專利名稱:一種植保無人機(jī)專用飛控系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種植保無人機(jī)專用飛控系統(tǒng),包括無人機(jī)植保綜合管理模塊、高度控制子模塊、航路導(dǎo)航控制子模塊，噴霧控制子模塊。植保綜合管理模塊管理航路導(dǎo)航、噴霧作業(yè)、飛行高度控制以及作業(yè)參數(shù)設(shè)定等交互功能；高度控制子模塊測(cè)量無人機(jī)距離作物冠層的距離，并保持無人機(jī)的作業(yè)高度，降低自然風(fēng)影響而產(chǎn)生的霧滴飄失，保證了作業(yè)效果；航路導(dǎo)航控制子模塊使無人機(jī)沿預(yù)設(shè)作業(yè)航路飛行，做到精確導(dǎo)航；噴霧控制子模塊依據(jù)無人機(jī)的作業(yè)位置實(shí)時(shí)控制植保作業(yè)開關(guān)，有效避免農(nóng)藥的漏噴和重噴。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了植保無人機(jī)的自主飛行控制，鉛垂升力與水平推力的驅(qū)動(dòng)解耦保證控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)單可靠，減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，避免農(nóng)藥漏噴或重噴。
【專利說明】一種植保無人機(jī)專用飛控系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于農(nóng)用航空植保領(lǐng)域，涉及一種針對(duì)驅(qū)動(dòng)解耦植保無人機(jī)平臺(tái)的飛控系統(tǒng)，使之具備沿預(yù)設(shè)的飛行航路進(jìn)行植保作業(yè)，保持作業(yè)高度，避免出現(xiàn)農(nóng)藥漏噴、重噴或嚴(yán)重霧滴飄失。
技術(shù)背景
[0002]與傳統(tǒng)的田間人工噴灑農(nóng)藥作業(yè)相比，植保無人機(jī)噴灑農(nóng)藥有著非常明顯的優(yōu)勢(shì):無人機(jī)作業(yè)效率高，農(nóng)藥對(duì)作業(yè)人員的危害較小，大幅度減小作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，霧滴漂移少，霧流對(duì)農(nóng)作物的穿透性明顯加強(qiáng)，對(duì)病蟲草害防治效果良好，無人機(jī)不需要專用的升降場(chǎng)地，機(jī)動(dòng)性能良好。同時(shí)也推動(dòng)了我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化、數(shù)字化的發(fā)展進(jìn)程。
[0003]植保無人機(jī)施藥時(shí)，需穩(wěn)定在距離作物2?3米的高空上平穩(wěn)低速飛行并噴灑藥液。目前植保無人機(jī)多采用遙控直升機(jī)或多旋翼無人機(jī)作為作業(yè)平臺(tái)。無人直升機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其飛行過程中存在鉛垂方向升力和水平推力耦合問題，一方面加大了直升機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制算法的復(fù)雜性，另一方面也提高其遙操作的復(fù)雜性，因此需要對(duì)無人機(jī)遙控者進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)。多旋翼無人機(jī)作為植保作業(yè)平臺(tái)，其載重相對(duì)直升機(jī)小的多，主要原因是采用了多個(gè)小尺寸螺旋槳，效率低，而且由于電源不能過大，其持續(xù)作業(yè)時(shí)間較短。因此在多旋翼無人機(jī)作業(yè)過程中需要多次的返回加藥和更換電池，工作效率低，也造成了能源的浪費(fèi)。
[0004]一種驅(qū)動(dòng)解耦的無人機(jī)平臺(tái)有效的解決了現(xiàn)有無人機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作困難，負(fù)載低的問題。所謂驅(qū)動(dòng)解耦植保無人機(jī)平臺(tái)僅需要實(shí)現(xiàn)鉛垂方向升降運(yùn)動(dòng)、一定飛行高度下的平面運(yùn)動(dòng)。無人機(jī)平臺(tái)在高度上的升降僅由其鉛垂方向的大旋翼提供升力，而無人機(jī)平臺(tái)相對(duì)機(jī)身前后方向運(yùn)動(dòng)僅由左右兩個(gè)小旋翼提供推力，無人機(jī)平臺(tái)相對(duì)機(jī)身左右方向運(yùn)動(dòng)僅由前后兩個(gè)小旋翼提供推力，因此該無人機(jī)平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)力是完全解耦的。該平臺(tái)極大地適應(yīng)了無人機(jī)作為專業(yè)植保平臺(tái)的作業(yè)需求。
[0005]現(xiàn)有植保無人機(jī)大多是人工遙控操作的，不帶自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)，噴灑藥液的準(zhǔn)確性差，漏噴現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。而基于GPS導(dǎo)航的無人機(jī)飛控系統(tǒng)控制無人機(jī)沿預(yù)設(shè)的飛行航路進(jìn)行植保作業(yè)，但其植保過程中易出現(xiàn)的航路誤差或作業(yè)高度不穩(wěn)定，從而極大地影響植保作業(yè)效果，極易造成農(nóng)藥漏噴、重噴或霧滴飄失嚴(yán)重?，F(xiàn)有無人機(jī)飛控系統(tǒng)無法適應(yīng)驅(qū)動(dòng)解耦的無人機(jī)平臺(tái)進(jìn)行植保作業(yè)的需求，因而無法直接配置應(yīng)用到此類驅(qū)動(dòng)解耦的植保無人機(jī)上作為其植保飛行控制系統(tǒng)。
[0006]綜上所述，針對(duì)現(xiàn)有植保無人機(jī)存在的問題和不足，發(fā)明一種針對(duì)低成本、高負(fù)載、驅(qū)動(dòng)解耦植保無人機(jī)的飛控系統(tǒng)具有非常重要的實(shí)際意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)現(xiàn)有各種植保無人機(jī)平臺(tái)存在的不足，克服現(xiàn)有飛控導(dǎo)航系統(tǒng)無法直接應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)解耦的植保無人機(jī)平臺(tái)，本實(shí)用新型提供了一種適合于驅(qū)動(dòng)解耦植保無人機(jī)平臺(tái)的飛控系統(tǒng)，并使之不僅具備依據(jù)設(shè)置的作業(yè)路線進(jìn)行導(dǎo)航，而且在作業(yè)過程中使無人機(jī)保持預(yù)定的噴藥高度的特點(diǎn)。
[0008]本實(shí)用新型一種植保無人機(jī)專用飛控系統(tǒng)采用的技術(shù)方案:包括無人機(jī)植保綜合管理模塊、高度控制子模塊、航路導(dǎo)航控制子模塊，噴霧控制子模塊。所述無人機(jī)植保綜合管理模塊作為整個(gè)無人機(jī)控制的核心，管理航路導(dǎo)航控制子模塊、噴霧作業(yè)控制子模塊、飛行高度控制子模塊的信息交換以及實(shí)現(xiàn)作業(yè)參數(shù)設(shè)定等人機(jī)交互功能。所述高度控制子模塊可以測(cè)量無人機(jī)距離作物冠層的距離，并且實(shí)時(shí)調(diào)整無人機(jī)鉛垂方向升力使之穩(wěn)定在作業(yè)高度上。所述航路導(dǎo)航控制子模塊使無人機(jī)沿預(yù)設(shè)作業(yè)航路飛行，同時(shí)可以隨時(shí)調(diào)整飛行過程中出現(xiàn)的航路誤差，做到精確導(dǎo)航。所述噴霧控制子模塊依據(jù)植保無人機(jī)的作業(yè)位置實(shí)時(shí)控制植保作業(yè)開關(guān)，有效避免農(nóng)藥的漏噴和重噴。
[0009]所述的無人機(jī)植保綜合管理模塊，包括飛控處理單元、信息接收單元、控制信息輸出單元。所述的飛控處理單元選用DSP處理器，該芯片集成有豐富的外圍接口，具備浮點(diǎn)運(yùn)算能力、計(jì)算精度高、能提高控制輸出精度。所述的信息接收單元包括高度信息輸入接口、飛行信息輸入接口、無線傳輸模塊和無線信息輸入接口。所述的控制信息輸出單元包括高度控制信息輸出接口、飛行姿態(tài)調(diào)整信息輸出接口和噴藥控制信息輸出接口。所述的高度信息輸入接口采用UART接口與飛控處理單元通訊。所述的飛行信息輸入接口的SPI接口與飛控處理單元通訊。所述的無線傳輸模塊經(jīng)無線信息輸入接口與飛控處理單元進(jìn)行遠(yuǎn)程通信。
[0010]所述的高度控制子模塊包括超聲波測(cè)高裝置和高度控制單元。所述的超聲波測(cè)高裝置測(cè)量無人機(jī)與作物冠層的實(shí)際距離，也即是測(cè)量出無人機(jī)的飛行高度。所述的高度控制單元包括油門舵機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、大旋翼。所述油門舵機(jī)利用測(cè)高傳感單元反饋的信息調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)油門大小，控制輸出動(dòng)力大小，進(jìn)而控制大旋翼的旋轉(zhuǎn)速度，調(diào)整無人機(jī)鉛垂向的升力。測(cè)高傳感單元經(jīng)過高度信息輸入接口進(jìn)入飛控處理單元，經(jīng)飛控處理單元計(jì)算后，再經(jīng)高度控制信息輸出接口輸出控制參數(shù)，控制油門舵機(jī)的油門大小，以控制大旋翼速度，進(jìn)而調(diào)整無人機(jī)高度。
[0011]所述的航路導(dǎo)航控制子模塊包括飛行參數(shù)傳感單元和飛行姿態(tài)調(diào)整單元。所述的飛行參數(shù)傳感單元包括GPS裝置、6軸運(yùn)動(dòng)處理組件和電子羅盤。所述的GPS裝置通過飛行信息輸入接口送入飛控處理單元，GPS裝置獲取無人機(jī)的空間位置和飛行速度信息，用于控制無人機(jī)沿著預(yù)定航路進(jìn)行作業(yè)。所述的6軸運(yùn)動(dòng)處理組件為3軸陀螺儀和3軸加速器儀組合模塊，用于測(cè)量無人機(jī)空間三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度的偏轉(zhuǎn)角度和三個(gè)平移自由度的加速度值。所述電子羅盤利用內(nèi)置磁阻效應(yīng)傳感器，用于確定無人機(jī)相對(duì)地磁場(chǎng)的絕對(duì)航向角。所述的6軸運(yùn)動(dòng)處理組件和電子羅盤采用MEMS傳感器，各傳感器信號(hào)通過AD轉(zhuǎn)換后由飛行信息輸入接口送入飛控處理單元。所述飛行姿態(tài)調(diào)整單元分為前后向姿態(tài)調(diào)整模塊和左右向姿態(tài)調(diào)整模塊，每個(gè)模塊均包括機(jī)身兩側(cè)與其相應(yīng)的電子調(diào)速器、電機(jī)和小旋翼。所述電子調(diào)速器與電機(jī)連接，電機(jī)隨著電子調(diào)速器輸出的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流的大小和方向變化改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，小旋翼和電機(jī)共軸連接，產(chǎn)生不同推力帶動(dòng)無人機(jī)調(diào)整飛行姿態(tài)。所述的飛行參數(shù)傳感單元經(jīng)過飛行信息輸入接口進(jìn)入飛控處理單元，飛控處理單元根據(jù)飛行參數(shù)傳感單元獲取無人機(jī)GPS位置信息和姿態(tài)信息進(jìn)行計(jì)算，得出無人機(jī)姿態(tài)調(diào)整參數(shù)，再經(jīng)飛行姿態(tài)調(diào)整信息輸出接口輸出控制參數(shù)，改變電子調(diào)速器的輸出電流大小和方向，以控制小旋翼速度，進(jìn)而調(diào)整無人機(jī)的飛行姿態(tài)和水平速度。
[0012]所述的噴霧控制子模塊包括繼電器、電動(dòng)隔膜泵和噴頭組。所述的繼電器與電動(dòng)隔膜泵連接，用于控制電動(dòng)隔膜泵開關(guān)。所述的電動(dòng)隔膜泵通過藥液管與噴頭組連接，用于將藥液從藥液箱中泵出。所述的噴頭組用于將藥液霧化噴灑到空中，再由無人機(jī)的下洗氣流夾帶霧滴到作物表面。所述的噴藥控制信息輸出接口與繼電器連接，飛控處理單元依據(jù)是否到達(dá)噴霧區(qū)域進(jìn)行繼電器開關(guān)的控制，從而控制電動(dòng)隔膜泵是否進(jìn)行噴霧作業(yè)。
[0013]一種植保無人機(jī)專用飛控系統(tǒng)的控制流程如下:
[0014]I)植保無人機(jī)平臺(tái)通過無線信息輸入接口接收地面站預(yù)先設(shè)定的飛行高度和規(guī)劃的噴霧航路數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在飛控處理單元中。
[0015]2)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，油門舵機(jī)控制油門大小，大旋翼加速旋轉(zhuǎn)，無人機(jī)平穩(wěn)起飛，同時(shí)超聲波測(cè)高裝置開始工作，不斷的把無人機(jī)離地面的高度信息反饋給無人機(jī)飛控，油門舵機(jī)根據(jù)所反饋的高度信息控制發(fā)動(dòng)機(jī)油門大小，維持大旋翼一定的轉(zhuǎn)速使無人機(jī)穩(wěn)定在作業(yè)高度。
[0016]3)GPS裝置將實(shí)時(shí)位置信息反饋給無人機(jī)飛控處理單元，航路導(dǎo)航控制子模塊4個(gè)電子調(diào)速器根據(jù)反饋的路線信息控制輸出電流大小，使對(duì)應(yīng)的4個(gè)小旋翼分別以不同的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向開始轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)無人機(jī)沿著作業(yè)路線飛行。左右小旋翼控制無人機(jī)沿著作物行運(yùn)動(dòng)(由A到B)，前后小旋翼控制無人機(jī)橫向移動(dòng)進(jìn)行換行作業(yè)(由B到C)。
[0017]4)當(dāng)無人機(jī)運(yùn)行到指定高度和指定位置時(shí)，繼電器控制電動(dòng)隔膜泵開始工作，噴頭開始噴藥，如果不符合噴藥位置則停止作業(yè)，直至無人機(jī)調(diào)整到作業(yè)位置再進(jìn)行作業(yè)。
[0018]本實(shí)用新型一種驅(qū)動(dòng)解耦植保無人機(jī)的控制系統(tǒng)及控制方法的有益效果是:
[0019]I)實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)解耦植保無人機(jī)的飛行控制，鉛垂方向升力與水平推力的驅(qū)動(dòng)解耦保證控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)單可靠。；
[0020]2)植保無人機(jī)的起飛、作業(yè)和降落整個(gè)過程實(shí)現(xiàn)了自主飛行，具備沿預(yù)設(shè)的飛行航路進(jìn)行植保作業(yè)，能應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜地形，減輕遙操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，避免農(nóng)藥漏噴或重噴；
[0021]3)植保無人機(jī)能保持作業(yè)高度，降低噴霧作業(yè)中由于自然風(fēng)的影響，從而產(chǎn)生的嚴(yán)重霧滴飄失，保證了作業(yè)效果；
[0022]4)作業(yè)過程中，噴藥控制比較嚴(yán)格，避免了藥液的浪費(fèi)，同時(shí)也減少了對(duì)環(huán)境的污染。

【附圖說明】

[0023]圖1是本實(shí)用新型的控制流程圖；
[0024]圖2是本實(shí)用新型的高度控制環(huán)節(jié)；
[0025]圖3是本實(shí)用新型的航向控制環(huán)節(jié)；
[0026]圖4是本實(shí)用新型的速度控制環(huán)節(jié)；
[0027]圖5是本實(shí)用新型的姿態(tài)控制環(huán)節(jié)；
[0028]圖6是本實(shí)用新型的田間作業(yè)圖。
[0029]圖中:1、GPS裝置2、超聲波測(cè)高裝置3、電子羅盤4、六軸運(yùn)動(dòng)處理組件5、油門舵機(jī)6、發(fā)動(dòng)機(jī)7、大旋翼8、繼電器9、電動(dòng)隔膜泵10、噴頭組

【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型專利進(jìn)行進(jìn)一步描述。本實(shí)用新型一種植保無人機(jī)專用飛控系統(tǒng)采用的技術(shù)方案:包括無人機(jī)植保綜合管理模塊、高度控制子模塊、航路導(dǎo)航控制子模塊，噴霧控制子模塊。所述無人機(jī)植保綜合管理模塊作為整個(gè)無人機(jī)控制的控制核心，管理航路導(dǎo)航控制子模塊、噴霧作業(yè)控制子模塊、飛行高度控制子模塊的信息交換以及實(shí)現(xiàn)作業(yè)參數(shù)設(shè)定等人機(jī)交互功能。所述高度控制子模塊可以測(cè)量無人機(jī)距離作物冠層的距離，并且實(shí)時(shí)調(diào)整無人機(jī)鉛垂方向升力使之穩(wěn)定在作業(yè)高度上。所述航路導(dǎo)航控制子模塊使無人機(jī)沿預(yù)設(shè)作業(yè)航路飛行，同時(shí)可以隨時(shí)調(diào)整飛行過程中出現(xiàn)的航路誤差，做到精確導(dǎo)航。所述噴霧控制子模塊依據(jù)植保無人機(jī)的作業(yè)位置實(shí)時(shí)控制植保作業(yè)開關(guān)，有效避免農(nóng)藥的漏噴和重噴。
[0031]所述的無人機(jī)植保綜合管理模塊，包括飛控處理單元、信息接收單元、控制信息輸出單元。所述的飛控處理單元選用DSP處理器，該芯片集成有豐富的外圍接口，具備浮點(diǎn)運(yùn)算能力、計(jì)算精度高、能提高控制輸出精度。所述的信息接收單元包括高度信息輸入接口、飛行信息輸入接口、無線傳輸模塊和無線信息輸入接口。所述的控制信息輸出單元包括高度控制信息輸出接口、飛行姿態(tài)調(diào)整信息輸出接口和噴藥控制信息輸出接口。所述的高度信息輸入接口采用UART接口與飛控處理單元通訊。所述的飛行信息輸入接口的SPI接口與飛控處理單元通訊。所述的無線傳輸模塊經(jīng)無線信息輸入接口與飛控處理單元進(jìn)行遠(yuǎn)程通信。
[0032]所述的高度控制子模塊包括超聲波測(cè)高裝置(2)和高度控制單元。所述的超聲波測(cè)高裝置(2)測(cè)量無人機(jī)與作物冠層的實(shí)際距離，也即是測(cè)量出無人機(jī)的飛行高度。所述的高度控制單元包括油門舵機(jī)(5)、發(fā)動(dòng)機(jī)(6)、大旋翼(7)。所述油門舵機(jī)(5)利用測(cè)高傳感單元反饋的信息調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)(6)油門大小，控制輸出動(dòng)力大小，進(jìn)而控制大旋翼(7)的旋轉(zhuǎn)速度，調(diào)整無人機(jī)鉛垂向的升力。測(cè)高傳感單元經(jīng)過高度信息輸入接口進(jìn)入飛控處理單元，經(jīng)飛控處理單元計(jì)算后，再經(jīng)高度控制信息輸出接口輸出控制參數(shù)，控制油門舵機(jī)(5)的油門大小，以控制大旋翼(7)速度，進(jìn)而調(diào)整無人機(jī)高度。
[0033]所述的航路導(dǎo)航控制子模塊包括飛行參數(shù)傳感單元和飛行姿態(tài)調(diào)整單元。所述的飛行參數(shù)傳感單元包括GPS裝置(I)、6軸運(yùn)動(dòng)處理組件(4)和電子羅盤(3)。所述的GPS裝置(I)通過飛行信息輸入接口送入飛控處理單元，GPS裝置(I)獲取無人機(jī)的空間位置和飛行速度信息，用于控制無人機(jī)沿著預(yù)定航路進(jìn)行作業(yè)。所述的6軸運(yùn)動(dòng)處理組件(4)為3軸陀螺儀和3軸加速器儀組合模塊，用于測(cè)量無人機(jī)空間三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度的偏轉(zhuǎn)角度和三個(gè)平移自由度的加速度值。所述電子羅盤(3)利用內(nèi)置磁阻效應(yīng)傳感器，用于確定無人機(jī)相對(duì)地磁場(chǎng)的絕對(duì)航向角。所述的6軸運(yùn)動(dòng)處理組件(4)和電子羅盤(3)采用MEMS傳感器，各傳感器信號(hào)通過AD轉(zhuǎn)換后由飛行信息輸入接口送入飛控處理單元。所述飛行姿態(tài)調(diào)整單元分為前后向姿態(tài)調(diào)整模塊和左右向姿態(tài)調(diào)整模塊，每個(gè)模塊均包括機(jī)身兩側(cè)與其相應(yīng)的電子調(diào)速器、電機(jī)和小旋翼。所述電子調(diào)速器與電機(jī)連接，電機(jī)隨著電子調(diào)速器輸出的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流的大小和方向變化改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，小旋翼和電機(jī)共軸連接，產(chǎn)生不同推力帶動(dòng)無人機(jī)調(diào)整飛行姿態(tài)。所述的飛行參數(shù)傳感單元經(jīng)過飛行信息輸入接口進(jìn)入飛控處理單元，飛控處理單元依據(jù)飛行參數(shù)傳感單元獲取的無人機(jī)GPS位置和姿態(tài)信息與飛控處理單元計(jì)算的無人機(jī)姿態(tài)調(diào)整參數(shù)，再經(jīng)飛行姿態(tài)調(diào)整信息輸出接口輸出控制參數(shù)，改變電子調(diào)速器的輸出電流大小和方向，以控制小旋翼速度，進(jìn)而調(diào)整無人機(jī)的飛行姿態(tài)和水平速度。
[0034]所述的噴霧控制子模塊包括繼電器⑶、電動(dòng)隔膜泵(9)和噴頭組(10)。所述的繼電器⑶與電動(dòng)隔膜泵(9)連接，用于控制電動(dòng)隔膜泵(9)開關(guān)。所述的電動(dòng)隔膜泵(9)通過藥液管與噴頭組(10)連接，用于將藥液從藥液箱中泵出。所述的噴頭組(10)用于將藥液霧化噴灑到空中，再由無人機(jī)的下洗氣流夾帶霧滴到作物表面。所述的噴藥控制信息輸出接口與繼電器(8)連接，飛控處理單元依據(jù)是否到達(dá)噴霧區(qū)域進(jìn)行繼電器(8)開關(guān)的控制，從而控制電動(dòng)隔膜泵(9)是否進(jìn)行噴霧作業(yè)。
[0035]一種針對(duì)驅(qū)動(dòng)解耦植保無人機(jī)平臺(tái)的控制系統(tǒng)的控制方法:
[0036]I)所述的高度控制子模塊將預(yù)設(shè)飛行高度信息與測(cè)高傳感單元獲得的實(shí)際飛行高度信息進(jìn)行比較，通過采用PID控制算法產(chǎn)生高度控制指令，改變高度控制單元的油門舵機(jī)(5)控制參數(shù)，從而控制大旋翼(7)的旋轉(zhuǎn)速度，調(diào)整無人機(jī)鉛垂方向的升力。
[0037]2)植保無人機(jī)平臺(tái)在作業(yè)開始前，通過無線信息輸入接口接收地面站預(yù)先設(shè)定的飛行高度和規(guī)劃的噴霧航路數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在飛控處理單元中。所述的航路導(dǎo)航控制子模塊將規(guī)劃的噴霧航路中的目標(biāo)位置信息與GPS裝置(I)或飛行參數(shù)傳感單元獲得的實(shí)際位置信息進(jìn)行比較，產(chǎn)生姿態(tài)控制指令和水平速度控制指令，使無人機(jī)隨時(shí)調(diào)整飛行過程中出現(xiàn)的航路誤差，使實(shí)際的航跡符合預(yù)定航路，做到精確導(dǎo)航。
[0038]依據(jù)植保作業(yè)路徑與作物行對(duì)齊的特點(diǎn)，所述的驅(qū)動(dòng)解耦無人機(jī)平臺(tái)的水平速度控制僅涉及相對(duì)機(jī)身前后方向和左右方向的直線運(yùn)動(dòng)控制；所述的驅(qū)動(dòng)解耦無人機(jī)平臺(tái)的姿態(tài)控制僅涉及相對(duì)鉛垂軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制，以便將機(jī)身前后方向調(diào)整到對(duì)準(zhǔn)規(guī)劃航向方向。
[0039]所述的驅(qū)動(dòng)解耦無人機(jī)平臺(tái)相對(duì)機(jī)身前后方向的水平速度控制僅由左右兩個(gè)小旋翼提供水平方向的前后向推力控制；所述的驅(qū)動(dòng)解耦無人機(jī)平臺(tái)相對(duì)機(jī)身左右方向的水平速度控制僅由前后兩個(gè)小旋翼提供水平方向的左右向推力控制；所述的航路導(dǎo)航控制子模塊將設(shè)定水平速度與飛行參數(shù)傳感單元中的GPS裝置(I)和3軸加速器儀獲得的實(shí)際水平速度進(jìn)行比較，通過采用PID控制算法產(chǎn)生水平速度控制指令，改變電子調(diào)速器的電流大小，從而改變前后方向或左右方向的小旋翼推力，最終調(diào)整水平飛行速度。
[0040]所述的驅(qū)動(dòng)解耦無人機(jī)平臺(tái)相對(duì)鉛垂軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可由左右小旋翼以相反的轉(zhuǎn)向提供的旋轉(zhuǎn)扭矩控制。所述的航路導(dǎo)航控制子模塊將設(shè)定的無人機(jī)的飛行航向與飛行參數(shù)傳感單元中的3軸陀螺儀和電子羅盤(3)獲得的實(shí)際航向角進(jìn)行比較，通過采用PID控制算法產(chǎn)生姿態(tài)調(diào)整控制指令，改變機(jī)身左右兩側(cè)對(duì)應(yīng)的電子調(diào)速器的電流大小，從而改變左右兩側(cè)小旋翼的推力，最終調(diào)整無人機(jī)飛行的實(shí)際航向。
[0041]當(dāng)驅(qū)動(dòng)解耦無人機(jī)平臺(tái)受到擾動(dòng)風(fēng)的干擾或水平飛行加速時(shí)會(huì)出現(xiàn)機(jī)身稍稍失去平衡，即機(jī)身重心不在大旋翼(7)軸線上，所述的航路導(dǎo)航控制子模塊將依據(jù)飛行參數(shù)傳感單元的3軸陀螺儀的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與無人機(jī)垂直面傾角比較，若其值超過設(shè)定閾值，則通過采用PID控制算法，產(chǎn)生姿態(tài)調(diào)整控制指令，改變機(jī)身左右兩側(cè)對(duì)應(yīng)的電子調(diào)速器的電流大小，從而改變前后或左右兩側(cè)小旋翼的推力，最終調(diào)整其垂直面傾角回到正常范圍。
[0042]3)所述的噴霧控制子模塊依據(jù)GPS裝置(I)所獲取的無人機(jī)的定位信息和高度信息判斷無人機(jī)到達(dá)指定的噴藥高度和位置時(shí)，通過噴藥控制信息輸出接口導(dǎo)通繼電器(8)，電動(dòng)隔膜泵(9)開始工作，噴頭開始噴藥作業(yè)。
[0043]—種針對(duì)驅(qū)動(dòng)解耦植保無人機(jī)平臺(tái)的控制系統(tǒng)的控制流程如下:
[0044]I)植保無人機(jī)平臺(tái)通過無線信息輸入接口接收地面站預(yù)先設(shè)定的飛行高度和規(guī)劃的噴霧航路數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在飛控處理單元中。
[0045]2)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)(6)，油門舵機(jī)(5)控制油門大小，大旋翼(7)加速旋轉(zhuǎn)，無人機(jī)平穩(wěn)起飛，同時(shí)超聲波測(cè)高裝置(2)開始工作，不斷的把無人機(jī)離地面的高度信息反饋給無人機(jī)飛控，油門舵機(jī)(5)根據(jù)所反饋的高度信息控制發(fā)動(dòng)機(jī)(6)油門大小，維持大旋翼(7)一定的轉(zhuǎn)速使無人機(jī)穩(wěn)定在作業(yè)高度。
[0046]3)GPS裝置將實(shí)時(shí)位置信息反饋給無人機(jī)飛控處理單元，航路導(dǎo)航控制子模塊4個(gè)電子調(diào)速器根據(jù)反饋的路線信息控制輸出電流大小，使對(duì)應(yīng)的4個(gè)小旋翼分別以不同的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向開始轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)無人機(jī)沿著作業(yè)路線飛行。左右小旋翼控制無人機(jī)沿著作物行運(yùn)動(dòng)(由A到B)，前后小旋翼控制無人機(jī)橫向移動(dòng)進(jìn)行換行作業(yè)(由B到C)。
[0047]4)當(dāng)無人機(jī)運(yùn)行到指定高度和指定位置時(shí)，繼電器⑶控制電動(dòng)隔膜泵(9)開始工作，噴頭開始噴藥，如果不符合噴藥位置則停止作業(yè)，直至無人機(jī)調(diào)整到作業(yè)位置再進(jìn)行作業(yè)。
【權(quán)利要求】
1.一種植保無人機(jī)專用飛控系統(tǒng)，其特征在于:包括無人機(jī)植保綜合管理模塊、高度控制子模塊、航路導(dǎo)航控制子模塊，噴霧控制子模塊；所述無人機(jī)植保綜合管理模塊作為整個(gè)無人機(jī)控制的控制核心，管理航路導(dǎo)航控制子模塊、噴霧作業(yè)控制子模塊、飛行高度控制子模塊的信息交換以及實(shí)現(xiàn)作業(yè)參數(shù)設(shè)定等人機(jī)交互功能；所述高度控制子模塊可以測(cè)量無人機(jī)距離作物冠層的距離，并且實(shí)時(shí)調(diào)整無人機(jī)鉛垂方向升力使之穩(wěn)定在作業(yè)高度上；所述航路導(dǎo)航控制子模塊使無人機(jī)沿預(yù)設(shè)作業(yè)航路飛行，同時(shí)可以隨時(shí)調(diào)整飛行過程中出現(xiàn)的航路誤差，做到精確導(dǎo)航；所述噴霧控制子模塊依據(jù)植保無人機(jī)的作業(yè)位置實(shí)時(shí)控制植保作業(yè)開關(guān)，有效避免農(nóng)藥的漏噴和重噴； 所述的無人機(jī)植保綜合管理模塊，包括飛控處理單元、信息接收單元、控制信息輸出單元；所述的飛控處理單元選用DSP處理器；所述的信息接收單元包括高度信息輸入接口、飛行信息輸入接口、無線傳輸模塊和無線信息輸入接口 ；所述的控制信息輸出單元包括高度控制信息輸出接口、飛行姿態(tài)調(diào)整信息輸出接口和噴藥控制信息輸出接口 ；所述的高度信息輸入接口采用UART接口與飛控處理單元通訊；所述的飛行信息輸入接口的SPI接口與飛控處理單元通訊；所述的無線傳輸模塊經(jīng)無線信息輸入接口與飛控處理單元進(jìn)行遠(yuǎn)程通Is ; 所述的高度控制子模塊包括超聲波測(cè)高裝置和高度控制單元；所述的超聲波測(cè)高裝置測(cè)量無人機(jī)與作物冠層的實(shí)際距離；所述的高度控制單元包括油門舵機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、大旋翼；所述油門舵機(jī)利用測(cè)高傳感單元反饋的信息調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)油門大小，控制輸出動(dòng)力大小，進(jìn)而控制大旋翼的旋轉(zhuǎn)速度，調(diào)整無人機(jī)鉛垂向的升力；測(cè)高傳感單元經(jīng)過高度信息輸入接口進(jìn)入飛控處理單元，經(jīng)飛控處理單元計(jì)算后，再經(jīng)高度控制信息輸出接口輸出控制參數(shù)，控制油門舵機(jī)的油門大小，以控制大旋翼速度，進(jìn)而調(diào)整無人機(jī)高度； 所述的航路導(dǎo)航控制子模塊包括飛行參數(shù)傳感單元和飛行姿態(tài)調(diào)整單元；所述的飛行參數(shù)傳感單元包括GPS裝置、6軸運(yùn)動(dòng)處理組件和電子羅盤；所述的GPS裝置通過飛行信息輸入接口送入飛控處理單元，GPS裝置獲取無人機(jī)的空間位置和飛行速度信息，用于控制無人機(jī)沿著預(yù)定航路進(jìn)行作業(yè)；所述的6軸運(yùn)動(dòng)處理組件為3軸陀螺儀和3軸加速器儀組合模塊，用于測(cè)量無人機(jī)空間三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度的偏轉(zhuǎn)角度和三個(gè)平移自由度的加速度值；所述電子羅盤利用內(nèi)置磁阻效應(yīng)傳感器，用于確定無人機(jī)相對(duì)地磁場(chǎng)的絕對(duì)航向角；所述的6軸運(yùn)動(dòng)處理組件和電子羅盤采用MEMS傳感器，各傳感器信號(hào)通過AD轉(zhuǎn)換后由飛行信息輸入接口送入飛控處理單元；所述飛行姿態(tài)調(diào)整單元分為前后向姿態(tài)調(diào)整模塊和左右向姿態(tài)調(diào)整模塊，每個(gè)模塊均包括機(jī)身兩側(cè)與其相應(yīng)的電子調(diào)速器、電機(jī)和小旋翼；所述電子調(diào)速器與電機(jī)連接，電機(jī)隨著電子調(diào)速器輸出的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流的大小和方向變化改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，小旋翼和電機(jī)共軸連接，產(chǎn)生不同推力帶動(dòng)無人機(jī)調(diào)整飛行姿態(tài)；所述的飛行參數(shù)傳感單元經(jīng)過飛行信息輸入接口進(jìn)入飛控處理單元，飛控處理單元根據(jù)飛行參數(shù)傳感單元獲取無人機(jī)GPS位置信息和姿態(tài)信息進(jìn)行計(jì)算，得出無人機(jī)姿態(tài)調(diào)整參數(shù)，再經(jīng)飛行姿態(tài)調(diào)整信息輸出接口輸出控制參數(shù)，改變電子調(diào)速器的輸出電流大小和方向，以控制小旋翼速度，進(jìn)而調(diào)整無人機(jī)的飛行姿態(tài)和水平速度； 所述的噴霧控制子模塊包括繼電器、電動(dòng)隔膜泵和噴頭組；所述的繼電器與電動(dòng)隔膜泵連接，用于控制電動(dòng)隔膜泵開關(guān)；所述的電動(dòng)隔膜泵通過藥液管與噴頭組連接；所述的噴藥控制信息輸出接口與繼電器連接，飛控處理單元依據(jù)是否到達(dá)噴霧區(qū)域進(jìn)行繼電器開關(guān)的控制，從而控制電動(dòng)隔膜泵是否進(jìn)行噴霧作業(yè)。
【文檔編號(hào)】G05B19-418GK204270115SQ201420685049
【發(fā)明者】苑進(jìn), 劉雪美, 陳榮康, 王公成, 張翼, 張文碩 [申請(qǐng)人]山東農(nóng)業(yè)大學(xué)