本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)航空植保機(jī)械裝備、變量控制技術(shù)的研究領(lǐng)域，特別涉及一種基于gps的無人飛行器變量噴霧控制裝置與方法。

背景技術(shù)：

變量噴霧是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)航空領(lǐng)域精準(zhǔn)施藥技術(shù)的一種重要方式。變量噴霧技術(shù)可根據(jù)作業(yè)速度、作物密度及蟲害程度自動調(diào)節(jié)噴量，既節(jié)約農(nóng)藥，又可減少農(nóng)產(chǎn)品中的農(nóng)藥殘留和環(huán)境污染，是施藥技術(shù)的重要發(fā)展方向。變量噴霧施藥可以通過變噴霧時間、變噴霧壓力及變藥液濃度3種途徑實(shí)現(xiàn)。pwm技術(shù)調(diào)節(jié)水泵實(shí)現(xiàn)流量控制是一種變噴霧時間方法，相對于其他變量噴霧技術(shù)其實(shí)現(xiàn)簡便，對噴霧粒徑影響較小，故應(yīng)用較為廣泛。

國內(nèi)外學(xué)者研究開發(fā)了不少變量施藥系統(tǒng)，如控制藥液混合比改變藥液濃度實(shí)現(xiàn)變量施藥，但存在濃度延時問題，系統(tǒng)復(fù)雜，施藥劑量調(diào)節(jié)幅度小。另有基于地理信息系統(tǒng)的自動對靶變量噴霧控制裝置，變量噴霧裝備各個噴頭的噴量需要控制中心在變量噴霧處方圖的指導(dǎo)下，根據(jù)地面移動裝載裝備的位置、速度、噴霧系統(tǒng)的流量以及壓力，利用伺服閥來控制，但與無人機(jī)噴霧相比，地面移動裝載裝備噴霧效率較低，且會留下轍印和損壞農(nóng)作物。

近年來，隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)及高新技術(shù)的快速發(fā)展，變量噴霧技術(shù)主要有基于紅外線、超聲波、機(jī)器視覺及激光雷達(dá)等變量噴霧方式，這些方式雖然是技術(shù)先進(jìn)，但是由于過程復(fù)雜，操作不易，很難在實(shí)際應(yīng)用中取得良好的噴霧效果。基于gps的變量噴霧系統(tǒng)，由于gps模塊精度高、穩(wěn)定性好、成本低及普遍適用性等特點(diǎn)使其在農(nóng)業(yè)航空變量噴霧應(yīng)用中得以考慮，通過改進(jìn)的pwm算法改變每秒脈沖個數(shù)及脈沖寬度來調(diào)節(jié)流量，優(yōu)勢明顯。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種基于gps的無人飛行器變量噴霧的控制裝置與方法，將無人機(jī)與變量噴霧系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，通過gps模塊測出無人飛行器的飛行速度，采用pwm技術(shù)調(diào)節(jié)隔膜泵實(shí)現(xiàn)流量隨速度變化而變化的控制，形成效率高、穩(wěn)定性好、成本低的智能化變量噴霧控制系統(tǒng)。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

本發(fā)明公開了一種基于gps的無人飛行器變量噴霧控制裝置，飛行控制子系統(tǒng)、傳感采集子系統(tǒng)、流量控制子系統(tǒng)及電源模塊，所述傳感采集子系統(tǒng)分別與飛行控制子系統(tǒng)和流量控制子系統(tǒng)連接，所述電源模塊分別為飛行控制子系統(tǒng)、傳感采集子系統(tǒng)、流量控制子系統(tǒng)供電；

所述飛行控制子系統(tǒng)，用于控制飛行器以適當(dāng)?shù)淖藨B(tài)、速度及高度飛行；

所述傳感采集子系統(tǒng)，通過gps模塊實(shí)時獲取無人飛行器的飛行速度、高度參數(shù)，通過流量傳感器模塊實(shí)時獲取流經(jīng)噴頭的藥液流量，通過液位傳感器模塊獲取藥箱中液位高度；

所述流量控制子系統(tǒng)，用于控制藥液流量隨無人飛行器速度、高度改變而改變，實(shí)現(xiàn)量精準(zhǔn)、變化穩(wěn)定、噴幅平穩(wěn)的流量控制；

所述飛行控制子系統(tǒng)包括主控制器、動力子系統(tǒng)、遠(yuǎn)程遙控通信子系統(tǒng)及飛行數(shù)據(jù)記錄子系統(tǒng)，所述主控制器與動力子系統(tǒng)、遠(yuǎn)程遙控通信子系統(tǒng)及飛行數(shù)據(jù)記錄子系統(tǒng)連接，所述動子系統(tǒng)中包括慣性姿態(tài)測量裝置和數(shù)字舵機(jī)，所述慣性姿態(tài)測量裝置，用于實(shí)時測量飛行器的姿態(tài)信息，便于調(diào)整飛行姿態(tài)，所述遠(yuǎn)程通信控制子系統(tǒng)與地面控制在無線通信，所述地面控制站，用于操作者調(diào)整無人飛行器的姿態(tài)、速度及高度；

所述傳感采集子系統(tǒng)包括gps模塊、流量傳感器模塊、液位傳感器模塊，各模塊均電氣上與掛載在無人飛行器上次控制器相連，并通過信號調(diào)理電路將模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號上傳至次控制器；

所述流量控制子系統(tǒng)包括次控制器、藥箱、隔膜泵及噴頭，其中藥箱、隔膜泵、流量傳感器及噴頭物理上采用水管依次順序連接，隔膜泵電氣上與次控制器相連。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述次控制器獨(dú)立于飛行控制子系統(tǒng)的主控制器，用于傳感采集子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、流量控制子系統(tǒng)的流量控制及液位報警提示。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述主控制器，設(shè)置于飛行控制子系統(tǒng)中，處理飛行器位置信息、姿態(tài)信息的參數(shù)，控制飛行器穩(wěn)定飛行。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述動力子系統(tǒng)，用于驅(qū)動螺旋槳及控制舵機(jī)的驅(qū)動，在電動無人機(jī)中動力子系統(tǒng)包含供電子系統(tǒng)；在燃油無人機(jī)中動力子系統(tǒng)與供電子系統(tǒng)獨(dú)立；

所述遠(yuǎn)程遙控通信子系統(tǒng)，包括無線模塊，用于飛行器與地面控制站進(jìn)行通信；

所述飛行數(shù)據(jù)記錄子系統(tǒng)，用于實(shí)時記錄飛行器飛行過程中經(jīng)緯度參數(shù)、速度參數(shù)、海拔參數(shù)及噴灑流量參數(shù)，并通過文件系統(tǒng)將數(shù)據(jù)存至sd卡中。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述gps模塊，實(shí)時獲取無人飛行器的飛行速度、高度數(shù)據(jù)；

所述流量傳感器模塊，物理位置上通過水管將進(jìn)、出水口分別連接隔膜泵和離心霧化噴頭，電氣上與次控制器相連，選擇次控制器定時器的觸發(fā)輸出事件啟動adc轉(zhuǎn)換，adc選擇連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，在定時器預(yù)置的時間里完成設(shè)定的采樣次數(shù)，舍棄最大值和最小值，通過求和平均計算出當(dāng)前的adc轉(zhuǎn)換值；

所述液位傳感器模塊，物理位置上安裝在藥箱底部，電氣特性上連接次控制器，用于藥箱內(nèi)液位信息的采集，并將信息上傳至報警系統(tǒng)。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述流量控制子系統(tǒng)包括次控制器、藥箱、pwm控制模塊、隔膜泵及離心式噴頭；

所述藥箱容量約為5l，掛載在無人飛行器的正下方，隔膜泵的正上方，出水口與隔膜泵入水口相連；

所述隔膜泵用于提供藥液噴施壓力，采用12v供電電壓噴霧水泵，最大流量為4.5l/min，出水口經(jīng)二分流裝置分別接兩個流量傳感器模塊，再接至安裝在噴桿末端的離心霧化噴頭；

所述pwm控制模塊采用大功率mos觸發(fā)開關(guān)驅(qū)動模塊，用于將pwm占空比信號轉(zhuǎn)化成隔膜泵驅(qū)動電壓信號。

本發(fā)明還提供了一種基于gps的無人飛行器變量噴霧控制裝置的控制方法，包括下述步驟：

(1)次控制器通過串口獲取gps模塊上傳控制器rom的無人機(jī)飛行速度和高度值；

(2)次控制器在規(guī)定高度范圍內(nèi)根據(jù)流量控制規(guī)則輸出不同速度值對應(yīng)占空比的階躍pwm控制信號；高度范圍限定在1～3m，無人飛行器速度范圍為0～5m/s，占空比范圍0～100％；

(3)階躍pwm信號經(jīng)pwm控制模塊變成電壓信號傳輸給隔膜泵，從而控制隔膜泵轉(zhuǎn)速的變化，并產(chǎn)生不同的壓力將藥液輸送至流量傳感器模塊；

(4)流量傳感器模塊通過adc采樣獲取實(shí)時流量數(shù)據(jù)并反饋至次控制器，通過積分分離的pid控制算法不斷修正偏差，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施藥；噴霧流量范圍為0～4.5l/min；

(5)藥液經(jīng)流量傳感器模塊輸送至離心霧化噴頭，使得霧滴粒徑大小均勻，噴幅穩(wěn)定。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟(2)中，所述階躍pwm信號，是指采用積分分離的pid控制算法避免無人機(jī)在變量噴霧作業(yè)時電機(jī)的頻繁啟動對電機(jī)的損害。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟(4)中，所述積分分離的pid控制算法，其實(shí)現(xiàn)如下：

將位置式pid算式寫成積分分離形式即為：

式中，

k為采樣序號，k＝0,1,2,3……；

u(k)為第k次采樣時刻的計算機(jī)輸出值；

e(k)為第k次采樣時刻輸入的偏差值；

e(k-1)為第(k-1)次采樣時刻輸入的偏差值；

kp為比例常數(shù)；

ki為積分常數(shù)，

kd為微分常數(shù)，

(1)根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定閥值ε>0；

(2)當(dāng)誤差|e(k)|＞ε閥值時，采用pd控制，此時沒有積分項(xiàng)，為了提高控制精度，pd控制算法采用位置式：

u(k)＝kpe(k)+kd[e(k)-e(k-1)]

＝a′e(k)+b′e(k-1)＝a′e(k)+f(k-1)

式中：

f(k-1)＝b′e(k-1)

(3)當(dāng)|e(k)|≤ε時，采用pid控制，為了減少次控制器運(yùn)算量，進(jìn)行增量式pid控制算法，即：

u(k)-u(k-1)＝ae(k)-be(k-1)+ce(k-2)

u(k)u(k-1)＝ae(k)+u(k-1)-be(k-1)+ce(k-2)

＝ae(k)+g(k-1)

式中：

g(k-1)＝u(k-1)-be(k-1)+ce(k-2)。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述流量控制規(guī)則指當(dāng)無人飛行器的飛行速度增大時，單位時間內(nèi)噴霧量也隨之增大，反之單位時間內(nèi)噴霧量減小，當(dāng)無人飛行器飛行速度為零時，停止噴霧。無人飛行器的飛行速度和單位時間內(nèi)的噴霧量可以表示為

式中：q為噴頭流量(l/min)

q為農(nóng)藥噴施量(l/m²)

v為無人機(jī)的飛行速度

d為噴幅(m)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

1、本發(fā)明引入具有流量反饋的積分分離pid控制算法，流量控制穩(wěn)定性好，魯棒性強(qiáng)，響應(yīng)速度快，避免了無人飛行器在變量噴霧作業(yè)時電機(jī)的頻繁啟動對電機(jī)的損害。

2、本發(fā)明引入無人飛行器作為載具，與地面噴霧載具相比，效率較高，不會留下轍印和損壞農(nóng)作物。

3、本發(fā)明引入雙控制器，其中主控制器用于飛行控制，次控制器用于信息采集和流量控制，分工明確，噴霧系統(tǒng)不受無人飛行器型號的限制，可移植性強(qiáng)。

4、本發(fā)明引入精度高、穩(wěn)定性好、成本低及適用普遍的gps模塊，使本發(fā)明具有良好的可推廣性。

附圖說明

圖1本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2本發(fā)明工作原理示意圖；

圖3本發(fā)明的電路電氣結(jié)構(gòu)圖；

圖4本發(fā)明的pid控制原理圖；

其中，1—gps模塊，2—流量傳感器模塊，3—液位傳感器模塊，4—藥箱，5—pwm控制模塊，6—隔膜泵，7—離心式噴頭，8—報警系統(tǒng)，9—地面控制站。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。

實(shí)施例

如圖1所示，在本實(shí)施例中，操作者通過地面控制站控制無人飛行器在作業(yè)區(qū)域距離作物頂部1～3m的高度飛行。噴霧裝置通過gps模塊1獲取無人飛行器的飛行速度并送入主、次控制器進(jìn)行處理，次控制器根據(jù)不同速度值輸出不同占空比的pwm控制信號，此信號傳遞至pwm控制模塊，pwm控制模塊將pwm占空比信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的隔膜泵輸入電壓信號，從而控制隔膜泵6的轉(zhuǎn)速改變以提供變化的噴霧壓力，最后將藥液輸送至離心霧化噴頭，實(shí)現(xiàn)變量噴霧。期間，流量傳感器實(shí)時檢測經(jīng)噴頭的流量值反饋至單片機(jī)，通過積分分離pid算法不斷修正偏差，達(dá)到精準(zhǔn)施藥的目的。工作過程中無人飛行器的速度、高度、經(jīng)緯度，流量及液位等數(shù)據(jù)均通過文件系統(tǒng)存至sd卡。

如圖2、3所示，在本實(shí)施例中，一種基于gps的無人飛行器變量噴霧控制裝置，包括傳感采集子系統(tǒng)、流量控制子系統(tǒng)及飛行控制子系統(tǒng)；所述傳感采集系統(tǒng)包括gps模塊1、流量傳感器模塊2及液位傳感器模塊3，各模塊均與掛載在無人飛行器上次控制器相連；所述次控制器是指獨(dú)立于飛行控制主控制器的控制單元，僅用于傳感器數(shù)據(jù)采集、流量控制及液位報警提示等；所述流量控制子系統(tǒng)包括次控制器、pwm控制模塊、藥箱4、隔膜泵6及離心式噴頭7，其中藥箱、隔膜泵、流量傳感器模塊及離心式噴頭采用水管依次順序連接，pwm控制模塊5和隔膜泵電氣上與次控制器相連。所述飛行控制子系統(tǒng)分別與動力子系統(tǒng)、遠(yuǎn)程遙控通信子系統(tǒng)、飛行數(shù)據(jù)記錄子系統(tǒng)。

所述次控制器是指獨(dú)立于飛行控制主控制器的控制單元，僅用于傳感采集子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、流量控制子系統(tǒng)的流量控制及液位報警提示等，本實(shí)施例中通過報警系統(tǒng)8進(jìn)行報警，該報警系統(tǒng)包括蜂鳴器和led兩種方式的報警提示；

所述主控制器，用于僅用于飛行控制子系統(tǒng)，處理飛行器位置信息、姿態(tài)信息等參數(shù)，控制飛行器穩(wěn)定飛行；

所述飛行控制子系統(tǒng)，用于控制飛行器以適當(dāng)?shù)淖藨B(tài)、速度及高度飛行；

所述動力子系統(tǒng)，用于驅(qū)動螺旋槳及控制舵機(jī)，在電動無人機(jī)中包含供電子系統(tǒng)；在燃油無人機(jī)中動力子系統(tǒng)與供電子系統(tǒng)獨(dú)立。

所述遠(yuǎn)程遙控通信子系統(tǒng)，用于飛行器與地面控制站進(jìn)行通信，通信特點(diǎn)為低速率、長距離、高可靠性；

所述飛行數(shù)據(jù)記錄子系統(tǒng)，用于實(shí)時記錄飛行器飛行過程中經(jīng)緯度參數(shù)、速度參數(shù)、海拔參數(shù)及噴灑流量參數(shù)，并通過文件系統(tǒng)將數(shù)據(jù)存至sd卡中；

所述飛行控制子系統(tǒng)包括地面控制站、主控制器、gps模塊、慣性姿態(tài)測量裝置和數(shù)字舵機(jī)；

所述地面控制站9，用于操作者調(diào)整無人飛行器的姿態(tài)、速度及高度等；

所述gps模塊是指gps接收機(jī)根據(jù)nmea-0183協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，將無人飛行器的位置、速度及高度等信息通過串口傳送到主、次控制器；

所述nmea-0183協(xié)議所規(guī)定的通訊語句都已是以ascii碼為基礎(chǔ)，nmea-0183協(xié)議語句的數(shù)據(jù)格式如下：“$”為語句起始標(biāo)志；“，”為域分隔符；“*”為校驗(yàn)和識別符，其后面的兩位數(shù)為校驗(yàn)和，代表了“$”和“*”之間所有字符的按位異或值(不包括這兩個字符)；“/”為終止符，所有的語句必須以此來結(jié)束；

所述慣性姿態(tài)測量裝置，用于實(shí)時測量飛行器的姿態(tài)信息，便于調(diào)整飛行姿態(tài)；

所述傳感采集系統(tǒng)是指通過gps模塊1實(shí)時獲取無人飛行器的飛行速度、高度等參數(shù)，通過流量傳感器模塊實(shí)時獲取流經(jīng)噴頭的藥液流量，通過液位傳感器模塊獲取藥箱中液位高度；

所述流量傳感器模塊2，物理位置上通過水管將進(jìn)、出水口分別連接隔膜泵和離心霧化噴頭，電氣上與次控制器相連，選擇次控制器定時器的觸發(fā)輸出事件啟動adc轉(zhuǎn)換，adc選擇連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，在定時器預(yù)置的時間里完成52次采樣，舍棄最大值和最小值，通過求和平均計算出當(dāng)前的adc轉(zhuǎn)換值。考慮到經(jīng)adc轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量所存在的噪聲干擾，采用軟件方法進(jìn)行濾波處理。本系統(tǒng)在算術(shù)平均值的基礎(chǔ)上采用了加權(quán)平均值濾波算法，以確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性；

所述液位傳感器模塊3，物理位置上安裝在藥箱底部，電氣特性上連接次控制器，用于藥箱內(nèi)液位信息采集，并將信息上傳至報警系統(tǒng)；

所述報警系統(tǒng)8包括led燈和蜂鳴器，報警觸發(fā)時伴隨著led的閃爍和蜂鳴器的警報聲；

所述流量控制子系統(tǒng)用于控制流量隨無人飛行器速度、高度改變而改變，實(shí)現(xiàn)量精準(zhǔn)、變化穩(wěn)定、噴幅平穩(wěn)的流量控制。

所述流量控制子系統(tǒng)包括次控制器、藥箱、pwm控制模塊、隔膜泵及離心式噴頭；

所述藥箱容量約為5l，掛載在無人飛行器的正下方，隔膜泵的正上方，出水口與隔膜泵入水口相連；

所述隔膜泵用于提供藥液噴施壓力，采用12v供電電壓噴霧水泵，最大流量為4.5l/min，出水口經(jīng)二分流裝置分別接兩個流量傳感器模塊，再接至安裝在噴桿末端的離心霧化噴頭；

所述pwm控制模塊采用大功率mos觸發(fā)開關(guān)驅(qū)動模塊，用于將pwm占空比信號轉(zhuǎn)化成隔膜泵驅(qū)動電壓信號；

在本實(shí)施例中，所述基于gps的無人飛行器變量噴霧的控制方法，包括以下步驟：

(1)次控制器通過串口獲取gps模塊上傳控制器rom的無人機(jī)飛行速度和高度值；

(2)次控制器在規(guī)定高度范圍內(nèi)根據(jù)流量控制規(guī)則輸出不同速度值對應(yīng)占空比的階躍pwm控制信號；高度范圍限定在1～3m，無人飛行器速度范圍為0～5m/s，占空比范圍0～100％；

(3)階躍pwm信號經(jīng)pwm控制模塊變成電壓信號傳輸給隔膜泵，從而控制隔膜泵轉(zhuǎn)速的變化，并產(chǎn)生不同的壓力將藥液輸送至流量傳感器模塊。

(4)流量傳感器模塊通過adc采樣獲取實(shí)時流量數(shù)據(jù)并反饋至次控制器，通過pid算法不斷修正偏差，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施藥；噴霧流量范圍為0～4.5l/min；

(5)藥液經(jīng)流量傳感器模塊輸送至離心霧化噴頭，使得霧滴粒徑大小均勻，噴幅穩(wěn)定。

優(yōu)選的，所述階躍pwm信號，是指采用積分分離的pid控制算法避免無人機(jī)在變量噴霧作業(yè)時電機(jī)的頻繁啟動對電機(jī)的損害；

如圖4所示，在本實(shí)施例中，所述積分分離的pid控制算法，其實(shí)現(xiàn)如下：

(1)根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定閥值ε；

(2)當(dāng)誤差e(t)＞ε時，采用pd控制，可避免過大的超調(diào)，有使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)；

(3)當(dāng)誤差e(t)≤ε時，采用pid控制，可保證系統(tǒng)的控制精度；

所述流量控制規(guī)則指當(dāng)無人飛行器的飛行速度增大時，單位時間內(nèi)噴霧量也隨之增大，反之單位時間內(nèi)噴霧量減小，當(dāng)無人飛行器飛行速度為零時，停止噴霧。

上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。