CN106681400B - 一种适用于无人机的变量喷施*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于无人机的变量喷施***，包括喷施执行装置和控制***，所述喷射执行装置包括药箱箱体、流量传感器、药液泵、喷头浓度控制器以及喷头，其中，所述药箱箱体包括多个独立的分格药箱，每个分格药箱下方通过药液管道依次连接所述流量传感器、药液泵和喷头浓度控制器；每条管路上串接有单向阀和单向阀控制开关；所述控制***包括设在地面上的地面遥控装置和设在无人机上的机上控制装置，所述机上控制装置包括无线传输模块、存储模块、和电力模块。该变量喷施***中的变量喷施装置在工作时能够在喷头的流量恒定的前提下实现变量喷施，且具有喷施范围精确，喷施效果好。

Description

一种适用于无人机的变量喷施***

技术领域

本发明涉及无人机植保装备研究领域，具体涉及一种适用于无人机的变量喷施***。

背景技术

目前我国是世界上化肥、农药总施用量最高的国家，约占世界总消费量的30％，与此同时，因化肥、农药过度使用带来的农业面源污染问题日趋严峻，由其引发的资源、环境、生态等问题突出，给农业可持续发展造成了不利影响。为了从根源上改善这一问题，世界各国对低量、高效和精准施药技术的发展潜力及应用前景有着广泛共识，纷纷研发基于机器视觉、变量喷施(变量喷施是指根据农田内各个小区域中作物病虫草害的具体情况，向受害区域均匀准确地喷施所需用量的农药)等技术的精准农业无人机施药技术与装备。

目前无人机变量喷施装置大多是用电信号实现对阀门的开关控制、或是基于对喷施***液压泵的调速或对伺服阀门的闭环控制以实现基于压力的变量喷雾，也就是保持喷施药液的浓度不变，通过改变喷施药液的流量来改变药液中有效成分的量，这种方法在工作中存在以下不足：

1、喷施过程中流量的变化是通过喷施压力的变化来实现的，而喷嘴的雾化器在某一特定的压力下会有最佳的雾化效果，因此喷施压力的变化会导致雾化器不能处于最佳的工作状态，导致雾化效果变差，进而影响农药的实际使用效果。

2、喷施流量的变化，会导致喷施出来的药液的作用范围发生变化，这就容易导致部分农作物区域出现漏喷或者重喷，使得药液分布不均匀，影响施药效果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适用于无人机的变量喷施***，该变量喷施***中的变量喷施装置在工作时能够在喷头的流量恒定的前提下实现变量喷施，且具有喷施范围精确，喷施效果好的优点。

本发明的另一个目的在于提供一种应用上述适用于无人机的变量喷施***实现的无人机变量喷施方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

一种适用于无人机的变量喷施***，包括喷施执行装置和控制***；

所述喷施执行装置包括药箱箱体、流量传感器、药液泵、喷头浓度控制器以及喷头，其中，所述药箱箱体包括多个独立的分格药箱，每个分格药箱下方通过药液管道依次连接所述流量传感器、药液泵和喷头浓度控制器；所述喷头浓度控制器包括M*N条管路，所述N为分格药箱的数量，所述M为喷头的数量，与每个分格药箱连接的所述药液管道在喷头浓度控制器中分成M条管路分别与M个喷头连接，每条管路上串接有单向阀和单向阀控制开关；所述分格药箱和喷头的数量均为多个；每个分格药箱中存储不同浓度的农药；

所述控制***包括设在地面上的地面遥控装置和设在无人机上的机上控制装置，所述机上控制装置包括无线传输模块、存储模块、控制模块和电力模块，其中，所述控制模块分别与所述流量传感器、药液泵以及单向阀控制开关连接，所述地面遥控装置用于对机上控制装置进行远程控制，所述无线传输模块用于与地面遥控装置进行无线通信，所述存储模块用于存储数据，所述电力模块用于为机上控制装置上的各个用电模块供电；

通过控制单向阀控制开关打开选择具体的分格药箱的药液，通过对药液泵的流量控制，确保各管路的药液流量，各个喷头以恒定的流量喷出特定浓度的农药。

上述变量喷施***的工作原理是：在植保无人机工作前，利用航拍无人机采集田间图像信息，同时由机载GPS定位***获取田间的定位信息，然后利用计算机对采集到的田间图像信息进行处理，分析出不同地块作物受病虫害情况，进而根据分析结果制作出变量喷施处方图，再根据变量喷施处方图规划出无人机变量喷施的飞行路线，最后将变量喷施处方图和飞行路线的数据编译成指令代码库传输到的存储器中，等待指令被发送和执行。

在喷施执行装置中，根据规划的变量喷施处方图，确定要获得理想喷施效果所需的各分格药箱农药浓度配比并配置农药，每个分格药箱中存储不同浓度的农药。植保无人机开始工作时，地面遥控装置将飞行路径指令以及变量喷施指令发送给无人机执行，无人机按指定的飞行路径飞行进行喷施作业，作业过程中喷头浓度控制器按预定规划控制各喷头喷施指定浓度农药，实施定点变浓度变量喷雾，定点变浓度变量喷雾的具体过程是：变量喷施指令由地面遥控装置发送给无线传输模块接收并存储到存储模块中，并由控制模块执行；每个喷头在某个作业位置上所喷施的农药有效成分的量根据变量喷施处方图已预先确定，因此在确保喷施流量不变的前提下，在该作业位置中喷头喷出的农药的浓度也可以计算确定，以该浓度为目标实现现场调配，具体是计算得出需要采用哪些分格药箱的农药以及每个分格药箱的量，通过控制单向阀控制开关打开选择具体的分格药箱的药液，通过对药液泵的流量控制，确保各管路的药液流量，并通过流量控制器监控实时的药液流量，实现闭环控制，最终实现各个喷头以恒定的流量喷出特定浓度的农药，实现变量精准喷施。

本发明的一个优选方案，其中，每个单独的分格药箱上端面设有进药口，进药口上设有药箱盖，药箱盖上开有通气孔，以便于加药和通气；下部设有出药口和杂质导流槽，所述出药口和杂质导流槽位于各分格药箱最低端，以便于药液的充分喷施以及杂质的排出。

本发明的一个优选方案，其中，所述多个分格药箱沿直线排列在一起，这样，可以减轻药液浪涌振荡，减轻无人机晃动，增加飞行稳定性并提高作业质量。

本发明的一个优选方案，其中，所述药液泵为无人机专用隔膜泵，通过接受控制模块的控制信号来改变流体流量，控制精度高、效果好。

一种应用上述适用于无人机的变量喷施***实现的无人机变量喷施方法，包括以下步骤：

a、利用遥感无人机对待施药地块进行遥感信息采集，获取所需的精确喷施目标的信息；所述遥感信息用于分析农作物的病虫草害程度；

b、做目标地块处方图，该处方图的内容包括各个区域所要喷施的农药的浓度，确定要获得理想喷施效果所需的各分格药箱农药浓度配比并配置农药；

c、规划无人机精准喷施飞行路线及飞行路线沿线各点位喷头浓度变化组合喷施方式；

d、无人机载药起飞，按照规划路线飞行；

e、喷头浓度控制器按预定规划控制各喷头喷施指定浓度农药，实施定点变浓度变量喷雾，每个喷头的喷施流量保持恒定，具体通过控制单向阀控制开关打开选择具体的分格药箱的药液，通过对药液泵的流量控制，确保各管路的药液流量，使各个喷头以恒定的流量喷出设特浓度的农药；流量传感器实时记录并反馈各分格药箱药液喷施情况；

f、喷施作业结束，无人机返航。

本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：

1、可以依据作物对药液浓度的实际需求进行变浓度变量喷施，针对性更强，效果更直接，大大突出了农业航空施药应急准确的显著优势，符合精准农业的特点，达到节约农药和保护环境的目的。

2、各个喷头既可喷出同一浓度的药液，也可以喷出不同浓度的药液进行空中混药，使农药在地面沉积浓度更加均匀，有效提高了农药利用率。

3、本发明药箱箱体由一个整体药箱变为几个装有不同浓度药液的分格药箱，可以减轻药液浪涌振荡，减轻无人机晃动，增加飞行稳定性并提高作业质量。

4、采用变浓度的方式进行变量喷施，可以使喷头压力、流量一直保持恒定，避免了喷射流体通路和雾化机理的改变，有效保证了雾化效果。

5、本发明药箱结构简单，成本低，外形可根据不同无人机的机体型廓而设计变化，可适用于大多数植保无人机进行精准变量喷施作业。

6、由于每个喷头的流量保持不变，使喷施范围确定，因此植保无人机在返程喷施的过程中能够明确喷施的边界，不会出现漏喷和重喷现象，使喷射范围更加精准。

附图说明

图1为本发明的一种适用于无人机的变量喷施***的一个具体实施方式中喷施执行装置的立体结构图。

图2为本发明的一种适用于无人机的变量喷施***的结构框图。

图3为图1所示的喷施执行装置中的喷头浓度控制器的结构示意图。

图4为图1所示的喷施执行装置中的药箱的结构图示意图。

图5为图1所示的喷施执行装置中的药液泵的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

参见图1-图5，本发明的适用于无人机的变量喷施***包括喷施执行装置4和控制***5。

所述喷施执行装置4包括药箱箱体1、流量传感器32、药液泵31、喷头浓度控制器33以及喷头21，其中，所述药箱箱体1包括多个独立的分格药箱，每个分格药箱下方通过药液管道2依次连接所述流量传感器32、药液泵31和喷头浓度控制器33；所述喷头浓度控制器33包括M*N条管路，所述N为分格药箱的数量，所述M为喷头21的数量，与每个分格药箱连接的所述药液管道2在喷头浓度控制器33中分成M条管路分别与M个喷头21连接，每条管路上串接有单向阀331和单向阀控制开关332。

参见图2，所述控制***5包括设在地面上的地面遥控装置7和设在无人机上的机上控制装置，所述机上控制装置6包括无线传输模块、存储模块、控制模块3和电力模块，其中，所述控制模块3分别与所述流量传感器32、药液泵31以及单向阀控制开关332连接，所述地面遥控装置7用于对机上控制装置6进行远程控制，所述无线传输模块用于与地面遥控装置7进行无线通信，所述存储模块用于存储数据，所述电力模块用于为机上控制装置6上的各个用电模块供电。

参见图4，每个单独的分格药箱上端面设有进药口11，进药口11上设有药箱盖，药箱盖上开有通气孔，以便于加药和通气；下部设有出药口13和杂质导流槽12，所述出药口13和杂质导流槽12位于各分格药箱最低端，以便于药液的充分喷施以及杂质的排出。

参见图1和图4，所述多个分格药箱沿直线排列在一起，这样，可以减轻药液浪涌振荡，减轻无人机晃动，增加飞行稳定性并提高作业质量。

参见图1图5，所述药液泵31为无人机专用隔膜泵，通过接受控制模块3的控制信号来改变流体流量，控制精度高、效果好。

下面结合附图对上述适用于无人机的变量喷施***的工作原理作进一步的描述：

参见图1-图5，在植保无人机工作前，利用航拍无人机采集田间图像信息，同时由机载GPS定位***获取田间的定位信息，然后利用计算机对采集到的田间图像信息进行处理，分析出不同地块作物受病虫害情况，进而根据分析结果制作出变量喷施处方图，再根据变量喷施处方图规划出无人机变量喷施的飞行路线，最后将变量喷施处方图和飞行路线的数据编译成指令代码库传输到地面遥控装置7的存储器中，等待指令被发送和执行。

在喷施执行装置4中，根据规划的变量喷施处方图，确定要获得理想喷施效果所需的各分格药箱农药浓度配比并配置农药，每个分格药箱中存储不同浓度的农药。植保无人机开始工作时，地面遥控装置7将飞行路径指令以及变量喷施指令发送给无人机执行，无人机按指定的飞行路径飞行进行喷施作业，作业过程中喷头浓度控制器33按预定规划控制各喷头21喷施指定浓度农药，实施定点变浓度变量喷雾，定点变浓度变量喷雾的具体过程是：变量喷施指令由地面遥控装置7发送给无线传输模块接收并存储到存储模块中，并由控制模块3执行；每个喷头21在某个作业位置上所喷施的农药有效成分的量根据变量喷施处方图已预先确定，因此在确保喷施流量不变的前提下，在该作业位置中喷头21喷出的农药的浓度也可以计算确定，以该浓度为目标实现现场调配，具体是计算得出需要采用哪些分格药箱的农药以及每个分格药箱的量，通过控制单向阀控制开关332打开选择具体的分格药箱的药液，通过对药液泵31的流量控制，确保各管路的药液流量，并通过流量控制器监控实时的药液流量，实现闭环控制，最终实现各个喷头21以恒定的流量喷出特定浓度的农药，实现变量精准喷施。

参见图1-图5，本发明的应用上述适用于无人机的变量喷施***实现的无人机变量喷施方法，包括以下步骤：

a、利用遥感无人机对待施药地块进行遥感信息采集，获取所需的精确喷施目标的信息；

b、做目标地块处方图，确定要获得理想喷施效果所需的各分格药箱农药浓度配比并配置农药；

c、规划无人机精准喷施飞行路线及飞行路线沿线各点位喷头21浓度变化组合喷施方式；

d、无人机载药起飞，按照规划路线飞行；

e、喷头浓度控制器33按预定规划控制各喷头21喷施指定浓度农药，实施定点变浓度变量喷雾，流量传感器32实时记录并反馈各分格药箱药液喷施情况；

f、喷施作业结束，无人机返航。

上述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内容的限制，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。

Claims (5)

1.一种适用于无人机的变量喷施***，包括喷施执行装置和控制***，其特征在于：

所述喷施执行装置包括药箱箱体、流量传感器、药液泵、喷头浓度控制器以及喷头，其中，所述药箱箱体包括多个独立的分格药箱，每个分格药箱下方通过药液管道依次连接所述流量传感器、药液泵和喷头浓度控制器；所述喷头浓度控制器包括M*N条管路，所述N为分格药箱的数量，所述M为喷头的数量，与每个分格药箱连接的所述药液管道在喷头浓度控制器中分成M条管路分别与M个喷头连接，每条管路上串接有单向阀和单向阀控制开关；所述分格药箱和喷头的数量均为多个；每个分格药箱中存储不同浓度的农药；

所述控制***包括设在地面上的地面遥控装置和设在无人机上的机上控制装置，所述机上控制装置包括无线传输模块、存储模块、控制模块和电力模块，其中，所述控制模块分别与所述流量传感器、药液泵以及单向阀控制开关连接，所述地面遥控装置用于对机上控制装置进行远程控制，所述无线传输模块用于与地面遥控装置进行无线通信，所述存储模块用于存储数据，所述电力模块用于为机上控制装置上的各个用电模块供电；

通过控制单向阀控制开关打开选择具体的分格药箱的药液，通过对药液泵的流量控制，确保各管路的药液流量，各个喷头以恒定的流量喷出特定浓度的农药。

2.根据权利要求1所述的适用于无人机的变量喷施***，其特征在于，每个单独的分格药箱上端面设有进药口，进药口上设有药箱盖，药箱盖上开有通气孔；下部设有出药口和杂质导流槽，所述出药口和杂质导流槽位于各分格药箱最低端。

3.根据权利要求1所述的适用于无人机的变量喷施***，其特征在于，所述多个分格药箱沿直线排列在一起。

4.根据权利要求1所述的适用于无人机的变量喷施***，其特征在于，所述药液泵为无人机专用隔膜泵。

5.一种应用权利要求1-4任一项所述的适用于无人机的变量喷施***实现的无人机变量喷施方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、利用遥感无人机对待施药地块进行遥感信息采集，获取所需的精确喷施目标的信息；所述遥感信息用于分析农作物的病虫草害程度；

b、做目标地块处方图，该处方图的内容包括各个区域所要喷施的农药的浓度，确定要获得理想喷施效果所需的各分格药箱农药浓度配比并配置农药；

c、规划无人机精准喷施飞行路线及飞行路线沿线各点位喷头浓度变化组合喷施方式；

d、无人机载药起飞，按照规划路线飞行；

e、喷头浓度控制器按预定规划控制各喷头喷施指定浓度农药，实施定点变浓度变量喷雾，每个喷头的喷施流量保持恒定，具体通过控制单向阀控制开关打开选择具体的分格药箱的药液，通过对药液泵的流量控制，确保各管路的药液流量，使各个喷头以恒定的流量喷出特定浓度的农药，流量传感器实时记录并反馈各分格药箱药液喷施情况；

f、喷施作业结束，无人机返航。