專利名稱：基于gps導(dǎo)航的無人機(jī)施藥作業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種施藥作業(yè)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，尤其涉及一種基于GPS導(dǎo)航的無人機(jī)施藥作業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，屬于農(nóng)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明還涉及一種基于GPS導(dǎo)航的無人機(jī)施 藥作業(yè)方法。
背景技術(shù)：
與傳統(tǒng)田間人工施藥作業(yè)相比，航空施藥的優(yōu)勢顯著作業(yè)效率高，農(nóng)藥對(duì)作業(yè)人 員零危害，用工量和勞動(dòng)強(qiáng)度大幅降低；霧滴漂移少，霧流對(duì)作物穿透性強(qiáng)，防治效果明顯 提高；無需專用起降機(jī)場，機(jī)動(dòng)性好。航空施藥技術(shù)為快速有效防控水田爆發(fā)性病蟲草害、 促進(jìn)水稻規(guī)?；脖＜夹g(shù)升級(jí)換代提供了最佳作業(yè)平臺(tái)，同時(shí)也為現(xiàn)代航空技術(shù)和數(shù)字信 息技術(shù)武裝改造我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)提供了前期技術(shù)儲(chǔ)備，市場潛力和產(chǎn)業(yè)化前景良好。目前，航空施藥技術(shù)在美國與日本等發(fā)達(dá)國家應(yīng)用較多，日本多采用無人直升機(jī) 施藥，但日本的無人直升機(jī)施藥多為人工操作，不帶自動(dòng)導(dǎo)航自動(dòng)控制施藥系統(tǒng)，施藥的準(zhǔn) 確性差。美國航空施藥則采用大型固定翼農(nóng)用航空施藥裝備，機(jī)動(dòng)性差。2009年3月4日，公告號(hào)為CN201203426Y的中國實(shí)用新型專利，公開了一種基于 嵌入式GPS技術(shù)的農(nóng)用飛機(jī)作業(yè)導(dǎo)航系統(tǒng)，它主要包括中央處理器以及與中央處理器相連 的GPS模塊、以太網(wǎng)模塊、語音提示模塊、觸摸屏和存儲(chǔ)器組成，中央處理器還與安全數(shù)碼 卡相連，中央處理器的外接JTAG接口作為操作系統(tǒng)內(nèi)核與引導(dǎo)程序的燒寫接口，中央處理 器亦接有用于程序調(diào)試用的RS232接口。其主要用途是節(jié)約農(nóng)藥和飛行費(fèi)用，優(yōu)化飛行航 線，減短作業(yè)時(shí)間，有效減小農(nóng)藥的重灑、漏灑率。該農(nóng)用飛機(jī)作業(yè)導(dǎo)航系統(tǒng)用于有人駕駛 的飛機(jī)，由于未將施藥裝置與自動(dòng)控制系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，因此不適用于無人駕駛飛機(jī)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的首要目的在于，提出一種基于GPS導(dǎo)航的無人機(jī)施藥作業(yè)自動(dòng)控制系 統(tǒng)，不僅可以自動(dòng)導(dǎo)航，而且能夠在達(dá)到預(yù)定施藥地點(diǎn)上空時(shí)，自動(dòng)控制施藥。為了達(dá)到以上首要目的，本發(fā)明提供了一種基于GPS導(dǎo)航的無人機(jī)施藥作業(yè)自動(dòng) 控制系統(tǒng)，包括控制無人直升機(jī)旋翼飛行系統(tǒng)的飛行控制主機(jī)，所述飛行控制主機(jī)的主通 訊端與GPS通訊連接，其主控制輸出端接旋翼飛行系統(tǒng)的受控端，用以根據(jù)預(yù)定航線和GPS 傳來的實(shí)時(shí)位置信息向所述飛行系統(tǒng)發(fā)出導(dǎo)航控制信號(hào)；所述無人直升機(jī)上還裝有由藥 箱、液泵、噴桿及噴頭組成的施藥裝置，以及施藥控制系統(tǒng)，所述施藥控制系統(tǒng)包括主控制 電路、通訊模塊、反饋模塊、信號(hào)處理模塊及電力變送模塊；所述飛行控制主機(jī)的輔通訊端 通過所述通訊模塊與所述主控制電路通訊連接，用以將施藥控制信號(hào)傳輸給主控制電路， 并接受所述主控制電路反饋的施藥系統(tǒng)狀態(tài)信息；所述主控制電路通過所述信號(hào)處理模塊 與所述液泵的受控端連接，用以根據(jù)預(yù)定施藥地點(diǎn)和GPS傳來的實(shí)時(shí)位置信息發(fā)出施藥控 制信號(hào)，并通過所述信號(hào)處理模塊放大成電信號(hào)后提供給所述液泵的受控端，以控制液泵 進(jìn)行施藥操作；所述反饋模塊的信號(hào)輸出端與所述主控制電路的反饋信號(hào)輸入端相連，用以將施藥系統(tǒng)狀態(tài)信息反饋到所述主控制電路；所述電力變送模塊包括電壓轉(zhuǎn)換電路和整 流電路，將機(jī)載發(fā)電機(jī)提供的電壓整流、轉(zhuǎn)換并配送至上述各個(gè)模塊。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明取得了以下有益效果工作時(shí)，飛行控制主機(jī)不僅可以借 助GPS控制無人直升機(jī)按照預(yù)定航線飛行，而且可以借助GPS，按預(yù)定的GPS航路控制施藥 裝置實(shí)施噴灑任務(wù)，當(dāng)無人直升機(jī)飛抵預(yù)定施藥地點(diǎn)上空時(shí)，自動(dòng)控制液泵啟動(dòng)；當(dāng)無人直 升機(jī)飛離施藥區(qū)域時(shí)，液泵自動(dòng)關(guān)閉；實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)航飛行且自動(dòng)控制施藥作業(yè)，避免了重噴 與漏噴，也避免了藥液的浪費(fèi)，減少藥液消耗；所有設(shè)備自行工 作，全程自動(dòng)作業(yè)。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述主控制電路包括MSP430F149單片機(jī)、復(fù)位電路、存 儲(chǔ)模塊、時(shí)鐘模塊、Jtag接口及3-5V電壓轉(zhuǎn)換模塊；所述復(fù)位電路采用MAX811模塊，其 GND端口與單片機(jī)的DVss端口連接，其RESET端口與單片機(jī)的RST/匪I端口連接，發(fā)送復(fù) 位指令給單片機(jī)防止程序跑飛；所述存儲(chǔ)模塊采用AT24C08存儲(chǔ)芯片，所述時(shí)鐘模塊采用 SD2003A時(shí)鐘芯片，存儲(chǔ)模塊與時(shí)鐘模塊配合記錄飛行過程中設(shè)備的工作狀態(tài)作為數(shù)據(jù)分 析的依據(jù)；所述Jtag接口分別與單片機(jī)的TDO、TDI、TMS、TCK、RST端口連接，作為單片機(jī)的 程序下載端口 ；所述3-5V電壓轉(zhuǎn)換模塊采用SN74LVC4245電平轉(zhuǎn)換芯片，溝通3V電壓下工 作的單片機(jī)與5V電壓下工作的外圍電路。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述通訊模塊包括并列的422接口電路和232接口電路， 為所述主控制電路與所述飛行控制主機(jī)之間提供兩種通訊模式。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述信號(hào)處理模塊包括放大電路、隔離電路、設(shè)備接口三 部分，所述放大電路把單片機(jī)發(fā)來的施藥控制信號(hào)放大成12V電信號(hào)，再通過所述隔離電 路的繼電開關(guān)和所述設(shè)備接口傳送至所述液泵，以弱電控制強(qiáng)電，實(shí)現(xiàn)對(duì)液泵的控制。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述反饋模塊包括四組HCPL0601光耦，分別作為工作狀 態(tài)采集模塊及液位報(bào)警模塊與所述設(shè)備接口連接；所述工作狀態(tài)采集模塊判斷所述液泵的 工作電壓是否滿足要求，將得到的施藥系統(tǒng)狀態(tài)信息向所述單片機(jī)提供；所述液位報(bào)警模 塊將液位報(bào)警信號(hào)反饋給所述單片機(jī)。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述液位報(bào)警模塊接受所述藥箱的液位反饋信號(hào)判斷是 否發(fā)出所述液位報(bào)警信號(hào)；或者根據(jù)施藥量及施藥時(shí)間估算出所述藥箱內(nèi)的剩余藥量，判 斷是否發(fā)出所述液位報(bào)警信號(hào)。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于，提出一種基于GPS導(dǎo)航的無人機(jī)施藥作業(yè)方法，能夠 實(shí)現(xiàn)無人直升機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航飛行且自動(dòng)控制施藥。為了達(dá)到以上目的，本發(fā)明提供了一種基于GPS導(dǎo)航的無人機(jī)施藥作業(yè)方法，依 次包括以下步驟(1)航路規(guī)劃PC機(jī)把測算好的無人直升機(jī)的GPS航路點(diǎn)信息和施藥控 制信號(hào)傳輸至地面站；(2)地面站把接收到的信號(hào)進(jìn)行處理后，通過地面無線電臺(tái)發(fā)往機(jī) 載無線電臺(tái)，由機(jī)載無線電臺(tái)提供給飛行控制主機(jī)；(3)當(dāng)?shù)孛嬲景l(fā)出程控指令時(shí)，無人直 升機(jī)將按照預(yù)定路線實(shí)施噴灑任務(wù)；(4)在噴灑作業(yè)的過程中，飛行控制主機(jī)一方面控制 飛機(jī)按預(yù)定的GPS航路飛行，另一方面把航路信息內(nèi)的施藥控制信號(hào)分離出來發(fā)給施藥系 統(tǒng)；(5)施藥系統(tǒng)接收施藥控制信號(hào)開始工作，并把施藥系統(tǒng)狀態(tài)信息反饋給飛行控制主 機(jī)；(6)飛行控制主機(jī)通過遙測通道把飛行過程中實(shí)時(shí)的GPS信息和施藥系統(tǒng)狀態(tài)信息通 過機(jī)載無線電臺(tái)及地面無線電臺(tái)返回給航路規(guī)劃PC機(jī)，通過軟件界面在監(jiān)視器上顯現(xiàn)出 來。
相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明取得了以下有益效果無人直升機(jī)按照航路規(guī)劃PC機(jī) 測算好的GPS航路點(diǎn)飛行，施藥系統(tǒng)按照地面站發(fā)出的施藥控制信號(hào)在預(yù)定地點(diǎn)打開或關(guān) 閉，如此實(shí)現(xiàn)了無人直升機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航飛行且自動(dòng)控制施藥；實(shí)時(shí)的GPS信息和施藥系統(tǒng)狀 態(tài)信息反饋給航路規(guī)劃PC機(jī)，通過軟件界面在監(jiān)視器上顯現(xiàn)出來，使得無人直升機(jī)進(jìn)行施 藥作業(yè)時(shí)，在作業(yè)區(qū)域圖上能夠?qū)崟r(shí)顯示飛機(jī)所在的位置、藥箱藥量和施藥狀態(tài)，供地面人 員掌握飛行及施藥情況。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。 圖1為本發(fā)明基于GPS導(dǎo)航的無人機(jī)施藥作業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的原理圖。圖2為本發(fā)明基于GPS導(dǎo)航的無人機(jī)施藥作業(yè)方法的流程圖。圖3為本發(fā)明施藥控制系統(tǒng)的電路原理框圖。圖4為本發(fā)明施藥控制系統(tǒng)中MSP430F149單片機(jī)的接線圖。圖5為本發(fā)明施藥控制系統(tǒng)中單片機(jī)與時(shí)鐘模塊及復(fù)位電路的接線圖。圖6為本發(fā)明施藥控制系統(tǒng)中單片機(jī)與存儲(chǔ)模塊的接線圖。圖7為本發(fā)明施藥控制系統(tǒng)中單片機(jī)與Jtag接口電路的接線圖。圖8為本發(fā)明施藥控制系統(tǒng)中單片機(jī)與電壓轉(zhuǎn)換模塊的接線圖。圖9為本發(fā)明施藥控制系統(tǒng)中422接口電路圖。圖10為本發(fā)明施藥控制系統(tǒng)中232接口電路圖。圖11為本發(fā)明施藥控制系統(tǒng)中反饋模塊、隔離電路和設(shè)備接口電路圖。圖12為為本發(fā)明施藥控制系統(tǒng)中放大電路的接線圖。圖13為為本發(fā)明施藥控制系統(tǒng)中電力變送模塊的接線圖。圖中1.0主控制電路；1. 1 MSP430F149單片機(jī)；1.2時(shí)鐘模塊；1.3復(fù)位電路；1.4 存儲(chǔ)模塊；1.5 Jtag接口 ；1. 63-5V電壓轉(zhuǎn)換模塊；2. 0通訊模塊；2. 1 422接口；2. 2 232接 口 ；3. 0反饋模塊；4. 0信號(hào)處理模塊；4. 1放大電路；4. 2隔離電路和設(shè)備接口 ；5. 0電力變 送模塊。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，本發(fā)明基于GPS導(dǎo)航的無人機(jī)施藥作業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，包括控制無人 直升機(jī)旋翼飛行系統(tǒng)的飛行控制主機(jī)，飛行控制主機(jī)的主通訊端與GPS通訊連接，其主控 制輸出端接旋翼飛行系統(tǒng)的受控端，用以根據(jù)預(yù)定航線和GPS傳來的實(shí)時(shí)位置信息向飛行 系統(tǒng)發(fā)出導(dǎo)航控制信號(hào)。無人直升機(jī)上還裝有由藥箱、液泵、噴桿及噴頭組成的施藥裝置，以及施藥控制系 統(tǒng)。無人直升機(jī)上還安裝有機(jī)載無線電臺(tái)，飛行控制主機(jī)通過機(jī)載無線電臺(tái)與地面站通訊。地面站放在一輛可移動(dòng)的控制車內(nèi)，是無人直升機(jī)的控制終端，通過地面無線電 臺(tái)與機(jī)載無線電臺(tái)通訊，并負(fù)責(zé)接收和發(fā)送所有與無人直升機(jī)飛行有關(guān)的數(shù)據(jù)，地面站接 收的數(shù)據(jù)如無人直升機(jī)的飛行姿態(tài)、飛行速度、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)，發(fā)送的數(shù)據(jù)如飛機(jī)俯 仰、橫滾、旋轉(zhuǎn)等指令。在本套系統(tǒng)中的作用是，接收已經(jīng)規(guī)劃好的GPS航路點(diǎn)信息并指揮 飛機(jī)按照這些航路點(diǎn)執(zhí)行作業(yè)任務(wù)，同時(shí)地面站還肩負(fù)施藥控制信號(hào)的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)任務(wù)。
控制車內(nèi)還安裝有航路規(guī)劃PC機(jī)，航路規(guī)劃PC機(jī)安裝有航路規(guī)劃系統(tǒng)，且設(shè)有上 行/下行串口通信端口，航路規(guī)劃系統(tǒng)根據(jù)無人直升機(jī)的飛行約束條件、施藥系統(tǒng)約束條 件及施藥作業(yè)區(qū)域參數(shù)設(shè)計(jì)出最佳飛行施藥航路及施藥控制信號(hào)。航路規(guī)劃系統(tǒng)還將最佳 飛行施藥航路轉(zhuǎn)換為無人直升機(jī)飛行GPS導(dǎo)航所需的經(jīng)緯度坐標(biāo)點(diǎn)即GPS航路點(diǎn)信息。無 人直升機(jī)的飛行約束條件包括飛機(jī)的轉(zhuǎn)彎半徑、飛行轉(zhuǎn)懸停所需時(shí)間。施藥系統(tǒng)約束條件 包括施藥系統(tǒng)的噴幅、載藥量及施藥時(shí)間。航路規(guī)劃PC機(jī)通過上行串口通信端口將GPS航路點(diǎn)信息及施藥控制信號(hào)發(fā)送給 地面站；地面站通過地面無線電臺(tái)發(fā)送給機(jī)載無線電臺(tái)，機(jī)載無線電臺(tái)再傳輸給飛行控制 主機(jī)；無人直升機(jī)根據(jù)此航路自動(dòng)飛行，施藥系統(tǒng)按照施藥控制信號(hào)自動(dòng)打開或關(guān)閉。飛行控制主機(jī)通 過遙測通道，再經(jīng)機(jī)載無線電臺(tái)及地面無線電臺(tái)，把飛行過程中 實(shí)時(shí)的GPS信息和施藥系統(tǒng)狀態(tài)信息通過下行串口通信端口返回給航路規(guī)劃PC機(jī)；航路規(guī) 劃PC機(jī)設(shè)有實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)，實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)包括監(jiān)視器，并將實(shí)時(shí)的GPS信息和施藥系統(tǒng)狀 態(tài)信息在監(jiān)視器上顯示。使得無人直升機(jī)進(jìn)行施藥作業(yè)時(shí)，在作業(yè)區(qū)域圖上能夠?qū)崟r(shí)顯示 飛機(jī)所在的位置、藥箱藥量和施藥狀態(tài)。作業(yè)時(shí)，實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)在屏幕上繪出作業(yè)區(qū)域圖及已規(guī)劃好的航路，實(shí)時(shí)接收無 人直升機(jī)發(fā)回的數(shù)據(jù)，提取其中無人直升機(jī)的機(jī)載GPS所獲取的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)及施藥狀態(tài)數(shù) 據(jù)，將經(jīng)緯度數(shù)據(jù)經(jīng)轉(zhuǎn)換為平面坐標(biāo)后將飛機(jī)的位置顯示在屏幕上；同時(shí)根據(jù)施藥狀態(tài)數(shù) 據(jù)顯示當(dāng)前是否正在施藥和綜合施藥時(shí)間估算出的當(dāng)前藥量；還能根據(jù)系統(tǒng)故障傳感器數(shù) 據(jù)發(fā)出正常工作或報(bào)警的信號(hào)。這樣就可以人工監(jiān)視無人直升機(jī)是否偏離預(yù)先設(shè)定的規(guī)劃 航路，以及施藥系統(tǒng)是否在預(yù)定的區(qū)域施藥和系統(tǒng)是否工作異常。如圖2所示，本發(fā)明的一種基于GPS導(dǎo)航的無人機(jī)施藥作業(yè)方法，依次包括以下步 驟(1)航路規(guī)劃PC機(jī)把測算好的無人直升機(jī)的GPS航路點(diǎn)信息和施藥控制信號(hào)傳輸至地 面站；(2)地面站把接收到的信號(hào)進(jìn)行處理后，通過地面無線電臺(tái)發(fā)往機(jī)載無線電臺(tái)，由機(jī) 載無線電臺(tái)提供給飛行控制主機(jī)；(3)當(dāng)?shù)孛嬲景l(fā)出程控指令時(shí)，無人直升機(jī)將按照預(yù)定 路線實(shí)施噴灑任務(wù)；(4)在噴灑作業(yè)的過程中，飛行控制主機(jī)一方面控制飛機(jī)按預(yù)定的GPS 航路飛行，另一方面把航路信息內(nèi)的施藥控制信號(hào)分離出來發(fā)給施藥系統(tǒng)；(5)施藥系統(tǒng) 接收施藥控制信號(hào)開始工作，并把施藥系統(tǒng)狀態(tài)信息反饋給飛行控制主機(jī)；(6)飛行控制 主機(jī)通過遙測通道把飛行過程中實(shí)時(shí)的GPS信息和施藥系統(tǒng)狀態(tài)信息通過機(jī)載無線電臺(tái) 及地面無線電臺(tái)返回給航路規(guī)劃PC機(jī)，通過軟件界面在監(jiān)視器上顯現(xiàn)出來。如圖3所示，施藥控制系統(tǒng)包括主控制電路1. 0、通訊模塊2. 0、反饋模塊3. 0、信 號(hào)處理模塊4. 0、電力變送模塊5. 0，共五部分。反饋模塊的信號(hào)輸出端與主控制電路的反饋信號(hào)輸入端相連，用以將施藥系統(tǒng)狀 態(tài)信息反饋到主控制電路；將飛行控制主機(jī)的輔通訊端通過通訊模塊2. 0與主控制電路1. 0通訊連接，用以 將施藥控制信號(hào)傳輸給主控制電路1.0，并接受主控制電路1. 0反饋的施藥系統(tǒng)狀態(tài)信息。主控制電路1. 0通過信號(hào)處理模塊4. 0與液泵的受控端連接，用以根據(jù)預(yù)定施藥 地點(diǎn)和GPS傳來的實(shí)時(shí)位置信息發(fā)出施藥控制信號(hào)，并通過信號(hào)處理模塊放大成電信號(hào)后 提供給液泵的受控端，以控制液泵進(jìn)行施藥操作。反饋模塊3. 0包括工作狀態(tài)采集模塊及液位報(bào)警模塊，反饋模塊3. 0的信號(hào)輸出端與主控制電路1.0的反饋信號(hào)輸入端相連，用以將施藥裝置的施藥系統(tǒng)狀態(tài)信息反饋到 主控制電路1. O。液位報(bào)警模塊接受藥箱提供的液位反饋信號(hào)判斷是否發(fā)出液位報(bào)警信號(hào)； 或者根據(jù)施藥量及施藥時(shí)間估算出藥箱內(nèi)的剩余藥量，判斷是否發(fā)出液位報(bào)警信號(hào)電力變送模塊5. 0包括電壓轉(zhuǎn)換電路和整流電路，將機(jī)載發(fā)電機(jī)提供的電壓整 流、轉(zhuǎn)換并配送至上述各個(gè)模塊。主控制電路1. 0包括MSP430F149單片機(jī)1. 1、復(fù)位電路1. 3、存儲(chǔ)模塊1. 4、Jtag 接口 1. 5、3-5V電壓轉(zhuǎn)換模塊1. 6、時(shí)鐘模塊1. 2。由飛行控制主機(jī)中轉(zhuǎn)來的控制信號(hào)通過 422或232串口發(fā)送至主控制電路1. 0，單片機(jī)1. 1收到控制信號(hào)后按照通訊協(xié)議的要求控 制施藥裝置工作，同時(shí)讀取施藥裝置的工作狀態(tài)也通過通訊模塊傳輸回飛行控制主機(jī)。圖4為MSP430F149單片機(jī)1. 1的管腳與外圍電路的接線圖。圖5中示出了單片機(jī)1. 1與時(shí)鐘模塊1. 2、復(fù)位電路1. 3的接線圖。復(fù)位電路1. 3 采用MAX811模塊，其GND端口與單片機(jī)的DVss端口連接，其RESET端口與單片機(jī)的RST/ NMI端口連接，發(fā)送復(fù)位指令給單片機(jī)防止程序跑飛。圖6所示為單片機(jī)1. 1與存儲(chǔ)模塊1. 4的接線圖。存儲(chǔ)模塊1. 4采用AT24C08存 儲(chǔ)芯片，時(shí)鐘模塊1. 2采用SD2003A時(shí)鐘芯片，存儲(chǔ)模塊1. 4與時(shí)鐘模塊1. 2配合使用可以 記錄飛行過程中設(shè)備的工作狀態(tài)作為數(shù)據(jù)分析的依據(jù)。圖7為為單片機(jī)1.1與Jtag接口 1.5的電路接線圖，Jtag接口 1. 5分別與單片 機(jī)的100、10131^30(、1 11端口連接，作為單片機(jī)1. 1的程序下載端口。圖8為3-5V電壓轉(zhuǎn)換模塊1. 6的接線圖，3-5V電壓轉(zhuǎn)換模塊1. 6采用 SN74LVC4245電平轉(zhuǎn)換芯片，作為在3V電壓下工作的單片機(jī)與5V電壓下工作的外圍電路溝 通的橋梁。通訊模塊包括“422接口電路”和“232接口電路”，這兩個(gè)電路為飛行控制主機(jī)提 供了兩種通訊模式，可根據(jù)實(shí)際情況自由選擇使用，將施藥系統(tǒng)狀態(tài)信息反饋給飛行控制 主機(jī)。圖9為422接口 2. 1的電路圖，圖10為232接口 2. 2的電路圖。信號(hào)處理模塊包括放大電路、隔離電路、設(shè)備接口三部分，放大電路4. 1把單片機(jī) 發(fā)來的施藥控制信號(hào)放大成12V電信號(hào)，再通過“隔離電路”的繼電開關(guān)和“設(shè)備接口”傳 送至施藥裝置，以弱電控制強(qiáng)電，實(shí)現(xiàn)對(duì)施藥裝置的控制，圖3及圖11中將隔離電路、設(shè)備 接口合并標(biāo)識(shí)為隔離電路和設(shè)備接口 4. 2。圖11為本發(fā)明控制系統(tǒng)中反饋模塊3.0、隔離電路和設(shè)備接口 4.2的電路圖。反 饋模塊3. 0包括四組HCPL0601光耦，分別作為工作狀態(tài)采集模塊及液位報(bào)警模塊與設(shè)備接 口連接。工作狀態(tài)采集模塊判斷施藥裝置兩端的工作電壓是否滿足要求，將得到的施藥系 統(tǒng)狀態(tài)信息向單片機(jī)提供。液位報(bào)警模塊接受液位開關(guān)的信號(hào)，并將液位報(bào)警信號(hào)反饋給 單片機(jī)。圖12為為本發(fā)明控制系統(tǒng)中放大電路4. 1的接線圖。圖13為為電力變送模塊5. 0的接線圖，電力變送模塊5. 0包括“電壓轉(zhuǎn)換電路”和 “整流電路”。單片機(jī)工作電壓3. 3V，外圍電路工作電壓5V，繼電器線圈電壓12V，噴頭工作 電壓5-12V (可調(diào))，液泵工作電壓18-24V (可調(diào))。而機(jī)載發(fā)電機(jī)能提供的電壓為28V，電 力變送模塊5. 0的工作就是將28V電壓整流、轉(zhuǎn)換并配送至各個(gè)模塊。本發(fā)明是根據(jù)農(nóng)田實(shí)際狀況設(shè)計(jì)一種施藥規(guī)劃系統(tǒng)，使得機(jī)載施藥裝置在需要工作的區(qū)域以最佳的航路、最合理的 施藥地點(diǎn)精準(zhǔn)作業(yè)。除上述實(shí)施例外，本發(fā)明還可以有其 他實(shí)施方式，凡采用等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案，均落入本發(fā)明要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種基于GPS導(dǎo)航的無人機(jī)施藥作業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，包括控制無人直升機(jī)旋翼飛行系統(tǒng)的飛行控制主機(jī)，所述飛行控制主機(jī)的主通訊端與GPS通訊連接，其主控制輸出端接旋翼飛行系統(tǒng)的受控端，用以根據(jù)預(yù)定航線和GPS傳來的實(shí)時(shí)位置信息向所述飛行系統(tǒng)發(fā)出導(dǎo)航控制信號(hào)；其特征在于所述無人直升機(jī)上還裝有由藥箱、液泵、噴桿及噴頭組成的施藥裝置，以及施藥控制系統(tǒng)，所述施藥控制系統(tǒng)包括主控制電路、通訊模塊、反饋模塊、信號(hào)處理模塊及電力變送模塊；所述飛行控制主機(jī)的輔通訊端通過所述通訊模塊與所述主控制電路通訊連接，用以將施藥控制信號(hào)傳輸給主控制電路，并接受所述主控制電路反饋的施藥系統(tǒng)狀態(tài)信息；所述主控制電路通過所述信號(hào)處理模塊與所述液泵的受控端連接，用以根據(jù)預(yù)定施藥地點(diǎn)和GPS傳來的實(shí)時(shí)位置信息發(fā)出施藥控制信號(hào)，并通過所述信號(hào)處理模塊放大成電信號(hào)后提供給所述液泵的受控端，以控制液泵進(jìn)行施藥操作；所述反饋模塊的信號(hào)輸出端與所述主控制電路的反饋信號(hào)輸入端相連，用以將施藥系統(tǒng)狀態(tài)信息反饋到所述主控制電路；所述電力變送模塊包括電壓轉(zhuǎn)換電路和整流電路，將機(jī)載發(fā)電機(jī)提供的電壓整流、轉(zhuǎn)換并配送至上述各個(gè)模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于GPS導(dǎo)航的無人機(jī)施藥作業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于 所述主控制電路包括MSP430F149單片機(jī)、復(fù)位電路、存儲(chǔ)模塊、時(shí)鐘模塊、Jtag接口及3-5V 電壓轉(zhuǎn)換模塊；所述復(fù)位電路采用MAX811模塊，其GND端口與單片機(jī)的DVss端口連接，其 RESET端口與單片機(jī)的RST/NMI端口連接，發(fā)送復(fù)位指令給單片機(jī)防止程序跑飛；所述存儲(chǔ) 模塊采用AT24C08存儲(chǔ)芯片，所述時(shí)鐘模塊采用SD2003A時(shí)鐘芯片，存儲(chǔ)模塊與時(shí)鐘模塊配 合記錄飛行過程中設(shè)備的工作狀態(tài)作為數(shù)據(jù)分析的依據(jù)；所述Jtag接口分別與單片機(jī)的 TDO、TDI、TMS、TCK、RST端口連接，作為單片機(jī)的程序下載端口 ；所述3-5V電壓轉(zhuǎn)換模塊采 用SN74LVC4245電平轉(zhuǎn)換芯片，溝通3V電壓下工作的單片機(jī)與5V電壓下工作的外圍電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于GPS導(dǎo)航的無人機(jī)施藥作業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征 在于所述通訊模塊包括并列的422接口電路和232接口電路，為所述主控制電路與所述飛 行控制主機(jī)之間提供兩種通訊模式。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于GPS導(dǎo)航的無人機(jī)施藥作業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于 所述信號(hào)處理模塊包括放大電路、隔離電路、設(shè)備接口三部分，所述放大電路把單片機(jī)發(fā)來 的施藥控制信號(hào)放大成12V電信號(hào)，再通過所述隔離電路的繼電開關(guān)和所述設(shè)備接口傳送 至所述液泵，以弱電控制強(qiáng)電，實(shí)現(xiàn)對(duì)液泵的控制。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于GPS導(dǎo)航的無人機(jī)施藥作業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于 所述反饋模塊包括四組HCPL0601光耦，分別作為工作狀態(tài)采集模塊及液位報(bào)警模塊與所 述設(shè)備接口連接；所述工作狀態(tài)采集模塊判斷所述液泵的工作電壓是否滿足要求，將得到 的施藥系統(tǒng)狀態(tài)信息向所述單片機(jī)提供；所述液位報(bào)警模塊將液位報(bào)警信號(hào)反饋給所述單 片機(jī)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于GPS導(dǎo)航的無人機(jī)施藥作業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于 所述液位報(bào)警模塊接受所述藥箱的液位反饋信號(hào)判斷是否發(fā)出所述液位報(bào)警信號(hào)；或者根 據(jù)施藥量及施藥時(shí)間估算出所述藥箱內(nèi)的剩余藥量，判斷是否發(fā)出所述液位報(bào)警信號(hào)。
7. 一種基于GPS導(dǎo)航的無人機(jī)施藥作業(yè)方法，其特征在于，依次包括以下步驟(1)航路規(guī)劃PC機(jī)把測算好的無人直升機(jī)的GPS航路點(diǎn)信息和施藥控制信號(hào)傳輸至地面站；(2)地面站把接收到的信號(hào)進(jìn)行處理后，通過地面無線電臺(tái)發(fā)往機(jī)載無線電臺(tái)，由機(jī)載 無線電臺(tái)提供給飛行控制主機(jī)；(3)當(dāng)?shù)孛嬲景l(fā)出程控指令時(shí)，無人直升機(jī)將按照預(yù)定路線實(shí)施噴灑任務(wù)；(4)在噴灑作業(yè)的過程中，飛行控制主機(jī)一方面控制飛機(jī)按預(yù)定的GPS航路飛行，另一 方面把航路信息內(nèi)的施藥控制信號(hào)分離出來發(fā)給施藥系統(tǒng)；(5)施藥系統(tǒng)接收施藥控制信號(hào)開始工作，并把施藥系統(tǒng)狀態(tài)信息反饋給飛行控制主機(jī)；(6)飛行控制主機(jī)通過遙測通道把飛行過程中實(shí)時(shí)的GPS信息和施藥系統(tǒng)狀態(tài)信息通 過機(jī)載無線電臺(tái)及地面無線電臺(tái)返回給航路規(guī)劃PC機(jī)，通過軟件界面在監(jiān)視器上顯現(xiàn)出來。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于GPS導(dǎo)航的無人機(jī)施藥作業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)及方法，屬于農(nóng)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域。飛行控制主機(jī)的主通訊端與GPS通訊連接，其主控制輸出端接旋翼飛行系統(tǒng)的受控端，用以根據(jù)預(yù)定航線和GPS傳來的實(shí)時(shí)位置信息向飛行系統(tǒng)發(fā)出導(dǎo)航控制信號(hào)；無人直升機(jī)上還裝有由藥箱、液泵、噴桿及噴頭組成的施藥裝置，以及施藥控制系統(tǒng)，施藥控制系統(tǒng)包括主控制電路、通訊模塊、反饋模塊、信號(hào)處理模塊及電力變送模塊；主控制電路通過通訊模塊將施藥系統(tǒng)狀態(tài)信息反饋給飛行控制主機(jī)；信號(hào)處理模塊將主控制電路發(fā)出的施藥控制信號(hào)放大成電信號(hào)，控制液泵進(jìn)行施藥操作。該系統(tǒng)及方法可以借助GPS控制無人直升機(jī)按照預(yù)定航線飛行，且按預(yù)定的GPS航路實(shí)施噴灑任務(wù)。
文檔編號(hào)G05B19/418GK101963806SQ20101050804
公開日2011年2月2日 申請(qǐng)日期2010年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月15日
發(fā)明者周立新, 孔偉, 孫竹, 常春, 張宋超, 張濤, 梁建, 王寶坤, 薛新宇 申請(qǐng)人:農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所