基于GPS导航的无人机施药作业自动控制系统及方法

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基于GPS导航的无人机施药作业自动控制系统及方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种施药作业的自动控制系统，尤其涉及一种基于GPS导航的无人机施药作业自动控制系统，属于农业技术领域。本发明还涉及一种基于GPS导航的无人机施药作业方法。\n背景技术\n[0002] 与传统田间人工施药作业相比，航空施药的优势显著：作业效率高，农药对作业人员零危害，用工量和劳动强度大幅降低；雾滴漂移少，雾流对作物穿透性强，防治效果明显提高；无需专用起降机场，机动性好。航空施药技术为快速有效防控水田爆发性病虫草害、促进水稻规模化植保技术升级换代提供了最佳作业平台，同时也为现代航空技术和数字信息技术武装改造我国传统农业提供了前期技术储备，市场潜力和产业化前景良好。\n[0003] 目前，航空施药技术在美国与日本等发达国家应用较多，日本多采用无人直升机施药，但日本的无人直升机施药多为人工操作，不带自动导航自动控制施药系统，施药的准确性差。美国航空施药则采用大型固定翼农用航空施药装备，机动性差。\n[0004] 2009年3月4日，公告号为CN201203426Y的中国实用新型专利，公开了一种基于嵌入式GPS技术的农用飞机作业导航系统，它主要包括中央处理器以及与中央处理器相连的GPS模块、以太网模块、语音提示模块、触摸屏和存储器组成，中央处理器还与安全数码卡相连，中央处理器的外接JTAG接口作为操作系统内核与引导程序的烧写接口，中央处理器亦接有用于程序调试用的RS232接口。其主要用途是节约农药和飞行费用，优化飞行航线，减短作业时间，有效减小农药的重洒、漏洒率。该农用飞机作业导航系统用于有人驾驶的飞机，由于未将施药装置与自动控制系统有机结合，因此不适用于无人驾驶飞机。\n发明内容\n[0005] 本发明的首要目的在于，提出一种基于GPS导航的无人机施药作业自动控制系统，不仅可以自动导航，而且能够在达到预定施药地点上空时，自动控制施药。\n[0006] 为了达到以上首要目的，本发明提供了一种基于GPS导航的无人机施药作业自动控制系统，包括控制无人直升机旋翼飞行系统的飞行控制主机，所述飞行控制主机的主通讯端与GPS通讯连接，其主控制输出端接旋翼飞行系统的受控端，用以根据预定航线和GPS传来的实时位置信息向所述飞行系统发出导航控制信号；所述无人直升机上还装有由药箱、液泵、喷杆及喷头组成的施药装置，以及施药控制系统，所述施药控制系统包括主控制电路、通讯模块、反馈模块、信号处理模块及电力变送模块；所述飞行控制主机的辅通讯端通过所述通讯模块与所述主控制电路通讯连接，用以将施药控制信号传输给主控制电路，并接受所述主控制电路反馈的施药系统状态信息；所述主控制电路通过所述信号处理模块与所述液泵的受控端连接，用以根据预定施药地点和GPS传来的实时位置信息发出施药控制信号，并通过所述信号处理模块放大成电信号后提供给所述液泵的受控端，以控制液泵进行施药操作；所述反馈模块的信号输出端与所述主控制电路的反馈信号输入端相连，用以将施药系统状态信息反馈到所述主控制电路；所述电力变送模块包括电压转换电路和整流电路，将机载发电机提供的电压整流、转换并配送至上述各个模块。\n[0007] 相对于现有技术，本发明取得了以下有益效果：工作时，飞行控制主机不仅可以借助GPS控制无人直升机按照预定航线飞行，而且可以借助GPS，按预定的GPS航路控制施药装置实施喷洒任务，当无人直升机飞抵预定施药地点上空时，自动控制液泵启动；当无人直升机飞离施药区域时，液泵自动关闭；实现自动导航飞行且自动控制施药作业，避免了重喷与漏喷，也避免了药液的浪费，减少药液消耗；所有设备自行工作，全程自动作业。\n[0008] 作为本发明的优选方案，所述主控制电路包括：MSP430F149单片机、复位电路、存储模块、时钟模块、Jtag接口及3-5V电压转换模块；所述复位电路采用MAX811模块，其GND端口与单片机的DVss端口连接，其RESET端口与单片机的RST/NMI端口连接，发送复位指令给单片机防止程序跑飞；所述存储模块采用AT24C08存储芯片，所述时钟模块采用SD2003A时钟芯片，存储模块与时钟模块配合记录飞行过程中设备的工作状态作为数据分析的依据；所述Jtag接口分别与单片机的TDO、TDI、TMS、TCK、RST端口连接，作为单片机的程序下载端口；所述3-5V电压转换模块采用SN74LVC4245电平转换芯片，沟通3V电压下工作的单片机与5V电压下工作的外围电路。\n[0009] 作为本发明的优选方案，所述通讯模块包括并列的422接口电路和232接口电路，为所述主控制电路与所述飞行控制主机之间提供两种通讯模式。\n[0010] 作为本发明的优选方案，所述信号处理模块包括放大电路、隔离电路、设备接口三部分，所述放大电路把单片机发来的施药控制信号放大成12V电信号，再通过所述隔离电路的继电开关和所述设备接口传送至所述液泵，以弱电控制强电，实现对液泵的控制。\n[0011] 作为本发明的优选方案，所述反馈模块包括四组HCPL0601光耦，分别作为工作状态采集模块及液位报警模块与所述设备接口连接；所述工作状态采集模块判断所述液泵的工作电压是否满足要求，将得到的施药系统状态信息向所述单片机提供；所述液位报警模块将液位报警信号反馈给所述单片机。\n[0012] 作为本发明的优选方案，所述液位报警模块接受所述药箱的液位反馈信号判断是否发出所述液位报警信号；或者根据施药量及施药时间估算出所述药箱内的剩余药量，判断是否发出所述液位报警信号。\n[0013] 本发明的另一个目的在于，提出一种基于GPS导航的无人机施药作业方法，能够实现无人直升机自动导航飞行且自动控制施药。\n[0014] 为了达到以上目的，本发明提供了一种基于GPS导航的无人机施药作业方法，依次包括以下步骤：(1)航路规划PC机把测算好的无人直升机的GPS航路点信息和施药控制信号传输至地面站；(2)地面站把接收到的信号进行处理后，通过地面无线电台发往机载无线电台，由机载无线电台提供给飞行控制主机；(3)当地面站发出程控指令时，无人直升机将按照预定路线实施喷洒任务；(4)在喷洒作业的过程中，飞行控制主机一方面控制飞机按预定的GPS航路飞行，另一方面把航路信息内的施药控制信号分离出来发给施药系统；(5)施药系统接收施药控制信号开始工作，并把施药系统状态信息反馈给飞行控制主机；(6)飞行控制主机通过遥测通道把飞行过程中实时的GPS信息和施药系统状态信息通过机载无线电台及地面无线电台返回给航路规划PC机，通过软件界面在监视器上显现出来。\n[0015] 相对于现有技术，本发明取得了以下有益效果：无人直升机按照航路规划PC机测算好的GPS航路点飞行，施药系统按照地面站发出的施药控制信号在预定地点打开或关闭，如此实现了无人直升机自动导航飞行且自动控制施药；实时的GPS信息和施药系统状态信息反馈给航路规划PC机，通过软件界面在监视器上显现出来，使得无人直升机进行施药作业时，在作业区域图上能够实时显示飞机所在的位置、药箱药量和施药状态，供地面人员掌握飞行及施药情况。\n附图说明\n[0016] 下面结合附图对本发明作进一步的说明。\n[0017] 图1为本发明基于GPS导航的无人机施药作业自动控制系统的原理图。\n[0018] 图2为本发明基于GPS导航的无人机施药作业方法的流程图。\n[0019] 图3为本发明施药控制系统的电路原理框图。\n[0020] 图4为本发明施药控制系统中MSP430F149单片机的接线图。\n[0021] 图5为本发明施药控制系统中单片机与时钟模块及复位电路的接线图。\n[0022] 图6为本发明施药控制系统中单片机与存储模块的接线图。\n[0023] 图7为本发明施药控制系统中单片机与Jtag接口电路的接线图。\n[0024] 图8为本发明施药控制系统中单片机与电压转换模块的接线图。\n[0025] 图9为本发明施药控制系统中422接口电路图。\n[0026] 图10为本发明施药控制系统中232接口电路图。\n[0027] 图11为本发明施药控制系统中反馈模块、隔离电路和设备接口电路图。\n[0028] 图12为为本发明施药控制系统中放大电路的接线图。\n[0029] 图13为为本发明施药控制系统中电力变送模块的接线图。\n[0030] 图中：1.0主控制电路；1.1 MSP430F149单片机；1.2时钟模块；1.3复位电路；1.4存储模块；1.5 Jtag接口；1.63-5V电压转换模块；2.0通讯模块；2.1 422接口；2.2 232接口；3.0反馈模块；4.0信号处理模块；4.1放大电路；4.2隔离电路和设备接口；5.0电力变送模块。\n具体实施方式\n[0031] 如图1所示，本发明基于GPS导航的无人机施药作业自动控制系统，包括控制无人直升机旋翼飞行系统的飞行控制主机，飞行控制主机的主通讯端与GPS通讯连接，其主控制输出端接旋翼飞行系统的受控端，用以根据预定航线和GPS传来的实时位置信息向飞行系统发出导航控制信号。\n[0032] 无人直升机上还装有由药箱、液泵、喷杆及喷头组成的施药装置，以及施药控制系统。无人直升机上还安装有机载无线电台，飞行控制主机通过机载无线电台与地面站通讯。\n[0033] 地面站放在一辆可移动的控制车内，是无人直升机的控制终端，通过地面无线电台与机载无线电台通讯，并负责接收和发送所有与无人直升机飞行有关的数据，地面站接收的数据如无人直升机的飞行姿态、飞行速度、发电机转速等参数，发送的数据如飞机俯仰、横滚、旋转等指令。在本套系统中的作用是，接收已经规划好的GPS航路点信息并指挥飞机按照这些航路点执行作业任务，同时地面站还肩负施药控制信号的数据中转任务。\n[0034] 控制车内还安装有航路规划PC机，航路规划PC机安装有航路规划系统，且设有上行/下行串口通信端口，航路规划系统根据无人直升机的飞行约束条件、施药系统约束条件及施药作业区域参数设计出最佳飞行施药航路及施药控制信号。航路规划系统还将最佳飞行施药航路转换为无人直升机飞行GPS导航所需的经纬度坐标点即GPS航路点信息。无人直升机的飞行约束条件包括飞机的转弯半径、飞行转悬停所需时间。施药系统约束条件包括施药系统的喷幅、载药量及施药时间。\n[0035] 航路规划PC机通过上行串口通信端口将GPS航路点信息及施药控制信号发送给地面站；地面站通过地面无线电台发送给机载无线电台，机载无线电台再传输给飞行控制主机；无人直升机根据此航路自动飞行，施药系统按照施药控制信号自动打开或关闭。\n[0036] 飞行控制主机通过遥测通道，再经机载无线电台及地面无线电台，把飞行过程中实时的GPS信息和施药系统状态信息通过下行串口通信端口返回给航路规划PC机；航路规划PC机设有实时显示系统，实时显示系统包括监视器，并将实时的GPS信息和施药系统状态信息在监视器上显示。使得无人直升机进行施药作业时，在作业区域图上能够实时显示飞机所在的位置、药箱药量和施药状态。\n[0037] 作业时，实时显示系统在屏幕上绘出作业区域图及已规划好的航路，实时接收无人直升机发回的数据，提取其中无人直升机的机载GPS所获取的经纬度数据及施药状态数据，将经纬度数据经转换为平面坐标后将飞机的位置显示在屏幕上；同时根据施药状态数据显示当前是否正在施药和综合施药时间估算出的当前药量；还能根据系统故障传感器数据发出正常工作或报警的信号。这样就可以人工监视无人直升机是否偏离预先设定的规划航路，以及施药系统是否在预定的区域施药和系统是否工作异常。\n[0038] 如图2所示，本发明的一种基于GPS导航的无人机施药作业方法，依次包括以下步骤：(1)航路规划PC机把测算好的无人直升机的GPS航路点信息和施药控制信号传输至地面站；(2)地面站把接收到的信号进行处理后，通过地面无线电台发往机载无线电台，由机载无线电台提供给飞行控制主机；(3)当地面站发出程控指令时，无人直升机将按照预定路线实施喷洒任务；(4)在喷洒作业的过程中，飞行控制主机一方面控制飞机按预定的GPS航路飞行，另一方面把航路信息内的施药控制信号分离出来发给施药系统；(5)施药系统接收施药控制信号开始工作，并把施药系统状态信息反馈给飞行控制主机；(6)飞行控制主机通过遥测通道把飞行过程中实时的GPS信息和施药系统状态信息通过机载无线电台及地面无线电台返回给航路规划PC机，通过软件界面在监视器上显现出来。\n[0039] 如图3所示，施药控制系统包括：主控制电路1.0、通讯模块2.0、反馈模块3.0、信号处理模块4.0、电力变送模块5.0，共五部分。\n[0040] 反馈模块的信号输出端与主控制电路的反馈信号输入端相连，用以将施药系统状态信息反馈到主控制电路；\n[0041] 将飞行控制主机的辅通讯端通过通讯模块2.0与主控制电路1.0通讯连接，用以将施药控制信号传输给主控制电路1.0，并接受主控制电路1.0反馈的施药系统状态信息。\n[0042] 主控制电路1.0通过信号处理模块4.0与液泵的受控端连接，用以根据预定施药地点和GPS传来的实时位置信息发出施药控制信号，并通过信号处理模块放大成电信号后提供给液泵的受控端，以控制液泵进行施药操作。\n[0043] 反馈模块3.0包括工作状态采集模块及液位报警模块，反馈模块3.0的信号输出端与主控制电路1.0的反馈信号输入端相连，用以将施药装置的施药系统状态信息反馈到主控制电路1.0。液位报警模块接受药箱提供的液位反馈信号判断是否发出液位报警信号；\n或者根据施药量及施药时间估算出药箱内的剩余药量，判断是否发出液位报警信号。\n[0044] 电力变送模块5.0包括电压转换电路和整流电路，将机载发电机提供的电压整流、转换并配送至上述各个模块。\n[0045] 主控制电路1.0包括：MSP430F149单片机1.1、复位电路1.3、存储模块1.4、Jtag接口1.5、3-5V电压转换模块1.6、时钟模块1.2。由飞行控制主机中转来的控制信号通过\n422或232串口发送至主控制电路1.0，单片机1.1收到控制信号后按照通讯协议的要求控制施药装置工作，同时读取施药装置的工作状态也通过通讯模块传输回飞行控制主机。\n[0046] 图4为MSP430F149单片机1.1的管脚与外围电路的接线图。\n[0047] 图5中示出了单片机1.1与时钟模块1.2、复位电路1.3的接线图。复位电路1.3采用MAX811模块，其GND端口与单片机的DVss端口连接，其RESET端口与单片机的RST/NMI端口连接，发送复位指令给单片机防止程序跑飞。\n[0048] 图6所示为单片机1.1与存储模块1.4的接线图。存储模块1.4采用AT24C08存储芯片，时钟模块1.2采用SD2003A时钟芯片，存储模块1.4与时钟模块1.2配合使用可以记录飞行过程中设备的工作状态作为数据分析的依据。\n[0049] 图7为为单片机1.1与Jtag接口1.5的电路接线图，Jtag接口1.5分别与单片机的TDO、TDI、TMS、TCK、RST端口连接，作为单片机1.1的程序下载端口。\n[0050] 图8为3-5V电压转换模块1.6的接线图，3-5V电压转换模块1.6采用SN74LVC4245电平转换芯片，作为在3V电压下工作的单片机与5V电压下工作的外围电路沟通的桥梁。\n[0051] 通讯模块包括“422接口电路”和“232接口电路”，这两个电路为飞行控制主机提供了两种通讯模式，可根据实际情况自由选择使用，将施药系统状态信息反馈给飞行控制主机。图9为422接口2.1的电路图，图10为232接口2.2的电路图。\n[0052] 信号处理模块包括放大电路、隔离电路、设备接口三部分，放大电路4.1把单片机发来的施药控制信号放大成12V电信号，再通过“隔离电路”的继电开关和“设备接口”传送至施药装置，以弱电控制强电，实现对施药装置的控制，图3及图11中将隔离电路、设备接口合并标识为隔离电路和设备接口4.2。\n[0053] 图11为本发明控制系统中反馈模块3.0、隔离电路和设备接口4.2的电路图。反馈模块3.0包括四组HCPL0601光耦，分别作为工作状态采集模块及液位报警模块与设备接口连接。工作状态采集模块判断施药装置两端的工作电压是否满足要求，将得到的施药系统状态信息向单片机提供。液位报警模块接受液位开关的信号，并将液位报警信号反馈给单片机。\n[0054] 图12为为本发明控制系统中放大电路4.1的接线图。\n[0055] 图13为为电力变送模块5.0的接线图，电力变送模块5.0包括“电压转换电路”和“整流电路”。单片机工作电压3.3V，外围电路工作电压5V，继电器线圈电压12V，喷头工作电压5-12V(可调)，液泵工作电压18-24V(可调)。而机载发电机能提供的电压为28V，电力变送模块5.0的工作就是将28V电压整流、转换并配送至各个模块。\n[0056] 本发明是根据农田实际状况设计一种施药规划系统，使得机载施药装置在需要工作的区域以最佳的航路、最合理的施药地点精准作业。除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落入本发明要求的保护范围。