CN104554725B - 一种变量喷洒农药的无人机以及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变量喷洒农药的无人机，包括机身和安装在机身上的喷药***以及根据机身飞行速度控制喷药***喷药量的控制***，还包括镜头朝下用于检测无人机的飞行速度的光流传感器，所述光流传感器的信号输出端与控制***连接。本发明还公开了一种使用无人机变量喷药的方法，本发明的变量喷洒农药的无人机以及方法，可以有效提高农药喷洒的均匀度，避免农药过度喷洒对植株的伤害或欠喷造成喷药效果不达标，保证植株正常生长，还降低了农药的使用量，节约成本；并且实现全自动控制，提高了自动化水平，降低了操作难度。
Description
技术领域
本发明涉及无人机的应用技术，特别涉及一种变量喷洒农药的无人机以及方法。
背景技术
在当前高昂的人工成本和日愈增大的种地面积下，农户对农田作业机械化的需求越来越高，而植保无人机成为一种质量好、效率高、对人体危害低的作业机械。从上世纪80年代的日本开始，无人机应用于农作物喷粉等工作，现在已经成为植保无人机应用的典范。
目前植保无人机在田间的飞行速度并不均匀，而喷药速度保持不变，在起飞和转弯过程中都需要一段速度较慢持续时间较长的加速情况，使得在这段时间内在飞机下方形成一块过度喷撒的区域，同时在某些速度较快的地方则形成欠喷洒区域。
为了解决上述问题，有研究者提出了一种可以控制喷药量的无人机，公布号CN104041477 A的专利文献公开了一种遥控飞行植保无人机喷药***，包括电子调节器，电子调节器的电源端外接电池，电子调节器的输入端与信号接收器电连接，电子调节器的输出端与打药泵的电源端电连接，打药泵的输入端接有吸液管，吸液管端布置于药液桶中，打药泵的输出端通过药液输送管与喷药装置连接，信号接收器与遥控器无线连接。本发明结构简单、紧凑，通过电子调节器，调节供给打药泵的电量，在飞机飞行速度的改变的同时，打药泵吸取的药液量发生变化，从而实现喷药装置药液量的供给变化。
上述无人机通过外来遥控信号来调节喷药量，虽然可以对喷药量进行一定程度的调节，但是，由于外来的遥控信号的准确性却很难控制，为此，为了提高调节的准确性，又有研究者提出了一种无人机喷药方法，公布号CN 102591302 A的专利文献公开了一种无人机喷洒农药的作业方法，所述方法包括如下步骤：计算喷洒***参数W、K及单位面积的喷洒药量P，并通过地面站传输到无人机的飞行控制***中；GPS模块获取无人机的飞行速度v；飞行控制***根据喷洒***参数W、K、单位面积的喷洒药量P及飞行速度V计算出液泵控制电压U；液泵控制电压U驱动液泵工作，并通过喷头将农药喷洒出去。该作业方法可根据不同农作物的特点、农药种类、农药稀释比例、单位面积的喷洒药量P并结合无人机的飞行速度V，精确计算出液泵控制电压U，实现对喷洒流量的精确控制，从而使得单位面积上的农药喷洒量均匀一致，提高了无人机喷洒农药的适应性，有效地减少了农药的浪费及对环境的污染。
但是通过GPS检测到的飞行速度有误差较大，在实际应用中效果并不理想，为此，有必要对无人机的飞行速度的检测做更进一步的研究。
发明内容
本发明提出了一种变量喷洒农药的无人机，提高农药喷洒的均匀度，避免农药过度喷洒对植株的伤害以及欠喷造成效果不达标。
一种变量喷洒农药的无人机，包括机身和安装在机身上的喷药***以及根据机身飞行速度控制喷药***喷药量的控制***，还包括镜头朝下用于检测无人机的飞行速度的光流传感器，所述光流传感器的信号输出端与控制***连接。
本发明通过设置在机身上光流传感器检测机身的飞行速度，与现有的检测方式相比，响应速度更快，检测数据更准确，从而使喷药***根据机身飞行速度来调节喷药量的准确性提高，提高农药喷洒的均匀度，避免农药过度喷洒对植株的伤害或欠喷造成喷药效果不达标，保证所有植株正常生长。
通过光流传感器可以同时测试机身的线速度和旋转角速度，在转弯过程中，机身各部分的飞行线速度不同，如果此时仍按同一喷药流量进行喷洒，仍会造成一定程度的喷洒不均匀。因此，为了进一步提高本发明的喷洒均匀性，优选的，所述喷药***包括至少两套喷药单元，每套喷药单元包括一组喷嘴，所有喷嘴沿机身横向排列；每套喷药单元分别受控于所述控制***，用以调节对应一组喷嘴的喷药量。每组喷嘴覆盖一定喷药宽幅，所有喷嘴覆盖的喷药宽幅为总喷药宽幅。
不同组的喷嘴所在机身的飞行速度各不相同，通过光流传感器检测对应各组喷嘴所在机身的飞行速度，然后通过控制***根据检测到的机身的不同速度，分别调节各组喷嘴的喷药量，从而使喷洒到各植株上的药液更均匀。
为了更准确地控制喷药量，优选的，每套喷药单元还包括药箱、喷杆以及将药液自药箱输送至喷杆的输液泵，所述喷杆上设有对应一组喷嘴；所述输液泵通过电路接入并受控于所述控制***以调节喷药量。通过控制输液泵来控制喷药量，精度高，技术成熟，且容易通过电信号控制。
为了便于计算，减小计算误差，优选的，所述光流传感器安装在机身的中心轴上，光流传感器的镜头朝向机身的正下方。镜头在拍摄过程中，画面的中心位置一直对应在机身的中心轴上，因此，可以简化通过特定点计算机身的飞行线速度和角速度的过程。
理论上，喷药单元设置的数量越多，则喷药的均匀性越好，但是会增加制造成本，由于对于转弯的机身，左右侧的飞行速度差异较大，且机身的体积较小的情况下，优选的，所述喷药单元设有两套，喷杆结构相同，对称布置在机身的中心轴的两侧。
本发明还提供了一种使用无人机变量喷药的方法，包括下述步骤：
(1)采用光流法检测无人机的飞行速度；
(2)根据飞行速度调节喷药量的变化。
通过光流法检测无人机的飞行速度，与现有的检测方式相比，响应速度更快，检测数据更准确，从而使喷药***根据机身飞行速度来调节喷药量的准确性提高，提高农药喷洒的均匀度，避免农药过度喷洒对植株的伤害或欠喷造成喷药效果不达标，保证所有植株正常生长。
为了更准确地控制喷药量，优选的，步骤(2)中，通过控制输液泵的转速来调节喷药量。电机转速控制技术成熟，且容易通过电信号控制。
通过光流法可以同时测试无人机的线速度和旋转角速度，在转弯过程中，无人机各部分的飞行线速度不同，如果此时仍按同一喷药流量进行喷洒，仍会造成一定程度的喷洒不均匀。因此，为了进一步提高本发明的喷洒均匀性，优选的，步骤(1)中，根据喷药宽幅，将机身分成若干部分，每部分机身设有对应的喷药单元，检测各部分的飞行速度；
步骤(2)中，根据机身各部分飞行速度不同，分别调节对应喷药单元的喷药量。不同组的喷嘴所在机身的飞行速度各不相同，通过光流法检测对应各组喷药单元的喷嘴所在部分机身的飞行速度，然后分别调节各组喷嘴的喷药量，从而使喷洒到各植株上的药液更均匀。
优选的，步骤(1)中，将机身分为左右两部分，两侧机身设有对应的喷药单元，两侧具有相同的喷药宽幅，右侧机身的飞行线速度为：
左侧机身的飞行线速度为：
L为机身的总喷药宽幅，V1为当前机身的线速度，α当前机身的旋转角速度，角速度以逆时针旋转为正；
步骤(2)中，根据左、右机身不同的飞行速度，分别调节左、右机身对应喷药单元的喷药量。仅设置两套喷药单元对应左、右侧机身速度差异的情况，控制左、右两侧的喷药量，可以最有效提高无人机的喷药均匀性。
优选的，步骤(2)，供药流量与飞行速度的关系式如下：
F＝QV2A
F为输液泵供药流量，Q为种植地面单位面积的喷药量，A为喷药宽幅，V2为对应机身线速度。
本发明的有益效果：
本发明的变量喷洒农药的无人机以及方法，可以有效提高农药喷洒的均匀度，避免农药过度喷洒对植株的伤害或欠喷造成喷药效果不达标，保证植株正常生长，还降低了农药的使用量，节约成本；并且实现全自动控制，提高了自动化水平，降低了操作难度。
附图说明
图1为本发明的无人机的结构示意图。
图2为本发明的无人机底部的结构示意图。
图3为本发明的镜头拍摄的高刷新率的数据样式图。
图4为控制***的线路布置的结构示意图。
具体实施方式
如图1～4所示，本实施例的无人机包括机身1和安装在机身1上的镜头21朝下用于检测无人机的飞行速度的光流传感器2，喷药***3，根据机身飞行速度控制喷药***3喷药量的控制***4以及显示当前流量的显示***5。
本实施例中，无人机的机身1为单旋翼的无人机，也可以采用多旋翼式的无人机。
光流传感器2位于机身1下方，由ADNS3080配合一个镜头21设计而成，安装在机身1的中心轴11上，镜头21朝下布置。光流传感器2通过自稳云台22与机身1连接，自稳云台22与机身1通过软弹性硅胶小球23相连接，减少机身低频震动对光流传感器2的干扰。
喷药***3包括两套喷药单元，每套喷药单元包括药箱31、喷杆32以及将药液自药箱31输送至喷杆32的输液泵33，喷杆32上设有一组喷嘴34，两喷杆32结构相同，对称布置在机身1的中心轴11的两侧，输液泵33采用直流齿轮泵。其中，药箱可以共用，这样就不会因为各药箱内药液量的变化而印象机身平衡，可以更好地保持机身平衡。也可以将两个药箱通过管路汇总后再进行供液，也可以达到保持机身平衡的效果。控制***4分别控制输液泵33的转速来控制各喷药单元的喷药量。
控制***4为MCU，采用ArduinoUno，光流传感器2通过SPI串行总线与ArduinoUno通信；显示***5包括安装板51，显示屏52，以及调节单位面积喷药量的两个按键53，模式切换键54，返回键55，四个按键分别与ArduinoUno的GPIO口相连，ArduinoUno采集按键开关产生的高沿次数进行累加，显示屏52采用LCD1602，ArduinoUno通过数据总线与LCD1602通讯。
ArduinoUno与各输液泵33的高频直流电机驱动板35以及ADNS3080的电路连接如图4所示。
还设有霍尔元件6组成的流量传感器测量喷药***3的总流量，并直接显示在LCD1062上。霍尔元件与流量关系为，：
F＝0.222*SpinCount+320.7
刷新周期为25ms，其中F为单位时间内流量，SpinCount为霍尔传感器在单位时间内产生的高沿数，上述流量与高沿数的关系式由如下数据拟合曲线得到：
| 编号 | F | Spincount | 编号 | F | Spincount | 编号 | F | Spincount |
| 1 | 210 | 618 | 11 | 540 | 2108 | 21 | 758 | 3047 |
| 2 | 240 | 765 | 12 | 565 | 2196 | 22 | 768 | 3101 |
| 3 | 271 | 965 | 13 | 587 | 2300 | 23 | 790 | 3205 |
| 4 | 301 | 1086 | 14 | 600 | 2363 | 24 | 808 | 3272 |
| 5 | 338 | 1246 | 15 | 638 | 2467 | 25 | 818 | 3312 |
| 6 | 372 | 1387 | 16 | 645 | 2562 | 26 | 830 | 3388 |
| 7 | 403 | 1534 | 17 | 663 | 2629 | 27 | 841 | 3446 |
| 8 | 433 | 1650 | 18 | 687 | 2726 | 28 | 855 | 3494 |
| 9 | 488 | 1879 | 19 | 707 | 2814 | 29 | 863 | 3548 |
| 10 | 515 | 1992 | 20 | 720 | 2878 | 30 | 872 | 3583 |
| 编号 | F | Spincount | 编号 | F | Spincount | 编号 | F | Spincount |
| 31 | 887 | 3639 | 41 | 995 | 4161 | 51 | 1098 | 4617 |
| 32 | 888 | 3647 | 42 | 1014 | 4182 | 52 | 1103 | 4643 |
| 33 | 918 | 3752 | 43 | 1012 | 4202 | 53 | 1111 | 4683 |
| 34 | 922 | 3810 | 44 | 1032 | 4317 | 54 | 1119 | 4708 |
| 35 | 944 | 3909 | 45 | 1048 | 4348 | 55 | 1130 | 4776 |
| 36 | 952 | 3948 | 46 | 1058 | 4419 | 56 | 1138 | 4852 |
| 37 | 963 | 3992 | 47 | 1070 | 4487 | 57 | 1157 | 4904 |
| 38 | 978 | 4053 | 48 | 1021 | 4502 | 58 | 1172 | 5003 |
| 39 | 990 | 4109 | 49 | 1081 | 4532 | 59 | 1191 | 5097 |
| 40 | 1000 | 4155 | 50 | 1095 | 4591 |
本实施例的无人机使用过程如下：
1、启动光流传感器，光流传感器的镜头在30pixel×30pixel内提供高刷新率的实时速度计算，所得数据样式如图3所示，会得到该图像中各个特征点的行走速度和轴向旋转速度，通过计算得到机身的为结合角速度α和线速度V，并得到左、右侧机身的线速度，
右侧机身的飞行线速度为：
左侧机身的飞行线速度为：
L为机身的总喷药宽幅，V1为当前机身的线速度，α当前机身的旋转角速度，角速度以逆时针旋转为正；
2、控制***4接收上述左、右机身线速度的数据，按照如下公式分别计算左、右侧机身所需的喷药速度，并控制对应的输液泵的转速调节流量，供药流量与飞行速度的关系式如下：
F＝QV2A
F为输液泵供药流量，Q为种植地面单位面积的喷药量，A为喷药宽幅，V2为对应机身线速度。
左右侧喷药宽幅相同，都为0.5L，带入上述公式，对应计算出左、右两侧喷药单元所需的喷药流量，分别为：
3、MCU输出相应的PWM控制信号给齿轮泵的高频直流电机驱动板35，驱动齿轮泵电机按照所需流量进行旋转，得要所需的流量，喷药流量与PWM匹配函数为：
F＝8.396e-5*PWM3-0.04924*PWM2+11.93*PWM-49.03
关系式由如下数据拟合曲线得到：
综上所述，本实施例的变量喷洒农药的无人机以及方法，可以有效提高农药喷洒的均匀度，避免农药过度喷洒对植株的伤害或欠喷造成喷药效果不达标，保证植株正常生长，还降低了农药的使用量，节约成本；并且实现全自动控制，提高了自动化水平，降低了操作难度。
Claims (3)
1.一种使用无人机变量喷药的方法，其特征在于，
使用的变量喷洒农药的无人机，包括机身和安装在机身上的喷药***以及根据机身飞行速度控制喷药***喷药量的控制***，还包括镜头朝下用于检测无人机的飞行速度的光流传感器，所述光流传感器的信号输出端与控制***连接；
所述喷药***包括两套喷药单元，每套喷药单元包括一组喷嘴，所有喷嘴沿机身横向排列；
每套喷药单元分别受控于所述控制***，用以调节对应一组喷嘴的喷药量；
每套喷药单元还包括药箱、喷杆以及将药液自药箱输送至喷杆的输液泵，所述喷杆上设有对应一组喷嘴；
所述输液泵通过电路接入并受控于所述控制***以调节喷药量；
所述光流传感器安装在机身的中心轴上，光流传感器的镜头朝向机身的正下方；
两套喷药单元的喷杆结构相同，对称布置在机身的中心轴的两侧；
包括下述步骤：
(1)采用光流法检测无人机的飞行速度；
(2)根据飞行速度调节喷药量的变化；
步骤(2)中，根据机身各部分飞行速度不同，分别调节对应喷药单元的喷药量；
步骤(1)中，将机身分为左右两部分，两侧机身设有对应的喷药单元，两侧具有相同的喷药宽幅，右侧机身的飞行线速度为：
左侧机身的飞行线速度为：
L为机身的总喷药宽幅，V1为当前机身的线速度，α当前机身的旋转角速度，角速度以逆时针旋转为正；
步骤(2)中，根据左、右机身不同的飞行速度，分别调节左、右机身对应喷药单元的喷药量。
2.如权利要求1所述的使用无人机变量喷药的方法，其特征在于，步骤(2)中，通过控制输液泵的转速来调节喷药量。
3.如权利要求1所述的使用无人机变量喷药的方法，其特征在于，步骤(2)，供药流量与飞行速度的关系式如下：
F＝QV2A
F为输液泵供药流量，Q为种植地面单位面积的喷药量，A为喷药宽幅，V2为对应部分机身的线速度。
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