本發(fā)明涉及植保無人機領域，具體涉及一種多旋翼燃料電池植保無人機控制系統(tǒng)及其工作方法。

背景技術：

傳統(tǒng)植保作業(yè)需要人工參與，效率低，作業(yè)質(zhì)量不高，且在進行噴藥作業(yè)中，由于操作不規(guī)范會導致人員中毒。隨著近年來人力成本越來越高，開發(fā)替代人工的無人機進行植保作業(yè)已經(jīng)是大勢所趨，但目前的節(jié)能環(huán)保型無人機主要以鋰電池為動力，通過攜帶藥箱進行植保作業(yè)，由于鋰電池的能量密度不高，現(xiàn)有的無人機攜帶10kg左右的藥箱進行植保作業(yè)的時間只有10分鐘左右，續(xù)航能力差，嚴重制約了其大規(guī)模應用與推廣，因此已有無人機使用燃料電池來增加續(xù)航能力，但該類型無人機的控制系統(tǒng)在供電管理、能量分配和飛行控制上還存在一定的問題。

中國發(fā)明專利申請(公開日：2016年8月10日、公開號：cn105843245a)公開了一種無人機控制系統(tǒng)及控制方法，包括定位傳感器、智能遙控器和安裝在無人機上的飛行控制器，該發(fā)明簡化了無人機的操作，但局限于飛行操作的控制，并沒有涉及續(xù)航能力的多能源供電系統(tǒng)及其在供電管理和能量分配上，智能化程度低。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是針對上述技術的不足，提供一種多旋翼燃料電池植保無人機控制系統(tǒng)及其工作方法，提高了續(xù)航能力，優(yōu)化了供電管理和能量分配，強化了無人機植保作業(yè)的姿態(tài)與位置控制，智能化程度高。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所設計的多旋翼燃料電池植保無人機控制系統(tǒng)包括混合供電單元、數(shù)據(jù)采集單元和主控制單元，所述混合供電單元為所述數(shù)據(jù)采集單元和主控制單元提供電力，所述數(shù)據(jù)采集單元采集混合供電單元中的各項信息，發(fā)送給所述主控制單元，所述主控制單元與地面站和手持遙控器交互，接收控制命令，基于所述數(shù)據(jù)采集單元的發(fā)送的信息控制所述混合供電單元的的供電模式和能量分配，并控制無人機的飛行姿態(tài)和位置，進行噴藥操作。

優(yōu)選地，所述混合供電單元包括高壓氫瓶、燃料電池電堆、蓄電池、主dc/dc、第一dc/dc及第二dc/dc，所述高壓氫瓶的出口依次經(jīng)過高壓壓力傳感器p1、減壓閥、進氣閥和進堆壓力傳感器p2后與所述燃料電池電堆的氫氣入口相連，所述燃料電池電堆的氫氣出口經(jīng)過排氣閥后與外部大氣相連，所述燃料電池電堆上安裝有風扇和溫度傳感器t，所述燃料電池電堆的電能輸出端并聯(lián)有電壓傳感器v后依次經(jīng)過正極串聯(lián)的負載開關、電流傳感器a和二極管后與所述主dc/dc的輸入端相連，所述主dc/dc的輸出端分別與所述第一dc/dc和所述第二dc/dc的輸入端相連，所述主dc/dc的輸出端串聯(lián)有常閉型的輸出開關后與所述蓄電池的輸出端相連，所述蓄電池通過數(shù)據(jù)線連有管理單元，所述主dc/dc與所述主控制單元相連進行供電。

優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)采集單元包括信號調(diào)理電路及第一微控制器mcu1，所述信號調(diào)理電路的輸入端連有所述混合供電單元中的高壓壓力傳感器p1、進堆壓力傳感器p2、溫度傳感器t、電壓傳感器v、電流傳感器a及所述燃料電池電堆單片電池的電壓輸出端，所述第一微控制器mcu1上設有第一can模塊、a/d模塊及與所述第一dc/dc的輸出端相連的第一電源模塊，所述a/d模塊與所述信號調(diào)理電路的輸出端連接，接收所述信號調(diào)理電路采集的信息。

優(yōu)選地，所述主控制單元包括第二微控制器mcu2、隔離電路、第一電子調(diào)速器～第n電子調(diào)速器、與所述第一電子調(diào)速器～第n電子調(diào)速器一一對應的第一電機～第n電機、噴藥泵、噴嘴及視頻模塊，所述第二微控制器mcu2上設有第二can模塊、第一sci模塊、第二sci模塊、i/o模塊、捕捉模塊、pwm模塊及與所述第二dc/dc的輸出端相連的第二電源模塊，所述視頻模塊包括攝像頭和無線視頻發(fā)送模塊，所述第二can模塊通過can總線與所述混合供電單元中的管理單元、主dc/dc及所述數(shù)據(jù)采集單元中第一微控制器mcu1的第一can模塊相連進行通信，所述第一sci模塊通過串口連接有傳感器模塊，將無人機的姿態(tài)信息和位置信息發(fā)送給第二微控制器mcu2，所述第二sci模塊通過串口與無線數(shù)傳模塊相連將無人機的信息和參數(shù)發(fā)送給地面站和遙控器，所述無線視頻發(fā)送模塊將現(xiàn)場情景發(fā)送給地面站和手持遙控器，所述i/o模塊連有聲光報警電路，所述i/o模塊與所述噴嘴的開關控制端相連，所述捕捉模塊連接有rc接收機，接收到來自遙控器和地面站的控制命令并發(fā)送給所述第二微控制器mcu2，所述pwm模塊與所述隔離電路的輸入端相連，所述隔離電路的輸出端與所述第一電子調(diào)速器～第n電子調(diào)速器、所述噴藥泵、所述風扇的控制端相連，所述第一電子調(diào)速器～第n電子調(diào)速器的輸出信號端分別對應與所述第一電機～第n電機相連并控制其轉(zhuǎn)速，所述第二電源模塊為所述第二微控制器mcu2及其外端電路供電，所述混合供電單元中主dc/dc的輸出端為所述第一電子調(diào)速器～第n電子調(diào)速器、所述噴藥泵、所述噴嘴和所述視頻模塊供電。

一種上述多旋翼燃料電池植保無人機控制系統(tǒng)工作方法：

無人機啟動前，所述第二微控制器mcu2通過所述捕捉模塊時時檢測所述rc接收機的ppm信號，控制所述負載開關斷開，同時控制所述輸出開關閉合，通過所述第二can模塊接收所述管理單元采集的蓄電池電壓、溫度、soc信息以及所述數(shù)據(jù)采集單元采集的所述高壓壓力傳感器p1、所述進堆壓力傳感器p2、所述溫度傳感器t、所述電壓傳感器v、所述電流傳感器a信息以及所述燃料電池電堆單片電池的電壓，通過所述第一sci模塊接收所述傳感器模塊采集的3軸角度、3軸角速度、3軸加速度、gps位置信息、高度及3軸速度信息，并將信息和參數(shù)通過所述無線數(shù)傳模塊發(fā)送給地面站和遙控器。

無人機啟動時，當所述第二微控制器mcu2通過所述捕捉模塊檢測到所述rc接收機接收到來自地面站和遙控器的解鎖命令時，所述第二微控制器mcu2控制所述減壓閥、所述進氣閥和所述風扇開啟啟動所述燃料電池電堆，當所述電壓傳感器v的值和所述燃料電池電堆中各片單電池電壓均大于預設的相應最低臨界值時，所述第二微控制器mcu2控制所述負載開關閉合，所述第二微控制器mcu2通過所述pwm模塊輸出pwm信號控制所述第一電機～第n電機以正反轉(zhuǎn)交替方式進行低速轉(zhuǎn)動，并通過所述視頻模塊將無人機前方信息回傳給遙控器和地面站，當所述蓄電池的soc大于80％時，所述第二微控制器mcu2控制所述輸出開關斷開，系統(tǒng)由所述燃料電池電堆單獨供電，當所述蓄電池的soc小于或等于80％時，所述第二微控制器mcu2控制所述輸出開關閉合，所述燃料電池電堆在為系統(tǒng)供電的同時為所述蓄電池充電直至所述蓄電池的soc大于80％。

無人機啟動成功后，當所述第二微控制器mcu2通過所述捕捉模塊檢測到所述rc接收機接收到來自地面站和遙控器的爬升命令時，所述第二微控制器mcu2控制所述輸出開關閉合，使系統(tǒng)由所述燃料電池電堆和所述蓄電池共同供電，通過所述can總線向所述主dc/dc發(fā)送目標輸出電壓控制命令調(diào)節(jié)所述燃料電池電堆和所述蓄電池的能量分配，同時基于所述傳感器模塊采集的3軸角度、3軸角速度、3軸加速度、gps位置信息、高度、3軸速度和油門推桿量信息進行解算得出所述第一電機～第n電機的轉(zhuǎn)速控制量，通過所述pwm模塊輸出一定占空比的pmw信號加大所述風扇和所述第一電機～第n電機的轉(zhuǎn)速進入爬升飛行模式。

無人機在轉(zhuǎn)彎、俯沖、橫滾、下降、懸停和保持恒定高度飛行過程中，當所述第二微控制器mcu2通過所述捕捉模塊檢測到所述rc接收機接收到來自地面站和遙控器的飛行姿態(tài)控制命令時，根據(jù)所述傳感器模塊采集的3軸角度、3軸角速度、3軸加速度、gps位置信息、高度、3軸速度和油門推桿量信息進行解算得出所述第一電機～第n電機的轉(zhuǎn)速控制量，通過所述pwm模塊輸出一定占空比的pmw信號控制所述第一電機～第n電機的轉(zhuǎn)速進入姿態(tài)和位置反饋控制；當所述第二微控制器mcu2通過所述捕捉模塊檢測到所述rc接收機接收到來自地面站和遙控器的噴藥控制命令時，所述第二微控制器mcu2通過所述i/o模塊控制所述噴嘴開啟，通過所述pwm模塊輸出pwm信號控制所述噴藥泵的出口流量，當所述蓄電池的soc大于80％時，所述第二微控制器mcu2控制所述輸出開關斷開，使系統(tǒng)由所述燃料電池電堆單獨供電，當所述蓄電池的soc小于或等于80％時，所述第二微控制器mcu2控制所述輸出開關閉合，所述燃料電池電堆在為系統(tǒng)供電的同時為所述蓄電池充電直至所述蓄電池的soc大于80％。

無人機在飛行過程中，當所述溫度傳感器t的值高于預設的臨界值時，所述第二微控制器mcu2通過所述pwm模塊加大pwm信號的占空比，提高所述風扇的轉(zhuǎn)速對所述燃料電池電堆進行降溫，直至所述溫度傳感器t的值低于預設的臨界值后，恢復pwm信號之前的占空比；當所述燃料電池電堆的最低單片電池電壓值低于0.6v大于0.3v時，所述第二微控制器mcu2控制所述尾氣閥開通直至所述燃料電池電堆的最低單片電池電壓值恢復到0.6v及以上。

無人機在飛行過程中，當所述燃料電池電堆的最低單片電池電壓值小于等于0.3v時，所述第二微控制器mcu2控制所述輸出開關閉合，同時控制所述負載開關斷開，使系統(tǒng)由所述蓄電池單獨供電，當所述蓄電池的soc大于等于50％時，所述第二微控制器mcu2通過所述捕捉模塊檢測到所述rc接收機接收到來自地面站和遙控器的飛行姿態(tài)控制命令，根據(jù)所述傳感器模塊采集的3軸角度、3軸角速度、3軸加速度、gps位置信息、高度、3軸速度和油門推桿量信息進行解算得出所述第一電機～第n電機的轉(zhuǎn)速控制量，通過所述pwm模塊輸出一定占空比的pmw信號控制所述第一電機～第n電機的轉(zhuǎn)速進入姿態(tài)和位置反饋控制，當所述蓄電池的soc小于50％并且大于30％時，所述第二微控制器mcu2根據(jù)所述傳感器模塊采集的3軸角度、3軸角速度、3軸加速度、gps位置信息、高度和3軸速度信息控制所述第一電機～第n電機的轉(zhuǎn)速返回原點，通過所述pwm模塊逐漸減小pmw信號的占空比，降低所述第一電機～第n電機的轉(zhuǎn)速使系統(tǒng)著陸并停機，當所述蓄電池的soc小于等于30％時，所述第二微控制器mcu2通過所述i/o模塊驅(qū)動所述聲光報警電路進行報警提示，同時通過所述pwm模塊逐漸減小pmw信號的占空比，降低所述第一電機～第n電機的轉(zhuǎn)速使系統(tǒng)原地著陸后停機。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下優(yōu)點：

1、利用所述燃料電池電堆能量密度高的優(yōu)點，提高了續(xù)航能力；

2、在除緊急爬升飛行和啟動外的工作情況下由所述燃料電池電堆單獨供電，降低了所述蓄電池的容量；

3、基于所述燃料電池電堆的特性和所述蓄電池的soc值優(yōu)化控制供電模式和能量分配，根據(jù)接收到的控制命令智能調(diào)節(jié)旋翼電機的轉(zhuǎn)速調(diào)整飛行姿態(tài)和位置，并進行相應的噴藥量控制；

4、當相關參數(shù)和狀態(tài)不正常時進行聲光報警提示，并自動進行返航降落或原地降落處理，安全可靠；

5、本系統(tǒng)智能化程度高、續(xù)航時間長、清潔環(huán)保。

附圖說明

圖1為本發(fā)明多旋翼燃料電池植保無人機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框架示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。

如圖1所示，本發(fā)明多旋翼燃料電池植保無人機控制系統(tǒng)包括混合供電單元、數(shù)據(jù)采集單元和主控制單元，混合供電單元為數(shù)據(jù)采集單元和主控制單元提供電力，數(shù)據(jù)采集單元采集混合供電單元中的各項信息，發(fā)送給主控制單元，主控制單元與地面站和手持遙控器交互，接收控制命令，基于數(shù)據(jù)采集單元的發(fā)送的信息控制混合供電單元的的供電模式和能量分配，并控制無人機的飛行姿態(tài)和位置，進行噴藥操作，同時，通過無線數(shù)傳模塊將系統(tǒng)中的參數(shù)發(fā)送給地面站和手持遙控器，通過無線視頻發(fā)送模塊將現(xiàn)場的情景發(fā)送給地面站和手持遙控器，在相關參數(shù)和狀態(tài)出現(xiàn)異常時驅(qū)動聲光報警電路進行報警提示。

如圖1所示，混合供電單元包括高壓氫瓶、燃料電池電堆、蓄電池、主dc/dc、第一dc/dc及第二dc/dc，高壓氫瓶的出口依次經(jīng)過高壓壓力傳感器p1、減壓閥、進氣閥和進堆壓力傳感器p2后與燃料電池電堆的氫氣入口相連，燃料電池電堆的氫氣出口經(jīng)過排氣閥后與外部大氣相連，燃料電池電堆上安裝有風扇和溫度傳感器t，燃料電池電堆的電能輸出端并聯(lián)有電壓傳感器v后依次經(jīng)過正極串聯(lián)的負載開關、電流傳感器a和二極管后與主dc/dc的輸入端相連，主dc/dc的輸出端分別與第一dc/dc和第二dc/dc的輸入端相連，主dc/dc的輸出端串聯(lián)有常閉型的輸出開關后與蓄電池的輸出端相連，蓄電池通過數(shù)據(jù)線連有管理單元，主dc/dc與主控制單元相連進行供電。

如圖1所示，數(shù)據(jù)采集單元包括信號調(diào)理電路及第一微控制器mcu1，信號調(diào)理電路的輸入端連有混合供電單元中的高壓壓力傳感器p1、進堆壓力傳感器p2、溫度傳感器t、電壓傳感器v、電流傳感器a及燃料電池電堆單片電池的電壓輸出端，第一微控制器mcu1上設有第一can模塊、a/d模塊及與第一dc/dc的輸出端相連的第一電源模塊，a/d模塊與信號調(diào)理電路的輸出端連接，接收信號調(diào)理電路采集的信息。

如圖1所示，主控制單元包括第二微控制器mcu2、隔離電路、第一電子調(diào)速器～第n電子調(diào)速器、與第一電子調(diào)速器～第n電子調(diào)速器一一對應的第一電機～第n電機、噴藥泵、噴嘴及視頻模塊，第二微控制器mcu2上設有第二can模塊、第一sci模塊、第二sci模塊、i/o模塊、捕捉模塊、pwm模塊及與第二dc/dc的輸出端相連的第二電源模塊，視頻模塊包括攝像頭和無線視頻發(fā)送模塊，第二can模塊通過can總線與混合供電單元中的管理單元、主dc/dc及數(shù)據(jù)采集單元中第一微控制器mcu1的第一can模塊相連進行通信，第一sci模塊通過串口連接有傳感器模塊，將無人機的姿態(tài)信息和位置信息發(fā)送給第二微控制器mcu2，第二sci模塊通過串口與無線數(shù)傳模塊相連將無人機的信息和參數(shù)發(fā)送給地面站和遙控器，無線視頻發(fā)送模塊將現(xiàn)場情景發(fā)送給地面站和手持遙控器，i/o模塊連有聲光報警電路，i/o模塊與噴嘴的開關控制端相連，捕捉模塊連接有rc接收機，接收到來自遙控器和地面站的控制命令并發(fā)送給第二微控制器mcu2，pwm模塊與隔離電路的輸入端相連，隔離電路的輸出端與第一電子調(diào)速器～第n電子調(diào)速器、噴藥泵、風扇的控制端相連，第一電子調(diào)速器～第n電子調(diào)速器的輸出信號端分別對應與第一電機～第n電機相連并控制其轉(zhuǎn)速，第二電源模塊為第二微控制器mcu2及其外端電路供電，混合供電單元中主dc/dc的輸出端為第一電子調(diào)速器～第n電子調(diào)速器、噴藥泵、噴嘴和視頻模塊供電。

本實施例中，無人機啟動前，第二微控制器mcu2通過捕捉模塊時時檢測rc接收機的ppm信號，控制負載開關斷開，同時控制輸出開關閉合，通過第二can模塊接收管理單元采集的蓄電池電壓、溫度、soc信息以及數(shù)據(jù)采集單元采集的高壓壓力傳感器p1、進堆壓力傳感器p2、溫度傳感器t、電壓傳感器v、電流傳感器a信息以及燃料電池電堆單片電池的電壓，通過第一sci模塊接收傳感器模塊采集的3軸角度、3軸角速度、3軸加速度、gps位置信息、高度及3軸速度信息，并將信息和參數(shù)通過無線數(shù)傳模塊發(fā)送給地面站和遙控器。

本實施例中，無人機啟動時，當?shù)诙⒖刂破鱩cu2通過捕捉模塊檢測到rc接收機接收到來自地面站和遙控器的解鎖命令時，第二微控制器mcu2控制減壓閥、進氣閥和風扇開啟啟動燃料電池電堆，當電壓傳感器v的值和燃料電池電堆中各片單電池電壓均大于預設的相應最低臨界值時，第二微控制器mcu2控制負載開關閉合，第二微控制器mcu2通過pwm模塊輸出pwm信號控制第一電機～第n電機以正反轉(zhuǎn)交替方式進行低速轉(zhuǎn)動，并通過視頻模塊將無人機前方信息回傳給遙控器和地面站，當蓄電池的soc大于80％時，第二微控制器mcu2控制輸出開關斷開，系統(tǒng)由燃料電池電堆單獨供電，當蓄電池的soc小于或等于80％時，第二微控制器mcu2控制輸出開關閉合，燃料電池電堆在為系統(tǒng)供電的同時為蓄電池充電直至蓄電池的soc大于80％。

本實施例中，無人機啟動成功后，當?shù)诙⒖刂破鱩cu2通過捕捉模塊檢測到rc接收機接收到來自地面站和遙控器的爬升命令時，第二微控制器mcu2控制輸出開關閉合，使系統(tǒng)由燃料電池電堆和蓄電池共同供電，通過can總線向主dc/dc發(fā)送目標輸出電壓控制命令調(diào)節(jié)燃料電池電堆和蓄電池的能量分配，同時基于傳感器模塊采集的3軸角度、3軸角速度、3軸加速度、gps位置信息、高度、3軸速度和油門推桿量信息進行解算得出第一電機～第n電機的轉(zhuǎn)速控制量，通過pwm模塊輸出一定占空比的pmw信號加大風扇和第一電機～第n電機的轉(zhuǎn)速進入爬升飛行模式。

本實施例中，無人機在轉(zhuǎn)彎、俯沖、橫滾、下降、懸停和保持恒定高度飛行過程中，當?shù)诙⒖刂破鱩cu2通過捕捉模塊檢測到rc接收機接收到來自地面站和遙控器的飛行姿態(tài)控制命令時，根據(jù)傳感器模塊采集的3軸角度、3軸角速度、3軸加速度、gps位置信息、高度、3軸速度和油門推桿量信息進行解算得出第一電機～第n電機的轉(zhuǎn)速控制量，通過pwm模塊輸出一定占空比的pmw信號控制第一電機～第n電機的轉(zhuǎn)速進入姿態(tài)和位置反饋控制；當?shù)诙⒖刂破鱩cu2通過捕捉模塊檢測到rc接收機接收到來自地面站和遙控器的噴藥控制命令時，第二微控制器mcu2通過i/o模塊控制噴嘴開啟，通過pwm模塊輸出pwm信號控制噴藥泵的出口流量，當蓄電池的soc大于80％時，第二微控制器mcu2控制輸出開關斷開，使系統(tǒng)由燃料電池電堆單獨供電，當蓄電池的soc小于或等于80％時，第二微控制器mcu2控制輸出開關閉合，燃料電池電堆在為系統(tǒng)供電的同時為蓄電池充電直至蓄電池的soc大于80％。

本實施例中，無人機在飛行過程中，當溫度傳感器t的值高于預設的臨界值時，第二微控制器mcu2通過pwm模塊加大pwm信號的占空比，提高風扇的轉(zhuǎn)速對燃料電池電堆進行降溫，直至溫度傳感器t的值低于預設的臨界值后，恢復pwm信號之前的占空比；當燃料電池電堆的最低單片電池電壓值低于0.6v大于0.3v時，第二微控制器mcu2控制尾氣閥開通直至燃料電池電堆的最低單片電池電壓值恢復到0.6v及以上。

本實施例中，無人機在飛行過程中，當燃料電池電堆的最低單片電池電壓值小于等于0.3v時，第二微控制器mcu2控制輸出開關閉合，同時控制負載開關斷開，使系統(tǒng)由蓄電池單獨供電，當蓄電池的soc大于等于50％時，第二微控制器mcu2通過捕捉模塊檢測到rc接收機接收到來自地面站和遙控器的飛行姿態(tài)控制命令，根據(jù)傳感器模塊采集的3軸角度、3軸角速度、3軸加速度、gps位置信息、高度、3軸速度和油門推桿量信息進行解算得出第一電機～第n電機的轉(zhuǎn)速控制量，通過pwm模塊輸出一定占空比的pmw信號控制第一電機～第n電機的轉(zhuǎn)速進入姿態(tài)和位置反饋控制，當蓄電池的soc小于50％并且大于30％時，第二微控制器mcu2根據(jù)傳感器模塊采集的3軸角度、3軸角速度、3軸加速度、gps位置信息、高度和3軸速度信息控制第一電機～第n電機的轉(zhuǎn)速返回原點，通過pwm模塊逐漸減小pmw信號的占空比，降低第一電機～第n電機的轉(zhuǎn)速使系統(tǒng)著陸并停機，當蓄電池的soc小于等于30％時，第二微控制器mcu2通過i/o模塊驅(qū)動聲光報警電路進行報警提示，同時通過pwm模塊逐漸減小pmw信號的占空比，降低第一電機～第n電機的轉(zhuǎn)速使系統(tǒng)原地著陸后停機。

本發(fā)明利用燃料電池電堆能量密度高的優(yōu)點，提高了續(xù)航能力，在除緊急爬升飛行和啟動外的工作情況下由燃料電池電堆單獨供電，降低了蓄電池的容量，另外，基于燃料電池電堆的特性和蓄電池的soc值優(yōu)化控制供電模式和能量分配，根據(jù)接收到的控制命令智能調(diào)節(jié)旋翼電機的轉(zhuǎn)速調(diào)整飛行姿態(tài)和位置，并進行相應的噴藥量控制，當相關參數(shù)和狀態(tài)不正常時進行聲光報警提示，并自動進行返航降落或原地降落處理，安全可靠，本系統(tǒng)智能化程度高、續(xù)航時間長、清潔環(huán)保。