本發(fā)明涉及一種智能植保無人機的控制管理系統(tǒng)及其控制方法，屬于導航定位與控制的
技術領域：
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背景技術：
：植保無人機在給農作物噴灑農藥時，經(jīng)常會出現(xiàn)藥物噴灑不均勻的現(xiàn)象。其主要由三個方面的原因，第一，飛行高度、飛行速度及水泵輸出量均會影響最后附著在農作物上的藥量，但是許多無人機在作業(yè)時，沒有將這三者進行整體的考慮，因此在加減速或轉彎處，飛機高度、速度發(fā)生變化后，導致藥量不均勻。第二，在噴灑過程中，可能會由部分噴嘴被堵塞，如果沒有及時發(fā)現(xiàn)，將會導致成塊的農作物被漏掉。第三，藥量較低或機載農藥用盡時，未能及時記錄停藥點或沒有記錄停藥點，致使小片農作物被遺漏。不同的農作物，對農藥的需求量不同。同一種農作物對不同農藥的需求量也不同。因此在改變作業(yè)對象時，無人機在單位時間內的噴藥量要發(fā)生改變。如果通過調節(jié)水泵壓力大小來改變噴藥量，會使農藥的霧化效果變差，甚至是變成水滴狀。如果通過飛機飛行速度或高度來改變噴藥量，會降低打藥效率。這些方法無法使植保無人機的噴灑效果在面對不同作物時，均處于一個較好的狀態(tài)。因此，要進一步提高植保無人機的工作質量，解決上述問題是迫切需要的。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明需要解決的技術問題是針對上述現(xiàn)有技術的不足，而提供一種噴灑農藥均勻的植保無人機的控制管理系統(tǒng)及其控制方法。為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是：一種智能植保無人機的控制管理系統(tǒng)，包括飛行控制系統(tǒng)和智能噴灑管理系統(tǒng)，所述飛行控制系統(tǒng)包括主控芯片a以及分別電氣連接在主控芯片a上的姿態(tài)傳感器、差分gps、氣壓計、無線電數(shù)傳、動力電量檢測模塊，所述智能噴灑管理系統(tǒng)包括輔控芯片b、流量計、電源模塊、水泵及常閉電磁閥，所述主控芯片a、輔控芯片b、電源模塊、常閉電磁閥依次串聯(lián)，所述水泵電氣連接電源模塊，水泵外設置有藥箱，藥箱、水泵、常閉電磁閥通過管道依次連接。所述常閉電磁閥外設置有噴灑裝置，常閉電磁閥與噴灑裝置之間還設置有流量計，常閉電磁閥、流量計、噴頭依次管道連接，所述流量計電氣連接輔控芯片b。所述噴灑裝置包括六個噴嘴，六個噴嘴按機頭方向三行兩列安裝在飛機底部，其中每行為一組噴嘴，共三組噴組，均向下噴灑農藥。一種智能植保無人機的控制管理系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，包括以下步驟：a.給fcs設定飛行航線、噴灑面積和用藥量。其中飛行航線包括了飛機自動飛行時的經(jīng)緯度、高度及速度信息；b.將噴灑面積、用藥量及飛行航線中的飛行高度數(shù)據(jù)發(fā)送給isms，isms根據(jù)這些數(shù)據(jù)計算出需要開啟的最佳噴嘴組數(shù)及飛機巡航速度，巡航速度發(fā)送給fcs用于控制飛行速度，具體計算方式如下：i、計算噴灑系統(tǒng)噴灑寬度w根據(jù)飛行高度h、農作物高度h及噴嘴噴灑角度θ計算出單個噴嘴噴灑寬度w1，因為每組噴嘴包含兩個并列的噴嘴，所以噴灑系統(tǒng)的噴灑寬度w＝2*w1；ii、計算需要開啟的噴嘴組數(shù)k1設噴灑面積為s，用藥量為vol，預先設定無人機速度為va，噴灑面積及用藥量源數(shù)據(jù)在步驟a中獲得，預先設定無人機速度源數(shù)據(jù)在步驟a中的飛行航線數(shù)據(jù)中獲取，噴灑寬度w在計算過程i中獲得，由此計算出無人機噴灑農藥的總流量a，公式如下：在所受水泵壓力恰好使噴霧均勻時的噴灑效率最高，此時的壓力值也常作為噴嘴工作的最小壓力pmin，此時單個噴嘴的噴灑流量為則一組噴嘴的流量為可以求出所需的開啟的噴嘴組數(shù)為k，此時k若為小數(shù)，不滿足實際情況，可k取數(shù)軸上比k小且離k最近的整數(shù)k1，然后通過加大壓力的方式，補償剩余所需流量；iii、增壓補償流量r計算設在pmin下，采用k1組噴嘴后，為滿足噴灑總流量a的需求，單組噴嘴還需補充的流量r，公式為r＝(k-k1)*(2*a)iv、最佳巡航速度va1計算單個噴嘴所受水泵壓力從pmin增加到pmax時，單個噴嘴的流量增加量為b，則壓力后，已開啟所有噴嘴總流量相比pmin時增加量為(2*b)*k1。若r大于(2*b)*k1。，即無法通過增加壓強來滿足噴灑總流量為a的需求，則可以通過適當?shù)姆怕w行速度來增加流量；使水泵壓強最大時，噴嘴噴灑流量最大，此時飛機飛行速度變化量最小，對于作業(yè)效率降低最?。粏蝹€噴嘴在水泵壓力最大時的流量為(a+b)，則單組噴嘴的總流量為2*(a+b)；假設無人機在速度為va1，噴嘴總流量為2*(a+b)*k1時，正好能使vol升農藥均勻噴灑在面積為s的農田上，則應該滿足如下關系式，從而可以求出最佳飛機巡航速度va1；若r小于(2*b)*k,即可以通過增加壓強來滿足噴灑總流量為a的需求，巡航速度為飛行航線任務中的巡航速度信息；c.在進行植保作業(yè)時，輔控芯片b捕獲流量計輸出的脈沖信號，根據(jù)脈沖信號的頻率計算出單個噴嘴噴灑的農藥的流量，然后對每個噴嘴的流量數(shù)據(jù)進行檢測，檢測結果分為三種情況：a、每個噴嘴流量均處于設定的最低值之上；b、單個噴嘴流量處于最低值之下；c、每個噴嘴流量均處于最低值之下；在檢測情況為a時，求取流量的均值，當做反饋信號用于流量控制；在檢測情況為b時，關閉水泵，并發(fā)送故障指令1給fcs，fcs收到指令后，記錄當前的gps坐標并返航；在檢測情況為c時，關閉水泵，并發(fā)送故障指令2給fcs，fcs收到指令后，記錄當前的gps坐標并返航，故障指令1表示某一個或多個噴嘴的噴灑狀態(tài)異常，故障指令2表示所有噴嘴的噴灑狀態(tài)異常；d.正常作業(yè)時，流量檢測結果為a，根據(jù)反饋回來的流量信息，可以對噴灑量進行控制，首先從fcs獲取當前無人機飛行的速度，通過無人機飛行速度和單個噴嘴流量，可以計算單個噴嘴的流量a1為：其中此處h0和ca0為飛機的實際高度和速度，將期望流量與當前流量做差經(jīng)過pid運算，生成pwm占空比的修正量，輸出給電源模塊，控制水泵壓力，使單個噴嘴流速發(fā)生變化，使無人機噴灑更加均勻，該流量再由流量計發(fā)送給輔控芯片b，為步驟b作數(shù)據(jù)參考；即當飛機正常作業(yè)時，也可以通過飛行速度和飛行當fcs檢測到動力電池低電量時，發(fā)送關機指令給isms，isms關閉水泵及所有常閉進水閥，fcs記錄當前gps坐標，返航。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的一種智能植保無人機的控制管理系統(tǒng)及其控制方法，在需要不同的噴藥量時，智能選擇要開啟的噴嘴數(shù)量，來決定噴藥量的大小。在噴藥量需求較小時，通過減少噴嘴數(shù)量來減小噴藥量，能使噴霧仍然維持在一個較好的狀態(tài)。同時可以做到高度變化不大，速度變化不大的情況下，改變噴藥量。既能改變噴藥量大小，也能維持較高的噴藥效率。在噴藥過程中，通過引入飛行速度、飛行高度及噴嘴流量的信號，進行閉環(huán)控制。在使得飛機在加減速、勻速或轉向的同時，附著在農作物上的藥物量盡可能一致。附圖說明圖1是本發(fā)明的結構示意圖；圖2是無人機上的噴嘴示意圖；圖3為流量控制流程圖。具體實施方式下面結合附圖詳細說明本發(fā)明的優(yōu)選技術方案。如圖1所示，本發(fā)明的一種智能植保無人機的控制管理系統(tǒng)及其控制方法，用于解決植保無人機在噴灑農藥時噴灑不均勻，以及改變作業(yè)對象時，噴灑效果一致性變差的問題；主要由兩大模塊組成：飛行控制系統(tǒng)和智能噴灑管理系統(tǒng)。飛行控制系統(tǒng)包含主控芯片a、姿態(tài)傳感器、差分gps、氣壓計、無線電數(shù)傳、動力電量檢測模塊等；智能噴灑管理系統(tǒng)包含：輔控芯片b、流量計、電源模塊、水泵及常閉電磁閥(常閉電磁閥分為六個進水閥，見圖一)等，系統(tǒng)結構框圖見圖1，圖中細線連接部分將采用電氣連接，粗線箭頭連接的地方采用水管連接；所述常閉電磁閥外設置有噴灑裝置，常閉電磁閥與噴灑裝置之間還設置有流量計，常閉電磁閥、流量計、噴頭依次管道連接，所述流量計電氣連接輔控芯片b；所述所述噴灑裝置包括六個噴嘴，六個噴嘴按機頭方向三行兩列安裝在飛機底部，其中每行為一組噴嘴，共三組噴組，均向下噴灑農藥。飛行控制系統(tǒng)的主要功能是：根據(jù)姿態(tài)傳感器和gps給出的姿態(tài)、位置及速度信息，控制飛機在噴灑作業(yè)時的飛行軌跡及飛行速度。與地面站通信，并在工作工程中，與噴灑管理系統(tǒng)實時通信：1、發(fā)送開始工作和停止工作信號給噴灑管理系統(tǒng)；2、發(fā)送高度信息、速度信息給噴灑管理系統(tǒng)，并從噴灑管理系統(tǒng)獲取期望速度；3、從噴灑管理系統(tǒng)中獲取工作狀態(tài)字，當獲取藥量為零或噴嘴故障的信號時，記錄當前gps位置。記錄的gps位置可以作為下次作業(yè)的起始點。智能噴灑管理系統(tǒng)的主要功能是：1、依據(jù)設定噴藥量大小，通過主控芯片結合提前設置的噴嘴的參數(shù)，決定要開啟的噴嘴的數(shù)量，并將開關信號輸出給電源，給需要開啟的噴嘴所對應的常閉電磁閥供電，開啟相應噴嘴，不同的無人機可掛載的噴嘴數(shù)量不同，本系統(tǒng)最多支持控制6個噴嘴。2、從流量計處獲取四個噴嘴的流量信息，當所有噴嘴的流量數(shù)據(jù)均正常時，結合當前的飛行高度、飛行速度，計算出當前的控制量，輸出控制信號給電源模塊來控制水泵壓力小幅度變化，進一步控制己開啟的噴嘴的出藥量，保證均勻噴藥。3、檢測到單個噴嘴的流量處于異常時，關閉水泵，給飛控發(fā)出單個噴嘴異常的信號。檢測到所有噴嘴流量均處于一個較低值時，關閉水泵，給飛控發(fā)出藥量不足的信號。飛行控制系統(tǒng)選型：主控芯片a選擇stm32f407zgt6，姿態(tài)傳感器選擇x-sens的mti-300，差分gpa采用諾瓦泰oem-617機載板卡及其配套基站，氣壓計選擇ms5611。智能噴灑管理系統(tǒng)選型：輔控芯片b選擇stm32f103zet6；水泵采用普蘭迪pld-1202微型隔膜水泵，最大壓力0.6mpa；流量計采用okd-hz06s霍爾流量傳感器，常閉電磁閥選用dc12v常閉進水閥，電源模塊基于開關三極管設計。另外，在詳細說明時，采用某品牌vp110噴嘴，其在不同壓力下的流量表如表1所示：壓力(mpa)流量(升/分鐘)0.20.450.30.550.40.63表1噴嘴參數(shù)表具體的，噴嘴在植保無人機下的安裝圖示意如圖2，其中1、2、3為一組，4、5、6為一組，每個噴嘴對應一個流量計，每個流量計又對用一個進水閥。本系統(tǒng)的工作過程介紹如下，在介紹中以下名詞將采用括號內的簡寫代替：飛行控制系統(tǒng)(fcs)，噴灑管理系統(tǒng)(isms)。a.給fcs設定飛行航線、噴灑面積和用藥量。其中飛行航線包括了飛機自動飛行時的經(jīng)緯度、高度及速度信息；b.將噴灑面積、用藥量及飛行航線中的飛行高度數(shù)據(jù)發(fā)送給isms，isms根據(jù)這些數(shù)據(jù)計算出需要開啟的最佳噴嘴組數(shù)及飛機巡航速度，巡航速度發(fā)送給fcs用于控制飛行速度，具體計算方式如下：i、計算噴灑系統(tǒng)噴灑寬度w根據(jù)飛行高度h、農作物高度h及噴嘴噴灑角度θ計算出單個噴嘴噴灑寬度w1，因為每組噴嘴包含兩個并列的噴嘴，所以噴灑系統(tǒng)的噴灑寬度w＝2*w1；ii、計算需要開啟的噴嘴組數(shù)k1設噴灑面積為s，用藥量為vol，預先設定無人機速度為va，噴灑面積及用藥量源數(shù)據(jù)在步驟a中獲得，預先設定無人機速度源數(shù)據(jù)在步驟a中的飛行航線數(shù)據(jù)中獲取，噴灑寬度w在計算過程i中獲得，由此計算出無人機噴灑農藥的總流量a，公式如下：在所受水泵壓力恰好使噴霧均勻時的噴灑效率最高，此時的壓力值也常作為噴嘴工作的最小壓力pmin，此時單個噴嘴的噴灑流量為則一組噴嘴的流量為可以求出所需的開啟的噴嘴組數(shù)為k，此時k若為小數(shù)，不滿足實際情況，可k取數(shù)軸上比k小且離k最近的整數(shù)k1，然后通過加大壓力的方式，補償剩余所需流量；iii、增壓補償流量r計算設在pmin下，采用k1組噴嘴后，為滿足噴灑總流量a的需求，單組噴嘴還需補充的流量r，公式為r＝(k-k1)*(2*a)iv、最佳巡航速度va1計算單個噴嘴所受水泵壓力從pmin增加到pmax時，單個噴嘴的流量增加量為b，則壓力后，已開啟所有噴嘴總流量相比pmin時增加量為(2*b)*k1。若r大于(2*b)*k1。，即無法通過增加壓強來滿足噴灑總流量為a的需求，則可以通過適當?shù)姆怕w行速度來增加流量；使水泵壓強最大時，噴嘴噴灑流量最大，此時飛機飛行速度變化量最小，對于作業(yè)效率降低最??；單個噴嘴在水泵壓力最大時的流量為(a+b)，則單組噴嘴的總流量為2*(a+b)；假設無人機在速度為va1，噴嘴總流量為2*(a+b)*k1時，正好能使vol升農藥均勻噴灑在面積為s的農田上，則應該滿足如下關系式，從而可以求出最佳飛機巡航速度va1；若r小于(2*b)*k,即可以通過增加壓強來滿足噴灑總流量為a的需求，巡航速度為飛行航線任務中的巡航速度信息；c.在進行植保作業(yè)時，輔控芯片b捕獲流量計輸出的脈沖信號，根據(jù)脈沖信號的頻率計算出單個噴嘴噴灑的農藥的流量，然后對每個噴嘴的流量數(shù)據(jù)進行檢測，檢測結果分為三種情況：a、每個噴嘴流量均處于設定的最低值之上；b、單個噴嘴流量處于最低值之下；c、每個噴嘴流量均處于最低值之下；在檢測情況為a時，求取流量的均值，當做反饋信號用于流量控制；在檢測情況為b時，關閉水泵，并發(fā)送故障指令1給fcs，fcs收到指令后，記錄當前的gps坐標并返航；在檢測情況為c時，關閉水泵，并發(fā)送故障指令2給fcs，fcs收到指令后，記錄當前的gps坐標并返航，故障指令1表示某一個或多個噴嘴的噴灑狀態(tài)異常，故障指令2表示所有噴嘴的噴灑狀態(tài)異常；d.正常作業(yè)時，流量檢測結果為a，根據(jù)反饋回來的流量信息，可以對噴灑量進行控制，首先從fcs獲取當前無人機飛行的速度，通過無人機飛行速度和單個噴嘴流量，可以計算單個噴嘴的流量a1為：其中此處h0和va0為飛機的實際高度和速度此處h0和va0為飛機的實際高度和速度。將期望流量與當前流量做差得到流量誤差，流量誤差經(jīng)過pid(比例、微分和積分)控制器運算，生成pwm(脈沖寬度調制)占空比的修正量，輸出給電源模塊，控制水泵壓力，使單個噴嘴流速發(fā)生變化，使無人機噴灑更加均勻，該流量再由流量計發(fā)送給輔控芯片b，為步驟b作數(shù)據(jù)參考；pid控制器是由比例單元、積分單元和微分單組成。pid控制器可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和差別的出現(xiàn)率來調整輸入值，這樣可以使系統(tǒng)更加準確，更加穩(wěn)定。pwm(脈沖寬度調制)是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應載荷的變化來調制晶體管基極或mos管柵極的偏置，來實現(xiàn)晶體管或mos管導通時間的改變，從而實現(xiàn)電源模塊輸出的改變，并使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定。即當飛機正常作業(yè)時，也可以通過飛行速度和飛行當fcs檢測到動力電池低電量時，發(fā)送關機指令給isms，isms關閉水泵及所有常閉進水閥，fcs記錄當前gps坐標，返航。當前第1頁12