本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于有人機的施藥量控制系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

近年來，在國家政策和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展需求的大力推動下，我國農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)得到了快速發(fā)展。目前，采用無人機進(jìn)行施藥作業(yè)的農(nóng)業(yè)裝備發(fā)展非常迅速，國內(nèi)許多科研人員已經(jīng)對無人機的智能施藥系統(tǒng)展開了研究，但目前國內(nèi)尚沒有學(xué)者針對有人機(有人駕駛直升機和固定翼施藥飛機)的施藥量控制裝置展開研究；基于有人機的施藥作業(yè)，均采用的是無差別施藥，其施藥量在每個區(qū)域都是相同的，這就在一定程度上造成了農(nóng)藥浪費，或造成需藥量多的區(qū)域藥量不足，達(dá)不到施藥效果。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明提供一種用于有人機的施藥量控制系統(tǒng)及方法，實現(xiàn)了有人機在施藥過程中的精準(zhǔn)施藥，可針對田間不同地塊進(jìn)行差異施藥，解決了有人機無差別施藥造成的農(nóng)藥浪費，提高了農(nóng)藥的有效利用率。

第一方面，本發(fā)明提供了一種用于有人機的施藥量控制系統(tǒng)，包括：

依次由藥箱、第一施藥管道、三通球閥和回流管道連接組成的回路；

其中，第一施藥管道的第一端與藥箱的第一端連接，第二端與三通球閥的第一端連接，回流管道的第一端與三通球閥的第二端連接，第二端與藥箱的第二端連接；第一施藥管道上設(shè)置有電動水泵；

所述系統(tǒng)還包括：與三通球閥的第三端連接的第二施藥管道，以及在第二施藥管道的輸出端依次設(shè)置的流量傳感器以及施壓噴頭；

所述系統(tǒng)還包括：施藥量控制器和速度檢測模塊；

所述施藥量控制器分別與流量傳感器、速度檢測模塊和三通球閥的控制端連接，所述施藥量控制器用于根據(jù)用戶設(shè)定的目標(biāo)施藥量與通過流量傳感器和速度檢測模塊采集的數(shù)據(jù)計算獲取的實際施藥量之差控制所述三通球閥的開度，調(diào)節(jié)第二施藥管道內(nèi)的流量，使實際施藥量和目標(biāo)施藥量保持一致。

優(yōu)選地，所述施藥量控制器進(jìn)一步包括：核心處理器模塊、顯示器、按鍵輸入模塊、球閥驅(qū)動器、流量傳感器接口、速度檢測模塊接口和數(shù)據(jù)存儲模塊；

所述顯示器、按鍵輸入模塊、球閥驅(qū)動器、流量傳感器接口、速度檢測模塊接口和數(shù)據(jù)存儲模塊均與所述核心處理器模塊連接；

所述顯示器用于顯示用戶設(shè)定的目標(biāo)施藥量、流量傳感器采集的流量信息和/或速度檢測模塊采集的施藥飛機的飛行速度信息；

所述按鍵輸入模塊用于接收用戶設(shè)定的目標(biāo)施藥量以及施藥作業(yè)的作業(yè)幅寬；

所述球閥驅(qū)動器還用于與所述三通球閥連接，以控制所述三通球閥的開度；

所述流量傳感器接口和速度檢測模塊接口分別與流量傳感器和速度檢測模塊連接，用戶實時獲取第二施藥管道中的流量信息以及施藥飛機的飛行速度信息；

所述數(shù)據(jù)存儲模塊用于存儲施藥作業(yè)過程中的施藥飛機的飛行速度、實際施藥量以及第二施藥管道內(nèi)實時流量。

優(yōu)選地，所述施藥量控制器具體用于：

根據(jù)用戶設(shè)定的目標(biāo)施藥量Q_s與通過流量傳感器采集的第二施藥管道內(nèi)的瞬時流量q和速度檢測模塊采集的施藥飛機的飛行速度v計算獲取的實際施藥量Q_v之差控制所述三通球閥的開度，調(diào)節(jié)第二施藥管道內(nèi)的流量，使實際施藥量和目標(biāo)施藥量保持一致；

其中，當(dāng)實際施藥量Q_v大于目標(biāo)施藥量Q_s時，調(diào)節(jié)三通球閥的開度使第二施藥管道內(nèi)的流量減??；當(dāng)實際施藥量Q_v小于設(shè)定施藥量Q_s時，調(diào)節(jié)三通球閥的開度使第二施藥管道內(nèi)的流量增加，以使實際施藥量和目標(biāo)施藥量保持一致；

具體地，實際施藥量Q_v通過如下公式計算得到：

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

其中，d為用戶設(shè)定的施藥作業(yè)的作業(yè)幅寬；q為流量傳感器采集的第二施藥管道內(nèi)的瞬時流量；v為速度檢測模塊采集的施藥飛機的飛行速度。

優(yōu)選地，所述流量傳感器采用脈沖輸出的渦輪流量計實現(xiàn)；

相應(yīng)地，流量傳感器采集的第二施藥管道內(nèi)的瞬時流量q為：

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

其中，f為流量傳感器輸出脈沖的頻率；k為流量傳感器的儀表系數(shù)。

優(yōu)選地，所述第一施藥管道、回流管道和第二施藥管道均采用口徑為20mm的304不銹鋼管實現(xiàn)。

優(yōu)選地，所述三通球閥采用博力謀R3025三通調(diào)節(jié)型球閥實現(xiàn)。

優(yōu)選地，所述速度檢測模塊采用支持北斗和GPS雙模定位的高精度GNSS模塊ublox NEO-M8L實現(xiàn)。

優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)存儲模塊采用SD卡實現(xiàn)。

優(yōu)選地，所述核心處理器模塊采用STM32F103單片機實現(xiàn)。

第二方面，本發(fā)明還提供了一種利用上面所述的用于有人機的施藥量控制系統(tǒng)進(jìn)行有人機施藥量控制的控制方法，包括：

S1、獲取第二施藥管道內(nèi)的瞬時流量q；

S2、獲取施藥飛機的實時飛行速度v；

S3、根據(jù)第二施藥管道內(nèi)的瞬時流量q、施藥飛機的實時飛行速度v以及用戶設(shè)定的施藥作業(yè)的作業(yè)幅寬d計算實際施藥量Q_v：

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

其中，d為用戶設(shè)定的施藥作業(yè)的作業(yè)幅寬；q為流量傳感器采集的第二施藥管道內(nèi)的瞬時流量；v為速度檢測模塊采集的施藥飛機的飛行速度；

S4、若實際施藥量Q_v大于用戶設(shè)定的目標(biāo)施藥量Q_s，則調(diào)節(jié)三通球閥的開度使第二施藥管道內(nèi)的流量減?。蝗魧嶋H施藥量Q_v小于用戶設(shè)定的目標(biāo)施藥量Q_s，則調(diào)節(jié)三通球閥的開度使第二施藥管道內(nèi)的流量增加，以使實際施藥量和目標(biāo)施藥量保持一致。

由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明提供的用于有人機的施藥量控制系統(tǒng)通過施藥量控制器實現(xiàn)有人機在施藥過程中的精準(zhǔn)施藥，可針對田間不同地塊進(jìn)行差異施藥，解決了有人機無差別施藥造成的農(nóng)藥浪費，提高了農(nóng)藥的有效利用率，利于推廣與應(yīng)用。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發(fā)明實施例提供的用于有人機的施藥量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例提供的施藥量控制器16的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例提供的用于有人機的施藥量控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制原理圖；

圖4是本發(fā)明實施例提供的用于有人機施藥量控制的控制方法流程圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

圖1示出了本發(fā)明實施例一提供的用于有人機的施藥量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，參見圖1，本實施例提供的用于有人機的施藥量控制系統(tǒng)，包括：

依次由藥箱11、第一施藥管道10、三通球閥13和回流管道15連接組成的回路；

其中，第一施藥管道10的第一端與藥箱11的第一端連接，第二端與三通球閥13的第一端連接，回流管道15的第一端與三通球閥13的第二端連接，第二端與藥箱11的第二端連接；第一施藥管道10上設(shè)置有電動水泵12；

所述系統(tǒng)還包括：與三通球閥13的第三端連接的第二施藥管道14，以及在第二施藥管道14的輸出端依次設(shè)置的流量傳感器18以及施壓噴頭19；

所述系統(tǒng)還包括：施藥量控制器16和速度檢測模塊17；

所述施藥量控制器16分別與流量傳感器18、速度檢測模塊17和三通球閥13的控制端連接，所述施藥量控制器16用于根據(jù)用戶設(shè)定的目標(biāo)施藥量與通過流量傳感器18和速度檢測模塊17采集的數(shù)據(jù)計算獲取的實際施藥量之差控制所述三通球閥13的開度，調(diào)節(jié)第二施藥管道14內(nèi)的流量，使實際施藥量和目標(biāo)施藥量保持一致。

本實施例提供的用于有人機的施藥量控制系統(tǒng)，可以固定安裝在有人機的機艙底部，所述速度檢測模塊17用于測量有人機在施藥過程中的飛行速度，所述流量傳感器18用于實時獲取第二施藥管道14內(nèi)的瞬時流量，施藥量控制器16根據(jù)第二施藥管道內(nèi)的瞬時流量、飛機的實時飛行速度以及用戶設(shè)定的施藥作業(yè)的作業(yè)幅寬計算實際施藥量，并根據(jù)實際施藥量與目標(biāo)施藥量之差控制所述三通球閥13的開度，調(diào)節(jié)第二施藥管道14內(nèi)的流量，使實際施藥量和目標(biāo)施藥量保持一致。

本發(fā)明實施例提供的用于有人機的施藥量控制系統(tǒng)通過施藥量控制器實現(xiàn)有人機在施藥過程中的精準(zhǔn)施藥，可針對田間不同地塊進(jìn)行差異施藥，解決了有人機無差別施藥造成的農(nóng)藥浪費，提高了農(nóng)藥的有效利用率，利于推廣與應(yīng)用。

在一種可選實施方式中，參見圖2，所述施藥量控制器16進(jìn)一步包括：核心處理器模塊21、顯示器27、按鍵輸入模塊25、球閥驅(qū)動器26、流量傳感器接口22、速度檢測模塊接口24和數(shù)據(jù)存儲模塊23；

所述顯示器27、按鍵輸入模塊25、球閥驅(qū)動器26、流量傳感器接口22、速度檢測模塊接口24和數(shù)據(jù)存儲模塊23均與所述核心處理器模塊21連接；

所述顯示器27用于顯示用戶設(shè)定的目標(biāo)施藥量、流量傳感器采集的流量信息和/或速度檢測模塊采集的施藥飛機的飛行速度信息；

所述按鍵輸入模塊25用于接收用戶設(shè)定的目標(biāo)施藥量以及施藥作業(yè)的作業(yè)幅寬；這里所述的目標(biāo)施藥量一般指單位面積的施藥量；

所述球閥驅(qū)動器26還用于與所述三通球閥13連接，以控制所述三通球閥13的開度；

所述流量傳感器接口22和速度檢測模塊接口24分別與流量傳感器18和速度檢測模塊17連接，用戶實時獲取第二施藥管道中的流量信息以及施藥飛機的飛行速度信息；

所述數(shù)據(jù)存儲模塊23用于存儲施藥作業(yè)過程中的施藥飛機的飛行速度、實際施藥量以及第二施藥管道內(nèi)實時流量。

在一種可選實施方式中，所述施藥量控制器16具體用于：

根據(jù)用戶設(shè)定的目標(biāo)施藥量Q_s與通過流量傳感器18采集的第二施藥管道內(nèi)的瞬時流量q和速度檢測模塊17采集的施藥飛機的飛行速度v計算獲取的實際施藥量Q_v之差控制所述三通球閥13的開度，調(diào)節(jié)第二施藥管道14內(nèi)的流量，使實際施藥量和目標(biāo)施藥量保持一致；

其中，當(dāng)實際施藥量Q_v大于目標(biāo)施藥量Q_s時，調(diào)節(jié)三通球閥13的開度使第二施藥管道14內(nèi)的流量減小；當(dāng)實際施藥量Q_v小于設(shè)定施藥量Q_s時，調(diào)節(jié)三通球閥13的開度使第二施藥管道14內(nèi)的流量增加，以使實際施藥量和目標(biāo)施藥量保持一致；

具體地，實際施藥量Q_v通過如下公式計算得到：

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

其中，d為用戶設(shè)定的施藥作業(yè)的作業(yè)幅寬；q為流量傳感器18采集的第二施藥管道14內(nèi)的瞬時流量；v為速度檢測模塊17采集的施藥飛機的飛行速度。

在一種可選實施方式中，所述流量傳感器18采用脈沖輸出的渦輪流量計實現(xiàn)；

相應(yīng)地，流量傳感器18采集的第二施藥管道14內(nèi)的瞬時流量q為：

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

其中，f為流量傳感器18輸出脈沖的頻率；k為流量傳感器18的儀表系數(shù)。

在一種可選實施方式中，所述第一施藥管道、回流管道和第二施藥管道均采用口徑為20mm的304不銹鋼管實現(xiàn)。

在一種可選實施方式中，所述三通球閥采用博力謀R3025三通調(diào)節(jié)型球閥實現(xiàn)。

在一種可選實施方式中，所述速度檢測模塊采用支持北斗和GPS雙模定位的高精度GNSS模塊ublox NEO-M8L實現(xiàn)。

在一種可選實施方式中，所述數(shù)據(jù)存儲模塊采用SD卡實現(xiàn)。

在一種可選實施方式中，所述核心處理器模塊采用STM32F103單片機實現(xiàn)。

參見圖1，該系統(tǒng)包括藥箱11、第一施藥管道10、電動水泵12、三通球閥13、第二施藥管道14、回流管道15、施藥量控制器16、速度檢測模塊17、流量傳感器18和施壓噴頭19；

其中，流量傳感器18優(yōu)選為脈沖輸出的渦輪流量計，流量傳感器的口徑為20mm，測量范圍為0.4m³/h～8m³/h，當(dāng)有藥液流過時，流量傳感器18輸出流量脈沖信號，并將信號轉(zhuǎn)送給施藥量控制器16；速度檢測模塊17優(yōu)選為支持北斗和GPS雙模定位的高精度GNSS模塊ubloxNEO-M8L，通過施藥量控制器16獲取速度檢測模塊17輸出的作業(yè)飛機的當(dāng)前飛行速度；三通球閥13優(yōu)選為博力謀R3025三通調(diào)節(jié)型球閥，其通過球閥驅(qū)動器26進(jìn)行驅(qū)動，實現(xiàn)第二施藥管道14內(nèi)的流量控制；第一施藥管道10、第二施藥管道14和回流管道15均由口徑為20mm的304不銹鋼管組成。

在施藥過程中，電動水泵12從藥箱11中將藥液泵入三通球閥13，施藥量控制器16根據(jù)用戶設(shè)定的單位面積的施藥量、速度檢測模塊17測得的飛機飛行速度及流量傳感器16反饋回來的實際流量，來控制球閥驅(qū)動器26，實現(xiàn)三通球閥13的開度調(diào)節(jié)，完成藥液在第二施藥管道14和回流管道15之間的分配，從而實現(xiàn)單位面積內(nèi)實際施藥量與設(shè)定的目標(biāo)施藥量保持一致的目的。

參見圖2，圖2示出了施藥量控制器16的進(jìn)一步結(jié)構(gòu)。具體包括：核心處理器模塊21、顯示器27、按鍵輸入模塊25、球閥驅(qū)動器26、流量傳感器接口22、速度檢測模塊接口24和數(shù)據(jù)存儲模塊23；

其中，核心處理器模塊21優(yōu)選為STM32F103單片機，核心處理器模塊21通過流量傳感器接口22和速度檢測模塊接口24分別于流量傳感器18和速度檢測模塊17相連，實現(xiàn)第二施藥管道14內(nèi)流量和飛機飛行速度的實時獲??；球閥驅(qū)動器26優(yōu)選為博力謀NRQU24調(diào)節(jié)型驅(qū)動器，用來實現(xiàn)三通球閥13的開度調(diào)節(jié)；顯示器27優(yōu)選為4位數(shù)碼顯示管，顯示器27與核心處理器模塊21通過RS485協(xié)議進(jìn)行通訊；數(shù)據(jù)存儲模塊23優(yōu)選為SD卡，用來記錄施藥作業(yè)過程中飛機飛行速度、實際施藥量及施藥管道內(nèi)實時流量等數(shù)據(jù)，便于施藥作業(yè)后的信息統(tǒng)計與管理。

圖3示出了上述提供的用于有人機的施藥量控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制原理圖，首先通過按鍵輸入模塊25完成目標(biāo)施藥量的設(shè)置，通過流量傳感器18輸出的施藥管道內(nèi)的實時流量和速度檢測模塊17輸出的飛機當(dāng)前飛行速度，計算得到實際的施藥量，然后比較得到實際施藥量和目標(biāo)施藥量之間的差值，核心處理器模塊21根據(jù)該差值控制球閥驅(qū)動器26對三通球閥13的開度進(jìn)行調(diào)節(jié)，改變第二施藥管道14內(nèi)的流量，使實際施藥量和設(shè)定施藥量保持一致，從而實現(xiàn)施藥量的閉環(huán)控制。

本發(fā)明實施例提供的用于有人機的施藥量控制系統(tǒng)具有以下有益效果：通過施藥量控制器實現(xiàn)有人機在施藥過程中的精準(zhǔn)施藥，可針對田間不同地塊進(jìn)行差異施藥，解決了有人機無差別施藥造成的農(nóng)藥浪費，提高了農(nóng)藥的有效利用率，利于推廣與應(yīng)用。

本發(fā)明實施例二提供了一種利用上述實施例提供的用于有人機的施藥量控制系統(tǒng)進(jìn)行有人機施藥量控制的控制方法，參見圖4，包括如下步驟：

步驟101：獲取第二施藥管道內(nèi)的瞬時流量q。

步驟102：獲取施藥飛機的實時飛行速度v。

步驟103：根據(jù)第二施藥管道內(nèi)的瞬時流量q、施藥飛機的實時飛行速度v以及用戶設(shè)定的施藥作業(yè)的作業(yè)幅寬d計算實際施藥量Q_v：

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

其中，d為用戶設(shè)定的施藥作業(yè)的作業(yè)幅寬；q為流量傳感器采集的第二施藥管道內(nèi)的瞬時流量；v為速度檢測模塊采集的施藥飛機的飛行速度；

步驟104：若實際施藥量Q_v大于用戶設(shè)定的目標(biāo)施藥量Q_s，則調(diào)節(jié)三通球閥的開度使第二施藥管道內(nèi)的流量減?。蝗魧嶋H施藥量Q_v小于用戶設(shè)定的目標(biāo)施藥量Q_s，則調(diào)節(jié)三通球閥的開度使第二施藥管道內(nèi)的流量增加，以使實際施藥量和目標(biāo)施藥量保持一致。

當(dāng)所述流量傳感器18采用脈沖輸出的渦輪流量計實現(xiàn)時，相應(yīng)地，流量傳感器18采集的第二施藥管道14內(nèi)的瞬時流量q為：

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

其中，f為流量傳感器18輸出脈沖的頻率；k為流量傳感器18的儀表系數(shù)。

圖3示出了上述控制方法的閉環(huán)控制原理圖，首先通過按鍵輸入模塊25完成目標(biāo)施藥量的設(shè)置，通過流量傳感器18輸出的施藥管道內(nèi)的實時流量和速度檢測模塊17輸出的飛機當(dāng)前飛行速度，計算得到實際的施藥量，然后比較得到實際施藥量和目標(biāo)施藥量之間的差值，核心處理器模塊21根據(jù)該差值控制球閥驅(qū)動器26對三通球閥13的開度進(jìn)行調(diào)節(jié)，改變第二施藥管道14內(nèi)的流量，使實際施藥量和設(shè)定施藥量保持一致，從而實現(xiàn)施藥量的閉環(huán)控制。

本實施例提供的方法具有和上述實施例所述的系統(tǒng)一樣的效果，此處不再贅述。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，術(shù)語“上”、“下”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

還需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關(guān)系術(shù)語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區(qū)分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關(guān)系或者順序。而且，術(shù)語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設(shè)備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設(shè)備中還存在另外的相同要素。

以上實施例僅用于說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的精神和范圍。