一种植保无人机专用飞控系统

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一种植保无人机专用飞控系统\n技术领域\n[0001] 本实用新型属于农用航空植保领域,涉及一种针对驱动解耦植保无人机平台的飞控系统，使之具备沿预设的飞行航路进行植保作业，保持作业高度，避免出现农药漏喷、重喷或严重雾滴飘失。\n技术背景\n[0002] 与传统的田间人工喷洒农药作业相比，植保无人机喷洒农药有着非常明显的优势：无人机作业效率高，农药对作业人员的危害较小，大幅度减小作业人员的劳动强度，雾滴漂移少，雾流对农作物的穿透性明显加强，对病虫草害防治效果良好，无人机不需要专用的升降场地，机动性能良好。同时也推动了我国农业机械化、数字化的发展进程。\n[0003] 植保无人机施药时，需稳定在距离作物2～3米的高空上平稳低速飞行并喷洒药液。目前植保无人机多采用遥控直升机或多旋翼无人机作为作业平台。无人直升机结构复杂，其飞行过程中存在铅垂方向升力和水平推力耦合问题，一方面加大了直升机机械结构和控制算法的复杂性，另一方面也提高其遥操作的复杂性，因此需要对无人机遥控者进行专业培训。多旋翼无人机作为植保作业平台，其载重相对直升机小的多，主要原因是采用了多个小尺寸螺旋桨，效率低，而且由于电源不能过大，其持续作业时间较短。因此在多旋翼无人机作业过程中需要多次的返回加药和更换电池，工作效率低，也造成了能源的浪费。\n[0004] 一种驱动解耦的无人机平台有效的解决了现有无人机结构复杂，操作困难，负载低的问题。所谓驱动解耦植保无人机平台仅需要实现铅垂方向升降运动、一定飞行高度下的平面运动。无人机平台在高度上的升降仅由其铅垂方向的大旋翼提供升力，而无人机平台相对机身前后方向运动仅由左右两个小旋翼提供推力，无人机平台相对机身左右方向运动仅由前后两个小旋翼提供推力，因此该无人机平台的驱动力是完全解耦的。该平台极大地适应了无人机作为专业植保平台的作业需求。\n[0005] 现有植保无人机大多是人工遥控操作的，不带自动导航系统，喷洒药液的准确性差，漏喷现象时有发生。而基于GPS导航的无人机飞控系统控制无人机沿预设的飞行航路进行植保作业，但其植保过程中易出现的航路误差或作业高度不稳定，从而极大地影响植保作业效果，极易造成农药漏喷、重喷或雾滴飘失严重。现有无人机飞控系统无法适应驱动解耦的无人机平台进行植保作业的需求，因而无法直接配置应用到此类驱动解耦的植保无人机上作为其植保飞行控制系统。\n[0006] 综上所述，针对现有植保无人机存在的问题和不足，发明一种针对低成本、高负载、驱 动解耦植保无人机的飞控系统具有非常重要的实际意义。\n发明内容\n[0007] 针对现有各种植保无人机平台存在的不足，克服现有飞控导航系统无法直接应用于驱动解耦的植保无人机平台，本实用新型提供了一种适合于驱动解耦植保无人机平台的飞控系统，并使之不仅具备依据设置的作业路线进行导航，而且在作业过程中使无人机保持预定的喷药高度的特点。\n[0008] 本实用新型一种植保无人机专用飞控系统采用的技术方案：包括无人机植保综合管理模块、高度控制子模块、航路导航控制子模块，喷雾控制子模块。所述无人机植保综合管理模块作为整个无人机控制的核心，管理航路导航控制子模块、喷雾作业控制子模块、飞行高度控制子模块的信息交换以及实现作业参数设定等人机交互功能。所述高度控制子模块可以测量无人机距离作物冠层的距离，并且实时调整无人机铅垂方向升力使之稳定在作业高度上。所述航路导航控制子模块使无人机沿预设作业航路飞行，同时可以随时调整飞行过程中出现的航路误差，做到精确导航。所述喷雾控制子模块依据植保无人机的作业位置实时控制植保作业开关，有效避免农药的漏喷和重喷。\n[0009] 所述的无人机植保综合管理模块，包括飞控处理单元、信息接收单元、控制信息输出单元。所述的飞控处理单元选用DSP处理器，该芯片集成有丰富的外围接口，具备浮点运算能力、计算精度高、能提高控制输出精度。所述的信息接收单元包括高度信息输入接口、飞行信息输入接口、无线传输模块和无线信息输入接口。所述的控制信息输出单元包括高度控制信息输出接口、飞行姿态调整信息输出接口和喷药控制信息输出接口。所述的高度信息输入接口采用UART接口与飞控处理单元通讯。所述的飞行信息输入接口的SPI接口与飞控处理单元通讯。所述的无线传输模块经无线信息输入接口与飞控处理单元进行远程通信。\n[0010] 所述的高度控制子模块包括超声波测高装置和高度控制单元。所述的超声波测高装置测量无人机与作物冠层的实际距离，也即是测量出无人机的飞行高度。所述的高度控制单元包括油门舵机、发动机、大旋翼。所述油门舵机利用测高传感单元反馈的信息调整发动机油门大小，控制输出动力大小，进而控制大旋翼的旋转速度，调整无人机铅垂向的升力。测高传感单元经过高度信息输入接口进入飞控处理单元，经飞控处理单元计算后，再经高度控制信息输出接口输出控制参数，控制油门舵机的油门大小，以控制大旋翼速度，进而调整无人机高度。\n[0011] 所述的航路导航控制子模块包括飞行参数传感单元和飞行姿态调整单元。所述的飞行参数传感单元包括GPS装置、6轴运动处理组件和电子罗盘。所述的GPS装置通过飞行信息输入接口送入飞控处理单元，GPS装置获取无人机的空间位置和飞行速度信息，用于控制无人 机沿着预定航路进行作业。所述的6轴运动处理组件为3轴陀螺仪和3轴加速器仪组合模块，用于测量无人机空间三个旋转自由度的偏转角度和三个平移自由度的加速度值。所述电子罗盘利用内置磁阻效应传感器，用于确定无人机相对地磁场的绝对航向角。\n所述的6轴运动处理组件和电子罗盘采用MEMS传感器，各传感器信号通过AD转换后由飞行信息输入接口送入飞控处理单元。所述飞行姿态调整单元分为前后向姿态调整模块和左右向姿态调整模块，每个模块均包括机身两侧与其相应的电子调速器、电机和小旋翼。所述电子调速器与电机连接，电机随着电子调速器输出的电机驱动电流的大小和方向变化改变电机的转速和转向，小旋翼和电机共轴连接，产生不同推力带动无人机调整飞行姿态。所述的飞行参数传感单元经过飞行信息输入接口进入飞控处理单元，飞控处理单元根据飞行参数传感单元获取无人机GPS位置信息和姿态信息进行计算，得出无人机姿态调整参数，再经飞行姿态调整信息输出接口输出控制参数，改变电子调速器的输出电流大小和方向，以控制小旋翼速度，进而调整无人机的飞行姿态和水平速度。\n[0012] 所述的喷雾控制子模块包括继电器、电动隔膜泵和喷头组。所述的继电器与电动隔膜泵连接，用于控制电动隔膜泵开关。所述的电动隔膜泵通过药液管与喷头组连接，用于将药液从药液箱中泵出。所述的喷头组用于将药液雾化喷洒到空中，再由无人机的下洗气流夹带雾滴到作物表面。所述的喷药控制信息输出接口与继电器连接，飞控处理单元依据是否到达喷雾区域进行继电器开关的控制，从而控制电动隔膜泵是否进行喷雾作业。\n[0013] 一种植保无人机专用飞控系统的控制流程如下：\n[0014] 1)植保无人机平台通过无线信息输入接口接收地面站预先设定的飞行高度和规划的喷雾航路数据，存储在飞控处理单元中。\n[0015] 2)启动发动机，油门舵机控制油门大小，大旋翼加速旋转，无人机平稳起飞，同时超声波测高装置开始工作，不断的把无人机离地面的高度信息反馈给无人机飞控，油门舵机根据所反馈的高度信息控制发动机油门大小，维持大旋翼一定的转速使无人机稳定在作业高度。\n[0016] 3)GPS装置将实时位置信息反馈给无人机飞控处理单元，航路导航控制子模块4个电子调速器根据反馈的路线信息控制输出电流大小，使对应的4个小旋翼分别以不同的转速和转向开始转动，带动无人机沿着作业路线飞行。左右小旋翼控制无人机沿着作物行运动(由A到B)，前后小旋翼控制无人机横向移动进行换行作业(由B到C)。\n[0017] 4)当无人机运行到指定高度和指定位置时，继电器控制电动隔膜泵开始工作，喷头开始喷药，如果不符合喷药位置则停止作业，直至无人机调整到作业位置再进行作业。\n[0018] 本实用新型一种驱动解耦植保无人机的控制系统及控制方法的有益效果是：\n[0019] 1)实现了驱动解耦植保无人机的飞行控制，铅垂方向升力与水平推力的驱动解耦保证控 制系统的简单可靠。；\n[0020] 2)植保无人机的起飞、作业和降落整个过程实现了自主飞行，具备沿预设的飞行航路进行植保作业，能应对各种复杂地形，减轻遥操作人员的劳动强度，避免农药漏喷或重喷；\n[0021] 3)植保无人机能保持作业高度，降低喷雾作业中由于自然风的影响，从而产生的严重雾滴飘失，保证了作业效果；\n[0022] 4)作业过程中，喷药控制比较严格，避免了药液的浪费，同时也减少了对环境的污染。\n附图说明\n[0023] 图1是本实用新型的控制流程图；\n[0024] 图2是本实用新型的高度控制环节；\n[0025] 图3是本实用新型的航向控制环节；\n[0026] 图4是本实用新型的速度控制环节；\n[0027] 图5是本实用新型的姿态控制环节；\n[0028] 图6是本实用新型的田间作业图。\n[0029] 图中：1、GPS装置 2、超声波测高装置 3、电子罗盘 4、六轴运动处理组件 5、油门舵机 6、发动机 7、大旋翼 8、继电器 9、电动隔膜泵 10、喷头组\n具体实施方式\n[0030] 下面结合附图对本实用新型专利进行进一步描述。本实用新型一种植保无人机专用飞控系统采用的技术方案：包括无人机植保综合管理模块、高度控制子模块、航路导航控制子模块，喷雾控制子模块。所述无人机植保综合管理模块作为整个无人机控制的控制核心，管理航路导航控制子模块、喷雾作业控制子模块、飞行高度控制子模块的信息交换以及实现作业参数设定等人机交互功能。所述高度控制子模块可以测量无人机距离作物冠层的距离，并且实时调整无人机铅垂方向升力使之稳定在作业高度上。所述航路导航控制子模块使无人机沿预设作业航路飞行，同时可以随时调整飞行过程中出现的航路误差，做到精确导航。所述喷雾控制子模块依据植保无人机的作业位置实时控制植保作业开关，有效避免农药的漏喷和重喷。\n[0031] 所述的无人机植保综合管理模块，包括飞控处理单元、信息接收单元、控制信息输出单元。所述的飞控处理单元选用DSP处理器，该芯片集成有丰富的外围接口，具备浮点运算能力、计算精度高、能提高控制输出精度。所述的信息接收单元包括高度信息输入接口、飞行信息输入接口、无线传输模块和无线信息输入接口。所述的控制信息输出单元包括高度控制信息输出接口、飞行姿态调整信息输出接口和喷药控制信息输出接口。所述的高度信息输入接口采用UART接口与飞控处理单元通讯。所述的飞行信息输入接口的SPI接口与飞控处理 单元通讯。所述的无线传输模块经无线信息输入接口与飞控处理单元进行远程通信。\n[0032] 所述的高度控制子模块包括超声波测高装置(2)和高度控制单元。所述的超声波测高装置(2)测量无人机与作物冠层的实际距离，也即是测量出无人机的飞行高度。所述的高度控制单元包括油门舵机(5)、发动机(6)、大旋翼(7)。所述油门舵机(5)利用测高传感单元反馈的信息调整发动机(6)油门大小，控制输出动力大小，进而控制大旋翼(7)的旋转速度，调整无人机铅垂向的升力。测高传感单元经过高度信息输入接口进入飞控处理单元，经飞控处理单元计算后，再经高度控制信息输出接口输出控制参数，控制油门舵机(5)的油门大小，以控制大旋翼(7)速度，进而调整无人机高度。\n[0033] 所述的航路导航控制子模块包括飞行参数传感单元和飞行姿态调整单元。所述的飞行参数传感单元包括GPS装置(1)、6轴运动处理组件(4)和电子罗盘(3)。所述的GPS装置(1)通过飞行信息输入接口送入飞控处理单元，GPS装置(1)获取无人机的空间位置和飞行速度信息，用于控制无人机沿着预定航路进行作业。所述的6轴运动处理组件(4)为3轴陀螺仪和3轴加速器仪组合模块，用于测量无人机空间三个旋转自由度的偏转角度和三个平移自由度的加速度值。所述电子罗盘(3)利用内置磁阻效应传感器，用于确定无人机相对地磁场的绝对航向角。所述的6轴运动处理组件(4)和电子罗盘(3)采用MEMS传感器，各传感器信号通过AD转换后由飞行信息输入接口送入飞控处理单元。所述飞行姿态调整单元分为前后向姿态调整模块和左右向姿态调整模块，每个模块均包括机身两侧与其相应的电子调速器、电机和小旋翼。所述电子调速器与电机连接，电机随着电子调速器输出的电机驱动电流的大小和方向变化改变电机的转速和转向，小旋翼和电机共轴连接，产生不同推力带动无人机调整飞行姿态。所述的飞行参数传感单元经过飞行信息输入接口进入飞控处理单元，飞控处理单元依据飞行参数传感单元获取的无人机GPS位置和姿态信息与飞控处理单元计算的无人机姿态调整参数，再经飞行姿态调整信息输出接口输出控制参数，改变电子调速器的输出电流大小和方向，以控制小旋翼速度，进而调整无人机的飞行姿态和水平速度。\n[0034] 所述的喷雾控制子模块包括继电器(8)、电动隔膜泵(9)和喷头组(10)。所述的继电器(8)与电动隔膜泵(9)连接，用于控制电动隔膜泵(9)开关。所述的电动隔膜泵(9)通过药液管与喷头组(10)连接，用于将药液从药液箱中泵出。所述的喷头组(10)用于将药液雾化喷洒到空中，再由无人机的下洗气流夹带雾滴到作物表面。所述的喷药控制信息输出接口与继电器(8)连接，飞控处理单元依据是否到达喷雾区域进行继电器(8)开关的控制，从而控制电动隔膜泵(9)是否进行喷雾作业。\n[0035] 一种针对驱动解耦植保无人机平台的控制系统的控制方法：\n[0036] 1)所述的高度控制子模块将预设飞行高度信息与测高传感单元获得的实际飞行高度信息 进行比较，通过采用PID控制算法产生高度控制指令，改变高度控制单元的油门舵机(5)控制参数，从而控制大旋翼(7)的旋转速度，调整无人机铅垂方向的升力。\n[0037] 2)植保无人机平台在作业开始前，通过无线信息输入接口接收地面站预先设定的飞行高度和规划的喷雾航路数据，存储在飞控处理单元中。所述的航路导航控制子模块将规划的喷雾航路中的目标位置信息与GPS装置(1)或飞行参数传感单元获得的实际位置信息进行比较，产生姿态控制指令和水平速度控制指令，使无人机随时调整飞行过程中出现的航路误差，使实际的航迹符合预定航路，做到精确导航。\n[0038] 依据植保作业路径与作物行对齐的特点，所述的驱动解耦无人机平台的水平速度控制仅涉及相对机身前后方向和左右方向的直线运动控制；所述的驱动解耦无人机平台的姿态控制仅涉及相对铅垂轴的旋转运动控制，以便将机身前后方向调整到对准规划航向方向。\n[0039] 所述的驱动解耦无人机平台相对机身前后方向的水平速度控制仅由左右两个小旋翼提供水平方向的前后向推力控制；所述的驱动解耦无人机平台相对机身左右方向的水平速度控制仅由前后两个小旋翼提供水平方向的左右向推力控制；所述的航路导航控制子模块将设定水平速度与飞行参数传感单元中的GPS装置(1)和3轴加速器仪获得的实际水平速度进行比较，通过采用PID控制算法产生水平速度控制指令，改变电子调速器的电流大小，从而改变前后方向或左右方向的小旋翼推力，最终调整水平飞行速度。\n[0040] 所述的驱动解耦无人机平台相对铅垂轴的旋转运动可由左右小旋翼以相反的转向提供的旋转扭矩控制。所述的航路导航控制子模块将设定的无人机的飞行航向与飞行参数传感单元中的3轴陀螺仪和电子罗盘(3)获得的实际航向角进行比较，通过采用PID控制算法产生姿态调整控制指令，改变机身左右两侧对应的电子调速器的电流大小，从而改变左右两侧小旋翼的推力，最终调整无人机飞行的实际航向。\n[0041] 当驱动解耦无人机平台受到扰动风的干扰或水平飞行加速时会出现机身稍稍失去平衡，即机身重心不在大旋翼(7)轴线上，所述的航路导航控制子模块将依据飞行参数传感单元的3轴陀螺仪的监测数据与无人机垂直面倾角比较，若其值超过设定阈值，则通过采用PID控制算法，产生姿态调整控制指令，改变机身左右两侧对应的电子调速器的电流大小，从而改变前后或左右两侧小旋翼的推力，最终调整其垂直面倾角回到正常范围。\n[0042] 3)所述的喷雾控制子模块依据GPS装置(1)所获取的无人机的定位信息和高度信息判断无人机到达指定的喷药高度和位置时，通过喷药控制信息输出接口导通继电器(8)，电动隔膜泵(9)开始工作，喷头开始喷药作业。\n[0043] 一种针对驱动解耦植保无人机平台的控制系统的控制流程如下：\n[0044] 1)植保无人机平台通过无线信息输入接口接收地面站预先设定的飞行高度和规划的喷雾 航路数据，存储在飞控处理单元中。\n[0045] 2)启动发动机(6)，油门舵机(5)控制油门大小，大旋翼(7)加速旋转，无人机平稳起飞，同时超声波测高装置(2)开始工作，不断的把无人机离地面的高度信息反馈给无人机飞控，油门舵机(5)根据所反馈的高度信息控制发动机(6)油门大小，维持大旋翼(7)一定的转速使无人机稳定在作业高度。\n[0046] 3)GPS装置将实时位置信息反馈给无人机飞控处理单元，航路导航控制子模块4个电子调速器根据反馈的路线信息控制输出电流大小，使对应的4个小旋翼分别以不同的转速和转向开始转动，带动无人机沿着作业路线飞行。左右小旋翼控制无人机沿着作物行运动(由A到B)，前后小旋翼控制无人机横向移动进行换行作业(由B到C)。\n[0047] 4)当无人机运行到指定高度和指定位置时，继电器(8)控制电动隔膜泵(9)开始工作，喷头开始喷药，如果不符合喷药位置则停止作业，直至无人机调整到作业位置再进行作业。