式液位传感器采集液面高度，并把输出的模拟信号经A/D转换器转换成数字信号输送到单片机U1的P1.6引脚上。再由单片机U1药液高度信息与该高度位置药箱的截面积信息结合计算出药液剩余量。
控制装置由单片机U1、ZigBee1、ZigBee2、显示器、操作板组成。单片机U1的作用的其根据P1.1引脚到P1.7引脚输入的信号综合处理后，输出控制信号，把需要显示的信息由ZigBee2以无线的方式发送至显示器。ZigBee2的作用是实现把单片机U1的P2.0引脚输出的信号以无线的方式传输给显示器。显示器的作用是直观的把无人机飞行高度、飞行速度、飞行轨迹、飞行姿态以及喷药流量等信息显示给操作员，显示器与操作板组合在一起，方便操作员观察与操作。把需要舵机或者阀门执行的信号，通过信号放大器放大，进而驱动舵机和电磁阀门工作。ZigBee2的作用是实现单片机U1、显示器和操作板之间的信号无线传输。操作板的作用是实现操作员根据实际需求，手动改变农用无人机飞行状态。操作员根据实际需求，在操作板上输入相应的参数，再由ZigBee1发送至单片机U1的P1.7引脚上。
执行装置是由放大电路、升降舵机、副翼舵机、尾翼舵机、油门舵机、电磁阀门组成。升降舵机的作用是控制农用无人机爬升高度及俯仰角度的变化。单片机U1的P2.3引脚输出控制信号，经驱动电路放大，驱动升降舵机工作，改变无人机的俯仰角，再结合油门大小，进而实现飞行高度的调控。当增大仰角时，同时加大油门，可实现农用无人机爬升；当增大俯角，可降低飞行高度。副翼舵机的作用是控制农用无人机的航向和滚转角度变化，进而实现飞行姿态的调控。单片机U1的P2.4引脚输出控制信号，经驱动电路放大，驱动副翼舵机工作，改变飞行姿态。尾翼舵机的作用是主要控制农用无人机航向的变化，进而实现飞行轨迹的改变。单片机U1的P2.5引脚输出控制信号，经驱动电路放大，驱动尾翼舵机工作，改变飞行航向。油门舵机的作用是主要通过拉动油门活塞控制进油量而控制发送机转速，进而实现飞行速度的调控。单片机U1的P2.6引脚输出控制信号，经驱动电路放大，驱动油门舵机工作，改变飞行速度。电磁阀门的作用是控制开口角度进而实现控制喷头的喷药量。单片机U1的P2.7引脚输出控制信号，经驱动电路放大，驱动电磁阀门工作，改变喷药量。
本发明的具体操作方式为：
飞行前准备：在起飞前先对高度传感器调零，保证高度信息采集准确。
喷药作业：无人机起飞后，驾驶员可通过操作板上的显示器实时准确的观察无人机的飞行高度、飞行空速、飞行地速、飞行轨迹、飞行姿态和农用无人机的坐标位置以及喷药流量、药液余量等信息。在农田边缘位置，驾驶员可通过按下操作板上的“高度”和“地速”下方的“-”按键(也可直接在显示框内输入高度和速度的数字信息)，降低飞行高度与飞行速度；同时操作“喷药流量”下方的“-”按键(也可直接在显示框内输入喷药流量的数字信息)，控制电磁阀门开口角度减小，减少喷药量。避免药液喷到农田外浪费农药和造成农药污染。在角落位置驾驶员可通过操作“升降舵机”、“尾翼舵机”和“副翼舵机”下方的“+”、“-”按键(或通过操作板的重力感应系统)改变飞行姿态，侧身飞行或悬停，同时关闭部分喷头，精准喷药，保证喷药质量。在为大面积农作物喷药时，驾驶员可通过操作板把农用无人机升至适当高度位置，增大电磁阀门开口角度，增大喷药量，同时高速飞行。可节约大量喷药时间，提高作业效率；同时喷药均匀性较好，作业质量较高。当药箱内的药液喷完后，由GPS定位并记录坐标位置，驾驶员可通过操作板记录该处坐标位置，待药液补充后，系统控制农用无人机飞回该坐标位置，并控制电磁阀门工作，防止重复喷药，造成药液浪费。驾驶员还可以根据飞行轨迹查看是否有遗漏喷药的地方，在进行补喷。系统自动记录无人机的飞行数据与喷药情况，可根据无人机的飞行轨迹和喷幅，自动计算出喷药面积和喷药效果，并与该喷药区域总面积对比，在显示器上可直观看出该区域已喷药和未喷药的面积比例以及示意图。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。