一种用于有人机的施药量控制系统及方法与流程

本发明涉及农业技术领域，具体涉及一种用于有人机的施药量控制系统及方法。

背景技术：

近年来，在国家政策和农业现代化发展需求的大力推动下，我国农业航空施药技术得到了快速发展。目前，采用无人机进行施药作业的农业装备发展非常迅速，国内许多科研人员已经对无人机的智能施药系统展开了研究，但目前国内尚没有学者针对有人机(有人驾驶直升机和固定翼施药飞机)的施药量控制装置展开研究；基于有人机的施药作业，均采用的是无差别施药，其施药量在每个区域都是相同的，这就在一定程度上造成了农药浪费，或造成需药量多的区域药量不足，达不到施药效果。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种用于有人机的施药量控制系统及方法，实现了有人机在施药过程中的精准施药，可针对田间不同地块进行差异施药，解决了有人机无差别施药造成的农药浪费，提高了农药的有效利用率。

第一方面，本发明提供了一种用于有人机的施药量控制系统，包括：

依次由药箱、第一施药管道、三通球阀和回流管道连接组成的回路；

其中，第一施药管道的第一端与药箱的第一端连接，第二端与三通球阀的第一端连接，回流管道的第一端与三通球阀的第二端连接，第二端与药箱的第二端连接；第一施药管道上设置有电动水泵；

所述系统还包括：与三通球阀的第三端连接的第二施药管道，以及在第二施药管道的输出端依次设置的流量传感器以及施压喷头；

所述系统还包括：施药量控制器和速度检测模块；

所述施药量控制器分别与流量传感器、速度检测模块和三通球阀的控制端连接，所述施药量控制器用于根据用户设定的目标施药量与通过流量传感器和速度检测模块采集的数据计算获取的实际施药量之差控制所述三通球阀的开度，调节第二施药管道内的流量，使实际施药量和目标施药量保持一致。

优选地，所述施药量控制器进一步包括：核心处理器模块、显示器、按键输入模块、球阀驱动器、流量传感器接口、速度检测模块接口和数据存储模块；

所述显示器、按键输入模块、球阀驱动器、流量传感器接口、速度检测模块接口和数据存储模块均与所述核心处理器模块连接；

所述显示器用于显示用户设定的目标施药量、流量传感器采集的流量信息和/或速度检测模块采集的施药飞机的飞行速度信息；

所述按键输入模块用于接收用户设定的目标施药量以及施药作业的作业幅宽；

所述球阀驱动器还用于与所述三通球阀连接，以控制所述三通球阀的开度；

所述流量传感器接口和速度检测模块接口分别与流量传感器和速度检测模块连接，用户实时获取第二施药管道中的流量信息以及施药飞机的飞行速度信息；

所述数据存储模块用于存储施药作业过程中的施药飞机的飞行速度、实际施药量以及第二施药管道内实时流量。

优选地，所述施药量控制器具体用于：

根据用户设定的目标施药量Q_s与通过流量传感器采集的第二施药管道内的瞬时流量q和速度检测模块采集的施药飞机的飞行速度v计算获取的实际施药量Q_v之差控制所述三通球阀的开度，调节第二施药管道内的流量，使实际施药量和目标施药量保持一致；

其中，当实际施药量Q_v大于目标施药量Q_s时，调节三通球阀的开度使第二施药管道内的流量减小；当实际施药量Q_v小于设定施药量Q_s时，调节三通球阀的开度使第二施药管道内的流量增加，以使实际施药量和目标施药量保持一致；

具体地，实际施药量Q_v通过如下公式计算得到：

$Q_v=\frac{10q}{vd}$

其中，d为用户设定的施药作业的作业幅宽；q为流量传感器采集的第二施药管道内的瞬时流量；v为速度检测模块采集的施药飞机的飞行速度。

优选地，所述流量传感器采用脉冲输出的涡轮流量计实现；

相应地，流量传感器采集的第二施药管道内的瞬时流量q为：

$q=\frac{3600f}{k}$

其中，f为流量传感器输出脉冲的频率；k为流量传感器的仪表系数。

优选地，所述第一施药管道、回流管道和第二施药管道均采用口径为20mm的304不锈钢管实现。

优选地，所述三通球阀采用博力谋R3025三通调节型球阀实现。

优选地，所述速度检测模块采用支持北斗和GPS双模定位的高精度GNSS模块ublox NEO-M8L实现。

优选地，所述数据存储模块采用SD卡实现。

优选地，所述核心处理器模块采用STM32F103单片机实现。

第二方面，本发明还提供了一种利用上面所述的用于有人机的施药量控制系统进行有人机施药量控制的控制方法，包括：

S1、获取第二施药管道内的瞬时流量q；

S2、获取施药飞机的实时飞行速度v；

S3、根据第二施药管道内的瞬时流量q、施药飞机的实时飞行速度v以及用户设定的施药作业的作业幅宽d计算实际施药量Q_v：

$Q_v=\frac{10q}{vd}$

其中，d为用户设定的施药作业的作业幅宽；q为流量传感器采集的第二施药管道内的瞬时流量；v为速度检测模块采集的施药飞机的飞行速度；

S4、若实际施药量Q_v大于用户设定的目标施药量Q_s，则调节三通球阀的开度使第二施药管道内的流量减小；若实际施药量Q_v小于用户设定的目标施药量Q_s，则调节三通球阀的开度使第二施药管道内的流量增加，以使实际施药量和目标施药量保持一致。

由上述技术方案可知，本发明提供的用于有人机的施药量控制系统通过施药量控制器实现有人机在施药过程中的精准施药，可针对田间不同地块进行差异施药，解决了有人机无差别施药造成的农药浪费，提高了农药的有效利用率，利于推广与应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的用于有人机的施药量控制系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的施药量控制器16的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的用于有人机的施药量控制系统的闭环控制原理图；

图4是本发明实施例提供的用于有人机施药量控制的控制方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了本发明实施例一提供的用于有人机的施药量控制系统的结构示意图，参见图1，本实施例提供的用于有人机的施药量控制系统，包括：

依次由药箱11、第一施药管道10、三通球阀13和回流管道15连接组成的回路；

其中，第一施药管道10的第一端与药箱11的第一端连接，第二端与三通球阀13的第一端连接，回流管道15的第一端与三通球阀13的第二端连接，第二端与药箱11的第二端连接；第一施药管道10上设置有电动水泵12；

所述系统还包括：与三通球阀13的第三端连接的第二施药管道14，以及在第二施药管道14的输出端依次设置的流量传感器18以及施压喷头19；

所述系统还包括：施药量控制器16和速度检测模块17；

所述施药量控制器16分别与流量传感器18、速度检测模块17和三通球阀13的控制端连接，所述施药量控制器16用于根据用户设定的目标施药量与通过流量传感器18和速度检测模块17采集的数据计算获取的实际施药量之差控制所述三通球阀13的开度，调节第二施药管道14内的流量，使实际施药量和目标施药量保持一致。

本实施例提供的用于有人机的施药量控制系统，可以固定安装在有人机的机舱底部，所述速度检测模块17用于测量有人机在施药过程中的飞行速度，所述流量传感器18用于实时获取第二施药管道14内的瞬时流量，施药量控制器16根据第二施药管道内的瞬时流量、飞机的实时飞行速度以及用户设定的施药作业的作业幅宽计算实际施药量，并根据实际施药量与目标施药量之差控制所述三通球阀13的开度，调节第二施药管道14内的流量，使实际施药量和目标施药量保持一致。

本发明实施例提供的用于有人机的施药量控制系统通过施药量控制器实现有人机在施药过程中的精准施药，可针对田间不同地块进行差异施药，解决了有人机无差别施药造成的农药浪费，提高了农药的有效利用率，利于推广与应用。

在一种可选实施方式中，参见图2，所述施药量控制器16进一步包括：核心处理器模块21、显示器27、按键输入模块25、球阀驱动器26、流量传感器接口22、速度检测模块接口24和数据存储模块23；

所述显示器27、按键输入模块25、球阀驱动器26、流量传感器接口22、速度检测模块接口24和数据存储模块23均与所述核心处理器模块21连接；

所述显示器27用于显示用户设定的目标施药量、流量传感器采集的流量信息和/或速度检测模块采集的施药飞机的飞行速度信息；

所述按键输入模块25用于接收用户设定的目标施药量以及施药作业的作业幅宽；这里所述的目标施药量一般指单位面积的施药量；

所述球阀驱动器26还用于与所述三通球阀13连接，以控制所述三通球阀13的开度；

所述流量传感器接口22和速度检测模块接口24分别与流量传感器18和速度检测模块17连接，用户实时获取第二施药管道中的流量信息以及施药飞机的飞行速度信息；

所述数据存储模块23用于存储施药作业过程中的施药飞机的飞行速度、实际施药量以及第二施药管道内实时流量。

在一种可选实施方式中，所述施药量控制器16具体用于：

根据用户设定的目标施药量Q_s与通过流量传感器18采集的第二施药管道内的瞬时流量q和速度检测模块17采集的施药飞机的飞行速度v计算获取的实际施药量Q_v之差控制所述三通球阀13的开度，调节第二施药管道14内的流量，使实际施药量和目标施药量保持一致；

其中，当实际施药量Q_v大于目标施药量Q_s时，调节三通球阀13的开度使第二施药管道14内的流量减小；当实际施药量Q_v小于设定施药量Q_s时，调节三通球阀13的开度使第二施药管道14内的流量增加，以使实际施药量和目标施药量保持一致；

具体地，实际施药量Q_v通过如下公式计算得到：

$Q_v=\frac{10q}{vd}$

其中，d为用户设定的施药作业的作业幅宽；q为流量传感器18采集的第二施药管道14内的瞬时流量；v为速度检测模块17采集的施药飞机的飞行速度。

在一种可选实施方式中，所述流量传感器18采用脉冲输出的涡轮流量计实现；

相应地，流量传感器18采集的第二施药管道14内的瞬时流量q为：

$q=\frac{3600f}{k}$

其中，f为流量传感器18输出脉冲的频率；k为流量传感器18的仪表系数。

在一种可选实施方式中，所述第一施药管道、回流管道和第二施药管道均采用口径为20mm的304不锈钢管实现。

在一种可选实施方式中，所述三通球阀采用博力谋R3025三通调节型球阀实现。

在一种可选实施方式中，所述速度检测模块采用支持北斗和GPS双模定位的高精度GNSS模块ublox NEO-M8L实现。

在一种可选实施方式中，所述数据存储模块采用SD卡实现。

在一种可选实施方式中，所述核心处理器模块采用STM32F103单片机实现。

参见图1，该系统包括药箱11、第一施药管道10、电动水泵12、三通球阀13、第二施药管道14、回流管道15、施药量控制器16、速度检测模块17、流量传感器18和施压喷头19；

其中，流量传感器18优选为脉冲输出的涡轮流量计，流量传感器的口径为20mm，测量范围为0.4m³/h～8m³/h，当有药液流过时，流量传感器18输出流量脉冲信号，并将信号转送给施药量控制器16；速度检测模块17优选为支持北斗和GPS双模定位的高精度GNSS模块ubloxNEO-M8L，通过施药量控制器16获取速度检测模块17输出的作业飞机的当前飞行速度；三通球阀13优选为博力谋R3025三通调节型球阀，其通过球阀驱动器26进行驱动，实现第二施药管道14内的流量控制；第一施药管道10、第二施药管道14和回流管道15均由口径为20mm的304不锈钢管组成。

在施药过程中，电动水泵12从药箱11中将药液泵入三通球阀13，施药量控制器16根据用户设定的单位面积的施药量、速度检测模块17测得的飞机飞行速度及流量传感器16反馈回来的实际流量，来控制球阀驱动器26，实现三通球阀13的开度调节，完成药液在第二施药管道14和回流管道15之间的分配，从而实现单位面积内实际施药量与设定的目标施药量保持一致的目的。

参见图2，图2示出了施药量控制器16的进一步结构。具体包括：核心处理器模块21、显示器27、按键输入模块25、球阀驱动器26、流量传感器接口22、速度检测模块接口24和数据存储模块23；

其中，核心处理器模块21优选为STM32F103单片机，核心处理器模块21通过流量传感器接口22和速度检测模块接口24分别于流量传感器18和速度检测模块17相连，实现第二施药管道14内流量和飞机飞行速度的实时获取；球阀驱动器26优选为博力谋NRQU24调节型驱动器，用来实现三通球阀13的开度调节；显示器27优选为4位数码显示管，显示器27与核心处理器模块21通过RS485协议进行通讯；数据存储模块23优选为SD卡，用来记录施药作业过程中飞机飞行速度、实际施药量及施药管道内实时流量等数据，便于施药作业后的信息统计与管理。

图3示出了上述提供的用于有人机的施药量控制系统的闭环控制原理图，首先通过按键输入模块25完成目标施药量的设置，通过流量传感器18输出的施药管道内的实时流量和速度检测模块17输出的飞机当前飞行速度，计算得到实际的施药量，然后比较得到实际施药量和目标施药量之间的差值，核心处理器模块21根据该差值控制球阀驱动器26对三通球阀13的开度进行调节，改变第二施药管道14内的流量，使实际施药量和设定施药量保持一致，从而实现施药量的闭环控制。

本发明实施例提供的用于有人机的施药量控制系统具有以下有益效果：通过施药量控制器实现有人机在施药过程中的精准施药，可针对田间不同地块进行差异施药，解决了有人机无差别施药造成的农药浪费，提高了农药的有效利用率，利于推广与应用。

本发明实施例二提供了一种利用上述实施例提供的用于有人机的施药量控制系统进行有人机施药量控制的控制方法，参见图4，包括如下步骤：

步骤101：获取第二施药管道内的瞬时流量q。

步骤102：获取施药飞机的实时飞行速度v。

步骤103：根据第二施药管道内的瞬时流量q、施药飞机的实时飞行速度v以及用户设定的施药作业的作业幅宽d计算实际施药量Q_v：

$Q_v=\frac{10q}{vd}$

其中，d为用户设定的施药作业的作业幅宽；q为流量传感器采集的第二施药管道内的瞬时流量；v为速度检测模块采集的施药飞机的飞行速度；

步骤104：若实际施药量Q_v大于用户设定的目标施药量Q_s，则调节三通球阀的开度使第二施药管道内的流量减小；若实际施药量Q_v小于用户设定的目标施药量Q_s，则调节三通球阀的开度使第二施药管道内的流量增加，以使实际施药量和目标施药量保持一致。

当所述流量传感器18采用脉冲输出的涡轮流量计实现时，相应地，流量传感器18采集的第二施药管道14内的瞬时流量q为：

$q=\frac{3600f}{k}$

其中，f为流量传感器18输出脉冲的频率；k为流量传感器18的仪表系数。

图3示出了上述控制方法的闭环控制原理图，首先通过按键输入模块25完成目标施药量的设置，通过流量传感器18输出的施药管道内的实时流量和速度检测模块17输出的飞机当前飞行速度，计算得到实际的施药量，然后比较得到实际施药量和目标施药量之间的差值，核心处理器模块21根据该差值控制球阀驱动器26对三通球阀13的开度进行调节，改变第二施药管道14内的流量，使实际施药量和设定施药量保持一致，从而实现施药量的闭环控制。

本实施例提供的方法具有和上述实施例所述的系统一样的效果，此处不再赘述。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。