基于温度和压力监测的无人机喷雾控制方法与流程

本发明涉及控制领域，尤其涉及基于温度和压力监测的无人机喷雾控制方法，尤其适用于无人机精准施药。

背景技术：

随着智慧农业的发展，各类施药机具被广泛使用，以满足各种农业种植场景的需要，其中，无人机喷雾方式凭借高效、广泛、便捷等优势得到了极大的推广。

其中，无人机喷雾的温度与压力是精准施药的前提条件，在无人机喷雾的过程中如果温度与压力过低，会导致雾化产生的雾滴数不足，温度与压力过高，又会导致喷施药物发生化学反应，失去药效。从安全的角度也需要确保无人机喷雾装置产生的温度与压力值在安全的指标内，避免因为压力过大温度或压力过高造成爆炸。

但是，现有的无人机喷雾系统并没有能够很高的解决施药过程中的温度和压力问题。例如如果持续加压、猛烈加压等都容易产生爆炸。此外，现有的无人机喷雾系统在使用过程中状态发生异常变化时也无法做到有效地识别，在出现故障时也不能及时高效地解决问题。例如腔体出现磨损老化导致压力泄露时如果不能及时处理容易发生更严重的损坏。

因此，如何更智能化的实现喷雾控制是目前迫切需要解决的一大难题。

技术实现要素：

为了克服现有技术中的上述缺陷，本发明提出了一种高效安全的基于温度和压力监测的无人机喷雾控制方法，可应用于各类需要加热加压的使用场景中，包括无人机精准施药，实现了在高效加热加压的同时兼顾安全防爆的优点，控制精准方便。

为了达到本发明目的，本发明提供了一种基于温度和压力监测的无人机喷雾控制方法，所述方法包括如下步骤：1)在无人机喷雾系统上电完成后首先进行初始化，初始化完成后定期开启采集温度值和压力值；2)当检测的温度值低于温度下限值t1时，控制器控制温控开关导通从而开始加热，当检测的检测值高于温度上限值t2时，控制器断开温控开关以停止加热；当检测的温度值位于区间[t1,t2]时，控制器维持温度恒定；3)当检测的压力值低于压力下限值p1时，控制器启动电机工作，并通过第一控制值控制变频器逐渐增加压力；当检测的压力值高于上限值p2时，通过控制变频器以逐渐减小压力；当检测的压力值位于区间[p1,p2]时，控制器维持压力恒定，其中t1<t2，p1<p2；其中，系统采用外接变频器控制电机进而控制管道压力的方式。

其中，所述压力的控制包括：控制器的压力开关量输出端子连接交流接触器的线圈控制侧，用于控制交流接触器开关的通断，控制器的压力模拟量输出端子连接变频器的控制输入端，用于控制变频器的输出，从而调整电机的转速。

所述第一控制值根据升压情况采用模糊控制算法进行控制，所述模糊控制算法如下：增加压力的速率根据前后两次采集的压力差值及建立的模糊表控制，模糊表存有多个压力差值区间以及与各区间一一对应的升压速率，当在定长的时间段内，检测到前后两次采集到的压力值后，判断此二者的压力差值在模糊表中的哪个区间，对应给出相应的控制输出。

进一步的，当连续预定次数检测到温度均高于温度上限时或连续预定次数检测到压力均高于压力上限时，通过报警输出电路进行异常报警。

所述控制方法还包括按键检测步骤，用于判断是否有按键事件以实行干预控制，所述干预控制包括强制关机、上限值设定、下限值设定、告警设定。

为了进一步优化控制，所述方法还包括设备状态检测步骤，所述步骤于喷雾结束后、接收到停机信号时被触发，具体执行如下操作：1)控制器首先输出控制信号维持当前温度并停止压力控制，同时检查当前时刻的压力值pd1；2)经过一预定时间td后再次检测压力值pd2，判断停机后恒温环境下的压力变化率(pd1-pd2)/td，对其进行记录存储；3)停止加热，并分析当前变化率与历史变化率之间的偏差，当偏差较大时确认组件存在异常，通过报警输出电路进行告警。

其中，所述分析包括：将之前排除掉异常变化率后的历史变化率输入一神经网络模型训练以得到神经网络输出f(t)，f(t)为与时间t对应的正常变化率；同时系统对设备目前总工作时长进行累计得到tz，并根据一设备老化曲线确定与当前设备总工作时长对应的老化系数γz，将f(tz)*γz作为异常判断参考值t，若当前变化率超出[0.8t,1.2t]的区间，则认为设备发生异常需要维护。

所述报警输出电路包括蜂鸣器，在异常时进行蜂鸣警报；所述报警输出电路还包括一通信电路，在异常时通过无线网络远程告警，使得维护人员第一时间收到故障提示并及时进行处理。

本发明基于温度和压力监测的无人机喷雾控制方法填补了现有无人机喷雾控制领域的技术空白，通过温度和压力的双重检测以及双重控制，使得喷雾系统不会出现过热或者过压而失效；进一步地，当压力和温度失控时能够第一时间告警杜绝危险的发生。

本发明还提出了更进一步的优化方案：创造性地利用系统停机的时间进行状态数据的准确收集，从而能够第一时间检测机具状态的异常，并通过告知维护人员来提高维护效率。其中，状态数据基于恒温条件下的压力自然变化获得，避免了内外部热量交换带来的影响，从而最大程度地保障了分析结果的准确性。本发明通过多种手段协作，能够高效智能地感知设备状态、进行输出控制并及时预警，极大地提高了系统可靠性和稳定性

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1为本发明一实施例提供的无人机喷雾智能控制系统的结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的无人机喷雾智能控制系统的接线示意图；

图3为本发明一实施例提供的at89c51单片机引脚图；

图4为本发明一实施例提供的温度及压力采集电路的示意图；

图5为本发明一实施例提供的系统控制方法的流程图；

图6为本发明一实施例提供的智能控制系统的仿真实验图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，本申请中的实施例及实施例中的特征可以根据需要相互任意组合。

以下结合图1对本发明的系统进行阐述。如图1所示，本发明提出了一种无人机喷雾智能控制系统，包括：控制器，可以采用单片机实现；温度控制电路，用于进行温度调整；压力控制电路，用于进行压力调整；压力采集电路；温度采集电路；电源电路，用于给系统中的各用电模块供电。

可选地，控制器还连接有：晶振电路，用于提供控制器工作时序的时间基准；复位电路，用于实现上电复位以及故障复位；按键电路，用于输入设置参数；采集指示电路，用于进行温度和压力检测时的工作指示；显示电路，用于工作状态显示；报警输出电路，用于异常告警。

图2进一步示例出了无人机喷雾智能控制系统的接线示意图，其中将晶振电路、复位电路、按键电路等单片机外围电路与单片机分别连接，并且一同放置在pcb板上得到单片机控制板，可采用51单片机开发板等成熟方案实施，在此不再赘述。

所读温度采集电路采用pt100铂电阻温度传感器，其优点在于精度高、使用方便，可配合专用的温度变送器来远距离传输。通过pt100铂电阻进行测温，其原理在于pt100铂电阻传感器会根据温度的不同，自身阻值也会有相应的变化。专用的变送器只需要接上pt100铂电阻及电源就可以输出标准的4-20ma或者是0-20ma信号，优选地使用0-20ma的输出信号。选用电流信号是因为当较远距离传输时变送器相当于恒流源输出，减小线路阻值带来的误差，当温度传感器通过温度变送器接到实施方式中的控制板时，再通过串接250欧姆的电阻来将电流信号转换为0-5v的电压信号。

压力采集电路选用压力传感器配合变送器方式，压力采集原理同温度采集原理类似，不同的是前端传感器由pt100替换成压力传感器，变送器为传输压力信号的压力变送器。

所述温度控制电路具体为控制器的温度输出端子连接温控开关，从而根据控制器的输出信号控制温控开关的通断。温度控制输出采用开关量的输出方式，控制方式为当从温度传感器获取的温度检测值大于温度上限值时断开温控开关从而停止加热，当温度检测值小于下限值时接通温控开关从而开始加热。

所述压力控制电路采用外接变频器控制电机，进而控制管道压力的方式。具体的，控制器的压力开关量输出端子连接交流接触器km1的线圈控制侧，用于控制交流接触器开关的通断；控制器的压力模拟量输出端子连接变频器的控制输入端，用于控制变频器的输出，从而调整电机的转速。交流电源、空气开关qs、交流接触器km1的受控开关侧、变频器、电机依次串接形成电机回路。压力控制方式为当从压力传感器获取的压力检测值小于下限值时，控制板将输出开关量信号控制交流接触器的线圈通电接通交流器km1开关侧的开关最终接通电机的供电，控制板的压力模拟量输出端子同时给变频器输入相应的第一控制值；当压力检测值大于上限值时，通过控制变频器来减小压力。

该第一控制值采用由小到大递增的方式，避免一开始较大压力造成过压爆炸。控制算法优选地采用模糊控制算法，在一定的时间内通过检测到前后两次的压力值获得压力值变化量δp，如果变化量δp小于等于预定值(偏小)，说明给出的压力值小了，需要加大此压力值，如果变化量处于容许区间，说明给出的值合适，如果变化量超过预定值，说明给出的值大了，需要减小此值。本实施例设计默认分为6档判断，即压力差值δp的6个档位分别为：1档：小于等于0.05mpa；2档：大于0.05mpa并且小于等于0.1mpa；3档：大于0.1mpa并且小于等于0.15mpa；4档：大于0.15mpa并且小于等于0.2mpa；5档：大于0.2mpa并且小于等于0.25mpa；6档：大于0.25mpa并且小于等于0.3mpa。根据δp所处的不同档位采用不同的调节速率。

所述采集指示电路通过第一指示灯指示温度大小，通过第二指示灯指示压力大小。所述报警输出电路包括蜂鸣器，在异常时进行蜂鸣警报；还可以包括一通信电路，在异常时通过无线网络远程告警，使得维护人员第一时间收到故障提示并及时进行处理。

所述单片机可选用at89c51，其引脚图如图3所示，各引脚功能的说明具体参见芯片手册。

所述压力传感器选用液压压力传感器，例如平膜传感器。其工作原理为：压力直接作用在传感器的薄膜片上，使膜片产生与介质压力成正比的微小位移，让传感器的电阻发生了变化，再用电子线路检测这一变化，并且转换输出一个对应于这个压力的标准的电信号。

结合图4所示，温度和压力两个模拟量的采集可以共用一个变换芯片，例如图4所示的pcf8591。pcf8591芯片是一个带4路模拟量输入、1路模拟量输出以及iic总线的芯片，此iic总线上最多可以挂8片pcf8591芯片。温度采集占用第一路模拟量采集通道an0，即an0接温度传感器；压力采集占用模拟量采集通道第二路即an1，即an1接压力传感器；模拟量输出接aout即j6，传给控制器，此处的信号电平为0-5v的电平信号。pcf8591的scl和sda引脚分别接单片机的p1.0和p1.1引脚。

以下对基于上述的控制系统的智能控制方法进行阐述。所述方法基于温度和压力的检测，对现有无人机喷雾机具的状态进行了进一步的完善控制，如图5所示，基于温度和压力监测的无人机喷雾控制方法包括如下步骤：

在上电完成后系统首先进行初始化，初始化完成后定期开启采集温度和压力值，之后再判断各值是否在正常范围内，如果不在范围内做出相应的操作；

具体的，当温度检测值低于温度下限值t1时控制器的控制端接通温控开关开始加热，当温度检测值高于温度上限值t2时控制器断开温控开关以停止加热；当温度检测值位于区间[t1,t2]时，维持温度恒定；当压力检测值低于压力下限值p1时，启动电机工作，通过输送给变频器的第一控制值变频控制从而逐渐增加压力，同时根据升压情况进行模糊控制；当压力检测值高于上限值p2时，通过控制变频器以逐渐减小压力；当压力检测值位于区间[p1,p2]时，维持压力恒定。第一控制器的模糊控制可参见上文的描述，其中t1<t2，p1<p2。变频器的压力减小同样也可以采用模糊控制。模糊控制使得压力变化速率适中，能够兼顾控制调整的效率和安全。

pcf8591芯片的an0通道接入温度模拟量输入，pcf8591芯片的an1通道接入压力模拟量输入，输出可在显示电路上进行温度值和压力值指示。

本发明采用的模糊控制进一步概述如下：升压的大小根据前后两次采集的压力差值及建立的模糊表控制，当在预定长度的时间段内，检测到前后两次采集到的压力值后，判断此压力的差值在模糊表中的哪个区间，对应给出相应的输出。当此差值偏大时，控制变频器的速率减小，当此差值合适时，升压中速控制。当此差值偏小时，加大变频器升压的速率。

当连续预定次数检测到温度均高于温度上限时或连续预定次数检测到压力均高于压力上限时，通过报警输出电路进行异常报警。当连续预定次数时，预定次数可以根据实验统计确定或者根据实际需求设定，例如20次的调整都无法使得参数正常，即表面设备发生故障。

进一步的，所述控制方法还包括按键检测子程序，用于判断是否有按键事件以实行干预控制，例如强制关机、上限值设定、下限值设定等。干预控制还可以包括告警设置，即根据实际需要进行告警方式的设定，例如但不限于联系人方式修改、告警条件修改等。通过上述方法，能够有效实现及时排故和告警。

为了克服现有技术中无法及时检测组件状态的问题，本发明还提出了如下构思：每次当喷雾结束后，接收到停机信号时，启动状态检查子程序，具体执行如下操作：

1)控制器首先输出控制信号维持当前温度并停止加压，同时检查当前时刻的压力值pd1；

2)经过一预定时间td后再次检测压力值pd2，判断停机后恒温环境下的压力变化率(pd1-pd2)/td，对其进行记录存储；

3)停止加热，并分析当前变化率与历史变化率之间的偏差，当偏差较大时确认组件存在异常，通过报警输出电路向维护人员进行提醒。

进一步的，所述分析可以基于神经网络分析，具体是将之前排除掉异常变化率后的历史变化率输入一神经网络模型训练以得到神经网络输出f(t)，f(t)表征与工作时长t对应的正常变化率；同时系统对设备目前总工作时长进行累计得到tz，并根据一设备老化曲线确定与当前设备总工作时长对应的老化系数γz，将f(tz)*γz作为异常判断参考值t，若当前变化率超出[0.8t,1.2t]的区间，则认为设备发生异常需要维护。

本发明创造性地将状态监测和停机后的机具恢复时间进行结合，能够高效智能地感知设备状态并及时预警；并且通过维持恒温条件避免了热量变化造成的压力感测结果偏差，提升了分析结果的准确性。通过上述构思解决了现有技术中的缺陷，极大地提高了系统可靠性和稳定性。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

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