一种基于物联网的用于农业浇灌的新型无人机的制作方法

本发明属于农业浇灌技术领域，尤其涉及一种基于物联网的用于农业浇灌的新型无人机。

背景技术：

无人机往往更适合那些太“愚钝，肮脏或危险”的任务。无人机按应用领域，可分为军用与民用。军用方面，无人机分为侦察机和靶机。民用方面，无人机行业应用，是无人机真正的刚需；目前在航拍、农业、植保、微型自拍、快递运输、灾难救援、观察野生动物、监控传染病、测绘、新闻报道、电力巡检、救灾、影视拍摄、制造浪漫等等领域的应用，大大的拓展了无人机本身的用途，发达国家也在积极扩展行业应用与发展无人机技术。目前，无人机在农业方面的应用较为有限，在用无人机浇灌菜地时，由于农药箱容积较为有限，无法长时间进行作业，且由于缺乏良好的信息传递与交互，从而使无人机在浇灌菜地方面的工作效率大大降低。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)无人机在浇灌菜地时，农药箱容积较为有效，信息交互方面存在问题，工作效率低。

(2)现有的无人机的电机不能动静摩擦转矩共同补偿，导致无人机本身电能的损耗较大，缩短航程。

(3)摄像头所拍摄的图像较模糊，不利于观看，不能及时根据外界条件进行浇灌的调整与安排；无法实现无人机飞行异常振动信号的采集，使得采集信号的准确性下降。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于物联网的用于农业浇灌的新型无人机。

本发明是这样实现的，一种基于物联网的用于农业浇灌的新型无人机的使用方法，所述基于物联网的用于农业浇灌的新型无人机的使用方法包括：

(1)将农药箱灌满农药，放置在指定的地点，采用多特征属性集成模型的无线物联网接收器启动，上位机通过无线物联网接收器向该无人机发送启动命令后，电机在动静摩擦转矩共同补偿的摩擦控制下，实现无人机的起飞，无人机飞至指定地点上空，慢慢降落到农药箱的正上方；

所述电机的动静摩擦转矩共同补偿的摩擦控制方法包括：

其中，为转向柱转速的饱和函数；sat()函数的输出限制为±1；λ为饱和函数的转速系数；tfc为摩擦补偿转矩；γ为调整系数；tfriction为转向系统摩擦力矩；当电机角速度较大，电机角速度饱和函数饱和时，输出值为±1，摩擦补偿力矩为±tfriction，即tfriction，其中为电机角速度的符号函数，输出限制为±1，用于补偿转向系统的转动摩擦；当电机角速度为零时，输出值为0，摩擦补偿力矩为sat(γ)tfriction，用于补偿转向系统的静摩擦；当电机角速度饱和函数未饱和时，为转向系统动静摩擦补偿的过渡过程；

(2)通过机身底部的电磁吸盘对农药箱进行电磁对准定位，通电使电磁吸盘吸住农药箱；

(3)农药箱连接口与农药箱的接口对齐；上位机发送喷洒指令，无人机飞向田地，根据之前设定好的程序对田地路径寻迹并通过喷洒管喷洒农药；摄像头采用改进的灰度图像十字线区域清晰度理论模型算法拍摄田地件的场景；机身前方的摄像头实时拍摄田地间的场景，实时传输回给上位机；当农药箱里的农药喷洒完后通过指令自动到指定地点进行农药箱更换；

所述改进的灰度图像十字线区域清晰度理论模型算法的图像由mxn个像素构成，像素灰度值矩阵b(i，j)，其中0≤i≤m-1，0≤j≤n-1；

十字线灰度图像最大灰度值bmax，最小灰度值bmin，灰度差值的1/2用bdif表示：

根据十字线灰度图像清晰度计算理论模型，设灰度图像的清晰度为c，得到十字线灰度图像清晰度改进模型：

进一步，所述无线物联网接收器采用多特征属性集成模型，对用于农业的浇灌的新型无人机接收的信号进行分类处理，有效区分正常信号和异常信号，具体如下：

b＝i(a)＝z^tη(a)+e；

其中，η表示用于农业的浇灌的新型无人机接收异常信号特征映射关系，z表示异常信号的权重；

对用于农业的浇灌的新型无人机接收异常信号进行分类处理：

上述异常信号分类处理的约束条件如下：

bl[z^wη(al)+e]+hl＝1；

通过建立多特征属性集成模型，实现用于农业的浇灌的新型无人机对异常信号的采集。

进一步，所述上位机中中级链路信号衰减模型表示为：

lf＝(4πd/λ)²lslm；

式中，ls、lm分别为路径损耗基础上的阴影和多径随机衰落；阴影衰落服从对数正态分布，表达式为：

式中，l0为路径损耗均值，σx为阴影衰落程度，实测σx＝1.5～7db；gamma分布与实测数据符合后续数学分析；gamma分布表示为：

式中，γ(m)为gamma函数；

对应信号功率衰落服从gamma分布，nakagami分布表示为：

式中，表示多径随机衰落平均功率，m≥0表示衰落因子，用于描述信号衰落的恶劣程度，值越小信号越恶劣，实测m＝1.2～10；

上位机中级链路传播衰减的复合衰落分布为：

式中，表示第2类ms-m阶修正贝塞尔函数。

进一步，所述无人机的控制以pid反馈控制器为主，通过改变四个旋翼的角速度控制，每个旋翼产生一个推力f1、f2、f3、f4和一个力矩，共同作用产生的合力构成无人机的主推力、偏航力矩、俯仰力矩和滚转力矩，无人机的动力学模型描述为将控制对象看作一个力和三个力矩的三维刚体，无人机在小角度变化条件下的动力学模型表示为：

式中，x、y、z表示水平轴坐标、纵轴坐标；φ、θ、分别为绕x轴的滚转角、绕y轴的俯仰角、绕z轴的偏航角；u表示无人机由下向上的推力；τφ表示为滚转力矩；τθ俯仰力矩；表示为偏航力矩。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于物联网的用于农业浇灌的新型无人机的使用方法的基于物联网的用于农业浇灌的新型无人机，所述基于物联网的用于农业浇灌的新型无人机设置有：

机身，

机身的底部两侧通过螺丝安装有底部支架，两侧的底部支架旁边通过焊接安装有电磁吸盘，机身底部的中间通过焊接安装有农药箱连接口；

农药箱连接口可以和农药箱连接，并且通过电磁吸盘定位并固定农药箱；机身的四角通过螺丝固定有水平支架，每个水平支架上通过焊接安装有电机，每个电机上通过螺丝安装有螺旋桨；

机身的前方通过螺丝固定有摄像头，机身的后方通过焊接安装有两个喷洒管，机身的上方通过螺丝固定有无线物联网接收器。

进一步，所述机身的上方安装有无线物联网接收器，用于与上位机端进行联网信息通信。

进一步，所述机身底部安装有电磁吸盘，用于定位并固定农药箱。

进一步，所述机箱后方安装有两个喷洒管，用于将农药箱内的农药喷洒出来。

本发明的优点及积极效果为：本发明在机身的顶上加装了无线物联网接收器和底部集装了农药箱，使无人机在飞行的过程中可以按照指令规划好的路径对田地进行农药喷洒灌溉。通过无人机带动农药箱实行对田地的灌溉喷洒，并通过无线物联网接收器实时传输信息，加强了人与机器之间的通信交流，并可通过程序自动更换农药箱，大大增加了工作效率，简化了无人机喷洒灌溉农药的过程。

本发明的无人机搭载的电机采用动静摩擦转矩共同补偿的摩擦控制方法，实现动静摩擦转矩共同补偿，减少摩擦对及机器本身的损耗，减少了无人机本身电能的消耗，有利于增加无人机航程；同时摄像头的所拍摄的图像更加清晰，利于观看，便于根据外界条件进行浇灌的调整与安排；此外建立的多特征属性集成模型，实现无人机飞行异常振动信号的采集，能够极大的提高采集的准确性。本发明的获得了覆盖半径的理论表达式，重点分析多径阴影衰落信道对中继信号覆盖的影响，可用于辅助无人机与地面移动网络协同中继通信的系统；信道衰落对覆盖半径影响非常大，当中断概率小于10％时，覆盖半径仅为无衰落信道时的一半；对移动自组织网络中的中继网络的无人机最优布置、飞行策略以及网络性能评估等具有重要的参考价值。

本发明的无人机由多传感器进行飞行姿态数据采集，然后控制器对采集到的数据进行处理，由四元数互补滤波法进行数据融合得到稳定精确的姿态角，通过串级pid控制算法进行电机调整量计算，通过微处理器输出的pwm实现对电机转速的控制，达到调整无人机飞行姿态的目的。悬停实验和横滚角、俯仰角的阶跃响应仿真曲线表明，该系统飞行姿态稳定，达到了对无人机飞行姿态控制的要求和效果。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于物联网的用于农业浇灌的新型无人机的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的基于物联网的用于农业浇灌的新型无人机的底部结构示意图；

图3是本发明实施例提供的基于物联网的用于农业浇灌的新型无人机的工作结构示意图；

图中：1、底部支架；2、摄像头；3、无线物联网接收器；4、机身；5、水平支架；6、螺旋桨；7、电机；8、喷洒管；9、农药箱连接口；10；电磁吸盘；11、农药箱。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。

如图1至图3所示，本发明实施例提供的基于物联网的用于农业浇灌的新型无人机装置包括：底部支架1、摄像头2、无线物联网接收器3、机身4、水平支架5、螺旋桨6、电机7、喷洒管8、农药箱连接口9；电磁吸盘10、农药箱11。

机身4的底部两侧通过螺丝安装有底部支架1，两侧的底部支架1旁边通过焊接安装有电磁吸盘10，机身4底部的中间通过焊接安装有农药箱连接口9。农药箱连接口9可以和农药箱11连接，并且通过电磁吸盘10定位并固定农药箱11。机身4的四角通过螺丝固定有水平支架5，每个水平支架5上通过焊接安装有电机7，每个电机7上通过螺丝安装有螺旋桨6。机身4的前方通过螺丝固定有摄像头2，机身4的后方通过焊接安装有两个喷洒管8，机身4的上方通过螺丝固定有无线物联网接收器3。

本发明工作时将农药箱11灌满农药，放置在指定的地点，该上位机通过无线物联网接收器3向该无人机发送启动命令后，无人机飞至指定地点上空，慢慢降落到农药箱11的正上方，通过机身4底部的电磁吸盘10对农药箱11进行电磁对准定位，然后通电使电磁吸盘10吸住农药箱11。农药箱连接口9与农药箱11的接口对齐。上位机发送喷洒指令，无人机飞向田地，根据之前设定好的程序对田地路径寻迹并通过喷洒管8喷洒农药。机身4前方的摄像头2可以实时拍摄田地间的场景，实时传输回给上位机。当农药箱11里的农药喷洒完后通过指令自动到指定地点进行农药箱11更换。

本发明实施例提供的基于物联网的用于农业浇灌的新型无人机的使用方法包括：

(1)将农药箱灌满农药，放置在指定的地点，采用多特征属性集成模型的无线物联网接收器启动，上位机通过无线物联网接收器向该无人机发送启动命令后，电机在动静摩擦转矩共同补偿的摩擦控制下，实现无人机的起飞，无人机飞至指定地点上空，慢慢降落到农药箱的正上方；

所述电机的动静摩擦转矩共同补偿的摩擦控制方法包括：

其中，为转向柱转速的饱和函数；sat()函数的输出限制为±1；λ为饱和函数的转速系数；tfc为摩擦补偿转矩；γ为调整系数；tfriction为转向系统摩擦力矩；当电机角速度较大，电机角速度饱和函数饱和时，输出值为±1，摩擦补偿力矩为±tfriction，即tfriction，其中为电机角速度的符号函数，输出限制为±1，用于补偿转向系统的转动摩擦；当电机角速度为零时，输出值为0，摩擦补偿力矩为用于补偿转向系统的静摩擦；当电机角速度饱和函数未饱和时，为转向系统动静摩擦补偿的过渡过程；

(2)通过机身底部的电磁吸盘对农药箱进行电磁对准定位，通电使电磁吸盘吸住农药箱；

(3)农药箱连接口与农药箱的接口对齐；上位机发送喷洒指令，无人机飞向田地，根据之前设定好的程序对田地路径寻迹并通过喷洒管喷洒农药；摄像头采用改进的灰度图像十字线区域清晰度理论模型算法拍摄田地件的场景；机身前方的摄像头实时拍摄田地间的场景，实时传输回给上位机；当农药箱里的农药喷洒完后通过指令自动到指定地点进行农药箱更换；

所述改进的灰度图像十字线区域清晰度理论模型算法的图像由mxn个像素构成，像素灰度值矩阵b(i，j)，其中0≤i≤m-1，0≤j≤n-1；

十字线灰度图像最大灰度值bmax，最小灰度值bmin，灰度差值的1/2用bdif表示：

根据十字线灰度图像清晰度计算理论模型，设灰度图像的清晰度为c，得到十字线灰度图像清晰度改进模型：

进一步，所述无线物联网接收器采用多特征属性集成模型，对用于农业的浇灌的新型无人机接收的信号进行分类处理，有效区分正常信号和异常信号，具体如下：

b＝i(a)＝z^tη(a)+e；

其中，η表示用于农业的浇灌的新型无人机接收异常信号特征映射关系，z表示异常信号的权重；

对用于农业的浇灌的新型无人机接收异常信号进行分类处理：

上述异常信号分类处理的约束条件如下：

bl[z^wη(al)+e]+hl＝1；

通过建立多特征属性集成模型，实现用于农业的浇灌的新型无人机对异常信号的采集。

进一步，所述上位机中中级链路信号衰减模型表示为：

lf＝(4πd/λ)²lslm；

式中，ls、lm分别为路径损耗基础上的阴影和多径随机衰落；阴影衰落服从对数正态分布，表达式为：

式中，l0为路径损耗均值，σx为阴影衰落程度，实测σx＝1.5～7db；gamma分布与实测数据符合后续数学分析；gamma分布表示为：

式中，γ(m)为gamma函数；

对应信号功率衰落服从gamma分布，nakagami分布表示为：

式中，表示多径随机衰落平均功率，m≥0表示衰落因子，用于描述信号衰落的恶劣程度，值越小信号越恶劣，实测m＝1.2～10；

上位机中级链路传播衰减的复合衰落分布为：

式中，表示第2类ms-m阶修正贝塞尔函数。

进一步，所述无人机的控制以pid反馈控制器为主，通过改变四个旋翼的角速度控制，每个旋翼产生一个推力f1、f2、f3、f4和一个力矩，共同作用产生的合力构成无人机的主推力、偏航力矩、俯仰力矩和滚转力矩，无人机的动力学模型描述为将控制对象看作一个力和三个力矩的三维刚体，无人机在小角度变化条件下的动力学模型表示为：

式中，x、y、z表示水平轴坐标、纵轴坐标；φ、θ、分别为绕x轴的滚转角、绕y轴的俯仰角、绕z轴的偏航角；u表示无人机由下向上的推力；τφ表示为滚转力矩；τθ俯仰力矩；表示为偏航力矩。

以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。