一種驅動解耦植保無人機的控制系統及控制方法
2023-10-29 14:49:37 1
一種驅動解耦植保無人機的控制系統及控制方法
【專利摘要】本發明涉及一種驅動解耦植保無人機的控制系統及控制方法,包括無人機植保綜合管理模塊、高度控制子模塊、航路導航控制子模塊，噴霧控制子模塊。植保綜合管理模塊管理航路導航、噴霧作業、飛行高度控制以及作業參數設定等交互功能；高度控制子模塊測量無人機距離作物冠層的距離，並保持無人機的作業高度，降低自然風影響而產生的霧滴飄失，保證了作業效果；航路導航控制子模塊使無人機沿預設作業航路飛行，做到精確導航；噴霧控制子模塊依據無人機的作業位置實時控制植保作業開關，有效避免農藥的漏噴和重噴。本發明實現了植保無人機的自主飛行控制，鉛垂升力與水平推力的驅動解耦保證控制系統的簡單可靠，減輕操作人員的勞動強度，避免農藥漏噴或重噴。
【專利說明】一種驅動解耦植保無人機的控制系統及控制方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於農用航空植保領域，涉及一種針對驅動解耦植保無人機平臺的控制系統及控制方法，使之具備沿預設的飛行航路進行植保作業，保持作業高度，避免出現農藥漏噴、重噴或嚴重霧滴飄失。
技術背景
[0002]與傳統的田間人工噴灑農藥作業相比，植保無人機噴灑農藥有著非常明顯的優勢:無人機作業效率高，農藥對作業人員的危害較小，大幅度減小作業人員的勞動強度，霧滴漂移少，霧流對農作物的穿透性明顯加強，對病蟲草害防治效果良好，無人機不需要專用的升降場地，機動性能良好。同時也推動了我國農業機械化、數位化的發展進程。
[0003]植保無人機施藥時，需穩定在距離作物2?3米的高空上平穩低速飛行並噴灑藥液。目前植保無人機多採用遙控直升機或多旋翼無人機作為作業平臺。無人直升機結構複雜，其飛行過程中存在鉛垂方向升力和水平推力耦合問題，一方面加大了直升機機械結構和控制算法的複雜性，另一方面也提高其遙操作的複雜性，因此需要對無人機遙控者進行專業培訓。多旋翼無人機作為植保作業平臺，其載重相對直升機小的多，主要原因是採用了多個小尺寸螺旋槳，效率低，而且由於電源不能過大，其持續作業時間較短。因此在多旋翼無人機作業過程中需要多次的返回加藥和更換電池，工作效率低，也造成了能源的浪費。
[0004]一種驅動解耦的無人機平臺有效的解決了現有無人機結構複雜，操作困難，負載低的問題。所謂驅動解耦植保無人機平臺僅需要實現鉛垂方向升降運動、一定飛行高度下的平面運動。無人機平臺在高度上的升降僅由其鉛垂方向的大旋翼提供升力，而無人機平臺相對機身前後方向運動僅由左右兩個小旋翼提供推力，無人機平臺相對機身左右方向運動僅由前後兩個小旋翼提供推力，因此該無人機平臺的驅動力是完全解耦的。該平臺極大地適應了無人機作為專業植保平臺的作業需求。
[0005]現有植保無人機大多是人工遙控操作的，不帶自動導航系統，噴灑藥液的準確性差，漏噴現象時有發生。而基於GPS導航的無人機飛控系統控制無人機沿預設的飛行航路進行植保作業，但其植保過程中易出現的航路誤差或作業高度不穩定，從而極大地影響植保作業效果，極易造成農藥漏噴、重噴或霧滴飄失嚴重。現有無人機飛控系統無法適應驅動解耦的無人機平臺進行植保作業的需求，因而無法直接配置應用到此類驅動解耦的植保無人機上作為其植保飛行控制系統。
[0006]綜上所述，針對現有植保無人機存在的問題和不足，發明一種針對低成本、高負載、驅動解耦植保無人機的控制系統及針對該植保平臺的控制方法具有非常重要的實際意義。
【發明內容】
[0007]針對現有各種植保無人機平臺存在的不足，克服現有飛控導航系統無法直接應用於驅動解耦的植保無人機平臺，本發明提供了一種適合於驅動解耦植保無人機平臺的控制系統及控制方法，並使之不僅具備依據設置的作業路線進行導航，而且在作業過程中使無人機保持預定的噴藥高度的特點。
[0008]本發明一種針對驅動解耦植保無人機平臺的控制系統採用的技術方案:包括無人機植保綜合管理模塊、高度控制子模塊、航路導航控制子模塊，噴霧控制子模塊。所述無人機植保綜合管理模塊作為整個無人機控制的核心，管理航路導航控制子模塊、噴霧作業控制子模塊、飛行高度控制子模塊的信息交換以及實現作業參數設定等人機互動功能。所述高度控制子模塊可以測量無人機距離作物冠層的距離，並且實時調整無人機鉛垂方向升力使之穩定在作業高度上。所述航路導航控制子模塊使無人機沿預設作業航路飛行，同時可以隨時調整飛行過程中出現的航路誤差，做到精確導航。所述噴霧控制子模塊依據植保無人機的作業位置實時控制植保作業開關，有效避免農藥的漏噴和重噴。
[0009]所述的無人機植保綜合管理模塊，包括飛控處理單元、信息接收單元、控制信息輸出單元。所述的飛控處理單元選用DSP處理器，該晶片集成有豐富的外圍接口，具備浮點運算能力、計算精度高、能提高控制輸出精度。所述的信息接收單元包括高度信息輸入接口、飛行信息輸入接口、無線傳輸模塊和無線信息輸入接口。所述的控制信息輸出單元包括高度控制信息輸出接口、飛行姿態調整信息輸出接口和噴藥控制信息輸出接口。所述的高度信息輸入接口採用UART接口與飛控處理單元通訊。所述的飛行信息輸入接口的SPI接口與飛控處理單元通訊。所述的無線傳輸模塊經無線信息輸入接口與飛控處理單元進行遠程通信。
[0010]所述的高度控制子模塊包括超聲波測高裝置和高度控制單元。所述的超聲波測高裝置測量無人機與作物冠層的實際距離，也即是測量出無人機的飛行高度。所述的高度控制單元包括油門舵機、發動機、大旋翼。所述油門舵機利用測高傳感單元反饋的信息調整發動機油門大小，控制輸出動力大小，進而控制大旋翼的旋轉速度，調整無人機鉛垂向的升力。測高傳感單元經過高度信息輸入接口進入飛控處理單元，經飛控處理單元計算後，再經高度控制信息輸出接口輸出控制參數，控制油門舵機的油門大小，以控制大旋翼速度，進而調整無人機高度。
[0011]所述的航路導航控制子模塊包括飛行參數傳感單元和飛行姿態調整單元。所述的飛行參數傳感單元包括GPS裝置、6軸運動處理組件和電子羅盤。所述的GPS裝置通過飛行信息輸入接口送入飛控處理單元，GPS裝置獲取無人機的空間位置和飛行速度信息，用於控制無人機沿著預定航路進行作業。所述的6軸運動處理組件為3軸陀螺儀和3軸加速器儀組合模塊，用於測量無人機空間三個旋轉自由度的偏轉角度和三個平移自由度的加速度值。所述電子羅盤利用內置磁阻效應傳感器，用於確定無人機相對地磁場的絕對航向角。所述的6軸運動處理組件和電子羅盤採用MEMS傳感器，各傳感器信號通過AD轉換後由飛行信息輸入接口送入飛控處理單元。所述飛行姿態調整單元分為前後向姿態調整模塊和左右向姿態調整模塊，每個模塊均包括機身兩側與其相應的電子調速器、電機和小旋翼。所述電子調速器與電機連接，電機隨著電子調速器輸出的電機驅動電流的大小和方向變化改變電機的轉速和轉向，小旋翼和電機共軸連接，產生不同推力帶動無人機調整飛行姿態。所述的飛行參數傳感單元經過飛行信息輸入接口進入飛控處理單元，飛控處理單元依據飛行參數傳感單元獲取的無人機GPS位置和姿態信息與飛控處理單元計算的無人機姿態調整參數，再經飛行姿態調整信息輸出接口輸出控制參數，改變電子調速器的輸出電流大小和方向，以控制小旋翼速度，進而調整無人機的飛行姿態和水平速度。
[0012]所述的噴霧控制子模塊包括繼電器、電動隔膜泵和噴頭組。所述的繼電器與電動隔膜泵連接，用於控制電動隔膜泵開關。所述的電動隔膜泵通過藥液管與噴頭組連接，用於將藥液從藥液箱中泵出。所述的噴頭組用於將藥液霧化噴灑到空中，再由無人機的下洗氣流夾帶霧滴到作物表面。所述的噴藥控制信息輸出接口與繼電器連接，飛控處理單元依據是否到達噴霧區域進行繼電器開關的控制，從而控制電動隔膜泵是否進行噴霧作業。
[0013]一種針對驅動解耦植保無人機平臺的控制系統的控制方法:
[0014]I)所述的高度控制子模塊將預設飛行高度信息與測高傳感單元獲得的實際飛行高度信息進行比較，通過採用PID控制算法產生高度控制指令，改變高度控制單元的油門舵機控制參數，從而控制大旋翼的旋轉速度，調整無人機鉛垂方向的升力。
[0015]2)植保無人機平臺在作業開始前，通過無線信息輸入接口接收地面站預先設定的飛行高度和規劃的噴霧航路數據，存儲在飛控處理單元中。所述的航路導航控制子模塊將規劃的噴霧航路中的目標位置信息與GPS裝置或飛行參數傳感單元獲得的實際位置信息進行比較，產生姿態控制指令和水平速度控制指令，使無人機隨時調整飛行過程中出現的航路誤差，使實際的航跡符合預定航路，做到精確導航。
[0016]依據植保作業路徑與作物行對齊的特點，所述的驅動解耦無人機平臺的水平速度控制僅涉及相對機身前後方向和左右方向的直線運動控制；所述的驅動解耦無人機平臺的姿態控制僅涉及相對鉛垂軸的旋轉運動控制，以便將機身前後方向調整到對準規劃航向方向。
[0017]所述的驅動解耦無人機平臺相對機身前後方向的水平速度控制僅由左右兩個小旋翼提供水平方向的前後向推力控制；所述的驅動解耦無人機平臺相對機身左右方向的水平速度控制僅由前後兩個小旋翼提供水平方向的左右向推力控制；所述的航路導航控制子模塊將設定水平速度與飛行參數傳感單元中的GPS裝置和3軸加速器儀獲得的實際水平速度進行比較，通過採用PID控制算法產生水平速度控制指令，改變電子調速器的電流大小，從而改變前後方向或左右方向的小旋翼推力，最終調整水平飛行速度。
[0018]所述的驅動解耦無人機平臺相對鉛垂軸的旋轉運動可由左右小旋翼以相反的轉向提供的旋轉扭矩控制。所述的航路導航控制子模塊將設定的無人機的飛行航向與飛行參數傳感單元中的3軸陀螺儀和電子羅盤獲得的實際航向角進行比較，通過採用PID控制算法產生姿態調整控制指令，改變機身左右兩側對應的電子調速器的電流大小，從而改變左右兩側小旋翼的推力，最終調整無人機飛行的實際航向。
[0019]當驅動解耦無人機平臺受到擾動風的幹擾或水平飛行加速時會出現機身稍稍失去平衡，即機身重心不在大旋翼軸線上，所述的航路導航控制子模塊將依據飛行參數傳感單元的3軸陀螺儀的監測數據與無人機垂直面傾角比較，若其值超過設定閾值，則通過採用PID控制算法，產生姿態調整控制指令，改變機身左右兩側對應的電子調速器的電流大小，從而改變前後或左右兩側小旋翼的推力，最終調整其垂直面傾角回到正常範圍。
[0020]3)所述的噴霧控制子模塊依據GPS裝置所獲取的無人機的定位信息和高度信息判斷無人機到達指定的噴藥高度和位置時，通過噴藥控制信息輸出接口導通繼電器，電動隔膜泵開始工作，噴頭開始噴藥作業。
[0021]一種針對驅動解耦植保無人機平臺的控制系統的控制流程如下:
[0022]I)植保無人機平臺通過無線信息輸入接口接收地面站預先設定的飛行高度和規劃的噴霧航路數據，存儲在飛控處理單元中。
[0023]2)啟動發動機，油門舵機控制油門大小，大旋翼加速旋轉，無人機平穩起飛，同時超聲波測高裝置開始工作，不斷的把無人機離地面的高度信息反饋給無人機飛控，油門舵機根據所反饋的高度信息控制發動機油門大小，維持大旋翼一定的轉速使無人機穩定在作業高度。
[0024]3)GPS裝置將實時位置信息反饋給無人機飛控處理單元，航路導航控制子模塊4個電子調速器根據反饋的路線信息控制輸出電流大小，使對應的4個小旋翼分別以不同的轉速和轉向開始轉動，帶動無人機沿著作業路線飛行。左右小旋翼控制無人機沿著作物行運動(由A到B)，前後小旋翼控制無人機橫向移動進行換行作業(由B到C)。
[0025]4)當無人機運行到指定高度和指定位置時，繼電器控制電動隔膜泵開始工作，噴頭開始噴藥，如果不符合噴藥位置則停止作業，直至無人機調整到作業位置再進行作業。
[0026]本發明一種驅動解耦植保無人機的控制系統及控制方法的有益效果是:
[0027]I)實現了驅動解耦植保無人機的飛行控制，鉛垂方向升力與水平推力的驅動解耦保證控制系統的簡單可靠。；
[0028]2)植保無人機的起飛、作業和降落整個過程實現了自主飛行，具備沿預設的飛行航路進行植保作業，能應對各種複雜地形，減輕遙操作人員的勞動強度，避免農藥漏噴或重噴；
[0029]3)植保無人機能保持作業高度，降低噴霧作業中由於自然風的影響，從而產生的嚴重霧滴飄失，保證了作業效果；
[0030]4)作業過程中，噴藥控制比較嚴格，避免了藥液的浪費，同時也減少了對環境的汙染。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0031]圖1是本發明的控制流程圖；
[0032]圖2是本發明的高度控制環節；
[0033]圖3是本發明的航向控制環節；
[0034]圖4是本發明的速度控制環節；
[0035]圖5是本發明的姿態控制環節；
[0036]圖6是本發明的田間作業圖。
[0037]圖中:1、GPS裝置2、超聲波測高裝置3、電子羅盤4、六軸運動處理組件5、油門舵機6、發動機7、大旋翼8、繼電器9、電動隔膜泵10、噴頭組
【具體實施方式】
[0038]下面結合附圖對本發明專利進行進一步描述。本發明一種針對驅動解耦植保無人機平臺的控制系統採用的技術方案:包括無人機植保綜合管理模塊、高度控制子模塊、航路導航控制子模塊，噴霧控制子模塊。所述無人機植保綜合管理模塊作為整個無人機控制的控制核心，管理航路導航控制子模塊、噴霧作業控制子模塊、飛行高度控制子模塊的信息交換以及實現作業參數設定等人機互動功能。所述高度控制子模塊可以測量無人機距離作物冠層的距離，並且實時調整無人機鉛垂方向升力使之穩定在作業高度上。所述航路導航控制子模塊使無人機沿預設作業航路飛行，同時可以隨時調整飛行過程中出現的航路誤差，做到精確導航。所述噴霧控制子模塊依據植保無人機的作業位置實時控制植保作業開關，有效避免農藥的漏噴和重噴。
[0039]所述的無人機植保綜合管理模塊，包括飛控處理單元、信息接收單元、控制信息輸出單元。所述的飛控處理單元選用DSP處理器，該晶片集成有豐富的外圍接口，具備浮點運算能力、計算精度高、能提高控制輸出精度。所述的信息接收單元包括高度信息輸入接口、飛行信息輸入接口、無線傳輸模塊和無線信息輸入接口。所述的控制信息輸出單元包括高度控制信息輸出接口、飛行姿態調整信息輸出接口和噴藥控制信息輸出接口。所述的高度信息輸入接口採用UART接口與飛控處理單元通訊。所述的飛行信息輸入接口的SPI接口與飛控處理單元通訊。所述的無線傳輸模塊經無線信息輸入接口與飛控處理單元進行遠程通信。
[0040]所述的高度控制子模塊包括超聲波測高裝置(2)和高度控制單元。所述的超聲波測高裝置(2)測量無人機與作物冠層的實際距離，也即是測量出無人機的飛行高度。所述的高度控制單元包括油門舵機(5)、發動機(6)、大旋翼(7)。所述油門舵機(5)利用測高傳感單元反饋的信息調整發動機(6)油門大小，控制輸出動力大小，進而控制大旋翼(7)的旋轉速度，調整無人機鉛垂向的升力。測高傳感單元經過高度信息輸入接口進入飛控處理單元，經飛控處理單元計算後，再經高度控制信息輸出接口輸出控制參數，控制油門舵機(5)的油門大小，以控制大旋翼(7)速度，進而調整無人機高度。
[0041]所述的航路導航控制子模塊包括飛行參數傳感單元和飛行姿態調整單元。所述的飛行參數傳感單元包括GPS裝置(I)、6軸運動處理組件(4)和電子羅盤(3)。所述的GPS裝置(I)通過飛行信息輸入接口送入飛控處理單元，GPS裝置(I)獲取無人機的空間位置和飛行速度信息，用於控制無人機沿著預定航路進行作業。所述的6軸運動處理組件(4)為3軸陀螺儀和3軸加速器儀組合模塊，用於測量無人機空間三個旋轉自由度的偏轉角度和三個平移自由度的加速度值。所述電子羅盤(3)利用內置磁阻效應傳感器，用於確定無人機相對地磁場的絕對航向角。所述的6軸運動處理組件⑷和電子羅盤(3)採用MEMS傳感器，各傳感器信號通過AD轉換後由飛行信息輸入接口送入飛控處理單元。所述飛行姿態調整單元分為前後向姿態調整模塊和左右向姿態調整模塊，每個模塊均包括機身兩側與其相應的電子調速器、電機和小旋翼。所述電子調速器與電機連接，電機隨著電子調速器輸出的電機驅動電流的大小和方向變化改變電機的轉速和轉向，小旋翼和電機共軸連接，產生不同推力帶動無人機調整飛行姿態。所述的飛行參數傳感單元經過飛行信息輸入接口進入飛控處理單元，飛控處理單元依據飛行參數傳感單元獲取的無人機GPS位置和姿態信息與飛控處理單元計算的無人機姿態調整參數，再經飛行姿態調整信息輸出接口輸出控制參數，改變電子調速器的輸出電流大小和方向，以控制小旋翼速度，進而調整無人機的飛行姿態和水平速度。
[0042]所述的噴霧控制子模塊包括繼電器(8)、電動隔膜泵(9)和噴頭組(10)。所述的繼電器⑶與電動隔膜泵(9)連接，用於控制電動隔膜泵(9)開關。所述的電動隔膜泵(9)通過藥液管與噴頭組(10)連接，用於將藥液從藥液箱中泵出。所述的噴頭組(10)用於將藥液霧化噴灑到空中，再由無人機的下洗氣流夾帶霧滴到作物表面。所述的噴藥控制信息輸出接口與繼電器(8)連接，飛控處理單元依據是否到達噴霧區域進行繼電器(8)開關的控制，從而控制電動隔膜泵(9)是否進行噴霧作業。
[0043]一種針對驅動解耦植保無人機平臺的控制系統的控制方法:
[0044]I)所述的高度控制子模塊將預設飛行高度信息與測高傳感單元獲得的實際飛行高度信息進行比較，通過採用PID控制算法產生高度控制指令，改變高度控制單元的油門舵機(5)控制參數，從而控制大旋翼(7)的旋轉速度，調整無人機鉛垂方向的升力。
[0045]2)植保無人機平臺在作業開始前，通過無線信息輸入接口接收地面站預先設定的飛行高度和規劃的噴霧航路數據，存儲在飛控處理單元中。所述的航路導航控制子模塊將規劃的噴霧航路中的目標位置信息與GPS裝置(I)或飛行參數傳感單元獲得的實際位置信息進行比較，產生姿態控制指令和水平速度控制指令，使無人機隨時調整飛行過程中出現的航路誤差，使實際的航跡符合預定航路，做到精確導航。
[0046]依據植保作業路徑與作物行對齊的特點，所述的驅動解耦無人機平臺的水平速度控制僅涉及相對機身前後方向和左右方向的直線運動控制；所述的驅動解耦無人機平臺的姿態控制僅涉及相對鉛垂軸的旋轉運動控制，以便將機身前後方向調整到對準規劃航向方向。
[0047]所述的驅動解耦無人機平臺相對機身前後方向的水平速度控制僅由左右兩個小旋翼提供水平方向的前後向推力控制；所述的驅動解耦無人機平臺相對機身左右方向的水平速度控制僅由前後兩個小旋翼提供水平方向的左右向推力控制；所述的航路導航控制子模塊將設定水平速度與飛行參數傳感單元中的GPS裝置(I)和3軸加速器儀獲得的實際水平速度進行比較，通過採用PID控制算法產生水平速度控制指令，改變電子調速器的電流大小，從而改變前後方向或左右方向的小旋翼推力，最終調整水平飛行速度。
[0048]所述的驅動解耦無人機平臺相對鉛垂軸的旋轉運動可由左右小旋翼以相反的轉向提供的旋轉扭矩控制。所述的航路導航控制子模塊將設定的無人機的飛行航向與飛行參數傳感單元中的3軸陀螺儀和電子羅盤(3)獲得的實際航向角進行比較，通過採用PID控制算法產生姿態調整控制指令，改變機身左右兩側對應的電子調速器的電流大小，從而改變左右兩側小旋翼的推力，最終調整無人機飛行的實際航向。
[0049]當驅動解耦無人機平臺受到擾動風的幹擾或水平飛行加速時會出現機身稍稍失去平衡，即機身重心不在大旋翼(7)軸線上，所述的航路導航控制子模塊將依據飛行參數傳感單元的3軸陀螺儀的監測數據與無人機垂直面傾角比較，若其值超過設定閾值，則通過採用PID控制算法，產生姿態調整控制指令，改變機身左右兩側對應的電子調速器的電流大小，從而改變前後或左右兩側小旋翼的推力，最終調整其垂直面傾角回到正常範圍。
[0050]3)所述的噴霧控制子模塊依據GPS裝置(I)所獲取的無人機的定位信息和高度信息判斷無人機到達指定的噴藥高度和位置時，通過噴藥控制信息輸出接口導通繼電器(8)，電動隔膜泵(9)開始工作，噴頭開始噴藥作業。
[0051]一種針對驅動解耦植保無人機平臺的控制系統的控制流程如下:
[0052]I)植保無人機平臺通過無線信息輸入接口接收地面站預先設定的飛行高度和規劃的噴霧航路數據，存儲在飛控處理單元中。
[0053]2)啟動發動機(6)，油門舵機(5)控制油門大小，大旋翼(7)加速旋轉，無人機平穩起飛，同時超聲波測高裝置(2)開始工作，不斷的把無人機離地面的高度信息反饋給無人機飛控，油門舵機(5)根據所反饋的高度信息控制發動機(6)油門大小，維持大旋翼(7)一定的轉速使無人機穩定在作業高度。
[0054]3)GPS裝置將實時位置信息反饋給無人機飛控處理單元，航路導航控制子模塊4個電子調速器根據反饋的路線信息控制輸出電流大小，使對應的4個小旋翼分別以不同的轉速和轉向開始轉動，帶動無人機沿著作業路線飛行。左右小旋翼控制無人機沿著作物行運動(由A到B)，前後小旋翼控制無人機橫向移動進行換行作業(由B到C)。
[0055]4)當無人機運行到指定高度和指定位置時，繼電器⑶控制電動隔膜泵(9)開始工作，噴頭開始噴藥，如果不符合噴藥位置則停止作業，直至無人機調整到作業位置再進行作業。
【權利要求】
1.一種針對驅動解耦植保無人機平臺的控制系統，其特徵在於:包括無人機植保綜合管理模塊、高度控制子模塊、航路導航控制子模塊，噴霧控制子模塊；所述無人機植保綜合管理模塊作為整個無人機控制的控制核心，管理航路導航控制子模塊、噴霧作業控制子模塊、飛行高度控制子模塊的信息交換以及實現作業參數設定等人機互動功能；所述高度控制子模塊可以測量無人機距離作物冠層的距離，並且實時調整無人機鉛垂方向升力使之穩定在作業高度上；所述航路導航控制子模塊使無人機沿預設作業航路飛行，同時可以隨時調整飛行過程中出現的航路誤差，做到精確導航；所述噴霧控制子模塊依據植保無人機的作業位置實時控制植保作業開關，有效避免農藥的漏噴和重噴； 所述的無人機植保綜合管理模塊，包括飛控處理單元、信息接收單元、控制信息輸出單元；所述的飛控處理單元選用DSP處理器；所述的信息接收單元包括高度信息輸入接口、飛行信息輸入接口、無線傳輸模塊和無線信息輸入接口 ；所述的控制信息輸出單元包括高度控制信息輸出接口、飛行姿態調整信息輸出接口和噴藥控制信息輸出接口 ；所述的高度信息輸入接口採用UART接口與飛控處理單元通訊；所述的飛行信息輸入接口的SPI接口與飛控處理單元通訊；所述的無線傳輸模塊經無線信息輸入接口與飛控處理單元進行遠程通?目; 所述的高度控制子模塊包括超聲波測高裝置和高度控制單元；所述的超聲波測高裝置測量無人機與作物冠層的實際距離；所述的高度控制單元包括油門舵機、發動機、大旋翼；所述油門舵機利用測高傳感單元反饋的信息調整發動機油門大小，控制輸出動力大小，進而控制大旋翼的旋轉速度，調整無人機鉛垂向的升力；測高傳感單元經過高度信息輸入接口進入飛控處理單元，經飛控處理單元計算後，再經高度控制信息輸出接口輸出控制參數，控制油門舵機的油門大小，以控制大旋翼速度，進而調整無人機高度； 所述的航路導航控制子模塊包括飛行參數傳感單元和飛行姿態調整單元；所述的飛行參數傳感單元包括GPS裝置、6軸運動處理組件和電子羅盤；所述的GPS裝置通過飛行信息輸入接口送入飛控處理單元，GPS裝置獲取無人機的空間位置和飛行速度信息，用於控制無人機沿著預定航路進行作業；所述的6軸運動處理組件為3軸陀螺儀和3軸加速器儀組合模塊，用於測量無人機空間三個旋轉自由度的偏轉角度和三個平移自由度的加速度值；所述電子羅盤利用內置磁阻效應傳感器，用於確定無人機相對地磁場的絕對航向角；所述的6軸運動處理組件和電子羅盤採用MEMS傳感器，各傳感器信號通過AD轉換後由飛行信息輸入接口送入飛控處理單元；所述飛行姿態調整單元分為前後向姿態調整模塊和左右向姿態調整模塊，每個模塊均包括機身兩側與其相應的電子調速器、電機和小旋翼；所述電子調速器與電機連接，電機隨著電子調速器輸出的電機驅動電流的大小和方向變化改變電機的轉速和轉向，小旋翼和電機共軸連接，產生不同推力帶動無人機調整飛行姿態；所述的飛行參數傳感單元經過飛行信息輸入接口進入飛控處理單元，飛控處理單元依據飛行參數傳感單元獲取的無人機GPS位置和姿態信息與飛控處理單元計算的無人機姿態調整參數，再經飛行姿態調整信息輸出接口輸出控制參數，改變電子調速器的輸出電流大小和方向，以控制小旋翼速度，進而調整無人機的飛行姿態和水平速度； 所述的噴霧控制子模塊包括繼電器、電動隔膜泵和噴頭組；所述的繼電器與電動隔膜泵連接，用於控制電動隔膜泵開關；所述的電動隔膜泵通過藥液管與噴頭組連接，用於將藥液從藥液箱中泵出；所述的噴頭組用於將藥液霧化噴灑到空中，再由無人機的下洗氣流夾帶霧滴到作物表面；所述的噴藥控制信息輸出接口與繼電器連接，飛控處理單元依據是否到達噴霧區域進行繼電器開關的控制，從而控制電動隔膜泵是否進行噴霧作業。
2.如權利要求1所述一種針對驅動解耦植保無人機平臺的控制系統的控制方法，其特徵在於: 1)所述的高度控制子模塊將預設飛行高度信息與測高傳感單元獲得的實際飛行高度信息進行比較，通過採用PID控制算法產生高度控制指令，改變高度控制單元的油門舵機控制參數，從而控制大旋翼的旋轉速度，調整無人機鉛垂方向的升力； 2)植保無人機平臺在作業開始前，通過無線信息輸入接口接收地面站預先設定的飛行高度和規劃的噴霧航路數據，存儲在飛控處理單元中；所述的航路導航控制子模塊將規劃的噴霧航路中的目標位置信息與GPS裝置或飛行參數傳感單元獲得的實際位置信息進行比較，產生姿態控制指令和水平速度控制指令，使無人機隨時調整飛行過程中出現的航路誤差，使實際的航跡符合預定航路，做到精確導航； 依據植保作業路徑與作物行對齊的特點，所述的驅動解耦無人機平臺的水平速度控制僅涉及相對機身前後方向和左右方向的直線運動控制；所述的驅動解耦無人機平臺的姿態控制僅涉及相對鉛垂軸的旋轉運動控制，以便將機身前後方向調整到對準規劃航向方向； 所述的驅動解耦無人機平臺相對機身前後方向的水平速度控制僅由左右兩個小旋翼提供水平方向的前後向推力控制；所述的驅動解耦無人機平臺相對機身左右方向的水平速度控制僅由前後兩個小旋翼提供水平方向的左右向推力控制；所述的航路導航控制子模塊將設定水平速度與飛行參數傳感單元中的GPS裝置和3軸加速器儀獲得的實際水平速度進行比較，通過採用PID控制算法產生水平速度控制指令，改變電子調速器的電流大小，從而改變前後方向或左右方向的小旋翼推力，最終調整水平飛行速度； 所述的驅動解耦無人機平臺相對鉛垂軸的旋轉運動可由左右小旋翼以相反的轉向提供的旋轉扭矩控制；所述的航路導航控制子模塊將設定的無人機的飛行航向與飛行參數傳感單元中的3軸陀螺儀和電子羅盤獲得的實際航向角進行比較，通過採用PID控制算法產生姿態調整控制指令，改變機身左右兩側對應的電子調速器的電流大小，從而改變左右兩側小旋翼的推力，最終調整無人機飛行的實際航向； 當驅動解耦無人機平臺受到擾動風的幹擾或水平飛行加速時會出現機身稍稍失去平衡，即機身重心不在大旋翼軸線上，所述的航路導航控制子模塊將依據飛行參數傳感單元的3軸陀螺儀的監測數據與無人機垂直面傾角比較，若其值超過設定閾值，則通過採用PID控制算法，產生姿態調整控制指令，改變機身左右兩側對應的電子調速器的電流大小，從而改變前後或左右兩側小旋翼的推力，最終調整其垂直面傾角回到正常範圍； 3)所述的噴霧控制子模塊依據GPS裝置所獲取的無人機的定位信息和高度信息判斷無人機到達指定的噴藥高度和位置時，通過噴藥控制信息輸出接口導通繼電器，電動隔膜泵開始工作，噴頭開始噴藥作業。
【文檔編號】G05B19/418GK104407586SQ201410649878
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月14日 優先權日:2014年11月14日
【發明者】苑進, 劉雪美, 陳榮康, 王公成, 張翼, 張文碩 申請人:山東農業大學