一種變量噴灑農(nóng)藥的無人機以及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無人機的應(yīng)用技術(shù)，特別涉及一種變量噴灑農(nóng)藥的無人機以及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在當前高昂的人工成本和日愈增大的種地面積下，農(nóng)戶對農(nóng)田作業(yè)機械化的需求 越來越高，而植保無人機成為一種質(zhì)量好、效率高、對人體危害低的作業(yè)機械。從上世紀80 年代的日本開始，無人機應(yīng)用于農(nóng)作物噴粉等工作，現(xiàn)在已經(jīng)成為植保無人機應(yīng)用的典范。
[0003] 目前植保無人機在田間的飛行速度并不均勻，而噴藥速度保持不變，在起飛和轉(zhuǎn) 彎過程中都需要一段速度較慢持續(xù)時間較長的加速情況，使得在這段時間內(nèi)在飛機下方形 成一塊過度噴撒的區(qū)域，同時在某些速度較快的地方則形成欠噴灑區(qū)域。
[0004] 為了解決上述問題，有研究者提出了一種可以控制噴藥量的無人機，公布號CN 104041477A的專利文獻公開了一種遙控飛行植保無人機噴藥系統(tǒng)，包括電子調(diào)節(jié)器，電子 調(diào)節(jié)器的電源端外接電池，電子調(diào)節(jié)器的輸入端與信號接收器電連接，電子調(diào)節(jié)器的輸出 端與打藥泵的電源端電連接，打藥泵的輸入端接有吸液管，吸液管端布置于藥液桶中，打藥 泵的輸出端通過藥液輸送管與噴藥裝置連接，信號接收器與遙控器無線連接。本發(fā)明結(jié)構(gòu) 簡單、緊湊，通過電子調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)供給打藥泵的電量，在飛機飛行速度的改變的同時，打藥 泵吸取的藥液量發(fā)生變化，從而實現(xiàn)噴藥裝置藥液量的供給變化。
[0005] 上述無人機通過外來遙控信號來調(diào)節(jié)噴藥量，雖然可以對噴藥量進行一定程度的 調(diào)節(jié)，但是，由于外來的遙控信號的準確性卻很難控制，為此，為了提高調(diào)節(jié)的準確性，又有 研究者提出了一種無人機噴藥方法，公布號CN102591302A的專利文獻公開了一種無人機 噴灑農(nóng)藥的作業(yè)方法，所述方法包括如下步驟：計算噴灑系統(tǒng)參數(shù)W、K及單位面積的噴灑 藥量P，并通過地面站傳輸?shù)綗o人機的飛行控制系統(tǒng)中；GPS模塊獲取無人機的飛行速度v; 飛行控制系統(tǒng)根據(jù)噴灑系統(tǒng)參數(shù)W、K、單位面積的噴灑藥量P及飛行速度V計算出液泵控 制電壓U;液泵控制電壓U驅(qū)動液泵工作，并通過噴頭將農(nóng)藥噴灑出去。該作業(yè)方法可根據(jù) 不同農(nóng)作物的特點、農(nóng)藥種類、農(nóng)藥稀釋比例、單位面積的噴灑藥量P并結(jié)合無人機的飛行 速度V，精確計算出液泵控制電壓U，實現(xiàn)對噴灑流量的精確控制，從而使得單位面積上的 農(nóng)藥噴灑量均勻一致，提高了無人機噴灑農(nóng)藥的適應(yīng)性，有效地減少了農(nóng)藥的浪費及對環(huán) 境的污染。
[0006] 但是通過GPS檢測到的飛行速度有誤差較大，在實際應(yīng)用中效果并不理想，為此， 有必要對無人機的飛行速度的檢測做更進一步的研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明提出了一種變量噴灑農(nóng)藥的無人機，提高農(nóng)藥噴灑的均勻度，避免農(nóng)藥過 度噴灑對植株的傷害以及欠噴造成效果不達標。
[0008] -種變量噴灑農(nóng)藥的無人機，包括機身和安裝在機身上的噴藥系統(tǒng)以及根據(jù)機身 飛行速度控制噴藥系統(tǒng)噴藥量的控制系統(tǒng)，還包括鏡頭朝下用于檢測無人機的飛行速度的 光流傳感器，所述光流傳感器的信號輸出端與控制系統(tǒng)連接。
[0009] 本發(fā)明通過設(shè)置在機身上光流傳感器檢測機身的飛行速度，與現(xiàn)有的檢測方式相t匕，響應(yīng)速度更快，檢測數(shù)據(jù)更準確，從而使噴藥系統(tǒng)根據(jù)機身飛行速度來調(diào)節(jié)噴藥量的準 確性提高，提高農(nóng)藥噴灑的均勻度，避免農(nóng)藥過度噴灑對植株的傷害或欠噴造成噴藥效果 不達標，保證所有植株正常生長。
[0010] 通過光流傳感器可以同時測試機身的線速度和旋轉(zhuǎn)角速度，在轉(zhuǎn)彎過程中，機身 各部分的飛行線速度不同，如果此時仍按同一噴藥流量進行噴灑，仍會造成一定程度的噴 灑不均勻。因此，為了進一步提高本發(fā)明的噴灑均勻性，優(yōu)選的，所述噴藥系統(tǒng)包括至少兩 套噴藥單元，每套噴藥單元包括一組噴嘴，所有噴嘴沿機身橫向排列；每套噴藥單元分別受 控于所述控制系統(tǒng)，用以調(diào)節(jié)對應(yīng)一組噴嘴的噴藥量。每組噴嘴覆蓋一定噴藥寬幅，所有噴 嘴覆蓋的噴藥寬幅為總噴藥寬幅。
[0011] 不同組的噴嘴所在機身的飛行速度各不相同，通過光流傳感器檢測對應(yīng)各組噴嘴 所在機身的飛行速度，然后通過控制系統(tǒng)根據(jù)檢測到的機身的不同速度，分別調(diào)節(jié)各組噴 嘴的噴藥量，從而使噴灑到各植株上的藥液更均勻。
[0012] 為了更準確地控制噴藥量，優(yōu)選的，每套噴藥單元還包括藥箱、噴桿以及將藥液自 藥箱輸送至噴桿的輸液泵，所述噴桿上設(shè)有對應(yīng)一組噴嘴；所述輸液泵通過電路接入并受 控于所述控制系統(tǒng)以調(diào)節(jié)噴藥量。通過控制輸液泵來控制噴藥量，精度高，技術(shù)成熟，且容 易通過電信號控制。
[0013] 為了便于計算，減小計算誤差，優(yōu)選的，所述光流傳感器安裝在機身的中心軸上， 光流傳感器的鏡頭朝向機身的正下方。鏡頭在拍攝過程中，畫面的中心位置一直對應(yīng)在機 身的中心軸上，因此，可以簡化通過特定點計算機身的飛行線速度和角速度的過程。
[0014] 理論上，噴藥單元設(shè)置的數(shù)量越多，則噴藥的均勻性越好，但是會增加制造成本， 由于對于轉(zhuǎn)彎的機身，左右側(cè)的飛行速度差異較大，且機身的體積較小的情況下，優(yōu)選的， 所述噴藥單元設(shè)有兩套，噴桿結(jié)構(gòu)相同，對稱布置在機身的中心軸的兩側(cè)。
[0015] 本發(fā)明還提供了一種使用無人機變量噴藥的方法，包括下述步驟：
[0016] (1)采用光流法檢測無人機的飛行速度；
[0017] (2)根據(jù)飛行速度調(diào)節(jié)噴藥量的變化。
[0018] 通過光流法檢測無人機的飛行速度，與現(xiàn)有的檢測方式相比，響應(yīng)速度更快，檢測 數(shù)據(jù)更準確，從而使噴藥系統(tǒng)根據(jù)機身飛行速度來調(diào)節(jié)噴藥量的準確性提高，提高農(nóng)藥噴 灑的均勻度，避免農(nóng)藥過度噴灑對植株的傷害或欠噴造成噴藥效果不達標，保證所有植株 正常生長。
[0019] 為了更準確地控制噴藥量，優(yōu)選的，步驟（2)中，通過控制輸液泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)噴 藥量。電機轉(zhuǎn)速控制技術(shù)成熟，且容易通過電信號控制。
[0020] 通過光流法可以同時測試無人機的線速度和旋轉(zhuǎn)角速度，在轉(zhuǎn)彎過程中，無人機 各部分的飛行線速度不同，如果此時仍按同一噴藥流量進行噴灑，仍會造成一定程度的噴 灑不均勻。因此，為了進一步提高本發(fā)明的噴灑均勻性，優(yōu)選的，步驟（1)中，根據(jù)噴藥寬 幅，將機身分成若干部分，每部分機身設(shè)有對應(yīng)的噴藥單元，檢測各部分的飛行速度；
[0021] 步驟（2)中，根據(jù)機身各部分飛行速度不同，分別調(diào)節(jié)對應(yīng)噴藥單元的噴藥量。不 同組的噴嘴所在機身的飛行速度各不相同，通過光流法檢測對應(yīng)各組噴藥單元的噴嘴所在 部分機身的飛行速度，然后分別調(diào)節(jié)各組噴嘴的噴藥量，從而使噴灑到各植株上的藥液更 均勻。
[0022] 優(yōu)選的，步驟（1)中，將機身分為左右兩部分，兩側(cè)機身設(shè)有對應(yīng)的噴藥單元，兩 側(cè)具有相同的噴藥寬幅，右側(cè)機身的飛行線速度為：
[0023]
【主權(quán)項】
1. 一種變量噴灑農(nóng)藥的無人機，包括機身和安裝在機身上的噴藥系統(tǒng)以及根據(jù)機身飛 行速度控制噴藥系統(tǒng)噴藥量的控制系統(tǒng)，其特征在于，還包括鏡頭朝下用于檢測無人機的 飛行速度的光流傳感器，所述光流傳感器的信號輸出端與控制系統(tǒng)連接。
2. 如權(quán)利要求1所述的變量噴灑農(nóng)藥的無人機，其特征在于，所述噴藥系統(tǒng)包括至少 兩套噴藥單元，每套噴藥單元包括一組噴嘴，所有噴嘴沿機身橫向排列； 每套噴藥單元分別受控于所述控制系統(tǒng)，用以調(diào)節(jié)對應(yīng)一組噴嘴的噴藥量。
3. 如權(quán)利要求2所述的變量噴灑農(nóng)藥的無人機，其特征在于，每套噴藥單元還包括藥 箱、噴桿以及將藥液自藥箱輸送至噴桿的輸液泵，所述噴桿上設(shè)有對應(yīng)一組噴嘴；所述輸液 泵通過電路接入并受控于所述控制系統(tǒng)以調(diào)節(jié)噴藥量。
4. 如權(quán)利要求3所述的變量噴灑農(nóng)藥的無人機，其特征在于，所述光流傳感器安裝在 機身的中心軸上，光流傳感器的鏡頭朝向機身的正下方。
5. 如權(quán)利要求4所述的變量噴灑農(nóng)藥的無人機，其特征在于，所述噴藥單元設(shè)有兩套， 噴桿結(jié)構(gòu)相同，對稱布置在機身的中心軸的兩側(cè)。
6. -種使用無人機變量噴藥的方法，其特征在于，包括下述步驟： (1) 采用光流法檢測無人機的飛行速度； (2) 根據(jù)飛行速度調(diào)節(jié)噴藥量的變化。
7. 如權(quán)利要求6所述的使用無人機變量噴藥的方法，其特征在于，步驟（2)中，通過控 制輸液泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)噴藥量。
8. 如權(quán)利要求6所述的使用無人機變量噴藥的方法，其特征在于，步驟（1)中，根據(jù)噴 藥寬幅，將機身分成若干部分，每部分機身設(shè)有對應(yīng)的噴藥單元，檢測各部分的飛行速度； 步驟（2)中，根據(jù)機身各部分飛行速度不同，分別調(diào)節(jié)對應(yīng)噴藥單元的噴藥量。
9. 如權(quán)利要求8所述的使用無人機變量噴藥的方法，其特征在于，步驟（1)中，將機身 分為左右兩部分，兩側(cè)機身設(shè)有對應(yīng)的噴藥單元，兩側(cè)具有相同的噴藥寬幅，右側(cè)機身的飛 行線速度為：
左側(cè)機身的飛行線速度為：
L為機身的總噴藥寬幅，'為當前機身的線速度，a當前機身的旋轉(zhuǎn)角速度，角速度以 逆時針旋轉(zhuǎn)為正； 步驟（2)中，根據(jù)左、右機身不同的飛行速度，分別調(diào)節(jié)左、右機身對應(yīng)噴藥單元的噴 藥量。
10. 如權(quán)利要求7所述的使用無人機變量噴藥的方法，其特征在于，步驟（2)，供藥流量 與飛行速度的關(guān)系式如下： F=QV2A F為輸液泵供藥流量，Q為種植地面單位面積的噴藥量，A為噴藥寬幅，V2為對應(yīng)機身線 速度。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種變量噴灑農(nóng)藥的無人機，包括機身和安裝在機身上的噴藥系統(tǒng)以及根據(jù)機身飛行速度控制噴藥系統(tǒng)噴藥量的控制系統(tǒng)，還包括鏡頭朝下用于檢測無人機的飛行速度的光流傳感器，所述光流傳感器的信號輸出端與控制系統(tǒng)連接。本發(fā)明還公開了一種使用無人機變量噴藥的方法，本發(fā)明的變量噴灑農(nóng)藥的無人機以及方法，可以有效提高農(nóng)藥噴灑的均勻度，避免農(nóng)藥過度噴灑對植株的傷害或欠噴造成噴藥效果不達標，保證植株正常生長，還降低了農(nóng)藥的使用量，節(jié)約成本；并且實現(xiàn)全自動控制，提高了自動化水平，降低了操作難度。
【IPC分類】A01M7-00, B64D1-18
【公開號】CN104554725
【申請?zhí)枴緾N201410659751
【發(fā)明人】何勇, 張艷超, 劉飛
【申請人】浙江大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2014年11月18日