一种植保固定翼无人机变量喷施控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种植保固定翼无人机变量喷施控制系统，其中包括飞行控制系统、飞行参数获取模块，图像采集与处理模块，飞行姿态控制模块、喷施控制模块，无人机地面控制站模块、以及电源模块。图像采集与处理模块通过遥感拍摄地面喷施作业区域图像，基于图像处理算法，获取喷施作业区域面积，植被种类、植被行数、植被列数，并将该数据传输给无人机飞行控制系统，无人机控制系统基于上述数据，结合喷施控制变量与作业区域面积数据、植被先验类型匹配值、植被行数、植被列数之间的经验函数关系，得到变量喷施控制系统的PWM斩波控制信号，从而控制药箱实现可控喷施。

A variable spraying control system for UAV with fixed wing for plant protection

【技术实现步骤摘要】
一种植保固定翼无人机变量喷施控制系统
本专利技术涉及一种植保固定翼无人机变量喷施控制系统，属于农业植保无人机

技术介绍
变量喷施是实现农业植保领域施药技术的一种重要方式。变量喷施技术可根据作业速度、作物种类自动调节喷量，既节约农药，又可减少农产品中的农药残留和环境污染，是农业喷施领域的重要发展方向。国内外学者研究开发了不少变量喷施系统，如控制药液混合比改变药液浓度实现变量施药，但存在浓度延时问题，系统复杂，施药剂量调节幅度小。另有基于地理信息系统的自动对靶变量喷雾控制装置，变量喷雾装备各个喷头的喷量需要控制中心在变量喷雾处方图的指导下，根据地面移动装载装备的位置、速度、喷雾系统的流量以及压力，利用伺服阀来控制，但与无人机喷雾相比，地面移动装载装备喷雾效率较低，且会留下辙印和损坏农作物。近年来，随着现代农业及高新技术的快速发展，变量喷施技术主要有基于红外线、超声波、机器视觉及激光雷达等变量喷雾方式，这些方式虽然是技术先进，但是由于过程复杂，操作不易，很难在实际应用中取得良好的喷雾效果。本专利技术在研究现有技术的基础上，针对现有技术的缺陷，设计了一种新型的基于作业区域、植被种类、植被行数、植被列数等图像采集数据的变量喷施控制方法，并在实际验证的基础上，总结出适合小范围喷施作业的变量控制系统喷施经验数据。
技术实现思路
为解决无人机变量喷施过程中无法根据作业面积，植被种类实时进行喷施量控制的问题，本专利技术设计了如下技术方案。一种植保固定翼无人机变量喷施控制系统，具体包括飞行控制系统、飞行参数获取模块，图像采集与处理模块，飞行姿态控制模块、喷施控制模块，无人机地面控制站、以及电源模块。所述飞行控制系统是整个植保无人机的控制中枢，负责与地面站进行数据传输和飞行数据处理，此外，飞行控制系统还负责对地面喷施区域图像数据传输，根据图像处理数据输出相应的飞行控制参数，并给出喷施控制模块的喷施作业参数。所述飞行参数获取模块，用于获取无人机飞行状态参数，包括飞行高度、经纬度、速度。所述图像采集与处理模块用于对地面喷施作业区进行图像采集，并基于图像处理算法获得待喷施作业的植被类型、作业面积、植被行数、植被列数。所述飞行姿态控制模块用于根据飞行控制系统输出的控制参数，控制无人机按指定高度和速度进行飞行，实现喷施作业。所述喷施控制模块用于根据图像采集与处理模块采集的图像数据，控制喷施药箱进行植被喷施作业。所述地面控制站与所述飞行控制系统进行远程数据传输，使得飞行控制系统可以接受地面工作人员的控制数据，从而实现无人机远程控制。所述电源模块为上述各模块提供相应的供电电源。更进一步的，所述图像采集与处理模块为高清度遥感摄像机，其通过遥感拍摄地面喷施作业区域图像，基于图像处理算法，获取喷施作业区域的面积，植被种类、植被行数、植被列数，并将该数据传输给无人机飞行控制系统。更进一步的，所述喷施控制模块接受飞行控制系统的控制参数，控制喷施药箱喷施频率。更进一步的，所述飞行参数获取模块为基于GPS/INS的捷联惯导系统，可以实时获取无人机的飞行高度、速度、经纬度参数。更进一步的，所述飞行姿态控制模块用于操纵舵机和发动机，从而控制无人机的飞行高度、飞行速度、飞行方向。更进一步的，所述电源模块为大容量，可充电，长续航能力的锂电池组。更进一步的，所述无人机地面控制站，通过无线通信网络，如WIFI与无人机飞行控制系统进行远程数据传输。本专利技术中，图像采集与处理模块在获得喷施作业区图像之后，首先进行图像灰度二值化处理，基于图像的空间分布，得到图像的空间邻近度和像素值相似度，并结合图像灰度相似性，实现背景去噪，得到植被的轮廓图像。此外，图像处理系统内存中预存储有待作业植被区域的轮廓数据库，将通过采集与处理后得到的图像植被轮廓，与内存数据库中的植被轮廓进行比对，从而得到相应的植被先验类型匹配值，并将该匹配值传输给飞行控制系统。无人机飞行控制系统得到图像采集与控制系统传输过来的作业区域面积数据、植被先验类型匹配值、植被行数、植被列数之后，经过控制系统的算法计算，得出喷施系统的PWM斩波控制变量。所述喷施控制模块包括喷施控制器、喷施药箱、PWM控制模块、隔膜泵及若干个离心式喷头，电磁阀。可选的，所述喷施药箱容量约为5L-10L，挂载在无人飞行器的正下方，隔膜泵的正上方，出水口与隔膜泵入水口相连；所述隔膜泵用于提供药液喷施压力。所述PWM控制模块采用MOSFET触发开关驱动模块，用于将PWM占空比信号转化成隔膜泵驱动电压信号。电磁阀用于控制喷头喷施的开启和关闭。更进一步的，本专利技术申请人在经过多次探索和试验后得出了喷施控制变量P与作业区域面积数据S、植被类型V、植被行数R、植被列数C之间的数值函数关系，其中其中ω是PWM电路工作周期，θ是晶闸管导通角。本专利技术实现了将遥感与图像处理技术应用到植保无人机变量喷施控制技术中，将植保区域面积、植保种类、植被行数、植被列数数据作为变量喷施的计算参数，从而实现药箱喷药量与植被种类相匹配的技术方案。【附图说明】附图1为本专利技术中植保无人机控制系统结构图。附图2为本专利技术实施例中变量喷施控制器的控制信号图。【具体实施方式】一种植保固定翼无人机变量喷施控制系统，具体包括飞行控制系统、飞行参数获取模块，图像采集与处理模块，飞行姿态控制模块、喷施控制模块，无人机地面控制站、以及电源模块。所述飞行控制系统是整个植保无人机的控制中枢，负责与地面站进行数据传输和飞行数据处理，此外，飞行控制系统还负责对地面喷施区域图像数据传输，根据图像处理数据输出相应的飞行控制参数，并给出喷施控制模块的喷施作业参数。所述飞行参数获取模块，用于获取无人机飞行状态参数，包括飞行高度、经纬度、速度。所述图像采集与处理模块用于对地面喷施作业区进行图像采集，并基于图像处理算法获得待喷施作业的植被类型、作业面积、植被行数、植被列数。所述飞行姿态控制模块用于根据飞行控制系统输出的控制参数，控制无人机按指定高度和速度进行飞行，实现喷施作业。所述喷施控制模块用于根据图像采集与处理模块采集的图像数据，控制喷施药箱进行植被喷施作业。所述地面控制站与所述飞行控制系统进行远程数据传输，使得飞行控制系统可以接受地面工作人员的控制数据，从而实现无人机远程控制。所述电源模块为上述各模块提供相应的供电电源。更进一步的，所述图像采集与处理模块为高清度遥感摄像机，其通过遥感拍摄地面喷施作业区域图像，基于图像处理算法，获取喷施作业区域的面积，植被种类、植被行数、植被列数，并将该数据传输给无人机飞行控制系统。更进一步的，所述喷施控制模块接受飞行控制系统的控制参数，控制喷施药箱喷施频率。更进一步的，所述飞行参数获取模块为基于GPS/INS的捷联惯导系统，可以实时获取无人机的飞行高度、速度、经纬度参数。...

【技术保护点】
1.一种植保固定翼无人机变量喷施控制系统，其特征在于,包括飞行控制系统、飞行参数获取模块，图像采集与处理模块，飞行姿态控制模块、喷施控制模块，无人机地面控制站模块、以及电源模块；/n所述飞行控制系统是整个植保无人机的控制中枢，负责与地面站进行数据传输和飞行数据处理，此外，飞行控制系统还负责接收地面喷施区域图像处理数据，根据图像处理数据输出相应的飞行控制参数，并给出喷施控制模块的喷施作业参数；/n所述飞行参数获取模块，用于获取无人机飞行状态参数，包括飞行高度、经纬度、速度；/n所述图像采集与处理模块用于对地面喷施作业区进行图像采集，并基于图像处理算法获得待喷施作业区域的重要参数；/n所述飞行姿态控制模块用于根据飞行控制系统输出的控制参数，控制无人机按指定高度和速度进行飞行，实现喷施作业；/n所述喷施控制模块用于根据图像采集与处理模块采集的图像数据，控制喷施药箱进行植被喷施作业；/n所述无人机地面控制站模块与所述飞行控制系统进行远程数据传输，使得飞行控制系统可以接受地面工作人员的控制数据，从而实现无人机远程控制；/n所述电源模块为上述各模块提供相应的供电电源。/n

【技术特征摘要】
1.一种植保固定翼无人机变量喷施控制系统，其特征在于,包括飞行控制系统、飞行参数获取模块，图像采集与处理模块，飞行姿态控制模块、喷施控制模块，无人机地面控制站模块、以及电源模块；
所述飞行控制系统是整个植保无人机的控制中枢，负责与地面站进行数据传输和飞行数据处理，此外，飞行控制系统还负责接收地面喷施区域图像处理数据，根据图像处理数据输出相应的飞行控制参数，并给出喷施控制模块的喷施作业参数；
所述飞行参数获取模块，用于获取无人机飞行状态参数，包括飞行高度、经纬度、速度；
所述图像采集与处理模块用于对地面喷施作业区进行图像采集，并基于图像处理算法获得待喷施作业区域的重要参数；
所述飞行姿态控制模块用于根据飞行控制系统输出的控制参数，控制无人机按指定高度和速度进行飞行，实现喷施作业；
所述喷施控制模块用于根据图像采集与处理模块采集的图像数据，控制喷施药箱进行植被喷施作业；
所述无人机地面控制站模块与所述飞行控制系统进行远程数据传输，使得飞行控制系统可以接受地面工作人员的控制数据，从而实现无人机远程控制；
所述电源模块为上述各模块提供相应的供电电源。


2.根据权利要求1所述的一种植保固定翼无人机变量喷施控制系统，其特征在于，所述图像采集与处理模块为高清度遥感摄像机和图像处理芯片，其通过遥感拍摄地面喷施作业区域图像，基于图像处理算法，获取喷施作业区域面积，植被种类、植被行数、植被列数，并将该数据传输给无人机飞行控制系统。


3.根据权利要求1所述的一种植保固定翼无人机变量喷施控制系统，其特征在于，所述喷施控制模块接受飞行控制系统的控制参数，控制喷施药箱喷施频率。


4.根据权利要求1所述的一种植保固定翼无人机变量喷施控制系统，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：韦焕生，
申请(专利权)人：深圳市益鑫智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44