一種植保無人機專用飛控系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于農(nóng)用航空植保領(lǐng)域，涉及一種針對驅(qū)動解耦植保無人機平臺的飛控系統(tǒng)，使之具備沿預(yù)設(shè)的飛行航路進行植保作業(yè)，保持作業(yè)高度，避免出現(xiàn)農(nóng)藥漏噴、重噴或嚴重霧滴飄失。
技術(shù)背景
[0002]與傳統(tǒng)的田間人工噴灑農(nóng)藥作業(yè)相比，植保無人機噴灑農(nóng)藥有著非常明顯的優(yōu)勢:無人機作業(yè)效率高，農(nóng)藥對作業(yè)人員的危害較小，大幅度減小作業(yè)人員的勞動強度，霧滴漂移少，霧流對農(nóng)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(nóng)業(yè)機械化、數(shù)字化的發(fā)展進程。
[0003]植保無人機施藥時，需穩(wěn)定在距離作物2?3米的高空上平穩(wěn)低速飛行并噴灑藥液。目前植保無人機多采用遙控直升機或多旋翼無人機作為作業(yè)平臺。無人直升機結(jié)構(gòu)復(fù)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(jié)構(gòu)和控制算法的復(fù)雜性，另一方面也提高其遙操作的復(fù)雜性，因此需要對無人機遙控者進行專業(yè)培訓(xùn)。多旋翼無人機作為植保作業(yè)平臺，其載重相對直升機小的多，主要原因是采用了多個小尺寸螺旋槳，效率低，而且由于電源不能過大，其持續(xù)作業(yè)時間較短。因此在多旋翼無人機作業(yè)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(qū)動解耦的無人機平臺有效的解決了現(xiàn)有無人機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作困難，負載低的問題。所謂驅(qū)動解耦植保無人機平臺僅需要實現(xiàn)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后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后兩個小旋翼提供推力，因此該無人機平臺的驅(qū)動力是完全解耦的。該平臺極大地適應(yīng)了無人機作為專業(yè)植保平臺的作業(yè)需求。
[0005]現(xiàn)有植保無人機大多是人工遙控操作的，不帶自動導(dǎo)航系統(tǒng)，噴灑藥液的準確性差，漏噴現(xiàn)象時有發(fā)生。而基于GPS導(dǎo)航的無人機飛控系統(tǒng)控制無人機沿預(yù)設(shè)的飛行航路進行植保作業(yè)，但其植保過程中易出現(xiàn)的航路誤差或作業(yè)高度不穩(wěn)定，從而極大地影響植保作業(yè)效果，極易造成農(nóng)藥漏噴、重噴或霧滴飄失嚴重?，F(xiàn)有無人機飛控系統(tǒng)無法適應(yīng)驅(qū)動解耦的無人機平臺進行植保作業(yè)的需求，因而無法直接配置應(yīng)用到此類驅(qū)動解耦的植保無人機上作為其植保飛行控制系統(tǒng)。
[0006]綜上所述，針對現(xiàn)有植保無人機存在的問題和不足，發(fā)明一種針對低成本、高負載、驅(qū)動解耦植保無人機的飛控系統(tǒng)具有非常重要的實際意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對現(xiàn)有各種植保無人機平臺存在的不足，克服現(xiàn)有飛控導(dǎo)航系統(tǒng)無法直接應(yīng)用于驅(qū)動解耦的植保無人機平臺，本實用新型提供了一種適合于驅(qū)動解耦植保無人機平臺的飛控系統(tǒng)，并使之不僅具備依據(jù)設(shè)置的作業(yè)路線進行導(dǎo)航，而且在作業(yè)過程中使無人機保持預(yù)定的噴藥高度的特點。
[0008]本實用新型一種植保無人機專用飛控系統(tǒng)采用的技術(shù)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(dǎo)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(dǎo)航控制子模塊、噴霧作業(yè)控制子模塊、飛行高度控制子模塊的信息交換以及實現(xiàn)作業(yè)參數(shù)設(shè)定等人機交互功能。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，并且實時調(diào)整無人機鉛垂方向升力使之穩(wěn)定在作業(yè)高度上。所述航路導(dǎo)航控制子模塊使無人機沿預(yù)設(shè)作業(yè)航路飛行，同時可以隨時調(diào)整飛行過程中出現(xiàn)的航路誤差，做到精確導(dǎo)航。所述噴霧控制子模塊依據(jù)植保無人機的作業(yè)位置實時控制植保作業(yè)開關(guān)，有效避免農(nóng)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，該芯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(tài)調(diào)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采用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(jīng)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(fā)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(diào)整發(fā)動機油門大小，控制輸出動力大小，進而控制大旋翼的旋轉(zhuǎn)速度，調(diào)整無人機鉛垂向的升力。測高傳感單元經(jīng)過高度信息輸入接口進入飛控處理單元，經(jīng)飛控處理單元計算后，再經(jīng)高度控制信息輸出接口輸出控制參數(shù)，控制油門舵機的油門大小，以控制大旋翼速度，進而調(diào)整無人機高度。
[0011]所述的航路導(dǎo)航控制子模塊包括飛行參數(shù)傳感單元和飛行姿態(tài)調(diào)整單元。所述的飛行參數(shù)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，用于控制無人機沿著預(yù)定航路進行作業(yè)。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，用于測量無人機空間三個旋轉(zhuǎn)自由度的偏轉(zhuǎn)角度和三個平移自由度的加速度值。所述電子羅盤利用內(nèi)置磁阻效應(yīng)傳感器，用于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采用MEMS傳感器，各傳感器信號通過AD轉(zhuǎn)換后由飛行信息輸入接口送入飛控處理單元。所述飛行姿態(tài)調(diào)整單元分為前后向姿態(tài)調(diào)整模塊和左右向姿態(tài)調(diào)整模塊，每個模塊均包括機身兩側(cè)與其相應(yīng)的電子調(diào)速器、電機和小旋翼。所述電子調(diào)速器與電機連接，電機隨著電子調(diào)速器輸出的電機驅(qū)動電流的大小和方向變化改變電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，小旋翼和電機共軸連接，產(chǎn)生不同推力帶動無人機調(diào)整飛行姿態(tài)。所述的飛行參數(shù)傳感單元經(jīng)過飛行信息輸入接口進入飛控處理單元，飛控處理單元根據(jù)飛行參數(shù)傳感單元獲取無人機GPS位置信息和姿態(tài)信息進行計算，得出無人機姿態(tài)調(diào)整參數(shù)，再經(jīng)飛行姿態(tài)調(diào)整信息輸出接口輸出控制參數(shù)，改變電子調(diào)速器的輸出電流大小和方向，以控制小旋翼速度，進而調(diào)整無人機的飛行姿態(tài)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，用于控制電動隔膜泵開關(guān)。所述的電動隔膜泵通過藥液管與噴頭組連接，用于將藥液從藥液箱中泵出。所述的噴頭組用于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(jù)是否到達噴霧區(qū)域進行繼電器開關(guān)的控制，從而控制電動隔膜泵是否進行噴霧作業(yè)。
[0013]一種植保無人機專用飛控系統(tǒng)的控制流程如下:
[0014]I)植保無人機平臺通過無線信息輸入接口接收地面站預(yù)先設(shè)定的飛行高度和規(guī)劃的噴霧航路數(shù)據(jù)，存儲在飛控處理單元中。
[0015]2)啟動發(fā)動機，油門舵機控制油門大小，大旋翼加速旋轉(zhuǎn)，無人機平穩(wěn)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(jù)所反饋的高度信息控制發(fā)動機油門大小，維持大旋翼一定的轉(zhuǎn)速使無人機穩(wěn)定在作業(yè)高度。
[0016]3)GPS裝置將實時位置信息反饋