[发明专利]一种无人机变量施药控制系统及方法

权利要求书

1.一种无人机变量施药控制系统，设置在植保无人机上，其特征在于：所述变量施药控制系统包括速度获取模块(2)、控制器(4)、传输模块和喷施模块；其中，

所述速度获取模块(2)包括GPS传感器和加速度传感器；所述GPS传感器设置在植保无人机的机体顶部，用于获取植保无人机的飞行速度；所述加速度传感器固定于植保无人机的机体顶部，并与植保无人机的机体水平面保持平行，其中，加速度传感器的x轴方向与无人机前进方向保持一致；

所述喷施模块固定在植保无人机的机体底部，包括药箱(3)、电子调速器(5)、微型隔膜泵(9)、流量计(6)和喷头(8)；其中，所述微型隔膜泵(9)的入水口通过软管与药箱(3)连接，出水口通过软管与流量计(6)连接；流量计(6)通过软管与多个设置在喷杆(7)上的喷头(8)连接；所述微型隔膜泵(9)通过电子调速器(5)与控制器(4)连接，控制器(4)发送PWM占空比调节电子调速器(5)从而控制微型隔膜泵(9)的流量；每一个微型隔膜泵(9)根据最大流量控制4个喷头；

所述控制器(4)分别与电源(1)、速度获取模块(2)和流量计(6)连接；

所述控制器(4)包括PID控制器和RBF神经网络模块。

2.如权利要求1所述的无人机变量施药控制系统，其特征在于：所述控制器(4)采用STM32F429型号嵌入式板。

3.如权利要求1所述的无人机变量施药控制系统，其特征在于：所述传输模块提供与云平台通信功能。

4.如权利要求1所述的无人机变量施药控制系统，其特征在于：所述喷头(8)为离心喷头或圆锥喷头。

5.一种利用如权利要求1～4所述的无人机变量施药控制系统的无人机变量施药控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、植保无人机携药液在作业目标上空飞行，启动速度获取模块(2)、GPS传感器和加速度传感器，将实时采集的速度信息发送至控制器(4)；

S2、确定无人机的实时飞行速度；

控制器(4)根据1s内GPS传感器采集的速度信息，判断无人机是否处于匀速飞行状态；

当GPS传感器采集的飞行速度波动范围小于0.2m/s时，则无人机处于匀速飞行状态，此时将加速度传感器获取到的加速度设置为0，并将GPS传感器获取到的飞行速度作为无人机的实时飞行速度；

当GPS传感器采集的飞行速度波动范围大于0.2m/s时，则无人机处于加速或减速的飞行状态，此时，通过公式1获得的实时修正飞行速度作为无人机的实时飞行速度；

式中，V_i为实时修正飞行速度，单位为m/s；V_g为GPS传感器获取到的飞行速度，单位为m/s；f为加速度传感器的实际采样频率，单位为Hz；t为采样时间，单位为s；ax为加速度传感器x轴方向获取到的加速度，单位为m/s²；ax＝((AxH＜＜8|AxL)/32768*16g，g为重力加速度，取9.8m/s²；AxL为加速度传感器以16进制发送的低字节数据，AxH为加速度传感器以16进制发送的高字节数据；

S3、变量施药；

控制器(4)根据步骤S2确定的无人机的实时飞行速度，通过公式2获得目标喷雾流量Q_rin；将目标喷雾流量Q_rin作为控制系统的设定流量r(k)；将流量计(6)采集到的实际喷雾流量y(k)与设定流量r(k)的偏差e(k)作为PID控制器的输入，PID控制器输出控制电压u(k)；控制器(4)根据控制电压u(k)改变PWM波信号的占空比来调节实际输出流量y(k）；

式中，Q_rin为目标喷雾流量，单位为L/min，N为单位面积的农药喷施量，单位为L/hm²，v为步骤S2确定的无人机的实时飞行速度，单位为m/s，d为无人机喷幅，单位为m。

6.如权利要求5所述的无人机变量施药控制方法，其特征在于：

所述步骤S3中，包括如下步骤：

S3.1、GPS模块获取当前无人机飞行速度，变量喷施控制系统根据公式2计算出目标喷雾流量作为控制系统的设定流量r(k)；

S3.2、计算实际喷雾流量与设定流量的偏差e(k)，将偏差作为PID控制器的输入，PID控制器输出控制电压u(k)；

S3.3、将u(k)传递给变量喷施控制系统，改变PWM波信号的占空比来调节流量，系统输出实际流量y(k)；

S3.4、通过RBF神经网络辨识得到Jacobian信息，将Jacobian信息作为依据调节PID控制器的参数K_P、K_I和K_D，从而实现参数自整定的变量施药；

RBF神经网络的整定指标为：

式中：error(k)为第k时刻的控制偏差；

采用梯度下降法分别调整K_P、K_I和K_D：

xc(1)＝error(k)-error(k-1)

xc(2)＝error(k)

xc(3)＝error(k)-2error(k-1)+error(k-2)

式中，被控对象的Jacobian信息为是通过RBF网络的辨识获得的；η为学习速率(η大于0)；error(k)为第k时刻的控制偏差；e（k）为实际喷雾流量与设定流量的偏差，单位为L/min；E为RBF神经网络的整定指标；y为系统输出实际流量，单位为L/min；Δu为控制电压，单位为v；

PID参数的调节方法如下：

K_p(k)＝K_p(k-1)+ΔK_p(k)+a_c(K_p(k-1)+K_p(k-2))

K_i(k)＝K_i(k-1)+ΔK_i(k)+a_c(K_i(k-1)+K_i(k-2))

K_d(k)＝K_d(k-1)+ΔK_d(k)+a_c(K_d(k-1)+K_d(k+-2))

式中，K_p(k)、K_i(k)和K_d(k)分别为第k时刻的比例常数、微分时间常数、积分时间常数；

K_p(k-1)、K_i(k-1)和K_d(k-1)分别为第k-1时刻的比例常数、微分时间常数、积分时间常数；

K_p(k-2)、K_i(k-2)和K_d(k-2)分别为第k-2时刻的比例常数、微分时间常数、积分时间常数；

ΔK_p(k)、ΔK_i(k)和ΔK_d(d)为第k时刻与上一时刻的偏差；a_c为动量因子。